基于ARMLPC2131的PWM波输出

编号_嵌入式系统实训论文说明书题目基于嵌入式ARM的PWM信号发生器摘要脉宽控制技术（PWM）简称脉宽调制，是非常重要的电力电子控制技术，利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，对提高电力电子装置的性能，促进电力电子技术的发展有着巨大的推动作用。本系统主要介绍了基于LPC2132的PWM信号发生器制作系统，主要功能是对PWM输出波形的频率、占空比的连续调节，并能对运行信号参数用示波器进行实时显示。电路主要分为三个模块，核心模块采用LPC2138中央控制单元，通道选择模块，键盘控制模块采用了五个按键控制，分别调节PWM信号的占空比加和减、频率的加和减、输出PWM通道选择。经测试验证，该信号发生器便于观察和调节，控制精确误差小。关键词LPC2132；PWM；按键；占空比；频率2ABSTRACTPULSEWIDTHCONTROLTECHNOLOGYPWMREFERREDTOPULSEWIDTHMODULATION,ISVERYIMPORTANTPOWERELECTRONICCONTROLTECHNOLOGY,THEUSEOFTHEMICROPROCESSORDIGITALOUTPUTTOTOTHEANALOGCIRCUITTOCONTROLAVERYEFFECTIVETECHNOLOGY,TOIMPROVETHEPERFORMANCEOFTHEPOWERELECTRONICDEVICES,ANDPROMOTETHEDEVELOPMENTOFTHEPOWERELECTRONICTECHNOLOGYHASAGREATPUSHFORWARDTHISSYSTEMMAINLYINTRODUCESTHELPC2132PWMSIGNALGENERATORBASEDONTHEPRODUCTIONSYSTEM,THEMAINFUNCTIONISTOTHEOUTPUTWAVEFORM,THEFREQUENCYPWMOCCUPIESEMPTIESCOMPAREDTOCONTINUOUSADJUSTMENT,ANDCANRUNWITHANOSCILLOSCOPETOSIGNALPARAMETERREALTIMEDISPLAYCIRCUITCANBEDIVIDEDINTOTHREEMODULES,THECOREMODULELPC2138CENTRALCONTROLUNIT,CHANNELSELECTIONMODULE,THEKEYBOARDCONTROLMODULEADOPTEDFIVEKEYCONTROL,REGULATEPWMSIGNALOCCUPIESEMPTIESCOMPAREDTOADDANDSUBTRACT,FREQUENCYOFADDITIONANDSUBTRACTION,OUTPUTPWMCHANNELSELECTIONTHERESULTSOFEXPERIMENT,THISSIGNALGENERATORFOROBSERVATIONANDREGULATION,CONTROLPRECISESMALLERRORKEYWORDSLPC2132PWMBUTTONOCCUPIESEMPTIESCOMPAREDFREQUENCY目录引言11系统设计111设计要求112方案的选择113系统设计214工作原理22硬件设计321LPC2132芯片说明3211LPC2132主要特性3212LPC2138管脚322PWM模块4221PWM特性4222PWM基本原理5223PWM相关寄存器53软件设计631系统整体设计632键盘驱动程序设计833PWM输出通道的选择94整机调试1041静态调试1042动态调试1143数据的测量和计算11431占空比计算11432信号频率误差计算115结论12附录151引言脉冲宽度调制是现代控制技术常用的一种控制信息输出，可以有效地利用数字技术控制模拟信号的技术。PWMPULSEWIDTHMODULATION又称脉冲宽度调制，属于脉冲调制的一种，是应用于电子信息系统和通信领域的一种信号变换技术。随着电力电子技术被引入到电力变换领域，PWM技术广泛运用于各种工业电力传动领域乃至家电产品中。其突出特点是可以比较容易地选择最佳的脉冲调制频段,因此，被竞相开发，前景广阔。PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一,由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点，在交流传动及至其它能量变换系统中得到广泛应用。目前实现方法为采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限,结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。