多路PWM信号产生方案设计

江苏信息职业技术学院 周 芸

多路PWM信号产生方案设计

江苏信息职业技术学院 周 芸

在装载机控制系统的设计中，必须对装载机动臂、铲斗的运动进行控制，包括动臂的上升、下降和铲斗的装载、卸载。在单片机控制下的装载机利用电液比例控制来实现对动臂、铲斗的运动控制，系统最终的被控对象是比例电磁阀（共4个）。因此，装载机控制系统需要产生4路PWM（脉冲宽度调制）信号，用来驱动各对应比例电磁阀，分别实现对动臂上升、下降和铲斗装载、卸载的控制。通过调节PWM输出波形的占空比还可以改变动臂和铲斗的运动速度。

一、 基于HSO的PWM信号产生方案

1.80C196KB单片机内部HSO简介。某装载机控制系统的设计基于80C196KB单片机，其内部的高速输出器（HSO）功能强大，可以为系统产生多路PWM信号。通过软件编程控制HSO通道的输出，就可以得到所需要的PWM波形。

HSO可以按程序设定的时间触发某一事件，CPU的使用开销很小，故速度很高。允许被触发的事件包括启动A/D转换，复位定时器2，设置4个软件定时器标志和接通多达6根输出线（HSO.0～HSO.5）等。其中，HSO CAM阵列是HSO的核心部分，它由8个23位的寄存器组成，每个寄存器的7位用于存放事件输出命令，其余16位用于存放事件触发的时间。在程序中把命令和预定触发时间写入CAM阵列，就相当于设定了某一事件。每一个状态周期，来自定时器（作为HSO的时间基准）的时间与CAM中一个预定的时间进行比较。比较结果相符，说明触发某一事件的时间已到，就读出CAM中的这一项内容，并产生该事件的触发信号，同时清除该项数据内容。

2.利用HSO中断来产生连续的PWM信号。HSO同一时刻最多可以挂号8个事件，且当事件被触发时允许发生中断。HSO可以产生2种中断，分别对应不同的中断向量：HSO执行中断（2006H），产生于执行HSO命令而使HSO的6个输出脚（HSO.0～HSO.5）中任何一个工作时；软件定时器中断（200AH），产生于执行其他HSO命令时，包括4个软件定时器命令、T2复位命令和A/D转换启动命令。

对HSO编程可以按预定的时间产生中断，即所谓的软件定时器。HSO允许有4个软件定时器同时工作，预定时间一到，HSO就对软件定时器标志置1，使软件定时器中断。因此，在同一时间窗口（8个状态周期）内发生多重软件定时器中断是可能的。

每产生一路PWM信号需要在CAM中设置3个事件，一个正跳变、一个负跳变和一个脉冲周期正跳变。前两个事件只负责HSO某个输出脚输出高、低电平的状态，不需要产生中断；但CAM阵列中的所有事件一经触发就立即清除，所以要连续产生PWM波形必须在第三个周期事件发生后重新设置上述3个事件，因此第3个事件的触发应允许中断，并在其中断服务子程序中完成重置任务。只要在设置完第3个周期事件后开中断，通过周期性的中断就可以在HSO输出脚产生一系列连续的PWM波形。此外，还可以利用软件定时器中断，软件定时器的定时时间值即为PWM信号的周期。在软件定时器中断服务子程序中设置两个事件——一个正跳变和一个负跳变，也可以达到相同的输出效果。

采用上述方法产生PWM信号时，选定时器1作为HSO的时间基准。在12 MHz晶振下，定时器1的每一个计数值代表1.33 μs，最大计数数值为216－1＝65 535，相当于87 ms，所以能够产生PWM波形的频率范围为11～375 kHz。实际需要的PWM频率为几百赫兹，在这个范围内是可实现的。

该装载机控制系统共要求产生4路PWM信号，需占用4个HSO通道，每个通道都用上面的方法产生相互独立的PWM信号。这对CPU而言相当于增加了4个中断源，并且执行每一路PWM波形输出时会产生频繁的中断，这在很大程度上会降低CPU的工作效率，甚至影响到CPU执行其他监控子程序和其他一些操作；另外，前面提及的HSO同一时刻最多可以挂号8个事件，而实现1路PWM信号输出就需要3个事件，显然不可能实现4路PWM信号的同时输出。虽然在实际应用中4路同时输出的情况不会出现，但不得不考虑4路PWM信号交替产生过程中可能存在的CAM寄存器组不够用的情况，这就影响到正常的PWM信号输出，降低了系统控制的可靠性。

