基于51单片机双极型PWM 的软件实现

    Keil C是基于标准C内核的第三方语言，利用它可以很方便高效地实现对C51系列单片机的高级编程。C51是目前使用最普遍的8位单片机，价格低廉。它与软件编程结合，可以比较方便地满足众多功能要求，甚至取代一些复杂的硬件电路，简化硬件设计，并提高系统的可靠性和降低成本。基于这个思想，本文提出了一种在C51单片机上软件实现相对复杂的双极型PWM 的新方法。

1 PWM 控制原理
    PWM(Pulse Width Modulation)即脉冲宽度调制，它通过控制信号去调制方波脉冲的宽度，从而获得控制的实现。
    产生PWM 信号可以由硬件方法和软件方法实现。传统的硬件模拟方法是把调制信号和载波(一般是三角波)同时接入运算放大器的两个输入端作比较而得到。而软件的实现，特别是基于单片机的软件实现方法，主要是利用其内部提供的定时器，通过改变定时器的定时初值获得不同的脉冲持续时间，如果把系统的控制信号和定时器的定时初值线性对应起来，就可获得控制信号对脉宽调制的PWM 信号。所以这样线性的对应过程就成为这个实现过程的关键。控制信号的种类不同，采用不同的计算方法，又可以获得不同的PWM，见文献[3]。

2 在AT89C51中实现双极型PWM的方法
    51系列单片机提供了非常丰富的资源，它除了拥有4个通用并口和1个串口外，还有外部中断和内部定时器等。而且，不同的型号还集成有不同的功能，比如AT89C51就在片内集成了4 K 的ROM，这样存储空间可以满足一般的编程需要，而不必去构建程序存储器，既提高了工作效率和系统的稳定性，又降低了生产成本。
    基于AT89C51单片机的PWM 软件实现的重要硬件支撑是该单片机内部的定时器。在AT89C51内实现PWM 的基本过程：首先选定脉冲的频率T，然后根据控制信号的变化范围，这里假设是(0～V)，则可以求出t时刻通过控制信号V(t)的对应脉冲的正、负脉冲持续时间。这两个时间长度在单片机里是通过给定时器赋相应的初值而得，即定时器获得这样的定时初值后就在机器周期的同步下，从这个初值加1计数，定时器满时则产生相应时间长度的溢出中断，再利用这个中断所响应的服务程序去控制单片机某一引脚相应的正、负电平极性的持续时间。如果上述过程连续进行，就可在这个引脚获得宽度随控制信号V(t)大小变化的PWM方波信号。
    AT89C51单片机每个机器周期由6个状态组成，每个状态又有两个时钟周期，这样一个机器周期就等于12个时钟周期，即机器频率为时钟频率的12分频。通过对工作模式寄存器TMOD的赋值操作，把定时器设为内部定时状态并选择不同的定时方式。然后假设PWM 的周期T小于定时器一次溢出时间，即T<2^Nus，这里的N为定时器的位数。这样就可以得到脉宽(脉冲持续时间)twx定时初值Twx的关系：
twx=(2^N-Twx)×12/f us   (1)
    如果所用晶振为12 MHz，定时器为方式1，即为16位定时(这时定时有比较大的计数范围，用途更为广泛)，这样上式变为：
twx=(2¹⁶ - Twx )us   (2)
    之后再根据功率器件的时间特性和工作的平均功率值，确定一个合适的PWM 信号周期T，很显然这个周期T就是由高电平脉宽twh和低电平脉宽twl组成，即：
T=twh+ twl    (3)
    当调制PWM 脉宽的误差信号V(f)(这个信号一般是由传感器采集后经过相关处理后得到的误差信号)的变化范围是(0～V)或(-V～V)时，PWM脉宽与误差信号为线性关系(实际可能不是线性的，但一般可以忽略或者可以通过前级进行软件补偿)，可以从单片机的1个引脚得到PWM 信号，具体的过程在相关文献已有叙述，见文献[4]。
    然而，单片机一般是单极型的，它的逻辑0对应的实际电平是0 V，逻辑1对应的实际电平是+5 V。严格地说，在这种单片机上只能够输出单极型的PWM 信号。采用AT89C51结合软件编程实现双极型PWM 控制的设计思想是这样的：从AT89C51的一个引脚得到正的单极型PWM 信号输出，对另一个引脚做相应的设计和定义，让它承担对应的“负”极型PWM 信号的输出。即当调制PWM 脉宽的误差信号为正时，对应的PWM 就从AT89C51单片机的一个引脚输出；当误差信号为负时，对应的PWM 就从另外一个引脚输出，尽管这个输出信号的模拟电平也是正的，但它对应的是负值的误差信号所产生的PWM 输出，又是驱动负极型功率器件，和负极型PWM 功能一样，于是可以把它等效为负极型PWM；当误差信号为零时，相应的两个引脚都没有输出，然后再把这两个引脚接入PWM 功率驱动电路的输入端。通过对误差信号正负的判别，再利用AT89C51的两个引脚就实现了双极型的PWM。具体电路如图1所示。[page]
 
    下面计算产生双极型PWM 所需的定时初值。实际上稳定工作时，只有一个引脚有输出，即一般两个引脚不会同时输出，所以可看作是两个相对独立的过程，可假设脉宽和误差信号的线性对应关系：

据此可求出定时初值与误差信号的关系：
 
由(1)式有
 
把式(5)代入式(6)得：
 
    当晶振频率取12 MHz时，f=12。采用定时方式1，则可以得到即时的控制信号V(t)和定时初值在PWM 信号的一个周期内的关系：
 
    因为V和V(t)通过对误差计算都可以得到，所以根据式(8)可以求出t时刻对应的PWM 一个周期高低脉宽的定时初值(注意这里的T的单位是us，频率f的单位为MHz)。

3 Keil C下的程序实现
    Keil C是基于标准C的C51专用高级编程语言，它具备标准C的强大灵活的编程能力，同时又相对增加了对C51单片机硬件资源的直接操作，故在Keil C下对C51的程序设计几乎使人们可摆脱对C51底层寄存器等硬件的烦琐操作，编程效率显著提高，并且程序运行速度和所占空间和汇编差别不大。这里利用定时器T0的方式1，采用其时间溢出中断，中断号为1，具体程序流程如图2所示。
 
图2 PWM信号实现的软件流程
E -误差控制器；TH0-T0定时器高位；TL0-T0定时器低位；Twh、Twl-定时器初值

4 结语
    单片机硬件发展很快，出现了16位、32位等多位机，但今后一段时期C51系列的8位机将仍占主流。通过适当的软件开发，可以挖掘其内在价值，这样既降低了生产成本，又锻炼了个人的软件开发能力。
参考文献：
[1] 李朝青．原理及接口技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，1999．
[2] 孙传友．测控系统原理与设计[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2002．
[32 张运波．PWM 信号的软件实现方法[J]．微型计算机信息，2002，8(10)