用89C51和8254-2实际步进式PWM输出

    摘要：介绍一种新型PWM输出的方式。它是用89C51作为主控部分，用8254-2可编程定时器/计数器来实现1Hz～3kHz步进式PWM的输出；具有分辨率高、反应速度快及占用CPU时间少的优点。

    关键词：8254-2 89C51 脉宽调制（PWM） 分辨率

引言

脉宽调制（PWM）技术最初是在无线电技术中用于信号的调制，后来在电机调速中得到了很好的应用。本设计中要求输出PWM从1Hz～3kHz步进式递增，单步为1Hz。由于89C51的时钟最大能取24MHz，单指令周期为0.5μs，计数频率为×10 6Hz。当输出2999Hz和3000Hz时，若采用89C51内部计数器来计数，根本无法区别。因为计数频率为2MHz，单指令周期0.5μs，而要输出2999Hz时，计数应为666.889；输出3000Hz时，计数诮为666.887。因此在本设计中，采用外部定时器/计数器8254-2。因为8254-2最高计数频率可达10MHz，能满足以上设计的要求，另外采用8254-2的工作方式3可输出方波。当定时器/计数器8254-2以方式3工作时，在计数的过程中输出有一半时间为高，另一半时间为低。所以，若计数值为N，则其输出在前N/2时可输出高电平，后N/2时可输出低电平，不需要用软件来控制高低电平的转换，但8254-2计数范围有一定的限制，在采用二进制计数时，范围为0000～9999，最大计数为10 000。此外，为了使分辨率达到要求，还需要考虑程序指令所占用的时间，尤其是在输出高频时，分辨率尤为重要。

1 硬件设计

1.1 8254可编程定时器/计数器[1]简介

Intel公司的8254是8253的改进型，操作方式及引脚与8253完全相同。它的改进主要反映在2方面：①8254的计数频率更高，可由直流至6MHz；8254-2可高达10MHz。②8254多个1个读回命令（写至控制器的寄存器），其格式如图1所示。

这个命令可以令3个通道的计数器都锁存（8253要3个通道的计数值都锁存，需写入3个命令）。另外，8254中的每个计数器都有1个状态字可由读回命令令其锁存，然后由CPU读取。状态字的格式如图2所示。其中D5～D0即为写入此通道的控制字的相应部分。D7反映了该计数器的输出引脚。输出（OUT）为高电平，D7=1；输出为低电平，D7=0。D6反映时间常数寄存器中的计数值是否已经写入了计数单元中。当向通道写入控制字以及计数值后，状态字节中的D6=1；只有当计数值写入计数单元后，D6=0。

本设计选择8254-2的方式3工作。方式3是一种方波速率发生器。在这种方式中，当CPU设置控制字后，输出将为高，在写完计数值后就自动开始计数，输出保持为高；当计数到一半计数值时，输出变为低，直至计数到0，输出又变高，重新开始计数。若在计数期间写入个新的计数值，并不影响现行的计数过程。但是若在方波半周期结束前和新计数值写入后收到GATE脉冲，计数器将在下一个CLK脉冲时装入新的计数值并以这个计数值开始计数。否则，新的计数值将在现行半周期结束时装入计数器。

    1.2 PWM输出的硬件设计

本设计选用可编程定时器/计数器8254-2，其最高计数频率可达10MHz；充分利用8254-2的3个定时器/计数器，采取频率的分频输出，并且不需要外部的信号源输入，硬件电路简化；通过软件的处理可以实现连续（1Hz～3kHz）PWM波的输出。本设计中将要输出的PWM波分为3段，分别由8254-2中的3个定时/计数器输出，门控由P2.2、P2.3、P2.4分别加以控制。在1～20Hz的输出时，采用定时器0，计数频率为10 4Hz，最大计数为10 4，最小计数为500符合要求，21～200Hz的输出中，采用定时器1，计数频率为10 5Hz，最大计数为4762，最小计数为500；在201Hz～3kHz 的输出中，采有定时器2，计数频率为10 7Hz，最大计数为49 751，满足二进制计数的范围，最小计数为3333。这些计数值可由单片机89C51[2]送给8254-2的数据输入端，通过除法运算来得到这些计数值，由除法运算得到商。所得到的商去程序指令占用的时间即为所需要的计数值。采用8254-2的3个定时器的输出经过1个或门作为CD4046锁相环的输入，同时经过1个非门进入89C51的INT1口，申请下降沿中断；CD4046锁相环输出所需的PWM。

