【CuriosityNano测评报告】——捕获和跟随未知PWM信号

#每日话题# #申请原创# #有奖活动# #技术资源# #申请开发板#

引言            
       前段时间收到了Microchip寄来的PIC16F17146拇指开发板，PIC17146是Microchip新推出来的8位单片机型号，该单片机是14位指令宽度，是Microchip的中档8位单片机宽度，其主要特色是内部的op-amp和12位ADCC，可惜本次测评并没有用到这两个特色外设。Microchip的8位单片的更新速度还是挺快的，可以是说每个季度都有新型号的8位单片机产品推出，每款新型号的8位单片机的特色功能不完全重样，这也避免了其与同行打价格战的情形出现。比如最近新推出来的PIC18FxxQ84内部竟然还集成了CAN FD模块，确实不可思议，这使得使用Q84单片机的用户不用再额外购买分立的CAN模块了，既节省成本还节省空间，关键是该芯片的QFN封装还只有5x5mm，当然了，这些也是题外话了，今天主要还是针对PIC16F17146单片机进行测评。

      本次测评的话题是“捕获和跟随未知PWM信号”，需要用到该单片机的CCP、Timer、PWM、I/O外设，主要思路是使用一个PWM模块模拟产生未知PWM信号，然后使用CCP外设捕获未知PWM信号，计算出其频率值和占空比，并加载到另一个PWM外设的寄存器中，使其该PWM模块产生一个一个波形来跟随上述未知PWM信号的波形。测评的步骤为开发环境的搭建、项目设计、项目测试和测评心得，具体测评内容如下所示。

一、开发环境搭建
      自从Micrpchip收购了Atmel公司后，PIC单片机和AVR单片机都能在MPLAB X IDE集成环境中进行开发了，可以按照以下几个步骤搭建开发环境：      
    （1）安装MPLAB X IDE软件、XC8编译器和MCC（MPLAB Code Configurate）代码配置器。MPLAB X IDE软件和XC8编译器可以从microchip.com网站上的TOOLS AND RESOURCES菜单栏下的Develop中下载，MCC代码配置器可以从TOOLS AND RESOURCES菜单栏下的Configure中下载，按照图1、2的步骤操作就可以了，考虑到PIC16F17146是最近推出来的器件，所以我都是下载的最新版本，此外，XC8可以安装好几个版本，在新建工程的时候可以选取XC8的版本，这里顺便提一下，PIC16F后面带5位数的型号都是Microchip比较新的产品。

图1

图2

（2）新建项目工程。新建项目工程主要是工程类型、芯片型号、仿真器型号编码类型的选择，以及工程命名和保存路径，这里要指出的是，如果想要中文注释不出现乱码，应当选择GBK，具体操作步骤如图3、4、5、6、7所示。

图3

图4

图5

图6

图7

    （3）MCC的配置。在配置MCC之前，首先需要查阅数据手册和开发板的硬件原理图等信息，这一部分内容无需再去官网搜寻下载了，因为当开发板插上电脑后，就可以在MPLAB软件的Kit Window中下载，当让如果需要例程程序的话，也可以从里面的Github链接中找到；然后设置配置字（在Resource Management[MCC]中的System里面），这是必须要做的，否则程序可能不能正常运行，并继续配置完System里面的Clock、Interrupt；其次是配置外设资源CCP、Timer、PWM、I/O等，主要是根据数据手册的内容配置里面的寄存器；最后是选择芯片的引脚（在Pin Package View中），这里面可以根据PCB的布线灵活将外设输出到想要的引脚，PIC单片机的PPS外设可以实现引脚的重映射。具体步骤按照图8的序号操作即可。

