Keil C是基於標準C內核的第三方語言，利用它可以很方便高效地實現對C51係列單片機的高級編程。C51是目前使用最普遍的8位單片機，價格低廉。它與軟件編程結合，可以比較方便地滿足眾多功能要求，甚至取代一些複雜的硬件電路，簡化硬件設計，並提高係統的可靠性和降低成本。基於這個思想，本文提出了一種在C51單片機上軟件實現相對複雜的雙極型PWM 的新方法。

1 PWM 控製原理
    PWM(Pulse Width Modulation)即脈衝(chong) 寬度調製，它通過控製信號去調製方波脈衝(chong) 的寬度，從(cong) 而獲得控製的實現。
    產(chan) 生PWM 信號可以由硬件方法和軟件方法實現。傳(chuan) 統的硬件模擬方法是把調製信號和載波(一般是三角波)同時接入運算放大器的兩(liang) 個(ge) 輸入端作比較而得到。而軟件的實現，特別是基於(yu) 單片機的軟件實現方法，主要是利用其內(nei) 部提供的定時器，通過改變定時器的定時初值獲得不同的脈衝(chong) 持續時間，如果把係統的控製信號和定時器的定時初值線性對應起來，就可獲得控製信號對脈寬調製的PWM 信號。所以這樣線性的對應過程就成為(wei) 這個(ge) 實現過程的關(guan) 鍵。控製信號的種類不同，采用不同的計算方法，又可以獲得不同的PWM，見文獻[3]。

2 在AT89C51中實現雙極型PWM的方法
    51係列單片機提供了非常豐(feng) 富的資源，它除了擁有4個(ge) 通用並口和1個(ge) 串口外，還有外部中斷和內(nei) 部定時器等。而且，不同的型號還集成有不同的功能，比如AT89C51就在片內(nei) 集成了4 K 的ROM，這樣存儲(chu) 空間可以滿足一般的編程需要，而不必去構建程序存儲(chu) 器，既提高了工作效率和係統的穩定性，又降低了生產(chan) 成本。
    基於(yu) AT89C51單片機的PWM 軟件實現的重要硬件支撐是該單片機內(nei) 部的定時器。在AT89C51內(nei) 實現PWM 的基本過程：首先選定脈衝(chong) 的頻率T，然後根據控製信號的變化範圍，這裏假設是(0～V)，則可以求出t時刻通過控製信號V(t)的對應脈衝(chong) 的正、負脈衝(chong) 持續時間。這兩(liang) 個(ge) 時間長度在單片機裏是通過給定時器賦相應的初值而得，即定時器獲得這樣的定時初值後就在機器周期的同步下，從(cong) 這個(ge) 初值加1計數，定時器滿時則產(chan) 生相應時間長度的溢出中斷，再利用這個(ge) 中斷所響應的服務程序去控製單片機某一引腳相應的正、負電平極性的持續時間。如果上述過程連續進行，就可在這個(ge) 引腳獲得寬度隨控製信號V(t)大小變化的PWM方波信號。
    AT89C51單片機每個(ge) 機器周期由6個(ge) 狀態組成，每個(ge) 狀態又有兩(liang) 個(ge) 時鍾周期，這樣一個(ge) 機器周期就等於(yu) 12個(ge) 時鍾周期，即機器頻率為(wei) 時鍾頻率的12分頻。通過對工作模式寄存器TMOD的賦值操作，把定時器設為(wei) 內(nei) 部定時狀態並選擇不同的定時方式。然後假設PWM 的周期T小於(yu) 定時器一次溢出時間，即T<2^Nus，這裏的N為(wei) 定時器的位數。這樣就可以得到脈寬(脈衝(chong) 持續時間)twx定時初值Twx的關(guan) 係：
twx=(2^N-Twx)×12/f us   (1)
    如果所用晶振為(wei) 12 MHz，定時器為(wei) 方式1，即為(wei) 16位定時(這時定時有比較大的計數範圍，用途更為(wei) 廣泛)，這樣上式變為(wei) ：
twx=(2¹⁶ - Twx )us   (2)
    之後再根據功率器件的時間特性和工作的平均功率值，確定一個(ge) 合適的PWM 信號周期T，很顯然這個(ge) 周期T就是由高電平脈寬twh和低電平脈寬twl組成，即：
T=twh+ twl    (3)
    當調製PWM 脈寬的誤差信號V(f)(這個(ge) 信號一般是由傳(chuan) 感器采集後經過相關(guan) 處理後得到的誤差信號)的變化範圍是(0～V)或(-V～V)時，PWM脈寬與(yu) 誤差信號為(wei) 線性關(guan) 係(實際可能不是線性的，但一般可以忽略或者可以通過前級進行軟件補償(chang) )，可以從(cong) 單片機的1個(ge) 引腳得到PWM 信號，具體(ti) 的過程在相關(guan) 文獻已有敘述，見文獻[4]。
    然而，單片機一般是單極型的，它的邏輯0對應的實際電平是0 V，邏輯1對應的實際電平是+5 V。嚴(yan) 格地說，在這種單片機上隻能夠輸出單極型的PWM 信號。采用AT89C51結合軟件編程實現雙極型PWM 控製的設計思想是這樣的：從(cong) AT89C51的一個(ge) 引腳得到正的單極型PWM 信號輸出，對另一個(ge) 引腳做相應的設計和定義(yi) ，讓它承擔對應的“負”極型PWM 信號的輸出。即當調製PWM 脈寬的誤差信號為(wei) 正時，對應的PWM 就從(cong) AT89C51單片機的一個(ge) 引腳輸出；當誤差信號為(wei) 負時，對應的PWM 就從(cong) 另外一個(ge) 引腳輸出，盡管這個(ge) 輸出信號的模擬電平也是正的，但它對應的是負值的誤差信號所產(chan) 生的PWM 輸出，又是驅動負極型功率器件，和負極型PWM 功能一樣，於(yu) 是可以把它等效為(wei) 負極型PWM；當誤差信號為(wei) 零時，相應的兩(liang) 個(ge) 引腳都沒有輸出，然後再把這兩(liang) 個(ge) 引腳接入PWM 功率驅動電路的輸入端。通過對誤差信號正負的判別，再利用AT89C51的兩(liang) 個(ge) 引腳就實現了雙極型的PWM。具體(ti) 電路如圖1所示。
 
