使用用戶可編程序列發生器簡化時序關鍵應用案例解析

　　如今的嵌入式應用非常復雜，需要通過單個單片機處理多個功能。這些應用需要增強安全性、支持實時響應的最佳執行時間以及無縫同步各個功能。從具有集成功率因數校正的電機控制到光強度處理，復雜應用需要在各個模塊之間輕松切換。處理器驅動的定時和排序解決方案受固有延時的影響，這種延時無法始終準確預測。這種方法還占用了寶貴的CPU帶寬，導致其功能未得到充分利用，而通過卸載這些功能可優化應用程序性能。Microchip的16位dsPIC33數字信號控制器(DSC)中的外設觸發信號發生器(PTG)是獨立于內核的外設(CIP)，可以協調復雜應用中功能的精確定時和排序，同時減輕CPU的負擔。我們詳細介紹了幾個示例，以展示PTG如何幫助簡化時序關鍵應用(例如，采用功率因數校正的電機控制、光強度控制或生成還可用作獨立于內核的時鐘源的恒定頻率信號)的外設排序。由于PTG與內核無關，因此可以在CPU休眠時完成此項工作以實現節能或專注于其他關鍵任務。

　　顧名思義，PTG是一個用戶可編程序列發生器，可生成具有復雜輸入信號序列的觸發信號，以協調其他片上外設的操作。使用PTG的應用會通過其他外設(例如模數轉換器(ADC)、輸出比較(OC)、脈寬調制器(PWM)、定時器和中斷控制器)共同執行此操作，以實現復雜的觸發和響應序列。PTG不僅降低了應用程序對內核的依賴性，還能單獨處理模塊交互，從而有助于降低軟件復雜性及保持模塊化。

　　PTG外設支持向PTG隊列寄存器傳送8位命令(稱為step命令)。每個8位step命令由一個4位命令代碼和一個4位選項字段組成。這些命令定義了一系列事件，用于輸出觸發信號到外設。step命令還可用于生成對內核的中斷請求。

　　功率因數和電機控制

　　在集成功率因數校正(PFC)和電機控制應用中，單個DSC使用磁場定向控制(FOC)方案以及PFC轉換器控制永磁同步電機。該應用需要三個PWM通道來控制電機功能，另外還需要一個PWM來控制PFC操作。輸出比較(OC)外設可用于增加應用可用的PWM通道數量，甚至會超出器件上可用的高速PWM通道數量。

　　可同時使用PWM外設與OC外設來產生電機控制和PFC操作所需的信號。但是，在PFC等應用中，執行時序非常重要，因此必須在最佳執行時間內完成各種任務。其中包括同步電機控制和PFC PWM、觸發ADC進行轉換以及切換用于電機控制的ADC通道和PFC反饋信號。

　　使用PTG外設可以有效地實現這些要求，PTG外設可以同步高速PWM和OC外設，并通過監視高速PWM外設邊沿來產生ADC外設觸發信號。它還可監視“ADC轉換完成”中斷并產生適當的中斷，執行FOC和數字PFC控制代碼。它減少了CPU干預，使外設處理獨立于內核進行。這可降低應用的總體功耗，同時釋放CPU以執行更多關鍵功能。選擇電機控制和PFC PWM的開關頻率時應確保其為整數倍。

　　dsPIC? DSC中的ADC能夠進行四通道同步采樣。FOC和PFC算法都有自己的模擬通道需要同時采樣，因為這些信號的相位關系是實現有效控制的關鍵。

　　選擇電機控制和PFC的反饋信號時應確保可通過改變ADC通道選擇對電機控制和PFC信號進行采樣。在基于PWM邊沿觸發ADC之前，可將電機控制和PFC信號連接到采樣保持(S&H)電路。通道應配置為：在四通道采樣和轉換序列結束時，可從FOC或PFC各自對應的ADC緩沖寄存器中獲得其轉換結果。

　　在設置通道選擇位以將PFC反饋信號連接到ADC的采樣保持電路后，對于每個PFC PWM周期，都必須生成觸發信號。同樣，對于每個電機控制PWM周期，必須在設置通道選擇位以將電機控制反饋信號連接到ADC的S&H電路之后生成ADC觸發信號。因此，將PTG外設配置為通過監視電機控制和PFC PWM脈沖的邊沿來生成ADC觸發信號。此外，還會生成兩個PTG中斷來執行FOC和PFC的代碼，如圖1所示。

