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1、智能小车 PWM 调速 1、 PWM 原理2、调制器设计思想3、具体实现设计一、 PWM（脉冲宽度调制 Pulse Width Modulation）原理：脉冲宽度调制波通常由一列占空比不同的矩形脉冲构成，其占空比与信号的瞬时采样值成比例。图1 所示为脉冲宽度调制系统的原理框图和波形图。该系统有一个比较器和一个周期为 Ts 的锯齿波发生器组成。语音信号如果大于锯齿波信号，比较器输出正常数 A，否则输出 0。因此，从图 1 中可以看出，比较器输出一列下降沿调制的脉冲宽度调制波。通过图 1b 的分析可以看出，生成的矩形脉冲的宽度取决于脉冲下降沿时刻 t k 时的语音信号幅度值。因而，采样值之间的时
2、间间隔是非均匀的。在系统的输入端插入一个采样保持电路可以得到均匀的采样信号，但是对于实际中 tk-kTsTs 的情况，均匀采样和非均匀采样差异非常小。如果假定采样为均匀采样，第 k 个矩形脉冲可以表示为：（1）其中，xt是离散化的语音信号；Ts 是采样周期； 是未调制宽度；m 是调制指数。然而，如果对矩形脉冲作如下近似：脉冲幅度为 A，中心在 t = k Ts 处， 在相邻脉冲间变化缓慢，则脉冲宽度调制波 xp(t)可以表示为： （2）其中， 。无需作频谱分析，由式（2）可以看出脉冲宽度信号由语音信号 x(t)加上一个直流成分以及相位调制波构成。当 时，相位调制部分引起的信号交迭可以忽略，因此
3、，脉冲宽度调制波可以直接通过低通滤波器进行解调。二、 数字脉冲宽度调制器的实现：实现数字脉冲宽度调制器的基本思想参看图 2。图中，在时钟脉冲的作用下，循环计数器的 5 位输出逐次增大。5 位数字调制信号用一个寄存器来控制，不断于循环计数器的输出进行比较，当调制信号大于循环计数器的输出时，比较器输出高电平，否则输出低电平。循环计数器循环一个周期后，向寄存器发出一个使能信号 EN，寄存器送入下一组数据。在每一个计数器计数周期，由于输入的调制信号的大小不同，比较器输出端输出的高电平个数不一样，因而产生出占空比不同的脉冲宽度调制波。 图 3为了使矩形脉冲的中心近似在 t=kTs 处，计数器所产生的数字
4、码不是由小到大或由大到小顺序变化，而是将数据分成偶数序列和奇数序列，在一个计数周期，偶数序列由小变大，直到最大值，然后变为对奇数序列计数，变化为由大到小。如图 3 例子。奇偶序列的产生方法是将计数器的最后一位作为比较数据的最低位，在一个计数周期内，前半个周期计数器输出最低位为 0，其他高位逐次增大，则产生的数据即为偶数序列；后半个周期输出最低位为1，其余高位依次减小，产生的数据为依次减小的偶序列。具体电路可以由以下电路图表示：三、 8051 中的 PWM 模块设计：应该称为一个适合语音处理的 PWM 模块，输出引脚应该外接一积分电路。输出波形的方式适合作语音处理。设计精度为 8 位。PWM 模
5、块应包括：1、 比较部分 （Comp）：2、 计数部分 （Counter）：3、 状态及控制信号寄存/控制器（PWM_Ctrl ）；1） 状态积寄存器：（Flags），地址：E8H ；EN ： PWM 模块启动位，置位为 1将使 PWM 模块开始工作；（留空备用）解调速率标志位：00 无分频； 01 2 分频；10 10 分频；11 16 分频。 （RESET 后为 00）（留空备用）（留空备用）（留空备用）（留空备用）注意：该寄存器可以位操作情况下可写，不可读；只能在字节操作方式下读取。2） 数据寄存器（DataStore ），地址： F8H；注意：该寄存器值不可读，只可写。4、 端口 ：1
