利用单片机定时器实现信号采样和PWM控制

　　PWM控制方式广泛应用于各种控制系统中，但对脉冲宽度的调节一般采用硬件来实现。如使用PWM控制器或在系统中增加PWM电路[1]等，则成本高、响应速度慢，而且PWM控制器与系统之间存在兼容问题。另外，控制系统中的信号采样通常是由A/D转换器来完成，因此检测要求较高时，调理电路复杂，而且因A/D的位数高，从而使设计的系统成本居高不下。

　　本文以应用于温度控制系统为例，介绍利用Motorola公司生产的新型单片机MSP430F413内的定时器Time_A设计可以用时间量进行温度采样以及实现PWM调节的方法。为了可在使用少量外围电路的情况下实现控制系统的高测量和控制，一方面用时间量采样，在省去1片A/D的情况下得到12位的高；另一方面在定时中断内完全用软件实现PWM调节，以易于进行数据的通信和显示。该系统在中断内可以解决波形产生的实时在线计算和计算问题，可、实时地计算设定频率下的脉冲宽度。

　　1 单片机MSP430F413及定时器

　　MSP430系列的单片机F413在超低功耗和功能集成上都有一定的特色，可大大减小外围电路的复杂性，它的实时处理能力及各种外围模块使其可应用在多个低功耗领域[2]。MSP430F413中通用16位定时器Timer_A有如下主要功能模块。

　　(1)一个可连续递增计数至预定值并返回0的计数器。

　　(2)软件可选择时钟源。

　　(3)5个捕获/比较寄存器，每个有独立的捕获事件。

　　(4)5个输出模块，支持脉宽调制的需要。

　　定时器控制寄存器TACTL的各位可控制Timer_A的配置，并定义16位定时器的基本操作，可选择原始频率或分频后的输入时钟源及4种工作模式。另外还有清除功能和溢出中断控制位。5个捕获/比较寄存器CCRx的操作相同，它们通过各自的控制寄存器CCTLx进行配置。

　　2 时间量采样及PWM控制的实现原理

　　以应用于温度控制系统为例，介绍用定时器实现信号采样和PWM控制的方法。该温度控制系统包括单片机、温度测量电路、负载驱动电路及电源控制、低电压检测和显示电路等其他外围部分。

　　单片机MSP430F413中用于测量和控制温度的主要I/O口有：

　　P1.0：输出50Hz方波，用于产生三角波。

　　P1.2：驱动温度控制执行元件，2kHz方波PWM输出。

　　P2.0：脉宽捕捉。

　　2.1 单片机端口的中断设置

　　温度控制系统的50Hz方波输出、PWM输出和输入捕捉都是由定时中断来实现。这3个中断分别由P0、P1和P2口的外围模块引起，属于外部可屏蔽中断。初始化时，对这3个I/O口进行中断设置，并对Time_A控制寄存器TACTL设置，包括输入信号2分频、选用辅助时钟ACLK等。当定义完捕获/比较寄存器后，重新赋值TACTL，启动定时器，开始连续递增计数。

　　2.2 脉宽捕捉实现温度值的采样

　　温度测量电路将温度值转换为电压值，同时单片机产生的50Hz方波经电容充放电电路变换得到同频率的三角波，其电压值切割三角波，从而将温度值转换为相应宽度的脉冲送入单片机。波形变化如图1所示。

　　通过设置CCTLx中的模式位，可将对应的捕获/比较寄存器CCRx设定为捕获模式，用于时间事件的定位。如果在选定的输入引脚上发生选定脉冲的触发沿，则定时器计数的值将被复制到CCRx中。根据这一原理，选定P2.0为输入引脚，设置CCTL2为捕获模式，所测温度值由模拟量经测量电路转换为脉冲后，P2.0捕捉脉冲下降沿，进入中断T2，得到与温度值一致的单位时间内的脉冲数，存入CCR2作进一步处理。

　　这样，系统就在不使用A/D转换器的情况下完成了模数转换。因为单片机的时钟度高，而且时间量是一个相对极高的量，但本系统中用时间量进行温度采样可获得12位的高，同时采用50Hz脉冲，可以大大消除工频干扰。这些都为进行的温度控制提供了必要的条件。

　　2.3 PWM信号生成原理

　　将捕获/比较寄存器CCR0和CCR1定义为比较模式，它们的输出单元OUT0和OUT1分别对应单片机引脚P1.0（TA0）和P1.2（TA1）。进入比较模式后，如果定时器CCRx的计数值等于比较寄存器x中的值，则比较信号EQUx输出到输出单元OUTx中，同时根据选定的模式对信号置位、复位或翻转。其中：设置EQU0将OUT0信号翻转，信号时钟与定时器时钟同步，这样就可以在P1.0引脚上得到50Hz的方波信号；设置EQU1输出模式为PWM复位/置位。

　　设定模式下定时中断的输出如图2所示。根据设定的PWM复位/置位模式，若CCR1计数器溢出，则EQU1将OUT1复位；若CCR0计数器溢出，则EQU0将OUT1置位。利用CCR0和CCR1计数起始点的差值，实现占空比的变化，从而在P1.2上完成PWM输出。系统对占空比的调节是通过改变CCR1的基数来实现的。定时器时钟为2MHz、CCR1和CCR0的计数值为1 000时，可获得2kHz的PWM输出频率。负载驱动电路将单片机P1.2引脚输出的PWM信号放大滤波，用于驱动大功率的执行元件。

　　3  软件设计

　　3.1 系统主程序

　　在主程序中包括系统初始化、定时器的初始化、温度采样值的读入、负载驱动和显示等。系统进行温度值采样和PWM输出均在定时中断内完成，PWM输出脉冲的占空比则由PID算法得到。系统主程序流程图如图3所示。

　　3.2 PID脉宽调节

　　系统对脉宽的调制由PID算法实现。根据算法原理，本系统设计了一套完全由软件实现的PID算法，并且在控制过程中完成参数的自整定。PID调节的控制过程：单片机读出数字形式的实际温度Tn，然后和设定温度Tg相比较，得出差值en=Tn-Tg，根据en的正负和大小，调用PID公式，计算得到与输出电压Δun一致的占空比，调节温度的升降，同时寻找条件，改变PID参数。

　　增量式PID控制算法的输出量[3]：

　　PID调节程序直接写入单片机内，根据得到的值改变计数器CCR1的基数值，从而改变输出脉冲的占空比，达到调节PWM的目的。

　　3.3 定时中断

　　定时中断子程序流程如图4所示。系统采用的晶振频率为2MHz，T0中断的作用是得到频率为50Hz、占空比为90%的方波，用以产生三角波，并检查1个周期内是否有漏采的数据。T0模溢出翻转为高电平，输出比较间隔为18ms。其中，CCR0加了PWM的模，该值即为CCR0和CCR1的差值，用以产生输出所需的脉冲宽度。

　　T1中断内处理的是控制端口的PWM输出，并检查1个周期内是否重复采集数据，T1输出比较产生低电平，输出比较间隔为20ms。T2中断捕捉温度测量端口的脉宽，得到所测的温度值。

　　4  结束语

　　利用单片机MSP430F413内的定时器Time_A进行温度采样以及实现PWM调节的方法，可以广泛用于具有端口捕捉功能的单片机中。与传统方法比较，它不仅可以简化测量和控制电路的硬件结构，而且可以方便地建立人机接口，实现用软件调整参数，使控制更、实时、可靠。经过实验，该方法应用于温度控制系统中获得了预期的PWM调节波形。该方法同样可以用于其他单片机控制系统中。