《嵌入式系统设计》第10章-Exynos4412的PWM控制

第10章Exynos4412的PWM控制脉宽调制(Pulse-WidthModulation，PWM)是嵌入式控制系统中使用较多的直流电机调速技术，大多用在闭环伺服控制系统中，具有调速范围宽、升降速稳定、使用方便的优点，有广泛的应用场合，应看懂例子，学会编程。主要内容§10.1PWM定时器概述§10.2PWM输出电平控制§10.3PWM定时器控制寄存器§10.4PWM实验§10.1PWM定时器概述10.1.1什么是脉宽调制在嵌入式控制系统中，有许多场合需要用直流电机作为驱动。直流电机给定直流电压就可以旋转。给定的电压高，电机转速就快；给定的电压低，电机转速就慢。这样，控制给定电压的大小就可以控制电机的转速。假定用定时器控制在微处理器的I/O端口输出周期为500μs的方波，一个周期中，高低电平各占250μs。人们把高电平占整个周期的时间比率称为“占空比”，上面周期为500μs的方波的占空比为50%。用占空比可以改变的方波控制直流电机，就可以改变直流电机的输入平均电压，进而控制电机速度。占空比可以改变的方波叫作PWM。PWM大多用在直流电机调速上。10.1.2Exynos4412的PWM及其控制Exynos4412有5个32位定时器，其中定时器0、1、2、3具有PWM功能，定时器4具有内部定时作用，但是没有输出引脚。定时器0、1具有死区生成器，可以控制大电流设备。定时器0和1共用一个8位预定标器，定时器2、3和4共用另一个8位预定标器，每个定时器都有一个时钟分频器，信号分频输出有5种模式：1/2、1/4、1/8、1/16和外部时钟TCLK。定时器结构框图如图10-1所示。每个定时器模块都从时钟定标器接收自己的时钟信号，时钟分频器接收的时钟信号来自于8位预定标器。可编程8位预分频器根据存储在TCFG0和TCFG1中的数据对PCLK进行预分频。分频器的功能如表10-1所示。当时钟被允许后，定时器计数缓冲寄存器(TCNTBn)把计数初值下载到减法计数器TCNTn中。定时器比较缓冲寄存器(TCMPBn)把初始值下载到比较寄存器中，和减法计数器的值相比，这种TCNTBn和TCMPBn双缓冲寄存器特性能使定时器产生稳定的输出，且占空比可变。图10-1

定时器结构框图每个定时器都有自己的用定时器时钟驱动的32位减法计数器TCNTn。当减法计数器减到0时，就会产生定时器中断来通知CPU，定时器操作完成。当定时器减法计数器减到0时，相应的TCNTBn的值被自动重载到减法计数器TCNTn中继续下一次操作。然而，如果定时器停止了，如在运行时通过清除TCON中的定时器使能位来中止定时器的运行，则TCNTBn的值不会被重载到减法计数器中。TCMPBn的值用于PWM。当定时器的减法计数器的值与TCMPBn的值相等时，定时器输出改变输出电平。因此，比较寄存器决定了PWM的占空比。10.1.3Exynos4412定时器的特性Exynos4412定时器具有如下特性：●5个32位定时器。●2个8位预定标器和2个8位分频器。●可编程改变PWM输出占空比。●自动重载模式或单个脉冲输出模式。●具有死区生成器。●自动重载与双缓冲。●具有倒相(定时器输出电平取反)功能。Exynos4412具有双缓冲功能，能在不中止当前定时器运行的情况下，重载下一次定时器运行参数，尽管新的定时器的值已被设置好，当前操作仍能成功完成。定时器的值可以被写入定时器计数缓冲寄存器(TCNTBn)，当前计数器的值可以从定时器计数观察寄存器(TCNTOn)中读出。读出的TCNTBn的值并不是当前计数器的值，而是下次重载的计数器值。减法计数器TCNTn的值等于0时，自动重载，把TCNTBn的值载入减法计数器TCNTn，只有当自动重载允许并且减法计数器TCNTn的值等于0时才会自动重载。如果减法计数器TCNTn=0，自动重载禁止，则定时器停止运行，具体如图10-2所示。使用手动更新完成定时器的初始化和倒相位：当计数器的值减到0时，会发生自动重载操作，所以TCNTn的初始值必须由用户提前定义好，在这种情况下，就需要手动更新启动值。