技能培训专题-C8051FMCU应用笔记.pdf

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1、C8051F MCU应应 用用 笔笔 记记 Silicon Laboratories Inc. 新华龙电子有限公司 4635 Boston Lane 深圳市福田区华强北路现代之窗大厦 A 座 13F C 室(518013) Austin, TX 78735 0755-83645240 83645242 83645244 83645251 AN007 用 PCA 实现 16 位 PWM 相关器件相关器件 本应用笔记适用于下列器件： C8051F000、C8051F001、C8051F002、C8051F005、C8051F006、C8051F010、C8051F011和 C8051F012。 引

2、言 脉冲宽度调制（PWM）波形常用于闭环反馈和控制应用，例如：控制加热单元的开关状态以 调节DWDM（波分复用）系统中激光器的温度。在某些应用中，可编程计数器阵列（PCA）的内 建8位PWM方式不能提供任务所需的足够的分辨率。本应用笔记介绍如何用PCA的高速输出方 式和最小的软件开销来产生一个16位分辨率的PWM波形。 背景 图1给出了PWM波形的一个例子。用于闭环控制应用的PWM信号的频率并不重要，只要波形 足够快就可以了，象控制系统的阶跃响应时间就应远远小于PWM信号的周期。信号所携带的 的信息用波形的占空度来编码，占空度是波形为高电平的时间与PWM信号的周期之比。对于一个 PWM实现来说

3、，其输入是一个数值，通常为整数，该数值与所要求的输出波形的占空度成正比。 t H tP tH tP - -= 占空比 图图1. PWM波形示例波形示例 实现 在一个基于8051的设计中，有很多方法用于产生PWM波形：软件循环、查询或中断驱动的定 时器等等。本应用笔记中的例子使用可编程计数器阵列（PCA） 。相对于任何查询机制（基于软件 或定时器）而言，使用PCA产生PWM可以大大降低所需要的CPU带宽，并可以消除在中断驱动的 基于定时器的设计中因中断延迟不一致而产生的时序抖动。 电话： Email: （版权所有） 电邮： Internet: 网址： AN007 用 PCA 实现 16 位 PW

4、M PCA简介简介 PCA包含一个16位的计数器/定时器和5个捕捉/比较模块，如图2所示。计数器/定时器有一个16 位的计数器/定时器寄存器（PCA0H:PCA0L） 、一个用于选择时间基准的方式寄存器（PCA0MD） 和一个包含计数器/定时器运行控制及各模块捕捉/比较标志的控制寄存器（PCA0CN） 。每个捕捉/ 比较模块有一个用于选择模块工作方式（边沿触发捕捉、软件定时器、高速输出或PWM）的配置 寄存器（PCA0CPMx）和一个16位的捕捉/比较寄存器（PCA0CPHn:PCA0CPLn） 。 由于所有的捕捉/比较模块共享一个时间基准，因此它们同步工作，例如在电机控制应用中可 以提供锁相

5、激励波形。另外，由于每个模块有其自己的控制和捕捉/比较寄存器，因此每一个模块 工作上又独立于其它模块，只要任何一个模块的服务程序都不影响共享的时间基准（停止或重新设 置计数器/定时器、改变计数器/定时器的时钟源） 。 本应用笔记中的例子将PCA配置为独立工作； 每个模块的服务程序只影响该模块的配置寄存器 和捕捉/比较寄存器。PCA方式寄存器只设置一次，不再改变，让计数器/定时器寄存器 （PCA0H:PCA0L）自由运行。 /4 /12 00 01 10 CPS=11 系统时钟 T0溢出 16位计数器/定时器 捕捉/比较模块0捕捉/比较模块1捕捉/比较模块2捕捉/比较模块4捕捉/比较模块5 交叉

6、开关 端口I/O 图图2. PCA原理框图原理框图 2 AN007-1.0 DEC00 AN007 用 PCA 实现 16 位 PWM 选择 PCA 的时基信号 PCA的时基信号可以是下述四个时钟源之一：SYSCLK/12、SYSCLK/4、定时器0溢出、或出 现在一个外部引脚ECI上的下降沿。图3给出了PCA计数器/定时器的方框图。 在下面的几节中我们将看到，PCA时基信号的选择决定PWM波形的频率。如前所述，PWM波 形的频率通常并不重要，只要足够快就可以了。 一个不很明显的时序选择是：PCA可以按SYSCLK的时钟频率工作。这可以通过选择定时器0 溢出作为PCA时钟源，将定时器0设置为8

