51单片机PCA模块配置

PCA模块是“可编程计数器阵列”的缩写，英文名称是“Programmable Counter Array”，以下的说明均以SILICON LAB生产的C8051系列微型控制器为例。

PCA包括1个16位“定时器/计数器”和5个“捕获/比较模块”。16位定时器/计数器包括1个高8位寄存器（PCA0H）和1个低8位寄存器（PCA0L），每个捕获/比较模块还有各自的16位“捕获/比较寄存器”。

PCA的定时器/计数器在运行时必须基于某个“基准时钟频率”，通过设置相应的寄存器，可以选择以下几种：

系统时钟频率

系统时钟频率的12分之一：f_osc/12

系统时钟频率的4分之一：f_osc/4

外部晶振时钟源频率的8分之一：external f_osc/8

由定时器/计数器0的溢出率所决定的频率

通过ECI输入管脚设定的外部时钟信号的频率

第一. 通过PCA的模式选择寄存器（PCA0MD）选择基准时钟频率，模式选择寄存器如下图

CIDL：设置PCA在CPU空闲模式下的模式

CIDL=0：PCA在CPU空闲模式下继续工作

CIDL=1：PCA在CPU空闲模式下停止工作

WDTE：设置看门狗模式

WDTE=0：看门狗模式关闭

WDTE=1：启动捕获/比较模块4作为看门狗定时器

WDLCK：看门狗锁定模式

WDLCK=0：看门狗解除锁定

WDLCK=1：看门狗被锁定，即看门狗有可能在下一次系统重置前不能屏蔽

CPS2、CPS1、CPS0：设置时钟基准频率

ECF：PCA定时器/计数器溢出中断使能标志

ECF=0：PCA定时器/计数器溢出时不产生中断

ECF=1：PCA定时器/计数器溢出标志位CF置1时产生中断

CPS2、CPS1、CPS0标志位配置表

第二. 通过PCA的控制寄存器（PCA0CN）可以对PCA的动作进行控制

CF：PCA定时器/计数器溢出标志位

当PCA定时器/计数器溢出时，CF自定被硬件置1，此时如果PCA0MD中的ECF设置为1时，CPU执行中断处理。注意：中断处理结束后CF不能由硬件置0，必须由软件置0

CR：定时器/计数器启停标志位

CR=0：定时器/计数器停止

CR=1：定时器/计数器启动

CCF4：捕获/比较模块4计数器中断标志位

当捕获/比较模块4执行匹配或者捕获指令成功时，此标志位被硬件自动置1，如果CCF4被允许中断时，CPU执行中断处理。注意：中断处理结束后CCF4不能由硬件置0，必须由软件置0

CCF3：捕获/比较模块3计数器中断标志位

功能同CCF4

CCF2：捕获/比较模块2计数器中断标志位

功能同CCF4

CCF1：捕获/比较模块1计数器中断标志位

功能同CCF4

CCF0：捕获/比较模块0计数器中断标志位

功能同CCF4

第三. 捕获/比较模块模式寄存器（PCA0CPMn）

n=0、1、2、3、4代表不同的模块

PWM16n：PWM位宽模式选择

PWM16n=0：8位PWM

PWM16n=1：16位PWM

ECOMn：比较器功能选择

ECOMn=0：比较器关闭

ECOMn=1：比较器启动

CAPPn：上升沿捕获功能选择

CAPPn=0：上升沿捕获功能关闭

CAPPn=1：上升沿捕获功能启动

CAPNn：下降沿捕获功能选择

CAPNn=0：下降沿捕获功能关闭

CAPNn=1：下降沿捕获功能启动

MATn：匹配功能选择，如果PCA计数器与捕获/比较寄存器的值匹配时，将PCA0CN中的CCFn置1

MATn=0：匹配功能关闭

MATn=1：匹配功能启动

TOGn：“翻转”功能选择，如果PCA计数器与捕获/比较寄存器的值匹配时，将管脚CEXn中逻辑电平翻转，当PWMn位同时设定为1时，模块将工作在“频率输出”模式下

