CN2678250Y - 一种采用dma技术的pwm控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及并公开了一种采用DMA技术的PWM控制器，包括顺序电连接的模/数转换器ADC(16)、PWM比较数据寄存器(14)和带PWM频率寄存器(13)的PWM波形生成单元(15)，其特征在于，还包括内置DMA接口单元(104)的DMA控制器(10)，所述PWM比较数据寄存器(14)与所述DMA接口单元(104)DMA接口对应的另一端连接。这种PWM控制器可自动从外接存储器中取出比较数据，最大限度的减少了CPU的干预，减少了CPU的时间资源消耗，提高了PWM控制器可处理的PWM脉冲波频率。

Description

一种采用DMA技术的PWM控制器

技术领域

本实用新型涉及脉冲宽度调制PWM及其应用，具体涉及使用直接存储器访问DMA技术的脉冲宽度调制控制器及其应用系统。

背景技术

脉冲宽度调制PWM是一种根据信号波幅度改变脉冲宽度的方法，它被广泛地应用于电机控制、音频功率放大、波形生成等场合。PWM原理是利用三角波对信号波进行调制：利用一个计数器进行周期性循环计数，将信号波幅度采样值，简称比较数据，和表示三角波幅度的计数器值进行比较，当计数器值大于比较数据时，产生一个高电平或一个低电平输出，当计数器值小于等于比较数据时，产生一个对应的低电平或高电平输出，从而产生一定占空比的脉冲输出；随着比较数据的变化，PWM输出的脉冲占空比也将随之变化。这里的信号波可以是正弦波，也可以是如语音信号等任意波形。

目前，PWM信号波幅度采样值的获取有两种方式：

(一)在一些比较简单的应用场合，PWM控制器的信号波幅度采样值是通过某一功能部件自动提供的，不需要中央处理器CPU的干预，例如是将通过模/数转换器ADC直接转换的数据，或者是将经模/数转换器ADC转换、再经其它功能部件处理的数据在线提供给PWM控制器。虽然目前的PWM可以集成ADC，实现ADC采集数据直接输出PWM波形的功能，但却不能实现数据采集保存功能。而在许多应用场合，比如语音录入场合，需要将ADC采集到的数据(经过某种转换后)存入存储器中；要实现这种数据采集功能，往往需要CPU的介入，借助CPU将采集数据保存到存储器中。因为数据采集并不是PWM控制器要专注实现的功能，目前的PWM控制器即使集成了ADC控制器，也不向CPU提供数据采集接口，因此CPU需要额外的资源实现数据采集

(二)在通常的应用中，PWM控制器的信号波幅度采样值由CPU提供。在这样的模式下，PWM控制器的工作流程是：当PWM控制器需要比较数据时，向CPU提出中断请求，CPU响应中断请求，给PWM控制器送比较数据，PWM控制器根据CPU送入的数据，产生一定占空比的脉冲波形输出。CPU向PWM控制器提供比较数据一般要经过几个操作：①响应中断，转到中断服务程序；②译码中断程序指令；③从存储器中取数；④把数写入PWM控制器。通过上述转换过程，将消耗大量的CPU时间资源，特别是在中断请求比较频繁的情况下更是如此。如果PWM输出数据的速率很快时，CPU可能无法及时响应PWM控制器的中断请求，导致PWM控制器不能及时得到数据，使得PWM输出异常。

在以上两种情况，传统的PWM控制器都不能直接实现数据采集或数据采集保存功能，要实现语音录入等数据采集保存功能，CPU需要额外的硬件资源，而且在数据采集保存工作中，将占用CPU大量时间开销；当PWM控制器的比较数据由CPU提供时，如果PWM输出速率很快，也将占用CPU大量时间开销；如果数据采集速率或PWM输出速率太快，容易因为CPU来不及响应中断导致PWM控制器工作异常。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是，如何利用DMA技术，提供一种能够直接实现数据采集和数据采集保存的PWM控制器，其在数据采集过程中能够直接将采集数据保存到存储器中，或在PWM输出过程中，可以直接从存储器中取出比较数据，以减少CPU中转PWM数据需要的时间开销，提高PWM控制器采集数据和PWM输出的速率，并实现数据采集保存。

