STC MCU的软件和硬件PCA/PWM输出

软件方式输出PWM

PWM用于输出强度的控制, 例如灯的亮度, 轮子速度等, STC89/90系列没有硬件PWM, 需要使用代码模拟

使用纯循环的方式实现PWM

非中断的实现(SDCC环境编译)

#include <8052.h>

#define Led10 P0_7
typedef unsigned int u16;

int atime = 64;

// 仅作为延时, pms取值区间为 0 - 64
void delay(u16 pms) {
  u16 x, y;
  for (x=pms; x>0; x--) {
    for (y=11; y>0; y--);
  }
}

// 这里控制占空比, i取值区间为 0 - 64,
// i越大脉冲宽度越低, 因为输出是低位点亮, 所以i越大LED越亮
void ledfade(u16 i) {
  Led10 = 0;
  delay(i);
  Led10 = 1;
  delay(atime-i);
}

int main(void) {
  u16 a, b;
  // 每个循环, 小灯
  while(1) {
    // a增大, 脉冲宽度降, 亮度增
    for (a=0; a<atime; a++) {
      for (b=0; b < (atime - a)/4; b++) {
        ledfade(a);
      }
    }
    // a减小, 脉冲宽度增, 亮度降
    for (a=atime; a>0; a--) {
      for (b=0; b < (atime - a)/4; b++) {
        ledfade(a);
      }
    }
  }
}

使用中断的方式

因为需要PWM输出的场景, 一般都不会仅仅有PWM输出, 所以通常会做到定时器中断中, 由中断来实现

将1和0的时间宽度设置为定时器, 直接做到定时器中断里面

这个代码中

1. pwm_flag代表了输出的0和1, 每次定时器中断时进行切换, 并设置下一次中断的时间宽度
2. 缺点: 用TR0做开关, 但是这种停止方式, 停止后输出可能还是1

/* Global variables and definition */
#define PWMPIN P1_0

unsigned char pwm_width;
bit pwm_flag = 0;

void pwm_setup()
{
  TMOD = 0; // Timer mode 0, 13bit
  pwm_width = 160;
  EA = 1;
  ET0 = 1;
  TR0 = 1;
}

/* Timer 0 Interrupt service routine */
void timer0() interrupt 1
{
  if (!pwm_flag) {  /* Start of High level */
    pwm_flag = 1; /* Set flag */
    PWMPIN = 1;   /* Set PWM o/p pin */
    TH0 = pwm_width;  /* Load timer */
    TF0 = 0;    /* Clear interrupt flag */
  } else {      /* Start of Low level */
    pwm_flag = 0; /* Clear flag */
    PWMPIN = 0;   /* Clear PWM o/p pin */
    TH0 = 255 - pwm_width;  /* Load timer */
    TF0 = 0;    /* Clear Interrupt flag */
  }
}

void pwm_stop()
{
  TR0 = 0;      /* Disable timer to disable PWM */
}

使用定时器模式2和中断实现的PWM输出

• 使用定时器工作模式2
• 定时器通过对变量tt做计数, 与scale做比较, 确定是否翻转电压
• 这里scale分10个等级, scale=1时占比1/10个PWM周期(250us * 10 = 2.5ms), 在主循环里改变scale
• 因为是低电平点亮LED, 所以tt<=scale的时间LED是暗的, scale增大时亮度变小, 这个可以根据自己电路的情况调整
• 这样存在的问题是修改scale的值时, 可能正好在tt计数范围的中间, 导致输出出现毛刺, 可以通过增加一个中间变量来解决, 在tt计数时比较的是这个中间变量, 在周期结束时再用新值更新这个中间变量

