单片机测量PWM占空比的三种方法

PWM(Pulse Width Modulation)，一般指脉冲宽度调节，是利用微处理器的数字输出来对interwetten与威廉的赔率体系 电路进行控制的一种非常有效的威廉希尔官方网站 ，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中，比如LED亮度调节、电机转速控制等。

而在某些特殊应用中，我们也需要通过测量输入PWM的占空比，来实现不同的输出控制，这就需要使用到PWM占空比的测量方法。这里介绍三种不同的测量方法：阻塞方式、中断方式以及定时器捕获功能。

1. 阻塞方式

MCU阻塞方式测量PWM占空比的原理比较简单，也只需要使用到一个普通的IO端口（设置为输入模式，对于51而言那就是一个普通的双向口具体实现流程为：

• 等待上升沿到来，然后开启定时器，开始计时；
• 等待下降沿到来，记录下定时器的计数值，即得到PWM的高电平时间H；
• 同时，清零定时器，重新开始计数；
• 等待上升沿到来，记录下定时器的计数值，即得到PWM的低电平时间L；
• 计算得出占空比：duty = H / (H + L);

阻塞方式原理简单，而且只需要MCU有一个定时器的资源即可实现；但采集时阻塞CPU运行，阻塞的时间和输入PWM的周期相关，只适用于实时性较低的系统。

另外，上述流程中存在着一个严重的BUG，即当输入的PWM占空比为0%或者100%时，程序会被一直阻塞，等待上升沿/下降沿的到来。所以解决方法是，在等待上升沿/下降沿的过程中，实时提取定时器的值，一旦定时时间超过1个周期的限定(一般可定义为2-3个周期时间)，即退出等待，并根据端口电平判断此时占空比为0%(低电平)或100%(高电平)。

示例代码，仅供参考：

//获取PWM输入脚的电平
#define PWM_IN()   xxxxxx
//定义超时时间(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())   //初始为高电平，则开始等待低电平
    {
        TH1 = 0;
        while (PWM_IN()) //等待下降沿
        {
            if (TH1 >= T1_TIMEOUT)  //下降沿没有到来，判定为100%占空比
            {
                duty = 100;
                return duty;
            }
        }

        TH1 = 0;
        TL1 = 0;
        while (!PWM_IN()) //等待上升沿
        {
            if (TH1 >= T1_TIMEOUT)  //上升沿没有到来，判定为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)  //下降沿没有到来，判定为100%占空比
            {
                duty = 100;
                return duty;
            }
        }
        pwm_H = (TH1 << 8) | TL1;

        duty = pwm_H * 100 / (pwm_H + pwm_L);
        return duty;
    }
    else    //当前为低电平，则开始等待高电平
    {
        TH1 = 0;
        while (!PWM_IN()) //等待上升沿
        {
            if (TH1 >= T1_TIMEOUT)  //上升沿没有到来，判定为0%占空比
            {
                duty = 0;
                return duty;
            }
        }

        TH1 = 0;
        TL1 = 0;
        while (PWM_IN()) //等待下降沿
        {
            if (TH1 >= T1_TIMEOUT)  //下降沿没有到来，判定为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)  //上升沿没有到来，判定为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. 中断方式

中断方式的PWM采集原理与阻塞方式相同，只是将判定移动至外部中断中。开启MCU端口的外部中断(上升沿和下降沿中断)；如果MCU外部中断触发不支持上升和下降沿中断，则先开启上升沿中断，在中断处理中切换中断触发条件。

处理方法：在中断处理函数中，根据当前电平状态，记录下定时器的值，并清零定时器的值，重新开始下一轮计时。

0%和100%的处理：设定一个定时递增的变量，同时在外部中断中执行清零操作。若该变量超过一定值(说明外部中断有较长时间没有触发)，则判定为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;    //记录低电平时间
        TH1 = 0;
        TL1 = 0;
    }
    else
    {
        pwm_H = (TH1 << 8) | TL1;    //记录高电平时间
        TH1 = 0;
        TL1 = 0;
    }

    //该变量定时递增(如1ms递增1)，在外部中断中清零
    //在主程序中判断，超过一定值时认为PWM占空比为0%或100%
    pwm_time_out = 0;

    return;
}

注：使用中断方式，则占空比计算不建议放在中断中处理；同时，为了保证占空比的准确性，可以连续2-3次计算结果一致时，再确定当前占空比的结果。

3. MCU捕获方式

采用捕获方式的前提是MCU支持捕获功能。当前部分厂家推出的51内核单片机，会包含一个定时器2，其拥有捕获功能；或者采用32位单片机，一般都带有捕获功能。捕获的原理很简单，当上升沿或下降沿来临时，MCU硬件将定时器/计数器的值保存在一个影子寄存器中，并产生捕获中断。

通过固定每次上升/下降沿的计数器值，相减即可分别得出高电平值和低电平值，从而计算出占空比。

下面以某颗51内核的MCU为例，提供示例代码：

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          //定时器2中断;
{

    if (CCCON & 0x02) //CC1中断标志位
    {
        CCCON  &= 0xFD; //清除中断标志

        if (PWM_IN())   //上升沿触发
        {
            pwm_rise = CC1;     //获取捕获寄存器中的值
            pwm_L = pwm_rise - pwm_fall;
        }
        else
        {
            pwm_fall = CC1;     //获取捕获寄存器中的值
            pwm_H = pwm_fall - pwm_rise;
        }

        //该变量定时递增(如1ms递增1)，在外部中断中清零
        //在主程序中判断，超过一定值时认为PWM占空比为0%或100%
        pwm_time_out = 0;
    }
}

注： pwm_rise/pwm_fall/pwm_L/pwm_H都必须使用无符号数，否则相减时可能得到错误的值。

总结

方式一：任何单片机都可以实现，但是阻塞方式会使系统的实时性变差；
方式二：在使用时，需要保证外部中断的最高优先级，不可以被其他中断打断，以保证其准确性；
方式三：的稳定性和准确性都较高，但是需要MCU硬件支持。

版权声明：本文为博主原创文章，遵循 CC 4.0 BY-SA 版权协议，转载请附上原文出处链接和本声明。
本文链接：https://blog.csdn.net/crazy_kismet/article/details/102756206