单片机驱动CPLD的PWM正弦信号发生器设计

　　前面几期给读者介绍了单片机+CPLD 系统设计，本篇继续挖掘CPLD 潜力，给出一种单片机驱动CPLD的PWM 正弦信号发生器设计，充分体现了CPLD 的灵活多变，配合单片机控制，其妙无穷，以下方案均在Mini51 板上实现。

　　脉宽调制PWM（Pulse Width Modulation）是利用数字输出信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

　　一、PWM原理

　　PWM 是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM 信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。电压或电流源是以一种通（ON） 或断（OFF） 的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。

　　只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM 进行编码。

　　如图1 所示，用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N 等分，看成N 个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。

图1 用PWM波代替正弦半波

　　SPWM 波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM 波形。

　　二、基于CPLD的PWM方案

　　一个PWM 发生器必须包括计数器，数据比较器，另外就是配置PWM 参数的时钟分频寄存器和占空比寄存器，结构框图如图2 所示，这些电路都可以用CPLD 来实现。

图2 PWM控制器结构框图

　　高频时钟信号经分频器驱动计数器，计数器如图3 所示，总是从Bottom 到Top 的循环计数，计数器的输出和占空比寄存器里的数据经数据比较器比较，输出PWM 信号，当计数器输出小于占空比设定值时输出低电平（0），否则输出高电平（1），如图3（b）（c）所示。

图3 PWM信号发生器时序波形图

　　从图中还可以看出，计数器的周期就是PWM 信号的周期，通过修改占空比寄存器从而实现对输出PWM 信号高低电平比例控制，图3（b）是占空比为P1 的PWM输出，图3（c）是占空比为P2 的PWM 输出，它们周期相同，高低电平的比例不同。

　　下面用硬件描述语言来设计CPLD 的内部电路，这里给出VerilogHDL 版本的参考代码。

　　module Mini51b_PWM（P0,ALE,P27,WR,PWM）；// 模块电路命名和端口说明。

　　input [7:0]P0;// 数据输入接MCU 数据P0 口

　　input ALE,P27,WR;// 几个MCU 读写控制引脚

　　output PWM;//PWM 信号输出

　　wire [7:0]addr;// 内部地址线

　　reg [7:0]daPWMc,daPWMs;// 定义计数器和占空比设定寄存器

　　reg [3:0]pPWM,pPWMc;// 分频控制变量

　　reg PWM;// 输出锁存器

　　assign addr = ALE?P0 : addr; // 低八位地址锁存

　　always @（negedge WR）// 在MCU 写信号有效时执行寄存器设定

　　begin

　　case（{P27,addr[4:0]}） // 根据地址选择寄存器

　　6'b10_1000: daPWMs <= P0;// 写带地址的寄存器

　　6'b10_1001: pPWM <= P0[3:0];// 写带地址的寄存器

　　default:begin// 其它地址则让寄存器保持不变

　　daPWMs <= daPWMs;

　　pPWM <= pPWM;

　　end

　　endcase

　　end

　　always @（posedge ALE） begin// 这里利用MCU 的ALE 做时钟信号

　　if（pPWMc == pPWM） begin // 与分频系数比较

　　pPWMc<=0;

　　if（daPWMc<100） daPWMc <= daPWMc+1; //PWM 调整1%

　　else daPWMc <= 0;

　　if（daPWMs < daPWMc） PWM <= 0;//PWM 发生器

　　else PWM <= 1;

　　end

　　else pPWMc <= pPWMc+1;// 时钟分频

　　end

　　endmodule

　　关于单片机与CPLD 之间的接口请读者参考本刊前几期笔者撰写的文章。

　　与之对应的MCU 测试程序为：

　　#include <reg51.h>

　　#include <absacc.h>

　　#define PWM XBYTE[0xffe8]

　　#define DIV XBYTE[0xffe9]

　　void main（）

　　{

　　DIV = 15; //PWM 信号频率计算晶振22.1184M/6/100/

　　（DIV+1）=2.30K（实测2.281K）

　　PWM=50; // 设定占空比50%，前面计数器范围为0~99

　　while（1） ;

　　}

　　执行单片机程序，选择不同的分频系数和占空比值，从CPLD 的引脚输出PWM 信号示波器截图如图4所示。

图4 不同占空比的PWM信号示波器截图

　　三、SPWM

　　如果将占空比按正弦规律随着时间变化，就可以得到正弦调制的PWM 信号，也就是SPWM。如图5 所示，该信号经过阻容滤波可以得到正弦模拟信号，这里的运放做电压跟随器用，对信号驱动能力进行放大。实际得到的正弦信号示波器截图效果如图6 所示。