7、位自动重装载方式并设重载值为0 xFF来实现。 本应用笔记中的所有例子都将PCA配置为用SYSCLK/4作为时钟源。 PCA0HPCA0L PCA0CN C F C R C C F 0 C C F 2 C C F 1 C C F 4 C C F 3 SYSCLK/12 SYSCLK/4 ECI 00 01 10 11 PCA0MD C I D L E C F C P S 1 C P S 0 IDLE 0 1 CF 定时器0溢出 去PCA模块 去PCA中断系统 溢出 读PCA0L 去SFR总线 瞬象寄存器 图图3. PCA计数器计数器/定时器原理框图定时器原理框图 用用PCA实现实现8位位PWM

8、 我们首先介绍一个能产生8位精度PWM波形的方法。为了叙述的完整性，先介绍PCA的PWM 方式。 在该方式中， 捕捉/比较模块被配置为图4所示的PWM方式。 出现在CEXn的波形的周期等于256 个PCA时钟周期。该信号的低电平时间等于在模块的捕捉比较寄存器（PCA0CPLn）的低字节中 所存储的8位数值。这种关系如图5所示。 在主PCA计数器（PCA0L）的低字节发生溢出时，模块的比较寄存器的高字节被拷贝到模块的 比较寄存器的低字节（PCA0CPLn=PCA0CPHn） 。通过更新PCA0CPHn就能改变占空度。拷贝过程 保证在输出端不产生毛刺。 输出波形的占空度（用表示）由下式给出： AN

9、007-1.0 DEC00 3 AN007 用 PCA 实现 16 位 PWM 100 256 CPHn0PCA256 占空度 因为PCA0CPHn可以含有一个0255的数值，所以可编程的最大和最小占空度为0.38% （PCA0CP0H=0 xFF）到100% (PCA0CP0H=0 x00)。占空度选择的分辨率为： 38. 0100 256 1 分辨率= 8位PWM方式的最大优点是不需要CPU的干预就可以输出一个固定占空度的波形。事实上，如 果CIDL位（PCA0MD.7）被设置为0 （复位状态） ，即使CPU处于休眠状态，输出波形也将保持。 改变占空度是通过向PCA0CPHn写入一个8位数

10、来完成。 在本应用笔记最后包含的文件PWM8_1.C提供了一个8位PWM方式的例子。 8位PWM方式的其它注意事项： 1 可以通过将模块配置寄存器中的ECOMn位（PCA0CPMn.6）清0使CEXn输出保持为低电平。这 样就可以产生一个0%占空度的波形。可以通过向该位写1或向PCA0CPHn写入一个任意值 来恢复正常的PWM输出。 2 将MATn和ECCFn位（分别为PCA0CPMn.3 和 PCA0CPMn.0）设置为1会导致在CEXn的下 降沿产生个中断。 PCA0L PCA0CPLn PCA0CPHn CEXn PCA0CPMn E C O M n E C C F n T O G n

11、P W M n C A P P n C A P N n M A T n 0 0 x 0 x Q Q SET CLR S R 8位比较器 允许匹配 溢出 PCA时基 交叉开关端口I/O 图图4. PCA被配置为被配置为8位位PWM方式方式 4 AN007-1.0 DEC00 AN007 用 PCA 实现 16 位 PWM 256 PCA0CPHn CEXn 图图5. 8位位PWM方式的输出波形方式的输出波形 用用PCA产生产生16位位PWM 为了产生一个具有16位精度的PWM波形，我们将PCA模块配置为高速输出方式，如图6所示。 在该方式下，每当主定时器计数器的寄存器（PCA0H:PCA0L）与

12、模块的捕捉/比较寄存器 （PCA0CPHn:PCA0CPLn）相匹配时，CEXn引脚发生电平转换，并可以选择产生中断。 在示例代码中，PCA模块的中断服务程序用两个状态中实现：上升沿状态和下降沿状态，取决 于CEXn引脚上哪一个边沿触发中断。注意，现在所说的的CEXn引脚被看作状态变量。 在上升沿状态，模块的捕捉/比较寄存器被下一个下降沿的比较值更新（该值在示例代码中被 称为PWM） 。在下降沿状态，下一个上升沿的比较值被装入模块的捕捉/比较寄存器，该值为 （0 x0000） 。这一过程如图7所示。注意，PWM波形的周期为65536个PCA时钟周期。 占空度（用表示）由下式给出： 100 65

