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1、基于HCS12的嵌入式系统设计第7章 S12脉宽调制模块及其应用实例合肥工业大学 机械与汽车工程学院 滕 勤 2014.4第7章 S12脉宽调制模块及其应用实例本章内容p 7.1 PWM模块概述p 7.2 PWM模块结构和特点p 7.3 PWM模块工作原理p 7.4 PWM模块寄存器及设置p 7.5 PWM模块基础应用实例p 7.6 智能车系统中PWM模块的应用基于HCS12的嵌入式系统设计第7章 S12脉宽调制模块及其应用实例7.1 PWM模块概述p 【脉冲宽度调制（Pulse Width Modulate，PWM】通过软件编程来调节波形的占空比和周期，以产生精确的输出脉冲序列。7.1.1
2、PWM信号的产生方法p 利用单片机实现PWM波的方法：利用软件延时p 通过指令构成程序循环，在不同的循环结束时，改变I/O口的电平。【缺点】极大地占用了CPU资源，而且不易产生精确的脉冲序列。利用输出比较功能或模数递减计数器p 通过软件编程，任意设定高、低电平的时间常数，输出PWM脉冲信号。【缺点】由于需要重置计数初值，在一定程度上占用CPU的时间。基于HCS12的嵌入式系统设计第7章 S12脉宽调制模块及其应用实例7.1 PWM模块概述7.1.1 PWM信号的产生方法利用内置的PWM模块p 单片机内部集成的PWM模块专门用于输出PWM信号。 【优点】基本上不占用CPU资源。7.1.2 微控制
3、器PWM模块的用途p 【应用场合】工业控制和消费类机电产品。 【D/A转换】与一个低通滤波器配合，输出一个与脉宽成正比的直流电压 。 【开关量控制】 【变频调速】利用PWM模块产生不同频率的电压信号，调节交流电动机的转速，常用于变频器、变频空调、节能冰箱等。 基于HCS12的嵌入式系统设计第7章 S12脉宽调制模块及其应用实例7.1 PWM模块概述7.1.2 PWM模块的用途 【平均电流或电压控制】直流电动机调速灯光亮度调节比例电磁阀控制电喷汽油机的怠速控制阀、EGR控制阀、VVT机构机油 压力控制阀，高压共轨柴油机的PCR阀、VNT增压压力调节阀等。 直流伺服电动机控制航模或智能小车的舵机控
4、制，发动机节气门调节 ，无人机机翼调节，无人自动驾驶汽车的方向盘控制等。 【控制命令字编码】无线遥控车的控制，通信编码，电视机、空调的遥控部分。基于HCS12的嵌入式系统设计第7章 S12脉宽调制模块及其应用实例7.2 PWM模块结构和特点p MC9S12DG128单片机的PWM模块与端口P 共享引脚。p 当PWM功能激活后，P口对应引脚的通用I/O功能自动关闭。PWM功能未启用 时，相应的引脚可用作通用I/O口。【PWM模块特点】p 工作频率高当振荡器频率为16MHz 时，PWM模块的最高时钟频率可达 25MHz。p 占空比可调范围宽占空比调节范 围0100%。p 分辨率高最高分辩能力达0.