#include<reg51.h>
sbit P10 = P1^0;
sbit P11 = P1^1;
unsigned int scale;   //占空比控制变量
void main(void) {
  unsigned int n;     //延时循环变量
  TMOD = 0x02;        //定时器0，工作模式2, 8位定时, TL0溢出时自动重载TH0中的值
  TH0 = 0x06;         //定时, 250us一个中断 (12M晶振, 12分频后1MHz, 单次1us)
  TL0 = 0x06;         //初始值
  TR0 = 1;            //启动定时器0
  ET0 = 1;            //启动定时器0中断
  EA  = 1;            //开启总中断
  while(1) {
    for(n = 0; n < 50000; n++); //延时50ms
    scale++;                    //占空比控制, 自增
    if(scale == 10) scale = 0;  //使占空比从0-10循环变化
  }
}

timer0() interrupt 1 {
  static unsigned int tt;      //tt用来保存当前时间在一个时钟周期的位置
  tt++;                        //每中断一次，即每经过250us，tt的值自加1
  if (tt == 10) {              //中断10次定时2.5ms
    tt = 0;                    //使tt=0，开始新的周期，达到循环的效果
    P10 = 0;                   //点亮LED
  }
  if (tt <= scale) {           //如果占空比与中断次数相同时，此时输出高电平
    P10 = 1;                   //熄灭LED灯
  }
}

使用定时器模式2和中断实现的多路PWM输出

实现多路PWM输出的思路

1. 使用一个基础定时器, 定时器时间不能太大, 例如设置为100us, 可以用定时器模式2, 这样初始值能自动重置
2. 设定一个PWM周期, 这个周期就是定时器间隔的整数倍, 例如10倍定时器周期, 就是1000us = 1ms
3. 对于每个PWM通道
   • 设置一个计数, 计数在达到PWM周期时置零, 这是实现PWM周期的基础
   • 设置一个初始输出, 高电平或低电平
   • 设置一个输出宽度, 计数达到这个宽度值时翻转. 这个宽度决定了输出翻转的时间, 用于控制占空比
4. 因为每个指令的执行时间需要1-2个CPU周期, 所以当通道数增加后, 误差会增大

代码例子: 这里用8个位指定4个轮子的PWM输出, 每个轮子两位是为了控制轮子的正反向

#include <reg52.h>

typedef unsigned int u16;
typedef unsigned char u8;

// Wheel 0
sbit  P1_0 = P1^0;
sbit  P1_1 = P1^1;
// Wheel 1
sbit  P1_2 = P1^2;
sbit  P1_3 = P1^3;
// Wheel 2
sbit  P1_4 = P1^4;
sbit  P1_5 = P1^5;
// Wheel 3
sbit  P1_6 = P1^6;
sbit  P1_7 = P1^7;

/*
Duty Cycle =  Toogle_P1_x / PWM_Period；
*/
u8 PWM_Period = 128; // PWM Period = N * Timer delay(100us), between 10 - 254
u8 Toggle_W0 = 0; // Toggle of Wheel 0
u8 Dir_W0 = 0;    // Direction, 0:P1_0=0,P1_1=PWM, 1:P1_1=0,P1_0=PWM
u8 Toggle_W1 = 0; // Toggle of Wheel 1
u8 Dir_W1 = 0;    // Direction, 0:P1_2=0,P1_3=PWM, 1:P1_3=0,P1_2=PWM

u8 Count_W0, Count_W1;

void Time0_Init(void)
{
  TMOD = 0x02; // Mode 2, 8-bit and auto-reload
  TH0 = 0x9C;  // 0x9c = 156, timer of 100us (12MHz OSC)
  TL0 = 0x9C;
  ET0 = 1;
  EA  = 1;
  TR0 = 1;

  EX0 = 1; EX1 = 1; // Enable external interrupt 0 and 1
  IT0 = 1; IT1 = 1; // Toggle = jump
}

void main()
{
  Time0_Init();
  while(1);
}

void Timer0_IT() interrupt 1
{
  // W0
  if(Count_W0 == Toggle_W0) {
    if (Dir_W0 == 0) { // P1_1=PWM
      P1_1 = 0;
    } else { // P1_0=PWM
      P1_0 = 0;
    }
  }
  if(Count_W0 == PWM_Period - 1) {
    Count_W0 = 0;
    if (Dir_W0 == 0) {
      P1_0 = 0;
      P1_1 = 1;
    } else {
      P1_0 = 1;
      P1_1 = 0;
    }
  } else {
    Count_W0++;
  }

  // W1
  if(Count_W1 == Toggle_W1) {
    if (Dir_W1 == 0) { // P1_3=PWM
      P1_3 = 0;
    } else { // P1_2=PWM
      P1_2 = 0;
    }
  }
  if(Count_W1 == PWM_Period - 1) {
    Count_W1 = 0;
    if (Dir_W1 == 0) {
      P1_2 = 0;
      P1_3 = 1;
    } else {
      P1_2 = 1;
      P1_3 = 0;
    }
  } else {
    Count_W1++;
  }

