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STC15系列CCP/PWM/PCA介绍

 红色蒲公英36u4 2022-12-08 发布于江苏

  • CCP：是英文单词的缩写Capture(捕获),Compare(比较),PWM(脉宽调制)

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。

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与CCP/PWM/PCA应用有关的特殊功能寄存器

  • STC15系列 1T 8051单片机 CCP/PCA/PWM特殊功能寄存器表
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PCA控制寄存器：CCON

  • PCA控制寄存器
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  • CF：PCA计数器阵列溢出标志位。当PCA计数器溢出时 CF由硬件置位。如果CMOD寄存器
    的ECF位置位， CF标志可用来产生中断。CF位可通过硬件或软件置位， 但只可通过软件清零。

  • CR：PCA计数器阵列 位通过软件置位， 用来起动PCA计数器阵列计数。该位通过软件清零， 用来关闭PCA计数器。

  • CCF2：PCA模块2中断标志。当出现匹配或捕获时该位由硬件置位。该位必须通过软件清零。

  • CCF1：PCA模块1中断标志。当出现匹配或捕获时该位由硬件置位。该位必须通过软件清零。

  • CCF0：PCA模块0中断标志。当出现匹配或捕获时该位由硬件置位。该位必须通过软件清零。

PCA工作模式寄存器：CMOD

  • PCA工作模式寄存器(PCA时钟源设置寄存器)
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  • CIDL：空闲模式下是否停止PCA计数的控制位。

当CIDL=0时， 空闲模式下PCA计数器继续工作
当CIDL=1时，空闲模式下 PCA计数器停止工作。

  • CPS2、CPS1、CPS0：PCA计数脉冲源选择控制位。PCA计数脉冲选择如下表所示。
    在这里插入图片描述

  • 例如，CPS2/CPS1/CPS0 = 1/0/0时，CCP/PCA/PWM的时钟源是SYSclk，不用定时器0,PWM的频率为SYSclk/256.

  • 如果要用系统时钟/3来作为PCA的时钟源，应选择TO的溢出作为CCP/PCA/PWM的时钟源，此时应让T0工作在1T模式，计数3个脉冲即产生溢出。用TO的溢出可对系统时钟进行1~65536级分频（T0工作在16位重装载模式）。

  • ECF：PCA计数溢出中断使能 。

当ECF = 0时，禁止寄存器CCON中CF位的中断；
当ECF = 1时，允许寄存器CCON中CF位的中断.

3.PCA比较/捕获寄存器CCAPM0、CCAPM1和CCAPM2

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  • B7：保留为将来之用。

  • ECOM0：允许比较器功能控制位
    当ECOM0＝1时，允许

  • CAPP0： 正捕获控制位
    当CAPP0＝1时，允许

  • CAPN0：负捕获控制位
    当CAPN0＝1时 下降

  • MAT0： 匹配控制位
    当MAT0＝1时，PCA计数值与模块的比较/捕获寄存器的值的匹配将置位CCON寄存器的中断标志位CCF0。

  • TOG0： 翻转控制位
    当TOG0＝1时，工作在PCA高速脉冲输出 PCA计数器的值与模块的比较/捕获
    寄存器的值的匹配将使CCP0脚翻转。
    (CCP0/PCA0/PWM0/P1.1或CCP0_2/PCA0/PWM0/P3.5或CCP0_3/PCA0/PWM0/P2.5)

  • PWM0： 脉宽调节模式。
    当PWM0＝1时， CCP0脚用作脉宽调节输出。
    (CCP0/PCA0/PWM0/P1.1或CCP0_2/PCA0/PWM0/P3.5或CCP0_3/PCA0/PWM0/P2.5)
    ECCF0： 使能CCF0中断。使能寄存器CCON的比较/捕获标志CCF0， 用来产生中断。

还有 CCAPM1 ，CCAPM2与上面的CCAPM0差不多

4. PCA的16位计数器 — 低8位CL和高8位CH

  • CL和CH地址分别为E9H和F9H，复位值均为00H，用于保存PCA的装载值。

5. PCA捕捉/比较寄存器 — CCAPnL(低位字节)和CCAPnH(高位字节)

当PCA模块用于捕获或比较时，它们用于保存各个模块的16位捕捉计数值；当PCA模块用
于PWM模式时，它们用来控制输出的占空比。其中，n=0、1、2，分别对应模块0、模块1和模
块2。复位值均为00H。它们对应的地址分别为：

