冯道宁 1 2刘昭度1叶阳1
（1北京理工大学机械与车辆工程学院 100081）（ 2广西机电职业技术学院电气工程系 530007）摘要：在车辆ASR系统开发中，提出了基于HCS12单片机增强型定时器复用I/O输出PWM信号的开发方案，解决了由于硬件限制导致PWM输出通道的不足的问题。文章介绍了单片机增强定时器通过输出比较寄存器、输出比较中断、TCNT输出翻转实现PWM波形输出的三种方法，详述了各方法中重要寄存器的设置和逻辑对应关系，并给出了相应的波形输出图和程序流程图，通过理论分析和实验结果探讨了不同设计方案的优缺点。 关键词：PWM ；输出比较寄存器；占空比； TCNT 中图文分类号：TP368.12 文献标识码：B
Three Designs of PWM Generator Based on HCS12 Timer
Feng Dao-ning1 2 ,Liu Zhao-du1 ,Ye Yang1
（1 School of Mechanical and Vehicular Engineering , Beijing Institute of Technology Beijing 100081 C
hina; 2 Department of Electrical Engineering , Guangxi Vocational College of Mechanical &Electrical Technology, Nanning 530007,China）服装吊牌制作
Abstract : The development of multiplex I/O output PWM waveform based on enhanced capture timer module of HSC12 single-chip is proposed in vehicle ASR system, to solves PWM output channels shortage due to hardware limitation led to the problem. Three approaches taken in the investigation is called output-compare register、interrupt caused by output-compare and TCNT output flip. Details of the methods set the single-chip registers and logical corresponding relation is introduced, the waveform output map and the procedure-flow chart is given. The character of different designs is proposed and the limitation is researched according to theory analysis the experimental results.
Key Word : PWM ; Out Compare Register ; Duty ; TCNT
1.引言
摩托罗拉HCS12系列单片机是汽车和工业领域得到广泛应用的高效16位微控制器，其配置了一个脉冲宽度调制（PWM）系统，可通过PP0-PP7 共8个输出口产生8路PWM输出，但在某些场合，例如汽车的ASR的控制系统中，8路PWM输出口已经用于控制不同的电磁阀，但在ASR中控制节气门开度的直
流电机同样需要PWM的控制，因此在设计中必须采用其他方式产生一路独立的PWM输出，为了简化电路设计，在设计中采用增强型定时器单元（ECT）通过输出比较的方式产生频率和占空比可控的PWM信号，在试验中我们测试了三种基于该思路的设计。
2.方案设计
HCS12系列单片机的ECT增强型定时器有三个功能[1-4]：输入捕捉、输出比较和脉冲累加器，以DP256单片机为例，ECT部分的核心是一个16位自由运行计数器(TCNT)，所有输入捕捉和输出比较功能的计时信息都来源于TCNT，当定时器系统启用时，通过设置TSCR1的TEN位，计数器从$0000开始，每经过一个模块时钟加1，直到加到$FFFF，然后自动溢出为$0000并继续计数.16位自由记数器的当前值保存在两个8位寄存器中，高位存在TCNTH，低
位存在TCNTL中.综合这两个寄存器就形成TCNT.通常ECT生产PWM波形的方法是采用输出比较的功能，就是当输出比较事件发生时（即TCx = TCNT时），相应引脚的电平会发生变化。如果每个通道执行独立的输出比较功能，那么我们可以用TCLT1/TCLT2寄存器中的OMx和OLx位来设置它们各自的输出电平和输出模式。PWM调速分为两种工作方式[5-6]：一种是双极性工作制，另一种是单极性工作制。由于单极性工作制电压波形中的交流成分比双极性工作制的小，其电流的最大波动也比双极性工作制的小，所以我们采用了单极性工作制。调脉宽的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。实验测试节气门电机的最佳响应频率为350HZ[7-8]，因此设计中，我们均采用定频调宽法。
2.1输出比较7的寄存器产生PWM
使用该方案可以将PT0~PT6的输出波形的频率统一到PT7输出频率之下。其两要点有二：首先是输出比较7屏蔽寄存器（OC7M）和输出比较7数据寄存器（OC7D），其次是TSCR2中的TCRE位。OC7M表示当通道7发生时输出比较事件时，相应输出端口的电平同时发生变化（1为变化，0为不变化）；OC7D表示输出比较事件发生时，相应引脚的输出电平，若OC7Dx为1，相应的输出比较通道x输出高电平; 反之，为0。TC0~TC6的计数器可以与TC7进行比较，这样所有的TC0~TC6的输出频率都统一到TC7确定的频率下，而TC0~TC6所输入的数值则代表高/低电平的占空比，从而实现在相应的PT口输出PWM可能。在编程中要注意将TSCR2寄存器中的TCRE位设置为1，这样TCNT可以被输出比较7置位。OC7M 具有更高的优先级，它优于通过TCTL1 和TCTL2 寄存器中的OMn 和OLn 设定的引脚动作，若OC7M 中某个位置1，就会阻止相应引脚上由OM 和OL 设定的动作。
