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用89C51和8254-2實(shí)際步進(jìn)式PWM輸出
摘要：介紹一種新型PWM輸出的方式。它是用89C51作為主控部分，用8254-2可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)1Hz～3kHz步進(jìn)式PWM的輸出；具有分辨率高、反應(yīng)速度快及占用CPU時(shí)間少的優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：8254-289C51脈寬調(diào)制（PWM）分辨率
引言
脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)最初是在無(wú)線電技術(shù)中用于信號(hào)的調(diào)制，后來(lái)在電機(jī)調(diào)速中得到了很好的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中要求輸出PWM從1Hz～3kHz步進(jìn)式遞增，單步為1Hz。由于89C51的時(shí)鐘最大能取24MHz，單指令周期為0.5μs，計(jì)數(shù)頻率為×106Hz。當(dāng)輸出2999Hz和3000Hz時(shí)，若采用89C51內(nèi)部計(jì)數(shù)器來(lái)計(jì)數(shù)，根本無(wú)法區(qū)別。因?yàn)橛?jì)數(shù)頻率為2MHz，單指令周期0.5μs，而要輸出2999Hz時(shí)，計(jì)數(shù)應(yīng)為666.889；輸出3000Hz時(shí)，計(jì)數(shù)誚為666.887。因此在本設(shè)計(jì)中，采用外部定時(shí)器/計(jì)數(shù)器8254-2。因?yàn)?254-2最高計(jì)數(shù)頻率可達(dá)10MHz，能滿足以上設(shè)計(jì)的要求，另外采用8254-2的工作方式3可輸出方波。當(dāng)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器8254-2以方式3工作時(shí)，在計(jì)數(shù)的過(guò)程中輸出有一半時(shí)間為高，另一半時(shí)間為低。所以，若計(jì)數(shù)值為N，則其輸出在前N/2時(shí)可輸出高電平，后N/2時(shí)可輸出低電平，不需要用軟件來(lái)控制高低電平的轉(zhuǎn)換，但8254-2計(jì)數(shù)范圍有一定的限制，在采用二進(jìn)制計(jì)數(shù)時(shí)，范圍為0000～9999，最大計(jì)數(shù)為10000。此外，為了使分辨率達(dá)到要求，還需要考慮程序指令所占用的時(shí)間，尤其是在輸出高頻時(shí)，分辨率尤為重要。
1硬件設(shè)計(jì)
1.18254可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器[1]簡(jiǎn)介
Intel公司的8254是8253的改進(jìn)型，操作方式及引腳與8253完全相同。它的改進(jìn)主要反映在2方面：①8254的計(jì)數(shù)頻率更高，可由直流至6MHz；8254-2可高達(dá)10MHz。②8254多個(gè)1個(gè)讀回命令（寫(xiě)至控制器的寄存器），其格式如圖1所示。
這個(gè)命令可以令3個(gè)通道的計(jì)數(shù)器都鎖存（8253要3個(gè)通道的計(jì)數(shù)值都鎖存，需寫(xiě)入3個(gè)命令）。另外，8254中的每個(gè)計(jì)數(shù)器都有1個(gè)狀態(tài)字可由讀回命令令其鎖存，然后由CPU讀取。狀態(tài)字的格式如圖2所示。其中D5～D0即為寫(xiě)入此通道的控制字的相應(yīng)部分。D7反映了該計(jì)數(shù)器的輸出引腳。輸出（OUT）為高電平，D7=1；輸出為低電平，D7=0。D6反映時(shí)間常數(shù)寄存器中的計(jì)數(shù)值是否已經(jīng)寫(xiě)入了計(jì)數(shù)單元中。當(dāng)向通道寫(xiě)入控制字以及計(jì)數(shù)值后，狀態(tài)字節(jié)中的D6=1；只有當(dāng)計(jì)數(shù)值寫(xiě)入計(jì)數(shù)單元后，D6=0。
