引言

某系統(tǒng)中的H橋驅(qū)動(dòng)電路需要采用2路脈沖寬度調(diào)制器（Pulse Width Modulation，PWM）信號(hào)來驅(qū)動(dòng)一個(gè)電機(jī)，以控制其正、反兩個(gè)方向的運(yùn)轉(zhuǎn)，且兩路信號(hào)必須有一定的時(shí)間間隔來避免驅(qū)動(dòng)電流過大而損害驅(qū)動(dòng)元件。為使其能靈活應(yīng)用，針對(duì)系統(tǒng)要求，本設(shè)計(jì)的PWM控制器應(yīng)具備以下功能：

（1）有3路獨(dú)立PWM輸出，每路輸出2個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，而且其周期、占空比、死區(qū)時(shí)間應(yīng)可編程；

（2）對(duì)應(yīng)10 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘，周期為1μs～6.5536 ms；

（3）應(yīng)用精簡(jiǎn)地址線，以節(jié)省外圍引腳及地址資源的占用；

（4）能提供與8／16 bits單片機(jī)的雙向數(shù)據(jù)接口，并具有內(nèi)置的地址／數(shù)據(jù)鎖存器（74lS373）。

1 PWM電路的結(jié)構(gòu)規(guī)劃

在采用自頂向下（Top_Down）正向設(shè)計(jì)PWM器件的過程中，芯片的結(jié)構(gòu)劃分和規(guī)格定制是整個(gè)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，因此合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將決定整個(gè)設(shè)計(jì)的成敗。

PWM 輸出信號(hào)的周期、脈寬、死區(qū)時(shí)間等參數(shù)可以通過加載內(nèi)部的寄存器來實(shí)現(xiàn)，寫人PWM芯片的數(shù)據(jù)分為數(shù)據(jù)字與控制字兩部分。由內(nèi)部控制邏輯 （ControlLogie）模塊來處理控制字信息，并譯碼產(chǎn)生各內(nèi)部通道的內(nèi)部信息寄存器片選信號(hào)。數(shù)據(jù)字則通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線在各通道模塊來傳遞PWM 的特征信息數(shù)據(jù)。

PWM芯片內(nèi)部各模塊可通過內(nèi)部片選結(jié)合讀寫使能來完成數(shù)據(jù)交換。芯片與外圍控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，可采用雙模式接口 （8／16 bits），并可通過外置選擇引腳DataWidth來選配。

本芯片的核心是由3個(gè)完全獨(dú)立且相同的通道模塊 （Channel）構(gòu)成。通道內(nèi)部的數(shù)據(jù)接口用于完成外部讀寫邏輯（RWLogic）傳輸?shù)絻?nèi)部數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)收發(fā)工作。PWM周期生成模塊 （ClkGen）則可依據(jù)寫入的周期信息，輸出PWM的周期控制信號(hào)。

PWM輸出由通道狀態(tài)機(jī)完成，當(dāng)通道接收到PWM信息數(shù)據(jù)后，先進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，合格的數(shù)據(jù)將在合適的條件下啟動(dòng)狀態(tài)機(jī)，并在不同的狀態(tài)下完成PWM輸出。而不合格的數(shù)據(jù)則被忽略。

地址／數(shù)據(jù)鎖存依據(jù)通用 74LS373的邏輯功能，可以通過編寫一個(gè)完全可替代的L74LS373來實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)上述總體的構(gòu)建思路，最終給出的芯片總體結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

2 PWM電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從圖1所示的PWM電路總體結(jié)構(gòu)可以看出，該P(yáng)WM電路主要由模塊片選譯碼、控制邏輯、讀寫邏輯、通道等四個(gè)模塊組成。

2.1 模塊片選譯碼

該模塊主要通過地址信號(hào)Addr與片選信號(hào)Cs_b的組合邏輯電路生成內(nèi)部各子模塊的片選信號(hào)（ControlLogic，3個(gè)通道：Channel2，Channel1，Channel0）。

