單片機測量PWM占空比的三種方法

PWM(Pulse Width Modulation)，一般指脈沖寬度調(diào)節(jié)，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中，比如LED亮度調(diào)節(jié)、電機轉(zhuǎn)速控制等。

而在某些特殊應(yīng)用中，我們也需要通過測量輸入PWM的占空比，來實現(xiàn)不同的輸出控制，這就需要使用到PWM占空比的測量方法。這里介紹三種不同的測量方法：阻塞方式、中斷方式以及定時器捕獲功能。

1. 阻塞方式

MCU阻塞方式測量PWM占空比的原理比較簡單，也只需要使用到一個普通的IO端口（設(shè)置為輸入模式，對于51而言那就是一個普通的雙向口具體實現(xiàn)流程為：

• 等待上升沿到來，然后開啟定時器，開始計時；
• 等待下降沿到來，記錄下定時器的計數(shù)值，即得到PWM的高電平時間H；
• 同時，清零定時器，重新開始計數(shù)；
• 等待上升沿到來，記錄下定時器的計數(shù)值，即得到PWM的低電平時間L；
• 計算得出占空比：duty = H / (H + L);

阻塞方式原理簡單，而且只需要MCU有一個定時器的資源即可實現(xiàn)；但采集時阻塞CPU運行，阻塞的時間和輸入PWM的周期相關(guān)，只適用于實時性較低的系統(tǒng)。

另外，上述流程中存在著一個嚴重的BUG，即當(dāng)輸入的PWM占空比為0%或者100%時，程序會被一直阻塞，等待上升沿/下降沿的到來。所以解決方法是，在等待上升沿/下降沿的過程中，實時提取定時器的值，一旦定時時間超過1個周期的限定(一般可定義為2-3個周期時間)，即退出等待，并根據(jù)端口電平判斷此時占空比為0%(低電平)或100%(高電平)。

示例代碼，僅供參考：

//獲取PWM輸入腳的電平
#define PWM_IN()   xxxxxx
//定義超時時間(如2-3倍PWM周期)
#define T1_TIMEOUT  xxxxxx

uint8_t PWM_Analyse(void)
{
    uint8_t duty = 0xFF;
    uint16_t pwm_H = 0;
    uint16_t pwm_L = 0;

    if (PWM_IN())   //初始為高電平，則開始等待低電平
    {
        TH1 = 0;
        while (PWM_IN()) //等待下降沿
        {
            if (TH1 >= T1_TIMEOUT)  //下降沿沒有到來，判定為100%占空比
            {
                duty = 100;
                return duty;
            }
        }

        TH1 = 0;
        TL1 = 0;
        while (!PWM_IN()) //等待上升沿
        {
            if (TH1 >= T1_TIMEOUT)  //上升沿沒有到來，判定為0%占空比
            {
                duty = 0;
                return duty;
            }
        }
        pwm_L = (TH1 << 8) | TL1;

        TH1 = 0;
        TL1 = 0;
        while (PWM_IN()) //等待下降沿
        {
            if (TH1 >= T1_TIMEOUT)  //下降沿沒有到來，判定為100%占空比
            {
                duty = 100;
                return duty;
            }
        }
        pwm_H = (TH1 << 8) | TL1;

        duty = pwm_H * 100 / (pwm_H + pwm_L);
        return duty;
    }
    else    //當(dāng)前為低電平，則開始等待高電平
    {
        TH1 = 0;
        while (!PWM_IN()) //等待上升沿
        {
            if (TH1 >= T1_TIMEOUT)  //上升沿沒有到來，判定為0%占空比
            {
                duty = 0;
                return duty;
            }
        }

        TH1 = 0;
        TL1 = 0;
        while (PWM_IN()) //等待下降沿
        {
            if (TH1 >= T1_TIMEOUT)  //下降沿沒有到來，判定為100%占空比
            {
                duty = 100;
                return duty;
            }
        }
        pwm_H = (TH1 << 8) | TL1;