6、） 数据总线（ DataBus）；（双向）2） 地址总线（ AddrBus）；（IN）3） PWM 波输出端口（PWMOut）；（OUT ）4） 控制线： CLK：时钟；（ IN） Reset：异步复位信号；（IN 低电平有效） WR：写 PWM RAM 信号；（IN 低电平有效）； RD：读 PWM RAM 信号；（IN 低电平有效） DONE：接受完毕反馈信号；（OUT 高电平有效） INT：中断申请信号；（OUT 低电平有效） IntResp：中断响应信号；（In 低电平有效） ByteBit：字节/位操作控制信号（IN 1-BYTE 0-BIT）；中断占用相当于 MCU8051 的外部
7、中断 2，则可保证在 5 个指令周期之内，“ 读取数据”中断必定得到响应。PWM 模块使用方法：因为占用了 8051 外部中断 1，所以在不使用该模块时，应该把外部中断 2 屏蔽。而 PWM 模块产生的中断请求可以看作是“ 能接受数据”的信号。中断方法如后“ 中断读取数据过程”。使用 PWM 模块，应该先对内部地址 8FH 的数据寄存器写入数据，然后设置地址 8EH 的状态寄存器最低位（0 ）为 1，即 PWM 模块开始工作并输出 PWM 调制波（如 TIMER 模块）。在输出 PWM 调制波过程中，应及时对 PWM 写入下一个调制数据，保证 PWM 连续工作，输出波形连续。 （待改进）中断读
8、取数据过程：1. PWM 模块可以读取数据，申请中断信号 INT 置位为0，等待 8051 响应； 2. 8051 接受到中断申请后，作出中断响应，置位 IntResp 信号线为0； 3. PWM 模块收到 IntResp 信号后，把中断申请信号 INT 复位为1 ，等待 8051 通知读取数据 WR 信号； 4. 8051 取出要求数据放于数据总线（DataBus）上，并置 WR 信号为0； 5. PWM 模块发现 WR 信号为0，由数据总线（DataBus）上读取数据到内部数据寄存器，将 DONE 位置位为1； 6. 8051 发现 DONE 信号的上跳变为1，释放数据总线； 7. PWM
9、 模块完成当前输出周期，复位 DONE 为0，从此当前数据寄存器可以再次接受数据输入。 注意事项：1）输出的 PWM 信号中的高电平部分必须处于一个输出周期的中间，不能偏离，否则输出语音经过低通后必定是一失真严重的结果。2）对于 8 位精度的 PWM，每个输出周期占用 256（28）个机器周期，但是包含 256 个机器周期至少有22 个指令周期，亦即 264（22*12）个机器周期，由于语音信号的连续性，256 与 264 之间相差的 8 个机器周期是不能由之丢空的，否则也会使输出信号失真。如果将须输出数字量按 256/264 的比例放大输出，亦不可行，因为如此非整数比例放大，放大倍数很小，则
10、经过再量化后小数部分亦会被忽略掉，产生失真。举例：输出数字量为 16，按比例放大后为 16.5，更会产生难以取舍的问题。故采取以下办法：该模块以时钟周期为标准，而与 TMBus 无关，即基本上与 8051 部分异步工作。读取数据方式为每次读取足够数据段储存于模块内的 RAM 内（暂定每次读取 8 字节），储存字节数必须能保证 PWM 输出该段数据过程中，有足够时间从 RAM 处继续读取数据。由于占用了 8051 的外部中断 2，中断申请在 3 个指令周期（ 36 个时钟周期）内必定能得到响应，而 PWM 模块处理一个数据需要固定耗时 256 个时钟周期，故能保证 PWM 模块顺序读取数据中断能及时得到响应，不会影响调制信号的连续性。3）RD RAM 过程是异步过程。4）输出后数据寄存器不自动清零。因为可以通过把 Flags(0)写0而停止 PWM 模块继续工作。