2.2 控制邏輯

該模塊主要產(chǎn)生通道內(nèi)部Regs片選控制信號(hào)及各通道的輸出控制信號(hào)，同時(shí)完成精簡(jiǎn)地址線的操作。

每個(gè)通道都包含各自獨(dú)立的4個(gè)16 bits的寄存器，包括正向信號(hào)長(zhǎng)度、負(fù)向信號(hào)長(zhǎng)度、死區(qū)長(zhǎng)度、周期長(zhǎng)度等。由于控制字寄存器為8 bits，因此．整個(gè)芯片至少占用3×4×2+1=25個(gè)地址（每個(gè)地址存儲(chǔ)8 bits數(shù)據(jù)），傳統(tǒng)做法至少需要5根地址線譯碼，而采用區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)信息類型（控制字，數(shù)據(jù)字）的方式則可將地址線精簡(jiǎn)到2根。相對(duì)單片機(jī)緊缺的外面地址資源來說，其好處是顯而易見的。具體來說，通過對(duì)寫人ControlRegister（控制字寄存器）的值進(jìn)行分析，結(jié)合數(shù)據(jù)傳輸寬度生成內(nèi)部Regs片選控制信號(hào)，就可以通過控制字信息來完成內(nèi)部Regs的地址譯碼，同時(shí)反饋被操作的寄存器信息到RWLogic模塊，從而完成8／16bits的數(shù)據(jù)讀寫操作。

值得注意的是，由于PWM內(nèi)部包含了3個(gè)完全一樣的獨(dú)立通道，因此，為了更方便的對(duì)控制字進(jìn)行操作，通過對(duì)控制字寄存器的分析，可用控制邏輯電路自動(dòng)將當(dāng)前被操作通道的控制寄存器信息存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)的控制寄存器中備份。這樣既方便在編程中靈活地操作各通道，又可避免讀寫過程中的誤修改非相干通道的控制信息。

2.3 讀寫邏輯

該模塊用于處理外部數(shù)據(jù)Data［15：0］（包括外部為16位或8位數(shù)據(jù)總線連接方式）到內(nèi)部DataInternal［15：0］的轉(zhuǎn)換。當(dāng)DataWidth為1時(shí)，采用16 bits的數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)DataWidth為0時(shí)，采用8 bits數(shù)據(jù)傳輸。通過PWM能完成對(duì)外部8 bits或16 bits的信息傳輸要求，準(zhǔn)確的讀寫內(nèi)部16bits的Regs。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，如采用16 bits傳輸，由于內(nèi)部數(shù)據(jù)采用16 bits傳輸，可以采用每個(gè)地址對(duì)應(yīng)16 bits數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)位一一對(duì)應(yīng)的傳輸方式；而采用8 bits傳輸時(shí)，由于內(nèi)部數(shù)據(jù)采用16bits傳輸，故可通過分析地址的奇偶特性來確定數(shù)據(jù)高低字節(jié)的存放，也就是通過ControlLogic反饋的字節(jié)選擇位，來使讀寫邏輯電路能夠自適應(yīng)地把16 bits的Regs數(shù)據(jù)信息分割加載到合適的數(shù)據(jù)通道上，從而完成數(shù)據(jù)的輸入輸出控制。

為了精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)線，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向流通，本模塊通過片選和讀寫使能信號(hào)所控制的雙向三態(tài)門接口電路來隔離讀寫信息。

2.4 通道

Channel 是PWM芯片的核心部分，每個(gè)Channel模塊都由3個(gè)子模塊組成，圖2所示是各Channel子模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

2.5 數(shù)據(jù)接口

數(shù)據(jù)接口用于完成通道內(nèi)寄存器的讀寫功能。該模塊通過組合通道片選、內(nèi)部寄存器片選信號(hào)及模塊讀寫使能信號(hào)來產(chǎn)生各寄存器的讀寫使能信號(hào)。其讀寫操作可通過三態(tài)門與內(nèi)部數(shù)據(jù)通道進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

寫入本模塊的寄存器信息將進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)。只有校驗(yàn)合格的數(shù)據(jù)才能載入內(nèi)部寄存器的一級(jí)緩沖器（Buf）中，內(nèi)部寄存器的一級(jí)緩沖器（Buffer）數(shù)據(jù)將輸出到PWMFSM模塊，以提供PWM的特征數(shù)據(jù)。

2.6 周期信號(hào)發(fā)生器

周期信號(hào)發(fā)生器可生成PWM的周期控制信號(hào)，其周期的長(zhǎng)短由數(shù)據(jù)接口傳過來的周期寄存器值（CyeleReg）決定。該模塊將通過內(nèi)部計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)時(shí)鐘，并與CycleReg比對(duì)，從而產(chǎn)生PWM的周期控制信號(hào)CycleScale。

2.7 狀態(tài)機(jī)

