Cooper Maa: Chapter 5

註: 本文為中文翻譯，原文請見底下網址:

http://www.mikroe.com/eng/chapters/view/6/chapter-5-ccp-modules/

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Chapter 5: CCP Modules

CCP 是 Capture/Compare/PWM 的縮寫。

CCP 模組是一個允許使用者測量事件的時間和控制事件的周邊。

Capture Mode, 允許測量某個事件的週期。這個電路可以深入的了解某個會不斷變化其值的暫存器的當前狀態。在這種情況下，是指 TMR1 這個暫存器。

Compare Mode 比較兩個暫存器的內容。其中一個是 TMR1 暫存器。這個電路也允許使用者觸發外部事件，當預先決定好的時間已經消逝的時候。[1]

[1] 難懂嗎？這只是簡化的解釋，實際上會更複雜難懂，因為這些模組可以在很多種不同的模式下運作。試著從 datasheet 分析它們的運作。如果你使用任何 CCP 模組，首先選擇你需要的模式，分析 datasheet 上恰當的插圖，然後才開始改變暫存器的內容，否則的話 ...

PWM – 脈衝寬度調變 (Pulse Width Modulation) 可以產生不同頻率與工作週期 (duty cycle) 的訊號。

PIC16F887 微控制器有兩個這樣的模組 – CCP1 和 CCP2。

在正常模式下它們倆是一致的，只有一個例外，加強型的 PWM (Enhanced PWM) 只有 CCP1 才有。這就是為什麼這一章講 CCP1 講的很詳細。關於 CCP2，只有跟 CCP1 不同的地方才會討論。

CCP1 模組

這個電路的核心是一個 16 位元的暫存器 CCPR1，包括 CCPR1L 和 CCPR1H 暫存器。CCPR1 用於捕捉或比較儲存在 TMR1 暫存器裏的數值（TMR1H 和 TMR1L）。

Fig. 5-1 CCP1 Module

在比較模式下 (Compare mode)，如果軟體有啟用的話，當匹配成立時 TMR1 會重置 (Reset)。此外，CCP1 模組可以產生不同頻率與 duty cycle 的 PWM 訊號。

CCP1CON 暫存器控制 CCP1 模組。

CCP1 補捉模式 (Capture mode)

在這種模式下，在下列情況下 TMR1 暫存器 (由 TMR1H 和 TMR1L 組成) 的內容會被複製到 CCP1 暫存器（由 CCPR1H 和 CCPR1L 組成）：

● 在 RC2/CCP1 腳位上的每一個上升緣 (1 » 0）;

● 在 RC2/CCP1 腳位上的每一個下降緣（0 » 1）;

● 在 RC2/CCP1 腳位上的每個第 4 個上升緣（0 » 1）; 及

● 在 RC2/CCP1 腳位上的每個第 16 個上升緣（0 » 1）。

CCP1CON 暫存器的 4 個位元（CCP1M3 - CCP1M0）決定在這些事件中哪一個會觸發 16 位元的資料傳輸。此外，必須滿足以下條件：

● RC2/CCP1 腳位必須設置為 input; 及

● TMR1 模組必須當作計時器或同步計數器使用。

Fig. 5-2 CCP1 in Capture mode

在完成一個訊號的捕捉時，CCP1IF 旗號會被豎起。如果 CCP1IF 旗號豎起來，而且如果 PIE 暫存器的 CCP1IE 有啟用，那麼就會引發中斷。

當捕捉模式改變時，可能會產生不希望得到的補捉中斷。為了避免這種情況，在對控制暫存器做任何改變之前，必須把 CCP1IE 位元和 CCP1IF 旗號都清除掉。

切換補捉 prescaler 也可能產生非預期的中斷，為了避免這種情況，在改變 prescaler 前應該暫時關閉 CCP1 模組。

底下是建議的程式次序：

CCP1 比較模式 (Compare mode)

在這種模式下，CCP1 暫存器的值會不斷地跟 TMR1 暫存器比較。當發生匹配時，RC2/CCP1 輸出腳位的邏輯狀態將會改變，取決於控制暫存器（CCP1M3 - CCP1M0）的狀態。CCP1IF 旗號也會同時豎起來。

Fig. 5-3 CCP1 in Compare mode

要把 CCP1 模組設置成這個模式，必須滿足兩個條件：

● RC2/CCP1 腳位必須設置為 output; 及

● TMR1 必須與內部時脈同步。

CCP1 PWM 模式

不同頻率與 duty cycle的訊號在自動化有很廣泛的應用。一個典型的例子是電源控制電路 (power control circuit)，其簡單的操作方式顯示在下圖。如果一個邏輯零（0）代表關閉，而邏輯1（1）代表打開，那麼負載消耗的電力將與脈衝期間成正比。這個比例 (ratio) 通常稱為工作週期 (Duty Cycle)。

Fig. 5-4 CCP1 in PWM mode

另一個常見的例子，是利用電路上的 PWM 訊號產生任意的波形，例如正弦波。見下圖：

Fig. 5-5 CCP1 in PWM mode with filtration

以這種方式運作的設備，通常用於控制馬達運轉 (速度、加速、減速等) 的交換式穩壓器 (switching regulators)。

Fig. 5-6 PWM module

上圖顯示了設定為 PWM 模式的 CCP1 模組的方塊圖。為了在其輸出腳位產生任意形式的脈衝，有必要決定的只有兩個值 -脈衝頻率 (pulse frequency) 和持續時間 (duration)。

Fig.5-7 PWM Mode

PWM 週期 (period)

輸出脈衝週期（T）(pulse period) 的指定方式是透過 TMR2 計時器的 PR2 暫存器。PWM 脈衝週期 (PWM period) 可以使用以下的公式計算：

