振南ZN-X开发板(STC51版)实验 之 STC15系列 PCA应用【PWM的产生】

振南ZN-X开发板（STC51版）实验 之 PCA的应用（PWM的产生）

实验说明：

振南的ZN-X开发板率先使用STC最新的增强型51单片机芯片（具体型号包括3种：STC15L2K60S2、IAP15L2K61S2/IAP15W4K61S4），它们在功能上几乎相同，只是RAM与ROM容量不同，另外前缀IAP的芯片本身具有仿真器的功能。

此实验主要是对PCA（Programable Counter Array，即可编程计数器阵列）的应用，它是STC特有的东西，功能强大，配置灵活，可以实现多种功能：捕获、定时、PWM输出、高速时钟输出等等。再加上一些应用上的技巧，将可以实现更多功能。

这里使用PCA产生两路PWM输出，控制两个发光二极管的亮度。

所需硬件：

振南ZN-X开发板（STC51版）基板[此实现只需要ZN-X基板，而不需要额外的模块]

USB转串口模块（用于供电与程序的下载）

STC PCA简介：

STC15系列部分单片机集成 了3路可编程计数器阵列（CCP/PCA）模块，可用于软件定时器、外部脉冲的捕捉、高速脉冲输出以及脉宽调制（PWM）输出。

PWM输出可以在3组不同管脚之间切换：

此实验中我们选用P1.1与P1.0作为PWM输出，在P1.1与P1.0上接了两个发光二极管，PWM将使它们的亮度发生变化。

振南对PWM的解释：

PWM是一种极为重要的控制手段，它的根本思想是使用数字信号对模拟信号进行合成。很多人对此很不理解，数字量为是0和1，高低电平，它怎么可能产生模拟信号呢？对此振南有自己的理解和解释。

一辆汽车，如果我们把1看作是踩油门加速，把0看作是踩刹车减速，那么如果我们一直踩油门，车将会一直加速到全速，反之如果我们一直踩刹车，它将会一直减速到静止，即速度为0。那么你有没有想过一种情况，如果我们踩3秒油门，然后踩1秒刹车，如此往复，会怎么样？车会一会加速，一会减速，它会“一顿一顿”地前进。用极限的思想去想它，如果踩油门和刹车的交替速度非常快，那么车“一顿一顿”的动作将会变得“平滑”，甚至让人感觉不出来，这样给人的感觉就是车在以一种介于0与全速之间的速度前进。这种“平滑”，与踩油门和刹车的交替速度有关；而车最终行驶的速度则取决于踩油门和刹车的时间比例。这也许就是对PWM思想的最为通俗的解释。

上图中，一个脉冲信号作用于一个发光二极管，高电平时LED全亮，低电平时LED灭，那么如果这个脉冲的频率较低，那么我们就可以看到LED时亮时灭，亮灭的时间长短与脉冲一个周期内高电平与低电平的时间有关。如果我们将脉冲频率提高，那么LED就会在亮与灭之间频繁切换，最终的效果就是LED呈现出在灭与全亮之间的一个亮度，这个亮度与脉冲周期中高低电平的比例有关。这就被称为“脉冲宽度调制”！

【通过振南上面形象地介绍，大家应该能够真切地领悟到，PWM确实非常巧妙，脉宽影响合成模拟量的幅值，而频率则影响合成模拟量的精细度！】

产生模拟量的常规方法是依靠DAC，但是DAC芯片的成本太高了。也许你会说：“需要模拟量的场合应该不多吧？！”错！很多，而且可能很巨大。最典型的例子就是全彩LED大屏幕。它要控制每一个像素三种基色亮度（其实就是红绿蓝三种发光二极管），从而调合出指定的颜色。如果为每一个发光二极管都配一个DAC，那造价将可能是难以承受的，而且在电路实现上也非常麻烦。但是如果使用PWM方式，则只需要一个简单的IO即可，再加上一些高速的分时和动态扫描的方法，将使硬件成本极大降低。

实际上，我们身边PWM无处不在，它在数字信号与模拟信号之间架起了一条低成本、高精度而又灵活简单的通道！

PWM在电路实现上似乎并不复杂。确实！我们只需要一个带有比较功能的计数器和一个IO即可。计数器递增，当比设定的比较值小时，对IO进行置低，反之置高。在很多单片机中，PWM的实现的确实是基于这种思想。所以，PWM功能经常被集成在定时器中。

STC单片机中与实验相关的寄存器（大部分内容摘自STC芯片手册）：

CMOD中的CPS2 CPS1 CPS0用来选择PCA的时钟源，说白了它决定了计数器的快慢，也就是决定了PWM输出的频率，它会影响PWM对模拟信号合成的精度。原理上来说，PWM的频率应该越高越好，但是频率越高IO开关速度越快所带来的功耗也越大。我们在实验中直接使用SYSclk（实现中ZN-X上的STC芯片工作频率设置为5.5MHz，它就是SYSclk）。

CCON中的CR位用来启动计数器，它被置1后，计数器立即以时钟频率开始自增。

要得到PCA的的PWM功能，必须要将CCAPMn（STC芯片中有3个独立的PCA电路，我们这里使用第0个，所以n=0）中的PWM0置1。同时还要打开PCA的比较器功能，其原因不言而寓。

CL与CH是PCA中的计数器，它们都是8位的。在PWM功能中，只用到其中的CL，所以PCA的PWM功能最多可以实现8位PWM，即256级PWM。

CCAP0L与CCAP0H在PWM功能中，用来设置PWM的比较值，它决定了PWM的脉宽，即占空比，也就是脉冲一个周期内低电平所占的比例：比如此值为0，则周期内全为高电平；如果此值为255（对于8位PWM来说），那么周期内全为低电平。

在PWM功能中，PCA中的比较器会将计数器中的值与CCAP0L进行比较，如果比它小则在PWM输出管脚中输出低电平，反之输高电平。

那CCAP0H有什么用呢？它是为了无干扰地改变PWM脉宽用的。当我们要改变PWM的脉宽时，不应该直接去改CCAP0L的值，因为这样会影响到当前PWM周期的脉宽。正确的方法应该是将新的比较值写入到CCAP0H中，在计数器自增到255，变为0，即溢出时它会自动将CCAP0H更新到CCAP0L，这样就实现了所谓的“无干扰”的PWM控制。让PWM可以“平滑”地过渡到新的脉宽，而不会出现中间的失真周期！

PCA_PWM0中的EBS0_1,EBS0_0用于选择PWM的位数，这个位数越高，当然PWM对模拟信号的合成精度越高。但是PWM的频率会低一些（8位PWM的频率为PCA时钟源频率的256分之1，这里我们选用SYSclk为时钟源，所以8位PWM的频率为5.5MHz/256≈21.5KHz）。

但对于EPC0H与EPC0L，振南一直不明白它们的作用，最终才顿悟。它们与PWM的比较值寄存器CCAP0H与CCAP0L拼成了9位。但是PCA的计数器CL只有8位，所以它最多只能实现8位PWM，这第9位有什么用呢？

有些时候我们希望PWM能够立即变为只输出低电平或高电平的状态。当然我们可以向CCAP0H写入0或255，另一种方法是向EPC0H写入1或0。写入1后，比较值永远都比计数值要大，所以PWM输出一直为低；写入0后（同时将CCAP0H清0），比较值永远不大于计数值，所以PWM输出为高电平。

实验代码：

实验效果：

代码下载：