单片机驱动CPLD的PWM正弦信号发生器设计
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前面几期给读者介绍了单片机+CPLD 系统设计，本篇继续挖掘CPLD 潜力，给出一种单片机驱动CPLD的PWM 正弦信号发生器设计，充分体现了CPLD 的灵活多变，配合单片机控制，其妙无穷，以下方案均在Mini51 板上实现。
脉宽调制PWM(Pulse Width Modulation)是利用数字输出信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
一、PWM原理
PWM 是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM 信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON) 或断(OFF) 的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。
只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM 进行编码。
如图1 所示，用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N 等分，看成N 个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等;用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积(冲量)相等，宽度按正弦规律变化。
图1 用PWM波代替正弦半波
SPWM 波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM 波形。
二、基于CPLD的PWM方案
一个PWM 发生器必须包括计数器，数据比较器，另外就是配置PWM 参数的时钟分频寄存器和占空比寄存器，结构框图如图2 所示，这些电路都可以用CPLD 来实现。
图2 PWM控制器结构框图
高频时钟信号经分频器驱动计数器，计数器如图3 所示，总是从Bottom 到Top 的循环计数，计数器的输出和占空比寄存器里的数据经数据比较器比较，输出PWM 信号，当计数器输出小于占空比设定值时输出低电平(0)，否则输出高电平(1)，如图3(b)(c)所示。
图3 PWM信号发生器时序波形图
从图中还可以看出，计数器的周期就是PWM 信号的周期，通过修改占空比寄存器从而实现对输出PWM 信号高低电平比例控制，图3(b)是占空比为P1 的PWM输出，图3(c)是占空比为P2 的PWM 输出，它们周期相同，高低电平的比例不同。
下面用硬件描述语言来设计CPLD 的内部电路，这里给出VerilogHDL 版本的参考代码。
module Mini51b_PWM(P0,ALE,P27,WR,PWM);// 模块电路命名和端口说明。
input [7:0]P0;// 数据输入接MCU 数据P0 口
input ALE,P27,WR;// 几个MCU 读写控制引脚
output PWM;//PWM 信号输出
wire [7:0]addr;// 内部地址线
reg [7:0]daPWMc,daPWMs;// 定义计数器和占空比设定寄存器
reg [3:0]divPWM,divPWMc;// 分频控制变量
reg PWM;// 输出锁存器
assign addr = ALE?P0 : addr; // 低八位地址锁存
always @(negedge WR)// 在MCU 写信号有效时执行寄存器设定
begin
case({P27,addr[4:0]}) // 根据地址选择寄存器
6'b10_1000: daPWMs <= P0;// 写带地址的寄存器
6'b10_1001: divPWM <= P0[3:0];// 写带地址的寄存器
default:begin// 其它地址则让寄存器保持不变
daPWMs <= daPWMs;
divPWM <= divPWM;
end
endcase
end
always @(posedge ALE) begin// 这里利用MCU 的ALE 做时钟信号
if(divPWMc == divPWM) begin // 与分频系数比较
divPWMc<=0;
if(daPWMc<100) daPWMc <= daPWMc+1; //PWM 调整精度1%
else daPWMc <= 0;
if(daPWMs < daPWMc) PWM <= 0;//PWM 发生器
else PWM <= 1;
end
else divPWMc <= divPWMc+1;// 时钟分频
end
endmodule
关于单片机与CPLD 之间的接口请读者参考本刊前几期笔者撰写的文章。
与之对应的MCU 测试程序为：
#include
#include
#define PWM XBYTE[0xffe8]
#define DIV XBYTE[0xffe9]
void main()
{
DIV = 15; //PWM 信号频率计算晶振22.1184M/6/100/
(DIV+1)=2.30K(实测2.281K)
PWM=50; // 设定占空比50%，前面计数器范围为0~99
while(1) ;
}
执行单片机程序，选择不同的分频系数和占空比值，从CPLD 的引脚输出PWM 信号示波器截图如图4所示。