        TH1 = 0;
        TL1 = 0;
        while (!PWM_IN()) //等待上升沿
        {
            if (TH1 >= T1_TIMEOUT)  //上升沿沒有到來，判定為0%占空比
            {
                duty = 0;
                return duty;
            }
        }
        pwm_L = (TH1 << 8) | TL1;

        duty = pwm_H * 100 / (pwm_H + pwm_L);
        return duty;
    }

    return 0xFF;
}

2. 中斷方式

中斷方式的PWM采集原理與阻塞方式相同，只是將判定移動至外部中斷中。開啟MCU端口的外部中斷(上升沿和下降沿中斷)；如果MCU外部中斷觸發(fā)不支持上升和下降沿中斷，則先開啟上升沿中斷，在中斷處理中切換中斷觸發(fā)條件。

處理方法：在中斷處理函數(shù)中，根據(jù)當(dāng)前電平狀態(tài)，記錄下定時器的值，并清零定時器的值，重新開始下一輪計時。

0%和100%的處理：設(shè)定一個定時遞增的變量，同時在外部中斷中執(zhí)行清零操作。若該變量超過一定值(說明外部中斷有較長時間沒有觸發(fā))，則判定為0%或100%。

uint16_t pwm_H = 0;
uint16_t pwm_L = 0;
uint16_t pwm_time_out = 0;
void EXT1_ISR(void) interrupt EXTI1_VECTOR
{
    if (PWM_IN())
    {
        pwm_L = (TH1 << 8) | TL1;    //記錄低電平時間
        TH1 = 0;
        TL1 = 0;
    }
    else
    {
        pwm_H = (TH1 << 8) | TL1;    //記錄高電平時間
        TH1 = 0;
        TL1 = 0;
    }

    //該變量定時遞增(如1ms遞增1)，在外部中斷中清零
    //在主程序中判斷，超過一定值時認為PWM占空比為0%或100%
    pwm_time_out = 0;

    return;
}

注：使用中斷方式，則占空比計算不建議放在中斷中處理；同時，為了保證占空比的準確性，可以連續(xù)2-3次計算結(jié)果一致時，再確定當(dāng)前占空比的結(jié)果。

3. MCU捕獲方式

采用捕獲方式的前提是MCU支持捕獲功能。當(dāng)前部分廠家推出的51內(nèi)核單片機，會包含一個定時器2，其擁有捕獲功能；或者采用32位單片機，一般都帶有捕獲功能。捕獲的原理很簡單，當(dāng)上升沿或下降沿來臨時，MCU硬件將定時器/計數(shù)器的值保存在一個影子寄存器中，并產(chǎn)生捕獲中斷。

通過固定每次上升/下降沿的計數(shù)器值，相減即可分別得出高電平值和低電平值，從而計算出占空比。

下面以某顆51內(nèi)核的MCU為例，提供示例代碼：

unsigned int pwm_fall = 0, pwm_rise = 0;

volatile unsigned int pwm_H;
volatile unsigned int pwm_L;

volatile unsigned char pwm_time_out;
//------------------------------------------------------------
void T2_interrupt(void) interrupt 5          //定時器2中斷;
{

    if (CCCON & 0x02) //CC1中斷標志位
    {
        CCCON  &= 0xFD; //清除中斷標志

        if (PWM_IN())   //上升沿觸發(fā)
        {
            pwm_rise = CC1;     //獲取捕獲寄存器中的值
            pwm_L = pwm_rise - pwm_fall;
        }
        else
        {
            pwm_fall = CC1;     //獲取捕獲寄存器中的值
            pwm_H = pwm_fall - pwm_rise;
        }

        //該變量定時遞增(如1ms遞增1)，在外部中斷中清零
        //在主程序中判斷，超過一定值時認為PWM占空比為0%或100%
        pwm_time_out = 0;
    }
}

注： pwm_rise/pwm_fall/pwm_L/pwm_H都必須使用無符號數(shù)，否則相減時可能得到錯誤的值。

總結(jié)

方式一：任何單片機都可以實現(xiàn)，但是阻塞方式會使系統(tǒng)的實時性變差；
方式二：在使用時，需要保證外部中斷的最高優(yōu)先級，不可以被其他中斷打斷，以保證其準確性；
方式三：的穩(wěn)定性和準確性都較高，但是需要MCU硬件支持。

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