CCAP0L — EAH、CCAP0H — FAH：模块0的捕捉/比较寄存器。
CCAP1L — EBH、CCAP1H — FBH：模块1的捕捉/比较寄存器。
CCAP2L — ECH、CCAP2H — FCH：模块2的捕捉/比较寄存器。

6. PCA模块PWM寄存器PCA_PWM0、PCA_PWM1和PCA_PWM2

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  • EPC0H：在PWM模式下，与CCAP0H组成9位数。

  • EPC0L：在PWM模式下，与CCAP0L组成9位数。

PCA模块的工作模式设定表如下表所列：

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将单片机的CCP/PWM/PCA功能在3组管脚之间切换的寄存器AUXR1(P_SW1)

  • 辅助寄存器1的格式
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CCP/PWM/PCA模块的结构

  • STC15系列部分单片机有3路可编程计数器阵列CCP/PCA/PWM（通过AUXR1/P_SW1寄存器可以设置CCP/PCA/PWM从P1口切换到P2口切换到P3口）。

  • PCA含有一个特殊的16位定时器，有3个16位的捕获/比较模块与之相连 ，如下图所示。
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  • 每个模块可编程工作在4种模式下：上升/下降沿捕获、软件定时器，高速脉冲输出或可调制脉冲输出。
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  • 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。PCA定时器是3个模块的公共时间基准，可通过编程工作在：1/12系统时钟、1/8系统时钟、1/6系统时钟、1/4系统时钟、1/2系统时钟、系统时钟、定时器0溢出或ECI脚的输入（STC15W4K60S4系列在P1.2或P2.4或P3.4口）。定时器的计数源由CMOD特殊功能寄存器中的CPS2，CPS1和CPS0位来确定（见CMOD特殊功能寄存器说明）。

  • CMOD特殊功能寄存器还有2个位与PCA相关。它们分别是：CIDL，空闲模式下允许停止PCA；ECF，置位时，使能PCA中断，当PCA定时器溢出将PCA计数溢出标志CF（CC0ON.7）置位。

  • CCON特殊功能寄存器包含PCA的运行控制位（CR）和PCA定时器标志（CF）以及各个模块的标志（CCF2/CCF1/CCFO）。通过软件置位CR位（CCON.6）来运行PCA。CR位被清零时PCA关闭。

  • 当PCA计数器溢出时，CF位（CCON.7）置位，如果CMOD寄存器的ECF位置位，就产生中断。CF位只可通过软件清除。CCON寄存器的位0~2是PCA各个模块的标志（位0对应模块0，位1对应模块1，位2对应模块2），当发生匹配或比较时由硬件置位。这些标志也只能通过软件清除。所有模块共用一个中断向量。PCA的中断系统如图所示。

  • PCA的每个模块都对应一个特殊功能寄存器。它们分别是：模块0对应CCAPMO，模块1对应CCAPM1，模块2对应CCAPM2，特殊功能寄存器包含了相应模块的工作模式控制位。

  • 当模块发生匹配或比较时，ECCFn位（CCAPMn.0，n=0，1，2由工作的模块决定）使能CCON特殊功能寄存器的CCFn标志来产生中断。

  • PWM（CCAPMn.1）用来使能脉宽调制模式。

  • 当PCA计数值与模块的捕获/比较寄存器的值相匹配时，如果T0G位（CCAPMn.2）置位，模块的CCPn输出将发生翻转。

  • 当PCA计数值与模块的捕获/比较寄存器的值相匹配时，如果匹配位MATn（CCAPlMn.3）置位，CCON寄存器的CCFn位将被置位。

  • CAPNn（CCAPMn.4）和CAPPn（CCAPMn.5）用来设置捕获输入的有效沿。CAPNn位使能下降沿有效，CAPPn位使能上升沿有效。如果两位都置位，则两种跳变沿都被使能，捕获可在两种跳变沿产生。

  • 通过置位CCAPMn寄存器的ECOMn位（CCAPMn.6）来使能比较器功能。

  • 每个PCA模块还对应另外两个寄存器，CCAPnH和CCAPnL。当出现捕获或比较时，它们用来保存16位的计数值。当PCA模块用在PWM模式中时，它们用来控制输出的占空比。