本設(shè)計(jì)選擇8254-2的方式3工作。方式3是一種方波速率發(fā)生器。在這種方式中，當(dāng)CPU設(shè)置控制字后，輸出將為高，在寫(xiě)完計(jì)數(shù)值后就自動(dòng)開(kāi)始計(jì)數(shù)，輸出保持為高；當(dāng)計(jì)數(shù)到一半計(jì)數(shù)值時(shí)，輸出變?yōu)榈停敝劣?jì)數(shù)到0，輸出又變高，重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。若在計(jì)數(shù)期間寫(xiě)入個(gè)新的計(jì)數(shù)值，并不影響現(xiàn)行的計(jì)數(shù)過(guò)程。但是若在方波半周期結(jié)束前和新計(jì)數(shù)值寫(xiě)入后收到GATE脈沖，計(jì)數(shù)器將在下一個(gè)CLK脈沖時(shí)裝入新的計(jì)數(shù)值并以這個(gè)計(jì)數(shù)值開(kāi)始計(jì)數(shù)。否則，新的計(jì)數(shù)值將在現(xiàn)行半周期結(jié)束時(shí)裝入計(jì)數(shù)器。
1.2PWM輸出的硬件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)選用可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器8254-2，其最高計(jì)數(shù)頻率可達(dá)10MHz；充分利用8254-2的3個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，采取頻率的分頻輸出，并且不需要外部的信號(hào)源輸入，硬件電路簡(jiǎn)化；通過(guò)軟件的處理可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)（1Hz～3kHz）PWM波的輸出。本設(shè)計(jì)中將要輸出的PWM波分為3段，分別由8254-2中的3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器輸出，門控由P2.2、P2.3、P2.4分別加以控制。在1～20Hz的輸出時(shí)，采用定時(shí)器0，計(jì)數(shù)頻率為104Hz，最大計(jì)數(shù)為104，最小計(jì)數(shù)為500符合要求，21～200Hz的輸出中，采用定時(shí)器1，計(jì)數(shù)頻率為105Hz，最大計(jì)數(shù)為4762，最小計(jì)數(shù)為500；在201Hz～3kHz的輸出中，采有定時(shí)器2，計(jì)數(shù)頻率為107Hz，最大計(jì)數(shù)為49751，滿足二進(jìn)制計(jì)數(shù)的范圍，最小計(jì)數(shù)為3333。這些計(jì)數(shù)值可由單片機(jī)89C51[2]送給8254-2的數(shù)據(jù)輸入端，通過(guò)除法運(yùn)算來(lái)得到這些計(jì)數(shù)值，由除法運(yùn)算得到商。所得到的商去程序指令占用的時(shí)間即為所需要的計(jì)數(shù)值。采用8254-2的3個(gè)定時(shí)器的輸出經(jīng)過(guò)1個(gè)或門作為CD4046鎖相環(huán)的輸入，同時(shí)經(jīng)過(guò)1個(gè)非門進(jìn)入89C51的INT1口，申請(qǐng)下降沿中斷；CD4046鎖相環(huán)輸出所需的PWM。
為了防止程序進(jìn)入死循環(huán)，增加了外部的硬件看門狗定時(shí)器IMP813L[3]，其內(nèi)部的看門狗定時(shí)器監(jiān)控UP/UC的工作。如果在1.6s內(nèi)未檢測(cè)到其工作，內(nèi)部的定時(shí)器將使看門狗輸出WDO處于低電平狀態(tài)，WDO將保持低電平直到在WDI檢測(cè)到UP/UC的工作。將WR和WDO連接可使看門狗超時(shí)產(chǎn)生復(fù)位。
具體硬件電路如圖3所示。
2軟件設(shè)計(jì)
軟件主要由3部分組成：主程序、鍵盤掃描程序、中斷處理程序。主程序流程如圖4所示。
主要地址分配如表1所列。
表1地址分配
30H～31H顯示頻率的高、低8位32H～34H計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率的高、中、低8位35H～36H8254-2所需計(jì)數(shù)值的高、低8位37H～38H緩存顯示頻率的高、低8位（十六進(jìn)制）40H～43H顯示緩存區(qū)地址（BCD數(shù)）
