Tiva C系列微控制器PWM外設(shè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

摘" 要：為了提高學(xué)生對TI公司Tiva C系列微控制器PWM外設(shè)的理解和應(yīng)用能力，以占空比調(diào)節(jié)控制為重點(diǎn)目標(biāo)，在介紹PWM產(chǎn)生機(jī)制及相關(guān)庫函數(shù)后，使用參數(shù)控制、按鍵控制、外部因素控制實(shí)現(xiàn)占空比調(diào)節(jié)，通過示波器、LED、電機(jī)等觀察不同占空比條件下的波形輸出及實(shí)際效應(yīng)。通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與演示，使學(xué)生掌握了該系列微控制器PWM產(chǎn)生過程、調(diào)制方法及其實(shí)際場景應(yīng)用，提高學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)課程知識的學(xué)習(xí)興趣，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：Tiva C系列微控制器；PWM外設(shè)；占空比調(diào)節(jié)；嵌入式

中圖分類號：TP39；G434" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）09-0179-06

Experiment Design of Tiva C Series Microcontroller PWM Peripheral Teaching

ZHAO Lanying， ZHANG Jing， SU Boli

（School of Electronic Science and Control Engineering， Institute of Disaster Prevention， Langfang" 065201， China）

Abstract： In order to improve students' understanding and application ability of TI's Tiva C series microcontroller PWM peripherals， with a focus on duty cycle adjustment control， after introducing the PWM generation mechanism and related library functions， parameter control， button control， and external factor control are used to achieve duty cycle adjustment. The waveform output and actual effects under different duty cycle conditions are observed through oscilloscopes， LEDs， motors， and other means. Through experimental design and demonstration， students have mastered the generation process， modulation methods， and practical scenarios application of this series of microcontrollers PWM， enhancing students' interest in learning embedded system course knowledge and achieving good teaching effectiveness.

Keywords： Tiva C series microcontroller; PWM peripheral; duty cycle adjustment; embedded

0" 引" 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)廣泛應(yīng)用到智能制造、移動(dòng)通信、互聯(lián)網(wǎng)、儀器儀表、汽車、船舶、消費(fèi)類產(chǎn)品等領(lǐng)域，嵌入式研發(fā)將是未來較為熱門的工作之一。嵌入式技術(shù)課程實(shí)用性強(qiáng)、知識領(lǐng)域廣，既有硬件電路設(shè)計(jì)、PCB繪制，又有底層控制軟件、上層處理軟件編程，還涉及嵌入式操作系統(tǒng)的使用。現(xiàn)有相關(guān)教研教改文獻(xiàn)集中于信息類專業(yè)建設(shè)、課程體系、人才培養(yǎng)，如何更好地進(jìn)行課程教學(xué)較少論及，針對課程中知識點(diǎn)講授的則更是寥寥無幾，造成一方面好的教學(xué)方法、經(jīng)驗(yàn)傳播困難，范圍限定于某一學(xué)校、某一學(xué)院；另一方面，新教師想講好某門課程，需要耗費(fèi)更多的時(shí)間、精力進(jìn)行摸索，因此作為課程基礎(chǔ)的知識點(diǎn)教學(xué)研究更應(yīng)該得到廣大教師的關(guān)注。

與諸多學(xué)校選擇STM32系列處理器作為學(xué)習(xí)對象不同，我校使用TI公司Tiva C系列微控制器作為學(xué)習(xí)對象，其顯著區(qū)別就是網(wǎng)上資源少，且絕大多數(shù)為英文資源，因此對學(xué)生的學(xué)習(xí)、動(dòng)手能力有一定的要求，也需要教師進(jìn)行有效的教學(xué)設(shè)計(jì)。本文以PWM外設(shè)教學(xué)為例，綜合理論講解、示例演示、學(xué)生實(shí)驗(yàn)，加大演示、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐比重，結(jié)合學(xué)校特色、學(xué)生實(shí)際能力，通過項(xiàng)目式案例教學(xué)完成教學(xué)目標(biāo)。

