PWM信號發(fā)生器設計

丁巖巖　馬洪華　李衛(wèi)中

關(guān)鍵詞：LM3S1138；PWM信號；OPA355；ADS7818；矩陣鍵盤；LCD12864

中圖法分類號：TN03 文獻標識碼：A

1引言

脈沖寬度調(diào)制（PWM）是現(xiàn)代控制技術(shù)常用的一種控制信息輸出，是可以利用微處理器的數(shù)字輸出對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應用于從測量、通信到頻率控制與變換的諸多領(lǐng)域。

PWM技術(shù)[1]本來是應用于電子信息系統(tǒng)和通信領(lǐng)域的一種信號變換技術(shù)，但從20世紀60年代中期以來，隨著電力電子技術(shù)被引入電力變換領(lǐng)域，PWM技術(shù)廣泛應用于各種工業(yè)電力傳動領(lǐng)域乃至家電產(chǎn)品中。目前，隨著微機技術(shù)日益廣泛深入工業(yè)控制領(lǐng)域，單片機控制的PWM技術(shù)迅速發(fā)展，其突出特點是可以比較容易地選擇最佳的脈沖調(diào)制頻段，更重要的是，由于與單片機的結(jié)合，整個系統(tǒng)可以集成為具有更完備的保護功能、故障診斷功能和顯示功能的高可靠的微型化系統(tǒng)。因此，它被競相開發(fā)，應用前景廣闊。

2系統(tǒng)功能

設計并制作一臺PWM信號發(fā)生器，電路組成框圖如圖1所示。

3總體方案設計

本方案以32位的LM3S1138微控制器為主要控制單元，PWM信號由LM3S1138直接產(chǎn)生，通過Timer模塊的定時器模式產(chǎn)生（10Hz-1kHz）PWM信號，再由Timer模塊的PWM模式產(chǎn)生（1kHz～100kHz）PWM信號，通過按鍵控制繼電器來選擇產(chǎn)生不同頻率階段的PWM信號，再經(jīng)由OPA355實現(xiàn)幅值可調(diào)功能，ADS7818采集PWM信號的電壓幅值，PWM信號的頻率、幅值和占空比通過液晶LCD12864顯示出來，通過鍵盤可實現(xiàn)頻率和占空比可調(diào)以及占空比設置的功能。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

4硬件電路設計

4.1控制器選型及功能特點

LM3S1138是Luminary Micro公司Stellaris所提供一系列的微控制器，是首款基于ARM（R） Cortex（TM）-M3的控制器，它為對成本尤其敏感的嵌入式微控制器應用方案帶來了高性能的32位運算能力。該具備領(lǐng)先技術(shù)的芯片使用戶能夠以傳統(tǒng)的8位和16位器件的價位來享受32位器件的性能，而且所有型號都是以小占位面積的封裝形式提供。

該LM3S1138微控制器是針對工業(yè)應用方案而設計的，包括遠程監(jiān)控、電子販售機、測試和測量設備、網(wǎng)絡設備和交換機、工廠自動化、HVAC和建筑控制、游戲設備、運動控制、醫(yī)療器械以及火警安防。

4.2鍵盤接口電路設計

依據(jù)本系統(tǒng)設計要求，需要有頻率步進、占空比步進及設置、幅值步進等功能，故需要設計鍵盤模塊。在本設計中使用常用的4*4鍵盤。4*4鍵盤硬件設計多采用矩陣式鍵盤，4*4矩陣鍵盤用8個IO端口實現(xiàn)16按鍵功能。鍵盤按鍵布置如圖3所示。

4.3液晶顯示

顯示模塊使用的是LCD12864液晶，LCD12864液晶顯示為128*64的點陣，利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面?？梢燥@示8×4行16×16點陣的漢字，也可完成圖形顯示，低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，硬件電路結(jié)構(gòu)和顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。LCD12864液晶的原理簡圖如圖4所示。

4.4 OPA355電路設計

OPA355是具有關(guān)斷狀態(tài)的CMOS寬帶運算放大器，其工作電路原理圖如圖5所示。

由同相比例運算放大器輸入／輸出Vo=（1+Rf/R1）*Vi，可得：

Vout=（1+R2/R1）Vin （1）

4.5 ADS7818電路設計

ADS7818是12位高速低功耗采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其分辨率為1/4 095，精度較高。ADS7818工作的電路如圖6所示。

該電路中由串行時鐘輸入引腳CLK、串行數(shù)據(jù)輸出引腳DATA和轉(zhuǎn)換信號輸入引腳CONV組成的串行接口直接與單片機的輸入／輸出引腳連接。要使上述ADS7818的電路工作，單片機加到它的引腳上的信號必須滿足工作時序如圖7所示。

