AN1473

AN1473
多种计算脉冲与占空比的方法
作者:
Justin Bauer
Microchip Technology Inc.
简介
很多时候,我们需要量化周期信号的脉宽(如伺服电机
的脉宽)或者脉宽调制信号的占空比。有时会遇到需要
测量非周期性脉冲的情形,如测量常见于电容放电式点
火电路中的脉冲。本应用笔记介绍了基于8位PIC® 器件
的六种测量周期性和非周期性波形脉冲的不同策略,以
及六种计算周期性波形占空比的方法。
根据所选单片机与所用外设的不同,设计所需的方案
可能比预期的要复杂,这也是本文档介绍多种方案的
原因。有些方案需要使用2011年推出的可配置逻辑单
元(Configurable Logic Cell,CLC)和 数 控 振 荡 器
(Numerically Controlled Oscillator,NCO)。这些方
案能提供软件开销最低的硬件解决方案,而简单的电平
变化中断(Interrupt-On-Change,IOC)外设会需要较
多的软件开销用于计算。
本应用笔记介绍的所有方案均包含相关的软件程序。由
于 PIC MCU 的时钟速度、软件优化以及常规环境设置等
多方面原因,各种方案的最终结果可能会与文档给出的
结果有所不同。
其他方案都需要软件干预,以补偿边沿之间的定时器计
满返回或寄存器设置操作,不过这会影响精度以及测量
波形的最小 / 最大时间约束。这些方案的软件程序应该
采用汇编语言编写,以实现最佳精度。通常采用软件方
案便足以满足应用所需的精度。
由于占空比为脉冲与其周期的比值,因此有关占空比的
介绍大都会提到脉冲测量。有些方案可调整其程序,以
选择在下降沿变为上升沿或在上升沿变为下降沿时触
发,但 CLC/NCO 和 Timer1 门控方案的设置与其对应的
脉冲测量方案完全不同。
术语
本文档中使用了“精度”这一术语,它取决于时钟频率
的精度以及测量粒度。粒度越大,分辨率越低。要实现
更精确的测量,需选择高精度和高频率时钟以实现更小
的粒度和更高的分辨率。本文档所使用的另一个术语是
测量不确定性。定时器相对于脉冲边沿的停止时刻存在
不确定性:它既可能刚好在脉冲边沿出现时停止,也可
能在一个时钟周期之后停止。因此,不确定性为一个完
整的时钟周期。
如下图(图 1)所示,定时器的分辨率将极大地影响脉
冲测量结果。
执行摘要
理想的实现方案应该完全在硬件中执行,并且外部波形
与 PIC MCU 系 统 时 钟 同 步。值 得 庆 幸 的是,通过
Timer1 门控和 CLC 以及 NCO 可实现纯硬件解决方案。
由于大多数情况下,要测量的脉冲或占空比是由其他源
所产生的外部波形,因此测量的分辨率将始终为至少一
个时钟周期。
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图1:
确定特定脉宽对应的定时器值时的量化误差。定时器递增速率为 1 ns
量化误差 Error
Quantization
4
3
Timer Output 2
定时器输出
1
0
0
0.5
1
可行方案
1.5
2
2.5
脉宽
(ns)
Pulse
Width
(ns)
图 2:
3
3.5
4
脉宽定义
最精确的测量可以通过最快的时钟源与预分频比最低的
定时器来实现。最低的定时器预分频比可实现最高的分
辨率。通常分辨率越高,最大计数值越大,从而可对定
时器计满返回进行必要的补偿。
如果要使用非阻塞代码,则可以将中断程序整合到方案
中。不过,这种整合可能导致精度下降。例如,IOC 引
脚可在检测到上升 / 下降沿时产生中断。因此,现在无
需不断轮询该引脚,即可在 ISR 内部完成脉冲测量。这
听起来似乎很理想,但是用户此时必须适应 3-5 个指令
周期的延时,该延时是由于提供异步中断而产生的。
T2与 T1之间的时间为脉宽。
图 3:
占空比为脉宽与周期之比
如果必须保证绝对精度,则应该使用外部晶振,因为内
部振荡器模块可能偏离其标称频率高达 5%。
除非另外说明,否则本文档中所有包含相关代码的测量
方法,均使用 16 MHz 的内部系统时钟,并且所有定时
器均基于系统时钟(FOSC)的 1:1 预分频比工作。波长
的上下限,以及测量结果的精度通过表 1 与表 2 进行计
算。如果在基于软件的方案中考虑计满返回,则测量精
度将随软件程序的开销成比例降低。
这些方案假设脉冲为高电平有效,并且周期为两个相邻
上升沿之间的时间。详情请参见图 2 与图3。
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表 1:
与代码相关的参数
脉冲测量——参数
模块
PIC® MCU
中断
编程语言
大小(程序/ 数据)
* 上限
分辨率
Timer1门控
Timer1
PIC16LF1509
有
C
539 / 12
4.1 ms
62.5 ns
CLC*2
PIC16LF1509
有
C
400 / 5
65.54 ms
62.5 ns
PIC16LF1847
无
ASM
126 / 6
16.38 ms
3 μs
PIC16LF1509
有
C
50 / 2
1 ms
4 μs
(16x 预分频器)
IOC
PIC16LF1509
有
C
50 / 3
1.073s
6 μs
轮询输入
PIC16LF1509
无
C
50 / 3
1.073s
8 μs
Timer1门控
Timer1
PIC16LF1509
有
占空比测量——参数
C
500 / 2
4.1 ms
125 ns
NCO1
PIC16LF1509
有
C
400 / 5
65.54 ms
62.5 ns
PIC16LF1847
无
ASM
126 / 6
16.38 ms
3 ns
PIC16LF1509
有
C
50 / 2
4.1 ms
8 ns
IOC
PIC16LF1509
有
C
50 / 3
1.073s
12 μs
轮询输入
PIC16LF1509
无
C
50 / 3
1.073s
20 μs
NCO1
CCP1
Timer1/3
IOC/INT
Timer0
CLC
CCP1
Timer1/3
IOC/INT
TimerX
* 这些计算的上限可以扩大至任意设定值。表中所示的限值为定时器计满一次的时间。
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表2:
用于表 1 所示结果的公式
脉冲测量 —— 公式
模块
Timer1 门控
Timer1
CLC*2
上限
⎛ 1---⎞ * 2 n
⎝ f⎠
分辨率
1--f
NCO1
⎛ 1---⎞ * 2 n
⎝ f⎠
TimerX
n = NCO ACCUM位宽
CCP1
⎛ 1---⎞ * 2 n
⎝ f⎠
取决于软件
⎛ 1---⎞ * 2 n * 4