（1）中斷處理過(guò)程
當(dāng)89C51檢測(cè)到有INT1中斷時(shí)，進(jìn)入中斷處理程序中，首先檢測(cè)30H和31H中的內(nèi)容是否大于20；若不大于20，則門控為P2.2，選中8254-2，選擇計(jì)數(shù)器0、方式3、16位二進(jìn)計(jì)數(shù)，送上次計(jì)算出來(lái)的這次所需要的計(jì)數(shù)值給8254-2，將104送入32H、33H中作為除法運(yùn)算中的被除數(shù)，而30H、31H的內(nèi)容作為除法運(yùn)算中的除數(shù)，調(diào)用除法運(yùn)算子程序?qū)⑺玫纳趟腿?2H、33H，余數(shù)放在35H、36H中。比較余數(shù)是否大于除數(shù)的一半，若大于除數(shù)的一半則所得的商加1，否則商不變放在32H、33H中。假設(shè)程序指令所占用的時(shí)間為X/200（其中X為中斷程序中單指令周期的個(gè)數(shù)），將32H、33H中的內(nèi)容減去X/200，即為下次所要送入8254-2的計(jì)數(shù)值，放在35H、36H中，返回中斷；若大于20，則門控為P2.3，選中8254-2，選擇計(jì)數(shù)器1、方式3，送上次計(jì)算出來(lái)的這次所需的計(jì)數(shù)值給8254-2，將105送入32H、33H、34H中作為除法運(yùn)算中的被除數(shù)，而30H、31H中的內(nèi)容作為除法運(yùn)算中的除數(shù)，調(diào)用除法運(yùn)算子程序，將所得的商送入32H、33H中，余數(shù)放在35H、36H中。比較余數(shù)是否大于除數(shù)的一半，若大于除的一半則所得的商加1，否則商不變。假設(shè)程序指令所占用的時(shí)間為X/20，將32H、33H中的內(nèi)容減去X/20即為下次所要送入8254-2的計(jì)數(shù)值，放在35H、36H中，返回中斷，若大于200，則門控為P2.4，選中8254-2,選擇計(jì)數(shù)器2、方式3、二進(jìn)制計(jì)數(shù)，送上次計(jì)算出來(lái)的這次所需的計(jì)數(shù)值給8254-2，將107送入32H、33H、34H中作為除法運(yùn)算中的被除數(shù)，而30H、31H中的內(nèi)容作為除法運(yùn)算中的除數(shù)，調(diào)用除法運(yùn)算子程序，將所得的商送入32H、33H中，余數(shù)放在35H、36H.比較余數(shù)是否大于除數(shù)的一半，若大于除數(shù)的一半則所得的商加1，否則商不變?nèi)朐?2H、33H中。假設(shè)程序指令令所占用的時(shí)間為X*5，將32H、33H中的內(nèi)容減去5X，即為下次所要送入8254-2的計(jì)數(shù)值，放在35H、36H中，返回中斷。
（2）設(shè)置軟件陷阱
當(dāng)程序進(jìn)入到非程序區(qū)，只要在非程序區(qū)設(shè)置攔截措施，使程序進(jìn)入陷阱，然后強(qiáng)迫程序回到初始狀態(tài)。如對(duì)CPU的RST指令對(duì)應(yīng)的字節(jié)碼為0FFH，如果不用的程序存儲(chǔ)區(qū)預(yù)先寫(xiě)入0FFH，則當(dāng)程序因干擾而“飛”到該區(qū)域執(zhí)行代碼時(shí)，就相當(dāng)于執(zhí)行1條RST指令，從而達(dá)到系統(tǒng)復(fù)位的目的。
結(jié)束語(yǔ)
采用89C51控制PWM分段，8254-2步進(jìn)式輸出1Hz～3kHz的PWM，可以通過(guò)軟件編程的方法提高分辨率。在有些特殊場(chǎng)合只靠單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器或模擬電路無(wú)法精確輸出1Hz～3kHz，單步為1Hz的PWM波形時(shí)，此設(shè)計(jì)就顯出其明顯的優(yōu)越性，而且它占用的CPU時(shí)間短。此設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)，可在控制和測(cè)量中得到應(yīng)用。
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