【導讀】PWM控制方式廣泛應用于各種控制系統中，但對脈沖寬度的調節一般采用硬件來(lái)實(shí)現。如使用PWM控制器或在系統中增加PWM電路[1]等，則本錢(qián)高、響應速度慢，而且PWM控制器與系統之間存在兼容題目。另外，控制系統中的信號采樣通常是由A/D轉換器來(lái)完成，因此檢測精度要求較高時(shí)，調理電路復雜，而且因A/D的位數高，從而使設計的系統本錢(qián)居高不下。
PWM控制方式廣泛應用于各種控制系統中，但對脈沖寬度的調節一般采用硬件來(lái)實(shí)現。如使用PWM控制器或在系統中增加PWM電路[1]等，則本錢(qián)高、響應速度慢，而且PWM控制器與系統之間存在兼容題目。另外，控制系統中的信號采樣通常是由A/D轉換器來(lái)完成，因此檢測精度要求較高時(shí)，調理電路復雜，而且因A/D的位數高，從而使設計的系統本錢(qián)居高不下。
本文以應用于溫度控制系統為例，先容利用MOTOROLA公司生產(chǎn)的新型單片機MSP430F413內的定時(shí)器Time_A設計可以用時(shí)間量進(jìn)行溫度采樣以及實(shí)現PWM調節的方法。為了可在使用少量外圍電路的情況下實(shí)現控制系統的高精度丈量和控制，一方面用時(shí)間量采樣，在省往1片A/D的情況下得到12位的高精度；另一方面在定時(shí)中斷內完全用軟件實(shí)現PWM調節，以易于進(jìn)行數據的通訊和顯示。該系統在中斷內可以解決波形產(chǎn)生的實(shí)時(shí)在線(xiàn)計算和計算精度題目，可精確、實(shí)時(shí)地計算設定頻率下的脈沖寬度。
1 單片機MSP430F413及定時(shí)器
MSP430系列的單片機F413在超低功耗和功能集成上都有一定的特色，可大大減小外圍電路的復雜性，它的實(shí)時(shí)處理能力及各種外圍模塊使其可應用在多個(gè)低功耗領(lǐng)域[2]。MSP430F413中通用16位定時(shí)器Timer_A有如下主要功能模塊。
(1)一個(gè)可連續遞增計數至預定值并返回0的計數器。
(2)軟件可選擇時(shí)鐘源。
(3)5個(gè)捕捉/比較寄存器，每個(gè)有獨立的捕捉事件。
(4)5個(gè)輸出模塊，支持脈寬調制的需要。
定時(shí)器控制寄存器TACTL的各位可控制Timer_A的配置，并定義16位定時(shí)器的基本操縱，可選擇原始頻率或分頻后的輸進(jìn)時(shí)鐘源及4種工作模式。另外還有清除功能和溢出中斷控制位。5個(gè)捕捉/比較寄存器CCRx的操縱相同，它們通過(guò)各自的控制寄存器CCTLx進(jìn)行配置。
2 時(shí)間量采樣及PWM控制的實(shí)現原理
以應用于溫度控制系統為例，先容用定時(shí)器實(shí)現信號采樣和PWM控制的方法。該溫度控制系統包括單片機、溫度丈量電路、負載驅動(dòng)電路及電源控制、低電壓檢測和顯示電路等其他外圍部分。
單片機MSP430F413中用于丈量和控制溫度的主要I/O口有：
P1.0：輸出50Hz方波，用于產(chǎn)生三角波。
P1.2：驅動(dòng)溫度控制執行元件，2kHz方波PWM輸出。
P2.0：脈寬捕捉。
2.1 單片機端口的中斷設置
溫度控制系統的50Hz方波輸出、PWM輸出和輸進(jìn)捕捉都是由定時(shí)中斷來(lái)實(shí)現。這3個(gè)中斷分別由P0、P1和P2口的外圍模塊引起，屬于外部可屏蔽中斷。初始化時(shí)，對這3個(gè)I/O口進(jìn)行中斷設置，并對Time_A控制寄存器TACTL設置，包括輸進(jìn)信號2分頻、選用輔助時(shí)鐘ACLK等。當定義完捕捉/比較寄存器后，重新賦值TACTL，啟動(dòng)定時(shí)器，開(kāi)始連續遞增計數。
2.2 脈寬捕捉實(shí)現溫度值的采樣
溫度丈量電路將溫度值轉換為電壓值，同時(shí)單片機產(chǎn)生的50Hz方波經(jīng)電容充放電電路變換得到同頻率的三角波，其電壓值切割三角波，從而將溫度值轉換為相應寬度的脈沖送進(jìn)單片機。波形變化如圖1所示。