TOGn=0：“翻转”功能关闭

TOGn=1：“翻转”功能启动

PWMn：脉宽模式选择，当PWM16n置0时，将输出8位脉宽信号，当PWM16n置1时，将输出16位脉宽信号

PWMn=0：脉宽模式关闭

PWMn=1：脉宽模式启动，在CEXn管脚输出PWM信号

ECCFn：捕获/比较中断标志位CFFn使能选择

ECCFn=0：CFFn中断功能关闭

ECCFn=1：CFFn中断功能启动

捕获/比较模块控制位功能表

第四. 捕获/比较模块 功能介绍

捕获功能：

信号由CEXn输入，通过设置CAPPn或者CAPNn可以实现在哪种信号状态（上升沿，下降沿，翻转）下触发捕获动作，当触发捕获动作时，PCA计数器的高8位（PCA0H）、低8位（PCA0L）值分别加载至相应模块的高8位（PCA0CPHn）、低8位（PCA0CPLn）寄存器当中，当捕获成功后，如果允许捕获中断（ECCFn设置为1），则PCA的控制寄存器（PCA0CN）中的CCF将置1从而触发中断程序。注意，捕获溢出标志位CCFn不会自动置零，需要软件置零

软件计时器功能：

使用PCA的计时器中的数值与捕获/比较模块寄存器中的数值比较，当匹配时，触发CCFn置1，如果允许捕获中断（ECCFn设置为1），则触发中断程序。注意1：捕获溢出标志位CCFn不会自动置零，需要软件置零。注意2：当向捕获/比较寄存器中写入数值时，需要先写入寄存器的低8位，然后在写入高8位，因为写入低8位后ECOMn置0，写入高8位后ECOMn置1

高速输出模式：

使用PCA的计时器中的数值与捕获/比较模块寄存器中的数值比较，当匹配时触发管脚CEXn电平进行翻转

频率输出模式：

使用PCA的计时器中的低8位与捕获/比较模块寄存器中的低8位进行比较，当匹配时，管脚CEXn电平进行翻转，同时将捕获/比较模块寄存器中的高8位与低8位数值相加，将结果存储在低8位中。

CEXn管脚可以输出指定频率的方波，频率为 F_pca/(2*PCA0CPHn) F_pca为模式选择寄存器PCA0MD中设置的基准频率；PCA0CPHn为捕获/比较模块寄存器中的高8位数值

PWM（脉宽调制）模式（8位）

PWM的频率与PCA定时器/计数器的频率相同，通过PCA的模式选择寄存器（PCA0MD）设定的频率可以实现固定频率（基于震荡频率）或者可调频率（基于定时器T0溢出或者ECI的输入频率）

PWM的“占空比（duty cycle）”与捕获/比较模块寄存器中高8位的设置有关。当PCA定时器/计数器的低8位（PCA0L）计数值与捕获/比较模块寄存器中低8位（PCA0CPLn）存储的数值相等时，CEXn管脚电平置1，当PCA定时器/计数器的低8位（PCA0L）溢出时，CEXn管脚电平置0，同时，将捕获/比较模块寄存器中高8位（PCA0CPHn）数值加载至捕获/比较模块寄存器中的低8位（PCA0CPLn）。

占空比 = (256-PCA0CPHn)/256

PWM（脉宽调制）模式（16位）

PWM的频率与PCA定时器/计数器的频率相同，通过PCA的模式选择寄存器（PCA0MD）设定的频率可以实现固定频率（基于震荡频率）或者可调频率（基于定时器T0溢出或者ECI的输入频率）

PWM的“占空比（duty cycle）”与捕获/比较模块寄存器中的数值设置有关。当PCA定时器/计数器的16位计数值与捕获/比较模块寄存器中的16位数值匹配时，CEXn管脚电平置1，当PCA定时器/计数器的16位计数值溢出时，CEXn管脚电平置0，同时，由于匹配执行中断程序，需要重新写入捕获/比较模块16位寄存器，注意2：当向捕获/比较寄存器中写入数值时，需要先写入寄存器的低8位，然后在写入高8位，因为写入低8位后ECOMn置0，写入高8位后ECOMn置1

占空比 = (65536-PCA0CPn)/65536

看门狗（Watch Dog）设置

看门狗的原理有些博主已经描述得很详细了，大家可以参考。引入看门狗的目的其实就是采用一种机制防止“程序陷入不可控制的‘疯狂’状态”，因此设定了一个定时器，也可以说是一个计数器，当计数器达到最大值发生“溢出”时，启动中断程序，在看门狗的应用中，这个中断程序就是“将程序复位”。

