多路PWM信號產(chǎn)生方案設(shè)計

江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 周 蕓

多路PWM信號產(chǎn)生方案設(shè)計

江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 周 蕓

在裝載機控制系統(tǒng)的設(shè)計中，必須對裝載機動臂、鏟斗的運動進(jìn)行控制，包括動臂的上升、下降和鏟斗的裝載、卸載。在單片機控制下的裝載機利用電液比例控制來實現(xiàn)對動臂、鏟斗的運動控制，系統(tǒng)最終的被控對象是比例電磁閥（共4個）。因此，裝載機控制系統(tǒng)需要產(chǎn)生4路PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號，用來驅(qū)動各對應(yīng)比例電磁閥，分別實現(xiàn)對動臂上升、下降和鏟斗裝載、卸載的控制。通過調(diào)節(jié)PWM輸出波形的占空比還可以改變動臂和鏟斗的運動速度。

一、 基于HSO的PWM信號產(chǎn)生方案

1.80C196KB單片機內(nèi)部HSO簡介。某裝載機控制系統(tǒng)的設(shè)計基于80C196KB單片機，其內(nèi)部的高速輸出器（HSO）功能強大，可以為系統(tǒng)產(chǎn)生多路PWM信號。通過軟件編程控制HSO通道的輸出，就可以得到所需要的PWM波形。

HSO可以按程序設(shè)定的時間觸發(fā)某一事件，CPU的使用開銷很小，故速度很高。允許被觸發(fā)的事件包括啟動A/D轉(zhuǎn)換，復(fù)位定時器2，設(shè)置4個軟件定時器標(biāo)志和接通多達(dá)6根輸出線（HSO.0～HSO.5）等。其中，HSO CAM陣列是HSO的核心部分，它由8個23位的寄存器組成，每個寄存器的7位用于存放事件輸出命令，其余16位用于存放事件觸發(fā)的時間。在程序中把命令和預(yù)定觸發(fā)時間寫入CAM陣列，就相當(dāng)于設(shè)定了某一事件。每一個狀態(tài)周期，來自定時器（作為HSO的時間基準(zhǔn)）的時間與CAM中一個預(yù)定的時間進(jìn)行比較。比較結(jié)果相符，說明觸發(fā)某一事件的時間已到，就讀出CAM中的這一項內(nèi)容，并產(chǎn)生該事件的觸發(fā)信號，同時清除該項數(shù)據(jù)內(nèi)容。

2.利用HSO中斷來產(chǎn)生連續(xù)的PWM信號。HSO同一時刻最多可以掛號8個事件，且當(dāng)事件被觸發(fā)時允許發(fā)生中斷。HSO可以產(chǎn)生2種中斷，分別對應(yīng)不同的中斷向量：HSO執(zhí)行中斷（2006H），產(chǎn)生于執(zhí)行HSO命令而使HSO的6個輸出腳（HSO.0～HSO.5）中任何一個工作時；軟件定時器中斷（200AH），產(chǎn)生于執(zhí)行其他HSO命令時，包括4個軟件定時器命令、T2復(fù)位命令和A/D轉(zhuǎn)換啟動命令。

對HSO編程可以按預(yù)定的時間產(chǎn)生中斷，即所謂的軟件定時器。HSO允許有4個軟件定時器同時工作，預(yù)定時間一到，HSO就對軟件定時器標(biāo)志置1，使軟件定時器中斷。因此，在同一時間窗口（8個狀態(tài)周期）內(nèi)發(fā)生多重軟件定時器中斷是可能的。

每產(chǎn)生一路PWM信號需要在CAM中設(shè)置3個事件，一個正跳變、一個負(fù)跳變和一個脈沖周期正跳變。前兩個事件只負(fù)責(zé)HSO某個輸出腳輸出高、低電平的狀態(tài)，不需要產(chǎn)生中斷；但CAM陣列中的所有事件一經(jīng)觸發(fā)就立即清除，所以要連續(xù)產(chǎn)生PWM波形必須在第三個周期事件發(fā)生后重新設(shè)置上述3個事件，因此第3個事件的觸發(fā)應(yīng)允許中斷，并在其中斷服務(wù)子程序中完成重置任務(wù)。只要在設(shè)置完第3個周期事件后開中斷，通過周期性的中斷就可以在HSO輸出腳產(chǎn)生一系列連續(xù)的PWM波形。此外，還可以利用軟件定時器中斷，軟件定時器的定時時間值即為PWM信號的周期。在軟件定時器中斷服務(wù)子程序中設(shè)置兩個事件——一個正跳變和一個負(fù)跳變，也可以達(dá)到相同的輸出效果。