}

// W0 dir0->max
void W0_dir0(void)
{
  if (Dir_W0 == 0) {
    Toggle_W0++;
    if(Toggle_W0 > PWM_Period) {
      Toggle_W0 = PWM_Period;
    }
  } else {
    Toggle_W0--;
    if(Toggle_W0 == 0) {
      Dir_W0 = 0;
    }
  }
}

// W0 dir1->max
void W0_dir1(void)
{
  if (Dir_W0 == 0) {
    Toggle_W0--;
    if(Toggle_W0 == 0) {
      Dir_W0 = 1;
    }
  } else {
    Toggle_W0++;
    if(Toggle_W0 > PWM_Period) {
      Toggle_W0 = PWM_Period;
    }
  }
}

// W1 dir0->max
void W1_dir0(void)
{
  if (Dir_W1 == 0) {
    Toggle_W1++;
    if(Toggle_W1 > PWM_Period) {
      Toggle_W1 = PWM_Period;
    }
  } else {
    Toggle_W1--;
    if(Toggle_W1 == 0) {
      Dir_W1 = 0;
    }
  }
}
// W1 dir1->max
void W1_dir1(void)
{
  if (Dir_W1 == 0) {
    Toggle_W1--;
    if(Toggle_W1 == 0) {
      Dir_W1 = 1;
    }
  } else {
    Toggle_W1++;
    if(Toggle_W1 > PWM_Period) {
      Toggle_W1 = PWM_Period;
    }
  }
}

void IT0_INT() interrupt 0
{
  W1_dir0();
}

void IT1_INT() interrupt 2
{
  W1_dir1();
}

硬件PWM

51系列单片机的增强型版本, 有些带PCA(Programmable Counter Array 可编程计数序列)模块, 可以通过PCA实现PWM的输出.

PCA介绍

PCA其实就是一个增强型的计数器, 这个计数器中的一些元素是可以在代码中设置的, 例如

• 可以设置的计数脉冲源, 可以来自于系统时钟, 系统时钟可以是不分频, 2分频, 4分频, 6分频, 8分频等; 来自计数器; 来自外部输入的时钟
• 可以设置计数的触发条件, 上升沿还是下降沿, 或者都计数. 最后这个计数方式, 可以用来计算脉宽
• 可以设置16位的比较值
• 不占用CPU资源, 这点很重要, 可以使输出更加精确和稳定
• 因为上一点, 有些型号可以做到在CPU处于IDLE状态时继续计数(输出)

可以用PCA实现PWM输出功能

STC12C5A60S2系列PCA实现的PWM

参考STC12C5A60S2的手册

• 有两路输出, 默认PWM0:P1.3, PWM1:P1.4, 可以换到P4口: PWM0:P4.2, PWM1:P4.3
  • 这个在AUXR1里面控制
• 两路共用PCA定时器, 定时器的频率由CMOD控制
  • 因为PWM输出是8位的, 所以定时器的频率/256就是PWM频率
• 两路输出的占空比是独立变化的, 与当前的[EPCnL, CCAPnL]的值有关
  • 前者的值在 PCA_PWM0 PCA_PWM1 里控制
  • 后者的值在 CCAP0L,CCAP0H 和 CCAP1L,CCAP1H 里控制
  • 先输出低, 当CL的值大于等于[EPCnL, CCAPnL]时, 输出为高
  • 当CL由FF变为00时, 输出变低, 同时自动将[EPCnH, CCAPnH]的值装载到[EPCnL, CCAPnL], 实现无干扰更新PWM占空比

下面的代码中, CCAP1H 控制的就是装载值, CCAP1L 控制的是比较值, PCA_PWM1 控制的是EPCnH 和 EPCnL

• 如果 EPCnL = 0, 那么正常输出
• 如果 EPCnL = 1, 那么会一直输出低电平

#include <STC12C5A60S2.H>

void main() {
  CCON = 0;            // Initial PCA control register
                       // PCA timer stop running
                       // Clear CF flag
                       // Clear all module interrupt flag
  CL = 0;              // Reset PCA base timer
  CH = 0;
  CMOD = 0x02;         // Set PCA timer clock source as Fosc/2
                       // Disable PCA timer overflow interrupt
  CCAP0H = CCAP0L = 0x80; // PWM0 port output 50% duty cycle suquare wave
  CCAPM0 = 0x42;       // PCA module-0 as 8-bit PWM, no PAC interrupt

