基于STC15在線式PWM信號發生器的設計

胡飛 呂勇飛 汪宏鵬 張盛博

摘要：為提供電子測試領域中需要頻率與占空比隨時間變化的測試信號，設計了一款基于STC15的在線式PWM信號發生器；信號發生器以STC15W4K32S4微控制器為核心，通過串行通信接口與上位機連接，基于PyQt5+Pyserial設計可視化的上位機界面，可根據測試計劃輸入信號參數以及運行時間，信號發生器則根據預設時間輸出不同參數的PWM信號，亦可通過按鍵離線調整運行參數，OLED顯示當前運行參數，方便用戶查看；經測試，PWM輸出在10Hz～100KHz范圍內精度均滿足要求，目前此設備已應用于實際汽車電子測試場合并取得良好反饋。

關鍵詞： PWM信號發生器；STC15；PyQt5

中圖分類號：TP311 ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）28-0001-03

在電子測試應用領域中，PWM信號發生器產生可調脈沖供微控制器使用，也可以控制相關電路實現調光調速，例如控制設備的導通與關斷，做開關疲勞測試、電壓驟降、控制電磁閥吸合、釋放等試驗[1]；目前常見的PWM信號發生器只提供手動按鍵修改PWM的頻率與占空比功能，無法實時動態根據測試需求自動地調節PWM的頻率與占空比。

本文應用背景是汽車電子散熱風扇的實驗測試，需根據不同測試時長輸出不同頻率、不同占空比的PWM信號，用以測試風扇控制器的控制效果，原有測試場景中采用人力值守來調整相應測試參數，費時耗力，因此需要研發一款在線式調整運行參數與時長的PWM信號發生器。

1 系統總體設計

在線式PWM信號發生器系統主要包括STC15單片機最小系統，RS232-TTL轉換電路、OLED屏幕顯示、獨立按鍵以及配套的上位機軟件，支持運行參數的離線調節以及在線自動調節功能，系統總體設計框圖如圖1所示，上位機和信號發生器之間通過USB轉RS232串口線纜連接。

2 硬件設計

2.1 電源設計

在汽車電子測試領域中，常見測試電壓范圍為9V～16V，恒定測試電壓13.5V，鑒于此將PWM信號發生器的供電電源擴展至7V～18V之間，通過在電源輸入端接入二極管SS34做輸入防反接保護，由于微控制器STC15工作電壓為4.5V～5.5V，選用穩壓芯片——AMS1117-5.0實現電源穩定降壓，工作原理圖如圖2所示，其工作范圍廣、輸出電壓精度高，內部集成過熱保護及限流電路[2]，輸入電壓最大可達到20V，滿足本文應用背景。

2.2 STC15單片機最小系統

本設計的主控芯片采用STC15W4K32S4微控制器，其系統工作原理圖如圖3所示，STC15W4K32S4微控制器運行無需外部晶振和外部復位電路，具有低功耗、ESD保護和寬電壓等特性[3]，因其內部具有6通道15位的高精度PWM模塊，滿足本設計對PWM精度的需求，為實現離線頻率和占空比的調整，增加了4個功能按鍵，分別為頻率加、減，占空比加、減，同時通過I2C接口連接0.96寸OLED顯示屏。

2.3 串行接口電路

采用串行通信實現在線式PWM信號發生器與微型計算機之間的通信，由于目前常見微型計算機都已不具備RS232的串行接口，采用USB轉串口線將微型計算機的USB信號轉換為RS232電平信號[4]，在STC15端通過SP232EEN芯片，將TTL的串行接口電平轉換為RS-232S接口電平，兩者通過DSUB接口連接；SP232EEN可實現最高120Kbps的傳輸速率，其工作原理圖如圖4所示，在實際應用過程中發現，此元件對電源噪聲較敏感，為保證元件的正常工作需在附近放置100nF的去耦電容C10，在實際PCB布線中，SP232EEN內部電荷泵工作所需的4個電容C6～C9應盡可能靠近SP232芯片，以提高抗干擾能力。

2.4 信號轉換電路

STC15微控制器引腳輸出高電平最高為5V，為了使PWM輸出信號達到汽車電子測試所需的13.5V，輸出信號采用集電極開路（OC） 輸出，實現PWM信號電平為輸入電壓VCC，可達5V到20V之間，考慮到PWM信號發生器可能會被要求輸出較高頻率（>50KHz） 的信號，應用NPN型三極管S3904實現快速開關電路，工作原理如圖5所示，其集射極擊穿電壓40V，集電極電流為200mA，增益帶寬為300MHz，適合電子測試領域PWM信號高速變化的需求。

2.5 設計實物圖

通過前述原理圖設計，形成工程版圖，經過元件焊接流程，形成如圖6的實物圖。

3 軟件設計

3.1 軟件總體設計

系統的軟件設計分為兩大部分：一是基于STC15微控制器的嵌入式應用程序，二是上位機的應用程序，兩者通過串行RS232接口完成數據傳輸，協議格式遵循JSON標準格式，其中自定義協議描述如表1所示，第一行是上位機發送的控制指令形式，第二行是信號發生器發送給上位機的當前運行狀態數據。