13、536 PWM =占空度 PCA0H PCA0CPHn PCA0L PCA0CPLn PCA0CN C F C R C C F 0 C C F 2 C C F 1 C C F 4 C C F 3 0 1 PCA0CPMn E C O M n E C C F n T O G n P W M n C A P P n C A P N n M A T n 0 00 x CEXn ENB ENB 0 1 PCA0CPLn PCA0CPHn 0 1 TOGn 写到 写到 PCA时基 允许匹配 16位比较器 交叉开关端口I/O 电平切换 PCA中断 图图6. PCA配置为高速输出方式配置为高速输出方式 AN

14、007-1.0 DEC00 5 AN007 用 PCA 实现 16 位 PWM CEXn PCA0CPn0 x0000PWMPWM 匹配发生； 中断已调用 匹配发生； 中断已调用 比较寄存 器已更新 比较寄存 器已更新 图图7. 16位位PWM的捕捉的捕捉/比较寄存器装载过程比较寄存器装载过程 所允许的最大和最小占空度由CEXn发生变化（它触发过程中断）后更新比较值所需要的最大 时间决定。在C示例代码和汇编示例代码中（分别为pwm16_1.c和pwm16_1.asm ） ，PWM 的最小值7个PCA时钟（对于本例为28个SYSCLK周期） 。在这种情况下最小和最大占空度的值分别 为0.01%和

15、99.99%。占空度的分辨率（用表示）为： 0015. 0100 65536 1 分辨率= 或大约15个ppm（1ppm=百万分之一） 。 处理该中断的CPU开销是最小的。在汇编示例代码中处理两个边沿共需要41个SYSCLK周期， 这不包括中断调用和中断返回所需的时间。两个边沿都必须每隔65536个PCA时钟被处理一次，或 65536*4=262144个SYSCLK周期（如果PCA时钟等于SYSCLK4） 。所消耗的CPU带宽（用表示） 等于（41/262144*100）=0.015%。 还应注意到CPU可以在保留在等待方式，如示例中所做的那样，这是因为PCA模块中断在需要 处理时将唤醒CPU

16、内核。 在示例中，占空度是通过向变量PWM写入一个16位的值来改变的。 用用PCA实现实现n位位PWM 作为16位PWM的推广，我们介绍在一些应用中所需要的高于8位精度但低于16位精度的n位 PWM。采用n位PWM方案的动机之一是为了获得比16位实现方式更高的PWM输出频率。 在该例中（ PWMn_1.c ）用到两个16位变量：PWMHIGH（保持用于使输出波形处于高电 平所需要的PCA时钟数） ，PWMLOW（保持用于使输出波形处于低电平所需要的PCA时钟数） 。 输出波形的周期为这两个变量的和： 周期=PWM_HIGH+PWM_LOW 占空度（用%表示）由下式给出： 100 + = PWM

17、LOWPWMHIGH PWMHIGH 占空度 6 AN007-1.0 DEC00 AN007 用 PCA 实现 16 位 PWM 占空度的分辨率（用%表示）为： 100 + = PWMLOWPWMHIGH 1 分辨率 与16位PWM的情况类似，中断处理过程在两个状态中实现：一个用于上升沿状态，另一个用 于下降沿状态。 主要区别是在16位的情况下被装入到PCA模块比较寄存器的数值是一个常数 （PWM 或0） 。在n位的情况下，常数（PWM_HIGH或PWM_LOW）被加到模块的比较寄存器的当前值。这 一加法操作比装载一个常数需要多花几个时钟周期， 这就导致了输出波形的高电平或低电平的最小 时间略