PWM技術(shù)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在測量、通信、工控[1-3]等方面，是嵌入式課程核心知識點(diǎn)之一。現(xiàn)有PWM教學(xué)的相關(guān)研究也為數(shù)不多，并基本采用STM32系列微控制器[4，5]或51系列單片機(jī)[6]進(jìn)行講解。Zhao Guopeng以SPWM逆變電路實(shí)驗(yàn)為對象研究了學(xué)生互檢方法的效果[7]。黃海宏等從PWM整流電路基本特征入手，引導(dǎo)學(xué)生能量流動(dòng)、功率調(diào)控和電壓控制原理取得了良好的教學(xué)效果[8]。TI公司生產(chǎn)了多個(gè)系列微控制器，都集成了PWM功能，但除了教材和一些書籍[9]，也很少有如何針對知識點(diǎn)講授的相關(guān)文獻(xiàn)。以PWM外設(shè)占空比調(diào)節(jié)為重點(diǎn)目標(biāo)，在講授時(shí)首先對比定時(shí)器外設(shè)模塊CCP模式輸出的PWM波形與PWM外設(shè)功能的差異，再對PWM外設(shè)的結(jié)構(gòu)與波形產(chǎn)生機(jī)制、庫函數(shù)進(jìn)行介紹，然后進(jìn)行占空比調(diào)節(jié)不同方式的實(shí)際編程、演示，使學(xué)生掌握占空比在PWM應(yīng)用中的重要作用及調(diào)制方法，實(shí)現(xiàn)知識點(diǎn)教學(xué)目標(biāo)。

1" TivaC系列微控制器PWM原理

1.1" 定時(shí)器外設(shè)PWM波形與PWM外設(shè)差異

兩種外設(shè)在生成PWM波形時(shí)的對比如表1所示。TivaC系列微控制器的定時(shí)器外設(shè)具有多種工作模式，其中的PWM模式可用于生成簡單的PWM波形。在此模式下，定時(shí)器外設(shè)單獨(dú)使用，計(jì)數(shù)器為遞減的16/32位計(jì)數(shù)器，生成的PWM信號周期固定。

TivaC系列微控制器的PWM外設(shè)輸出波形與之相比，計(jì)數(shù)器為遞減或遞增/遞減模式的16位計(jì)數(shù)器；生成的PWM信號周期可變，通過改變外設(shè)時(shí)鐘來源、分頻系數(shù)、庫函數(shù)參數(shù)可生成多種周期、占空比的PWM波形；生成的多路PWM信號既可單獨(dú)控制，亦可進(jìn)行多種方式的同步、更新，更符合工業(yè)控制的需求，但信號的產(chǎn)生過程比較復(fù)雜。

1.2" PWM外設(shè)信號產(chǎn)生過程

PWM外設(shè)發(fā)生器模塊主要有控制、中斷和觸發(fā)發(fā)生器、錯(cuò)誤條件以及定時(shí)器、比較器、信號發(fā)生器、死區(qū)發(fā)生器組成[10]，后面4個(gè)部分是產(chǎn)生PWM信號的主要結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

1.2.1" PWM定時(shí)器

PWM定時(shí)器有遞減和先遞增后遞減兩種模式，包含裝載值PWMLOAD和計(jì)數(shù)器值PWMCOUNT兩個(gè)寄存器。定時(shí)器會(huì)產(chǎn)生三個(gè)信號：零信號zero和加載信號load都是一個(gè)寬度為時(shí)鐘周期的高電平脈沖，當(dāng)計(jì)數(shù)器值等于零和裝載值時(shí)分別產(chǎn)生；方向信號dir在遞減模式中一直是低電平，在遞增/遞減模式中，則是在高低電平之間切換。

1.2.2" PWM比較器

PWM比較器包含比較器A和比較器B，當(dāng)計(jì)數(shù)器值等于比較器A/B寄存器值時(shí)，產(chǎn)生寬度為時(shí)鐘周期的高電平脈沖，即cmpA和cmpB。

1.2.3 信號發(fā)生器

定時(shí)器、比較器產(chǎn)生的5個(gè)信號，即zero、load、dir、cmpA、cmpB傳輸?shù)叫盘柊l(fā)生器，用于生成兩個(gè)內(nèi)部PWM信號，即pwmA和pwmB。以定時(shí)器遞增/遞減模式為例，PWM信號生成示例如圖2所示。

定時(shí)器運(yùn)行于遞增/遞減模式時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)會(huì)分別產(chǎn)生兩個(gè)cmpA脈沖，在兩個(gè)cmpA脈沖之間，即計(jì)數(shù)器值大于比較器A值CMPA時(shí)，生成的pwmA信號為高電平；其余時(shí)間，即計(jì)數(shù)器值小于比較器A值CMPA時(shí)，生成的pwmA信號為低電平。對于pwmB信號同樣如此。