    下麵計算產(chan) 生雙極型PWM 所需的定時初值。實際上穩定工作時，隻有一個(ge) 引腳有輸出，即一般兩(liang) 個(ge) 引腳不會(hui) 同時輸出，所以可看作是兩(liang) 個(ge) 相對獨立的過程，可假設脈寬和誤差信號的線性對應關(guan) 係：

據此可求出定時初值與(yu) 誤差信號的關(guan) 係：
 
由(1)式有
 
把式(5)代入式(6)得：
 
    當晶振頻率取12 MHz時，f=12。采用定時方式1，則可以得到即時的控製信號V(t)和定時初值在PWM 信號的一個(ge) 周期內(nei) 的關(guan) 係：
 
    因為(wei) V和V(t)通過對誤差計算都可以得到，所以根據式(8)可以求出t時刻對應的PWM 一個(ge) 周期高低脈寬的定時初值(注意這裏的T的單位是us，頻率f的單位為(wei) MHz)。

3 Keil C下的程序實現
    Keil C是基於(yu) 標準C的C51專(zhuan) 用高級編程語言，它具備標準C的強大靈活的編程能力，同時又相對增加了對C51單片機硬件資源的直接操作，故在Keil C下對C51的程序設計幾乎使人們(men) 可擺脫對C51底層寄存器等硬件的煩瑣操作，編程效率顯著提高，並且程序運行速度和所占空間和匯編差別不大。這裏利用定時器T0的方式1，采用其時間溢出中斷，中斷號為(wei) 1，具體(ti) 程序流程如圖2所示。
 
圖2 PWM信號實現的軟件流程
E -誤差控製器；TH0-T0定時器高位；TL0-T0定時器低位；Twh、Twl-定時器初值

4 結語
    單片機硬件發展很快，出現了16位、32位等多位機，但今後一段時期C51係列的8位機將仍占主流。通過適當的軟件開發，可以挖掘其內(nei) 在價(jia) 值，這樣既降低了生產(chan) 成本，又鍛煉了個(ge) 人的軟件開發能力。
參考文獻：
[1] 李朝青．原理及接口技術[M]．北京：北京航空航天大學出版社，1999．
[2] 孫傳(chuan) 友．測控係統原理與(yu) 設計[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2002．
[32 張運波．PWM 信號的軟件實現方法[J]．微型計算機信息，2002，8(10)