18、大于相应的16位解决方案。 注：通过向PWM_HIGH和PWM_LOW写入合适的高电平和低电平值，n位PWM方案可以用于产 生一个任意频率的波形。 AN007-1.0 DEC00 7 AN007 用 PCA 实现 16 位 PWM 软件示例软件示例 PWM8_1.c /- / PWM8_1.c /- / / AUTH: BW / / 目标器件： C8051F000、F001、F002、F005、F006、F010、F011或F012 / 工具链： KEIL C51 / / 说明： / 实现8位PWM的示例代码。 / PCA被配置为8位PWM方式，使用SYSCLK/4作为时基信号。 / 中保持着

19、每256个计数周期内输出波形为低电平的PCA周期数。 / 波形为高电平的时间占（256 - PWM）个周期。 / 输出波形的占空度=(256 - PWM)/256。 / / 由于该8位PWM完全受硬件控制，不需要额外的CPU周期来维持固定的 / 占空度。在本例中，改变占空度只需要向模块的比较寄存器PCA0CP0H / 的高字节写一个8位数。 / / 可以达到的占空度范围是0.38%(PCA0CP0H = 0 xff) / 到100%(PCA0CP0H = 0 x00)。 / /- / 包含文件 /- #include / SFR 声明 /- / 全局常量 /- #define PWM 0 x8

20、0 / 波形为低电平的PCA周期数 / 占空度 = (256 - PWM) / 256 / 注：这是一个8位数 8 AN007-1.0 DEC00 AN007 用 PCA 实现 16 位 PWM /- / 函数原型 /- void main (void); /- / 主程序 /- void main (void) WDTCN = 0 xde; / 禁止看门狗定时器 WDTCN = 0 xad; OSCICN = 0 x07; / 设置SYSCLK到16MHz，内部振荡器。 XBR0 = 0 x08; / 使CEX0输出到P0.0 XBR2 = 0 x40; / 允许交叉开关和弱上拉 PRT0C

21、F = 0 x01; / 设置P0.0输出为推挽方式 PRT1CF = 0 x20; / 设置P1.6输出为推挽方式(LED) / 配置PCA PCA0MD = 0 x02; / 禁止CF中断 / PCA时基= SYSCLK / 4 PCA0CPL0 = PWM; / 初始化PCA的PWM值 PCA0CPH0 = PWM; PCA0CPM0 = 0 x42; / CCM0为8位PWM方式 PCA0CN = 0 x40; / 允许PCA计数器 while (1) PCON |= 0 x01; / 设置等待方式 AN007-1.0 DEC00 9 AN007 用 PCA 实现 16 位 PWM P

22、WM16_1.c /- / PWM16_1.c /- / / 作者： BW / / 目标器件： C8051F000、F001、F002、F005、F006、F010、F011或F012 / 工具链： KEIL C51 / / 说明： / 实现16位PWM的示例代码。 / PCA被配置为高速输出方式，使用SYSCLK/4为时基信号。 / 保持输出波形为高电平的PCA周期数。 / 波形的低电平时间为(65536-PWM)个周期。输出的占空度=PWM/65536。 / / 由于有中断服务时间，所以PWM有最小和最大值， / 占空度也是如此，取决于中断服务时间 / 在使用Keil C51编译器（评估版

23、）时，最小的PWM值是7个PCA时钟。 / 最大值是65530。这相当于最小的占空度0.01%最大的占空度99.99%。 / 这是基于如下假设：PCA时基信号为SYSCLK/4，没有其它中断服务。 / /- / 包含文件 /- #include / SFR声明 /- / 全局常量 /- #define PWM_START 0 x4000 / 对应于PWM高电平时间的起始值 sbit PWM_OUT = P00; / 定义PWM输出端口引脚 /- / 函数原型 /- void main (void); void PCA_ISR (void); / PCA中断服务程序 /- / 全局变量 /- u

24、nsigned PWM = PWM_START; / 使波形为高电平的PCA周期数 / 占空度 = PWM/65536 / 注：这是一个16位数 10 AN007-1.0 DEC00 AN007 用 PCA 实现 16 位 PWM /- / 主程序 /- void main (void) WDTCN = 0 xde; / 禁止看门狗定时器 WDTCN = 0 xad; OSCICN = 0 x07; / 设置SYSCLK为16MHz，内部振荡器 XBR0 = 0 x08; / 使CEX0输出到P0.0 XBR2 = 0 x40; / 允许交叉开关和弱上拉 PRT0CF = 0 x01; / 设