⎝ f⎠
取决于软件(16x 预分频器)
IOC
⎛ 4---⎞ * 2 n
⎝ f⎠
取决于软件
无
⎛ 4---⎞ * 2 n
⎝ f⎠
取决于软件
Timer1/3
IOC/INT
Timer0
1--f
占空比测量 —— 公式
Timer1 门控
Timer1
CLC*2
NCO1
TimerX
CCP1
Timer1/3
⎛ 1---⎞ * 2 n
⎝ f⎠
⎛ 1---⎞ * 2 n
⎝ f⎠
n = NCO ACCUM位宽
⎛ 4---⎞ * 2 n
⎝ f⎠
1--f
1--f
取决于软件
IOC/INT
Timer0
⎛ 1---⎞ * 2 n * 4
⎝ f⎠
取决于软件(16x 预分频器)
IOC
⎛ 4---⎞ * 2 n
⎝ f⎠
取决于软件
无
⎛ 4---⎞ * 2 n
⎝ f⎠
取决于软件
n = TimerX位宽
f = 时钟频率
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图 4:
脉冲
本节介绍如何测量周期性和非周期性波形的单个脉冲。
对于需要周期性波形源的方案,通常需要连续从脉冲测
量值中减去周期值,直到脉冲值比周期小。由于软件速
度限制导致无法在上升沿触发以及随后无法设置为捕捉
下降沿事件时,可采用此策略。
TIMER1工作原理
计数器
时钟源
Timer1门控
TIMER1 门控代码计算
表3:
模块
上限
分辨率
门控
Timer1 门控
Timer1
4.1 ms
62.5 ns
Timer1 门控是测量周期性和非周期性信号脉宽的经典
方法。此方法极其精确且配置简单,建议优先选用。整
个捕捉过程都在硬件中执行。大多数 PIC 器件上都提供
这种方法。
概述
Timer1门控根据外部触发信号来控制Timer1何时递增。
该触发信号既可以是 Timer1 门控输入的上升沿,也可
以是其下降沿。
图5:
Timer1门控将时钟源连接到随后将开始计数的定时器。此
策略仅与门控的闭合和断开有关。
假设要测量的脉冲为高电平有效,并且刚刚产生了一个
上升沿,则门控会将时钟源与其计数器相连,随后只要
脉冲保持高电平,Timer1 便递增。当波形变为低电平
时,门控断开,并且中断标志置 1。随即可通过读出
Timer1计数寄存器中的16位值来确定脉宽。
TIMER1 门控在“T1G_IN”上的信号变为高电平时连通
在 T1G 的上升沿
使能计数
T1G_IN
T1CKI
T1GVAL
Timer1
N
TMR1GIF
由软件清零
设置
1.
2.
3.
4.
5.
6.
N+2
在上升 /下降沿将Timer1门控设置为单脉冲模式
为脉冲选择合适的Timer1 时钟源与预分频比
将 TMR1H和 TMR1L清零
使能模块并将T1GG0位置 1
(脉冲产生)
TMR1GIF 位置1
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在 T1GVAL 的下降沿
由硬件置 1
7.
8.
9.
由软件清零
从TMR1H:L 读出脉宽
将TMR1GIF 清零
重复执行步骤2 至步骤 8
为实现最佳分辨率,应选择 FOSC 作为 Timer1 的时钟源
并采用1:1 预分频比值。
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图 6:
不确定性取决于时钟精度
脉冲
CLK
使用 16 MHz 时钟源时的不确定性可达 +/-62.5 ns。
限制
存在正 / 负一个时钟周期的不确定性。当脉冲刚好在时
钟的上升沿之前变为低电平或者在时钟的上升沿之后变
为高电平时会出现最坏情况。Timer1 的最大计数为
65535。在定时器计数到第 65536 个周期时,会溢出为
0。通过对 Timer1 的溢出次数进行计数,可测量超过
65535 个 Timer1 周期的脉冲。每次发生溢出事件时,
TMR1IF 位都会置 1。对溢出事件次数进行计数,然后
将所计次数与 65536的乘积与Timer1 计数值相加。
CLC 和 NCO
表 4:
CLC/NCO 代码计算
模块
CLCX2
NCO1
上限
分辨率
65.54 ms
62.5 ns
该策略使用了NCO 与 CLC。
概述
可以将两个CLC设置成一个脉冲检测器。发生软件复位
时,CLC2 将输出一个低电平,以使能 CLC1 与门,从
而脉冲为高电平时可允许时钟信号通过。当脉冲变为高
电平时,HFINTOSC 将为累加器提供时钟,直到该脉
冲变为低电平为止。当脉冲变为低电平时,CLC1 会输
出一个低电平并停止为 NCO 提供时钟。此时,可从 20
位宽的NCO 累加器寄存器读取脉宽。
图 7:
用于测量单个脉冲的 NCO 与 CLC 连接
NCO1
in c
脉冲
D
SE T
Q
CLC 2
C LR
C LC1
Q
累加器
门 控 3极 性
时钟
CLC与 NCO 内部互连的顶层视图。除脉冲外,所有连接都是处理器的内部连接。
有关此设置需要特别注意的是,如果 CLC2 在脉冲的上
升沿之前未复位,将导致测量不准确,如图 8所示。
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图8:
脉冲为高电平时应避免软件引起意外复位
脉冲
复位
CLC1 必须在脉冲产生之前复位,否则会导致测量不准。
图9:
图7 的时序图
当脉冲变为高电平时,NCO 便开始在每个 HFIINTOSC 时钟边沿都累加值1,直到脉冲变为低电平。
设置
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
将 CLC1 设置为 4输入与门
a) 输入1连接至VDD(取反门控1输出)。输入2
为要测量的脉冲
b) 输入3 为HFINTOSC
c) 输入4 为CLC2 的输出反相
将 CLC2 设置为 D型触发器。
a) 将“D”连接至 VDD(取反门控2 输出)
b) 将时钟与脉冲引脚的反相连接
c) “复位”连接至门控 3
设置 NCO
a) 将NCO配置为固定占空比(Fixed Duty
Cycle,FDC)模式
b) 为要测量的脉冲选择合适的递增值
翻转 CLC2 中的“复位”门控以启动
(脉冲为高电平)
(计数)
(脉冲为低电平)
从累加器读取脉宽
重复执行步骤3 至步骤8
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NCO 累加器值与时钟源有关,必须进行适当的换算才
能得到脉宽。常用的办法是创建一个查找表,NCO 累加
器值作为偏差包括在表中。
问题1:
问:要测量的伺服脉冲约为1 ms Æ 2 ms宽。将
NCO 累加器用作时钟输入为 16 MHz 的计数器
时,对应的查找表是怎样的?
