一种基于C8051单片机的SPWM波形实现方案

1 引言

　　正弦脉宽调制（SPWM）技术已在交流调速、直流输电、变频电源等领域得到广泛应用，为了提高整个系统的控制效果，高性能SPWM脉冲形成技术一直是人们不断探索的问题。采用模拟电路和数字电路等硬件电路来产生SPWM波形是一种切实可行的方法，但是这种实现方法控制电路复杂、抗干扰能力差、实时调节较困难。近年来，人们提出了由单片机、DSP等微控制器来实现SPWM波形的数字控制方法[1][2]，由于微控制器内部集成了很多控制电路，比如定时器、PWM电路、可编程计数器阵列等，所以使得这种实现SPWM的方法具有控制电路简单、运行速度快、控制精度高、抗干扰能力强等优点。本文介绍了一种利用C8051单片机实现输出频率可变SPWM波形的方法，并将由C8051F040产生的单极性SPWM波应用于单相频率可调逆变电源，实验结果证实了利用C8051实现SPWM波形的可行性和有效性。

2 SPWM技术原理

　　SPWM技术的基本原理是利用一个三角波载波和一个正弦波进行比较，得到一个宽度按正弦规律变化的脉冲序列，用它们来驱动逆变器开关管的开关转换。由微控制器来实现SPWM波形的方法有表格法、随时计算法和实时计算法，但前两种无实时处理能力[2]。采用实时计算法要有数学模型，其中一种较为常用的是采样型SPWM法，它分为自然采样法、对称规则采样法和不对称规则采样法。本文采用对称规则采样法，即利用经过采样的正弦波（实际上是阶梯波）与三角波相交，由交点得出脉冲宽度。图1是典型的单极性对称规则采样法，它只在三角波的峰值时刻采样正弦调制波并将采样值保持，分别取保持值和三角波交点作为脉冲宽度时间。图中Ts为三角波的周期，同时也是采样周期；Ur为三角波的高，正弦波为Ucsinωt。根据三角形相似关系，得到

　　所以

　　其中，M=Uc/Ur为调制比，t为采样点（这里为顶点采样）的时刻。则脉冲宽度为

　　采样点时刻t只与载波比N有关。对于图1情况有t=kTS+θ，其中k=0，1，2，…，N-1，θ=180/N度。

图1 对称规则采样法

　　在对称规则采样情况下，只要知道采样点时刻t就可以确定这个采样周期内的脉冲宽度tpw和时间间隔toff，从而可以计算出SPWM波形高、低脉冲的宽度。

3 C8051实现SPWM波形的原理及算法

3.1 C8051F系列单片机PCA简介

　　C8051F系列单片机都具有一个可编程计数器阵列PCA，以C8051F040为例，PCA包含1个专用的16位计数器/定时器和6个16位捕捉/比较模块，可以输出6路PWM波形。如图2所示，16位PCA专用计数器/定时器的时基信号可有多种选择，可通过配置相关的系统控制器的特殊功能寄存器（SFR）来实现。每个捕捉/比较模块有自己的I/O线CEXn，可通过配制交叉开关寄存器（XBR0）将每个模块的I/O线连接到端口I/O；每个模块都可配制为独立工作，有四种工作方式：边沿触发捕捉、软件定时器、高速输

图2 PCA原理框图

出或脉宽调制器。本文中，产生频率可变的SPWM波形是使用了捕捉/比较模块的高速输出工作方式，其原理如下：

　　当PCA的16位计数器/定时器PCA0H（高8位）和PCA0L（低8位）与16位捕捉/比较模块寄存器PCA0CPHn（高8位）和PCA0CPLn（低8位）发生匹配时，模块的CEXn引脚上的逻辑电平将发生跳变，并产生一个中断请求，即将控制寄存器PCA0CN中相应的CCFn位置位，当CCF中断被允许时，CPU将转向CCF中断服务程序。如果将相应模块的I/O线CEXn连接到端口I/O，单片机相应端口输出电平即发生变化，这就可实现PWM脉冲的高、低电平输出。置位PCA0CPMn寄存器中的TOGn、MATn、ECOMn和ECCFn位，将允许高速输出方式，同时允许CCF中断[3]。

3.2 SPWM波形生成方法

　　利用C8051的PCA计数器产生SPWM波形的基本原理是：在高速输出并且允许CCF中断方式下，不断在CCF中断服务程序中将事先计算好的SPWM波形的脉冲宽度累加到捕捉/比较模块寄存器PCA0CPn（高8位PCA0CPHn和低8位PCA0CPLn）中，这样在捕捉/比较模块寄存器和计数器/定时器相匹配时就得到相应的SPWM波形不断交替的高低电平。

　　图3中，l0、h0, l1、h1…lmax、hmax是由软件实时计算好的一路单极性SPWM波形的高、低脉冲宽度，其中l0= l0＇+T/2。由于输出的是频率可变的SPWM波形，既调制波频率可变，所以在不同的频率段设置有不同的载波比N，从而max的值只是相对固定的。

图3 SPWM波形示意图

　　如果选用捕捉/比较模块0输出此路SPWM，则首先将l0＇装入16位捕捉/比较寄存器PCA0CP0中，并且将16位计数器/定时器PCA0H和PCA0L清零，然后启动PCA计数器；当捕捉/比较寄存器的数值与计数器/定时器的数值相等时，CEX0引脚就会由原来的低电平跳变为高电平，并且产生一个CCF中断；在CCF中断程序中，将h0累加到PCA0CP0上；中断过程中，计数器的数值是连续增加的，当其值与改变过后的捕捉/比较寄存器的数值相等时，又会使得CEX0引脚由原来的高电平跳变为低电平，并且产生一个CCF中断；然后在中断过程中又将l1累加到PCA0CP0上。这样，周而复始，CEX0引脚上不断产生交替的高低电平，从而在其所对应的端口I/O上得到准确的SPWM波形。