【文章內容簡介】 樣和電流的采樣，轉換為相應之后進行 PID（ Proportional Integral Differential）算法 ,同樣起到了穩(wěn)壓恒流的作用。同時外圍增設鍵盤和 LCD 顯示電路，對輸出的電壓和電流有實時的控制和監(jiān)測。 本章將對整個軟件部分的設計思路及其具體實現進行闡述。 軟件設計總體思路 本系統的軟件主要有主程序模塊、中斷服務程序模塊組成。其中，主程序模塊主要完成系統的初始化模塊、 PWM 波發(fā)生模塊、 ADC 信號采集模塊以及 PID 算法處理模塊、 鍵盤以及 LCD 顯示模塊。中斷服務程序主要完成 TMR0 定時 10ms 和 A/D 模塊的數據采集濾波處理功能。 系統主程序模塊 主程序模塊的程序框圖如圖 31 所示。 鄭州大學 本科畢業(yè)論文 3 圖 31 主程序框圖 始初化模塊 主程序中的初始化模塊主要完成系統全局變量的初始化、 ECCP 模塊的初始化、 A/D 轉化的初始化、 LCD 顯示的初始化、 TMR0 定時器的初始化和 CPU 中斷系統的初始化。初始化模塊的程序框圖如圖 32 所示。 ECCP模塊的初始化將設置有兩路互補推挽輸出的 PWM波， A/D轉化初始化將 A/D模塊初始化為 10 位的 A/D 轉換， TMR0 初始化完成每 10ms 采樣一次電壓及電流值。 圖 32 初始化模塊框圖 PWM 波發(fā)生模塊 在 PIC18F4520 中 ,CCP1模塊為帶有增強的 PWM功能的標準 CCP模塊 [10]。這些增強的功能包括提供 2路或 4路輸出通道、用戶可選的極性（高電平有效或低電平有效） 、死區(qū)控制以及自動關閉和重啟。因此，增強型 PWM 模式提供了更多的 PWM 輸出選項以適應范圍更廣的控制應用。 圖 33所示為 PWM操作的簡化框圖。所有的控制寄存器都是雙重緩沖鄭州大學 本科畢業(yè)論文 4 的，并且在一個新的 PWM周期的開始時刻（ Timer2復位時的周期邊界）被裝載以防止在任何輸出上出現毛刺。但 PWM延遲寄存器 PWM1CON例外，該寄存器在占空比邊界或周期邊界（選擇兩者中首先出現的那個）被裝載。由于緩沖，模塊將不會立即啟動，而要等到分配的定時器復位為止。這意味著增強型 PWM 波形并不完全與標準的 PWM 波形吻合，而是偏移一 個完整的指令周期（ 4TOSC） [11]。 圖 33 增強型 PWM 模式工作原理示意圖 每個增強型 CCP模塊至多有 4路 PWM 輸出，這取決于選定的操作模式。這些輸出， P1A至 P1D，與 PORTC和 PORTD上的 I/O引腳復用。輸出是否有效取決于選定的 CCP操作模式。因此，若想要單片機工作于半橋輸出的增強型的 PWM模式，必須按照以下幾個步驟： (1) 通過分別設置 CCP1CON寄存器的 P1M1:P1M0 和 CCP1M3:CCP1M0 位可配置模塊的輸出模式和 極性。如圖 34所示為 CCP1CON寄存器各配置位。鄭州大學 本科畢業(yè)論文 5 圖 34 CCP1CON寄存器配置位 由于本設計中為兩路互補推挽的 PWM波輸出 ,所以設置 P1M1:P1M0=10，即半橋輸出： P1A和 P1B為帶死區(qū)控制的調制輸出； P1C和 P1D被指定為端口引腳。同時設置 CCP1M3:CCP1M0=1100，使 P1A和 P1B都為高電平有效。 (2) 使 P1A和 P1B都為輸出模式，即配置 TRISC和 TRISD的相應引腳為 0。 (3) 設置 PWM波的周期。 PWM 周期可以通過寫 PR2寄存器來指定。用以下公式來計算 PWM周期。 PWM周期 =[(PR2)+1]4T OSC(TMR2 預分頻值 ) 根據本系統所需 PWM波的實際情況，原先的 PWM控制芯片所產生的 PWM波的頻率要求為 25kHz，即周期為 410 5s。而單片機外部的振蕩器為16MHz， TOSC=1/1610 6s，經計算的 PR2=159。 (4) 設置 PWM波的占空比。通過寫 CCPR1L寄存器和 CCP1CON5:4位來指定 PWM占空比。最高分辨率可達 10位。 