但如果去掉OC7M的配置，即OC7M＝0，则所有通道的输出波形均一样，波形为方波。当PT7通道的寄存器CT7作为输出进行连续比较时，会屏蔽CT0~CT6，所以PT0~PT6尽管设为输出比较通道，其输出值和PT7一致，各通道的输出的波形只是在计数到TC7时溢出，溢出时波形反转。程序和各PT端口生产的PWM波形图如下所示：
TIOS=0xf0; TSCR1=0x80; TCTL1=0x55;
一个圆柱形玻璃容器
TC4=2500; TC5=1000; TC6=4000; TC7=5000;
TSCR2=0x08; OC7M=0xf0; OC7D=0X00;
其中PT4输出为占空比为0.5的方波，PT5输出波形的占空比为0.8, PT6输出的波形占空比为0.2，若晶振频率为25M，那么各PT口的输出波形的频率均为5KHz。
PT4 PT5 PT6TCNT=0
图1 波形图
2.2输出比较中断方式
该方式在输出比较中断中不断修改输出比较值TCx，以达到实现不同占空比的目的[9]。其主要步骤可
分为以下2步，以PT4输出为例：
（1）初始化设定TCTL1=0X01，既当TC4=TCNT，输出电平自动翻转（当前输出电平和原来相反），同时根据占空比和频率计算出TC4在高低电平时的计数值，例如占空比为0.4时高
电平计数值4000，低电平计数值为6000，占空比=4000/（4000+6000）=0.4，注意计数值不能超过TCNT的最大值65535
（2）在输出比较中断中修改相应的TC4的值，当输出比较中断发生，说明TCNT=TC4，进入中断后判断下一个输出波形是高或低电平，若为高电平则TC4=TCNT当前值+4000，为低电平则TC4= TCNT当前值+6000。
该方法在简单的程序中是可行的，图2为输出的波形图，图3为程序流程图，但在涉及较为复杂的控制程序，例如在实验中加入了RTI中断后，PWM的输出占空比将会极不稳定，因为RTI中断级别高于输出比较中断，当进入RTI中执行其他的子程序时，PT口的输出比较中断便被屏蔽，使得PWM占空比发生改变，通过示波器观察的结果证明也是如此。故此类产生PWM波形的方法不仅逻辑上繁琐而且可靠性和稳定性差[10]。
图2 PT4输出波形图3 程序流程图
甘汞电极2.3 TCNT溢出翻转方式
ECT中有一个特殊的溢出触发寄存器TTOV[10]，当TCNT计数=65535时，TCNT 溢出，设定相应TTOV寄存器中的值可使得相应PTx的输出电平翻转。因此当TCNT 计数器等于TC寄存器时可生成频率一定，但占空比可变的PWM波形，占空比根据TCx 来定。TCNT=TCx时，输出电平翻转一次，当TCNT计数到65535，由溢出翻转寄存器TTOV再翻转输出电平一次[11-12]。以PT4输出占空比为0.6的PWM波形为例，程序如下：
麦克风架TIOS=0x10 //pt4为输出比较通道
TSCR1=0x80;//启动定时器
TCTL1=0x01;//PT4为输出状态
TC4=65535*0.4;//确定PT4低电平所所用的时间
TTOV=0X10;//溢出后翻转
通过波形图4可以看出，设PT4初始电平为低电平，当TCNT=TC4时，PT4翻转输出电平变为高电平，同时TC4赋新值，当TCNT计数65535时，计数器溢出，TCNT=0，此时PT4又输出低电平，周而复始从而形成占空比稳定PWM波形[13]。此方法的优点是不需要利用输出比较中断对TC4反复赋值，只需要在主程序里运行上述程序一次即可。
图4 PT4输出波形
3 PWM频率和占空比的修改
很多控制对象要求能在程序中实时修改PWM的输出频率和占空比，以适应不同场合的需求。
3.1PWM占空比修改
方法1和方法3修改占空比的方式是在RTI实时中断中设置TCx的值实现的，而方法2则是在输出比较中断中修改TCx值来完成[14]。
3.2 PWM频率的修改
方法1和方法2均可实时修改输出的波形的频率，方法1可在RTI中断中通过对TC7的设置实现，而方法2则是通过TCx在高低电平设定相应的值来决定的，例如TC4高=4000，TC4低=6000，若想频率能提高一倍，可设定TC4高=2000，TC4低=3000，但占空比保持不变。方法3在程序中无法修改时钟频率的方法是在时钟锁相环中对SYNR和REFDV寄存器的修改，但修改会影响到系统其他和时钟相关的设置，例如总线时钟频率、串口输出波特率、RTI中断时间等，因此不宜进行修改。
4 强制输出比较
在编程中还要灵活应用CFORC强制输出比较寄存器，其用于程序初始化时设定相应输出端口的输出电平[15]。强制输出比较一旦设定，当TCNT开始计数相应端口的输出电平便根据先前TCTL1寄存器的的设定值而改变，若没有强制输出，TCx=TCNT才会改变PTx通道的输出电平。
5 结论
在试验中通过测试比较，方法1和方法3产生的PWM波形最为稳定和可靠，不受其他硬件中断的影响，
对PWM波形对节气门开度的控制效果良好，方法2可以产生PWM波形，但在加入了RTI中断后，输出比较中断受到比其高一级RTI中断的影响，波形的占空比发生了变化，因此不宜采用。利用方法1输出比较寄存器7可在多个通道生产占空比不同但频率一致的PWM波形，而使用方法3编程对单通道输出PWM波形更为便利，适用于PWM 频率固定的场合。将实验测试中的方法3用于车辆ASR系统的节气门开度控制，取得了良好的效果。
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