采用上述方法產(chǎn)生PWM信號時，選定時器1作為HSO的時間基準(zhǔn)。在12 MHz晶振下，定時器1的每一個計數(shù)值代表1.33 μs，最大計數(shù)數(shù)值為216－1＝65 535，相當(dāng)于87 ms，所以能夠產(chǎn)生PWM波形的頻率范圍為11～375 kHz。實際需要的PWM頻率為幾百赫茲，在這個范圍內(nèi)是可實現(xiàn)的。

該裝載機控制系統(tǒng)共要求產(chǎn)生4路PWM信號，需占用4個HSO通道，每個通道都用上面的方法產(chǎn)生相互獨立的PWM信號。這對CPU而言相當(dāng)于增加了4個中斷源，并且執(zhí)行每一路PWM波形輸出時會產(chǎn)生頻繁的中斷，這在很大程度上會降低CPU的工作效率，甚至影響到CPU執(zhí)行其他監(jiān)控子程序和其他一些操作；另外，前面提及的HSO同一時刻最多可以掛號8個事件，而實現(xiàn)1路PWM信號輸出就需要3個事件，顯然不可能實現(xiàn)4路PWM信號的同時輸出。雖然在實際應(yīng)用中4路同時輸出的情況不會出現(xiàn)，但不得不考慮4路PWM信號交替產(chǎn)生過程中可能存在的CAM寄存器組不夠用的情況，這就影響到正常的PWM信號輸出，降低了系統(tǒng)控制的可靠性。

為此，可以利用80C196KB單片機的新增功能——CAM鎖定：即在HSO命令寄存器中增加CAM鎖定（LOCK）位D7，當(dāng)把一條命令寫入HSO CAM中時，若同時設(shè)置CAM鎖定位為1，可以使該命令保持在CAM中，否則產(chǎn)生一次HSO觸發(fā)的事件就會把CAM中相應(yīng)命令清除掉。

利用CAM鎖定功能可以周期性地產(chǎn)生PWM波形，而不需要頻繁的HSO中斷，大大減小了CPU的使用開銷，減輕了CPU的負(fù)擔(dān)。

CAM鎖定功能必須靠設(shè)置IOC2.6=1來選通。為了從CAM中清除被鎖定的事件，可以向CAM清除位IOC2.7寫入1，這將清除CAM寄存器組的全部內(nèi)容。這里沒有辦法單獨清除1項被鎖定的命令。

3.基于CAM鎖定功能的多路PWM產(chǎn)生方案。利用HSO復(fù)位定時器2（T2）的命令，用T2作為HSO的時間基準(zhǔn)，T2CLK為T2的時鐘源，可以產(chǎn)生周期性的事件，事件發(fā)生周期由用戶選定。程序中設(shè)置好T2的復(fù)位時間，并安排PWM波形正跳變這一事件發(fā)生于T2復(fù)位的時刻，而負(fù)跳變這一事件發(fā)生于T2復(fù)位前的某個時刻（該事件決定了PWM的占空比），將這兩個事件和T2復(fù)位事件都鎖定在CAM中，則一路PWM信號將周期性地產(chǎn)生，其重復(fù)周期就是T2的復(fù)位周期。

由于要以T2為HSO的時間基準(zhǔn)，但HSO的時間分辨率為8個狀態(tài)周期［12 MHz晶振時為（1/6 MHz）×8=1.33 μs］，所以限制了T2的最高時鐘頻率也必須為每8個狀態(tài)周期一次，即T2的時鐘源輸入至少為CLKOUT的8分頻輸出。此外，T2實質(zhì)是一個采用外部時鐘的16位計數(shù)器，由于外部時鐘的正跳沿和負(fù)跳沿處T2都會計數(shù)，所以要想每8個狀態(tài)周期T2計數(shù)值增1，時鐘輸入周期必須為16個狀態(tài)周期（即至少為16分頻）。

PWM信號的周期TPWM＝T2計數(shù)值（M）×8個狀態(tài)周期（1.33μs）。其中 T2的計數(shù)值M決定了PWM波形的分辨位數(shù)A（M＝2A－1）。當(dāng)要求產(chǎn)生的PWM信號的周期為2 ms時，M＝1 508，A＝10。這一點說明該方案完全可以產(chǎn)生所要求的PWM信號。