本文主要介绍了PWM信号发生器的概念、作用及定义，分析了系统的工作原理和软硬件的设计。主要是以LPC2132为核心控制单元，通过对外围电路芯片的设计实现PWM输出波形的频率、占空比的连续调节，达到产生PWM信号目的。1系统设计本系统主要是基于LPC2132的PWM信号发生器制作系统，该电路主要分为LPC2132中央控制模块、键盘控制模块、PWM通道选择三部分。IPC2132是整个电路的核心部分，按键主要是控制界面达到友好的人机交流，最后提供三个PWM输出通道的选择。11设计要求1输出三路及以上PWM信号2PWM信号频率（周期）可调。3PWM信号相位差可调。4PWM信号频率误差100HZ。12方案的选择2示波器显示波形PWM通道选择按键控制方案一可采用传统的PWM控制电路专用集成芯片或中小规模的数字集成电路来做PWM信号发生器。但是传统的集成电路频率低，可控性差，调试难度大。方案二、随着微电子技术和大规模可编程器件的发展，PWM在电机调速中的应用越来越广泛。ARM与传统PWM控制电路中使用的用集成芯片或中小规模的数字集成电路相比而言,具有体积更小、通用性更强、响应更快、可通过编程改良其功能等优点，能达到的频率范围指标更广。所以，综合考虑后，本次设计选择LPC2132作为电路的核心部件，这样既达到题目的设计要求，也更方便检测调试。13系统设计本次设计基于嵌入式ARM的PWM信号发生器。电路用USB接口为电源，程序从下载口直接接入LPC2132嵌入式核心芯片，PWM输出可选用三路输出通道中的一个来显示波形，并用到PWM专用的标准定时器还有匹配器来锁存数据等，可以达到友好的人机交流界面。总的系统设计原理方框图如图11所示。图11总系统设计原理框图14工作原理脉宽调制（PWM）控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。PWM信号发生器通过LPC2132对各模块和定时/计数器、锁存器的控制，其脉宽调制器建立在标准定时器之上,可在PWM和匹配功能当中进行选择。本次采用软件编程控制的方法，通过改变给其内部计数器的写入值产生一系列幅值相等而宽度不等的脉冲，再通过一整形电路，产生规则的PWM脉冲波形，改变的计数器初值是通过程序的改变实现的，而PWM的输出通道选择，波形频率的改变以及其占空比的改变是通过按键程序实现，最后通过LPC2132核心控制芯片产生PWM信号电源程序下载3示波器显示相应的波形参数。2硬件设计本系统主要由嵌入式ARM芯片LPC2132构成，PWM信号由示波器显示。21LPC2132芯片说明LPC2132是PHILIPS公司生产的单片32位ARM微控制器，是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMISCPU，并带有256KB的嵌入的高速FLASH存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位THUMB模式将代码规模降低超过30，而性能的损失却很小。211LPC2132主要特性（1）16/32位ARM7TDMIS核，超小LQFP64封装。8/16/32KB的片内静态RAM和32/64/128/256/512KB的片内FLASH程序存储器。128位宽度接口/加速器可实现高达60MHZ工作频率。（2）通过片内BOOT装载程序实现在系统编程/在应用编程（ISP/IAP）。单个FLASH扇区或整片擦除时间为400MS。256字节行编程时间为1MS。（3）1个（LPC2131/32）或2个（LPC2134/36/38）8路10位的A/D转换器，共提供16路模拟输入，每个通道的转换时间低至244US。（4）1个10位的D/A转换器，可产生不同的模拟输出。（LPC2132/34/36/38）。（5）2个32位定时器/外部事件计数器（带4路捕获和4路比较通道）、PWM单元（6路输出）和看门狗。（6）低功耗实时时钟具有独立的电源和特定的32KHZ时钟输入。（7）多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、2个高速I2C总线（400KBIT/S）、SPI和具有缓冲作用和数据长度可变功能的SSP。（8）向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。（9）低功耗模式空闲和掉电。（10）可通过个别使能/禁止外部功能和外围时钟分频来优化功耗。（11）通过外部中断或BOD将处理器从掉电模式中唤醒。（12）单电源，具有上电复位（POR）和掉电检测（BOD）电路CPU操作电压范围30V36V33V10，I/O口可承受5V的电压。