图8

      接下来谈谈上述（3）中的具体内容：一、说下设置配置字中几个重点（如图9），如果不用外部时钟的话，就将它禁止掉，然后选择内部时钟及其频率，否则原本接外部晶振的那几个引脚不能当作普通IO口使用；禁止低压编程，因为Microchip的下载器基本上使用的是高压编程；不用看门狗的话就将其禁止。二、设置System中的Clock Control（如图10），选择时钟源及其频率、分频，PIC单片机内部的RC振荡器的时钟源可以选择1、2、4、8、16、32MHz，能够通过分频达到想要的System Clock。三、在Interrupt Manager上面设置用到的中断的优先级（如图11），当高优先级的中断发生时，则会先执行高优先级的中断，这个功能在之前老式的PIC16单片机中是没有的。四、设置PWM（图12）、CCP（图13）、Timer（图14）。

图9

图10

图11

图12

图13

图14

二、项目设计

      “捕获和跟随未知PWM信号”项目的硬件框图如图15所示。首先是通过PWM1外设模拟输出一个PWM信号作为被跟随的脉冲1信号，输出引脚设置为RA4，时钟设置为为系统时钟，并设置脉冲1的频率和占空比。然后通过CCP2外设的边沿触发的方式捕获这个信号，在中断里读取不同边沿到来时的时间戳以计算脉冲1的频率和占空比；然后根据计算结果配置PWM2外设输出脉冲2信号的频率和占空比，并同步相位，使脉冲2跟随脉冲1。

图15

      基于此项目绘制的的时序框图如图16所示，首先开启定时器1技术，CCP2模块在捕获未知PWM的边沿后触发中断，并在中断服务函数中连续读取三个边沿到达时的定时器值（锁存到定时器的高八位和低八位），分别将其整合成16位的时间戳，根据数据手册中的相关公式计算此未知PWM波的占空比和频率值，将该值通过形参传输给PWM2模块，控制PWM2模块产生一个信号跟随未知PWM信号，基于此项目绘制的程序流程图如图17所示。

图16

图17

      该项目的程序见附件，项目的主程序如下所示。其中，中断服务函数中读取的是CCPR2H和CCPR2L值，因为在CCP模块捕获到脉冲边沿后，TMR1的值会锁存到CCPR寄存器中（如图18），保证了信号触发后获取时间戳的及时性，其余程序的作用详见注释。

复制

#include "mcc_generated_files/system/system.h"



#define PWM2_Clk_MHz  32

#define Timer1_Period_us  0.125



uint24_t PWM1_PR;

uint24_t PWM1_Duty_Value;//PWM1占空比的传参值



uint16_t CCP2_Capture_High1;//the first capture of rising edge.

uint16_t CCP2_Capture_Low1;

uint16_t CCP2_Capture_High2;//the second capture 

uint16_t CCP2_Capture_Low2;

uint16_t CCP2_Capture_High3;//the three capture

uint16_t CCP2_Capture_Low3;



uint8_t CCP2_Capture_Count;//the number of capture



uint16_t Capture_PWM1Value1_Time;//捕获到第一个上升沿，读取到的定时器计数值

uint16_t Capture_PWM1Value2_Time;//捕获到第二个下降沿，读取到的定时器计数值

uint16_t Capture_PWM1Value3_Time;//捕获到第三个上升沿，读取到的定时器计数值



uint24_t Capture_PeriodPWM1_Time;//PWM1周期

uint24_t Capture_DutyPWM1_Time;//PWM1信号高电平的时间



uint24_t Pwm2_Period;//PWM2周期

uint8_t PWM2_Duty;//PWM2占空比

uint16_t PWM2_Duty_Value;//PWM1占空比的传参值

uint16_t PWM2_PR;



uint8_t Print_TimeCount;

uint8_t Capture_Flag;





//PWM1模块信号输出函数， PWM1_Clk_MHz：PWM1时钟源的频率， PWM1_Frequence_KHz：设置PWM1模块输出信号频率

//PWM1_Duty：设置PWM1输出信号占空比

void PWM1_Output(uint8_t PWM1_Clk_MHz, uint8_t PWM1_Frequence_KHz, uint8_t PWM1_Duty)//

{

    PWM1_PR = (uint32_t)PWM1_Clk_MHz  * 1000 / (PWM1_Frequence_KHz ) - 1;