答:将 NCO 配置为 FDC 模式,并以 1 为单位递
增,同时使用 CLC1 作为其时钟源。当脉冲为高
电平时,NCO每62.5 ns加1。2 ms之后,NCO
累加器的值将递增至 32000。此时从累加器值中
减去 1 ms(16000),然后左移 7 次(本质上是
除以 128),以创建一个切实可行的、包含 125
个值的查找表。每个值现在对应8 μs。
表 5:
问题1 的查找表
偏移量
换算结果
0
<= 1 ms
1
1.8 μs
2
1.16 μs
…
….
127
2 ms
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此方法的缺点是,每次要测量的脉宽发生变化时,都需
要重新配置 NCO和查找表。
注:
图10:
累加器最大值为 2^20。使用16 MHz 的时钟
时,这与65.536 ms 相对应。
更好的方案只会捕捉单个脉冲,该脉冲将强制 NCO 保
持累加器值,直到发出复位信号。这对于不能在下一个
脉冲到达之前复位的电路非常有用,见上文的图8。
用于测量无法在脉冲期间复位的单个脉冲的 CLC 与NCO连接
NCO1
inc
时钟
SET
D
脉冲
CLC1
Q
累加器
CLC2
CLR
Q
门控3极性
D
SET
Q
CLC3
CLR
门控3极性
Q
上电复位(Power-on Reset,POR)时,CLC2 和 CLC3
的输出均为低电平。CLC3 Q 为低电平时禁止 CLC1。
脉冲出现时,会发生以下事件:
1.
2.
3.
上升沿将CLC2 Q置1,以使能CLC1门控,从而
为 NCO 提供时钟
下降沿将CLC3 Q置1,以禁止CLC1门控,从而
停止为NCO提供时钟。CLC3 Q高电平为计数就
绪信号。
系统在复位之前一直保持该状态。
设置
1.
2.
门控3的极性通过每个CLC模块的CLC配置寄存器中的
一个位进行控制。使用它按如下顺序复位电路:
1.
CLC2“复位”为高电平 —— 脉冲在“复位”为
高电平时不能将 CLC2 置 1,Q 为低电平时禁止
CLC1
2.
3.
CLC3“复位”为高电平
CLC3“复位”为低电平 —— 从高电平到低电平
的脉冲转换不能将 CLC3 置 1,因为 CLC2 使
CLC3 的D 输入保持为低电平
CLC2“复位”为低电平 —— 复位完成且准备好
捕捉下一个脉冲
4.
3.
4.
将CLC1 设置为 4 输入与门
a) 输入1 连接至 VDD(取反门控 1 输出)
b) 输入2 为时钟源(HFINTOSC)
c) 输入3 为 CLC2 输出
d) 输入4 为 CLC3 输出的反相
将CLC2 设置为 D型触发器
a) “数据”连接至 VDD(取反门控2输出)
b) 时钟源为脉冲
c) 取反门控 3 以保持复位。开始测量脉冲时,
先释放CLC3 复位,然后释放CLC2复位。
将CLC3 设置为 D型触发器
a) “数据”为 CLC2 输出
b) 时钟源为脉冲输入的反相
c) 取反门控 3 以保持复位。开始测量脉冲时,
先释放 CLC3 复位,然后释放 CLC2 复位。
设置NCO
a) 将 NCO配置为FDC 模式
b) 为要测量的脉冲选择合适的递增值
除法和减法的处理对于 8 位单片机很耗时。因此,下面
给出了使用CLC和 NCO模块的第三种方案。
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图 11:
用于为 TIMER0 提供归一化时钟的 CLC 和 NCO 连接
NCO1
inc
时钟
溢出
累加器
RA2
SET
D
脉冲
CLC1
Q
TM R0
CLC2
CLR
Q
门 控 3极 性
D
SET
Q
CLC3
CLR
门 控 3极 性
Q
本方案使用与 CLC1 输出在同一引脚上的复用 Timer0。
NCO 仍如之前那样配置为 FDC 模式,不过其输出现在
用作 Timer0 的时钟。由于 NCO 作为线性频率发生器可
实现最高20位的分辨率,因此查找表的值可直接从NCO
周期获得。
表 6:
问题 2:
问:要测量的伺服脉冲约为0 ms  1 ms宽。使用
Timer0作为计数器时,为使TMR0不出现无法检
测的上溢 / 下溢情况,最大的 NCO 频率为多少?