5、15%。有效 时间无效 时间周 期平均值0 %10 %50 %90 %99 %基于HCS12的嵌入式系统设计第7章 S12脉宽调制模块及其应用实例7.2.1 PWM模块功能【组成】p时钟源、预分频器、时钟 选择开关、分频器和时钟 控制电路、PWM通道、使 能控制、极性选择、对齐 方式选择以及对应的输出 引脚。 7.2 PWM模块结构和特点基于HCS12的嵌入式系统设计第7章 S12脉宽调制模块及其应用实例7.2.1 PWM模块功能【组成】p 8路8位独立的PWM通道，通过相应的设置也可以变为4个16位PWM通道。p 每个PWM通道由独立运行的8位双向脉冲计数器PWMCNT、周期比较寄存器PWM
6、PER和占空比比较寄存器PWMDTY等组成。7.2 PWM模块结构和特点基于HCS12的嵌入式系统设计第7章 S12脉宽调制模块及其应用实例7.2.1 PWM模块功能p 【设置】由周期寄存器和占空比寄存器确定PWM波形的输出周期和占空比 。由极性寄存器PWMPOL选择PWM输出波形的极性。由对齐方式选择寄存器 PWMCAE选择PWM输出波形的对齐方式。p 【复位】复位后8位加/减脉冲计数器被设置为递增计数，所有通道禁止， 即所有计数器不计数。p 【紧急关闭】PWM通道7除了用于波形输出外，还作为紧急关闭功能的输入 。p 【中断】PWM模块只有一个中断源，在紧急关闭时产生。若PWM关闭寄存器PW
7、MSDN中的中断允许位PWMIE置位，且紧急关闭允许（ PWMSDN中的控制位PWM7ENA=1），当PWM7通道出现规定的紧急关闭有效电 平（由PWM7IL位决定低电平或高电平）时，中断标志PWMIF置位，向CPU提 出中断请求。基于HCS12的嵌入式系统设计第7章 S12脉宽调制模块及其应用实例7.2 PWM模块结构和特点7.2.2 PWM模块基本特性p 具有周期和占空比可编程的8个独立PWM通道；p 每个PWM通道具有独立的计数器；p 每个通道可编程允许/禁止PWM功能；p 每个通道可软件选择PWM脉冲极性；p 具有双缓冲的周期和占空比寄存器，当到达有效周期终点（PWM到达0）或 通道禁
8、止时，修改值生效；p 每个通道可编程中心对齐或左对齐输出；p 4个时钟源（A、B、SA和SB）提供宽带频率，可编程的时钟选择逻辑；p 紧急关闭。基于HCS12的嵌入式系统设计第7章 S12脉宽调制模块及其应用实例7.2 PWM模块结构和特点7.2.3 操作模式p【正常工作模式】如果PWM模块使能，PWM连续不断地工作。如果8个通道都被禁止(PWME7PWME0 =0)，为了节电，预分频器计数器被关闭。p【等待模式】等待模式下，如果PWM控制寄存器PWMCTL中的PSWAI位=0，PWM可以连续不 断地工作。如果PWMCTL寄存器中的PSWAI位=1，通过禁止预分频器的输入时钟，可以 实现低功耗
9、，此时PWM不工作，PWM输出保持静态(高或低)。基于HCS12的嵌入式系统设计第7章 S12脉宽调制模块及其应用实例7.2 PWM模块结构和特点7.2.3 操作模式p【冻结模式】在冻结模式下，PWM可以继续工作。通过设置PWMCTL寄存器中的PFRZ位，可以选择禁止预分频器的时钟输入 。即，如果PFRZ=1，只要MCU处于冻结模式，预分频器的输入时钟被禁止 。为了重新激活预分频器时钟，设置PFRZ=0或退出冻结模式。p【停止模式】在停止模式下，由于从IP总线到模块的所有时钟停止，因此，PWM模块停 止工作，PWM输出保持静态(高或低)。基于HCS12的嵌入式系统设计第7章 S12脉宽调制模块
10、及其应用实例7.3 PWM模块的工作原理【PWM模块工作原理】p PWM模块工作时，对应有效电平宽度的计数值存放在占空比寄存器中，对 应脉冲周期的计数值存放在周期寄存器中。每个通道波形开始的电平由极 性选择寄存器PWMPOL中的PPOLx位决定（例如高电平）。p PWM启动后，开始一个输出周期，计数器从0开始对时钟脉冲进行计数。当计数值 等于占空比寄存器中的预置值时，占空比比较器输出有效，输出控制电路使引脚 电平变为规定的极性（例如低电平），计数器继续计数。当计数值等于周期寄存 器中的预置值时，周期比较器输出有效，输出控制电路使引脚电平反向（例如高 电平），同时复位计数器，开始下一个输出周期。
