如何利用外设触发信号发生器简化应用

如今的嵌入式应用非常复杂，需要通过单个单片机处理多个功能。这些应用需要增强安全性、支持实时响应的最佳执行时间以及无缝同步各个功能。从具有集成功率因数校正的电机控制到光强度处理，复杂应用需要在各个模块之间轻松切换。处理器驱动的定时和排序解决方案受固有延时的影响，这种延时无法始终准确预测。这种方法还占用了宝贵的CPU带宽，导致其功能未得到充分利用，而通过卸载这些功能可优化应用程序性能。Microchip的16位dsPIC33数字信号控制器（DSC）中的外设触发信号发生器（PTG）是独立于内核的外设（CIP），可以协调复杂应用中功能的精确定时和排序，同时减轻CPU的负担。我们详细介绍了几个示例，以展示PTG如何帮助简化时序关键应用（例如，采用功率因数校正的电机控制、光强度控制或生成还可用作独立于内核的时钟源的恒定频率信号）的外设排序。由于PTG与内核无关，因此可以在CPU休眠时完成此项工作以实现节能或专注于其他关键任务。

顾名思义，PTG是一个用户可编程序列发生器，可生成具有复杂输入信号序列的触发信号，以协调其他片上外设的操作。使用PTG的应用会通过其他外设（例如模数转换器（ADC）、输出比较（OC）、脉宽调制器（PWM）、定时器和中断控制器）共同执行此操作，以实现复杂的触发和响应序列。PTG不仅降低了应用程序对内核的依赖性，还能单独处理模块交互，从而有助于降低软件复杂性及保持模块化。

PTG外设支持向PTG队列寄存器传送8位命令（称为step命令）。每个8位step命令由一个4位命令代码和一个4位选项字段组成。这些命令定义了一系列事件，用于输出触发信号到外设。step命令还可用于生成对内核的中断请求。

功率因数和电机控制

在集成功率因数校正（PFC）和电机控制应用中，单个DSC使用磁场定向控制（FOC）方案以及PFC转换器控制永磁同步电机。该应用需要三个PWM通道来控制电机功能，另外还需要一个PWM来控制PFC操作。输出比较（OC）外设可用于增加应用可用的PWM通道数量，甚至会超出器件上可用的高速PWM通道数量。

可同时使用PWM外设与OC外设来产生电机控制和PFC操作所需的信号。但是，在PFC等应用中，执行时序非常重要，因此必须在最佳执行时间内完成各种任务。其中包括同步电机控制和PFC PWM、触发ADC进行转换以及切换用于电机控制的ADC通道和PFC反馈信号。

使用PTG外设可以有效地实现这些要求，PTG外设可以同步高速PWM和OC外设，并通过监视高速PWM外设边沿来产生ADC外设触发信号。它还可监视“ADC转换完成”中断并产生适当的中断，执行FOC和数字PFC控制代码。它减少了CPU干预，使外设处理独立于内核进行。这可降低应用的总体功耗，同时释放CPU以执行更多关键功能。选择电机控制和PFC PWM的开关频率时应确保其为整数倍。

dsPIC® DSC中的ADC能够进行四通道同步采样。FOC和PFC算法都有自己的模拟通道需要同时采样，因为这些信号的相位关系是实现有效控制的关键。

选择电机控制和PFC的反馈信号时应确保可通过改变ADC通道选择对电机控制和PFC信号进行采样。在基于PWM边沿触发ADC之前，可将电机控制和PFC信号连接到采样保持（S＆H）电路。通道应配置为：在四通道采样和转换序列结束时，可从FOC或PFC各自对应的ADC缓冲寄存器中获得其转换结果。

在设置通道选择位以将PFC反馈信号连接到ADC的采样保持电路后，对于每个PFC PWM周期，都必须生成触发信号。同样，对于每个电机控制PWM周期，必须在设置通道选择位以将电机控制反馈信号连接到ADC的S＆H电路之后生成ADC触发信号。因此，将PTG外设配置为通过监视电机控制和PFC PWM脉冲的边沿来生成ADC触发信号。此外，还会生成两个PTG中断来执行FOC和PFC的代码，如图1所示。