ADS7818采集的電壓值為Vo，其計算公式為

其中，temp為采集到的數(shù)字量。

5軟件設計部分

5.1軟件設計總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件部分主要包括具有友好界面的操作菜單，各種信號的設置和控制。PWM信號產(chǎn)生過程：頻率設置，使用Timer模塊的定時器模式和Timer模塊的PWM模式分別產(chǎn)生10Hz～1kHz和10 kHz～100kHz的PWM信號。調(diào)幅波產(chǎn)生過程為：把PWM信號通過OPA355調(diào)節(jié)滑動變阻器可得到1V～5V的調(diào)制。軟件流程圖如圖8所示。

5.2 Timer模塊的定時器模式

本程序采用了20 MHz的系統(tǒng)時鐘頻率，采用了32位的可編程周期定時器，由于定時1ms以上的時間比較精確，故采用此方法產(chǎn)生10 Hz～1 kHz的PWM信號。

由于系統(tǒng)時鐘頻率20 MHz已確定，產(chǎn)生PWM信號的頻率是由上述程序中2*T來決定的，且頻率F=200000001（2*T）Hz；占空比=（count1+time）／（2*T）；采用鍵盤改變T的值可實現(xiàn)頻率的步進，改變time的值（此時count1為定值）可現(xiàn)實占空比步進和設置的功能。

5.3 Timer模塊的PWM模式

本模塊采用的是PWM模式，可通過軟件實現(xiàn)PWM信號周期、占空比、輸出反相的控制，由于PWM模式是16位的，不能產(chǎn)生較小的PWM信號，但可產(chǎn)生1kHz～100 kHz的PWM信號，恰好能與上述Timer模塊的定時器模式產(chǎn)生的PWM信號連接上。

由于系統(tǒng)時鐘頻率為20 MHz，產(chǎn)生PWM信號的頻率是由上述程序中ff來決定的，且頻率F=20000000/ffHz；由于PWM模式是16位的，故ff的取值范圍為0～65 535，所以可生1kHz～100 kHz的PWM信號。占空比=f1/ff，采用鍵盤改變ff的值可實現(xiàn)頻率的步進，改變f1的值可現(xiàn)實占空比步進和設置的功能。

5.4鍵盤掃描程序

4*4鍵盤常用的方法有查表法和計算法，在本設計中使用查表法。凌陽單片機PA端口低4位輸出狀態(tài)掃描鍵盤。高4位是輸入方式，檢測鍵盤按鍵變化，當沒有按鍵按下時，高4位輸入狀態(tài)不變；有按鍵按下時高4位狀態(tài)改變。此時，低4位逐行掃描，確定行。再高4位和低4位輸入／輸出方式交換，高4位輸出，低4位輸入；掃描列，確定列。行列都掃描后查表，確定鍵盤值。鍵盤掃描程序流程圖如圖9所示。

6調(diào)試

首先編寫調(diào)試LM3S1138程序，LM3S1138開發(fā)板包含下載器和最小系統(tǒng)，可以直接使用開發(fā)板調(diào)試程序。實現(xiàn)程序設計需要最基本的模塊有：LM3S1138開發(fā)板、128*64液晶、OPA355模塊、ADS7818模塊、4*4鍵盤。調(diào)試程序使其滿足頻率、占空比等設計控制功能。其次硬件調(diào)試。最后系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，測試系統(tǒng)參數(shù)。

測試設備：RIGOL公司DS1052E示波器、SS1792C直流穩(wěn)壓電源。

測試數(shù)據(jù)如表1、表2和表3所列。

由表1數(shù)據(jù)可以看出，由于在高頻的條件下，單片機定時器的固有誤差導致產(chǎn)生的PWM信號有一定程度的誤差，但是本系統(tǒng)的誤差在測量的允許范圍內(nèi)。

由表2數(shù)據(jù)可以看出，占空比在產(chǎn)生的過程中沒有誤差，此項功能完成得比較好。

由表3數(shù)據(jù)可以看出，由于此測量是在100Ω的負載條件下測量所得，在不同頻率階段會影響運算放大器的倍數(shù)，故存在一定的誤差，此誤差在測量的范圍內(nèi)。

7結(jié)束語

本系統(tǒng)是基于LM3S1138和OPA355構(gòu)成的PWM信號發(fā)生器，由于LM3S1138資源豐富，含有Timer模塊的32位定時模式和16位PWM模式，可直接通過LM3S1138本身的資源產(chǎn)生PWM信號，產(chǎn)生的PWM信號可通過OPA355實現(xiàn)幅值可調(diào)的功能。本系統(tǒng)具有硬件少、結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)、性能可靠穩(wěn)定等特點。

作者簡介：

丁巖巖（1989—），碩士，講師，研究方向：嵌入式開發(fā)、電子通信技術(shù)。

馬洪華（1986—），碩士，實驗師，研究方向：電路系統(tǒng)控制、激光誘導擊穿光譜等（通信作者）。