通過(guò)設置CCTLx中的模式位，可將對應的捕捉/比較寄存器CCRx設定為捕捉模式，用于時(shí)間事件的精確定位。假如在選定的輸進(jìn)引腳上發(fā)生選定脈沖的觸發(fā)沿，則定時(shí)器計數的值將被復制到CCRx中。根據這一原理，選定P2.0為輸進(jìn)引腳，設置CCTL2為捕捉模式，所測溫度值由模擬量經(jīng)丈量電路轉換為脈沖后，P2.0捕捉脈沖下降沿，進(jìn)進(jìn)中斷T2，得到與溫度值一致的單位時(shí)間內的脈沖數，存進(jìn)CCR2作進(jìn)一步處理。
這樣，系統就在不使用A/D轉換器的情況下完成了模數轉換。由于單片機的時(shí)鐘精確度高，而且時(shí)間量是一個(gè)相對精度極高的量，但本系統中用時(shí)間量進(jìn)行溫度采樣可獲得12位的高精度，同時(shí)采用50Hz脈沖，可以大大消除工頻干擾。這些都為進(jìn)行精確的溫度控制提供了必要的條件。
2.3 PWM信號天生原理
將捕捉/比較寄存器CCR0和CCR1定義為比較模式，它們的輸出單元OUT0和OUT1分別對應單片機引腳P1.0（TA0）和P1.2（TA1）。進(jìn)進(jìn)比較模式后，假如定時(shí)器CCRx的計數值即是比較寄存器x中的值，則比較信號EQUx輸出到輸出單元OUTx中，同時(shí)根據選定的模式對信號置位、復位或翻轉。其中：設置EQU0將OUT0信號翻轉，信號時(shí)鐘與定時(shí)器時(shí)鐘同步，這樣就可以在P1.0引腳上得到50Hz的方波信號；設置EQU1輸出模式為PWM復位/置位。
設定模式下定時(shí)中斷的輸出如圖2所示。根據設定的PWM復位/置位模式，若CCR1計數器溢出，則EQU1將OUT1復位；若CCR0計數器溢出，則EQU0將OUT1置位。利用CCR0和CCR1計數起始點(diǎn)的差值，實(shí)現占空比的變化，從而在P1.2上完成PWM輸出。系統對占空比的調節是通過(guò)改變CCR1的基數來(lái)實(shí)現的。定時(shí)器時(shí)鐘為2MHz、CCR1和CCR0的計數值為1 000時(shí)，可獲得2kHz的PWM輸出頻率。負載驅動(dòng)電路將單片機P1.2引腳輸出的PWM信號放大濾波，用于驅動(dòng)大功率的執行元件。
3 軟件設計
3.1 系統主程序
在主程序中包括系統初始化、定時(shí)器的初始化、溫度采樣值的讀進(jìn)、負載驅動(dòng)和顯示等。系統進(jìn)行溫度值采樣和PWM輸出均在定時(shí)中斷內完成，PWM輸出脈沖的占空比則由PID算法得到。系統主程序流程圖如圖3所示。
3.2 PID脈寬調節
系統對脈寬的調制由PID算法實(shí)現。根據算法原理，本系統設計了一套完全由軟件實(shí)現的PID算法，并且在控制過(guò)程中完成參數的自整定。PID調節的控制過(guò)程：?jiǎn)纹瑱C讀出數字形式的實(shí)際溫度Tn，然后和設定溫度Tg相比較，得出差值en=Tn-Tg，根據en的正負和大小，調用PID公式，計算得到與輸出電壓Δun一致的占空比，調節溫度的升降，同時(shí)尋找最優(yōu)條件，改變PID參數。
增量式PID控制算法的輸出量[3]：
PID調節程序直接寫(xiě)進(jìn)單片機內，根據得到的值改變計數器CCR1的基數值，從而改變輸出脈沖的占空比，達到調節PWM的目的。
3.3 定時(shí)中斷
定時(shí)中斷子程序流程如圖4所示。系統采用的晶振頻率為2MHz，T0中斷的作用是得到頻率為50Hz、占空比為90%的方波，用以產(chǎn)生三角波，并檢查1個(gè)周期內是否有漏采的數據。T0模溢出翻轉為高電平，輸出比較間隔為18ms。其中，CCR0加了PWM的模，該值即為CCR0和CCR1的差值，用以產(chǎn)生輸出所需的脈沖寬度。
T1中斷內處理的是控制端口的PWM輸出，并檢查1個(gè)周期內是否重復采集數據，T1輸出比較產(chǎn)生低電平，輸出比較間隔為20ms。T2中斷捕捉溫度丈量端口的脈寬，得到所測的溫度值。
4 結束語(yǔ)
利用單片機MSP430F413內的定時(shí)器Time_A進(jìn)行溫度采樣以及實(shí)現PWM調節的方法，可以廣泛用于具有端口捕捉功能的單片機中。與傳統方法比較，它不僅可以簡(jiǎn)化丈量和控制電路的硬件結構，而且可以方便地建立人機接口，實(shí)現用軟件調整參數，使控制更精確、實(shí)時(shí)、可靠。經(jīng)過(guò)實(shí)驗，該方法應用于溫度控制系統中獲得了預期的精確PWM調節波形。該方法同樣可以用于其他單片機控制系統中。
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