阻塞方式、中斷方式以及定時(shí)器捕獲功能

PWM（Pulse Width Modulation），一般指脈沖寬度調(diào)節(jié)，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中，比如LED亮度調(diào)節(jié)、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制等。

而在某些特殊應(yīng)用中，我們也需要通過測(cè)量輸入PWM的占空比，來實(shí)現(xiàn)不同的輸出控制，這就需要使用到PWM占空比的測(cè)量方法。這里介紹三種不同的測(cè)量方法：阻塞方式、中斷方式以及定時(shí)器捕獲功能。

1. 阻塞方式

MCU阻塞方式測(cè)量PWM占空比的原理比較簡(jiǎn)單，也只需要使用到一個(gè)普通的IO端口（設(shè)置為輸入模式，對(duì)于51而言那就是一個(gè)普通的雙向口具體實(shí)現(xiàn)流程為：

等待上升沿到來，然后開啟定時(shí)器，開始計(jì)時(shí)；

等待下降沿到來，記錄下定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，即得到PWM的高電平時(shí)間H；

同時(shí)，清零定時(shí)器，重新開始計(jì)數(shù)；

等待上升沿到來，記錄下定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，即得到PWM的低電平時(shí)間L；

計(jì)算得出占空比：duty = H / （H + L）;

阻塞方式原理簡(jiǎn)單，而且只需要MCU有一個(gè)定時(shí)器的資源即可實(shí)現(xiàn)；但采集時(shí)阻塞CPU運(yùn)行，阻塞的時(shí)間和輸入PWM的周期相關(guān)，只適用于實(shí)時(shí)性較低的系統(tǒng)。

另外，上述流程中存在著一個(gè)嚴(yán)重的BUG，即當(dāng)輸入的PWM占空比為0%或者100%時(shí)，程序會(huì)被一直阻塞，等待上升沿/下降沿的到來。所以解決方法是，在等待上升沿/下降沿的過程中，實(shí)時(shí)提取定時(shí)器的值，一旦定時(shí)時(shí)間超過1個(gè)周期的限定（一般可定義為2-3個(gè)周期時(shí)間），即退出等待，并根據(jù)端口電平判斷此時(shí)占空比為0%（低電平）或100%（高電平）。

示例代碼，僅供參考：

//獲取PWM輸入腳的電平

#define PWM_IN（） xxxxxx

//定義超時(shí)時(shí)間（如2-3倍PWM周期）

#define T1_TIMEOUT xxxxxx

uint8_t PWM_Analyse（void）

{

uint8_t duty = 0xFF;

uint16_t pwm_H = 0;

uint16_t pwm_L = 0;

if （PWM_IN（）） //初始為高電平，則開始等待低電平

{

TH1 = 0;

while （PWM_IN（）） //等待下降沿

{

if （TH1 》= T1_TIMEOUT） //下降沿沒有到來，判定為100%占空比

{

duty = 100;

return duty;

}

}

TH1 = 0;

TL1 = 0;

while （！PWM_IN（）） //等待上升沿

{

if （TH1 》= T1_TIMEOUT） //上升沿沒有到來，判定為0%占空比

{

duty = 0;

return duty;

}

}

pwm_L = （TH1 《《 8） | TL1;

TH1 = 0;

TL1 = 0;

while （PWM_IN（）） //等待下降沿

{

if （TH1 》= T1_TIMEOUT） //下降沿沒有到來，判定為100%占空比

{

duty = 100;

return duty;

}

}

pwm_H = （TH1 《《 8） | TL1;

duty = pwm_H * 100 / （pwm_H + pwm_L）;

return duty;

}

else //當(dāng)前為低電平，則開始等待高電平

{

TH1 = 0;

while （！PWM_IN（）） //等待上升沿

{

if （TH1 》= T1_TIMEOUT） //上升沿沒有到來，判定為0%占空比

{

duty = 0;

return duty;

}

}

TH1 = 0;

TL1 = 0;

while （PWM_IN（）） //等待下降沿

{

if （TH1 》= T1_TIMEOUT） //下降沿沒有到來，判定為100%占空比

{

duty = 100;

return duty;

}

}

pwm_H = （TH1 《《 8） | TL1;

TH1 = 0;

TL1 = 0;

while （！PWM_IN（）） //等待上升沿

{

if （TH1 》= T1_TIMEOUT） //上升沿沒有到來，判定為0%占空比

{

duty = 0;

return duty;