CCPR1L包含占空比的高 8位，而CCP1CON5:4包含低 2位。由 CCPR1L:CCP1CON5:4 表示完整的 10位值。計算占空比的公式如下： PWM占空比 =(CCPR1L:CCP1CON5:4)T OSC(TMR2 預分頻值 ) 可以在任何時候寫入 CCPR1L和 CCP1CON5:4，但是在 PR2和 TMR2發(fā)生匹配（即周期結束）前占空比值不會被鎖存到 CCPR1H中。在 PWM模式中，CCPR1H 是只讀寄存器。 CCPR1H寄存器和一個 2位的內部鎖存器用于給 PWM占空比提供雙重緩沖。這種雙重緩沖結構非常重要，可以避免在 PWM工作過程中產生毛刺。 同樣根據本系統所需 PWM 波的實際情況， PWM 的占空比在 25%左右。鄭州大學 本科畢業(yè)論文 6 所以需要配置 CCPR1L 和 CCP1CON5:4，經計算得 CCPR1L=0X28，同時CCP1CON5:4=00。 (5) 設置死區(qū)延時。在半橋輸出模式下，兩個引腳用作輸出端來驅動推挽式負載。 PWM 輸出信號在 P1A引腳上輸出，而互補的 PWM輸出信號在P1B引腳上輸出。如圖 35所示。 圖 35 半橋 PWM 波輸出波形示意圖 在半橋 應用中，模塊在所有時間以 PWM頻率的調制信號驅動電源開關，關閉電源開關通常比打開它需要更多的時間。如果上方的電源和下方的電源開關同時切換（一個打開，另一個關閉），兩個開關可能會在一段很短的時間內都處于打開狀態(tài)，直到一個開關完全關閉為止。在這很短的間隔內，很大的電流（直通電流）可能流過兩個電源開關，從而導致半橋供電電源短路。為了避免在切換期間流過這種潛在的破壞性直通電流，一般延遲打開其中的一個開關等待另一個開關完全關閉。在半橋輸出模式下，可編程的死區(qū)延遲可用來避免直通電流破壞構成半橋的電子開關。該延遲在信號從 非有效狀態(tài)到有效狀態(tài)轉換時發(fā)生。 PWM1CON 寄存器（如圖36所示）中的 PDC6:PDC0位根據單片機指令周期設置延遲時間（ TCY或 4個鄭州大學 本科畢業(yè)論文 7 TOSC） [13]。 圖 36 PWM1CON寄存器 其中 bit6bit0 為 PWM 延遲計數位，延遲時間為 PWM 信號變?yōu)橛行У念A計時間和實際時間之差，其單位為 FOSC/4（ 4T OSC）周期 [14]。 根據本設計的情況，設定延時時間為占空比時間的 5%，即 510 7s,故對 PWM1CON 寄存器賦值 為 0x84。 A/D 轉換模塊 在本系統中需要對電壓和電流進行相應的 A/D 轉換，硬件電路的設計已經在前一章進行了較為詳細的描述，在此不再贅述。這一小節(jié)主要介紹PIC 單片機中的 A/D 轉換的原理以及在本實驗中所需要用到 A/D轉換功能的程序設計。 PIC 單片機中的 A/D 轉換模塊 [15]如圖 37所示。 可用軟件選擇模擬參考電壓為器件的正電源電壓和負電源電壓（ VDD和 VSS）或 RA3/AN3/VREF+引腳和 RA2/AN2/VREF/CVREF引腳上的電平。 A/D轉換器具有可在休眠 模式下工作的特性。要使 A/D轉換器在休眠狀態(tài)下工作， A/D轉換時鐘必須來自于 A/D 模塊內部的 RC振蕩器。 采樣保持電路 [16]的輸出是轉換器的輸入，轉換器采用逐次逼近法得到轉換結果。器件復位操作將強制所有寄存器進入復位狀態(tài)，這將迫使 A/D模塊關閉并中止正在進行的轉換。可以將每個與 A/D轉換器相關的端口引腳配置為模擬輸入或數字 I/O。 ADRESH和 ADRESL寄存器保存 A/D轉換的結果。當 A/D轉換完成之后，轉換結果被裝入 ADRESH:ADRESL寄存器對，GO/DONE位（ ADCON0寄存器）被 清零且 A/D中斷標志位 ADIF被置 1。上電復位時， ADRESH:ADRESL寄存器中的值保持不變。上電復位后， ADRESH:ADRESL鄭州大學 本科畢業(yè)論文 8 寄存器中的值不確定。在根據需要配置好 A/D模塊之后，必須在轉換開始之前對選定的通道進行采樣。