为此，可以利用80C196KB单片机的新增功能——CAM锁定：即在HSO命令寄存器中增加CAM锁定（LOCK）位D7，当把一条命令写入HSO CAM中时，若同时设置CAM锁定位为1，可以使该命令保持在CAM中，否则产生一次HSO触发的事件就会把CAM中相应命令清除掉。

利用CAM锁定功能可以周期性地产生PWM波形，而不需要频繁的HSO中断，大大减小了CPU的使用开销，减轻了CPU的负担。

CAM锁定功能必须靠设置IOC2.6=1来选通。为了从CAM中清除被锁定的事件，可以向CAM清除位IOC2.7写入1，这将清除CAM寄存器组的全部内容。这里没有办法单独清除1项被锁定的命令。

3.基于CAM锁定功能的多路PWM产生方案。利用HSO复位定时器2（T2）的命令，用T2作为HSO的时间基准，T2CLK为T2的时钟源，可以产生周期性的事件，事件发生周期由用户选定。程序中设置好T2的复位时间，并安排PWM波形正跳变这一事件发生于T2复位的时刻，而负跳变这一事件发生于T2复位前的某个时刻（该事件决定了PWM的占空比），将这两个事件和T2复位事件都锁定在CAM中，则一路PWM信号将周期性地产生，其重复周期就是T2的复位周期。

由于要以T2为HSO的时间基准，但HSO的时间分辨率为8个状态周期［12 MHz晶振时为（1/6 MHz）×8=1.33 μs］，所以限制了T2的最高时钟频率也必须为每8个状态周期一次，即T2的时钟源输入至少为CLKOUT的8分频输出。此外，T2实质是一个采用外部时钟的16位计数器，由于外部时钟的正跳沿和负跳沿处T2都会计数，所以要想每8个状态周期T2计数值增1，时钟输入周期必须为16个状态周期（即至少为16分频）。

PWM信号的周期TPWM＝T2计数值（M）×8个状态周期（1.33μs）。其中 T2的计数值M决定了PWM波形的分辨位数A（M＝2A－1）。当要求产生的PWM信号的周期为2 ms时，M＝1 508，A＝10。这一点说明该方案完全可以产生所要求的PWM信号。

4.如果懒得抄原题，也可以根据需要将原题裁剪下来粘贴到错题本上，但不宜太多，以免日积月累错题本显得太厚重；

实际要求的4路PWM信号是相互独立，互不影响的，所以当请求产生某一路PWM信号时，必须向CAM写入3个事件的锁定命令；当请求产生多路PWM信号时，考虑到4路PWM信号的频率相同，所以那几路可以共用一个T2复位事件，随后请求的几路PWM只要再各自追加2个事件就可以了。事实上，实际运行时最多有2路PWM会同时输出：一路控制动臂的运动，另一路控制铲斗的装载或卸载，故同一时刻关于PWM的锁定命令最多占用5个CAM寄存器。这一点说明本方案实现多路PWM信号输出也是可行的。

但这种方案也存在问题——无法单独清除1项被锁定的命令。例如当要停止某一路PWM输出时，应该清除对应的CAM中被锁定的项，这时必须通过设置IOC2.7=1来实现，同时也把整个CAM内容全部清除掉了，因此所有要继续执行的命令必须重新设置，包括那些未锁定的命令。

4.方案缺点。对于上面讨论的CAM清除问题，显然在冲洗和重新装入CAM命令的过程中，可能会漏掉执行某些命令，所以必须考虑已装载的CAM命令的备份、记忆问题，因此没有足够的软件开销是很难解决这些问题的。同时也使得改变PWM信号输出这一软件控制过程变得复杂化且易出错。

从单片机资源的占用来看，基于HSO的多路PWM信号产生方案使用4个独立的HSO通道，执行PWM信号输出功能，仅实现单一地对动臂、铲斗的控制。这部分功能其实只是整个控制系统的一小部分，但其在软、硬件方面都占用较多的资源。此外，这种方案很大程度上限制了HSO在其他功能上的应用，没有充分发挥HSO独特而强大的功能，更不利于进一步扩展系统的监控任务。因此，可以考虑用硬件来实现多路PWM信号输出的设计方案。