本实用新型上述技术问题这样解决，构造一种采用DMA技术的PWM控制器，包括顺序电连接的模/数转换器ADC、PWM比较数据寄存器和带PWM频率寄存器的PWM波形生成单元，其特征在于，还包括内置DMA接口单元的DMA控制器，所述PWM比较数据寄存器与所述DMA接口单元DMA接口对应的另一端连接。本实用新型采用直接存储器访问DMA技术，即：在PWM控制器中内置一个DMA控制器，在数据采样保存时，DMA控制器周期性的申请-获得总线，将采用数据保存到存储器中；在PWM输出时，DMA控制器周期性的申请-获得总线，将比较数据从存储器中读入PWM控制器，PWM控制器根据读入的比较数据产生PWM输出。

按照本实用新型提供的PWM控制器，其特征在于，还包括与所述PWM频率寄存器、PWM比较数据寄存器和DMA控制器连接的CPU接口，所述DMA控制器还包括链表地址寄存器、数据地址寄存器和数据长度寄存器。该CPU接口单元提供了CPU访问本PWM控制器内部寄存器的接口。CPU通过CPU接口单元能读写PWM频率寄存器、PWM比较数据寄存器、数据长度寄存器、链表地址寄存器、数据地址寄存器，其中：

PWM频率寄存器提供PWM波形生成单元中的计数器计数间隔时间，决定PWM输出或数据采样的速率。当PWM控制器工作在DMA模式下，PWM频率寄存器也决定了DMA控制器申请-获取总线的频度。

PWM比较数据寄存器缓存信号波幅度采样值，简称比较数据。信号波幅度采样值可能是ADC采样数据经采样数据处理单元处理后的数据，也可能是CPU经CPU接口单元写入的数据，还可能是DMA控制器从存储器读入的比较数据；PWM比较数据寄存器数据来源由PWM控制寄存器相关位决定。

按照本实用新型提供的PWM控制器，其特征在于，还包括与所述CPU接口连接的PWM控制状态寄存器。该PWM控制状态寄存器控制PWM控制器的中断使能、采样数据处理格式、DMA控制器使能等PWM控制器的工作模式，并提供PWM控制器的工作状态。

按照本实用新型提供的PWM控制器，其特征在于，所述模/数转换器ADC和PWM比较数据寄存器之间还包括串接的采样数据处理单元。

按照本实用新型提供的PWM控制器，其特征在于，还包括位于所述PWM比较数据寄存器输出端上的数/摸转换器DAC。

按照本实用新型提供的PWM控制器，其特征在于，所述PWM比较数据寄存器还包括数字输入端。

本实用新型的PWM波形生成单元有一个计数器在固定范围内周期性地循环计数。计数器的计数间隔时间由PWM频率寄存器决定。计数器值类似三角波量化采样值，计数器值和比较数据进行大小比较，决定PWM输出电平；因计数器值在固定范围内周期性地循环计数，故PWM输出高脉冲的时间由比较数据的大小决定，即PWM输出占空比随比较数据变化而变化。

本实用新型的ADC将模拟信号波采样转换成数字信号波。ADC的采样频率由PWM频率寄存器决定。

本实用新型的采样数据处理单元对ADC转换后的数据按照规定的格式进行处理，提供处理后的采样值。采样数据处理单元处理格式可由PWM控制状态寄存器设置。常见的格式处理包括截位、压缩、编码等。

本实用新型的DAC可以将信号波采样值，即比较数据，转换成模拟量输出。此时PWM控制器完成的功能类似将信号波还原成模拟输出；由于DMA控制器可以很快地提供比较数据，DAC可以还原的信号波频率比不带DMA控制器可处理信号波频率要高得多。

本实用新型的DMA控制器能自动申请-获取总线，访问存储器，向存储器写入经数据处理单元处理后的采样数据，或从存储器读出采样数据。DMA控制器通过DMA接口单元-申请-获取总线，实现存储器访问。DMA控制器申请-获取总线的时间间隔主要由PWM频率寄存器，因在DMA模式下，每采样一个数据或每完成一次PWM输出，都需要访问存储器。

本实用新型支持下面四种工作模式：

模式1：DMA的链表工作模式。在该模式下，通过读取链表存储器的内容来控制读取数据存储器中数据块的内容。链表单元包含有数据块的首地址，数据块长度以及下一个链表单元的入口地址。首先DMA控制器通过DMA接口单元申请-获取总线，读取链表单元的数据地址、数据长度和下一链表地址分别存储于数据地址寄存器、数据长度寄存器和链表地址寄存器。其次，DMA控制器通过DMA接口单元申请-获取总线，根据数据地址寄存器和数据长度寄存器内容实现对存储器的访问，并把存储器读取的数据填入PWM比较数据寄存器(如果是数据采样，则DMA控制器把PWM比较数据寄存器中信号波采样值写入指定存储器中)。DMA控制器申请-获取总线的时间间隔由PWM频率寄存器决定。最后，DMA控制器在完成规定数据长度存储器访问后，如果没有到链表的末尾，将申请总线，读取链表存储器中链表的内容，重复上面两步操作直到链表结束。PWM波形生成单元根据PWM频率寄存器规定的频度把PWM比较数据寄存器内容转换成PWM脉冲波形输出。

