利用單片機(jī)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)信號(hào)采樣和PWM控制

　　本文以應(yīng)用于溫度控制系統(tǒng)為例，介紹利用Motorola公司生產(chǎn)的新型單片機(jī)MSP430F413內(nèi)的定時(shí)器Time_A設(shè)計(jì)可以用時(shí)間量進(jìn)行溫度采樣以及實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)節(jié)的方法。為了可在使用少量外圍電路的情況下實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的高精度測(cè)量和控制，一方面用時(shí)間量采樣，在省去1片A/D的情況下得到12位的高精度；另一方面在定時(shí)中斷內(nèi)完全用軟件實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)節(jié)，以易于進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信和顯示。該系統(tǒng)在中斷內(nèi)可以解決波形產(chǎn)生的實(shí)時(shí)在線計(jì)算和計(jì)算精度問(wèn)題，可精確、實(shí)時(shí)地計(jì)算設(shè)定頻率下的脈沖寬度。

1單片機(jī)MSP430F413及定時(shí)器

　　MSP430系列的單片機(jī)F413在超低功耗和功能集成上都有一定的特色，可大大減小外圍電路的復(fù)雜性，它的實(shí)時(shí)處理能力及各種外圍模塊使其可應(yīng)用在多個(gè)低功耗領(lǐng)域[2]。MSP430F413中通用16位定時(shí)器Timer_A有如下主要功能模塊。

　　(1)一個(gè)可連續(xù)遞增計(jì)數(shù)至預(yù)定值并返回0的計(jì)數(shù)器。

　　(2)軟件可選擇時(shí)鐘源。

　　(3)5個(gè)捕獲/比較寄存器，每個(gè)有獨(dú)立的捕獲事件。

　　(4)5個(gè)輸出模塊，支持脈寬調(diào)制的需要。

　　定時(shí)器控制寄存器TACTL的各位可控制Timer_A的配置，并定義16位定時(shí)器的基本操作，可選擇原始頻率或分頻后的輸入時(shí)鐘源及4種工作模式。另外還有清除功能和溢出中斷控制位。5個(gè)捕獲/比較寄存器CCRx的操作相同，它們通過(guò)各自的控制寄存器CCTLx進(jìn)行配置。

2時(shí)間量采樣及PWM控制的實(shí)現(xiàn)原理

　　以應(yīng)用于溫度控制系統(tǒng)為例，介紹用定時(shí)器實(shí)現(xiàn)信號(hào)采樣和PWM控制的方法。該溫度控制系統(tǒng)包括單片機(jī)、溫度測(cè)量電路、負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路及電源控制、低電壓檢測(cè)和顯示電路等其他外圍部分。

　　單片機(jī)MSP430F413中用于測(cè)量和控制溫度的主要I/O口有：

　　P1.0：輸出50Hz方波，用于產(chǎn)生三角波。

　　P1.2：驅(qū)動(dòng)溫度控制執(zhí)行元件，2kHz方波PWM輸出。

　　P2.0：脈寬捕捉。

2.1 單片機(jī)端口的中斷設(shè)置

　　溫度控制系統(tǒng)的50Hz方波輸出、PWM輸出和輸入捕捉都是由定時(shí)中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。這3個(gè)中斷分別由P0、P1和P2口的外圍模塊引起，屬于外部可屏蔽中斷。初始化時(shí)，對(duì)這3個(gè)I/O口進(jìn)行中斷設(shè)置，并對(duì)Time_A控制寄存器TACTL設(shè)置，包括輸入信號(hào)2分頻、選用輔助時(shí)鐘ACLK等。當(dāng)定義完捕獲/比較寄存器后，重新賦值TACTL，啟動(dòng)定時(shí)器，開始連續(xù)遞增計(jì)數(shù)。

2.2 脈寬捕捉實(shí)現(xiàn)溫度值的采樣

　　溫度測(cè)量電路將溫度值轉(zhuǎn)換為電壓值，同時(shí)單片機(jī)產(chǎn)生的50Hz方波經(jīng)電容充放電電路變換得到同頻率的三角波，其電壓值切割三角波，從而將溫度值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)寬度的脈沖送入單片機(jī)。波形變化如圖1所示。

　　通過(guò)設(shè)置CCTLx中的模式位，可將對(duì)應(yīng)的捕獲/比較寄存器CCRx設(shè)定為捕獲模式，用于時(shí)間事件的精確定位。如果在選定的輸入引腳上發(fā)生選定脈沖的觸發(fā)沿，則定時(shí)器計(jì)數(shù)的值將被復(fù)制到CCRx中。根據(jù)這一原理，選定P2.0為輸入引腳，設(shè)置CCTL2為捕獲模式，所測(cè)溫度值由模擬量經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為脈沖后，P2.0捕捉脈沖下降沿，進(jìn)入中斷T2，得到與溫度值一致的單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，存入CCR2作進(jìn)一步處理。

　　這樣，系統(tǒng)就在不使用A/D轉(zhuǎn)換器的情況下完成了模數(shù)轉(zhuǎn)換。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的時(shí)鐘精確度高，而且時(shí)間量是一個(gè)相對(duì)精度極高的量，但本系統(tǒng)中用時(shí)間量進(jìn)行溫度采樣可獲得12位的高精度，同時(shí)采用50Hz脈沖，可以大大消除工頻干擾。這些都為進(jìn)行精確的溫度控制提供了必要的條件。