作者：华中科技大学 马海 何顶新 郑孝洋 陈光东　

    摘 要 介绍瑞萨公司的16位单片机h8/3062f中可编程定时式样控制器tpc的结构功能，以及如何利用tpc实现对异步电机的启动和加减速控制的硬件结构原理和软件程序设计。

    关键词 步进电机 tpc 调速 h8／3062f

    步进电机在各种自动化控制系统中有着广泛的应用，是机电一体化装置中的关键部件。这是一种数字控制的电动机，是将电脉冲转化为角他移的执行机构，它通过控制脉冲个数和脉冲频率来控制电机的角位移量和转动速度，从而达到准确定位和凋速的目的。

    传统的步进电机所需的数字式电脉冲信号(即方波控制信号)一般都是借助数字逻辑电路米产生。随着嵌入式技术的不断发展，单片机的应用更为广泛，由单片机定时来产生这种脉冲信号的场合越来越多。单片机定时控制脉冲一般有软件定时和定时器定时两种方式。前一种方式占用了cpu的大部分上作时间，所以常用定时器定时中断来产生脉冲信号。出于一般的单片机系统中断响应时间大部分在10μs级以上，因而定时器定时中断来产生脉冲的精确度大致也在10μs级以上，往往不能满足步进电机速度控制的高精度要求。为了提高脉冲控制的精确度，笔者采用瑞萨公司h8／3doh系列的h8／3062f单片机中的可编程定时式样控制器进行脉冲控制，使得脉冲信号输出的相应时间达到0．1μs级，从而能够满足步进电机速度控制的高精度要求。

    1 可编程定时式样控制器tpc

    可编程定时式样控制器tpc是瑞萨公司h8／3doh系列单片机所特有的一个功能模块，它用16位定时器作时基提供各种式样的脉冲输出。图1为tpc的结构框图。tpc的脉冲输出分成可同时独市运作的4组，每组4位，分别由定时器的4个通道的比较匹配信号来触发。tpc借用了端口b和端口a的共16条引脚tp15～tpo作为其输出，可按位开放。最多可以控制16个脉冲输出，而输出数据由两端口的数据寄存器pbdr和padr以及后续数据寄存器ndrb和ndra提供。端口数据方向寄存器paddr和pbddr用于控制引脚的输入或输出；而后续数据允许寄存器ndera和nderb用来开放或关闭tpc的端口输出；tpc的输出方式寄存器tpmr用于选择tpc每组的输出方式；输出控制寄存器tpcr则用于选择tpc每组的触发信号源，即由定时器的哪个通道触发。其中单片机h8/3062f的定时器有3个通道，每个通道分别有3个寄存器：定时计数器tcnt、通用寄存器gra和grb。

    定时器启动后，定时器中已选定的某通道的计数寄存器tcnt将对时钟源的脉冲进行计数。当tcnt等于该通道的通用寄存器gra(grb)中数值时，就称作该通道的a(b)比较匹配事件发生。这样事先置于后续数据寄存器ndra(ndrb)的值自动被传送到相应端口a(b)的数据寄存器padr(pbdr)对应的位，于是就更新了tpc的输出值。

    tpc有两种输出方式，即不重叠输出和正常输出。可以通过输出方式寄存器tpmr，来选择tpc每组的输出方式。不重叠输出方式是在脉冲输出之间可保障有不重叠裕度。在该通道的通用寄存器grb中，设置不重叠tpc输出波形的输出触发周期，则不重叠裕度置于gra中，输出值将在a比较匹配事件和b比较匹配事件发生时变化触发。正常输出方式，则是在gra中设置tpc输出波形的输出触发周期，当a比较匹配事什发生时tpc输出信号。根据步进电机的脉冲控制要求，这里采用的是正常输出方式。

    tpc用于步进电机脉冲控制的原理如下：首先，将通用寄存器gra选作输出比较寄存器；然后，将tpc下一个输出的端口值置于后续数据寄存器ndra(ndrb)，再启动定时器，当a比较匹配事件发生时发出中断请求。在研究tpc输出时序的过程中发现，tpc并非是在中断响应过程中给tpc端口送值的，而是在a比较匹配事件发生的3个时钟周期后，就把事先置于后续数据寄存器的值送到端口数据寄存器padr(pbdr)，于是就更新了tpc的输出值。由于h8／3062f系列的单片机时钟频率都在20mhz以上，这样只需不到0.2ms，就可以送出端口信号，大大缩短了响应时问，比一般的单片机在定时中断过程中送端口信号快了几十倍甚至上百倍，从而使对脉冲控制的更加准确。而在中断子程序中则是更新后续数据寄存器ndra(ndrb)和输出比较寄存器gra的值，从而改变脉冲的频率实现对异步电机的调速。图2为产生脉冲频率变化