用89C51和8254-2實際步進式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可編程定時器/計數(shù)器來實現(xiàn)1Hz～3kHz步進式PWM的輸出；具有分辨率高、反應(yīng)速度快及占用CPU時間少的優(yōu)點。
　　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)最初是在無線電技術(shù)中用于信號的調(diào)制，后來在電機調(diào)速中得到了很好的應(yīng)用。本設(shè)計中要求輸出PWM從1Hz～3kHz步進式遞增，單步為1Hz。由于89C51的時鐘最大能取24MHz，單指令周期為0.5μs，計數(shù)頻率為×106Hz。當輸出2999Hz和3000Hz時，若采用89C51內(nèi)部計數(shù)器來計數(shù)，根本無法區(qū)別。因為計數(shù)頻率為2MHz，單指令周期0.5μs，而要輸出2999Hz時，計數(shù)應(yīng)為666.889；輸出3000Hz時，計數(shù)誚為666.887。因此在本設(shè)計中，采用外部定時器/計數(shù)器8254-2。因為8254-2最高計數(shù)頻率可達10MHz，能滿足以上設(shè)計的要求，另外采用8254-2的工作方式3可輸出方波。當定時器/計數(shù)器8254-2以方式3工作時，在計數(shù)的過程中輸出有一半時間為高，另一半時間為低。所以，若計數(shù)值為N，則其輸出在前N/2時可輸出高電平，后N/2時可輸出低電平，不需要用軟件來控制高低電平的轉(zhuǎn)換，但8254-2計數(shù)范圍有一定的限制，在采用二進制計數(shù)時，范圍為0000～9999，最大計數(shù)為10000。此外，為了使分辨率達到要求，還需要考慮程序指令所占用的時間，尤其是在輸出高頻時，分辨率尤為重要。
　　
　　1硬件設(shè)計
　　
　　1.18254可編程定時器/計數(shù)器[1]簡介
　　
　　Intel公司的8254是8253的改進型，操作方式及引腳與8253完全相同。它的改進主要反映在2方面：①8254的計數(shù)頻率更高，可由直流至6MHz；8254-2可高達10MHz。②8254多個1個讀回命令（寫至控制器的寄存器），其格式如圖1所示。
　　
　　這個命令可以令3個通道的計數(shù)器都鎖存（8253要3個通道的計數(shù)值都鎖存，需寫入3個命令）。另外，8254中的每個計數(shù)器都有1個狀態(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即為寫入此通道的控制字的相應(yīng)部分。D7反映了該計數(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反映時間常數(shù)寄存器中的計數(shù)值是否已經(jīng)寫入了計數(shù)單元中。當向通道寫入控制字以及計數(shù)值后，狀態(tài)字節(jié)中的D6=1；只有當計數(shù)值寫入計數(shù)單元后，D6=0。
　　
　　本設(shè)計選擇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CPU設(shè)置控制字后，輸出將為高，在寫完計數(shù)值后就自動開始計數(shù)，輸出保持為高；當計數(shù)到一半計數(shù)值時，輸出變?yōu)榈�，直至計�?shù)到0，輸出又變高，重新開始計數(shù)。若在計數(shù)期間寫入個新的計數(shù)值，并不影響現(xiàn)行的計數(shù)過程。但是若在方波半周期結(jié)束前和新計數(shù)值寫入后收到GATE脈沖，計數(shù)器將在下一個CLK脈沖時裝入新的計數(shù)值并以這個計數(shù)值開始計數(shù)。否則，新的計數(shù)值將在現(xiàn)行半周期結(jié)束時裝入計數(shù)器。
　　
　　1.2PWM輸出的硬件設(shè)計
　　
