51单片机软模PWM误差率之研究

    软模PWM输出一般有两种方式：利用定时器0控制PWM频率输出，结合定时器1控制占空比，这是其一；第二种方式，仅使用一个定时器，工作于16bit手工装载模式，同时控制输出频率和占空比，这种方式不占用太多资源，而且实现起来也不失其灵活性，俺本人就建议采用这样方式，建议剔除第一种方式。本文的研究也是基于方式二展开的。

    网络上常见MCS-51软模输出PWM波的文章，而至于对这种方式实现的可行性或者说局限性，却无一例外的被小觑了。本文就51单片机模拟PWM波输出的劣根性进行了探讨，不正之处，欢迎大家提点。

    1、产生PWM波的子模块例程（PWM.C）：

#include "Includes.h"    //文件包含

/*******************************************************************************
*** 函 数 名:   extern void PWM_Init(void)
*** 功能描述:   PWM参数初始化；
*** 全局变量:   NO !
*** 输        入:   NO !
*** 输        出:   NO !
*** 创 建 人：huangtiexiong     日期：2006-11-28
*** 修 改 人：                             日期：2006-11-28
*** 函数说明: 外部函数；
/******************************************************************************/
extern void PWM_Init(void)
{
TMOD &= 0x0f; TMOD |= 0x10;    //定时器1方式1，16位手动装载模式；

TH1 = (65536 - PWM_HIGH) / 256 ;
TL1 = (65536 - PWM_HIGH) % 256 ;

PWM_PIN = 1;    //初始化先输出高电平；
ET1    = 1;    //开定时器1中断；
EA     = 1; TR1    = 1;    //启动定时器1；
}
/*******************************************************************************
*** 函 数 名:   extern void Timer1_ISR(void) interrupt 3
*** 功能描述:   定时器1中断服务例程；
*** 全局变量:   NO !
*** 输        入:   NO !
*** 输        出:   NO !
*** 创 建 人：huangtiexiong     日期：2006-11-28
*** 修 改 人：                              日期：2006-11-28
*** 函数说明: 中断服务函数；
        PWM_LOW：    低电平持续时间us；
        PWM_HIGH： 高电平持续时间us；
        PWM_PIN：      PWM波输出引脚，接P1.7；
/******************************************************************************/
extern void Timer1_ISR(void) interrupt 3
{
if(PWM_PIN)   {PWM_PIN = 0;
    TH1 = (65536 - PWM_LOW) / 256 ;
    TL1 = (65536 - PWM_LOW) % 256 ; }
else    {PWM_PIN = 1;
    TH1 = (65536 - PWM_HIGH) / 256 ;
    TL1 = (65536 - PWM_HIGH) % 256 ; }  
}
/*******************************************************************************
****                              End Of File
*******************************************************************************/
    其中断服务例程在Keil C中编译后的汇编代码如下（默认8级代码优化）：

             ; FUNCTION Timer1_ISR (BEGIN)
                                           ; SOURCE LINE # 43
                                           ; SOURCE LINE # 45
0000 309709            JNB     PWM_PIN,?C0002
                                           ; SOURCE LINE # 46
                                           ; SOURCE LINE # 47
0003 C297              CLR     PWM_PIN
                                           ; SOURCE LINE # 48
0005 758DFF            MOV     TH1,#0FFH
                                           ; SOURCE LINE # 49
0008 758BB5            MOV     TL1,#0B5H
                                           ; SOURCE LINE # 50
000B 32                RETI    
000C         ?C0002:
                                           ; SOURCE LINE # 52
                                           ; SOURCE LINE # 53
000C D297              SETB    PWM_PIN
                                           ; SOURCE LINE # 54
000E 758DFF            MOV     TH1,#0FFH
                                           ; SOURCE LINE # 55
0011 758BE7            MOV     TL1,#0E7H
                                           ; SOURCE LINE # 56
                                           ; SOURCE LINE # 57
0014         ?C0004:
0014 32                RETI    
             ; FUNCTION Timer1_ISR (END)

    2、主入口模块（BootLoader.c）：在主模块main函数中，首先清零PWM_PIN引脚，接着调用PWM_Init()例程，然后就是一个简单的空循环，其经由Keil C编译后的汇编代码为：

             ; FUNCTION main (BEGIN)

0000 C297              CLR     PWM_PIN
                                           ; SOURCE LINE # 31
0002 120000      E     LCALL   PWM_Init
0005         ?C0001:
                                           ; SOURCE LINE # 32
0005 80FE              SJMP    ?C0001
             ; FUNCTION main (END)