答:计算将换算Timer0的NCO频率,以使值255
对应 1 ms。将 NCO 配置为脉冲频率模式。将要
测量的脉宽与Timer0宽度相除(1 ms/255位)。
取其倒数可得 NC0 频率为 255 kHz。
F 上溢 = (NCO 时钟频率 * 递增值 ) / 2^n
1.
2.
3.
4.
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偏移量
换算结果
0
0 ms
1
3.92 μs
2
7.84 μs
…
….
255
1 ms
设置
255 kHz = 16 MHz * 递增值 / 2 ^ 20
求解以上等式可得到递增值约为 16711。这会将
NCO 配置为以 255 kHz 的速率输出单个脉冲为
TMR0 提供时钟。如果定时器因时钟频率出错而
溢出,则需检查 Timer0 中断标志并在软件中对溢
出加以考虑。
问题 2 的查找表
将CLC1输出引脚配置为数字输出
将CLC1设置为 4输入与门
a) 输入 2为 VDD(取反门控1输出)
b) 输入1 为NCO输出
c) 输入3为 CLC2 的输出
d) 输入 4为CLC3 输出的反相
将 CLC2设置为 D型触发器
a) 将D连接至VDD(取反门控3输出)
b) 时钟源为脉冲
c) 取反门控 3 以保持复位。开始测量脉冲时,
先释放 CLC3复位,然后释放 CLC2复位。
将 CLC3设置为 D型触发器
a) 将D连接到 CLC2 输出
b) 时钟源为脉冲的反相
c) 取反门控 3 以保持复位。开始测量脉冲时,
在释放CLC2 复位之前释放CLC3 复位。
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限制
概述
由于测量在硬件中实现,因此不存在软件开销,但如果
要执行其他脉冲测量,则复位 CLC2 和 CLC3 会存在软
件开销。不确定性为负0 和正一个时钟周期。
可将 CCP 设置为同时捕捉波形的上升沿和下降沿。在
CCP 接收到事件条件时捕捉定时器计数值。事件是指
如下情形之一:
CCP
CCP代码计算
表7:
模块
CCP1
Timer3
上限
分辨率
16.38 ms
3 μs
1.
2.
3.
4.
每个下降沿
每个上升沿
每4 个上升沿
每16个上升沿
每4个上升沿事件或每16个上升沿事件通常用于计算信
号的周期,如图12所示。
捕捉和比较模块为脉宽测量提供一种精确的硬件和软件
方法。所提供的方案要求波形是周期性的,因为将执行
周期测量。
图12:
计算 16个重复波形的周期
在PIC10/12/16器件上使用Timer1,而在PIC18器件上可使
用Timer3。进行捕捉时,定时器值将锁存到CCPRxL:H寄
存器中。如图 1 所示,脉宽是指上升沿与下降沿之间的
时间。由于脉冲测量同时需要捕捉上升沿与下降沿,因
此 CCP 模块需要软件干预来捕捉这两类事件。
注:
在 捕 捉 模 式 下,不 应 该 使 用 系 统 时 钟
(FOSC)为Timer1提供时钟。为在捕捉模
式下识别 CCPx 引脚上的触发事件,Timer1
必须由指令时钟(FOSC/4)来提供时钟。
理想情况下,要测量的脉冲比 CCP 模块在捕捉上升沿
和下降沿之间切换所需的建立时间宽很多倍。但很多时
候,脉冲比切换所需的指令时钟短很多。由于此限制,
比较明智的方案是也进行周期测量。如果脉冲测量值比
周期测量值大,则需要从脉冲测量值中减去周期测量
值,直到结果比周期小为止。
脉冲测量也需要进行周期测量,如图13所示。
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图13:
从周期中提取脉冲以及脉冲捕捉
周期约为5个Timer1增量宽,而脉冲为2个增量宽。由于CCP在第一个下降沿发生之前(下降沿1)无法设置为捕捉下降沿,因此将
捕捉第二个下降沿(下降沿 2)。使用脉冲捕捉值(7)减去之前测得的周期(5)即可得到脉宽:7-5 = 2。 内部同步电路会导致信
号延时。以上测量不是同时进行的。
如果波形的 16 个周期比 65536 个 Timer1 时钟周期短,
则通过将 CCP 设置为每 16 个上升沿捕捉一次可测量周
期。那样的话,需要选择4个或1个事件作为捕捉模式。
执行两次捕捉,用第二次的捕捉值减去第一次的捕捉值
例1:
计算差值,并忽略借位。将结果除以16(右移4位,不包
括符号位)以确定周期。当计算差值时,第二次的捕捉
值比第一次的捕捉值小并没有关系。
用于计算图 13 中单个脉冲宽度的代码段
// 可能需要跨越多个周期才测得
// 脉宽长度,因此需要减去周期,
// 直到脉宽比周期短。
while(MeasuredPulse > Period) MeasuredPulse -= Period;
例 2 和例 3 中的代码显示了在检测到上升沿之后不久,
如何因CCP模块存在软件建立时间而错过下降沿检测的。
由于软件干预,将无法检测到比跳出 while(!CCP2IF)
循环并设置为捕捉下降沿所需时间短的脉冲。以下 C 语
言代码中以粗体显示的代码行,突出显示了检测到下降
沿之前必须执行的程序。
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例 2:
用于捕捉单个脉冲的 C语言代码
//*** 首先捕捉上升沿
CCP2IF = 0;
while(!CCP2IF && !TMR1IF);
CCP2CON = 0x00;
itemp = CCPR2L;
//等待边沿或定时器溢出
// 停止捕捉
// 此时保存捕捉值
if(TMR1IF)
{
//如果 Timer1溢出,则信号周期过长,
//MeasuredPulse 将强制为 Period 或 0,
//具体取决于引脚电压
if(PWM_INPUT_PIN)
{
MeasuredPulse = Period;
}
else
{
MeasuredPulse = 0;
}
}
else
{
//*** 接下来捕捉下降沿
……
}
由于这是顶层语言,需要分析 PIC MCU 所使用的实际
指令数才能得到精确的预期延时。
例 3:
更改边沿以便 CCP 执行捕捉的软件程序的反汇编
//*** 首先捕捉上升沿
98:
070C
1012
99:
070D
1812
070E
2F10
070F
2F11
0710
2F15
0711
1C11
0712
2F14
0713
2F15
0714
2F0D
100:
0715
0025
0716
019A
101:
0717
0818
0718
0020
0719
00A8
071A
01A9
102:
……
CCP2IF = 0;
BCF 0x12, 0
while(!CCP2IF && !TMR1IF); // 等待
BTFSC 0x12, 0
GOTO 0x710
GOTO 0x711
GOTO 0x715
BTFSS 0x11, 0
GOTO 0x714
GOTO 0x715
GOTO 0x70d
CCP2CON = 0x00; // 停止捕捉
MOVLB 0x5
CLRF 0x1a
itemp = CCPR2L; // 保存捕捉值
MOVF 0x18, W
MOVLB 0
MOVWF 0x28
CLRF 0x29
if(TMR1IF)
以上反汇编代码采用免费版 XC8 v1.01 进行编译。您的
程 序 可 能 因 所 用 的 优 化 而 有 所 不 同。请 记 住,每 条
GOTO 或修改 PC 的任意指令都占用两个指令周期。
DS01473A_CN 第 12页
如果周期远小于 CCP 建立时间,则应将 CCP 模块配置
为每 16 个上升沿捕捉一次。
 2013 Microchip Technology Inc.
AN1473
设置
搭配定时器的IOC(电平变化中断)
周期的测量步骤:
表 8:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
将CCPXCON<3:0>配置为每16个上升沿捕捉一次
将TimerX预分频器配置为最低设置,并且TimerX
在第 16 个上升沿不发生溢出
使能 CCP 模块和定时器
(第 16 个上升沿)
禁止 CCP 模块,并将 CCPRX 保存在临时变量
(temp)中
使能 CCP 模块
(16 个边沿之后)
禁止 CCP 模块和定时器
此时可得周期:
Period_16 = CCPR2 – temp
Period = Period_16 >> 4
脉冲的测量步骤:
1.
2.
将 CCPXCON<3:0> 配置为每个上升沿捕捉一次
将TimerX预分频器配置为最低设置,并且TimerX
在脉冲周期结束之前不发生溢出
3. 使能 CCP 模块和定时器
4. (上升沿)
5. 禁止 CCP 模块,并将 CCPRX 保存在临时变量
(temp)中
6. 将 CCPXCON<3:0> 配置为每个下降沿捕捉一次
7. 使能 CCP 模块
8. (下降沿)
9. 禁止 CCP 模块和定时器
10. 此时可得脉宽:
MeasuredPulse = CCPRX - itemp;
while(MeasuredPulse > Period) MeasuredPulse -= Period;
限制
搭配定时器的 IOC 的代码计算
模块
IOC
TimerX
上限
分辨率
1 ms
4 μs
(16x 预分频器)
如果无法使用硬件模块来测量脉冲,则可以将一个电平
变化中断引脚配置为能够同时在上升沿和下降沿产生中
断。根据电气规范,对于 PIC16F1847,最小脉宽必须
至少为 25 ns。此方法的性能还会受到其他因素的限
制,如中断延时。
概述
此方法与 CCP 模块的方法类似,只是无法在检测到事
件(上升 / 下降沿)时立即停止定时器。这会增加计算
中的不确定性,因为软件此时必须立即停止定时器。一
些 PIC 器件可指定上升沿和下降沿触发器,而另一些器
件不会对两者进行区分。如果器件支持 IOC,则可以使
用INT引脚以及任意PORTB引脚。
首先,测量周期波形的周期。然后测量脉冲。
设置
周期的测量步骤:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
将其中一个IOC引脚配置为在上升沿中断(IOCBP)
将该引脚设置为数字输入
将任意定时器设置为对 T(图 3)进行计数且不
会产生溢出
使能定时器
当 IOC 标志置 1 时,先将其清零,然后将定时器
值保存在临时变量(temp)中
当中断标志再次置 1 时,停止定时器并将定时器
值保存在临时变量(temp2)中
此时可测得周期:
Period = temp2 - temp
此测量的分辨率为 PIC MCU 指令时钟的函数。待测量
波形的周期必须至少为指令时钟周期的两倍。这是因为
CCP 模块检测与时钟同步,而且必须记录每个上升沿
和下降沿。
 2013 Microchip Technology Inc.
DS01473A_CN 第 13 页
AN1473
脉冲的测量步骤:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
MeasuredPulse = temp2 – temp;
while(MeasuredPulse > Period) MeasuredPulse -= Period;
将其中一个IOC引脚配置为在上升沿中断(IOCBP)
将该引脚设置为数字输入
将任意定时器设置为对 W(图 3)进行计数且不
会产生溢出
使能定时器
当 IOC 标志置 1 时,先将其清零,然后将定时器
值保存在临时变量(temp)中
将该引脚配置为在下降沿中断(IOCBN)
当中断标志再次置1时,先将其清零,然后停止定
时器并将定时器值保存在临时变量(temp2)中
此时可测得脉宽:
图14:
限制
该方法的限制是周期时间必须大于捕捉两个上升沿所需
的时间。如果相邻两个上升沿之间的软件建立时间大于
周期时间,将导致周期测量错误。
如果IOC标志置1导致跳转到ISR,则设计人员必须认识
到中断指向引发的延时。由于该中断与时钟异步,因此
预期延时为3-5个指令周期时间,如下图(图14)所示。
中断延时
Q1
Q2
Q3
Q4
Q1
Q2
Q3
Q4
Q1
Q2
Q3
Q4
Q1
Q2
Q3
Q4
Q1
Q2
Q3
Q4
OSC1
CLKOUT 3
4
INT 引脚
pin
1
1
INTF 标志
flag
(INTCON<1>)
(INTCON<1>)
Interrupt
Latency 2
中断延时
5
GIE 位
bit
(INTCON<7>)
(INTCON<7>)
指令流
INSTRUCTION
FLOW
PC
PC
Instruction
取指令
fetched
Inst (PC)
Instruction
执行指令
executed
Inst (PC-1)
PC+1
Inst (PC+1)
Inst (PC)
PC+1
—
空周期Cycle
Dummy
0004h
0005h
Inst (0004h)
Inst (0005h)
Dummy
Cycle
空周期
Inst (0004h)
注
1:1: INTF
此处采样INTF
标志(每个Q1)。
Note
flag is sampled
here (every Q1).
CY = instruction cycle time.
= 3-4
TCY where
2:2: Interrupt
中断延时latency
= 3-4 个T
CY,其中T
CY =T指令周期时间。无论指令(PC)是单周期指令还是双周期指令,延时都相同。
Latency is the same whether Instruction (PC) is a single cycle or a 2-cycle instruction.
3: 仅在RC 振荡器模式下,CLKOUT 才可用。
3: CLKOUT is available only in RC oscillator mode.
4:4: For
要获得INT脉冲的最小宽度,请参见交流规范。
minimum width of INT pulse, refer to AC specs.
is enabled to be set anytime during the Q4-Q1 cycles.
5:5: INTF
使能INTF,以在Q4-Q1期间随时将INTF置1。
未搭配定时器的 IOC(电平变化中断)
未搭配定时器的 IOC 的代码计算
表9:
模块
IOC
上限
分辨率
1.073s
6 μs
该方法与搭配定时器的电平变化中断类似,只不过它使
用系统时钟计数,而不是定时器。
DS01473A_CN 第 14 页
概述
这种确定脉宽的方法比较“经济”。用户只需等待至检
测到上升沿,然后使寄存器递增,直到检测到第二个上
升沿中断为止。这样可测得周期。将保存上升沿以及随
后的下降沿测量结果,然后从周期中减去相应测量值即
可得到脉宽。
© 2013 Microchip Technology Inc.
AN1473
设置
脉冲的测量步骤:
周期的测量步骤:
1.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
将 其 中 一 个 IOC 引 脚 配 置 为 在 上 升 沿 中 断
(IOCBP)
将该引脚设置为数字输入
将任意变量设置为对 T(图 3)进行计数且不会
产生溢出
使临时变量(count)开始递增
当 IOC 标志置 1 时,先将其清零,然后将计数变
量保存在另一个临时变量(temp)中
继续使计数变量递增
当中断标志再次置 1 时,将其清零并将计数变量
保存在另一个临时变量(temp2)中
此时可测得周期:
Period = temp2 - temp
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
将 其 中 一 个 IOC 引 脚 配 置 为 在 上 升 沿 中 断
(IOCBP)
将该引脚设置为数字输入
将任意变量设置为对 W(图 3)进行计数且不会
产生溢出
使临时变量(count)开始递增
当 IOC 标志置 1 时,先将其清零,然后将定时器
值保存在临时变量(temp)中
将该引脚配置为在下降沿中断(IOCBN)
当中断标志再次置 1 时,将其清零并将计数变量
保存在另一个临时变量(temp2)中
此时可测得脉宽:
MeasuredPulse = temp2 – temp;
while(MeasuredPulse > Period) MeasuredPulse -=
P i d
限制
由于此实现方案采用 C 语言编写,相比汇编程序需要更
多的指令。例 4 中的代码段仅用来检查引脚是否为高电
平,如果是高电平,则使变量递增。注意仅仅几条简单
的语句所需的指令数。
例 4:
308:
0014
001F
0020
0021
0022
0023
0024
309:
0015
0016
0017
0018
0019
001A
001B
001C
001D
001E
两行 C 代码的反编译
281F
0027
1E16
2823
2824
2815
2825
3001
0020
07A8
3000
3DA9
3000
3DAA
3000
3DAB
281F
while(!IOCBFbits.IOCBF4) // 等待下降沿
GOTO 0x1f
MOVLB 0x7
BTFSS 0x16, 0x4
GOTO 0x23
GOTO 0x24
GOTO 0x15
GOTO 0x25
count++; //使变量递增
MOVLW 0x1
MOVLB 0
ADDWF 0x28, F
MOVLW 0
ADDWFC 0x29, F
MOVLW 0
ADDWFC 0x2a, F
MOVLW 0
ADDWFC 0x2b, F
GOTO 0x1f
由此可见,完成仅仅两行 C 语言代码所需的指令数也
比较多。每个指令周期递增“count”所需的延时约为
20 个指令时钟,具体而言,如果 FOSC = 16 MHz,则
为 5 μs。如果已产生脉冲,而且“count”寄存器的值
为 12,则脉宽为:
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脉宽 = count* 延时 * 指令定时器
脉宽 = 12*20* 1/(16 MHz/4) = 60 μs
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AN1473
轮询输入
占空比测量
任何PIC器件都可使用该方法,而且从所需模块(PORT)
的角度看,这是最基本的方法。
本节介绍如何测量波形的占空比。如前所述,在“脉
冲测量”一节列出的大多数模块已经测量了周期和脉
冲。因此,只需求这两个值的比值便可计算出占空比。
概述
表10:
轮询输入计算
模块
无
上限
分辨率
1.073s
8 μs
该方法测量单个脉冲宽度的代码与 IOC 策略类似,只不
过它没有电平变化中断功能。软件必须在轮询单个信号
引脚期间不断执行循环。
设置
周期的测量步骤:
1.
