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

30H～31H 显示频率的高、低8位 
32H～34H 计数时钟频率的高、中、低8位 
35H～36H 8254-2所需计数值的高、低8位 
37H～38H 缓存显示频率的高、低8位（十六进制） 
40H～43H 显示缓存区地址（BCD数） 

（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。