4.如果懶得抄原題，也可以根據(jù)需要將原題裁剪下來粘貼到錯題本上，但不宜太多，以免日積月累錯題本顯得太厚重；

實際要求的4路PWM信號是相互獨立，互不影響的，所以當(dāng)請求產(chǎn)生某一路PWM信號時，必須向CAM寫入3個事件的鎖定命令；當(dāng)請求產(chǎn)生多路PWM信號時，考慮到4路PWM信號的頻率相同，所以那幾路可以共用一個T2復(fù)位事件，隨后請求的幾路PWM只要再各自追加2個事件就可以了。事實上，實際運行時最多有2路PWM會同時輸出：一路控制動臂的運動，另一路控制鏟斗的裝載或卸載，故同一時刻關(guān)于PWM的鎖定命令最多占用5個CAM寄存器。這一點說明本方案實現(xiàn)多路PWM信號輸出也是可行的。

但這種方案也存在問題——無法單獨清除1項被鎖定的命令。例如當(dāng)要停止某一路PWM輸出時，應(yīng)該清除對應(yīng)的CAM中被鎖定的項，這時必須通過設(shè)置IOC2.7=1來實現(xiàn)，同時也把整個CAM內(nèi)容全部清除掉了，因此所有要繼續(xù)執(zhí)行的命令必須重新設(shè)置，包括那些未鎖定的命令。

4.方案缺點。對于上面討論的CAM清除問題，顯然在沖洗和重新裝入CAM命令的過程中，可能會漏掉執(zhí)行某些命令，所以必須考慮已裝載的CAM命令的備份、記憶問題，因此沒有足夠的軟件開銷是很難解決這些問題的。同時也使得改變PWM信號輸出這一軟件控制過程變得復(fù)雜化且易出錯。

從單片機資源的占用來看，基于HSO的多路PWM信號產(chǎn)生方案使用4個獨立的HSO通道，執(zhí)行PWM信號輸出功能，僅實現(xiàn)單一地對動臂、鏟斗的控制。這部分功能其實只是整個控制系統(tǒng)的一小部分，但其在軟、硬件方面都占用較多的資源。此外，這種方案很大程度上限制了HSO在其他功能上的應(yīng)用，沒有充分發(fā)揮HSO獨特而強大的功能，更不利于進(jìn)一步擴(kuò)展系統(tǒng)的監(jiān)控任務(wù)。因此，可以考慮用硬件來實現(xiàn)多路PWM信號輸出的設(shè)計方案。

二、 基于發(fā)生器M66240的4路PWM信號的產(chǎn)生方案

1. M66240簡介。M66240是一種可編程的PWM發(fā)生器，它內(nèi)部包含有一個16位的預(yù)分頻器和一個PWM計數(shù)器，可以實現(xiàn)4通道PWM信號產(chǎn)生的獨立控制。

M66240有3種PWM輸出模式，其中模式0和2通過對M66240編程實現(xiàn)周期性PWM信號，而模式1下必須依據(jù)外部觸發(fā)信號來產(chǎn)生非周期性PWM信號。所以只有模式0和2滿足要求。下面介紹這2種模式。

模式0：PWM計數(shù)器既可以用作16位，也可用作8位，區(qū)別僅在于PWM波形的分辨精度不同。該模式下一個PWM波形固定包含（2A－1）（A＝8，16）個計數(shù)脈沖，設(shè)置PWM波形高電平持續(xù)時間的計數(shù)值M，就可以得到周期性輸出的設(shè)定占空比的PWM波形。

模式2：PWM波形的產(chǎn)生原理同模式0，不過需要同時設(shè)置高電平持續(xù)時間的計數(shù)值 M和低電平持續(xù)時間的計數(shù)值N，才可以得到周期性輸出的PWM波形。

可以看到在這種模式下，允許產(chǎn)生周期較大的PWM波形，并且PWM的周期和占空比調(diào)節(jié)更加自由，可以靈活產(chǎn)生各種PWM波形。

2.方案實現(xiàn)。采用M66240產(chǎn)生PWM信號時，把單片機時鐘輸出CLKOUT引腳的2分頻時鐘信號作為它的外部時鐘源。例如單片機系統(tǒng)使用12 MHz晶振，則M66240的基準(zhǔn)工作頻率f（XIN）= 6 MHz。在該基準(zhǔn)工作頻率下，計算2種模式下PWM的周期，計算結(jié)果見表1。

