基于C8051F020的16位PWM信號(hào)控制

劉開緒， 孫 健， 付保紅， 吳春梅

（1.大慶師范學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，黑龍江大慶 163712；2.大慶油田熱電廠，黑龍江大慶 163314）

0 引 言

在電源變換電路設(shè)計(jì)中經(jīng)常要用到受控PWM信號(hào)，為了實(shí)現(xiàn)智能控制，利用美國(guó)Silicon Lab半導(dǎo)體公司推出的C8051F系列高性能8位嵌入式單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)受控PWM信號(hào)輸出及可實(shí)現(xiàn)電源變換電路工作的智能控制，下面重點(diǎn)闡述受控PWM信號(hào)的實(shí)現(xiàn)。

C8051F020單片機(jī)芯片集成了豐富的片內(nèi)外設(shè)資源，集成了數(shù)模混合信號(hào)處理單元，是真正意義上的系統(tǒng)級(jí)單片機(jī)SOC（System on Chip）［1－2］。其微控制器內(nèi)核CIP-51兼容MCS-51內(nèi)核的全部功能及指令集。通過JTAG接口實(shí)現(xiàn)非插入式、全速的在線調(diào)試功能。利用C8051F系列單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)輸出的同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)電源變化的綜合控制。

1 功能實(shí)現(xiàn)

C8051F020單片機(jī)片內(nèi)部集成有一個(gè)可編程計(jì)數(shù)器陣列（Programmable Counter Array，PCA），稱為PCA0，其原理如圖1所示。

圖1 可編程計(jì)數(shù)器陣列原理

它具有增強(qiáng)的定時(shí)器功能，與標(biāo)準(zhǔn)8051單片機(jī)的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器相比，所需要CPU的干預(yù)更少。由圖1可知，PCA0包含一個(gè)專用的16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器及5個(gè)16位的捕捉／比較模塊。每個(gè)捕捉／比較模塊都有自己的輸入輸出口線（CEXn）。通過交叉開關(guān)的使能配置，可以將輸入輸出口線連接到并行I／O端口上。定時(shí)器／計(jì)數(shù)器有6個(gè)計(jì)數(shù)脈沖源：系統(tǒng)時(shí)鐘SYSCLK、系統(tǒng)時(shí)鐘4分頻SYSCLK／4、系統(tǒng)時(shí)鐘12分頻SYSCLK／12、外部振蕩器時(shí)鐘源8分頻、定時(shí)器0溢出、ECI口線上輸入的外部時(shí)鐘信號(hào)可供選擇。通過程序設(shè)置PCA0的特殊功能寄存器，可使每個(gè)捕捉／比較模塊獨(dú)立工作于邊沿觸發(fā)捕捉、軟件定時(shí)器、高速輸出、頻率輸出、8位PWM或16位PWM 6種方式之一。

設(shè)置相關(guān)PCA0的特殊功能寄存器，可設(shè)定需要工作在16位PWM方式下的PCA0捕捉／比較模塊，利用16位PWM方式產(chǎn)生頻率可設(shè)定的PWM信號(hào)［3］。在16位PWM方式下，16位捕捉／比較模塊定義PWM信號(hào)低電平時(shí)間的PCA0時(shí)鐘數(shù)。當(dāng)PCA0計(jì)數(shù)器的值與捕捉／比較模塊的值匹配時(shí)，捕捉／比較模塊輸入輸出引腳CEXn輸出高電平；當(dāng)PCA0計(jì)數(shù)器溢出時(shí)，引腳CEXn輸出低電平。為了得到一個(gè)頻率固定、占空比可變的波形，要求新值的寫入應(yīng)與PCA0的CCFn匹配中斷同步。同時(shí)應(yīng)將CCFn置為l，以允許匹配中斷。設(shè)置PCA0CPMn寄存器中的ECOMn，PWMn和PWM16n位為邏輯1，設(shè)置PCA0為16位脈沖寬度調(diào)制器方式。16位PWM波形圖如圖2所示。

圖2 16位PWM的波形圖

16位PWM方式的占空比由下式給出：

α為16位計(jì)數(shù)值的修整值，通過設(shè)定α的值可以改變PWM信號(hào)的周期，即可設(shè)定PWM信號(hào)的頻率。令α＝F000H，以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)ADC0的12位A／D轉(zhuǎn)換所對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)時(shí)，α原則上可以在區(qū)間0000H～FFFFH取值。波形原理如圖3所示。

圖3 12位PWM的波形圖

此時(shí)，所產(chǎn)生的12位PWM波的占空比為：

由式（1）可知，對(duì)應(yīng)于PCA0CPn＝0，理論上可實(shí)現(xiàn)最大占空比100%，對(duì)應(yīng)于PCA0CPn＝0x FFFF，可實(shí)現(xiàn)最小占空比為0.001 5%。但實(shí)際中由于執(zhí)行程序需要占用機(jī)器周期［4］，實(shí)現(xiàn)不了理論上的最大和最小占空比，在這種情況下可通過對(duì)寄存器ECOMn位清0實(shí)現(xiàn)0%占空比信號(hào)輸出。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

首先，進(jìn)行程序初始化設(shè)計(jì)。置位REF0CN寄存器的BIASE位以使能1.2 V基準(zhǔn)源，同時(shí)置位REFBE位以使1.2 V基準(zhǔn)源倍乘得到2.4 V基準(zhǔn)電壓，將該2.4 V基準(zhǔn)電壓輸出作為ADC0轉(zhuǎn)換的參考電壓VREF0。

