舵機控制器的設計 - 關于單片機控制多路pwm輸出問題的全解

　　3 舵機控制器的設計

　　（1）舵機控制器硬件電路設計

　　從上述舵機轉角的控制方法可看出，舵機的控制信號實質是一個可嗣寬度的方波信號（PWM）。該方波信號可由FPGA、模擬電路或單片機來產生。采用FPGA成本較高，用模擬電路來實現(xiàn)則電路較復雜，不適合作多路輸出。一般采用單片機作舵機的控制器。

　　目前采用單片機做舵機控制器的方案比較多，可以利用單片機的定時器中斷實現(xiàn)PWM。該方案將20ms的周期信號分為兩次定時中斷來完成：一次定時實現(xiàn)高電平定時Th；一次定時實現(xiàn)低電平定時T1。Th、T1的時間值隨脈沖寬度的變換而變化，但，Th+T1=20ms。該方法的優(yōu)點是，PWM信號完全由單片機內部定時器的中斷來實現(xiàn)，不需要添加外圍硬件。缺點是一個周期中的PWM信號要分兩次中斷來完成，兩次中斷的定時值計算較麻煩；為了滿足20ms的周期，單片機晶振的頻率要降低；不能實現(xiàn)多路輸出。也可以采用單片機+8253計數(shù)器的實現(xiàn)方案。

　　該方案由單片機產生計數(shù)脈沖（或外部電路產生計數(shù)脈沖）提供給8253進行計數(shù)，由單片機給出8253的計數(shù)比較值來改變輸出脈寬。該方案的優(yōu)點是可以實現(xiàn)多路輸出，軟件設計較簡單；缺點是要添加l片8253計數(shù)器，增加了硬件成本。本文在綜合上述兩個單片機舵機控制方案基礎上，提出了一個新的設計方案，如圖4所示。

　　該方案的舵機控制器以AT89C2051單片機為核心，555構成的振蕩器作為定時基準，單片機通過對555振蕩器產生的脈沖信號進行計數(shù)來產生PWM信號。該控制器中單片機可以產生8個通道的PWM信號，分別由AT89C2051的P1．0～Pl.7（12～19引腳）端口輸出。輸出的8路PWM信號通過光耦隔離傳送到下一級電路中。因為信號通過光耦傳送過程中進行了反相，因此從光耦出來的信號必須再經過反相器進行反相。

　　方波信號經過光耦傳輸后，前沿和后沿會發(fā)生畸變，因此反相器采用CD40106施密特反相器對光耦傳輸過來的信號進行整形，產生標準的PWM方波信號。筆者在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，舵機在運行過程中要從電源吸納較大的電流，若舵機與單片機控制器共用一個電源，則舵機會對單片機產生較大的干擾。因此，舵機與單片機控制器采用兩個電源供電，兩者不共地，通過光耦來隔離，并且給舵機供電的電源最好采用輸出功率較大的開關電源。該舵機控制器占用單片機的個SCI串口。串口用于接收上位機傳送過來的控制命令，以調節(jié)每一個通道輸出信號的脈沖寬度。MAX232為電平轉換器，將上位機的RS232電平轉換成TTL電平。

　?。?）實現(xiàn)多路PWM信號的原理

　　在模擬電路中，PWM脈沖信號可以通過直流電平與鋸齒波信號比較來得到。在單片機中，鋸齒波可以通過對整型變量加1操作來實現(xiàn)，如圖5所示。假定單片機程序中設置一整型變量SawVal，其值變化范圍為O～N。555振蕩電路產生的外部計數(shù)時鐘信號輸入到AT89C2051的INTO腳。每當在外部計數(shù)時鐘脈沖的下降沿，單片機產生外部中斷，執(zhí)行外部中斷INT0的中斷服務程序。每產生一次外部中斷，對SawVal執(zhí)行一次加1操作，若SawVal已達到最大值N，則對SawVal清O。SawVal值的變化規(guī)律相當于鋸齒波，如圖5所示。若在單片機程序中設置另一整型變量DutyVal，其值的變化范圍為O～N。每當在SawVal清0時，DulyVal從上位機發(fā)送的控制命令中讀入脈沖寬度系數(shù)值，例如為H（0≤H≤N）。若DutyVal≥SawVal，則對應端口輸出高電平；若DutyVal《Sawval，則對應端口輸出低電平。從圖5中可看出，若改變DutyVal的值，則對應端口輸出脈沖的寬度發(fā)生變化，但輸出脈沖的頻率不變，此即為PWM波形。

　　設外部計數(shù)時鐘周期為TINT0，鋸齒波周期（PWM脈沖周期）為TPWM，PWM脈沖寬度占空比為D，由圖5可得出如下關系：

　　由式（3）可知，PWM波形的周期TPWM一旦確定下來，只須選定計數(shù)最大值N，就可以確定外部時鐘脈沖所需周期（頻率）。外部時鐘脈沖周期TINT0顯然是PWM脈沖寬度變換的最小步距，即調節(jié)精度。由式（4）可知，N越大，步距所占PWM周期的百分比越小，精度越高。例如，若采用8位整型變量，最大值N=28-1=255，則精度為1／（255+1）=1／255；若采用16位整型變量，最大值N=216-1=65535，則精度為1／65536。文中計數(shù)變量SawVal采用8位整型變量，因此N=255。對于一般應用，其精度已足夠。就舵機而言，要求TPWM=20ms，則可算得外部時鐘周期為：

　　因此，設計555振蕩電路時，其輸出脈沖的頻率應為：

　　當有多個變量與SawVal比較，將比較結果輸出到多個端口時。就形成了多路PWM波形。各個變量的值可以獨立變化，因此各路PWM波形的占空比也可以獨立調節(jié)，互不相干。多路PWM波形的產生如圖6所示。圖中以3路PWM波形為例。