图4 不同占空比的PWM信号示波器截图
三、SPWM
如果将占空比按正弦规律随着时间变化，就可以得到正弦调制的PWM 信号，也就是SPWM。如图5 所示，该信号经过阻容滤波可以得到正弦模拟信号，这里的运放做电压跟随器用，对信号驱动能力进行放大。实际得到的正弦信号示波器截图效果如图6 所示。
图5 SPWM阻容滤波电路[!--empirenews.page--]
图6 正弦信号示波器截图
正弦信号发生器MCU 演示程序：
#include
#include
#define PWM XBYTE[0xffe8]
unsigned char code sine_dot[32]={49,59,68,77,84,90,95,98,99,98,95,90,84,77,68,59,49,40,30,22,14,8,4,1,0,1,4,8,14,22,30,40};// 正弦表
void main()
{
unsigned char i=0;
while(1) {
PWM = sine_dot[i];
i=(i++)&0x1f;
}// 如果要严格控制SPWM 的周期，这里的while 循环请用定时器来驱动
}
四、三路精确相位差正弦信号发生器
对CPLD 改进设计，很容易实现多路PWM 输出。
例如设计具有精确相位差的三相正弦信号，CPLD 电路VerilogHDL 程序如下：
module Mini51b_PWM(P0,ALE,P27,WR,PWM);
input [7:0]P0;
input ALE,P27,WR;
output [2:0]PWM;
wire [3:0]addr;
reg [7:0]daPWMc;
reg [7:0]daPWMs0,daPWMs1,daPWMs2;
reg [2:0]PWM;
wire clk,nclk,a,b,c,d;
assign addr= (ALE)?P0[3:0]:addr; // 低八位地址锁存
always @(negedge WR)
begin
case({P27,addr})
5'H10: daPWMs0 <= P0;// 写带地址的寄存器
5'H11: daPWMs1 <= P0;// 写带地址的寄存器
5'H12: daPWMs2 <= P0;// 写带地址的寄存器
default:
begin
daPWMs0 <= daPWMs0;
daPWMs1 <= daPWMs1;
daPWMs2 <= daPWMs2;
end
endcase
end
always @(posedge clk) begin
daPWMc <= daPWMc+1; //PWM 调整精度1%
if(daPWMs0 < daPWMc) PWM[0] <= 0;//PWM 发生器
else PWM[0] <= 1;
if(daPWMs1 < daPWMc) PWM[1] <= 0;//PWM 发生器
else PWM[1] <= 1;
if(daPWMs2 < daPWMc) PWM[2] <= 0;//PWM 发生器
else PWM[2] <= 1;
end
assign nclk=!clk;
LCELL A0(。in(nclk)， .out(a));
LCELL A1(。in(a)， .out(b));
LCELL A2(。in(b)， .out(c));
LCELL A3(。in(c)， .out(d));
LCELL A4(。in(d)， .out(clk));//PWM 时钟来自CPLD 内部
LCELL 延迟电路振荡器
endmodule
与之对应的MCU 演示程序：
#include
#include
#define PWM0 XBYTE[0xfff0]
#define PWM1 XBYTE[0xfff1]
#define PWM2 XBYTE[0xfff2]
unsigned char code sine_dot[36]= //8 阶，36 点正弦表
{
0x80,0x96,0xab,0xbf,0xd2,0xe2,0xee,0xf8,0xfe,0xff,0xfe,0xf8,
0xee,0xe2,0xd2,0xc0,0xab,0x96,0x80,0x69,0x54,0x40,0x2
d,0x1e,
0x11,0x07,0x01,0x00,0x01,0x07,0x10,0x1d,0x2d,0x3f,0x53,
0x69
};
void main()
{
unsigned char a,b,c;
a=0;
while(1) {
a %= 36;// 对36 取余数及0~35
b=(a+12)%36;// 较a 路滞后120 度相位
c=(a+24)%36;// 较a 路滞后240 度相位
PWM0 = sine_dot[a];
PWM1 = sine_dot[b];
PWM2 = sine_dot[c];
a++;
}
}
实际得到的三相正弦信号示波器截图效果如图7所示，只是双踪示波器同时只能看两路信号。
图7 具有精确相位差的三相正弦信号示波器截图
五、结束语
今后，MCU+CPLD 结构将是很多电子系统设计的一种基本架构，MCU 可以用程序实现复杂智能的控制与检测，CPLD 又可以实现灵活多变的外围扩展电路设计，尤其是可以用硬件实现特殊的MCU 无法实现的功能，弥补MCU 响应速度慢影响实时性问题，两者互补，完全实现硬件软设计，使得同一硬件平台能够通过软件实现更多的功能。
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