    3、另外还有两个重要的参数宏，定义在在PWM模块的头文件PWM.H中：

#define PWM_CYCLE 100     //100us,则PWM波的频率为10kHz；
#define PWM_HIGH     25      //高电平持续时间，占空比1/4；
#define PWM_LOW      75      //低电平持续时间；

    4、首先取PWM_CYCLE, PWM_HIGH, PWM_LOW分别为100、25、75，则设定的PWM波频率为10kHz，占空比0.25。编译连接正确后在Proteus中仿真（单片机晶振频率设置为12.0mHz），抓出一个周期的波形图如下：

可计算：高电平持续时间为810us－773us＝37us，低电平持续时间897us－810us＝87us，实际输出PWM波的占空比为：37/（37＋87）＝0.298387，占空比误差率为（0.298387－0.25）/0.25＝19.35％；一般工程实践要求的误差率不超过5％，显然这19.35％的误差率是不符合要求的。（注-Proteus的图形仿真精度：对模拟量的采样最小间隔为1e-18s，典型值为1e-09，参见Proteus使用手册。）

     5、接着取PWM_CYCLE, PWM_HIGH, PWM_LOW分别为10、2、8，则设定的PWM波频率为100kHz，占空比0.2。编译连接正确后在Proteus中仿真(12.0mHz晶振)后抓出的单个周期波形图如下：

由图可计算得：实际输出的PWM_HIGH, PWM_LOW分别为15、19，占空比0.4412，占空比误差率120.59％，也就是说，实际输出的PWM波占空比翻番了。

   6、继续取PWM_CYCLE, PWM_HIGH, PWM_LOW分别为1000、250、750，则设定的PWM波频率为1kHz，占空比0.25。编译连接正确后在Proteus中仿真(12.0mHz晶振)后抓出的单个周期波形图如下：

由图可计算：实际输出的PWM_HIGH, PWM_LOW分别为262、762，占空比0.2558，占空比误差率2.34％（<5％）。

    7、综上，本文得出的结论为：在51单片机上采用软件模拟的方式输出PWM波，其频率越大，占空比误差越不可收拾；在PWM波形频率不是很高的情况下（比如小于1kHz），采用软模方式输出PWM是完全可行的。

    8、为什么会出现这种情况呢 ?首先将每次仿真调试，程序中设定的PWM_HIGH, PWM_LOW值及实际输出值列表如下：

比较发现实际输出的PWM波形时间参数总比我们当然中预期的多约12个us，也就是本仿真单片机的12个机器周期。再次查看中断服务函数的汇编代码：

             ; FUNCTION Timer1_ISR (BEGIN)
                                           ; SOURCE LINE # 43
                                           ; SOURCE LINE # 45
0000 309709            JNB     PWM_PIN,?C0002        ;;;2us
                                           ; SOURCE LINE # 46
                                           ; SOURCE LINE # 47
0003 C297              CLR     PWM_PIN                        ;;;1us
                                           ; SOURCE LINE # 48
0005 758DFF            MOV     TH1,#0FFH                 ;;;2us
                                           ; SOURCE LINE # 49
0008 758BB5            MOV     TL1,#0B5H                  ;;;2us
                                           ; SOURCE LINE # 50
000B 32                RETI                                                  ;;;2us
000C         ?C0002:
                                           ; SOURCE LINE # 52
                                           ; SOURCE LINE # 53
000C D297              SETB    PWM_PIN                      ;;1us
                                           ; SOURCE LINE # 54
000E 758DFF            MOV     TH1,#0FFH                 ;;2us
                                           ; SOURCE LINE # 55
0011 758BE7            MOV     TL1,#0E7H                   ;;2us
                                           ; SOURCE LINE # 56
                                           ; SOURCE LINE # 57
0014         ?C0004:
0014 32                RETI                                                   ;;2us
             ; FUNCTION Timer1_ISR (END)

这次把每条指令的执行时间注释了在后，考虑指令流进入了定时器中断，执行CLR     PWM_PIN指令完成，则经4us的PWM_HIGH计时参数装载，2us的中断返回操作，运行main流程中的SJMP    ?C0001空转指令至定时器再次溢出中断(Xus，X为程序设定PWM_HIGH取值)，CPU中断响应再次转入中断服务例程（可计算中断响应时间为3～4us），执行JNB     PWM_PIN,?C0002SETB    PWM_PIN

    9、到这里，单片机软模PWM波在高频输出下占空比误差率变得不可收拾的原因终于毕露原形。实际输出占空比计算式为：（PWM_HIGH+12）/(PWM_HIGH+PWM_LOW+24)。