212LPC2138管脚4本次PWM设计只用到了LPC2132中的一些管脚，用于输出PWM信号，以及按键控制。其中PWM管脚汇总如下表21所示表21PWM管脚汇总管脚名称管脚方向管脚描述PWM1输出PWM通道1输出PWM2输出PWM通道2输出PWM3输出PWM通道3输出PWM4输出PWM通道4输出PWM5输出PWM通道5输出PWM6输出PWM通道6输出基本上PWM1不能用作双边沿输出。而用PWM通道3和通道5作为双边沿PWM输出，这样会减少可用的双边沿PWM的个数，故通常不建议使用。所以本次设计的PWM的输出用到LPC2132的P07，P08，P09管脚，分别作为PWM2，PWM4，PWM6输出通道，可得到最多个数的双边沿PWM输出。P07脉宽调制器输出2。P08PWM4脉宽调制器输出4。P09PWM6脉宽调制器输出6。22PWM模块LPC2132的脉宽调制器建立在标准定时器0/1之上，应用可在PWM和匹配功能当中进行选择。PWM基于标准的定时器模块并具有其所有特性。不过LPC2131/2132/2138只将其PWM功能输出到管脚。定时器对外设时钟PCLK进行计数，可选择产生中断或基于7个匹配寄存器，在到达指定的定时值时执行其它动作。PWM功能是一个附加特性，建立在匹配寄存器事件基础之上。221PWM特性PWM脉宽调制，是靠改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变周期来控制其输出频率。PWM基于标准的定时器模块并具有其所有特性。不过LPC2131/2132/2138只将其5PWM功能输出到管脚。定时器对外设时钟PCLK进行计数，可选择产生中断或基于7个匹配寄存器，在到达指定的定时值时执行其它动作。它还包括4个捕获输入，用于在输入信号发生跳变时捕获定时器值，并可选择在事件发生时产生中断。独立控制上升和下降沿位置的能力使PWM可以应用于更多的领域。两个匹配寄存器可用于提供单边沿控制的PWM输出。一个匹配寄存器（PWMMR0）通过匹配时重新设置计数值来控制PWM周期率。另一个匹配寄存器控制PWM边沿的位置。每个额外的单边沿控制PWM输出只需要一个匹配寄存器，因为所有PWM输出的重复率速率是相同的。多个单边沿控制PWM输出在每个PWM周期的开始，当PWMMR0发生匹配时，都有一个上升沿。使用双边沿控制PWM输出时，指定的匹配寄存器控制输出的上升和下降沿。这样就产生了正脉冲和负脉冲。222PWM基本原理脉宽调制（PWM）控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次斜波谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。在采样控制理论中有一个重要的结论，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同。冲量既指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同。是指该环节的输出响应波形基本相同。如把各输出波形用傅里叶变换分析，则它们的低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。根据上面理论我们就可以用不同宽度的矩形波来代替正弦波，通过对矩形波的控制来模拟输出不同频率的正弦波。例如，把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于N，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（即冲量）相等，就得到一组脉冲序列，这就是PWM波形。可以看出，各脉冲宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。在PWM波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可，因此在交直交变频器中，整流电路采用不可控的二极管电路即可，PWM逆变电路输出的脉冲电压就是直流侧电压的幅值。223PWM相关寄存器6寄存器的功能理解1IODIR当对应的位设置为1，为输出，否则为输入2IOSET当引脚作为输出时，相应的位为1，则输出高电平；写0无效3IOCLR当引脚作为输出时，相应的位为1，则输出低电平；写0无效4IOPIN用于检测GPIO的引脚的电平状态软件设计PWM使用方法总结配置相应的引脚工作于PWM模式下，相关寄存器为PINSEL0和PINSEL1；初始化PWM的定时器相关寄存器，用于产生PWM周期以及PWM的占空比；相关寄存器为1PWMPR、PWMPC用于PWM定时器的预分频配置2PWMTC用于PWM定时器的计数3PWMMR0用于配置PWM的周期4PWMMR1PWMMR6用于配置PWM的占空比5PWMMCR用于控制PWMMR0PWMMR6的操作6PWMTCR用于PWM定时器的使能和PWM的使能配置PWM的输出方式和引脚使能输出，相关寄存器为PWMPCR；通过PWMLER使能PWMMR0PWMMR6的值设置有效；系统的主程序主要完成输出3路PWM信号，并由按键来控制调节。