基于C8051F020的16位PWM信号控制

刘开绪， 孙 健， 付保红， 吴春梅

（1.大庆师范学院电气信息工程学院，黑龙江大庆 163712；2.大庆油田热电厂，黑龙江大庆 163314）

0 引 言

在电源变换电路设计中经常要用到受控PWM信号，为了实现智能控制，利用美国Silicon Lab半导体公司推出的C8051F系列高性能8位嵌入式单片机，实现受控PWM信号输出及可实现电源变换电路工作的智能控制，下面重点阐述受控PWM信号的实现。

C8051F020单片机芯片集成了丰富的片内外设资源，集成了数模混合信号处理单元，是真正意义上的系统级单片机SOC（System on Chip）［1－2］。其微控制器内核CIP-51兼容MCS-51内核的全部功能及指令集。通过JTAG接口实现非插入式、全速的在线调试功能。利用C8051F系列单片机可实现PWM信号输出的同时，还可以实现电源变化的综合控制。

1 功能实现

C8051F020单片机片内部集成有一个可编程计数器阵列（Programmable Counter Array，PCA），称为PCA0，其原理如图1所示。

图1 可编程计数器阵列原理

它具有增强的定时器功能，与标准8051单片机的定时器／计数器相比，所需要CPU的干预更少。由图1可知，PCA0包含一个专用的16位定时器／计数器及5个16位的捕捉／比较模块。每个捕捉／比较模块都有自己的输入输出口线（CEXn）。通过交叉开关的使能配置，可以将输入输出口线连接到并行I／O端口上。定时器／计数器有6个计数脉冲源：系统时钟SYSCLK、系统时钟4分频SYSCLK／4、系统时钟12分频SYSCLK／12、外部振荡器时钟源8分频、定时器0溢出、ECI口线上输入的外部时钟信号可供选择。通过程序设置PCA0的特殊功能寄存器，可使每个捕捉／比较模块独立工作于边沿触发捕捉、软件定时器、高速输出、频率输出、8位PWM或16位PWM 6种方式之一。

设置相关PCA0的特殊功能寄存器，可设定需要工作在16位PWM方式下的PCA0捕捉／比较模块，利用16位PWM方式产生频率可设定的PWM信号［3］。在16位PWM方式下，16位捕捉／比较模块定义PWM信号低电平时间的PCA0时钟数。当PCA0计数器的值与捕捉／比较模块的值匹配时，捕捉／比较模块输入输出引脚CEXn输出高电平；当PCA0计数器溢出时，引脚CEXn输出低电平。为了得到一个频率固定、占空比可变的波形，要求新值的写入应与PCA0的CCFn匹配中断同步。同时应将CCFn置为l，以允许匹配中断。设置PCA0CPMn寄存器中的ECOMn，PWMn和PWM16n位为逻辑1，设置PCA0为16位脉冲宽度调制器方式。16位PWM波形图如图2所示。

图2 16位PWM的波形图

16位PWM方式的占空比由下式给出：

α为16位计数值的修整值，通过设定α的值可以改变PWM信号的周期，即可设定PWM信号的频率。令α＝F000H，以产生对应ADC0的12位A／D转换所对应的PWM信号时，α原则上可以在区间0000H～FFFFH取值。波形原理如图3所示。

图3 12位PWM的波形图

此时，所产生的12位PWM波的占空比为：

由式（1）可知，对应于PCA0CPn＝0，理论上可实现最大占空比100%，对应于PCA0CPn＝0x FFFF，可实现最小占空比为0.001 5%。但实际中由于执行程序需要占用机器周期［4］，实现不了理论上的最大和最小占空比，在这种情况下可通过对寄存器ECOMn位清0实现0%占空比信号输出。

2 软件系统设计

首先，进行程序初始化设计。置位REF0CN寄存器的BIASE位以使能1.2 V基准源，同时置位REFBE位以使1.2 V基准源倍乘得到2.4 V基准电压，将该2.4 V基准电压输出作为ADC0转换的参考电压VREF0。