所以“看门狗”功能其实就是定时器/计数器与中断配合使用以实现某种功能的一种具体应用。

这款芯片的看门狗设置是这样的：当PCA的模式选择寄存器（PCA0MD）中的WDTE和WDLCK两个位置“1”时，启动看门狗功能。此时，PCA计数器启动，捕获/比较模块4进入“看门狗”模式，而对PCA计数器和捕获/比较模块4的模式寄存器（PCA0CPMn）的写入操作都被禁止，比较器用来比较PCA计数器高8位（PCA0H）中的数值与捕获/比较模块4计数器中的高8位（PCA0CPH4）数值以确定是否匹配，当PCA计数器低8位（PCA0L）溢出并且PCA计数器高8位（PCA0H）与捕获/比较模块4计数器的高8位（PCA0CPH4）

数值匹配时，看门狗重置程序，同时将PCA计数器高8位（PCA0H）中的数值与捕获/比较模块4计数器的低8位（PCA0CPL4）中的数值相加后再加载到捕获/比较模块4计数器的

高8位（PCA0CPH4）中。

这里解释一下为什么还要将两个计数器的值相加，其实PCA计数器和捕获/比较模块4计数器的高8位和低8位在“看门狗”模式中可以被看成是两个“独立”的单元，高8位（PCA0CPH4）是用来和PCA计数器高8位（PCA0H）进行比较用以判断是否溢出，低8位（PCA0CPL4）是用来设置一个溢出的数值，当溢出时将其加载到高8位（PCA0CPH4）中，其实可以理解为捕获/比较模块4计数器的高8位（PCA0CPH4）中的数值就等于低8位（PCA0CPL4）的数值。在实际操作中，应该根据想要设定的时间将低8位（PCA0CPL4）的数值设置好。

那么为什么要相加呢？原因就是PCA计数器高8位（PCA0H）中的数值不一定是0，所以如果PCA计数器高8位（PCA0H）中有数值，就一定要将其加上才能作为在捕获/比较模块4

计数器的高8位（PCA0CPH4）中的最终基准值，在实际使用中，PCA计数器高8位（PCA0H）中的数值默认为0，所以在捕获/比较模块4计数器的低8位（PCA0CPL4）中设定的值就是其高8位（PCA0CPH4）中的数值了。

在看门狗功能的使用时，计数器累加的是数字，可我们需要设定程序重置的时间，如何把两个单位进行统一呢？其实，计数器每计一个数就经过了一个机器时间，机器时间可以通过定时器/计数器模式寄存器进行设定，例如使用外部晶振频率为12M，那么可以设定一个机器时间频率为12分之一的晶振频率，那么一个机器时间就为1微秒，也就是计数器一次计数的时间就是1微秒。那么计数的次数和捕获/比较模块4计数器的低8位（PCA0CPL4）的设定值是什么关系呢，可以使用公式：

从开始计数到溢出时总共计数的次数 =  (256 X PCA0CPL4) + (256 - PCA0L)

以上公式计算的次数也就是从程序运行到重置（看门狗起作用）所设置的时间

如果程序正常运行，就必须阻值看门狗起作用，所以在计数器溢出前需要“重新写入”捕获/比较模块4计数器的高8位（PCA0CPH4）数值，例如程序执行的总时间为30毫秒，

计数器溢出导致程序开始运行到重置的时间为65毫秒，那么需要在30毫秒至65毫秒之间重新写入PCA0CPH4中的数值，写入后看门狗更新使得PCA计数器重新计数。

计算看门狗重置程序的最大时间和程序设置的基准时间有关，可以参考下图

System Clock为系统频率，例如使用12兆赫兹的外部晶振，其系统频率就是12兆赫兹，如果设置了PCA0CPL4位255，当PCA计数器中的高8位PCA0H和低8位PCA0L均为0时，

根据公式，程序从开始计数到溢出时总共计数的次数 = (256 X 255) + (256 - 0) = 65536 次，因为计数器计一次数为一个机器时间即1微秒（由12兆赫兹决定），所以总共时间

即为65536微秒，就约等于65.5毫秒

以上就是关于51单片机PCA模块设置的一些介绍，可能有理解不全面甚至错误的地方，希望各位同道指正。如果需要转发或者引用，还请注明出处。