PWM Period(T) = (PR2 +1) * 4Tosc * TMR2 Prescale Value

如果 PWM 週期（T）是已知的，那麼很容易確定訊號的頻率（F），因為這兩個值的關係式是 F = 1 /T。

PWM 工作週期 (Duty Cycle)

PWM duty cycle 是透過 10 個位元指定: 8 個最高有效位元 (MSBs) 放在 CCPR1L 暫存器，剩下的 2 個最低有效位元 (LSbs) 放在 CCP1CON 暫存器 (DC1B1 和 DC1B0)。結果是一個 10 位元的數值，組成下列公式:

Pulse Width = (CCPR1L,DC1B1,DC1B0) * Tosc * TMR2 Prescale Value

下表顯示如何產生不同頻率的 PWM 訊號，假設微控制器使用的是 20MHz 的石英晶體 (Tosc=50nS)。

最後，兩點注意事項：

● 若粗心大意將脈衝寬度 (pulse width) 設定得比 PWM 週期 (PWM period) 還大，在這個情況下，輸出腳位將不斷的被設定 (set); 及

● 在這個應用中，計時器 TMR2 的 postscaler 不能用來產生較長的 PWM 週期。

PWM 解析度

PWM 訊號只不過是不同 duty cycle 的脈衝序列 (pulse sequence)。對於某個特定的頻率（每秒的脈衝數），duty cycle 的組合(duty combinations) 數量是有限的。這個數字就是所謂的解析度 (resolution)，它是以位元來估量。例如，一個 10 位元的解析度將得到 1024 種離散 duty cycles (discrete duty cycles)，而 8 位元的解析度將得到 256 種離散 duty cycles 等。關於 PIC16F887 這顆微控制器，解析度是透過 PR2 暫存器指定，最大值的獲得方法是藉由寫入 FFh 到 PR2 暫存器。

PWM 頻率與解析度的對照表 (Fosc = 20MHz):

PWM 頻率與解析度的對照表 (Fosc = 8MHz):

CCP1CON 暫存器

Fig. 5-8 CCP1CON Register

CCP2 模組

除了暫存器與位元名稱不同外，這個模組是 CCP1 正常模式的一個很好的副本 (前面討論過)。它們只有一點不同，當 CCP2 在比較模式下運作的時候。

這個不同點指的是 TMR1 計時器的重置訊號 (reset signal)。也就是說，如果 A/D 轉換器有啟用，當 TMR1 與 CCP2 暫存器的值匹配時，計時器 TMR1 的重置訊號會自動啟動 A/D 轉換。

Fig. 5-9 CCP2 Module

類似於 CCP1 模組，這個電路受控制暫存器的控制。這次是 CCP2CON 暫存器。

CCP2CON 暫存器

Fig. 5-10 CCP2CON Register

為了將 CCP 模組設定為 PWM 模式，應採取下列步驟:

● 停用 CCP1 輸出腳位。它應該設置為輸入;

● 透過載入 PR2 暫存器設定 PWM 週期 (PWM period);

● 組合 CCP1CON 暫存器的位元以將 CCP 模組設定為 PWM 模式;

● 透過 CCPR1L 暫存器與 CCP1CON 暫存器的 DC1B1 和 DC1B0 位元設定 PWM 訊號的 duty cycle;

● 設定並啟動 TMR2:

1. 清除 PIR1 暫存器的 TMR2IF 中斷旗號;

2. 載入 T2CON 暫存器的 T2CKPS1 與 T2CKPS0 位元以設定 TMR2 計時器的 prescaler;

3. 設定 T2CON 暫存器的 TMR2ON 位元以啟動 TMR2 計時器;

● 在一個 PWM 循環完成後啟用 PWM 輸出腳位:

1. 等待 TMR2 的溢位 (PIR1 暫存器的 TMR2IF 位元豎起來時); 及

2. 清除 TRIS 暫存器的位元以將恰當的腳位設定為輸出。

CCP1 增強模式 (Enhanced Mode)

增強模式只有 CCP1 才有。基本上，這個模組跟前面討論的沒有什麼不同，增強指的傳輸 PWM 訊號到輸出腳位。為什麼這很重要？這是因為微控制器很經常地用於控制電動馬達的系統。這些設備這裡沒有描述，但如果你有機會發展類似的設備，你將認識這些元素，這些元素最近已經被當作外部周邊使用。很正常地，這些元素現在已經整合到微控制器裏，而且可以在很多不同的模式下運作。

單一輸出 PWM 模式 (Single Output PWM Mode)

這種模式只在 CCP1CON 暫存器的 P1M1 和 P1M0 位元被清除時才會啟用。在這種情況下，只有一個 PWM 訊號可同時在最多 4 個不同的輸出腳位上出現。此外，PWM 訊號可以基本或反向 (inverted) 的波形呈現。訊號的分佈由 PSTRCON 暫存器決定，而它的極性取決於 CCP1CON 暫存器的 CCP1M1 和 CCP1M0 位元。

使用反向輸出 (inverted output) 的時候，腳位是低電位有效 (low-active)，而具有相同波形的脈衝會永遠成對地的產生:分別在 P1A 和 P1C 腳位，以及 P1B 和 P1D 腳位。

Fig. 5-11 Single Output PWM Mode

Half-Bridge 模式

在這種模式下，PWM 訊號會輸出在 P1A 腳位上，而同時互補的 PWM 訊號則會輸出在 P1B 腳位上。這類脈衝會啟動金屬氧化物半導體場效電晶體 (MOSFET) 驅動程式 (MOSFET drivers) 進入 Half-Bridge 模式，Half-Bridge 模式可以啟用/停用流經設備的電流。

Fig. 5-12 Half-Bridge Mode