25、置P0.0输出为推挽方式 PRT1CF = 0 x20; / 设置P1.6输出为推挽方式(LED) / 配置PCA PCA0MD = 0 x02; / 禁止CF中断 / PCA时基 = SYSCLK/4 PCA0CPL0 = (0 xff / 初始化PCA比较值 PCA0CPH0 = (0 xff PCA0CPM0 = 0 x4d; / CCM0为高速输出方式 EIE1 |= 0 x08; / 允许PCA中断 EA = 1; / 允许全局中断 PCA0CN = 0 x40; / 允许PCA计数器 while (1) PCON |= 0 x01; / 设置等待方式 /- / PCA_ISR /-

26、 / / 该ISR在PCA CCM0得到一次匹配时被调用。 / PWM_OUT是CEX0端口引脚，它保持当前边沿的状态：1 = 上升沿；0 = 下降沿 / 在上升沿，PWM_HIGH 被装入比较寄存器。在下降沿，比较寄存器被装入0。 / void PCA_ISR (void) interrupt 9 if (CCF0) CCF0 = 0; / 清除比较标志 if (PWM_OUT) / 处理上升沿 PCA0CPL0 = (0 xff / 设置PWM的下一个匹配值 PCA0CPH0 = (0 xff AN007-1.0 DEC00 11 AN007 用 PCA 实现 16 位 PWM else

27、/ 处理下降沿 PCA0CPL0 = 0; / 设置下一个匹配值为0 PCA0CPH0 = 0; else if (CCF1) / 处理其它PCA中断 CCF1 = 0; else if (CCF2) CCF2 = 0; else if (CCF3) CCF3 = 0; else if (CCF4) CCF4 = 0; else if (CF) CF = 0; PWM16_1.asm ;- ; CYGNAL INTEGRATED PRODUCTS, INC. ; ; ; 文件名： pwm16_1.ASM ; 目标MCU： C8051F000、F001、F002、F005、F006、F010、F

28、011或F012 ; 说明： 实现16位PWM的示例代码。 ； PCA被配置为高速输出方式，使用SYSCLK/4作为时基信号。 ； 保持输出波形为高电平的PCA周期数。 ； 波形的低电平时间为(65536-PWM)个周期。输出的占空度=PWM/65536。 ； ； 由于有中断服务时间，最小的PWM值是7个PCA时钟，最大值是65529。 ； 这相当于最小的占空度0.01068%，最大的占空度99.9893%。 ； 这是基于如下假设：PCA时基信号为SYSCLK/4，没有其它中断服务。 ; ; 如果PCA时基信号变为 SYSCLK/12，则最小和最大PWM值分别为3和65533， ; 对应的最小

29、和最大占空度分别为0.0046%和99.9954%。 ; ; 处理上升沿中断需要18个周期。处理下降沿中断需要19个周期。 ; ; 中断处理程序在每个边沿被调用，每65536个PCA时钟有两个边沿。 ; 用SYSCLK/4作为PCA时基信号时，每(65536*4)=262,144个SYSCLK中 ; 有37个周期用于边沿处理，这里未计中断调用和返回时间。 ; CPU占用率为(37/262,144)*100% = 0.0141%。 ; ; 用SYSCLK/12作为PCA时基信号时，每(65536*12)= 786,432个SYSCLK中 ; 有37个周期用于边沿处理。CPU占用率为(37/786

30、,432)*100% = 0.0047%。 ; ; 波形的周期是65536个PCA时钟。用SYSCLK/4作为PCA时基信号时， ; 该周期为262,144个SYSCLK周期。用缺省的内部振荡器工作于2MHz， 12 AN007-1.0 DEC00 AN007 用 PCA 实现 16 位 PWM ; 该周期为131ms(7.6Hz)。使用16MHz的内部振荡器时（如本例） ， ; 该周期为16.4ms(61Hz)。 ; ; 用SYSCLK/12作为PCA时基信号时，该周期为65536*12 =786,432 ; 个SYSCLK周期。用缺省的内部振荡器工作于2MHz，该周期为393ms(2.5H