CCP/PCA模块的工作模式

捕获模式

PCA模块工作于捕获模式的结构图如下图所示。要使一个PCA模块工作在捕获模式，寄存器CCAPMn的两位（CAPNn和CAPPn）或其中任何一位必须置1。PCA模块工作于捕获模式时，对模块的外部CCPn输入（CCPO/P1.1，CCP1/P1.0，CCP2/P3.7）的跳变进行采样。当采样到有效跳变时，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）。
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如果CCON特殊功能寄存器中的位CCFn和CCAPMn特殊功能寄存器中的位ECCFn位被置位，将产生中断。可在中断服务程序中判断哪一个模块产生了中断，并注意中断标志位的软件清零问题。

16位软件定时器模式

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通过置位CCAPMn寄存器的ECOM和MAT位，可使PCA模块用作软件定时器（上图）。PCA定时器的值与模块捕获寄存器的值相比较，当两者相等时，如果位CCFn(在CCON特殊功能寄存器中)和位ECCFn（在CCAPMn特殊功能寄存器中）都置位，将产生中断。
[CH,CL]每隔一定的时间自动加1，时间间隔取决于选择的时钟源。例如，当选择的时
钟源为SYSclk/12，每12个时钟周期[CH,CL]加1。当[CH,CL]增加到等于[CCAPnH, CCAPnL]
时，CCFn=1，产生中断请求。如果每次PCA模块中断后，在中断服务程序中断给[CCAPnH,
CCAPnL]增加一个相同的数值，那么下次中断来临的间隔时间T也是相同的，从而实现了定时
功能。定时时间的长短取决于时钟源的选择以及PCA计数器计数值的设置。下面举例说明PCA
计数器计数值的计算方法。
假设，系统时钟频率SYSclk = 18.432MHz,选择的时钟源为SYSclk/12,定时时间T为5ms,则
PCA计数器计数值为：
PCA计数器的计数值 = T / (( 1 / SYSclk )×12 ) = 0.005 / (( 1 / 18432000)×12 ) = 7680 (10进制数)
= 1E00H (16进制数)
也就是说，PCA计数器计数1E00H次，定时时间才是5ms，这也就是每次给[CCAPnH,
CCAPnL]增加的数值(步长)。

高速脉冲输出模式

该模式中（下图），当PCA计数器的计数值与模块捕获寄存器的值相匹配时，PCA模块的CCPn输出将发生翻转。要激活高速脉冲输出模式，CCAPMn寄存器的TOGn，MATn和ECOMn位必须都置位。
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CCAPnL的值决定了PCA模块n的输出脉冲频率。当PCA时钟源是SYSclk/2时，输出脉冲的
频率F为：
f = SYSclk / ( 4×CCAPnL )
其中，SYSclk为系统时钟频率。由此，可以得到CCAPnL的值CCAPnL = SYSclk / ( 4×f ).
如果计算出的结果不是整数，则进行四舍五入取整，即
CCAPnL = INT (SYSclk / ( 4×f ) + 0.5 )
其中，INT( )为取整运算，直接去掉小数。例如，假设SYSclk = 20MHz，要求PCA高速脉
冲输出125kHz的方波，则CCAPnL中的值应为：
CCAPnL = INT (20000000 / ( 4×125000 ) + 0.5 ) = INT ( 40 + 0.5 ) = 40 = 28H

脉宽调节模式(PWM)

  • 脉宽调制(PWM，Pulse Width Modulation)是一种使用程序来控制波形占空比、周期、相位
    波形的技术，在三相电机驱动、D/A转换等场合有广泛的应用。

STC15系列单片机的PCA模块可以通过设定各自的寄存器PCA_PWMn (n=0,1,2.下同)中的位EBSn_1/PCA_PWMn.7及EBSn_0/PCA_PWMn.6，使其工作于8位PWM或7位PWM或6位PWM模式。

  • 8位脉宽调节模式(PWM)

