利用单片机定时器实现信号采样和PWM控制

　　本文以应用于温度控制系统为例，介绍利用Motorola公司生产的新型单片机MSP430F413内的定时器Time_A设计可以用时间量进行温度采样以及实现PWM调节的方法。为了可在使用少量外围电路的情况下实现控制系统的高精度测量和控制，一方面用时间量采样，在省去1片A/D的情况下得到12位的高精度；另一方面在定时中断内完全用软件实现PWM调节，以易于进行数据的通信和显示。该系统在中断内可以解决波形产生的实时在线计算和计算精度问题，可精确、实时地计算设定频率下的脉冲宽度。

1单片机MSP430F413及定时器

　　MSP430系列的单片机F413在超低功耗和功能集成上都有一定的特色，可大大减小外围电路的复杂性，它的实时处理能力及各种外围模块使其可应用在多个低功耗领域[2]。MSP430F413中通用16位定时器Timer_A有如下主要功能模块。

　　(1)一个可连续递增计数至预定值并返回0的计数器。

　　(2)软件可选择时钟源。

　　(3)5个捕获/比较寄存器，每个有独立的捕获事件。

　　(4)5个输出模块，支持脉宽调制的需要。

　　定时器控制寄存器TACTL的各位可控制Timer_A的配置，并定义16位定时器的基本操作，可选择原始频率或分频后的输入时钟源及4种工作模式。另外还有清除功能和溢出中断控制位。5个捕获/比较寄存器CCRx的操作相同，它们通过各自的控制寄存器CCTLx进行配置。

2时间量采样及PWM控制的实现原理

　　以应用于温度控制系统为例，介绍用定时器实现信号采样和PWM控制的方法。该温度控制系统包括单片机、温度测量电路、负载驱动电路及电源控制、低电压检测和显示电路等其他外围部分。

　　单片机MSP430F413中用于测量和控制温度的主要I/O口有：

　　P1.0：输出50Hz方波，用于产生三角波。

　　P1.2：驱动温度控制执行元件，2kHz方波PWM输出。

　　P2.0：脉宽捕捉。

2.1 单片机端口的中断设置

　　温度控制系统的50Hz方波输出、PWM输出和输入捕捉都是由定时中断来实现。这3个中断分别由P0、P1和P2口的外围模块引起，属于外部可屏蔽中断。初始化时，对这3个I/O口进行中断设置，并对Time_A控制寄存器TACTL设置，包括输入信号2分频、选用辅助时钟ACLK等。当定义完捕获/比较寄存器后，重新赋值TACTL，启动定时器，开始连续递增计数。

2.2 脉宽捕捉实现温度值的采样

　　温度测量电路将温度值转换为电压值，同时单片机产生的50Hz方波经电容充放电电路变换得到同频率的三角波，其电压值切割三角波，从而将温度值转换为相应宽度的脉冲送入单片机。波形变化如图1所示。

　　通过设置CCTLx中的模式位，可将对应的捕获/比较寄存器CCRx设定为捕获模式，用于时间事件的精确定位。如果在选定的输入引脚上发生选定脉冲的触发沿，则定时器计数的值将被复制到CCRx中。根据这一原理，选定P2.0为输入引脚，设置CCTL2为捕获模式，所测温度值由模拟量经测量电路转换为脉冲后，P2.0捕捉脉冲下降沿，进入中断T2，得到与温度值一致的单位时间内的脉冲数，存入CCR2作进一步处理。

　　这样，系统就在不使用A/D转换器的情况下完成了模数转换。因为单片机的时钟精确度高，而且时间量是一个相对精度极高的量，但本系统中用时间量进行温度采样可获得12位的高精度，同时采用50Hz脉冲，可以大大消除工频干扰。这些都为进行精确的温度控制提供了必要的条件。