必須將模擬輸入通道相應的 TRIS位選擇為輸入。采集時間一結束，即可啟動 A/D轉換?？蓪⒉杉瘯r間編程設定在 GO/DONE位置 1和實際轉換啟動之間。 圖 37 10 位 A/D轉換器模塊原理框圖 在執(zhí)行 A/D 轉換時應該遵循以下步驟： A/D 模塊 [17]： (1)通過 ADCON0 寄存器選擇輸入通道。 ADCON0 寄存器各配置位如圖38所示 。 其中 bit7bit6 為未用位， bit5bit2 為模擬通道選擇位，從 00001100 分別代表 AN0AN12，這 13 個通道。 bit1 為 A/D 轉換狀態(tài)位，1 表示轉換正在進行， 0表示空閑。 bit0 為 A/D 轉換使能位， 1表示使能，0 表示禁止。 鄭州大學 本科畢業(yè)論文 9 圖 38 ADCON0 寄存器各配置位 (2)通過 ADCON1 寄存器配置模擬引腳、參考電 壓和數字 I/O 口。ADCON1 寄存器各配置位如圖 39 所示。其中 bit7bit6 為未用位， bit5bit4為參考電壓配置位，在本次設計中將其配置位 00，使得參考電壓在 05V之間。 bit3bit0 為 A/D 端口配置控制位，如表 31 所示。 圖 39 ADCON1寄存器各配置位 表 31 A/D 端口配置控制位 由于 AN0 為按鍵采集， AN1 為電壓采集， AN2 為電流采集，所以 ADCON1寄存器的 bit3bit0 設置為 1100。 (3)通過配置 ADCON2從而設置 A/D轉換的采集時間。每當 GO/DONE位置1，用戶就可利用 ADCON2寄存器選擇采集時間。該寄存器還提供了自動設定采集時間的選項。可以使用 ACQT2:ACQT0 位（ ADCON25:3）設置采集時間，采集時間的范圍是 2到 20 個 TAD。當 GO/DONE位置 1時， A/D模塊繼續(xù)對輸入進行采樣，采樣時間為所選擇的采集時間，然后自動啟動轉換。由鄭州大學 本科畢業(yè)論文 10 于采集時間已被編程，因此在選擇通道和 GO/DONE 位置 1之間無需另外等待一個采集時間。 若 ACQT2:ACQT0=000，則表示選擇手動采 集。當 GO/DONE位置 1時，采樣停止并啟動轉換。用戶有責任確保在選定所需要的輸入通道和 GO/DONE位置 1之間經過了所需要的采集時間。此選項也是 ACQT2:ACQT0位的默認復位狀態(tài)，并且與不提供可編程采集時間的器件兼容。 在這兩種情況下，當轉換完成時， GO/DONE位被清零、 ADIF 標志位被置 1且 A/D 再次開始對當前選定的通道進行采樣。如果采集時間已經被編程，那么將不會有任何指示顯示采集時間何時結束，轉換何時開始。 ADCON2寄存器各配置位如圖 210所示。 圖 310 ADCON2 寄存器各配 置位 bit5bit3為 A/D采集時間選擇位，在本設計中將這 3位設置成 010，為4TAD(每位 A/D轉換時間被定義為 TAD)。而每完成一次 10位 A/D轉換需要 11個TAD。圖 311顯示了 GO置位為 1， bit5bit3位被設置為 010，且在轉換開始之前選擇 4TAD采集時間后 A/D轉換器的工作狀態(tài)。 在轉換期間將 GO/DONE位清零將中止當前的 A/D轉換。不會用尚未完成的 A/D轉換結果來更新 A/D結果寄存器對。這意味著 ADRESH:ADRESL寄存器將仍然保持上一次的轉換結果（或上一次寫入 ADRESH:ADRESL寄存器的值）。在 A/D轉換完成或中止以后，需要等待 2個 TAD才能開始下一次采集。等待時間一到，將自動開始對選定通道進行采集。 鄭州大學 本科畢業(yè)論文 11 圖 311 A/D 轉換周期 TAD(ACQT2:0==4TAD) A/D中斷： (1)清零 ADIF位 (2)將 ADIE位置 1 (3)將 GIE 位置 1 。 ：將 ADCON0 寄存器中的 GO/DONE 為置 1。 A/D 轉換完成，在本設計中是以中斷的形式來判斷轉換是否完成。 A/D 結果 寄存器（ ADRESH:ADRESL）。