    PWM1_Duty_Value = (uint32_t)(PWM1_PR + 1) * PWM1_Duty  / 100 ;

    PWM1_16BIT_WritePeriodRegister(PWM1_PR);

    PWM1_16BIT_SetSlice1Output1DutyCycleRegister(PWM1_Duty_Value);  

    PWM1CONbits.LD = 1;

}





void Variable_Printf()

{

    if ( PIR0bits.TMR0IF == 1)

    {

       Print_TimeCount++;

       if(Print_TimeCount == 100 )//每隔5秒打印一次

       {

            printf("PWM2_PR=%d\r\n",PWM2_PR );

            printf("PWM2_Duty=%d\r\n",PWM2_Duty );

            printf("Capture_PeriodPWM1_Time=%d\r\n",Capture_PeriodPWM1_Time);

            Print_TimeCount = 0;

       }

    }

}





void DutyandPerridtoPWM2_Math()

{

  

    if (Capture_Flag ==1)

    {

        Capture_PWM1Value1_Time = (uint16_t)(CCP2_Capture_High1<<8) | CCP2_Capture_Low1;//计算上升沿到来时的时间戳

        Capture_PWM1Value2_Time = (uint16_t)(CCP2_Capture_High2<<8) | CCP2_Capture_Low2;//计算下降沿到来时的时间戳

        Capture_PWM1Value3_Time = (uint16_t)(CCP2_Capture_High3<<8) | CCP2_Capture_Low3;//计算第二次上升沿到来时的时间戳

        

        Capture_DutyPWM1_Time = (uint24_t)(Capture_PWM1Value2_Time - Capture_PWM1Value1_Time) * Timer1_Period_us  ; //计算PWM1信号高电平占用的时间

        Capture_PeriodPWM1_Time = (uint24_t)(Capture_PWM1Value3_Time - Capture_PWM1Value1_Time) * Timer1_Period_us ; //计算PWM1信号的周期

        PWM2_Duty = (uint24_t)Capture_DutyPWM1_Time * 100 / Capture_PeriodPWM1_Time;//计算PWM1信号的占空比  

        

        PWM2_Duty = (uint8_t)PWM2_Duty;

        PWM2_PR = (uint24_t)PWM2_Clk_MHz * Capture_PeriodPWM1_Time  - 1;

        PWM2_PR = (uint16_t)PWM2_PR;//0xc7f

        PWM2_Duty_Value = (uint24_t)PWM2_Duty * (PWM2_PR + 1) / 100;

        PWM2_Duty_Value = (uint16_t)PWM2_Duty_Value;//0x640



        PWM2_16BIT_WritePeriodRegister(PWM2_PR);//根据计算结果，设置PWM2的周期

        PWM2_16BIT_SetSlice1Output1DutyCycleRegister(PWM2_Duty_Value);//根据计算结果，设置PWM2的占空比

        

        Variable_Printf();//打印要计算的变量值

                

        Capture_Flag = 0;//清零捕获标志位

    }

}



//每个边沿捕获

void Capture2_PWM1_Edge()

{   

    if (Capture_Flag == 0)//当捕获标志位为0时，开始读取捕获值

    {

      //  CCP2CON = 0x3;//关闭捕获

        if ((IO_RC3_GetValue() == 1) && (CCP2_Capture_Count == 0))

        {

            PWM2CONbits.LD=1;//加载PWM2，相位同步 

            CCP2_Capture_Count++;

            CCP2_Capture_High1 = CCPR2H;

            CCP2_Capture_Low1 = CCPR2L; 

        }



        else if ((IO_RC3_GetValue() == 0) &&(CCP2_Capture_Count == 1))

        {

            CCP2_Capture_Count++;

            CCP2_Capture_High2 = CCPR2H;

            CCP2_Capture_Low2 = CCPR2L; 

        }



        else if ((IO_RC3_GetValue() == 1) &&(CCP2_Capture_Count == 2))

        {

            CCP2_Capture_High3 = CCPR2H;

            CCP2_Capture_Low3 = CCPR2L; 

            CCP2_Capture_Count = 0;