2.
3.
4.
5.
将其中一个引脚配置为数字输入
将任意变量设置为对 T(图 3)进行计数且不会
产生溢出
当引脚状态从低电平转换为高电平时,使临时变
量(count)递增
当引脚再一次从低电平转换为高电平时,使计数
变量停止递增
此时可测得周期:
占空比是脉冲与周期这两个数之比,因此占空比测量
本身很精确。脉冲测量的绝对误差在执行除法后会被
抵消。
Timer1门控
表 11:
模块
Timer1门控
Timer1
TIMER1门控代码计算
上限
分辨率
4.1 ms
1.2 μs
具有Timer1门控功能的单片机也可以测量波形的占空比。
概述
一个重要的前提条件是,要测量的波形的周期必须至少
出现两次。这是因为结果与后处理都要求进行两次测
量。因此,在两次测量之间需要软件干预,以设置下一
个正确配置。
可组合使用 Timer1 门控的单脉冲和翻转来测量波形的
周期,如图15所示:
Period = count
脉冲的测量步骤:
1.
2.
3.
4.
5.
将其中一个引脚配置为数字输入
将任意变量设置为对 W(图 3)进行计数且不会
产生溢出
当引脚状态从低电平转换为高电平时,使临时变
量(count)递增
当引脚从高电平转换为低电平时,使计数变量停
止递增
此时可测得脉宽:
MeasuredPulse = count
限制
最终脉宽必须将寄存器递增所需的指令数考虑在内。最
精确的指令数确定方法是参考程序反汇编或者采用汇编
语言编写程序。如果脉冲过短,则可能无法捕捉到第一
个下降沿。
DS01473A_CN 第 16 页
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AN1473
图 15:
TIMER1门控单脉冲和翻转组合模式
TMR1GE
T1GPOL
T1GSPM
T1GTM
T1GGO/
在 T1GVAL 的下降沿
由硬件清零
由软件置 1
DONE
在 T1G 的上升沿
使能计数
T1G_IN
T1CKI
T1GVAL
Timer1
TMR1GIF
N
N+1
由软件清零
N+2
N+3
N+4
在 T1GVAL 的下降沿
由硬件置 1
如果使能了中断,则周期结束时会将中断标志置 1。保
存此测量之后,可重复执行本文档前文所介绍的单个脉
冲的测量步骤(请参见“脉冲测量”下的“Timer1 门
控”一节)。之后,只需计算脉宽与周期长度的比值即
可得到占空比。
由软件清零
NCO + CLC + TimerX
表 12:
模块
NCO
1.
TimerX
限制
此方案需要执行两次测量:分别针对波形的脉冲和周
期。这两次测量都是在软件初始化之后完全在模块中执
行的。每次测量都存在正/负一个时钟周期的不确定性。
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上限
分辨率
65.54 ms
62.5 ns
CLC
设置
在上升 / 下降沿将 Timer1 门控设置为单脉冲和翻
转模式
2. 为周期选择合适的Timer1时钟源与预分频比
3. 将 TMR1H 和 TMR1L清零
4. 使能模块并将T1GG0 位置 1
5. (产生两个连续的上升/ 下降沿)
6. TMR1GIF 位置1
7. 从 TMR1H:L 保存周期宽度
8. 将 TMR1GIF 清零
9. 将 Timer1 门控设置为单脉冲模式(请参见“脉冲
测量”下的“Timer1门控”一节)
10. 保存脉宽测量值
11. 用脉宽除以周期以确定占空比
代码计算
此方法使用 NCO 和 CLC,在脉冲为高电平时为 NCO 累
加器提供时钟。当其他模块在运行时,可使用任意定时
器来递增计数。为实现最佳精度,使用此方法测量波形
的占空比时,应该让测量时间延长到至少 100 个周期。
概述
使能定时器后,立即使能NCO,以便开始以增量值1进
行累加。当要测量的波形为高电平时,NCO 将在每个
时钟沿递增,直到波形变为低电平为止。
通过禁止 NCO 可结束测量。可通过多种方式来禁止,
如定时器中断或 NCO 累加器溢出方式。如果发生了溢
出,则应该使用该寄存器的最大值,而不是其当前值,
因为中断无法阻止其再次从零开始递增。
为了避免后处理,必须对CLC和定时器使用同一个时钟
源(Fosc)。例如,Timer2 只能使用 Fosc/4 作为时钟
输入。对该定时器结果值进行两次左移操作可使值乘 4,
这样可对此进行补偿。
DS01473A_CN 第 17 页
AN1473
CLC1和 NCO之间交互的高级视图。除脉冲外,所有连接都是处理器的内部连接。
图16:
NCO 1
T im e r X
时钟
in c
CLC1
累加器
脉冲
之后,将 20 位 NCO 值除以定时器值可得到占空比(假
设定时器和 NCO 均按 1 递增,并且使用预分频比为 1:1
的相同时钟源)。
公式 1:
NCO的占空比计算
占空比 = 累加器值
-----------------------定时器值
定时器计满时返回时长是一个重要考虑因素。定时器不
能在波形的一个完整周期结束之前计满。
图17:
设置
1.
2.