二、 基于发生器M66240的4路PWM信号的产生方案

1. M66240简介。M66240是一种可编程的PWM发生器，它内部包含有一个16位的预分频器和一个PWM计数器，可以实现4通道PWM信号产生的独立控制。

M66240有3种PWM输出模式，其中模式0和2通过对M66240编程实现周期性PWM信号，而模式1下必须依据外部触发信号来产生非周期性PWM信号。所以只有模式0和2满足要求。下面介绍这2种模式。

模式0：PWM计数器既可以用作16位，也可用作8位，区别仅在于PWM波形的分辨精度不同。该模式下一个PWM波形固定包含（2A－1）（A＝8，16）个计数脉冲，设置PWM波形高电平持续时间的计数值M，就可以得到周期性输出的设定占空比的PWM波形。

模式2：PWM波形的产生原理同模式0，不过需要同时设置高电平持续时间的计数值 M和低电平持续时间的计数值N，才可以得到周期性输出的PWM波形。

可以看到在这种模式下，允许产生周期较大的PWM波形，并且PWM的周期和占空比调节更加自由，可以灵活产生各种PWM波形。

2.方案实现。采用M66240产生PWM信号时，把单片机时钟输出CLKOUT引脚的2分频时钟信号作为它的外部时钟源。例如单片机系统使用12 MHz晶振，则M66240的基准工作频率f（XIN）= 6 MHz。在该基准工作频率下，计算2种模式下PWM的周期，计算结果见表1。

表 1 2种模式下PWM的周期

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

模式0时，设置PWM计数器为8位，由T（μs）= ［（L+1）/ f（XIN）］ ×（28－1）可得T=2 ms时，预分频器计数值L＝46；虽然每个PWM包含了12 000个外部时钟脉冲，但PWM的分辨率也只有8位。

模式2时，为提高PWM的分辨率，取定L＝0，由T（μs）=［（L+1）/f（XIN）］×（M+N）可得T＝2 ms时，M+N＝12 000，这时PWM的分辨位数可以达到13位。再根据PWM的占空比可以分别确定M，N的值。一旦要改变PWM占空比，需要同时修改M，N两个计数值。

3. M66240与单片机的接口设计。将M66240当做单片机系统的一个外部I/O设备来用，CPU只作为它的一个软件伺服系统，通过软件指令独立设置各个通道的PWM信号周期、占空比，该芯片就会自动产生PWM信号，而不再受CPU控制（除非要改变PWM波形的特性）。M66240与单片机的接口电路如图1所示。

硬件电路设计中，3-8译码器74LS138的输出Y3作为M66240的片选信号；单片机的写信号WR控制其写控制端，实现单片机对M66240的写入操作；同时设置P1.4这路I/O口线作为它的命令/数据选通信号；它的8位数据口则直接与单片机的数据总线接口；由单片机系统向M66240提供时钟信号，即将时钟输出信号CLKOUT用作其外部时钟源，作为系统的时钟基准；4路PWM输出就是对动臂、铲斗的控制信号。

4.软件设计。主要是对M66240的编程。要控制M66240的不同通道产生PWM波形，只要设置各通道对应的预分频器计数值和PWM计数器的计数值即可，可通过向M66240写入不同的命令或数据来实现。单片机控制M66240输出的软件流程如图2所示。

对M66240的编程一共要用到3种操作命令：Command1，设定PWM输出模式和各路的外部触发输入，同时设置高电平宽度的输出极性。Command2，在一个字节的基础上，向各通道的预分频器和PWM计数器中指定的16位寄存器写数据。从第二字节开始的后续字节作为数据值被写入预分频器和PWM计数器。Command3，用于启动和中止PWM计数器的工作。

三、方案比较

从对上述几种方案的分析可以看到，HSO中断的最大缺点是频繁的中断导致CPU执行效率降低；CAM锁定的最大缺点是软件编程复杂，需要较多的软件资源；采用专用PWM发生器芯片的缺点则是耗用一定的硬件资源，成本较高。

事实上，这几种方案在不同的场合需求下也是各有长处的：HSO中断适用于产生单路PWM信号，且要求PWM信号的频率在输出允许范围内；CAM锁定适用于在单片机控制功能单一，而要求产生多路同周期PWM信号的场合，且这多路PWM信号的输出有一定规律（如要求2～3路同时输出等），从而可尽量减少软件编程的复杂度；专用PWM发生器适用于单片机控制功能复杂，而又要求产生多路PWM信号的场合，直接利用硬件电路来产生PWM信号，不仅实时性好、输出可靠、准确，而且占用CPU资源少，提高了CPU的执行效率。