3.2 STC15嵌入式程序設計

STC15微控制器的程序設計采用嵌入式C語言開發，主要流程有系統初始化、讀串口緩存數據、按鍵掃描、ADC采集、PWM輸出、OLED顯示等，其工作流程如圖7所示；涉及的外設主要有UART、TIME、ADC等，其中UART采用中斷接收上位機發來的數據，JSON格式數據存入環形隊列（Ring Buffer） 中[5]，通過判斷緩沖區內是否有完整的一幀JSON數據，綜合接收的數據與按鍵鍵值確定輸出PWM的頻率與占空比，按鍵掃描周期為100ms，具備長按和短按功能，短按實現加1或減1功能，針對頻率調整按鍵，在長按情況下，會間隔500ms加減100，便于頻率數據的快速調整，OLED顯示當前輸出PWM的頻率和占空比，ADC通過采集分壓電路計算得到輸入電壓VCC，通過UART將信號發生器輸出PWM的頻率、占空比以及輸入電壓數值送至上位機，用于實時顯示。

3.3 上位機控制程序設計

為了實現上位機程序的跨平臺特性，采用Python作為程序設計語言，選擇PyCharm開發環境進行開發，基于PyQt5+Pyserial的結構開發上位機應用程序，PyQt5作為Qt框架在Python的語言實現，提供了豐富的窗口控件，其“信號-槽”的機制應用使得人機交互變得更為簡單，能夠跨平臺應用于Linux、Windows和MacOS系統上[6]；設計過程分為界面設計和業務邏輯兩大部分，利用QT提供的QT Designer工具通過拖拽控件的方式設計如圖8的UI界面，將設計完成的界面文件保存為“.ui”格式，使用pyuic5命令將“.ui”文件轉換為“.py”文件，使用pyrcc5將資源文件也轉換為“.py”文件，Python可以引入轉換后的文件并調用；在業務邏輯層面，讀取界面控件設置以及人工提供輸入的相應參數，通過Pyserial提供的方法完成對串行接口的操作，如串口初始化、串口檢測、串口發送與接收功能等，使用QT提供的QTimer定時器類的方法，配合Pyserial的方法與JSON解析方法完成數據的定時發送與接收解析。

4 測試與應用

4.1 PWM輸出精度測試

使用示波器對在線式PWM信號發生器的輸出信號進行測試，選擇不同頻率、不同占空比的運行參數，例如測試1KHz、50%占空比的PWM信號如圖9所示，通過示波器提供的測量工具可以得出輸出頻率和占空比的準確率為100%。

測試1KHz條件下不同的占空比，得到如表2的對應測試數據：

選取輸出信號10Hz～100KHz范圍用于測試可以發現，頻率在100Hz～50KHz范圍之間的精確度都是100%，在這范圍以外產生了誤差；小于100Hz由于計時時間長，產生的累積誤差較大，而大于50KHz的誤差主要是因為微控制器的工作頻率與占空比精度的矛盾關系；但輸出范圍在10Hz～100KHz對應的頻率精度小于0.2%，占空比精度小于0.1%，能滿足汽車電子散熱風扇的測試需求。

4.2 實際應用

目前該PWM信號發生器已應用于溫州某汽車電器有限公司的汽車散熱風扇產品的測試環節，可實現多組PWM輸出參數按照時間進行自動切換，實現了無人值守的測試場景，極大地節省了人力物力，其實際應用場景如圖10所示。

5 結論

本設計完成的在線式PWM信號發生器具備結構小巧、操作簡單的優點，可通過按鍵或上位機調節PWM工作的頻率與占空比，且上位機軟件實現了多組PWM輸出參數按照預設工作時間自動切換，OLED屏幕實時顯示信號發生器的工作參數；目前該裝置已用于汽車電子的測試領域，具有較高的實用性。

參考文獻：

[1] 申慶華.基于STM32的高精度PWM信號發生器的設計[J].電子測試，2021（17）：25-26，52.

[2] 郭艷玲，劉佳鑫，李健.基于STM32的木塑顆粒3D打印機系統設計[J].現代電子技術，2019，42（18）：120-124.

[3] 朱萬浩，章盼梅，孔令棚，等.基于STC15W的水下機器人控制系統設計[J].電子設計工程，2022，30（8）：57-61.

[4] 翟瑞，周靜雷.基于STM32的USB轉串口通信端口設計[J].國外電子測量技術，2021，40（1）：92-95.

[5] 杭春爍，金豫，洪若昕.一種基于DMA方式的高效UART收發機制[J].單片機與嵌入式系統應用，2021，21（5）：22-24.

[6] 韓長杰，韓鴻飛，尤佳，等.自動移栽機工況信息監測系統設計與試驗[J].中國農機化學報，2022，43（4）：60-65.

【通聯編輯：梁書】