以下几个步骤给出了更新过程：(1)向TCNTBn和TCMPBn写入初始值。(2)置位相应定时器的手动更新位，不管是否使用倒相功能，推荐设置倒相位。(3)启动定时器，清除手动更新位。注意：如果定时器被强制停止，TCNTn将保持原来的值；如果要设置一个新的值，必须手动更新位。另外，手动更新位要在定时器启动后清除，否则不能正常运行。只要TOUT的倒相位改变，不管定时器是否处于运行状态，TOUT都会倒相。因此，在手动更新时需要设置倒相位，定时器启动后清除。10.1.4定时器操作示例定时器操作示例如图10-3所示：各字母选项的含义如下。A：允许自动重载功能，TCNTBn=160，TCMPBn=110。置位手动更新位，配置倒相位，手动更新位被置位后，TCNTBn和TCMPBn的值被自动载入TCNTn和TCMPn。B：启动定时器，清零手动更新位，取消倒相功能，允许自动重载，定时器开始启动减法计数。C：当TCNTn(160-50=110)和TCMPn(=110)的值相等时，TOUT输出电平由低变高。D：当TCNTn的值等于0时产生中断，并在下一个时钟到来时把TCNTBn的值载入暂存器。E：在中断服务子程序中，把80和40分别载入TCNTBn和TCMPBn。F：当TCNTn(80-40=40)和TCMPn(0=40)的值相等时，TOUT输出电平由低变高。G、H：当TCNTn=0时，产生中断，在中断服务程序中把TCNTBn(80)和TCMPBn(60)的值分别自动载入TCNTn和TCMPn，并在中断服务程序中，禁止自动重载和中断请求来中止定时器的运行。I：当TCNTn(80-20=60)和TCMPn(=60)的值相等时，TOUT输出电平由低变高。J、K：尽管TCNTn=0，但是定时器会停止运行，也不再发生自动重载操作，因为定时器自动重载功能被禁止，不再产生新的中断。10.1.5死区生成器当PWM控制用于电源设备时需要用到死区功能。这个功能允许在一台设备关闭和另一台设备开启之间插入一个时间间隔。这个时间间隔可以防止两台设备同时关闭、同时开启或一台关闭的同时另一台开启。TOUT0是定时器0的PWM输出，假设nTOUT0是TOUT0的倒相信号，如果死区功能被允许，TOUT0和nTOUT0的输出波形就变成了TOUT0_DZ和nTOUT0_DZ，如图10-4所示。有了死区间隔，TOUT0_DZ和nTOUT0_DZ的关闭和开启就不会同时进行。死区间隔时间可以通过软件进行设定，以达到防止两台设备同时动作的目的。10.2.2PWM输出控制1.输出电平倒相PWM在不改变占空比的情况下，输出电平还可以倒相，即把输出电平取反。在PWM控制寄存器中有一个逆变位，通过修改这个逆变位的值可方便地实现倒相。2.编程改变输出频率PWM的输出频率很容易改变，具体方法如右边的程序所示。§10.2PWM输出电平控制§10.3PWM定时器控制寄存器10.3.1定时器配置寄存器0定时器配置寄存器0(TCFG0)如表10-2所示：10.3.2定时器配置寄存器1定时器配置寄存器1(TCFG1)如表10-3所示：定时器输入时钟频率的计算公式如下：fTCLK=(fPCLK/(Prescaler+1))/分频器其中，Prescaler为预定标值(0～255)；分频器(表10-3中的4选1开关)的分频值为2、4、8和16。PWM输出时钟频率=定时器输入时钟频率(fTCLK)/定时器计数缓冲器值(TCNTBn)。PWM输出占空比=定时器比较缓冲器值(TCMPBn)/定时器计数缓冲器值(TCNTBn)。10.3.3减法缓冲寄存器和比较缓冲寄存器定时器减法缓冲寄存器(TCNTBn)和比较缓冲寄存器(TCMPBn)的定义如表10-4所示。10.3.4定时器控制寄存器定时器控制寄存器(TCON)如表10-5所示。10.3.5减法计数器观察寄存器定时器0～4减法计数器TCNTn是内部寄存器，它们的值可通过相应的减法计数器观察寄存器TCNTOn读出，读出的