　　圖1：使用PTG中斷執行代碼

　　如本例所示，PTG通過有效地對ADC和PWM的使用進行排序來簡化實現，從而在一個dsPIC33器件中實現電機控制和PFC。

　　照明控制

　　在光強度控制應用中，使用OC的PWM發生器可用于控制光的亮度。

　　在此應用中，使用了兩個OC外設，其占空比由來自兩個獨立ADC通道的輸入控制。根據每個ADC值，更新占空比。PTG外設支持更簡單的同步ADC和OC外設的方法。此外，PTG有助于避免外設死鎖，從而提高應用的安全性。

　　為了執行同步，電路首先會監視ADC并產生適當的中斷以改變OC占空比。然后，它會在不干擾CPU的情況下改變ADC通道，因為PTG可以獨立完成此操作。作為額外的安全功能，在發生意外故障時，PTG外設具有專用的看門狗定時器，用于監視和執行必要的糾正措施。

　　該應用的框圖如圖2所示。

　　圖2：使用PTG的輸出比較占空比控制

　　PTG外設內的看門狗定時器將防止PTG在執行等待硬件觸發高電平-低電平狀態的命令時無限期地等待外部事件的情況。在此應用中，PTG將等待ADC轉換完成觸發信號。使能后，看門狗定時器會在命令執行開始時開始計數。命令完成執行時將禁止看門狗定時器。如果預期事件在看門狗定時器超時周期到期之前未到達，則PTG外設將中止正在進行的失敗命令并停止定序器。然后，它會向CPU發出看門狗定時器錯誤中斷。

　　這可作為安全功能，用于從ADC或PTG外設停止工作的情況中恢復。這些外設可以在看門狗定時器錯誤中斷內重新初始化和重啟。

　　PTG通過切換ADC通道和監控外設使應用獨立于內核，而無需CPU外設的干預。這樣一來，CPU便可以用于應用程序中的其他任務。

　　僅PTG將負責外設內的所有交互，這有助于降低軟件復雜性并保持模塊化。PTG外設的看門狗定時器有助于從任何災難性故障中恢復，從而提供更可靠的應用。

　　恒定頻率波形

　　PTG外設可用于產生恒定頻率信號，而此信號還可用作時鐘源。PTG觸發用作屏蔽輸入選擇的比較器。PTG的觸發脈沖寬度可以改變，PTG有自己的定時器。外設觸發信號也可用作運算放大器和比較器的屏蔽輸入選擇，如圖3所示。

　　圖3：用戶可編程的屏蔽功能

　　使用此功能，可以通過比較器外設實現PTG輸出。比較器配置為：反相輸入接地，同相輸入連接至內部參考電壓。

　　觸發脈沖將直接呈現為比較器輸出。只要PTG連續產生觸發信號，比較器就會產生恒定頻率波形。波形的脈沖寬度將是PTG時鐘的一個周期。

　　開關時間可由PTG定時器和脈沖寬度位控制。輸出脈沖寬度將決定輸出波形的關斷時間，定時器將決定輸出波形的導通時間，即觸發比較器外設之間的延時。

　　根據比較器輸出極性，開關時間將由定時器或脈沖寬度位控制。輸出頻率也可以由充當時鐘分頻器的寄存器控制。

　　通過改變比較器輸出極性，可以使用四個比較器外設產生互補波形。可以使用脈沖寬度位修改脈沖寬度，以便降低輸出頻率。因此，可以使用PTG和比較器外設產生恒定波形。

　　在該應用中使用PTG的優點之一是輸出可以充當恒定時鐘源并且完全獨立于內核運行。使用更多比較器外設時，可以生成偶互補波形。PTG還可以在空閑和休眠等節能模式下工作。

　　總結

　　憑借Microchip的dsPIC33數字信號控制器中的PTG外設，用戶能夠設計復雜的應用序列，并為時序關鍵型或功耗關鍵型應用提供更高的靈活性。PTG可在幾乎沒有CPU中斷的情況下支持各種外設彼此交互，并有助于增強現有外設的功能，從而擴展任何給定外設可以實現的功能。

　　使用PTG外設可提供更快的響應速度并減少軟件負擔。外設還提供內置功能(如專用的看門狗定時器)來提高功能安全性。