摘 要： 一種利用單片機MSP430F413的定時器Time_A實現采樣和脈沖寬度調節(PWM)的方法，并應用于精密溫度控制系統。該系統采用時間量采樣的模數轉換方法，并設計了完全采用軟件實現的PID調節程序，用PWM方式完成對精密溫度的控制。
關鍵詞： PWM控制 單片機 定時器 MSP430F413
PWM控制方式廣泛應用于各種控制系統中，但對脈沖寬度的調節一般采用硬件來實現。如使用PWM控制器或在系統中增加PWM電路[1]等，則成本高、響應速度慢，而且PWM控制器與系統之間存在兼容問題。另外，控制系統中的信號采樣通常是由A/D轉換器來完成，因此檢測精度要求較高時，調理電路復雜，而且因A/D的位數高，從而使設計的系統成本居高不下。
本文以應用于溫度控制系統為例，介紹利用Motorola公司生產的新型單片機MSP430F413內的定時器Time_A設計可以用時間量進行溫度采樣以及實現PWM調節的方法。為了可在使用少量外圍電路的情況下實現控制系統的高精度測量和控制，一方面用時間量采樣，在省去1片A/D的情況下得到12位的高精度；另一方面在定時中斷內完全用軟件實現PWM調節，以易于進行數據的通信和顯示。該系統在中斷內可以解決波形產生的實時在線計算和計算精度問題，可精確、實時地計算設定頻率下的脈沖寬度。
1 單片機MSP430F413及定時器
MSP430系列的單片機F413在超低功耗和功能集成上都有一定的特色，可大大減小外圍電路的復雜性，它的實時處理能力及各種外圍模塊使其可應用在多個低功耗領域[2]。MSP430F413中通用16位定時器Timer_A有如下主要功能模塊。
(1)一個可連續遞增計數至預定值并返回0的計數器。
(2)軟件可選擇時鐘源。
(3)5個捕獲/比較寄存器，每個有獨立的捕獲事件。
(4)5個輸出模塊，支持脈寬調制的需要。
定時器控制寄存器TACTL的各位可控制Timer_A的配置，并定義16位定時器的基本操作，可選擇原始頻率或分頻后的輸入時鐘源及4種工作模式。另外還有清除功能和溢出中斷控制位。5個捕獲/比較寄存器CCRx的操作相同，它們通過各自的控制寄存器CCTLx進行配置。
2 時間量采樣及PWM控制的實現原理
以應用于溫度控制系統為例，介紹用定時器實現信號采樣和PWM控制的方法。該溫度控制系統包括單片機、溫度測量電路、負載驅動電路及電源控制、低電壓檢測和顯示電路等其他外圍部分。
單片機MSP430F413中用于測量和控制溫度的主要I/O口有：
P1.0：輸出50Hz方波，用于產生三角波。
P1.2：驅動溫度控制執行元件，2kHz方波PWM輸出。
P2.0：脈寬捕捉。
2.1 單片機端口的中斷設置
溫度控制系統的50Hz方波輸出、PWM輸出和輸入捕捉都是由定時中斷來實現。這3個中斷分別由P0、P1和P2口的外圍模塊引起，屬于外部可屏蔽中斷。初始化時，對這3個I/O口進行中斷設置，并對Time_A控制寄存器TACTL設置，包括輸入信號2分頻、選用輔助時鐘ACLK等。當定義完捕獲/比較寄存器后，重新賦值TACTL，啟動定時器，開始連續遞增計數。
2.2 脈寬捕捉實現溫度值的采樣
溫度測量電路將溫度值轉換為電壓值，同時單片機產生的50Hz方波經電容充放電電路變換得到同頻率的三角波，其電壓值切割三角波，從而將溫度值轉換為相應寬度的脈沖送入單片機。波形變化如圖1所示。
通過設置CCTLx中的模式位，可將對應的捕獲/比較寄存器CCRx設定為捕獲模式，用于時間事件的精確定位。如果在選定的輸入引腳上發生選定脈沖的觸發沿，則定時器計數的值將被復制到CCRx中。根據這一原理，選定P2.0為輸入引腳，設置CCTL2為捕獲模式，所測溫度值由模擬量經測量電路轉換為脈沖后，P2.0捕捉脈沖下降沿，進入中斷T2，得到與溫度值一致的單位時間內的脈沖數，存入CCR2作進一步處理。