表 1 2種模式下PWM的周期

這里要求的PWM周期是“ms”級的，一般取為1～2 ms，所以模式0（A＝8）或模式2都可以。

模式0時，設(shè)置PWM計數(shù)器為8位，由T（μs）= ［（L+1）/ f（XIN）］ ×（28－1）可得T=2 ms時，預(yù)分頻器計數(shù)值L＝46；雖然每個PWM包含了12 000個外部時鐘脈沖，但PWM的分辨率也只有8位。

模式2時，為提高PWM的分辨率，取定L＝0，由T（μs）=［（L+1）/f（XIN）］×（M+N）可得T＝2 ms時，M+N＝12 000，這時PWM的分辨位數(shù)可以達(dá)到13位。再根據(jù)PWM的占空比可以分別確定M，N的值。一旦要改變PWM占空比，需要同時修改M，N兩個計數(shù)值。

3. M66240與單片機的接口設(shè)計。將M66240當(dāng)做單片機系統(tǒng)的一個外部I/O設(shè)備來用，CPU只作為它的一個軟件伺服系統(tǒng)，通過軟件指令獨立設(shè)置各個通道的PWM信號周期、占空比，該芯片就會自動產(chǎn)生PWM信號，而不再受CPU控制（除非要改變PWM波形的特性）。M66240與單片機的接口電路如圖1所示。

硬件電路設(shè)計中，3-8譯碼器74LS138的輸出Y3作為M66240的片選信號；單片機的寫信號WR控制其寫控制端，實現(xiàn)單片機對M66240的寫入操作；同時設(shè)置P1.4這路I/O口線作為它的命令/數(shù)據(jù)選通信號；它的8位數(shù)據(jù)口則直接與單片機的數(shù)據(jù)總線接口；由單片機系統(tǒng)向M66240提供時鐘信號，即將時鐘輸出信號CLKOUT用作其外部時鐘源，作為系統(tǒng)的時鐘基準(zhǔn)；4路PWM輸出就是對動臂、鏟斗的控制信號。

4.軟件設(shè)計。主要是對M66240的編程。要控制M66240的不同通道產(chǎn)生PWM波形，只要設(shè)置各通道對應(yīng)的預(yù)分頻器計數(shù)值和PWM計數(shù)器的計數(shù)值即可，可通過向M66240寫入不同的命令或數(shù)據(jù)來實現(xiàn)。單片機控制M66240輸出的軟件流程如圖2所示。

對M66240的編程一共要用到3種操作命令：Command1，設(shè)定PWM輸出模式和各路的外部觸發(fā)輸入，同時設(shè)置高電平寬度的輸出極性。Command2，在一個字節(jié)的基礎(chǔ)上，向各通道的預(yù)分頻器和PWM計數(shù)器中指定的16位寄存器寫數(shù)據(jù)。從第二字節(jié)開始的后續(xù)字節(jié)作為數(shù)據(jù)值被寫入預(yù)分頻器和PWM計數(shù)器。Command3，用于啟動和中止PWM計數(shù)器的工作。

三、方案比較

從對上述幾種方案的分析可以看到，HSO中斷的最大缺點是頻繁的中斷導(dǎo)致CPU執(zhí)行效率降低；CAM鎖定的最大缺點是軟件編程復(fù)雜，需要較多的軟件資源；采用專用PWM發(fā)生器芯片的缺點則是耗用一定的硬件資源，成本較高。

事實上，這幾種方案在不同的場合需求下也是各有長處的：HSO中斷適用于產(chǎn)生單路PWM信號，且要求PWM信號的頻率在輸出允許范圍內(nèi)；CAM鎖定適用于在單片機控制功能單一，而要求產(chǎn)生多路同周期PWM信號的場合，且這多路PWM信號的輸出有一定規(guī)律（如要求2～3路同時輸出等），從而可盡量減少軟件編程的復(fù)雜度；專用PWM發(fā)生器適用于單片機控制功能復(fù)雜，而又要求產(chǎn)生多路PWM信號的場合，直接利用硬件電路來產(chǎn)生PWM信號，不僅實時性好、輸出可靠、準(zhǔn)確，而且占用CPU資源少，提高了CPU的執(zhí)行效率。