設(shè)電源變換電路的輸出取樣電壓為4.8 V，4.8 V的取樣電壓可以通過穩(wěn)壓和分壓獲得。配置ADC0CF寄存器的AMP0GN0～2位，設(shè)定ADC0輸入信號(hào)放大倍數(shù)為取0.5倍，以使反饋信號(hào)與參考電壓VREF0相吻合。電壓等各取樣信號(hào)可依次被檢測(cè)送往單片機(jī)的ADC0各通道，依次完成A／D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后去調(diào)理PCA0模塊比較器實(shí)現(xiàn)變換電路所需要的控制信號(hào)。

其次，需要配置端口交叉開關(guān)，以使能端口輸出功能。通過配置特殊功能寄存器XBR0和XBR2，使PCA0的捕捉／比較模塊輸入輸出線CEXn連接到端口引腳上，用于PWM波輸出［5－8］。

然后，進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)。將ADC0轉(zhuǎn)換的結(jié)果送PCA0形成16位的PWM信號(hào)，PCA0采用16位PWM方式。同時(shí)，使用ADC0的窗口檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)電壓值超范圍報(bào)警，如低電壓設(shè)定為1 V，高電壓設(shè)定為3.7 V，ADC0是采用寫AD0BUSY為1啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的。因?yàn)锳DC0是12位的，在程序中對(duì)PCA0的值進(jìn)行了修整，以使PCA模塊0實(shí)現(xiàn)12位PWM輸出，輸出腳CEX0配置在P0.0腳。ADC轉(zhuǎn)換程序流程和PCA 16位PWM波程序流程分別如圖4和圖5所示。

圖4 ADC轉(zhuǎn)換程序流程

圖5 PCA 16位PWM信號(hào)程序流程

在程序中，采取查詢方式查詢12位ADC0轉(zhuǎn)換結(jié)果，ADC0窗口檢測(cè)器采取中斷方式，PCA0捕捉／比較模塊采取中斷方式，且PCA0捕捉／比較模塊工作設(shè)置為高優(yōu)先級(jí)別。

3 測(cè)試分析

PCA0捕捉／比較模塊默認(rèn)的PWM信號(hào)寬度是對(duì)應(yīng)16位數(shù)字量的。為了與12位的ADC0轉(zhuǎn)換結(jié)果相匹配，采取ADC0輸出右對(duì)齊，使產(chǎn)生的PWM信號(hào)占空比能夠在0%～100%期間受控調(diào)整，并在PCA0中斷程序中對(duì)PCA0H寄存器的值進(jìn)行修整。參考的程序段如下：

對(duì)應(yīng)輸入電壓0.291 V時(shí)產(chǎn)生的PWM觸發(fā)脈沖如圖6所示。

圖6 對(duì)應(yīng)輸入電壓0.291 V時(shí)的PWM波形

若改變輸出信號(hào)頻率，可以通過修改服務(wù)子程序PCA＿ISR0中的“MOV A，＃11110000B”實(shí)現(xiàn)。如修改為“MOV A，＃11111000B”時(shí)，輸出的PWM信號(hào)的頻率將發(fā)生改變，測(cè)得的波形如圖7所示。

圖7 ADC0輸出右對(duì)齊，輸入電壓0.300 V

同理，每修改一位，頻率改變一倍。

4 結(jié) 語

C8051F020單片機(jī)具有豐富的片上外設(shè)資源，利用其可編程計(jì)數(shù)器陣列PCA可產(chǎn)生對(duì)應(yīng)ADC0各通道的PWM信號(hào)，該P(yáng)WM信號(hào)受控于反饋電壓，使得電源變換電路輸出受控。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，根據(jù)ADC0的輸入信號(hào)、基準(zhǔn)電壓和控制要求來設(shè)定PCA0的初值，用來設(shè)定輸出的PWM信號(hào)的頻率，使得脈沖寬度在整個(gè)周期內(nèi)按照輸入變量進(jìn)行調(diào)整，使用系統(tǒng)級(jí)單片機(jī)不僅可以提供電源變換所需的PWM信號(hào)，同時(shí)還可以提供開關(guān)電源綜合控制所需信號(hào)。

［1］ 潘琢金，施國(guó)君.C8051Fxxx高速SOC單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

［2］ 鄭江海，林鈞峰，陳育群.基于AT89C51 PWM驅(qū)動(dòng)電路遙控小車的研究［J］.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，29（5）：556-561.

［3］ 鮑可進(jìn).C8051F單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2006.

［4］ 何曦光，阮祥發(fā)，趙燕.電機(jī)控制中的16位PWM在C8051單片機(jī)中的實(shí)現(xiàn)［J］.中國(guó)水運(yùn)，2006（5）：48-49.

［5］ 王蘇.直流電機(jī)PWM調(diào)速研究及單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2008，37（18）：82-85.

［6］ 陸冬良，張代潤(rùn).基于C8051的軟開關(guān)用移相PWM的實(shí)現(xiàn)［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2005（9）：49-52.

［7］ 吳磊，李偉，張俊，等.基于C8051F020的開關(guān)電源并聯(lián)模塊供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2013（6）：128-129.

［8］ 劉青青，朱清芳.基于C8051F020單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，9：135-136，140.