這樣，系統就在不使用A/D轉換器的情況下完成了模數轉換。因為單片機的時鐘精確度高，而且時間量是一個相對精度極高的量，但本系統中用時間量進行溫度采樣可獲得12位的高精度，同時采用50Hz脈沖，可以大大消除工頻干擾。這些都為進行精確的溫度控制提供了必要的條件。2.3 PWM信號生成原理
將捕獲/比較寄存器CCR0和CCR1定義為比較模式，它們的輸出單元OUT0和OUT1分別對應單片機引腳P1.0（TA0）和P1.2（TA1）。進入比較模式后，如果定時器CCRx的計數值等于比較寄存器x中的值，則比較信號EQUx輸出到輸出單元OUTx中，同時根據選定的模式對信號置位、復位或翻轉。其中：設置EQU0將OUT0信號翻轉，信號時鐘與定時器時鐘同步，這樣就可以在P1.0引腳上得到50Hz的方波信號；設置EQU1輸出模式為PWM復位/置位。
設定模式下定時中斷的輸出如圖2所示。根據設定的PWM復位/置位模式，若CCR1計數器溢出，則EQU1將OUT1復位；若CCR0計數器溢出，則EQU0將OUT1置位。利用CCR0和CCR1計數起始點的差值，實現占空比的變化，從而在P1.2上完成PWM輸出。系統對占空比的調節是通過改變CCR1的基數來實現的。定時器時鐘為2MHz、CCR1和CCR0的計數值為1 000時，可獲得2kHz的PWM輸出頻率。負載驅動電路將單片機P1.2引腳輸出的PWM信號放大濾波，用于驅動大功率的執行元件。
3 軟件設計
3.1 系統主程序
在主程序中包括系統初始化、定時器的初始化、溫度采樣值的讀入、負載驅動和顯示等。系統進行溫度值采樣和PWM輸出均在定時中斷內完成，PWM輸出脈沖的占空比則由PID算法得到。系統主程序流程圖如圖3所示。
3.2 PID脈寬調節
系統對脈寬的調制由PID算法實現。根據算法原理，本系統設計了一套完全由軟件實現的PID算法，并且在控制過程中完成參數的自整定。PID調節的控制過程：單片機讀出數字形式的實際溫度Tn，然后和設定溫度Tg相比較，得出差值en=Tn-Tg，根據en的正負和大小，調用PID公式，計算得到與輸出電壓Δun一致的占空比，調節溫度的升降，同時尋找最優條件，改變PID參數。
增量式PID控制算法的輸出量[3]：
PID調節程序直接寫入單片機內，根據得到的值改變計數器CCR1的基數值，從而改變輸出脈沖的占空比，達到調節PWM的目的。
3.3 定時中斷
定時中斷子程序流程如圖4所示。系統采用的晶振頻率為2MHz，T0中斷的作用是得到頻率為50Hz、占空比為90%的方波，用以產生三角波，并檢查1個周期內是否有漏采的數據。T0模溢出翻轉為高電平，輸出比較間隔為18ms。其中，CCR0加了PWM的模，該值即為CCR0和CCR1的差值，用以產生輸出所需的脈沖寬度。
T1中斷內處理的是控制端口的PWM輸出，并檢查1個周期內是否重復采集數據，T1輸出比較產生低電平，輸出比較間隔為20ms。T2中斷捕捉溫度測量端口的脈寬，得到所測的溫度值。
4 結束語
利用單片機MSP430F413內的定時器Time_A進行溫度采樣以及實現PWM調節的方法，可以廣泛用于具有端口捕捉功能的單片機中。與傳統方法比較，它不僅可以簡化測量和控制電路的硬件結構，而且可以方便地建立人機接口，實現用軟件調整參數，使控制更精確、實時、可靠。經過實驗，該方法應用于溫度控制系統中獲得了預期的精確PWM調節波形。該方法同樣可以用于其他單片機控制系統中。
參考文獻
1 Rahban T.穩定度0.1℃的PWM控制器.電子產品世界，2003；（2）
2 胡大可.MSP430系列超低功耗16位單片機原理與應用.北京：北京航空航天大學出版社，2001
3 惠長坤.PID算法在可編程控制器上的軟件實現方法.華東船舶工業學院學報，1995；9(3)