STC12C2052AD单片机控制的改进型调压电路
stc12c2052ad单片机控制的改进型调压电路
0 引言
在zxc10通信电源系统中，上位机输出的pwm调制信号的频率为1 khz，而且系统要求电源能根据pwm信号的占空比进行调压。即对电源输出电压在40 vdc～60 vdc范围内通过此pwm信号进行线性调节。pwm信号5％占空比对应40±0.5 vdc，95％的占空比对应60±0.5 vdc。以前此功能是用带有d／a的单片机来实现．即把pwm调制信号输入单片机，通过单片机来计算pwm信号的占空比，再根据pwm信号的占空比与输出电压的关系，并通过d／a转换来产生用于调节输出电压的偏移量，最后通过此偏移量和电源输出反馈量的共同作用来实现调压。
1 单片机调压系统
通过带有d／a的单片机来实现调压系统的方框图如图1所示。但是，由于带有d／a的单片机比较贵，因而会增加产品成本。而如果把pwm调制信号的频率提高，再经过一个简单的二阶有源低通滤波器来产生调压偏移量，则可用不带d／a转换的单片机来实现调压，这样可以大大节省成本。其改进后的电路方框图如图2所示。
2 stc12c2052ad的pca／pwm工作原理
由于stc12c2052ad单片机是作于1个时钟／机器周期，且有增强型8051内核，故其速度比普通8051快8～12倍。该单片机有2路可编程计数器阵列(pca)／pwm，其中pca1模块用作捕获模式，可识别输入的pwm调制信号，pca0模块用作脉宽调节模式(pwm)，可实现频率转换。此外，由于该单片机价格比较便宜，故采用此单片机作为核心控制芯片。
2.1 stc12c2052ad单片机的pca捕获模式
stc12c2052ad系列单片机中的pca可编程计数器阵列含有一个特殊的16位定时器，它可与2个16位捕获／比较模块相连。每个模块可编程工作在4种模式下，即：上升／下降沿捕获、软件定时器、高速输出或可调制脉冲输出。设计时，可将模块0连接到p3.7(cex0／pca0／pwm0)，模块1连接到p3.5(cex1／pca1／pwm1)。由于寄存器ch和cl的内容是正在自由递增计数的16位pca定时器的值，因此，pca定时器可作为2个模块的公共时间基准，并可通过编程工作在1／12振荡频率、1／2振荡频率、定时器0溢出或eci脚的输入(p3.4)。定时器的计数源由cmod sfr的cps1和cps0位来确定。
要使pca模块工作在图3所示的捕获模式，寄存器ccapmn中的capnn和cappn至少应有一位必须置1。对模块的外部cexn输入(包括cex0／p3.7、cex1／p3.5、cex2／p2.0、cex3／p2.4口)的跳变进行采样时，若采样到有效跳变，其pca硬件就将pca计数器阵列寄存器(ch和cl)的值装载到模块的捕获寄存器中(ccapnl和ccapnh)。
2.2 stc12c2052ad的pca脉宽调节模式
所有pca模块都可按图4所示的工作模式用作pwm输出。其输出频率取决于pca定时器的时钟源。由于所有模块均共用仅有的pca定时器，所以，它们的输出频率相同。各个模块的输出占空比是独立变化的，与使用的捕获寄存器{epcnl，ccapnl}有关。当cl sfr的值小于{epcnl，ccaphl}时，输出为低，而当pca clsfr的值等于或大于{epcnl，ccapnl}时，输出为高。当cl的值由ff变为00溢出时，{epcnh，ccapnh}的内容将被装载到{epcnl，ccapnl}中。这样就可实现无干扰地更新pwm。使能pwm模式时，模块ccapmn寄存器的pwmn和ecomn位必须置位。由于pwm是8位的，所以可用下式来计算pwm的信号频率：
3 pwm信号的接收与转换
3.1 pwm调制信号接收模块
由于要用pca1模块来把上位机输出的频率为1 khz的pwm调制信号的频率提高(因为频率越高，越容易滤波)，故将pca定时器的时间基准置为1／2振荡频率。用pca1 (p3.7)模块来识别接收的pwm调制信号时，应使pca1工作在上升／下降沿捕获工作模式，并打开pca中断。设计时，可首先设置pca1工作在上升沿捕获工作模式，这样，当p3.7脚采样到上升沿跳变时，pca0模块即可将pca计数器阵列寄存器ch和cl的值装载到模块的捕获寄存器中{ccap1h,ccap1l}。然后在中断中把{ccap1h,ccap1l}的值存放到自定义的数据单元{up_datah，up_datal}中，并在中断中把pca1工作模式设置为下降沿捕获工作模式，从而在p3.7脚采样到下降沿跳变时，pca1模块硬件就可将pca计数器阵列寄存器{ch，cl)的值装载到模块的捕获寄存器中{ccap1h,ccap1l}。之后，再在中断中把{ccap1h,ccap1l}的值存放在数据单元{down_datah，down_datal}中，并利用双字节无符号数减法得出pwm调制信号正脉冲时定时器的计数个数为：