图1：使用PTG中断执行代码

如本例所示，PTG通过有效地对ADC和PWM的使用进行排序来简化实现，从而在一个dsPIC33器件中实现电机控制和PFC。

照明控制

在光强度控制应用中，使用OC的PWM发生器可用于控制光的亮度。

在此应用中，使用了两个OC外设，其占空比由来自两个独立ADC通道的输入控制。根据每个ADC值，更新占空比。PTG外设支持更简单的同步ADC和OC外设的方法。此外，PTG有助于避免外设死锁，从而提高应用的安全性。

为了执行同步，电路首先会监视ADC并产生适当的中断以改变OC占空比。然后，它会在不干扰CPU的情况下改变ADC通道，因为PTG可以独立完成此操作。作为额外的安全功能，在发生意外故障时，PTG外设具有专用的看门狗定时器，用于监视和执行必要的纠正措施。

该应用的框图如图2所示。

图2：使用PTG的输出比较占空比控制

PTG外设内的看门狗定时器将防止PTG在执行等待硬件触发高电平-低电平状态的命令时无限期地等待外部事件的情况。在此应用中，PTG将等待ADC转换完成触发信号。使能后，看门狗定时器会在命令执行开始时开始计数。命令完成执行时将禁止看门狗定时器。如果预期事件在看门狗定时器超时周期到期之前未到达，则PTG外设将中止正在进行的失败命令并停止定序器。然后，它会向CPU发出看门狗定时器错误中断。

这可作为安全功能，用于从ADC或PTG外设停止工作的情况中恢复。这些外设可以在看门狗定时器错误中断内重新初始化和重启。

PTG通过切换ADC通道和监控外设使应用独立于内核，而无需CPU外设的干预。这样一来，CPU便可以用于应用程序中的其他任务。

仅PTG将负责外设内的所有交互，这有助于降低软件复杂性并保持模块化。PTG外设的看门狗定时器有助于从任何灾难性故障中恢复，从而提供更可靠的应用。

恒定频率波形

PTG外设可用于产生恒定频率信号，而此信号还可用作时钟源。PTG触发用作屏蔽输入选择的比较器。PTG的触发脉冲宽度可以改变，PTG有自己的定时器。外设触发信号也可用作运算放大器和比较器的屏蔽输入选择，如图3所示。

图3：用户可编程的屏蔽功能

使用此功能，可以通过比较器外设实现PTG输出。比较器配置为：反相输入接地，同相输入连接至内部参考电压。

触发脉冲将直接呈现为比较器输出。只要PTG连续产生触发信号，比较器就会产生恒定频率波形。波形的脉冲宽度将是PTG时钟的一个周期。

开关时间可由PTG定时器和脉冲宽度位控制。输出脉冲宽度将决定输出波形的关断时间，定时器将决定输出波形的导通时间，即触发比较器外设之间的延时。

根据比较器输出极性，开关时间将由定时器或脉冲宽度位控制。输出频率也可以由充当时钟分频器的寄存器控制。

通过改变比较器输出极性，可以使用四个比较器外设产生互补波形。可以使用脉冲宽度位修改脉冲宽度，以便降低输出频率。因此，可以使用PTG和比较器外设产生恒定波形。

在该应用中使用PTG的优点之一是输出可以充当恒定时钟源并且完全独立于内核运行。使用更多比较器外设时，可以生成偶互补波形。PTG还可以在空闲和休眠等节能模式下工作。

总结

凭借Microchip的dsPIC33数字信号控制器中的PTG外设，用户能够设计复杂的应用序列，并为时序关键型或功耗关键型应用提供更高的灵活性。PTG可在几乎没有CPU中断的情况下支持各种外设彼此交互，并有助于增强现有外设的功能，从而扩展任何给定外设可以实现的功能。

使用PTG外设可提供更快的响应速度并减少软件负担。外设还提供内置功能（如专用的看门狗定时器）来提高功能安全性。