模式2：DMA直接工作模式。在该模式下，CPU直接通知DMADMA控制器所要读取的数据块。首先CPU写DMA控制器的数据块地址寄存器和数据长度寄存器。其次，DMA控制器通过DMA接口单元申请-获取总线，根据数据地址寄存器和数据长度寄存器内容实现对存储器的访问，并把存储器读取的数据填入PWM比较数据寄存器(如果是数据采样，则DMA控制器把PWM比较数据寄存器中信号波采样值写入指定存储器中)。DMA控制器申请-获取总线的时间间隔由PWM频率寄存器决定。最后，DMA控制器重复上面过程直至数据块操作完毕。PWM波形生成单元根据PWM频率寄存器规定的频度把PWM比较数据寄存器内容转换成PWM脉冲波形输出。

模式3：CPU直接工作模式。在该模式下，PWM比较数据寄存器内容直接由CPU写入(如果是数据采样，则CPU把PWM比较数据寄存器中信号波采样值写入指定存储器中)。PWM波形生成单元根据PWM频率寄存器规定的频度把PWM比较数据寄存器内容转换成PWM脉冲波形输出。

模式4：信号波直接转换模式。在该模式下，信号波采样值经过采样数据处理单元进行格式处理后，送入PWM比较数据寄存器；PWM波形生成单元根据PWM频率寄存器规定的频度把PWM比较数据寄存器内容转换成PWM脉冲波形输出。

本实用新型的信号波有两种直接输入方式：如果信号波是数字信号，信号波从PWM控制器的结构框图中的数字输入口输入；如果信号波是模拟信号，信号波从PWM控制器的结构框图中ADC的模拟输入端输入。本实用新型的信号波直接输入方式由PWM控制状态寄存器决定。

本实用新型的PWM输出也有两种模式：一种是PWM脉冲输出，由PWM波形生成单元输出；一种是模拟输出，即PWM比较数据寄存器中信号波采样值直接经DAC转换成模拟信号输出。两种输出模式由PWM控制状态寄存器决定，可以独立采用任一种输出模式，也可同时采用两种输出模式。

本实用新型提供的PWM控制器与传统的PWM控制器相比：①集成了DMA控制器，采用DMA技术，在PWM输出时，比较数据不必由CPU写入，而可通过DMA控制器自动从存储器中取数据，减少了CPU介入PWM控制器工作的时间，提高了PWM控制器可以输出的PWM脉冲波频率。②由于DMA控制器支持链表模式，PWM控制器可以自动地完成不同存储器区的数据块读取操作，使得该PWM控制器尤其适用于类似语音播放的系统中，将不同的信号波采样值不间断地转换成PWM脉冲输出。③由于采用了DMA技术，不必增加额外的硬件资源，采样数据不必经过CPU中转，本PWM控制器就可实现数据采集保存功能，并且能提高数据采集的频度；采样数据可以是数字信号，也可以是模拟信号。④信号波输入可以直接转换成PWM脉冲输出。同时，本实用新型支持DMA模式，也支持CPU模式，用户可以根据自己的应用场合和习惯，灵活地选择不同的工作模式。

附图说明

图1是本实用新型提供的PWM控制器的结构框图。

图2是图1所示PWM控制器的语音播放系统示意图。

图3是图2中存储器内数据块格式示意图。

图4是图2中链表单元结构示意图。

图5是图4中链表链接方式示意图。

图6是与图4、5所示链表配合的DMA模式读取数据流程图。

图7是图1所示PWM控制器的数据采集系统示意图。

具体实施方式

首先，说明本实用新型PWM控制器的硬件结构图。

如图1，本实用新型PWM控制器包括：DMA控制器10；CPU接口单元11；PWM控制状态寄存器12；PWM频率寄存器13；PWM比较数据寄存器14；PWM波形生成单元15；模/数转换器ADC16；采样数据处理单元17；数/模转换器DAC18。其中DMA控制器还包括链表地址寄存器101；数据地址寄存器102；数据长度寄存器103和DMA接口单元104。