狀態(tài)機(jī)是產(chǎn)生PWM信號(hào)的核心功能模塊。通過加載Data Interface模塊接收到的通道內(nèi)部寄存器Buffer值，由狀態(tài)機(jī)來進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。PWMFSM模塊中包含有一個(gè)自運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)機(jī)。當(dāng)符合條件的寄存器值寫入Channel寄存器后，狀態(tài)機(jī)將在CycleScale信號(hào)的起始信息的引導(dǎo)下，在時(shí)鐘的上升沿將內(nèi)部寄存器一級(jí)Buffer寫入到本模塊中的PWM 信息寄存器Buf中，以便在下一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)載入到PWM的狀態(tài)機(jī)中。狀態(tài)機(jī)啟動(dòng)后，它將根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)輸出脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。其狀態(tài)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)圖如圖3所示。

其運(yùn)轉(zhuǎn)流程如下：

（1）從復(fù)位或停止工作狀態(tài)進(jìn)入IDLE狀態(tài)；

（2） 在合法的數(shù)據(jù)寫入通道寄存器且CycleScale的啟始信號(hào)被接收后，狀態(tài)機(jī)將當(dāng)前通道內(nèi)部寄存器Buffer的值載人狀態(tài)機(jī)定時(shí)器，同時(shí)進(jìn)入正向脈沖狀態(tài)，以便準(zhǔn)備輸出正向電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)；

（3）在正向脈沖狀態(tài)下，定時(shí)器開始減計(jì)數(shù)，直到到達(dá)完成正向驅(qū)動(dòng)所需要的時(shí)間，同時(shí)在結(jié)束正向驅(qū)動(dòng)的輸出后，進(jìn)入死區(qū)狀態(tài)；

（4）在死區(qū)狀態(tài)，關(guān)閉正向、負(fù)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并通過定時(shí)器等待死區(qū)時(shí)間結(jié)束，然后進(jìn)入負(fù)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)狀態(tài) （負(fù)向脈沖）；

（5）在負(fù)向脈沖狀態(tài)下，定時(shí)器開始減計(jì)數(shù)，直到到達(dá)完成負(fù)向驅(qū)動(dòng)所需要的時(shí)間，到在結(jié)束負(fù)向驅(qū)動(dòng)的輸出后，進(jìn)入死區(qū)狀態(tài)；

（6）在死區(qū)狀態(tài)，關(guān)閉正向、負(fù)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并通過定時(shí)器等待死區(qū)時(shí)間結(jié)束，然后進(jìn)入空閑等待狀態(tài)。等待下一次的啟動(dòng)信號(hào)。

3 PWM編程

PWM的工作模式由外部引腳與內(nèi)部控制字寄存器決定。

3.1PWM芯片的工作模式

PWM芯片的工作模式可由PWMh_b來設(shè)定：

當(dāng)其為1時(shí)，為全局使能輸出，此時(shí)為正常工作模式，但各Channel工作模式可取決于其 PWMEN位的值；而當(dāng)PWMh_b為0時(shí)，全局禁止輸出，此時(shí)整個(gè)芯片不工作，芯片進(jìn)入低功耗模式，同時(shí)時(shí)鐘被禁止輸入到內(nèi)部通道模塊。

3.2 PWM芯片的控制字寄存器

對(duì)于控制字寄存器ControlReg［7：0］：在其地址［A1，A0］=00的情況時(shí)，其操作格式如表1 所列。

由于控制字寄存器僅有一個(gè)，但實(shí)際各通道都有一個(gè)備份的控制字寄存器來控制對(duì)應(yīng)的通道。因此并不會(huì)由于對(duì)某通道控制字的操作而影響其它無關(guān)的通道。本格式中的各位定義如下：

PWMEN：當(dāng)芯片全局使能輸出時(shí)，此位可決定各通道PWM的輸出使能，當(dāng)PWMh_b為1時(shí)，各通道的輸出正常，為0時(shí)，則通道禁止輸出；

Channel2Cs：選通 Channel2。使能對(duì)Channel2模塊的操作，并將控制字信息存儲(chǔ)到通道2的備份控制字；

ChannellCs：選通 Channell。使能對(duì)Channell模塊的操作，并將控制字信息存儲(chǔ)到通道1的備份控制字；

Channel0Cs：選通 Channel0。使能對(duì)Channel0模塊的操作，并將控制字信息存儲(chǔ)到通道0的備份控制字；

［B2，B1，B0］：內(nèi)部寄存器片選譯碼。每個(gè)通道的PWM內(nèi)部都有8個(gè)寄存器地址。通過ChannelX的選通結(jié)合［B2，B1，B0］的譯碼，可產(chǎn)生內(nèi)部通道Regs的片選信號(hào)。