为了防止程序进入死循环，增加了外部的硬件看门狗定时器IMP813L[3]，其内部的看门狗定时器监控UP/UC的工作。如果在1.6s内未检测到其工作，内部的定时器将使看门狗输出WDO处于低电平状态，WDO将保持低电平直到在WDI检测到UP/UC的工作。将WR和WDO连接可使看门狗超时产生复位。

具体硬件电路如图3所示。

2 软件设计

软件主要由3部分组成：主程序、键盘扫描程序、中断处理程序。主程序流程如图4所示。

主要地址分配如表1所列。

表1 地址分配

（1）中断处理过程

当89C51检测到有INT1中断时，进入中断处理程序中，首先检测30H和31H中的内容是否大于20；若不大于20，则门控为P2.2，选中8254-2，选择计数器0、方式3、16位二进计数， 送上次计算出来的这次所需要的计数值给8254-2，将10 4送入32H、33H中作为除法运算中的被除数，而30H、31H的内容作为除法运算中的除数，调用除法运算子程序将所得的商送入32H、33H，余数放在35H、36H中。比较余数是否大于除数的一半，若大于除数的一半则所得的商加1，否则商不变放在32H、33H中。假设程序指令所占用的时间为X/200（其中X为中断程序中单指令周期的个数），将32H、33H中的内容减去X/200，即为下次所要送入8254-2的计数值，放在35H、36H中，返回中断；若大于20，则门控为P2.3，选中8254-2，选择计数器1、方式3，送上次计算出来的这次所需的计数值给8254-2，将10 5送入32H、33H、34H中作为除法运算中的被除数，而30H、31H中的内容作为除法运算中的除数，调用除法运算子程序，将所得的商送入32H、33H中，余数放在35H、36H中。比较余数是否大于除数的一半，若大于除的一半则所得的商加1，否则商不变。假设程序指令所占用的时间为X/20，将32H、33H中的内容减去X/20即为下次所要送入8254-2的计数值，放在35H、36H中，返回中断，若大于200，则门控为P2.4，选中8254-2,选择计数器2、方式3、二进制计数，送上次计算出来的这次所需的计数值给8254-2，将10 7送入32H、33H、34H中作为除法运算中的被除数，而30H、31H中的内容作为除法运算中的除数，调用除法运算子程序，将所得的商送入32H、33H中，余数放在35H、36H.比较余数是否大于除数的一半，若大于除数的一半则所得的商加1，否则商不变入在32H、33H中。假设程序指令令所占用的时间为X*5，将32H、33H中的内容减去5X，即为下次所要送入8254-2的计数值，放在35H、36H中，返回中断。

（2）设置软件陷阱

当程序进入到非程序区，只要在非程序区设置拦截措施，使程序进入陷阱，然后强迫程序回到初始状态。如对CPU的RST指令对应的字节码为0FFH，如果不用的程序存储区预先写入0FFH，则当程序因干扰而“飞”到该区域执行代码时，就相当于执行1条RST指令，从而达到系统复位的目的。

结束语

采用89C51控制PWM分段，8254-2步进式输出1Hz～3kHz的PWM，可以通过软件编程的方法提高分辨率。在有些特殊场合只靠单片机内部的定时器或模拟电路无法精确输出1Hz～3kHz，单步为1Hz的PWM波形时，此设计就显出其明显的优越性，而且它占用的CPU时间短。此设计的结构简单、成本低、可靠性好、抗干扰能力强，可在控制和测量中得到应用。