进一步，结合本实用新型两个不同的应用系统进行具体说明。

(一)本实用新型PWM控制器在语音播放系统中的应用，如图2，所述语音播放系统包括：PWM控制器1，用于从存储器中读取数据并转换成PWM脉冲波形输出；微控制器5，用来控制PWM控制器的操作；总线仲裁管理2，用来对PWM控制器1和微控制器5两者的总线使用进行仲裁和总线管理；数据存储器3，用来存储需要播放的语音数据；链表4，用来存储链表，定义PWM控制器的任务链表；MOS开关放大6，用来对PWM脉冲波形功率放大；低通滤波器：LF滤波器7，用来虑掉PWM的不需要高频成分，还原成模拟音频信号。数据存储器3和链表4是存储器地址的不同分区，因此两者可以是不同的存储器，也可以是同一块存储器。其中：

①图2中的数据存储器3中数据以数据块的形式存储。如图3，该数据块由数据块首地址和数据块长度唯一决定。在该放声系统中，每一个数据块代表一个语音数据块。

②图2中的链表4中数据以链表单元格式存储，链表单元由链表单元的入口地址唯一确定。如图4，该链表单元结构包括：入口地址；下一个链表入口地址，用来连接下一个链表单元，使其形成一个链表；数据块长度和数据块首地址。在链表中还有一些标志位，其中两个是：停止标志位“stop”，用来标志本链表单元为链表的结束单元；中断标志位“int”，当该位置1时，在本链表单元所指示的数据块被PWM控制器读取完毕时，PWM控制器将产生一个中断标志。

该链表单元的结构，如图5所示，其链表链接方式中：当PWM控制器完成当前链表指定的数据块长度操作后，如果停止标志位“stop”有效，则停止工作，完成所有的操作；否则，从当前链表的下一个链表入口地址开始，读入新的链表，然后根据新的链表对指定的数据块进行操作。如果最后一个链表的下一个链表入口地址指向它前面的某一个链表入口地址，而且停止标志位“stop”无效，则PWM控制器可以实现连续播放的功能。

该语音播放系统，可以把存储于数据存储器3中的语音数据块(如“这是一个实用新型专利”中的每个汉字的语音数据块)按链表4所规定的顺序播放出来，组成一句完整的话(“这是一个实用新型专利”)，其工作流程如图6所示，包括：

第一步，填写链表4。根据“这是一个实用新型专利”每一个汉字在3中对应的首地址和数据长度，并按照“这是一个实用新型专利”顺序组成链表填写入链表存储器4中。在填写链表时，首先微控制器5通过总线仲裁申请使用总线，得到允许后，写链表存储器。

第二步，微处理器5通过PWM控制器1中CPU接口写链表中第一个链表单元的地址到链表地址寄存器101，配置PWM频率寄存器13，再写PWM控制状态寄存器12启动PWM控制器。

第三步，PWM控制器被微控制器5启动后，申请DMA总线占用，总线允许后，根据链表地址寄存器101中链表单元地址，DMA读取该链表单元数据并分别填入链表地址寄存器101，数据地址寄存器102和数据长度寄存器103中。

第四步，PWM控制器申请总线占用，允许后根据数据地址寄存器102和数据长度寄存器103中内容以及已经读取了的数据块数据长度访问数据存储器3，并把读取的数据写入PWM比较数据寄存器14，取消总线占用。

第五步，当PWM比较数据寄存器14需要数据时，PWM控制器将通过DMA接口单元104申请总线占用，重复第四步过程直到数据块读取结束。

第六步，当前数据块读取结束后，如果链表指示该链表是最后的链表，PWM控制器停止操作，处于空闲状态，并在PWM控制状态寄存器12记录结束标志，产生结束中断；否则PWM控制器将再次申请总线读取链表内容，重复第三步过程。

DMA控制器从存储器读取数据并放入PWM比较数据寄存器14后，PWM波形生成单元15将自动从PWM比较数据寄存器14中载入数据，根据PWM频率寄存器13中规定的频度转换成PWM脉冲信号。同时，PWM比较数据寄存器14中数据可以通过DAC18数字模拟变化后直接模拟输出。

