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摘要：介紹一種新型PWM輸出的方式。它是用89C51作為主控部分，用8254-2可編程定時器/計數器來實現1Hz～3kHz步進式PWM的輸出；具有分辨率高、反應速度快及占用CPU時間少的優點。
關鍵詞：8254-2 89C51 脈寬調制（PWM）分辨率
引言
脈寬調制（PWM）技術最初是在無線電技術中用于信號的調制，后來在電機調速中得到了很好的應用。本設計中要求輸出PWM從1Hz～3kHz步進式遞增，單步為1Hz。由于89C51的時鐘最大能取24MHz，單指令周期為0.5μs，計數頻率為×10 6Hz。當輸出2999Hz和3000Hz時，若采用89C51內部計數器來計數，根本無法區別。因為計數頻率為2MHz，單指令周期0.5μs，而要輸出2999Hz時，計數應為666.889；輸出3000Hz時，計數誚為666.887。因此在本設計中，采用外部定時器/計數器8254-2。因為8254-2最高計數頻率可達10MHz，能滿足以上設計的要求，另外采用8254-2的工作方式3可輸出方波。當定時器/計數器8254-2以方式3工作時，在計數的過程中輸出有一半時間為高，另一半時間為低。所以，若計數值為N，則其輸出在前N/2時可輸出高電平，后N/2時可輸出低電平，不需要用軟件來控制高低電平的轉換，但8254-2計數范圍有一定的限制，在采用二進制計數時，范圍為0000～9999，最大計數為10 000。此外，為了使分辨率達到要求，還需要考慮程序指令所占用的時間，尤其是在輸出高頻時，分辨率尤為重要。
1 硬件設計
1.1 8254可編程定時器/計數器[1]簡介
Intel公司的8254是8253的改進型，操作方式及引腳與8253完全相同。它的改進主要反映在2方面：①8254的計數頻率更高，可由直流至6MHz；8254-2可高達10MHz。②8254多個1個讀回命令（寫至控制器的寄存器），其格式如圖1所示。
這個命令可以令3個通道的計數器都鎖存（8253要3個通道的計數值都鎖存，需寫入3個命令）。另外，8254中的每個計數器都有1個狀態字可由讀回命令令其鎖存，然后由CPU讀取。狀態字的格式如圖2所示。其中D5～D0即為寫入此通道的控制字的相應部分。D7反映了該計數器的輸出引腳。輸出（OUT）為高電平，D7=1；輸出為低電平，D7=0。D6反映時間常數寄存器中的計數值是否已經寫入了計數單元中。當向通道寫入控制字以及計數值后，狀態字節中的D6=1；只有當計數值寫入計數單元后，D6=0。
本設計選擇8254-2的方式3工作。方式3是一種方波速率發生器。在這種方式中，當CPU設置控制字后，輸出將為高，在寫完計數值后就自動開始計數，輸出保持為高；當計數到一半計數值時，輸出變為低，直至計數到0，輸出又變高，重新開始計數。若在計數期間寫入個新的計數值，并不影響現行的計數過程。但是若在方波半周期結束前和新計數值寫入后收到GATE脈沖，計數器將在下一個CLK脈沖時裝入新的計數值并以這個計數值開始計數。否則，新的計數值將在現行半周期結束時裝入計數器。
1.2 PWM輸出的硬件設計
本設計選用可編程定時器/計數器8254-2，其最高計數頻率可達10MHz；充分利用8254-2的3個定時器/計數器，采取頻率的分頻輸出，并且不需要外部的信號源輸入，硬件電路簡化；通過軟件的處理可以實現連續（1Hz～3kHz）PWM波的輸出。本設計中將要輸出的PWM波分為3段，分別由8254-2中的3個定時/計數器輸出，門控由P2.2、P2.3、P2.4分別加以控制。在1～20Hz的輸出時，采用定時器0，計數頻率為10 4Hz，最大計數為10 4，最小計數為500符合要求，21～200Hz的輸出中，采用定時器1，計數頻率為10 5Hz，最大計數為4762，最小計數為500；在201Hz～3kHz 的輸出中，采有定時器2，計數頻率為10 7Hz，最大計數為49 751，滿足二進制計數的范圍，最小計數為3333。這些計數值可由單片機89C51[2]送給8254-2的數據輸入端，通過除法運算來得到這些計數值，由除法運算得到商。所得到的商去程序指令占用的時間即為所需要的計數值。采用8254-2的3個定時器的輸出經過1個或門作為CD4046鎖相環的輸入，同時經過1個非門進入89C51的INT1口，申請下降沿中斷；CD4046鎖相環輸出所需的PWM。