3.3 PWM編程

PWM芯片的引腳排列如圖4所示，當(dāng)其在上電加載時(shí)鐘后，所有通道都禁止輸出。系統(tǒng)通過采樣DataWidth來確定外圍數(shù)據(jù)接口的寬度，如果采用16bits傳輸（DataWidth=1），則Data［15：0］都使用；如果采用8bits傳輸 （DataWidth=0），則僅使用Data［7：0］，而將高8bits接地。

復(fù)位（Reset_b）結(jié)束后，在片選（Cs_b）有效的情況下，可以對(duì)芯片進(jìn)行讀寫操作。對(duì)通道的一次完整的讀寫包括寫控制字與讀寫通道寄存器兩個(gè)過程，寫控制字選中通道內(nèi)寄存器，讀寫通道寄存器則可獲取通道寄存器信息，只有當(dāng)合理的數(shù)據(jù)寫入后，且在PWMH-_b有效（PWMH_b=1）時(shí)，PWM內(nèi)部通道才使能輸出信號(hào)。一般情況下，各通道的輸出使能由各通道的控制字寄存器的 PWM_EN位決定。

采用控制字自動(dòng)備份的方式可使控制字的編程更加靈活。它既可以使同一個(gè)類型的寄存器（不同通道）一起寫控制字，亦可對(duì)同一個(gè)通道一塊操作。但是所有控制字命令都可以在PWM的控制字命令列表中查詢。

4 PWM的仿真及驗(yàn)證

PWM的仿真是PWM功能驗(yàn)證的必要環(huán)節(jié)。可以Modelsim結(jié)合腳本文件進(jìn)行仿真，并采用89C51結(jié)合FPGA驗(yàn)證板對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 PWM的仿真

ModeslSim仿真主要觀察PWM電路的雙向IO端口以及PWM的Regs讀寫控制時(shí)序。對(duì)于雙向端口的數(shù)據(jù)交換，可以采用讀寫控制結(jié)合三態(tài)門來完好地解決。而對(duì)于大量的Regs讀寫操作，則應(yīng)通過模擬單片機(jī)對(duì)外圍器件進(jìn)行操作，并利用Task調(diào)用的方式來實(shí)現(xiàn)。本文的讀寫操作仿真結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看到，當(dāng)采用16 bits讀寫時(shí)，各寄存器通過內(nèi)部DataInternal數(shù)據(jù)總線的傳輸過程與電路設(shè)計(jì)要求完全一致。RWLogic與DataInterface模塊的功能完全符合設(shè)計(jì)預(yù)想。

從圖6所示的PWM波形仿真結(jié)果可見，PWM輸出信號(hào)在ClkGen的 CycleScale信號(hào)控制下，其周期輸出編程設(shè)定的PWM波形與之完全一致，同時(shí)還能異步響應(yīng)ChannelHold_b信號(hào)的輸出控制。

4.2 PWM的驗(yàn)證

PWM的FPGA驗(yàn)證可采用8 bits數(shù)據(jù)接口，并用89C51做外圍控制器（12 MHz）來對(duì)PWM進(jìn)行操作。為了方便與單片機(jī)的接口，可將74LS373鎖存器內(nèi)置到PWM中，其整個(gè)數(shù)字部分設(shè)計(jì)如圖7所示。

5 結(jié)束語

通過Synplify Pro編譯后，其最后的結(jié)果為：

該方案的整個(gè)電路設(shè)計(jì)占用FPGA資源的35％。對(duì)于51系列的單片機(jī)而言，該 PWM電路可運(yùn)行的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過系統(tǒng)頻率。因此，在讀寫時(shí)序上完全可以保證整個(gè)設(shè)計(jì)的可靠性。

如果將編譯后的pof文件下載到 APEX20KEEP20K100E TQ144-2X（Altera）fpga驗(yàn)證板，并采用40 MHz的FPGA時(shí)鐘，那么，根據(jù)軟件仿真的步驟，再將讀寫操作轉(zhuǎn)換為單片機(jī)程序燒錄到單片機(jī)，就可通過示波器清楚的看到，其實(shí)際輸出與設(shè)計(jì)完全一致，非常好地實(shí)現(xiàn)了當(dāng)初的設(shè)計(jì)要求。

責(zé)任編輯：gt