n1={down_datah，down_datal)-{down_datah，down_datal}
由于pwm调制信号的频率为1 khz，周期t为1 ms。因此，可设1 ms中pca定时器的计数个数为n2，则pwm调制信号的占空比为：
3.2 pwm调制信号的频率转换
上位机输出的pwm调制信号的频率为1 khz左右。由于该频率比较低，直接对其进行滤波后的纹波比较大，因此，在滤波之前，应先把接收的pwm调制信号转变成与占空比成线性比例的高频pwm调制信号，频率转换可通过pca0 (p3.5)pwm功能模块来实现。由于选择的晶振为20mhz，故可选fosc／2为pca／pwm时钟输入源，这样，其pwm的频率为39.062 khz。
这样，当pca0模块设置为pwm输出模式时，根据pca脉宽调节模式(pwm)的工作原理，当ccap0l=ffh时，p3.5将输出占空比为0的pwm信号，而当ccap0l=80h时，p3.5则输出占空比为50％的pwm信号，当ccap0l=0时，p3.5会输出占空比为100％的pwm信号。这样，由pca脉宽调节模式(pwm)的工作原理可得：
这样，通过上式即可把频率为1 khz的pwm信号转换为频率为39.062 khz的pwm信号，其转换后的pwm占空比与原来的1 khz的pwm信号成线性比例关系。
4 二阶滤波电路
图5所示为有源二阶滤波电路的原理图。由有电源变换器的反馈量可知，当调压偏移量为1.5v的时候，电源输出40 v；当调压偏移量为3.0v的时候，电源输出60 v。因此，在pwm信号的占空比为5％时，调节二阶有源滤波器的参数，并通过调节r5／r4来改变运算放大器的增益，然后调节rw1即可改变运算放大器的基准，使偏移量vs为1.5 v；而在pwm信号占空比为95％时，使偏移量vs为3.0 v。这样就可使pwm信号的占空比在5％～95％之间变化，从而使变换器的输出电压在40 vdc～60 vdc范围内线性变化。
5 仿真验证
根据图5进行psim仿真验证时，可将仿真参数设定为：r1=r2=r4=r5=10 kω，r3=20 kω，r6=2 kω，r7=1 kω，c1=c2=c3=c4=104 pf，从而得出如图6所示的特定占空比的vs波形。
其它特定占空比(d=5％，20％，40％，60％，80％，95％)的仿真记录数据如表1所列。图7所示是该调压电路的pwm信号占空比与vs调压偏移量的变化曲线。由图可见，该变化呈线性关系。
6 结束语
本文通过提高pwm调制信号的频率，再结合二阶有源滤波电路，实现了频率到电压的一种转换。该转换可在40vdc～60vdc范围内，对zxc10通信电源的输出电压通过pwm信号进行线性调节，这种方法可以避免使用较贵的d／a转换模块，因而可以节省成本。同时也提高了该电源的工程使用价值。
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2.1 stc12c2052ad单片机的pca捕获模式
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要使pca模块工作在图3所示的捕获模式，寄存器ccapmn中的capnn和cappn至少应有一位必须置1。对模块的外部cexn输入(包括cex0／p3.7、cex1／p3.5、cex2／p2.0、cex3／p2.4口)的跳变进行采样时，若采样到有效跳变，其pca硬件就将pca计数器阵列寄存器(ch和cl)的值装载到模块的捕获寄存器中(ccapnl和ccapnh)。
2.2 stc12c2052ad的pca脉宽调节模式
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这样，当pca0模块设置为pwm输出模式时，根据pca脉宽调节模式(pwm)的工作原理，当ccap0l=ffh时，p3.5将输出占空比为0的pwm信号，而当ccap0l=80h时，p3.5则输出占空比为50％的pwm信号，当ccap0l=0时，p3.5会输出占空比为100％的pwm信号。这样，由pca脉宽调节模式(pwm)的工作原理可得：
这样，通过上式即可把频率为1 khz的pwm信号转换为频率为39.062 khz的pwm信号，其转换后的pwm占空比与原来的1 khz的pwm信号成线性比例关系。
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其它特定占空比(d=5％，20％，40％，60％，80％，95％)的仿真记录数据如表1所列。图7所示是该调压电路的pwm信号占空比与vs调压偏移量的变化曲线。由图可见，该变化呈线性关系。
6 结束语
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