為了防止程序進入死循環，增加了外部的硬件看門狗定時器IMP813L[3]，其內部的看門狗定時器監控UP/UC的工作。如果在1.6s內未檢測到其工作，內部的定時器將使看門狗輸出WDO處于低電平狀態，WDO將保持低電平直到在WDI檢測到UP/UC的工作。將WR和WDO連接可使看門狗超時產生復位。
具體硬件電路如圖3所示。
2 軟件設計
軟件主要由3部分組成：主程序、鍵盤掃描程序、中斷處理程序。主程序流程如圖4所示。
主要地址分配如表1所列。
表1 地址分配
| 30H～31H
| 顯示頻率的高、低8位 |
| 32H～34H
| 計數時鐘頻率的高、中、低8位 |
| 35H～36H
| 8254-2所需計數值的高、低8位 |
| 37H～38H
| 緩存顯示頻率的高、低8位（十六進制） |
| 40H～43H
| 顯示緩存區地址（BCD數） |
（1）中斷處理過程
當89C51檢測到有INT1中斷時，進入中斷處理程序中，首先檢測30H和31H中的內容是否大于20；若不大于20，則門控為P2.2，選中8254-2，選擇計數器0、 方式3、16位二進計數，送上次計算出來的這次所需要的計數值給8254-2，將10 4送入32H、33H中作為除法運算中的被除數，而30H、31H的內容作為除法運算中的除數，調用除法運算子程序將所得的商送入32H、33H，余數放在35H、36H中。比較余數是否大于除數的一半，若大于除數的一半則所得的商加1，否則商不變放在32H、33H中。假設程序指令所占用的時間為X/200（其中X為中斷程序中單指令周期的個數），將32H、33H中的內容減去X/200，即為下次所要送入8254-2的計數值，放在35H、36H中，返回中斷；若大于20，則門控為P2.3，選中8254-2，選擇計數器1、方式3，送上次計算出來的這次所需的計數值給8254-2，將10 5送入32H、33H、34H中作為除法運算中的被除數，而30H、31H中的內容作為除法運算中的除數，調用除法運算子程序，將所得的商送入32H、33H中，余數放在35H、36H中。比較余數是否大于除數的一半，若大于除的一半則所得的商加1，否則商不變。假設程序指令所占用的時間為X/20，將32H、33H中的內容減去X/20即為下次所要送入8254-2的計數值，放在35H、36H中，返回中斷，若大于200，則門控為P2.4，選中8254-2,選擇計數器2、方式3、二進制計數，送上次計算出來的這次所需的計數值給8254-2，將10 7送入32H、33H、34H中作為除法運算中的被除數，而30H、31H中的內容作為除法運算中的除數，調用除法運算子程序，將所得的商送入32H、33H中，余數放在35H、36H.比較余數是否大于除數的一半，若大于除數的一半則所得的商加1，否則商不變入在32H、33H中。假設程序指令令所占用的時間為X*5，將32H、33H中的內容減去5X，即為下次所要送入8254-2的計數值，放在35H、36H中，返回中斷。
（2）設置軟件陷阱
當程序進入到非程序區，只要在非程序區設置攔截措施，使程序進入陷阱，然后強迫程序回到初始狀態。如對CPU的RST指令對應的字節碼為0FFH，如果不用的程序存儲區預先寫入0FFH，則當程序因干擾而“飛”到該區域執行代碼時，就相當于執行1條RST指令，從而達到系統復位的目的。
結束語
采用89C51控制PWM分段，8254-2步進式輸出1Hz～3kHz的PWM，可以通過軟件編程的方法提高分辨率。在有些特殊場合只靠單片機內部的定時器或模擬電路無法精確輸出1Hz～3kHz，單步為1Hz的PWM波形時，此設計就顯出其明顯的優越性，而且它占用的CPU時間短。此設計的結構簡單、成本低、可靠性好、抗干擾能力強，可在控制和測量中得到應用。
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66821730(技術支持)