31、z)。 ; 使用16MHz的内部振荡器时（如本例） ，该周期为49.2ms(20Hz)。 ; ; 在本例中，输出被连到P0.0，也被标识为PWM_OUT 。 ; ;- ;- ; 等价定义 ;- $MOD8F000 PWM EQU 32768 ; 波形为高电平的PCA周期数 ; 占空度 = PWM / 65536 ; 最大值 = 65529 (99.9893% 占空度) ; 最小值 = 7 (0.01068% 占空度) ; 注：这是一个16位的常数 PWM_OUT EQU P0.0 ; 定义PWM输出端口引脚 ;- ; 复位和中断向量表 ;- CSEG org 00h ljmp Main org

32、 04bh ljmp PCA_ISR ; PCA中断服务程序 ;- ; 主程序 ;- org 0b3h ; 在中断处理空间之后开始 Main: ; 禁止看门狗定时器 mov WDTCN, #0deh mov WDTCN, #0adh ; 允许内部振荡器工作于 16MHz mov OSCICN, #07h ; 允许交叉开关和弱上拉 mov XBR0, #08h ; CEX0连到P0.0 mov XBR2, #40h orl PRT0CF, #01h ; 配置 P0.0 AN007-1.0 DEC00 13 AN007 用 PCA 实现 16 位 PWM ; 配置 PCA mov PCA0MD,

33、#02h ; 禁止 cf 中断，PCA时基 = SYSCLK/4 mov PCA0CPL0, #LOW(PWM) ; 初始化PCA比较值 mov PCA0CPH0, #HIGH(PWM) mov PCA0CPM0, #4dh ; CCM0 为高速输出方式 ; 允许中断 orl EIE1, #08h ; 允许PCA中断 setb EA ; 允许全局中断 mov PCA0CN, #40h ; 允许PCA计数器 jmp $ ;- ; CCF0 中断向量 ; ; / 该ISR在PCA CCM0得到一次匹配时被调用。 / PWM_OUT是CEX0端口引脚，它保持当前边沿的状态：1 = 上升沿；0 = 下

34、降沿 / 在上升沿，PWM_HIGH 被装入比较寄存器。在下降沿，比较寄存器被装入0。 PCA_ISR: jbc CCF0, CCF0_HNDL ; 处理CCF0比较 jbc CCF1, PCA_STUB ; 分支程序 jbc CCF2, PCA_STUB jbc CCF3, PCA_STUB jbc CCF4, PCA_STUB jbc CF, PCA_STUB PCA_STUB: PCA_ISR_END: reti CCF0_HNDL: jnb PWM_OUT, CCF0_FALL ; 处理上升沿 CCF0_RISE: mov PCA0CPL0, #LOW(PWM) mov PCA0CPH

35、0, #HIGH(PWM) reti CCF0_FALL: ; 处理下降沿 mov PCA0CPL0, #00 mov PCA0CPH0, #00 reti ; 上升沿需要 4+3+11 = 18 个周期 ; 下降沿需要 4+4+11 = 19 个周期 ;- 14 AN007-1.0 DEC00 AN007 用 PCA 实现 16 位 PWM ; END ;- END AN007-1.0 DEC00 15 AN007 用 PCA 实现 16 位 PWM PWMn_1.c /- / PWMn_1.c /- / / 作者： BW / / 目标器件： C8051F000、F001、F002、F005

36、、F006、F010、F011或F012 / 工具链： KEIL C51 / / 说明： / 实现n位PWM的示例源代码。 / PCA被配置为高速输出方式，使用SYSCLK/4为时基信号。 / 保持输出波形为高电平的PCA周期数。 / 保持输出波形为低电平的PCA周期数。 / 输出的占空度= PWM_HIGH /( PWM_HIGH+ PWM_LOW)。 / / 由于有中断服务时间，因此PWM_HIGH和PWM_LOW有最小和最大值， / 占空度也是如此，取决于中断服务时间。如果不考虑编译器的效率， / 1%和99%之间的占空率很容易达到。 / 在使用评估版的Keil C51编译器时，最小的高电平和低电平时间各为 / 20个PCA时钟（最大频率约为100kHz w/16MHz内部SYSCLK） 。 / 这是基于如下假设：PCA时基信号为SYSCLK/4，没有其它中断服务。 / /- / 包含文件 /- #include / SFR声明 /- / 全局常量 /- #define PWM_START 0 x8000 / PWM_HIGH时间和PWM_LOW时间的起始值 sbit PWM_OUT = P00; / 定义PWM输出端口引脚 /- / 函数原型 /- void main (voi