Arduino内部タイマーをマスターして精密なタイミング制御を実現する

必要な部品と材料

部品	数量	備考
Arduino UNO	1
LED（汎用）	1
抵抗 220Ω	1

プロジェクト概要

概要

正確な時間計測が必要な場合、タイマーを使用しますが、Arduinoの内部タイマーは扱いが難しいとされています。本チュートリアルでは、できるだけ分かりやすく解説します。

delay()関数ではその間何もできませんが、タイマー割り込みを使えば、指定時刻に割り込みが発生し、メインループをブロックせずに処理を実行できます。

ここでは最も扱いやすいTimer0を使用します（他のタイマーは今後解説予定）。

仕組み

ATmega328Pのデータシートを参照します。カウンターブロック図を見ると、クロックサイクルからプリスケーラーを経て制御ロジックへパルスが入り、TCNTnレジスタがインクリメントされます。

TCNTnの値を特定値（OCRnレジスタ）と比較し、一致したら割り込みを発生させる「CTCモード（Clear Timer on Compare）」を使用します。

プリスケーラーでクロックを分周できます。16MHzをそのまま使うと速すぎるため、TCCR0Bレジスタで分周比を設定します。

目標時間に対するOCRnの値は以下の式で求めます：

OCRn = (クロック周波数 / プリスケーラー) × 目標時間 - 1

例：1ms割り込み（16MHz、プリスケーラー64）

TCCR0A |= (1 << WGM01);      // CTCモード設定
OCR0A = 0xF9;                  // 249 = 1ms @ 16MHz/64
TIMSK0 |= (1 << OCIE0A);       // 比較一致割り込み許可
sei();                         // グローバル割り込み許可
TCCR0B |= (1 << CS01) | (1 << CS00); // プリスケーラー64（カウント開始）

※プリスケーラー設定は最後に行うこと（設定時点でカウント開始するため）。停止するにはTCCR0Bをクリアします。

サンプルコード：1秒ごとにLED点滅

int timer = 0;
bool state = 0;

void setup() {
  pinMode(13, OUTPUT);
  TCCR0A = (1 << WGM01);           // CTCモード
  OCR0A = 0xF9;                    // 1ms
  TIMSK0 |= (1 << OCIE0A);         // 割り込み許可
  sei();                           // グローバル割り込み許可
  TCCR0B |= (1 << CS01) | (1 << CS00); // プリスケーラー64
}

void loop() {
  if (timer >= 1000) {  // 1000ms = 1秒
    state = !state;
    timer = 0;
  }
  digitalWrite(13, state);
}

ISR(TIMER0_COMPA_vect) {
  timer++;  // 1msごとにインクリメント
}

回路図