基于STC单片机实现多位软件PWM

蔡锦韩

摘 要：本文针对当前带有硬件PWM的8位单片机普遍存在分辨率低，难以适应实际使用需要的问题，利用STC12 C5A60S2系列单片机的PCA模块实现多位（9～16位）软件PWM的基本方法，并给出实用控制程序。实验表明，该方法具有很强的实用性。

关键词：STC单片机 PCA模块 软件PWM

PWM全称为Pulse Width Modulation，即脉冲宽度调制，简称为脉宽调制。常见的PWM调制方式是定频调宽，在固定的调制周期内，通过改变有效电平的宽度，即改变占空比（0≤ρ≤1），实现对输出电压的控制。随着单片机技术的飞速发展，当前主流的单片机普遍在片上集成了硬件PWM等功能，使用起来非常方便。但对8位机而言，片内集成的硬件PWM大多为8位分辨率，虽然可以由硬件实现占空比的无缝刷新，但存在分辨率较低的现实问题。笔者利用深圳宏晶科技有限公司出品的51内核STC12C5A60S2系列单片机设计一种软件PWM，可实现从9～16位之间任意分辨率，从而满足控制精度等要求。

一、STC12C5A60S2系列单片机PCA模块介绍

STC12C5A60S2系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换、双串口。它在工业电动机控制中，有不俗的表现。STC12C5A60S2系列单片机集成了两路可编程计数器阵列（PCA）模块，可用于软件定时器、外部脉冲捕捉、高速输出以及PWM输出四种工作模式。

1.PCA模块的结构

PCA含有一个特殊的16位定时器，有2个16位的捕获/比较模块与之相连，如图1所示。

图1 PCA模块结构

每个模块可编程工作在4种工作模式：上升/下降沿捕获、软件定时器、高速输出或PWM输出。16位PCA定时器/计数器是2个模块的公共时间基准，其结构如图2所示。

图2 PCA定时/计数器结构

寄存器CH和CL的内容是正在自由递增计数的16位PCA定时器的值，可通过对CMOD（CMOD寄存器的说明参考下面描述）特殊功能寄存器中CPS2、CPS1和CPS0三个位的编程实现对时钟源的选择，具体配置关系如表1所示。

表1

2.PCA模块相关寄存器

PCA模块相关寄存器及其功能受篇幅限制，在此仅介绍几个关键寄存器，其他部分从略。

（1）CCON-PCA控制寄存器。

CF：PCA计数器阵列溢出标志位。为1表示溢出；为0表示未溢出。可软硬件置位，只能软件复位。

CR：PCA计数器阵列运行控制位。置1，启动；置0，停止。

CCF1：PCA模块1中断标志。当出现匹配或捕获时硬件置位；必须软件清零。

CCF0：PCA模块0中断标志。当出现匹配或捕获时硬件置位；必须软件清零。

（2）CMOD—PCA模式寄存器。

CIDL：空闲模式下是否停止PCA计数的控制位。为1时，停止计数；为0时，继续工作。

CPS2、CPS1、CPS0：PCA计数脉冲源选择控制位。具体配置见上文。

ECF：PCA计数溢出中断使能位。为1时允许CF中断；为0时禁止CF中断。

（3）CCAPMn（n=0，1）——PCA模块工作模式寄存器，配置如表2所示。

表2 PCA模块工作模式设定（CCAPMn，n=0，1）

- ECOMn CAPPn CAPNn MATn TOGn PWMn ECCFn 模块功能

0 0 0 0 0 0 0 无此操作

0 0 0 0 0 1 0 8位PWM，无中断

1 1 0 0 0 1 1 8位PWM输出，由低变高可产生中断

1 0 1 0 0 1 1 8位PWM输出，由高变低可产生中断

1 1 1 0 0 1 1 8位PWM输出，由低变高或者由高变低增可产生中断

X 1 0 0 0 0 X 16位捕获模式，由CEXn/PCAn的上升沿触发

X 0 1 0 0 0 X 16位捕获模式，由CEXn/PCAn的下降沿触发

X 1 1 0 0 0 X 16位捕获模式，由CEXn/PCAn的跳变触发

1 0 0 1 0 0 X 16位软件定时器

1 0 0 1 1 0 X 16位高速输出

可见，通过配置，PCA能工作在多种工作模式，具有较强的灵活性。

二、软件实现PWM基本原理

本设计应用PCA模块的高速输出模式实现多位PWM功能。当PCA计数器的计数值与模块捕获寄存器的值相匹配时，PCA模块的CCPn引脚输出将发生翻转。PCA模块高速输出模式框图，如图4所示。

图4 PCA高速输出模式

由图4可见，当激活高速输出模式时，CCAPMn寄存器的TOGn，MATn和ECOMn位都必须置位。一旦出现匹配，在比较匹配中断里判断高速输出的电平，如果是高电平，则向捕获寄存器装入高电平的PCA时钟数；如果是低电平，则装入低电平的PCA时钟数。