　　本設(shè)計選用可編程定時器/計數(shù)器8254-2，其最高計數(shù)頻率可達10MHz；充分利用8254-2的3個定時器/計數(shù)器，采取頻率的分頻輸出，并且不需要外部的信號源輸入，硬件電路簡化；通過軟件的處理可以實現(xiàn)連續(xù)（1Hz～3kHz）PWM波的輸出。本設(shè)計中將要輸出的PWM波分為3段，分別由8254-2中的3個定時/計數(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，采用定時器0，計數(shù)頻率為104Hz，最大計數(shù)為104，最小計數(shù)為500符合要求，21～200Hz的輸出中，采用定時器1，計數(shù)頻率為105Hz，最大計數(shù)為4762，最小計數(shù)為500；在201Hz～3kHz的輸出中，采有定時器2，計數(shù)頻率為107Hz，最大計數(shù)為49751，滿足二進制計數(shù)的范圍，最小計數(shù)為3333。這些計數(shù)值可由單片機89C51[2]送給8254-2的數(shù)據(jù)輸入端，通過除法運算來得到這些計數(shù)值，由除法運算得到商。所得到的商去程序指令占用的時間即為所需要的計數(shù)值。采用8254-2的3個定時器的輸出經(jīng)過1個或門作為CD4046鎖相環(huán)的輸入，同時經(jīng)過1個非門進入89C51的INT1口，申請下降沿中斷；CD4046鎖相環(huán)輸出所需的PWM。
　　
　　為了防止程序進入死循環(huán)，增加了外部的硬件看門狗定時器IMP813L[3]，其內(nèi)部的看門狗定時器監(jiān)控UP/UC的工作。如果在1.6s內(nèi)未檢測到其工作，內(nèi)部的定時器將使看門狗輸出WDO處于低電平狀態(tài)，WDO將保持低電平直到在WDI檢測到UP/UC的工作。將WR和WDO連接可使看門狗超時產(chǎn)生復位。
　　
　　具體硬件電路如圖3所示。
　　
　　2軟件設(shè)計
　　
　　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計數(shù)時鐘頻率的高、中、低8位35H～36H8254-2所需計數(shù)值的高、低8位37H～38H緩存顯示頻率的高、低8位（十六進制）40H～43H顯示緩存區(qū)地址（BCD數(shù)）
　　（1）中斷處理過程
　　
　　當89C51檢測到有INT1中斷時，進入中斷處理程序中，首先檢測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，選擇計數(shù)器0、方式3、16位二進計數(shù)，送上次計算出來的這次所需要的計數(shù)值給8254-2，將104送入32H、33H中作為除法運算中的被除數(shù)，而30H、31H的內(nèi)容作為除法運算中的除數(shù)，調(diào)用除法運算子程序?qū)⑺�得的商送�?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間為X/200（其中X為中斷程序中單指令周期的個數(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，選擇計數(shù)器1、方式3，送上次計算出來的這次所需的計數(shù)值給8254-2，將105送入32H、33H、34H中作為除法運算中的被除數(shù)，而30H、31H中的內(nèi)容作為除法運算中的除數(shù)，調(diào)用除法運算子程序，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,選擇計數(shù)器2、方式3、二進制計數(shù)，送上次計算出來的這次所需的計數(shù)值給8254-2，將107送入32H、33H、34H中作為除法運算中的被除數(shù)，而30H、31H中的內(nèi)容作為除法運算中的除數(shù)，調(diào)用除法運算子程序，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的計數(shù)值，放在35H、36H中，返回中斷。
　　
　�。�2）設(shè)置軟件陷阱
　　
　　當程序進入到非程序區(qū)，只要在非程序區(qū)設(shè)置攔截措施，使程序進入陷阱，然后強迫程序回到初始狀態(tài)。如對CPU的RST指令對應(yīng)的字節(jié)碼為0FFH，如果不用的程序存儲區(qū)預先寫入0FFH，則當程序因干擾而“飛”到該區(qū)域執(zhí)行代碼時，就相當于執(zhí)行1條RST指令，從而達到系統(tǒng)復位的目的。
　　
　　結(jié)束語
　　
　　采用89C51控制PWM分段，8254-2步進式輸出1Hz～3kHz的PWM，可以通過軟件編程的方法提高分辨率。在有些特殊場合只靠單片機內(nèi)部的定時器或模擬電路無法精確輸出1Hz～3kHz，單步為1Hz的PWM波形時，此設(shè)計就顯出其明顯的優(yōu)越性，而且它占用的CPU時間短。此設(shè)計的結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性好、抗干擾能力強，可在控制和測量中得到應(yīng)用。
　　

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