  CCAP1H = CCAP1L = 0xFF; // PWM1port output 0% duty cycle square wave
  PCA_PWM1 = 0x03;     // PWM will keep low level
  CCAPM1 = 0x42;       // PCA module-0 as 8-bit PWM, no PAC interrupt

  CR = 1;              // PCA timer start run

  while(1);

}

对PCA_PWM1的说明

;PCA_PWMn:    7       6     5   4   3   2     1       0
;           EBSn_1  EBSn_0  -   -   -   -  EPCnH  EPCnL

;B5-B2:		保留
;B1(EPCnH):	在PWM模式下，与CCAPnH组成9位数。
;B0(EPCnL):	在PWM模式下，与CCAPnL组成9位数。

#define		PWM0_NORMAL()	PCA_PWM0 &= ~3             //PWM0正常输出(默认)
#define		PWM0_OUT_0()	PCA_PWM0 |=  3             //PWM0一直输出0
#define		PWM0_OUT_1()	PCA_PWM0 &= ~3, CCAP0H = 0 //PWM0一直输出1

#define		PWM1_NORMAL()	PCA_PWM1 &= ~3             //PWM0正常输出(默认)
#define		PWM1_OUT_0()	PCA_PWM1 |=  3             //PWM0一直输出0
#define		PWM1_OUT_1()	PCA_PWM1 &= ~3, CCAP1H = 0 //PWM1一直输出1

另一个例子

void pwm() {
  CMOD = 0x04;   //用定时器0溢出做PCA脉冲
  CL = 0x00;     //PCA定时器低8位 地址：E9H
  CH = 0x00;     //PCA高8位 地址 F9H
  CCON=0x00;
  CCAP0L = 0x60; //PWM模式时他俩用来控制占空比
  CCAP0H = 0x60; //0xff-0xc0=0x3f  64/256=25% 占空比（溢出）
  CCAPM0 = 0x42; //0100,0010 Setup PCA module 0 in PWM mode
                 // ECOM0=1使能比较 PWM0=1 使能CEX0脚用作脉宽调节输出
/*********************
PCA 模块工作模式设置 (CCAPMn 寄存器 n= 0-3四种)
 7     6        5        4       3       2     1      0
 -   ECOMn   CAPPn     CAPNn   MATn     TOGn   PWMn   ECCFn
选项： 0x00 无此操作
      0x20 16位捕捉模式，由 CEXn上升沿触发
      0x10 16位捕捉模式，由CEXn下降沿触发
      0x30 16位捕捉模式，由CEXn的跳变触发
      0x48 16位软件定时器
      0x4c 16位高速输出
      0x42  8位PWM输出
每个PCA模块另外还对应两个寄存器：CCAPnH 和 CCAPnL , 捕获或者比较时，它们用来
保存16位计数值，当工作于PWM模式时，用来控制占空比
*******************************/
  TMOD=0x02;
  TH0=0x06;
  TL0=0x06;
  CR=1; //Start PCA Timer.
  TR0=1;
}

参考

• 8051 Servo Motor https://myvirtualgarage.wordpress.com/2012/07/19/servo-motor-serial-com-and-8051/
• https://www.8051projects.net/wiki/Pulse_Width_Modulation
• https://www.electronicwings.com/8051/8051-timers
• https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/introduction-to-microcontroller-timers-pwm-timers/
• https://www.stcisp.com/demo/02-Timer0-Timer1-Timer2测试程序/C语言/STC15Fxxxx.H
• https://github.com/IOsetting/HML_FwLib_STC12
• PCA说明 https://www.silabs.com/documents/public/application-notes/an107.pdf
• PCA http://ww1.microchip.com/downloads/en/appnotes/s72052.pdf
• 8051 PCA https://myvirtualgarage.wordpress.com/2012/09/05/8051-programmable-counter-array/