利用單片機定時器實現信號采樣和PWM控制

　　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。