当[EBSn_1,EBSn_0]=[0,0]或[1,1]时，PCA模块n工作于8位PWM模式，此时将{0,CL[7:0]}与捕获寄存器[EPCnL,CCAPnL[7:0]]进行比较。PWM模式的结构如下图所示。
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  • 当PCA模块工作于8位PWM模式时，由于所有模块共用仅有的PCA定时器，所有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[7:0]}有关。当{0,CL[7:0]}的值小于{EPCnL,CCAPnL[7:0]}时，输出为低； {0,CL[7:0]}的值等于或大于{EPCnL,CCAPnL[7:0]}时，输出为高。当CL的值由FF变为00溢出时，{EPCnH,CCAPnH[7:0]}的内容装载到{EPCnL,CCAPnL[7:0]}中。这样就可实现无干扰地更新PWM。要使能PWM模式，模块CCAPMn寄存器的PWMn和ECOMn位必须置位。

  • 当PWM是8位的时：
    在这里插入图片描述

PCA时钟输入源可以从以下8种中选择一种：SYSclk， SYSclk/2， SYSclk/4，SYSclk/6，
SYSclk/8，SYSclk/12,定时器0的溢出，ECI/P1.2输入
举例： PCA模块工作于8位PWM模式。 PWM输出频率为38KHz，选SYSclk为PCA/
PWM时钟输入源，求出SYSclk的值
由计算公式38000=SYSclk/256 ，得到外部时钟频率SYSclk=38000 x 256 x 1=9,728,000
如果要实现可调频率的PWM输出,可选择定时器0的溢出率或者ECI脚的输入作为PCA/PWM
的时钟输入源。

  • 当EPCnL = 0及CCAPnL = 00H时,PWM固定输出高

  • 当EPCnL = 1及CCAPnL = FFH时,PWM固定输出低

  • 当某个I/O口作为PWM使用时,该口的状态：
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  • 7位脉宽调节模式(PWM)

当[EBSn_1,EBSn_0]=[0,1]时，PCA模块n工作于7位PWM模式，此时将{0,CL[6:0]}与捕获寄存器[EPCnL,CCAPnL[6:0]]进行比较。PWM模式的结构如下图所示。
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当PCA模块工作于7位PWM模式时，由于所有模块共用仅有的PCA定时器，所有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[6:0]}有关。当{0,CL[6:0]}的值小于{EPCnL,CCAPnL[6:0]}时，输出为低； {0,CL[6:0]}的值等于或大于{EPCnL,CCAPnL[6:0]}时，输出为高。当CL的值由7F变为00溢出时，
{EPCnH,CCAPnH[6:0]}的内容装载到{EPCnL,CCAPnL[6:0]}中。这样就可实现无干扰地更新PWM。要使能PWM模式，模块CCAPMn寄存器的PWMn和ECOMn位必须置位。

  • 当PWM是7位的时：
    在这里插入图片描述

PCA时钟输入源可以从以下8种中选择一种：SYSclk， SYSclk/2， SYSclk/4，SYSclk/6，
SYSclk/8，SYSclk/12,定时器0的溢出，ECI/P1.2输入。
举例：设PCA模块工作于7位PWM模式。要求PWM输出频率为38KHz，选SYSclk为PCA/
PWM时钟输入源，求出SYSclk的值。
由计算公式38000=SYSclk/128，得到外部时钟频率SYSclk=38000×128×1=4，864，000如果要实现可调频率的PWM输出，可选择定时器0的溢出率或者ECI脚的输入作为PCA/PWM的时钟输入源
当EPCnL=0及CCAPnL=80H时，PWM固定输出高当EPCnL=1及CCAPnL=OFFH时，PWM固定输出低

  • 6位脉宽调节模式(PWM)

当[EBSn_1,EBSn_0]=[1,0]时，PCA模块n工作于6位PWM模式，此时将{0,CL[5:0]}与捕获寄存器[EPCnL,CCAPnL[5:0]]进行比较。PWM模式的结构如下图所示。

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当PCA模块工作于6位PWM模式时，由于所有模块共用仅有的PCA定时器，所有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[5:0]}有关。当{0,CL[5:0]}的值小于{EPCnL,CCAPnL[5:0]}时，输出为低； {0,CL[5:0]}的值等于或大于{EPCnL,CCAPnL[5:0]}时，输出为高。当CL的值由3F变为00溢出时，
{EPCnH,CCAPnH[5:0]}的内容装载到{EPCnL,CCAPnL[5:0]}中。这样就可实现无干扰地更新PWM。要使能PWM模式，模块CCAPMn寄存器的PWMn和ECOMn位必须置位。

