基於51單片機雙極型PWM 的軟體實現

    Keil C是基於標準C內核的第三方語言，利用它可以很方便高效地實現對C51系列單片機的高級編程。C51是目前使用最普遍的8位單片機，價格低廉。它與軟體編程結合，可以比較方便地滿足眾多功能要求，甚至取代一些複雜的硬體電路，簡化硬體設計，並提高系統的可靠性和降低成本。基於這個思想，本文提出了一種在C51單片機上軟體實現相對複雜的雙極型PWM 的新方法。

1 PWM 控制原理
    PWM(Pulse Width Modulation)即脈衝寬度調製，它通過控制信號去調製方波脈衝的寬度，從而獲得控制的實現。
    產生PWM 信號可以由硬體方法和軟體方法實現。傳統的硬體模擬方法是把調製信號和載波(一般是三角波)同時接入運算放大器的兩個輸入端作比較而得到。而軟體的實現，特別是基於單片機的軟體實現方法，主要是利用其內部提供的定時器，通過改變定時器的定時初值獲得不同的脈衝持續時間，如果把系統的控制信號和定時器的定時初值線性對應起來，就可獲得控制信號對脈寬調製的PWM 信號。所以這樣線性的對應過程就成為這個實現過程的關鍵。控制信號的種類不同，採用不同的計算方法，又可以獲得不同的PWM，見文獻[3]。

2 在AT89C51中實現雙極型PWM的方法
    51系列單片機提供了非常豐富的資源，它除了擁有4個通用並口和1個串口外，還有外部中斷和內部定時器等。而且，不同的型號還集成有不同的功能，比如AT89C51就在片內集成了4 K 的ROM，這樣存儲空間可以滿足一般的編程需要，而不必去構建程序存儲器，既提高了工作效率和系統的穩定性，又降低了生產成本。
    基於AT89C51單片機的PWM 軟體實現的重要硬體支撐是該單片機內部的定時器。在AT89C51內實現PWM 的基本過程：首先選定脈衝的頻率T，然後根據控制信號的變化範圍，這裡假設是(0～V)，則可以求出t時刻通過控制信號V(t)的對應脈衝的正、負脈衝持續時間。這兩個時間長度在單片機里是通過給定時器賦相應的初值而得，即定時器獲得這樣的定時初值后就在機器周期的同步下，從這個初值加1計數，定時器滿時則產生相應時間長度的溢出中斷，再利用這個中斷所響應的服務程序去控制單片機某一引腳相應的正、負電平極性的持續時間。如果上述過程連續進行，就可在這個引腳獲得寬度隨控制信號V(t)大小變化的PWM方波信號。
    AT89C51單片機每個機器周期由6個狀態組成，每個狀態又有兩個時鐘周期，這樣一個機器周期就等於12個時鐘周期，即機器頻率為時鐘頻率的12分頻。通過對工作模式寄存器TMOD的賦值操作，把定時器設為內部定時狀態並選擇不同的定時方式。然後假設PWM 的周期T小於定時器一次溢出時間，即T<2^Nus，這裡的N為定時器的位數。這樣就可以得到脈寬(脈衝持續時間)twx定時初值Twx的關係：
twx=(2^N-Twx)×12/f us   (1)
    如果所用晶振為12 MHz，定時器為方式1，即為16位定時(這時定時有比較大的計數範圍，用途更為廣泛)，這樣上式變為：
twx=(2¹⁶ - Twx )us   (2)
    之後再根據功率器件的時間特性和工作的平均功率值，確定一個合適的PWM 信號周期T，很顯然這個周期T就是由高電平脈寬twh和低電平脈寬twl組成，即：
T=twh+ twl    (3)
    當調製PWM 脈寬的誤差信號V(f)(這個信號一般是由感測器採集后經過相關處理后得到的誤差信號)的變化範圍是(0～V)或(-V～V)時，PWM脈寬與誤差信號為線性關係(實際可能不是線性的，但一般可以忽略或者可以通過前級進行軟體補償)，可以從單片機的1個引腳得到PWM 信號，具體的過程在相關文獻已有敘述，見文獻[4]。
    然而，單片機一般是單極型的，它的邏輯0對應的實際電平是0 V，邏輯1對應的實際電平是+5 V。嚴格地說，在這種單片機上只能夠輸出單極型的PWM 信號。採用AT89C51結合軟體編程實現雙極型PWM 控制的設計思想是這樣的：從AT89C51的一個引腳得到正的單極型PWM 信號輸出，對另一個引腳做相應的設計和定義，讓它承擔對應的“負”極型PWM 信號的輸出。即當調製PWM 脈寬的誤差信號為正時，對應的PWM 就從AT89C51單片機的一個引腳輸出；當誤差信號為負時，對應的PWM 就從另外一個引腳輸出，儘管這個輸出信號的模擬電平也是正的，但它對應的是負值的誤差信號所產生的PWM 輸出，又是驅動負極型功率器件，和負極型PWM 功能一樣，於是可以把它等效為負極型PWM；當誤差信號為零時，相應的兩個引腳都沒有輸出，然後再把這兩個引腳接入PWM 功率驅動電路的輸入端。通過對誤差信號正負的判別，再利用AT89C51的兩個引腳就實現了雙極型的PWM。具體電路如圖1所示。
 
    下面計算產生雙極型PWM 所需的定時初值。實際上穩定工作時，只有一個引腳有輸出，即一般兩個引腳不會同時輸出，所以可看作是兩個相對獨立的過程，可假設脈寬和誤差信號的線性對應關係：

據此可求出定時初值與誤差信號的關係：
 
由(1)式有
 
把式(5)代入式(6)得：
 
    當晶振頻率取12 MHz時，f=12。採用定時方式1，則可以得到即時的控制信號V(t)和定時初值在PWM 信號的一個周期內的關係：
 
    因為V和V(t)通過對誤差計算都可以得到，所以根據式(8)可以求出t時刻對應的PWM 一個周期高低脈寬的定時初值(注意這裡的T的單位是us，頻率f的單位為MHz)。

3 Keil C下的程序實現
    Keil C是基於標準C的C51專用高級編程語言，它具備標準C的強大靈活的編程能力，同時又相對增加了對C51單片機硬體資源的直接操作，故在Keil C下對C51的程序設計幾乎使人們可擺脫對C51底層寄存器等硬體的煩瑣操作，編程效率顯著提高，並且程序運行速度和所佔空間和彙編差別不大。這裡利用定時器T0的方式1，採用其時間溢出中斷，中斷號為1，具體程序流程如圖2所示。
 
圖2 PWM信號實現的軟體流程
E -誤差控制器；TH0-T0定時器高位；TL0-T0定時器低位；Twh、Twl-定時器初值

4 結語
    單片機硬體發展很快，出現了16位、32位等多位機，但今後一段時期C51系列的8位機將仍佔主流。通過適當的軟體開發，可以挖掘其內在價值，這樣既降低了生產成本，又鍛煉了個人的軟體開發能力。
參考文獻：
[1] 李朝青．原理及介面技術[M]．北京：北京航空航天大學出版社，1999．
[2] 孫傳友．測控系統原理與設計[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2002．
[32 張運波．PWM 信號的軟體實現方法[J]．微型計算機信息，2002，8(10)