            TMR1H = 0;//Timer1 Reset

            TMR1L = 0;

            Capture_Flag = 1;//置位捕获标志位

        } 

        

       

        CCP2CON = 0x83;//开启捕获 

    }

}



void Capture_PWM1_Init()//变量初始化置零

{

    PWM1_PR = 0;



    CCP2_Capture_High1 = 0;//第1次上升沿捕获后的高8位值

    CCP2_Capture_Low1 = 0;//第1次上升沿捕获后的低8位值

    CCP2_Capture_High2 = 0;//第2次下降沿捕获后的高8位值 

    CCP2_Capture_Low2 = 0;//第2次下降沿捕获后的低8位值

    CCP2_Capture_High3 = 0;//第3次上升沿捕获后的高8位值

    CCP2_Capture_Low3 = 0;//第3次下降沿捕获后的高8位值



    CCP2_Capture_Count = 0;//捕获次数的计数器



    Capture_PWM1Value1_Time = 0;//第1次捕获记录的时间戳

    Capture_PWM1Value2_Time = 0;//第2次捕获记录的时间戳

    Capture_PWM1Value3_Time = 0;//第3次捕获记录的时间戳



    Capture_PeriodPWM1_Time = 0;//捕获PWM1信号的周期

    Capture_DutyPWM1_Time = 0;//捕获PWM1信号的占空比



    Pwm2_Period = 0;//PWM2的周期

    PWM2_Duty = 0;//PWM2的占空比

    PWM2_PR = 0;//PWM2的PR值



    Print_TimeCount = 0;//打印时间计数器

}





int main(void)

{

    

    SYSTEM_Initialize();//系统初始化



    INTERRUPT_GlobalInterruptEnable(); //开启全局中断



    INTERRUPT_PeripheralInterruptEnable(); //开启外设中断



    Capture_PWM1_Init();

    

    PWM1_Output(32, 10 ,20);//PWM1时钟源的频率为32MHz, PWM1频率为10KHz,占空比为50%

    

    CCP2_SetCallBack(Capture2_PWM1_Edge);

            

    while(1)

    {

        DutyandPerridtoPWM2_Math();//计算PWM1的周期和占空比，设置PWM2的周期和占空比

    }    

}

图18

三、项目测试      
      将PIC16F17142拇指板插在地板上，使用杜邦线连接好相关引脚（如图19所示），并将拇指板通过USB线与电脑连接，使用示波器的探头分别连接PWM1模块输出引脚和PWM2模块输出引脚，观察未知信号和跟随信号的波形，结果如图20所示（未知信号频率为10KHz，占空比为20%），由该图可以看到，两个信号之间存在一定的相位差，这是软件跟随无法消除的问题，究其原因，PIC单片机进入中断服务函数之前还执行了很多条程序，这就带来了软件延时，如图21所示。

图19

图20

图21

四、测评心得
      在本次项目中，跟随100us周期、20%占空比的PWM信号产生了25us的相位差，虽然软件跟随比硬件跟随的相位差大，但是使用软件跟随的工程中，计算出了占空比和频率，这些参数在实际工程项目中应该也能够用得到。PIC16F17146的数据手册写的非常详细，如果熟悉PIC单片机底层寄存器，那么使用MCC工具辅助工具还是能大大增加编程速度的。通过本次测评以及额外的学习，发现CIPs（Core Independent Peripherals）是PIC单片机的一大特色，包括了CLC、OP、AC等不占用CPU的资源，这是非常实用的。其实，在32位单片机飞速发展的今天，8位单片机作为家电主控制器或者复杂领域的协处理器，仍然有着广泛的应用，可以说32位单片机的发展也在带动着8位单片机的发展。   
         
      在此，感谢Microchip提供了测评PIC16F17146单片机的机会，期盼以后能有更多这样的活动。

写的很详细。是不是没写完啊，没看到代码部分呢。

xixi2017 发表于 2023-9-28 08:53
写的很详细。是不是没写完啊，没看到代码部分呢。

现在已经写完了