  • 当PWM是6位的时：
    在这里插入图片描述

  • PCA时钟输入源可以从以下8种中选择一种：SYSclk，SYSclk/2，SYSclk/4，SYSclk/6，SYSclk/8，SYSclk/12，定时器0的溢出，ECI/P1.2输入。

举例：设PCA模块工作于6位PWM模式。要求PWM输出频率为38KHz，选SYSclk为PCA/PWM时钟输入源，求出SYSclk的值。
由计算公式38000=SYSclk/64，得到外部时钟频率SYSclk=38000×64x1=2，432，000如果要实现可调频率的PWM输出，可选择定时器0的溢出率或者ECI脚的输入作为PCA/PWM的时钟输入源

  • 当EPCnL=0及CCAPnL=0C0H时，PWM固定输出高当EPCnL=1及CCAPnL=0FFH时，PWM固定输出低。

示例程序

用CCP/PCA功能扩展外部中断的测试程序

//假定测试芯片的工作频率为18.432MHz
#include "reg51.h"
#include "intrins.h"
typedef unsigned char BYTE;
typedef unsigned int WORD;
sfr P_SW1 = 0xA2; //外设功能切换寄存器1
#define CCP_S0 0x10 //P_SW1.4
#define CCP_S1 0x20 //P_SW1.5
sfr CCON = 0xD8; //PCA控制寄存器
sbit CCF0 = CCON^0; //PCA模块0中断标志
sbit CCF1 = CCON^1; //PCA模块1中断标志
sbit CR = CCON^6; //PCA定时器运行控制位
sbit CF = CCON^7; //PCA定时器溢出标志
sfr CMOD = 0xD9; //PCA模式寄存器
sfr CL = 0xE9; //PCA定时器低字节
sfr CH = 0xF9; //PCA定时器高字节
sfr CCAPM0 = 0xDA; //PCA模块0模式寄存器
sfr CCAP0L = 0xEA; //PCA模块0捕获寄存器 LOW
sfr CCAP0H = 0xFA; //PCA模块0捕获寄存器 HIGH
sfr CCAPM1 = 0xDB; //PCA模块1模式寄存器
sfr CCAP1L = 0xEB; //PCA模块1捕获寄存器 LOW
sfr CCAP1H = 0xFB; //PCA模块1捕获寄存器 HIGH
sfr PCAPWM0 = 0xf2;
sfr PCAPWM1 = 0xf3;
sbit PCA_LED = P1^0; //PCA测试LED
void PCA_isr() interrupt 7 using 1
{
 CCF0 = 0; //清中断标志
 PCA_LED = !PCA_LED; //测试LED取反
}
void main()
{
 ACC = P_SW1;
 ACC &= ~(CCP_S0 | CCP_S1); //CCP_S0=0 CCP_S1=0
 P_SW1 = ACC; //(P1.2/ECI, P1.1/CCP0, P1.0/CCP1, P3.7/CCP2)
 
// ACC = P_SW1;
// ACC &= ~(CCP_S0 | CCP_S1); //CCP_S0=1 CCP_S1=0
// ACC |= CCP_S0; //(P3.4/ECI_2, P3.5/CCP0_2, P3.6/CCP1_2, P3.7/CCP2_2)
// P_SW1 = ACC; 
// ACC = P_SW1;
// ACC &= ~(CCP_S0 | CCP_S1); //CCP_S0=0 CCP_S1=1
// ACC |= CCP_S1; //(P2.4/ECI_3, P2.5/CCP0_3, P2.6/CCP1_3, P2.7/CCP2_3)
// P_SW1 = ACC; 
CCON = 0; //初始化PCA控制寄存器
 //PCA定时器停止
 //清除CF标志
 //清除模块中断标志
 CL = 0; //复位PCA寄存器
 CH = 0;
 CMOD = 0x00; //设置PCA时钟源
 //禁止PCA定时器溢出中断
 CCAPM0 = 0x11; //PCA模块0为下降沿触发
// CCAPM0 = 0x21; //PCA模块0为上升沿沿触发
// CCAPM0 = 0x31; //PCA模块0为上升沿/下降沿触发
 CR = 1; //PCA定时器开始工作
 EA = 1;
 while (1);

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