当PWM匹配寄存器用于产生PWM时，PWM锁存使能寄存器用于控制PWM匹配寄存器的更新。当定时器处于PWM模式时如果软件对PWM匹配寄存器位置执行写操作，写入的值将保存在一个映像寄存器中。当PWM匹配0事件发生时（在PWM模式下，通常也会复位定时器），如果对应的锁存使能寄存器位已经置位，那么映像寄存器的内容将传送到实际的匹配寄存器中。此时，新的值将生效并决定下一个PWM周期。当发生新值传送时，LER中的所有位都自动清零。在PWMLER中相应位置位和PWM匹配0事件发生之前，任何写入PWM匹配寄存器的值都不会影响PWM操作。3软件设计31系统整体设计电路输出三路PWM信号，分别从LPC2138的P07、P08、P09管脚输出。按键S1S5分别控制PWM信号的周期，占空比以及是哪一路PWM信号输出。由设计要求，可分析得出程序设计一共有以下几个模块1初始化程序设计，即初始化LPC2132芯片，设置P07、P08、P09为输出管脚。72PWM信号发生设计，初始化LPC2132后，要开启PWM的专用定时器，通过它的匹配功能来产生PWM信号。3变量控制，产生PWM信号后，要通过按键来调节PWM信号的周期和占空比。4屏幕显示，产生PWM信号，送至示波器显示。总体软件设计流程图如图31所示。NYNNNNYYYY图31总体软件设计流程图扫描按键选择PWM2信号输出通道选择PWM4信号输出通选择PWM6信号输出通开始程序初始化设置PWM寄存器产生PWM信号扫描按键S1按下1次S1按下2次S1按下3次S1S2S3S4S5信号周期增大信号周期减小信号占空减小信号占空增大示波器显示8总结1修改匹配寄存器之后，必须设置锁存使能寄存器中的相应位，否则匹配寄存器的值不能生效。2第一次使能之后还要等到匹配才能装入MR0和MR1所以要出现连续的波形，必须使用两次32初始化程序流程图32键盘驱动程序设计图32PWM信号发生器按键功能各按键功能如下1开启电源，各模块初始化。将示波器的探头接到芯片P07、P08、P09其中一路输出上，可以分别看到P07、P08和P09管脚的三路信号，表示电路工作正常。2按下S1键1次，则按键修改功能作用于P07管脚输出的PWM信号，即第1路PWM信号，再按S1键1次，则按键修改功能作用于P08管脚输出的PWM信号，即第2路PWM信号。按下第3次按键，则按键修改功能作用于P09管脚输出的PWM信号，即第3路PWM信号。3按下S2键，可以看到示波器上显示的PWM信号占周期增大。4按下S3键，可以看到示波器上显示的PWM信号占周期减小。5按下S4键，可以看到示波器上显示的PWM信号的占空减小。6按下S5键，可以看到示波器上显示的PWM信号的占空增加。按键的程序如下所示1周期加减IFIO0PINIFIO0PINWHILEIO0PINWHILEIO0PINWHILEIO0PINIFIO0PINWHILEIO0PINIFIO0PINWHILEIO0PINIFIO0PINWHILEIO0PINBREAKINTMAINVOIDCHANNELCOUNT1IO0DIRIO0DIRIO0DIRIO0DIRIO0DIRIO0DIR|1LED1IO0DIR|1LED2IO0DIR|1LED3IO0SET|1SW_1IO0SET|1SW_2IO0SET|1SW_3IO0SET|1SW_4IO0SET|1SW_5IO0CLR|1LED1IO0CLR|1LED2IO0CLR|1LED3PINSEL0|0X000A8000/设置P07、P08、P09为三路PWM信号输出管脚PWMPR0X00000001/LOADPRESCALERPWM预分频器2分频系统时钟PWMPCR0X0005454/开启PWM2、PWM4、PWM6双边沿通道PWM控制寄存器为了得到最多的双边沿PWM只能选择246PWMMCR0X00000002/匹配控制寄存器使用PWMMR0的值作为周期使计数器匹配复位PWMMR0CYCLETIME/设置周期作为变量21/下面为设置匹配寄存器PWMMR10X00000080/PWM2的上升沿控制通道MR1PWMMR20X00000080/PWM2的下降沿控制通道MR2PWMMR30X00000080/PWM2的下降沿控制通道MR3PWMMR40X00000080/PWM2的下降沿控制通道MR4PWMMR50X00000080/PWM2的下降沿控制通道MR5PWMMR60X00000080/PWM2的下降沿控制通道MR6PWMLER0X000