1.2.4" 死區(qū)發(fā)生器

死區(qū)發(fā)生器為可選部分，通過它的啟用、禁用對信號發(fā)生器產(chǎn)生的內(nèi)部PWM信號進(jìn)行處理，生成輸出PWM信號。如果禁用死區(qū)發(fā)生器，則內(nèi)部PWM信號作為輸出信號pwmA’、pwmB’；如果啟用死區(qū)發(fā)生器，則內(nèi)部PWM信號pwmB被丟棄，對pwmA分別在上升沿加延遲、進(jìn)行反轉(zhuǎn)后在下降沿加延遲，從而生成兩個(gè)輸出信號pwmA’、pwmB’。

1.3" PWM關(guān)鍵庫函數(shù)

如只想簡單的輸出一個(gè)PWM信號，首先需要根據(jù)設(shè)置PWM時(shí)鐘、按照選擇的信號輸出使用對應(yīng)的外設(shè)、端口使能及引腳配置函數(shù)完成引腳功能復(fù)用，然后使用PWM庫函數(shù)完成輸出設(shè)置，主要有：發(fā)生器配置函數(shù)、周期設(shè)置函數(shù)、脈沖寬度設(shè)置函數(shù)、輸出使能函數(shù)、發(fā)生器使能函數(shù)。各函數(shù)功能及參數(shù)介紹可參考手冊或教材，在此不再贅述。

周期設(shè)置函數(shù)最后一個(gè)參數(shù)ui32Period、脈沖寬度設(shè)置函數(shù)中最后一個(gè)參數(shù)ui32Width用來確定PWM信號的周期及占空比，所以對PWM周期、占空比的控制即是對這兩個(gè)參數(shù)的控制；當(dāng)參數(shù)范圍無法實(shí)現(xiàn)要求時(shí)，還可通過更改設(shè)置PWM時(shí)鐘來滿足要求。

2" 周期及占空比控制

2.1" 周期控制

如前所述，與PWM信號周期有關(guān)的函數(shù)為PWM時(shí)鐘設(shè)置、PWM周期設(shè)置函數(shù)，分別為SysCtlPWMClockSet（uint32_t ui32Config）、PWMGenPeriodSet（uint32_t ui32Base， uint32_t ui32Gen， uint32_t ui32Period）。

PWM時(shí)鐘設(shè)置函數(shù)中ui32Config參數(shù)表示對系統(tǒng)時(shí)鐘的分頻系數(shù)，將系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行分頻后作為PWM外設(shè)時(shí)鐘，分頻系數(shù)可從1、2、8、16、32、64，需注意的是此分頻系數(shù)設(shè)置后對產(chǎn)生的所有PWM信號都產(chǎn)生作用。

PWM周期設(shè)置函數(shù)中ui32Period參數(shù)指定PWM發(fā)生器的輸出周期，該P(yáng)WM發(fā)生器輸出的兩個(gè)PWM信號pwmA、pwmB的周期相同，該周期由發(fā)生器模塊零脈沖信號Zero間PWM時(shí)鐘周期的個(gè)數(shù)決定。

如系統(tǒng)時(shí)鐘為16 MHz，想設(shè)置PWM模塊1的發(fā)生器0的周期為1 kHz，則可按以下步驟進(jìn)行：

1）設(shè)置PWM時(shí)鐘為4 MHz，即ui32Config為4，函數(shù)語句為：

SysCtlPWMClockSet（SYSCTL_PWMDIV_4）；

2）設(shè)置PWM周期為1 kHz，由于現(xiàn)在PWM時(shí)鐘為4 MHz，可計(jì)算得知每個(gè)PWM周期含有的PWM時(shí)鐘周期數(shù)量為：（1/1 kHz）×4 MHz=4 000，即需要的周期數(shù)量ui32Period為4 000，函數(shù)語句為：

PWMGenPeriodSet （PWM1_BASE， PWM_GEN_0， 4000）；

在計(jì)算ui32Period時(shí)，應(yīng)知該參數(shù)范圍為0～216-1，如在此范圍內(nèi)無法獲得所需發(fā)生器周期，則應(yīng)修改PWM時(shí)鐘設(shè)置分頻系數(shù)ui32Config，還可以修改系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，以獲得所需PWM周期。如使用80 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘，40 MHzPWM時(shí)鐘，ui32Config與ui32Period分別為2、40 000，相應(yīng)函數(shù)語句為：

SysCtlPWMClockSet（SYSCTL_PWMDIV_2）；

PWMGenPeriodSet （PWM1_BASE， PWM_GEN_0， 40000）；

2.2" 占空比控制

2.2.1 參數(shù)計(jì)算

如前所述，與PWM信號占空比相關(guān)的函數(shù)為脈沖寬度設(shè)置函數(shù)，即PWMPulseWidthSet（uint32_t ui32Base， uint32_t ui32PWMOut， uint32_t ui32Width），該函數(shù)中ui32Width指定某一輸出PWM脈沖信號正極性部分的寬度，同ui32Period參數(shù)類似，該參數(shù)同樣為正極性部分包含的PWM時(shí)鐘周期的個(gè)數(shù)決定，且范圍為0～216-1。