}

}

pwm_L = （TH1 《《 8） | TL1;

duty = pwm_H * 100 / （pwm_H + pwm_L）;

return duty;

}

return 0xFF;

}

2. 中斷方式

中斷方式的PWM采集原理與阻塞方式相同，只是將判定移動(dòng)至外部中斷中。開啟MCU端口的外部中斷（上升沿和下降沿中斷）；如果MCU外部中斷觸發(fā)不支持上升和下降沿中斷，則先開啟上升沿中斷，在中斷處理中切換中斷觸發(fā)條件。

處理方法：在中斷處理函數(shù)中，根據(jù)當(dāng)前電平狀態(tài)，記錄下定時(shí)器的值，并清零定時(shí)器的值，重新開始下一輪計(jì)時(shí)。

0%和100%的處理：設(shè)定一個(gè)定時(shí)遞增的變量，同時(shí)在外部中斷中執(zhí)行清零操作。若該變量超過一定值（說明外部中斷有較長(zhǎng)時(shí)間沒有觸發(fā)），則判定為0%或100%。

uint16_t pwm_H = 0;

uint16_t pwm_L = 0;

uint16_t pwm_time_out = 0;

void EXT1_ISR（void） interrupt EXTI1_VECTOR

{

if （PWM_IN（））

{

pwm_L = （TH1 《《 8） | TL1; //記錄低電平時(shí)間

TH1 = 0;

TL1 = 0;

}

else

{

pwm_H = （TH1 《《 8） | TL1; //記錄高電平時(shí)間

TH1 = 0;

TL1 = 0;

}

//該變量定時(shí)遞增（如1ms遞增1），在外部中斷中清零

//在主程序中判斷，超過一定值時(shí)認(rèn)為PWM占空比為0%或100%

pwm_time_out = 0;

return;

}

注：使用中斷方式，則占空比計(jì)算不建議放在中斷中處理；同時(shí)，為了保證占空比的準(zhǔn)確性，可以連續(xù)2-3次計(jì)算結(jié)果一致時(shí)，再確定當(dāng)前占空比的結(jié)果。

3. MCU捕獲方式

采用捕獲方式的前提是MCU支持捕獲功能。當(dāng)前部分廠家推出的51內(nèi)核單片機(jī)，會(huì)包含一個(gè)定時(shí)器2，其擁有捕獲功能；或者采用32位單片機(jī)，一般都帶有捕獲功能。捕獲的原理很簡(jiǎn)單，當(dāng)上升沿或下降沿來臨時(shí)，MCU硬件將定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的值保存在一個(gè)影子寄存器中，并產(chǎn)生捕獲中斷。

通過固定每次上升/下降沿的計(jì)數(shù)器值，相減即可分別得出高電平值和低電平值，從而計(jì)算出占空比。

下面以某顆51內(nèi)核的MCU為例，提供示例代碼：

unsigned int pwm_fall = 0， pwm_rise = 0;

volatile unsigned int pwm_H;

volatile unsigned int pwm_L;

volatile unsigned char pwm_time_out;

//------------------------------------------------------------

void T2_interrupt（void） interrupt 5 //定時(shí)器2中斷;

{

if （CCCON & 0x02） //CC1中斷標(biāo)志位

{

CCCON &= 0xFD; //清除中斷標(biāo)志

if （PWM_IN（）） //上升沿觸發(fā)

{

pwm_rise = CC1; //獲取捕獲寄存器中的值

pwm_L = pwm_rise - pwm_fall;

}

else

{

pwm_fall = CC1; //獲取捕獲寄存器中的值

pwm_H = pwm_fall - pwm_rise;

}

//該變量定時(shí)遞增（如1ms遞增1），在外部中斷中清零

//在主程序中判斷，超過一定值時(shí)認(rèn)為PWM占空比為0%或100%

pwm_time_out = 0;

}

}

注： pwm_rise/pwm_fall/pwm_L/pwm_H都必須使用無符號(hào)數(shù)，否則相減時(shí)可能得到錯(cuò)誤的值。

總結(jié)

方式一：任何單片機(jī)都可以實(shí)現(xiàn)，但是阻塞方式會(huì)使系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性變差；

方式二：在使用時(shí)，需要保證外部中斷的最高優(yōu)先級(jí)，不可以被其他中斷打斷，以保證其準(zhǔn)確性；

方式三：的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性都較高，但是需要MCU硬件支持。

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審核編輯：何安