设要求的PWM分辨率为n（0≤n≤1），则每个PWM周期为DUTY=2n个PCA时钟。设PWM_high为PWM高电平持续时间，PWM_low为PWM低电平持续时间，则有DUTY=PWM_high+PWM_low，占空比。明显的，分辨率n的值越大，则分辨率越高。

为实现设计功能，需要用到的资源有：PCA可编程计数器阵列、捕获寄存器、匹配中断向量。由于中断处理需要一点时间，输出的占空比不能到0%或100%，所以对占空比有最小和最大值限制，中断处理绝对时间大约为100个系统时钟。

三、参考程序

/* --- STC单片机实现软件PWM功能，本程序以10位PWM为例-----------------*/

#include"STC12C5A60S2.h"/*包含STC12C5A60S2单片机头文件*/

#define PWM_DUTY 1024 ∥定义PWM的周期，数值为PCA所选择的时钟脉冲个数。

#define PWM_HIGH_MAX PWM_DUTY-32 ∥限制PWM输出的最大占空比。

#define PWM_HIGH_MIN 32 ∥限制PWM输出的最小占空比。

sbit CCP0 = P1^3； ∥CCAP0引脚声明

/* -------------- 全局变量定义---------------*/

unsigned int PWM_high； ∥ 定义PWM占空比寄存器，即PWM输出高电平的PCA时钟脉冲个数。

unsigned int PWM_low； ∥ 定义PWM输出低电平的PCA时钟脉冲个数。

unsigned int CCAP0_tmp；//定义CCAP0重装载影射寄存器。

∥=============================================

∥ 函数： void PWM_SetHigh（unsigned int high）

∥ 描述： 写入占空比数据。

∥ 参数： high： 占空比数据，即PWM输出高电平的PCA时钟脉冲个数。

∥=================================================

void PWMn_SetHigh（unsigned int high）

{

if（high > PWM_MAX）

high = PWM_MAX； ∥如果写入大于最大占空比数据，强制为最大占空比。

if（high < PWM_MIN）

high = PWM_MIN； ∥如果写入小于最小占空比数据，强制为最小占空比。

CR = 0； ∥停止PCA。

PWM_high = high； ∥数据在正确范围，则装入占空比寄存器。

PWM_low = PWM_DUTY - high； ∥计算并保存PWM输出低电平的PCA时钟脉冲个数。

CR = 1； ∥启动PCA。

}

∥============================================

∥ 主函数： void main（void）

∥=============================================

void main（void）

{

P1M1 &= ～0x08，

P1M0 |= 0x08； /*设置CCAP0（P1.3）使用PUSH-PULL推挽输出模式。*/

CCON = 0； /*清除CF、CR、CCF0、CCF1*/

IPH |= 0x80； /*PCA中断使用最高优先级*/

IP |= 0x80；

CMOD = 0； /*空闲模式下PCA计数器继续工作，计数器时钟源为系统时钟的12分频，禁止PCA计数溢出（CF）中断*/

CCAPM0 = 0x4d； /*高速输出模式，允许比较匹配中断（ECCF0=1）。*/

CL = 0； /*清空PCA基本计数器。*/

CH = 0；

CCAP0_tmp = 0； /*清空CCAP0重装载影射寄存器。*/

PWMn_SetHigh（512）；/*设定占空比数据。*/

CR = 1； /*启动PCA。*/

EA = 1； /*允许总中断*/

while（1）；

}

∥=================================================

∥ 函数： void PCA_interrupt （void） interrupt 7

∥ 描述： PCA中断服务程序。

∥ 参数： 无。

∥ 返回： 无。

∥=================================================

void PCA_ISR （void） interrupt 7

{

if（CCF0） /*PCA模块0中断（只开放CCF0中断）*/

{

CCF0 = 0； /*清PCA模块0中断标志*/

if（CCP0）

CCAP0_tmp += PWM_high； /*输出为高电平，则给影射寄存器装载高电平时间长度*/

else

CCAP0_tmp += PWM_low； /*输出为低电平，则给影射寄存器装载低电平时间长度*/

CCAP0L = （unsigned char）CCAP0_tmp；/*将影射寄存器写入捕获寄存器，先写CCAP0L*/

CCAP0H = （unsigned char）（CCAP0_tmp >> 8）；/*注意：后写CCAP0H*/

}

}

四、实验验证

某设计项目使用10位软件PWM功能，实验结果如图5、图6、图7所示。

图5 15%占空比

图6 50%占空比

图7 80%占空比

五、结语

本设计在多个实际项目使用，均能很好地实现控制要求，同时大大降低硬件成本。在实际应用中，考虑到中断的消耗，特别是其他中断服务开销很长时间时，有可能会影响本程序的正常运行，因此强烈建议将PCA模块中断优先级设为最高级，以实现更佳控制效果；同时建议在正常运行时，尽量不要关闭。

（作者单位：广东省粤东高级技工学校）