如所需PWM信號占空比不變，則計(jì)算獲得ui32Width數(shù)值后無須進(jìn)行改變。如前所述已設(shè)置PWM時(shí)鐘為4 MHz，PWM模塊1的發(fā)生器0周期為1 kHz，如想輸出占空比為25%的PWM輸出信號，則表示在發(fā)生器0周期的4 000個(gè)時(shí)鐘周期中，正極性部分占25%，即需要的正極性部分周期數(shù)量為ui32Width=4 000×25%=1 000，函數(shù)語句為：

PWMPulseWidthSet（PWM1_BASE， PWM_OUT_1， 1000）；

如想修改某一輸出PWM脈沖信號的占空比，則修改ui32Width參數(shù)即可，對該參數(shù)的修改方式可通過變量控制、用按鍵控制參數(shù)、通過外部因素變化控制參數(shù)等實(shí)現(xiàn)。

2.2.2" 變量控制

參數(shù)控制即通過語句編程對ui32Width進(jìn)行控制，使其生成符合要求的占空比數(shù)值或按照一定的規(guī)律進(jìn)行變化。如在教學(xué)中經(jīng)常使用LED亮度演示不同的PWM信號占空比，如將占空比從10%到90%循環(huán)變化，以10%比例遞增，則可以通過使參數(shù)ui32Width的數(shù)值以10%的PWM時(shí)鐘周期個(gè)數(shù)遞增，并再達(dá)到90%時(shí)重新初始化為10%的數(shù)值即可。

如前所述已設(shè)置PWM時(shí)鐘為4 MHz，PWM模塊1的發(fā)生器0周期為1 kHz，循環(huán)輸出占空比從10%到90%的PWM信號，相應(yīng)控制語句為：

void pwm_play_next（void）

{

PWMPulseWidthSet（PWM1_BASE， PWM_OUT_1， 4000*ui32Width）;

PWMOutputState（PWM1_BASE， PWM_OUT_1_BIT， true）;

SysCtlDelay（ui32Width*200）;

PWMOutputState（PWM1_BASE， PWM_OUT_7_BIT， 1）;

ui32Width++;

if（ （ui32Width%9）==0 ）

ui32Width = 1;

}

程序執(zhí)行后，可在LED燈觀察到其亮度會(huì)循環(huán)變化，形成LED閃爍的效果，從而使學(xué)生理解占空比對PWM輸出信號的影響，并可外接示波器捕捉波形，觀察信號形狀。

2.2.3" 按鍵控制

按鍵控制通過修改變量控制方式中ui32Width自增語句，將該語句替換為檢測到外部按鍵按下后進(jìn)行參數(shù)自增，從而實(shí)現(xiàn)占空比控制，如占空比變化規(guī)律不變，則其他語句無須修改。

如使用TivaLaunchpad開發(fā)板按鍵K2，其連接MCU的F4引腳，則可將變量控制中自增語句替換為按鍵中斷控制語句：

void pwm_play_next（void）

{

PWMPulseWidthSet（PWM1_BASE， PWM_OUT_1， 4000*ui32Width）;

PWMOutputState（PWM1_BASE， PWM_OUT_1_BIT， true）;

SysCtlDelay（ui32Width*200）;

PWMOutputState（PWM1_BASE， PWM_OUT_7_BIT， 1）;

if（ （ui32Width%9）==0 ）

ui32Width = 1;

}

void gpiof_isr（）

{

gpiofstatus = GPIOIntStatus（GPIO_PORTF_BASE，true）;

GPIOIntClear（GPIO_PORTF_BASE，gpiofstatus）;

if（GPIO_PIN_4）

{ui32Width++;}

}

程序執(zhí)行后，通過按鍵控制，可使學(xué)生觀察到占空比逐次遞增10%時(shí)，LED燈亮度的不同，以區(qū)別與變量控制方式中的循環(huán)閃爍效果；并可回顧GPIO端口、中斷的使用。當(dāng)然，也可以使用多個(gè)按鍵進(jìn)行控制，即按鍵K2控制占空比遞增，再選擇其他按鍵控制占空比遞減，且逐次遞增、遞減的比例也可進(jìn)行控制。