11、基于HCS12的嵌入式系统设计第7章 S12脉宽调制模块及其应用实例7.3 PWM模块的工作原理7.3.1 PWM时钟的产生p【时钟电路组成】时钟 输入控制、预分频器、 分频器和时钟选择电路 。【PWM预分频器输入时钟 】总线时钟ECLK。由PWM 控制寄存器PWMCTL中的 PFRZ位、PWM允许寄存器 中的8位PWME7PWME0以 及冻结模式信号控制。基于HCS12的嵌入式系统设计第7章 S12脉宽调制模块及其应用实例7.3.1 PWM时钟的产生p当MCU处于冻结模式(冻 结模式信号激活， Freeze Mode Signal=1)时，如果冻结模式PWM停止位 PFRZ=1，则禁止总线时
12、 钟输入。p当所有8个PWM通道被禁 止(PWME7PWME0=0)时 ，也禁止总线时钟输入 。基于HCS12的嵌入式系统设计第7章 S12脉宽调制模块及其应用实例7.3.1 PWM时钟的产生【预分频】p 【PWM模块时钟源】Clock A 、Clock B、Clock SA和 Clock SB。p Clock A和Clock B由预分频 器对总线时钟分频得到。p Clock A和Clock B的分频因 子分别由PWM预分频时钟选择 寄存器PWMPRCLK中的PCKA2、 PCKA1、PCKA0和PCKB2、 PCKB1、PCKB0位确定，分频 系数11/128。基于HCS12的嵌入式系统设计
13、第7章 S12脉宽调制模块及其应用实例7.3.1 PWM时钟的产生【时钟分频】p 一个8位重装载递减计数器 从分频寄存器(PWMSCLA)装 入用户编程的分频值，对 Clock A再次分频。p 当递减计数器等于1时，发 生两件事：脉冲输出和8位 计数器重装载。计数器电 路输出信号进一步2分频， 得到Clock SA，分频比为2 ，4，6，8，512。Clock SA = ClockA/(2PWMSCLA)基于HCS12的嵌入式系统设计第7章 S12脉宽调制模块及其应用实例7.3 PWM模块的工作原理7.3.1 PWM时钟的产生【时钟分频】pClock B由另一个重装载 计数器再次分频，然后 再
14、除以2，得到Clock SB，分频比为2，4，6，8 ，512。p重装载计数器的分频比 由PWM比例因子寄存器B （PWMSCLB）决定。Clock SB = Clock B/ (2PWMSCLB)基于HCS12的嵌入式系统设计第7章 S12脉宽调制模块及其应用实例7.3 PWM模块的工作原理7.3.1 PWM时钟的产生【时钟选择】p每个PWM通道可以选择两 个时钟之一，预分频时 钟(Clock A或Clock B) 或分频后的时钟(Clock SA或Clock SB)。p用PWMCLK寄存器中的 PCLKx控制位选择时钟。通道0、1、4和5，只 能选择时钟Clock A或 Clock SA。
15、通道2、3、6和7，只 能选择时钟Clock B 或Clock SB。基于HCS12的嵌入式系统设计第7章 S12脉宽调制模块及其应用实例7.3 PWM模块的工作原理7.3.2 PWM通道定时器pPWM模块的核心通道定时器。【定时器通道组成】1个通道计数器PWMCNTx1个周期寄存器PWMPERx1个占空比寄存器PWMDTYx（每个寄存器为8位）。p波形输出周期由周期寄存器和通道计数器的数值协调控制。p占空比由占空比寄存器和通道计数器值协调控制。p用户可以选择波形输出的对齐方式和每个通道开始输出的极性。基于HCS12的嵌入式系统设计第7章 S12脉宽调制模块及其应用实例7.3.2 PWM通道定
16、时器【PWM的使能】p 每个PWM通道有1个启动 波形输出的使能位 PWMEx。当PWMEx=0时，通道禁止， 控制门关闭，通道计数器 不计数；当PWMEx=1时，控制门打开 ，允许时钟送到PWM电路， 同时，输出多路转换器切 换，立即使能相应的PWM输 出。 PWM定时器通道框图 基于HCS12的嵌入式系统设计第7章 S12脉宽调制模块及其应用实例p 每个PWM通道有一个极性控制位 PPOLx，用来选择PWM输出触发 器Q端输出或/Q端输出，决定波 形周期开始时的电平。p当极性选择寄存器PWMPOL中的 极性选择位PPOLx=1时，PWM波 形开始为高电平，占空比寄存 器中的数值代表高电平的持续 时间。p如果极性选择位PPOLx=0，开始时输出为低电平，占空比寄存 器中的数值代表低电平的持续 时间。PWM定时器通道框图 7.3.2 PWM通道定时器【PWM的极性选择】基于HCS12的嵌入式系统设计第7章 S12脉宽调制模块及其应用
