基于C8051F020的16位PWM信號控制

劉開緒， 孫 健， 付保紅， 吳春梅

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

0 引 言

在電源變換電路設計中經(jīng)常要用到受控PWM信號，為了實現(xiàn)智能控制，利用美國Silicon Lab半導體公司推出的C8051F系列高性能8位嵌入式單片機，實現(xiàn)受控PWM信號輸出及可實現(xiàn)電源變換電路工作的智能控制，下面重點闡述受控PWM信號的實現(xiàn)。

C8051F020單片機芯片集成了豐富的片內(nèi)外設資源，集成了數(shù)?；旌闲盘柼幚韱卧?，是真正意義上的系統(tǒng)級單片機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接口實現(xiàn)非插入式、全速的在線調(diào)試功能。利用C8051F系列單片機可實現(xiàn)PWM信號輸出的同時，還可以實現(xiàn)電源變化的綜合控制。

1 功能實現(xiàn)

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

圖1 可編程計數(shù)器陣列原理

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

設置相關PCA0的特殊功能寄存器，可設定需要工作在16位PWM方式下的PCA0捕捉／比較模塊，利用16位PWM方式產(chǎn)生頻率可設定的PWM信號［3］。在16位PWM方式下，16位捕捉／比較模塊定義PWM信號低電平時間的PCA0時鐘數(shù)。當PCA0計數(shù)器的值與捕捉／比較模塊的值匹配時，捕捉／比較模塊輸入輸出引腳CEXn輸出高電平；當PCA0計數(shù)器溢出時，引腳CEXn輸出低電平。為了得到一個頻率固定、占空比可變的波形，要求新值的寫入應與PCA0的CCFn匹配中斷同步。同時應將CCFn置為l，以允許匹配中斷。設置PCA0CPMn寄存器中的ECOMn，PWMn和PWM16n位為邏輯1，設置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位計數(shù)值的修整值，通過設定α的值可以改變PWM信號的周期，即可設定PWM信號的頻率。令α＝F000H，以產(chǎn)生對應ADC0的12位A／D轉(zhuǎn)換所對應的PWM信號時，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，所產(chǎn)生的12位PWM波的占空比為：

由式（1）可知，對應于PCA0CPn＝0，理論上可實現(xiàn)最大占空比100%，對應于PCA0CPn＝0x FFFF，可實現(xiàn)最小占空比為0.001 5%。但實際中由于執(zhí)行程序需要占用機器周期［4］，實現(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寄存器ECOMn位清0實現(xiàn)0%占空比信號輸出。

2 軟件系統(tǒng)設計

首先，進行程序初始化設計。置位REF0CN寄存器的BIASE位以使能1.2 V基準源，同時置位REFBE位以使1.2 V基準源倍乘得到2.4 V基準電壓，將該2.4 V基準電壓輸出作為ADC0轉(zhuǎn)換的參考電壓VREF0。

設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，設定ADC0輸入信號放大倍數(shù)為取0.5倍，以使反饋信號與參考電壓VREF0相吻合。電壓等各取樣信號可依次被檢測送往單片機的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模塊比較器實現(xiàn)變換電路所需要的控制信號。

其次，需要配置端口交叉開關，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，進行程序的設計。將ADC0轉(zhuǎn)換的結果送PCA0形成16位的PWM信號，PCA0采用16位PWM方式。同時，使用ADC0的窗口檢測器實現(xiàn)電壓值超范圍報警，如低電壓設定為1 V，高電壓設定為3.7 V，ADC0是采用寫AD0BUSY為1啟動轉(zhuǎn)換的。因為ADC0是12位的，在程序中對PCA0的值進行了修整，以使PCA模塊0實現(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信號程序流程

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

3 測試分析

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

對應輸入電壓0.291 V時產(chǎn)生的PWM觸發(fā)脈沖如圖6所示。

圖6 對應輸入電壓0.291 V時的PWM波形

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

圖7 ADC0輸出右對齊，輸入電壓0.300 V

同理，每修改一位，頻率改變一倍。

4 結 語

C8051F020單片機具有豐富的片上外設資源，利用其可編程計數(shù)器陣列PCA可產(chǎn)生對應ADC0各通道的PWM信號，該PWM信號受控于反饋電壓，使得電源變換電路輸出受控。實際應用時，根據(jù)ADC0的輸入信號、基準電壓和控制要求來設定PCA0的初值，用來設定輸出的PWM信號的頻率，使得脈沖寬度在整個周期內(nèi)按照輸入變量進行調(diào)整，使用系統(tǒng)級單片機不僅可以提供電源變換所需的PWM信號，同時還可以提供開關電源綜合控制所需信號。

［1］ 潘琢金，施國君.C8051Fxxx高速SOC單片機原理及應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2002.

［2］ 鄭江海，林鈞峰，陳育群.基于AT89C51 PWM驅(qū)動電路遙控小車的研究［J］.長春工業(yè)大學學報：自然科學版，2008，29（5）：556-561.

［3］ 鮑可進.C8051F單片機原理及應用［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［4］ 何曦光，阮祥發(fā)，趙燕.電機控制中的16位PWM在C8051單片機中的實現(xiàn)［J］.中國水運，2006（5）：48-49.

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

［6］ 陸冬良，張代潤.基于C8051的軟開關用移相PWM的實現(xiàn)［J］.電源技術應用，2005（9）：49-52.

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

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