图5 SPWM阻容滤波电路

图6 正弦信号示波器截图

　　正弦信号发生器MCU 演示程序：

　　#include <reg51.h>

　　#include <absacc.h>

　　#define PWM XBYTE[0xffe8]

　　unsigned char code sine_dot[32]={49,59,68,77,84,90,95,98,99,98,95,90,84,77,68,59,49,40,30,22,14,8,4,1,0,1,4,8,14,22,30,40};// 正弦表

　　void main（）

　　{

　　unsigned char i=0;

　　while（1） {

　　PWM = sine_dot[i];

　　i=（i++）&0x1f;

　　}// 如果要严格控制SPWM 的周期，这里的while 循环请用定时器来驱动

　　}

　　四、三路相位差正弦信号发生器

　　对CPLD 改进设计，很容易实现多路PWM 输出。

　　例如设计具有相位差的三相正弦信号，CPLD 电路VerilogHDL 程序如下：

　　module Mini51b_PWM（P0,ALE,P27,WR,PWM）；

　　input [7:0]P0;

　　input ALE,P27,WR;

　　output [2:0]PWM;

　　wire [3:0]addr;

　　reg [7:0]daPWMc;

　　reg [7:0]daPWMs0,daPWMs1,daPWMs2;

　　reg [2:0]PWM;

　　wire clk,nclk,a,b,c,d;

　　assign addr= （ALE）？P0[3:0]:addr; // 低八位地址锁存

　　always @（negedge WR）

　　begin

　　case（{P27,addr}）

　　5'H10: daPWMs0 <= P0;// 写带地址的寄存器

　　5'H11: daPWMs1 <= P0;// 写带地址的寄存器

　　5'H12: daPWMs2 <= P0;// 写带地址的寄存器

　　default:

　　begin

　　daPWMs0 <= daPWMs0;

　　daPWMs1 <= daPWMs1;

　　daPWMs2 <= daPWMs2;

　　end

　　endcase

　　end

　　always @（posedge clk） begin

　　daPWMc <= daPWMc+1; //PWM 调整1%

　　if（daPWMs0 < daPWMc） PWM[0] <= 0;//PWM 发生器

　　else PWM[0] <= 1;

　　if（daPWMs1 < daPWMc） PWM[1] <= 0;//PWM 发生器

　　else PWM[1] <= 1;

　　if（daPWMs2 < daPWMc） PWM[2] <= 0;//PWM 发生器

　　else PWM[2] <= 1;

　　end

　　assign nclk=!clk;

　　LCELL A0（。in（nclk）， .out（a））；

　　LCELL A1（。in（a）， .out（b））；

　　LCELL A2（。in（b）， .out（c））；

　　LCELL A3（。in（c）， .out（d））；

　　LCELL A4（。in（d）， .out（clk））；//PWM 时钟来自CPLD 内部

　　LCELL 延迟电路振荡器

　　endmodule

　　与之对应的MCU 演示程序：

　　#include <reg51.h>

　　#include <absacc.h>

　　#define PWM0 XBYTE[0xfff0]

　　#define PWM1 XBYTE[0xfff1]

　　#define PWM2 XBYTE[0xfff2]

　　unsigned char code sine_dot[36]= //8 阶，36 点正弦表

　　{

　　0x80,0x96,0xab,0xbf,0xd2,0xe2,0xee,0xf8,0xfe,0xff,0xfe,0xf8,

　　0xee,0xe2,0xd2,0xc0,0xab,0x96,0x80,0x69,0x54,0x40,0x2

　　d,0x1e,

　　0x11,0x07,0x01,0x00,0x01,0x07,0x10,0x1d,0x2d,0x3f,0x53,

　　0x69

　　};

　　void main（）

　　{

　　unsigned char a,b,c;

　　a=0;

　　while（1） {

　　a %= 36;// 对36 取余数及0~35

　　b=（a+12）%36;// 较a 路滞后120 度相位

　　c=（a+24）%36;// 较a 路滞后240 度相位

　　PWM0 = sine_dot[a];

　　PWM1 = sine_dot[b];

　　PWM2 = sine_dot[c];

　　a++;

　　}

　　}

　　实际得到的三相正弦信号示波器截图效果如图7所示，只是双踪示波器同时只能看两路信号。

图7 具有相位差的三相正弦信号示波器截图

　　五、结束语

　　今后，MCU+CPLD 结构将是很多电子系统设计的一种基本架构，MCU 可以用程序实现复杂智能的控制与检测，CPLD 又可以实现灵活多变的外围扩展电路设计，尤其是可以用硬件实现特殊的MCU 无法实现的功能，弥补MCU 响应速度慢影响实时性问题，两者互补，完全实现硬件软设计，使得同一硬件平台能够通过软件实现更多的功能。