设电源变换电路的输出取样电压为4.8 V，4.8 V的取样电压可以通过稳压和分压获得。配置ADC0CF寄存器的AMP0GN0～2位，设定ADC0输入信号放大倍数为取0.5倍，以使反馈信号与参考电压VREF0相吻合。电压等各取样信号可依次被检测送往单片机的ADC0各通道，依次完成A／D转换，转换后的数据经过处理后去调理PCA0模块比较器实现变换电路所需要的控制信号。

其次，需要配置端口交叉开关，以使能端口输出功能。通过配置特殊功能寄存器XBR0和XBR2，使PCA0的捕捉／比较模块输入输出线CEXn连接到端口引脚上，用于PWM波输出［5－8］。

然后，进行程序的设计。将ADC0转换的结果送PCA0形成16位的PWM信号，PCA0采用16位PWM方式。同时，使用ADC0的窗口检测器实现电压值超范围报警，如低电压设定为1 V，高电压设定为3.7 V，ADC0是采用写AD0BUSY为1启动转换的。因为ADC0是12位的，在程序中对PCA0的值进行了修整，以使PCA模块0实现12位PWM输出，输出脚CEX0配置在P0.0脚。ADC转换程序流程和PCA 16位PWM波程序流程分别如图4和图5所示。

图4 ADC转换程序流程

图5 PCA 16位PWM信号程序流程

在程序中，采取查询方式查询12位ADC0转换结果，ADC0窗口检测器采取中断方式，PCA0捕捉／比较模块采取中断方式，且PCA0捕捉／比较模块工作设置为高优先级别。

3 测试分析

PCA0捕捉／比较模块默认的PWM信号宽度是对应16位数字量的。为了与12位的ADC0转换结果相匹配，采取ADC0输出右对齐，使产生的PWM信号占空比能够在0%～100%期间受控调整，并在PCA0中断程序中对PCA0H寄存器的值进行修整。参考的程序段如下：

对应输入电压0.291 V时产生的PWM触发脉冲如图6所示。

图6 对应输入电压0.291 V时的PWM波形

若改变输出信号频率，可以通过修改服务子程序PCA＿ISR0中的“MOV A，＃11110000B”实现。如修改为“MOV A，＃11111000B”时，输出的PWM信号的频率将发生改变，测得的波形如图7所示。

图7 ADC0输出右对齐，输入电压0.300 V

同理，每修改一位，频率改变一倍。

4 结 语

C8051F020单片机具有丰富的片上外设资源，利用其可编程计数器阵列PCA可产生对应ADC0各通道的PWM信号，该PWM信号受控于反馈电压，使得电源变换电路输出受控。实际应用时，根据ADC0的输入信号、基准电压和控制要求来设定PCA0的初值，用来设定输出的PWM信号的频率，使得脉冲宽度在整个周期内按照输入变量进行调整，使用系统级单片机不仅可以提供电源变换所需的PWM信号，同时还可以提供开关电源综合控制所需信号。

［1］ 潘琢金，施国君.C8051Fxxx高速SOC单片机原理及应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2002.

［2］ 郑江海，林钧峰，陈育群.基于AT89C51 PWM驱动电路遥控小车的研究［J］.长春工业大学学报：自然科学版，2008，29（5）：556-561.

［3］ 鲍可进.C8051F单片机原理及应用［M］.北京：中国电力出版社，2006.

［4］ 何曦光，阮祥发，赵燕.电机控制中的16位PWM在C8051单片机中的实现［J］.中国水运，2006（5）：48-49.

［5］ 王苏.直流电机PWM调速研究及单片机控制实现［J］.机电工程技术，2008，37（18）：82-85.

［6］ 陆冬良，张代润.基于C8051的软开关用移相PWM的实现［J］.电源技术应用，2005（9）：49-52.

［7］ 吴磊，李伟，张俊，等.基于C8051F020的开关电源并联模块供电系统设计［J］.工业控制计算机，2013（6）：128-129.

［8］ 刘青青，朱清芳.基于C8051F020单片机的数据采集电路设计［J］.现代电子技术，2012，9：135-136，140.