為展示輸出PWM信號的波形，可將輸出信號引腳連接示波器進(jìn)行信號捕捉。外接示波器并設(shè)置信號捕獲方式為單次觸發(fā)后，可方便地捕捉到PWM信號波形，觀察信號形狀。在此使用正點(diǎn)原子便攜式示波器DS100捕捉到占空比從20%變化到80%的輸出PWM信號波形，如圖3（a）至圖3（g）所示。

2.2.4" 外部因素控制

外部因素控制即通過對傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，按照不同的數(shù)據(jù)范圍，調(diào)節(jié)占空比ui32Width位于不同的數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)占空比控制，輸出的PWM信號可用于控制其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以調(diào)節(jié)環(huán)境使其符合正常要求。

如使用TivaLaunchpad開發(fā)板外接煙霧傳感器、步進(jìn)電機(jī)，并在步進(jìn)電機(jī)連接風(fēng)扇，即可模擬震后廢墟需要排煙通風(fēng)的場景。將傳感器輸出模擬量進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，依據(jù)轉(zhuǎn)換后電壓值進(jìn)行濃度分組并設(shè)置對應(yīng)的占空比數(shù)值，用以調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

如將傳感器輸出濃度分5組，從低到高依次使用few、low、middle、high、ultra進(jìn)行表征，對應(yīng)的占空比設(shè)置為10%、30%、50%、70%、90%，相應(yīng)控制語句為：

void pwm_play_next（void）

{

PWMPulseWidthSet（PWM1_BASE， PWM_OUT_1， 4000*ui32Width）;

PWMOutputState（PWM1_BASE， PWM_OUT_1_BIT， true）;

SysCtlDelay（ui32Width*200）;

PWMOutputState（PWM1_BASE， PWM_OUT_7_BIT， 1）;

}

void widthchoice（void）

{

switch（sensor_density）

{

case 'few'：ui32Width=1; break;

case 'low'：" " ui32Width=3; break;

case 'middle'：ui32Width=5; break;

case 'high'：" " ui32Width=7; break;

case 'ultra'：" "ui32Width=9; break;

default：" " " "ui32Width=3;

}

}

還可以通過按鍵設(shè)置占空比在相鄰的兩個(gè)數(shù)值范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，以滿足更精確的占空比需求，如使用TivaLaunchpad開發(fā)板按鍵K3，其連接MCU的A3引腳，控制占空比在10%～30%之間分10擋遞增，相應(yīng)控制語句為：

void pwm_play_next（void）

{

PWMPulseWidthSet（PWM1_BASE， PWM_OUT_1， 4000*ui32Width+800*adjustratio）;

PWMOutputState（PWM1_BASE， PWM_OUT_1_BIT， true）;

SysCtlDelay（ui32Width*200）;

PWMOutputState（PWM1_BASE， PWM_OUT_7_BIT， 1）;

if（ （adjustratio %9）==0 ）

adjustratio = 1;

}

void gpioa_isr（）

{

gpioastatus = GPIOIntStatus（GPIO_PORTA_BASE，true）;

GPIOIntClear（GPIO_PORTA_BASE，gpioastatus）;

if（GPIO_PIN_3）

{adjustratio++;}

}

程序執(zhí)行后，可觀察煙霧濃度對風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的影響。如感覺風(fēng)扇轉(zhuǎn)速效果較差，可通過按鍵K3逐步加大輸出PWM信號占空比，增加步進(jìn)電機(jī)、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。傳感器濃度分組數(shù)值、對應(yīng)占空比數(shù)值設(shè)置以及按鍵調(diào)節(jié)的遞增比例都可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行修改，以更好地觀察實(shí)際效果。

3" 結(jié)" 論

PWM的主要特點(diǎn)是從信號產(chǎn)生到被控系統(tǒng)都是數(shù)字形式，因而無須進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，其抗干擾、抗噪聲能力強(qiáng)，得到了廣泛應(yīng)用。鑒于現(xiàn)有文獻(xiàn)以STM32系列MCU為主，本文以TI公司Tiva C MCU的PWM外設(shè)為例，描述了PWM信號的產(chǎn)生機(jī)理、主要使用的庫函數(shù)，以PWM輸出信號占空比控制為重點(diǎn)目標(biāo)，在介紹庫函數(shù)編程的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了使用參數(shù)計(jì)算、按鍵控制、外部因素控制三種方式對占空比的調(diào)節(jié)，通過LED、示波器等觀察輸出信號占空比的影響。與純粹理論講授相比，使學(xué)生更容易理解教學(xué)目標(biāo)，提高教學(xué)效果。

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作者簡介：趙蘭迎（1983—），男，漢族，山東東阿人，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，博士，研究方向：測控技術(shù)與儀器、應(yīng)急技術(shù)與管理。