基于PWM信號的主從通信方法

郭語，鞠全勇

(金陵科技學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院, 江蘇 南京 211169)

0 引言

主從通信在工業(yè)控制領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)有的主從通信往往采用SPI、SCI或I2C等通信方式，需要專門的通信接口，在一些對總線硬件資源有限制的場合會有較大的應(yīng)用局限性。脈寬調(diào)制(pulse with modulation, PWM)信號，是一種利用微處理器的數(shù)字信號對模擬量進(jìn)行編碼的非常有效的技術(shù)，在移動通信、電機(jī)矢量控制和逆變電路等方面有著較為廣泛的應(yīng)用[1-4]。PWM信號有兩個重要的特征，分別是頻率和占空比。在主從通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，可以利用這兩個特征進(jìn)行信息的傳遞，從而實(shí)現(xiàn)低成本、高可靠性的單線協(xié)議通信。目前，基于PWM方式的通信技術(shù)已成功應(yīng)用于無線遙控通信[5]、光纖中繼傳輸系統(tǒng)[6]等領(lǐng)域。

本文提出基于PWM信號的主從通信方法，根據(jù)通信特點(diǎn)設(shè)計(jì)主從機(jī)系統(tǒng)軟硬件，并在其上實(shí)現(xiàn)基于PWM信號的主從通信。相對于傳統(tǒng)的SPI、SCI以及I2C等通信，本文所提方法只需1根通信總線，結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)簡潔。

1 通信原理

1.1 主從機(jī)連接關(guān)系

主機(jī)和從機(jī)通過1根PWM線相互傳遞信息，其連接原理圖如圖1所示。主機(jī)通過M_OUT引腳發(fā)送一定頻率和占空比的PWM信號，傳遞到從機(jī)的S_IN引腳，從機(jī)采集PWM信號，計(jì)算頻率和占空比，獲取信息；同時從機(jī)通過S_OUT引腳控制器開關(guān)K2，周期性拉低PWM線路上的電平，主機(jī)通過開關(guān)K1采集PWM信號的持續(xù)拉低與釋放時間，從而獲取從機(jī)反饋的信息。

圖1 主從機(jī)連接原理圖

1.2 通信示意

通信過程如圖2所示，主機(jī)向通信總線上發(fā)送一定頻率和占空比的PWM信號，不同的頻率和占空比代表不同的信息；從機(jī)周期性地拉低信號時間TLs和釋放1 s，通過修改拉低時間TL向主機(jī)傳遞不同的信息。

圖2 通信示意圖

2 主機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 主機(jī)硬件設(shè)計(jì)

主機(jī)硬件電路需包含PWM信號發(fā)送和PWM信號線電平采樣功能。如圖3所示，本文選用Freescale的MC9S08SG8單片機(jī)作為主控芯片，該單片機(jī)屬于HCS08系列8位MCU，芯片內(nèi)置8 K字節(jié)FLASH，512字節(jié)片上RAM以及靈活可配置的PWM輸入輸出模塊，可以滿足系統(tǒng)的需求[7]。通過單片機(jī)PTA1引腳輸出PWM波形驅(qū)動三級管Q1以改變PWM信號線的波形，同時主控芯片通過對PTA2引腳的電平采樣功能，回讀PWM信號的電平狀態(tài)。

圖3 主機(jī)電路設(shè)計(jì)

2.2 主機(jī)軟件設(shè)計(jì)

1)發(fā)送PWM信號

通過配置單片機(jī)MC9S08SG8的相關(guān)寄存器，將MC9S08SG8單片機(jī)自帶的TPM2模塊配置成PWM輸出功能[8]，修改寄存器TPM2MOD和TPM2C0V即可改變信號的頻率和占空比，利用單片機(jī)程序進(jìn)行設(shè)置并輸出PWM波形[9],流程如圖4所示。