产生的PWM脉冲信号经MOS功率开关放大器6开关功率放大，LF低通滤波器7低通滤波器后直接驱动扬声器发声，实现了“这是一个实用新型专利”的语音播放。

通过上面的描述可知，在DMA模式下，当PWM控制器需要比较数据时，不需要CPU介入，而由DMA控制器自动从存储器获得，因而减少了CPU的时间开销；而且由于DMA控制器从存储器读入一个数据的速度比CPU从存储器向PWM控制器中转数据的速度快得多，因此本PWM控制器可以处理的PWM输出频率要比传统的利用CPU中转数据的PWM控制器要高得多。

由于声音信号为各种频率波形的组合，因此使用该系统，在存储器中填入不同的值以及选择适当的链表内容，可以产生精度较高的可变占空比脉冲波形。

(二)本实用新型PWM控制器的数据采集系统，如图7所示，包括：PWM控制器1，用于将采样数据进行格式转换并保存到存储器中；总线仲裁控制器2，用来对PWM控制器1和微控制器5两者的总线使用进行仲裁和总线管理；微控制器5，用来控制PWM控制器的操作；数据存储器3，用来存储采集的数据。本实用新型PWM控制器1在该数据采集系统中，不但能够完成数据的采集、处理，还可以同时把采集的数据转换成模拟输出和PWM输出供不同需要。其数据采集流程具体如下：

第一步，根据数据采集的需要，微控制器5写PWM控制器寄存器13，规定数据采样频率；写数据地址寄存器102，规定采集后的数据存储在4中的位置首地址；写数据长度寄存器103，规定采集数据的长度；最后写PWM控制状态寄存器12，规定当前模式为数据采集模式以及数据处理格式，并启动PWM控制器。

第二步，采样数据处理单元17对信号波输入进行格式处理，常见的格式处理有截位、压缩、编码等处理。信号波输入可以是模拟输入(需要经过ADC16转换成数字信号送给采样数据处理单元17)，也可以是数字输入。采样数据处理单元17处理后的采样数据送给PWM比较数据寄存器14。

第三步，当PWM比较数据寄存器14接收到采样数据后，PWM控制器的DMA控制器申请总线占用，申请允许后PWM控制器根据数据地址寄存器102和数据长度寄存器103内容以及已经采样的数据长度把PWM比较数据寄存器14中的数据送数据存储器3的指定位置进行存储。

第四步，如果采样数据达到指定长度，在PWM控制状态寄存器12记录结束标志，产生结束中断，PWM控制器处于空闲状态，否则重复第二步操作直至采样结束。

在信号波直接转换模式下，信号波采样值经过采样数据处理单元17进行格式处理后，送入PWM比较数据寄存器14；PWM波形生成单元15根据PWM频率寄存器13规定的频度把PWM比较数据寄存器内容转换成PWM脉冲波形输出。

在数据采集模式下，由于PWM控制器采用了DMA技术，在数据采样过程中，避免了CPU的参与，减少了CPU的时间开销；同时，DMA传输比CPU中转数据时间快，使用该实用新型满足了快速的数据采集需求；而且，由于数据采集中的ADC是和信号波直接转换模式下的ADC共用的，因此本PWM控制器实现数据采集功能并不需要额外的硬件资源。

PWM比较数据寄存器14可以直接通过DAC18转换成模拟输出，以便满足不同系统的特殊需要，方便PWM控制器在其他应用场合的系统集成。

Claims (6)

1、一种采用DMA技术的PWM控制器，包括顺序电连接的模/数转换器ADC(16)、PWM比较数据寄存器(14)和带PWM频率寄存器(13)的PWM波形生成单元(15)，其特征在于，还包括内置DMA接口单元(104)的DMA控制器(10)，所述PWM比较数据寄存器(14)与所述DMA接口单元(104)DMA接口对应的另一端连接。

2、根据权利要求1所述PWM控制器，其特征在于，还包括与所述PWM频率寄存器(13)、PWM比较数据寄存器(14)和DMA控制器(10)连接的CPU接口(10)，所述DMA控制器(10)还包括链表地址寄存器(101)、数据地址寄存器(102)和数据长度寄存器(103)。

3、根据权利要求2所述PWM控制器，其特征在于，还包括与所述CPU接口(10)连接的PWM控制状态寄存器(13)。

4、根据权利要求1所述PWM控制器，其特征在于，所述模/数转换器ADC(16)和PWM比较数据寄存器(14)之间还包括串接的采样数据处理单元(17)。

5、根据权利要求1所述PWM控制器，其特征在于，还包括位于所述PWM比较数据寄存器(14)输出端上的数/摸转换器DAC(18)。

6、根据权利要求1所述PWM控制器，其特征在于，所述PWM比较数据寄存器(14)还包括数字输入端。

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