将NCO设置为FDC或PFC模式,并使用LC1OUT
作为时钟源
将CLC设置为4 输入与门
a)将输入1和2设置为VDD(取反门控1和2输出)
b)输入 3 为时钟源(HFINTOSC)
c) 输入 4 为脉冲
图17显示了图16 实现方案的时序图。
占空比为NCO 累加器值与定时器值之比
当信号为高电平且出现时钟上升沿时,NCO 的累加器开始按值 1 递增。该定时器会在禁止(未显示)之前持续递
增。波形的占空比约为60%(3个高电平计数/总共5个计数)。实际的波形周期可能比这5个时钟要大很多。
可测得的占空比如下:
公式 2:
NCO的占空比计算
因此,该策略应在波形尽可能多的情况下计数时采用。
例如,长达100个周期的50 kHz方波,其精度为1%,亦
即一个周期长度。这需要让定时器至少计数2 ms。
占空比 = 累加器值
------------------------ = 158
--------- ( 100 ) = 62 %
定时器值
255
由于定时器相对于波形周期的起始和结束而开始和停止
递增的时间不确定,因此该测量存在不确定性。这种不
确定性会随定时器溢出的配置而有所波动。如果定时器
刚好在第二个脉冲开始之前禁止(图中未显示),则占
空比会比实际小很多。
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AN1473
公式 3:
此方法的精度取决于测量的周期数
– 1- ( 100 )
精度 = 周期数
----------------------------1 - * 周期数
定时器长度 = ----------周期
此方法与 CCP 模块的方法类似,只是无法在检测到事
件(上升 / 下降沿)时锁存定时器值。这将导致计算中
进一步产生偏差,因为软件此时必须立即保存定时器
值。一些 PIC 单片机可指定上升沿和下降沿触发器,而
另一些器件不会对两者进行区分。如果器件支持 IOC,
则可以使用 INT 引脚以及任意 PORTB 引脚。有关测量
对象的图示,请参见图3。
CCP代码计算
设置
周期数
CCP
表13:
模块
CCP1
Timer1/3
概述
上限
分辨率
16.38 ms
3 μs
CCP 模块也可以测量波形的占空比。该方法与“脉冲
测量”下“CCP”一节的方法类似。
概述
另 一 种 测 量 占 空 比 的 方 法 是 按 照“脉 冲 测 量”下
“CCP”一节所述设置CCP,然后将模块配置为在第4个
或第 16 个边沿产生中断以计算周期,最后将两个结果
相除以得到占空比。
执行“搭配定时器的 IOC(电平变化中断)”一节介绍
的设置操作之后,可按如下公式计算占空比百分数:
公式 4:
占空比 ( % ) = W
----- * ( 100 )
T
限制
分辨率与脉冲测量的分辨率相同。
未搭配定时器的 IOC(电平变化中断)
表 15:
设置
模块
请参见“CCP”一节进行设置以得到周期与脉宽。
IOC/INT
限制
需要消除任何由脉冲测量所导致的绝对误差。为获取最
佳结果,应该在持续捕捉期间捕捉大量计数。例如,
CCP 必须至少捕捉 10 次计数才能达到10% 精度。
搭配定时器的 IOC(电平变化中断)
表14:
模块
IOC/INT
TimerX
搭配定时器的IOC 的代码计算
上限
分辨率
4.1 ms
8 μs
此方法使用的硬件模块较便宜,但精度较低。此策略
整合了基于电平变化中断的脉冲测量(请参见“脉冲
测量”中的“搭配定时器的 IOC(电平变化中断)”
一节)。
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占空比百分数计算公式
未搭配定时器的 IOC的代码计算
上限
分辨率
1.073s
12 μs
此策略使用 IOC 功能实现只用一个寄存器来代替定时器
进行递增。
总结
由于未搭配定时器,单片机必须花费时间轮询和递增寄
存器。从而在完成占空比测量之前,迫使 CPU 一直被
软件程序占用。有关测量对象的图示,请参见图3。
设置
执行“未搭配定时器的 IOC(电平变化中断)”一节介
绍的设置操作之后,可通过公式4 计算占空比百分数。
限制
分辨率与脉冲测量的分辨率相同。不确定性为正/负两个
时钟周期。
DS01473A_CN 第 19 页
AN1473
轮询输入
表16:
无代码计算
模块
无
上限
分辨率
1.073s
12 μs
这是最基本的程序。它不包括任何外设,但最耗时。
总结
该方法只使用软件来轮询和递增变量,从而测量占空比。
设置
执行“轮询输入”一节介绍的步骤之后,可通过公式 4
计算占空比百分数。
限制
分辨率与之前的软件程序(与设置每个上升沿和下降沿
检测所需的指令数成比例关系)以及递增程序类似。
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请注意以下有关 Microchip 器件代码保护功能的要点:
•
Microchip 的产品均达到 Microchip 数据手册中所述的技术指标。
•
Microchip 确信:在正常使用的情况下, Microchip 系列产品是当今市场上同类产品中最安全的产品之一。
•
目前,仍存在着恶意、甚至是非法破坏代码保护功能的行为。就我们所知,所有这些行为都不是以 Microchip 数据手册中规定的
操作规范来使用 Microchip 产品的。这样做的人极可能侵犯了知识产权。
•
Microchip 愿与那些注重代码完整性的客户合作。
•
Microchip 或任何其他半导体厂商均无法保证其代码的安全性。代码保护并不意味着我们保证产品是 “牢不可破”的。
代码保护功能处于持续发展中。 Microchip 承诺将不断改进产品的代码保护功能。任何试图破坏 Microchip 代码保护功能的行为均可视
为违反了 《数字器件千年版权法案 (Digital Millennium Copyright Act)》。如果这种行为导致他人在未经授权的情况下,能访问您的
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Microchip 位于美国亚利桑那州 Chandler 和 Tempe 与位于俄勒冈州
Gresham 的全球总部、设计和晶圆生产厂及位于美国加利福尼亚州和
印度的设计中心均通过了 ISO/TS-16949:2009 认证。 Microchip 的
PIC® MCU 与 dsPIC® DSC、KEELOQ® 跳码器件、串行 EEPROM、单片
机外设、非易失性存储器和模拟产品严格遵守公司的质量体系流程。
此外, Microchip 在开发系统的设计和生产方面的质量体系也已通过了
ISO 9001:2000 认证。
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