圖4 主機(jī)發(fā)送PWM流程圖

2)信號低電平采樣

采用對IO口周期掃描的方法采樣PWM信號電平，在單片機(jī)程序中以10 K的速率讀取PTA2引腳電平，累加低電平的次數(shù)，遇到高電平則清零。如果低電平次數(shù)累加超過900，則計(jì)算拉低時間TL。TL等于低電平的累加因子乘以0.1 ms的執(zhí)行周期，流程如圖5所示。

圖5 信號低電平采樣流程

3 從機(jī)設(shè)計(jì)

3.1 從機(jī)硬件設(shè)計(jì)

從機(jī)硬件電路分為主控電路和接口電路兩部分，本文選擇與主機(jī)一樣的單片機(jī)作為從機(jī)主控，如圖6所示。接口電路如圖7所示，該電路包含信號接口和反饋兩部分功能。為了增強(qiáng)信號的傳輸能力和抗干擾能力，通過電阻R9對PWM線上的信號進(jìn)行12 V上拉。

圖6 從機(jī)主控電路

圖7 從機(jī)接口電路

3.2 從機(jī)軟件設(shè)計(jì)

1)計(jì)算PWM信號的占空比和頻率

在軟件程序里定義3個變量，分別是T1、T2和Tf，其中T1對應(yīng)捕獲到第1個上升沿的時刻，T2對應(yīng)捕獲到第2個上升沿的時刻，Tf對應(yīng)捕獲到第1個下降沿的時刻。連續(xù)捕獲到2個上升沿認(rèn)為是一個完整周期，第1個上升沿和第1個下降沿之間的時間認(rèn)為是1個周期內(nèi)高電平持續(xù)的時間，如圖8所示。

圖8 PWM周期與占空比定義

則有

其中K是比例系數(shù)。

2)拉低信號線電平

通過配置從機(jī)主控單片機(jī)的IO模塊，使得PTA1可以輸出高低電平。以拉低1 s，釋放1 s為例，軟件流程如圖9所示。

圖9 從機(jī)拉低1 s流程

4 實(shí)驗(yàn)與分析

對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，定義主機(jī)發(fā)送頻率為50 Hz，占空比為1%～99%的PWM信號，主從機(jī)通信協(xié)議如表1所示，使用示波器對主從機(jī)之間的PWM信號連接線進(jìn)行觀察測量，判斷主機(jī)發(fā)送與從機(jī)回復(fù)是否正常。

表1 主從機(jī)通信協(xié)議

將主機(jī)與從機(jī)連接，如圖10所示。按表1協(xié)議進(jìn)行通信，測量PWM連接信號線波形如圖11-圖13所示。

圖10 主從機(jī)連接圖

圖11 主機(jī)發(fā)送10%，從機(jī)拉低1 s

圖12 主機(jī)發(fā)送50%，從機(jī)拉低1.5 s

圖13 主機(jī)發(fā)送90%，從機(jī)拉低1.99 s

通過示波器波形，可以看出實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)設(shè)的通信協(xié)議是一致的，驗(yàn)證了主從機(jī)通過PWM信號通信的可行性。本通信方式仍可進(jìn)一步優(yōu)化：將信號的頻率和占空比結(jié)合，主機(jī)可以傳遞更多的信息；從機(jī)將低信號線的時間分辨率精確到10 ms可以傳遞更多的信息；如選用16位單片機(jī)，擴(kuò)展信號的頻率范圍，將占空比分辨率精確到0.1%。

5 結(jié)語

本文提出的PWM通信方式，通過PWM信號的占空比和電平狀態(tài)相互傳遞信息，可以有效地用于主從機(jī)通信系統(tǒng)。經(jīng)驗(yàn)證，本通信方式可靠穩(wěn)定，對于從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)量較小的系統(tǒng)而言，是優(yōu)先的選擇?；赑WM信號的通信方式，結(jié)構(gòu)簡單、成本低，在電子與工業(yè)控制行業(yè)有著較大的應(yīng)用前景。