基于纳芯微NS800RT5039评估板实现PWM输出

内容介绍

1. 所选任务介绍

本项目旨在验证和学习 Novosense NS800RT5039 微控制器的两项核心外设功能。任务分为两个部分：

任务一：UART 串口通信
此任务要求利用 MCU 的UART外设，通过开发板板载的 DAP-Link 虚拟串口，向 PC 端的串口助手发送指定字符串 "Hello, NOVOSENSE Wedesign project."。此任务用于验证开发环境、基础驱动以及 MCU 的基本 I/O 通信能力。
任务二：ePWM 互补波形输出
此任务要求使用增强型脉宽调制（ePWM）模块，在指定的 GPIO 端口上输出一对参数为频率 2MHz、占空比 50% 的互补 PWM 波形。

2. 项目描述

本项目是一个基于纳芯微NSSinePad-NS800RT5039 开发板的入门级综合实验。首先通过一个简单的 "Hello, NOVOSENSE Wedesign project." 串口打印程序，搭建了从代码编写、编译、下载到运行和调试的整个开发流程。在此基础上，项目进一步使用了 NS800RT5039 芯片强大的 ePWM 外设，实现了高频、高精度的互补 PWM 波形输出。

3. 硬件介绍

微控制器: NS800RT5039是本项目的核心控制器。它是一款高性能、高实时性的微控制器，专为工业和汽车应用设计。其关键特性包括：

高性能内核: 采用运行频率高达 260MHz 的 Arm Cortex-M7 内核，并集成了纳芯微自研的 eMath 浮点数学运算加速核，能够高效执行复杂的控制算法。

丰富的内存: 内置 512KB Flash 和 388KB SRAM（均带 ECC 功能），保证了程序的可靠性和数据处理空间。

高精度外设: 拥有 3 个高达 5Msps 的 12 位 ADC 和多达 32 路 PWM 输出，其中 16 路是分辨率高达 100ps 的高精度 PWM (HRPWM)，非常适合高频开关电源和精密电机控制。

通信接口齐全: 集成了多个串口、CAN-FD、SPI、I2C 等接口，满足复杂的通信需求。

高可靠性: 符合 AEC-Q100 Grade 1 汽车级标准，并通过了 IEC60730、ISO26262 ASIL-B 等功能安全设计认证。

NSSinePad-NS800RT5039是官方提供的低成本开发和评估板。它为用户提供了便捷的硬件平台来访问 NS800RT5039 的所有功能，其引出所有 IO，方便用户连接外设进行测试。板载调试器集成了 DAP-Link 调试仿真器，通过一根 USB Type-C 线缆即可完成供电、程序下载/调试和虚拟串口通信，无需额外购买 J-Link/ST-Link 等调试工具，并且板载了 CAN 收发器和编码器接口芯片。

4. 设计思路

整体方案框图如下图所示

系统初始化:

初始化整个系统的时钟。根据代码，系统主频 DEVICE_SYSCLK_FREQ 设置为 260MHz。这是所有外设时钟的基础。
解锁外设寄存器锁，以便进行后续配置。
初始化开发板 Board_init()，这通常会配置引脚的复用功能，例如将特定引脚配置为 UART 的 TX/RX 或 ePWM 的输出。

任务一：UART 串口输出

外设选择: 选择一个 UART 外设（例如 UART0）。

引脚配置: 将 MCU 的相应引脚（如 GPIO0/1）配置为 UART0 的 TX 和 RX 功能。开发板的 DAP-Link 会将 MCU 的某个 UART 接口桥接到 USB 虚拟串口，需要确保配置的是正确的 UART 模块。

参数配置: 配置 UART 的波特率、数据位、停止位和校验位。通常配置为 115200 8-N-1。

数据发送: 在 main 函数中，调用 C 标准库函数 printf()。

任务二：ePWM 互补波形输出

外设选择: 选择一个 ePWM 模块，例如 myEPWM1_BASE (ePWM1)。ePWM 的工作需要一个时基时钟 (TBCLK)。TBCLK 由系统主频 SYSCLK 经过分频得到。
$TBC L K = S Y SC L K / (H SPC L KD I V \times C L KD I V)$
为了获得 2MHz 的 PWM，我们需要精确计算周期寄存器的值。一个合适的 TBCLK 是关键。假设 HSPCLKDIV=1, CLKDIV=1，则 $TBC L K = 260 M Hz$ 。

周期 (TBPRD) 计算: PWM 的频率由时基周期寄存器 (TBPRD) 和计数模式决定。代码中使用了增减计数模式 (Up-Down Count Mode)。

$f_{pw m} = TBC L K / (2 \times TBPR D)$

$TBPR D = TBC L K / (2 \times f_{pw m}) = 260, 000, 000/ (2 \times 2, 000, 000) = 260/4 = 65$

计算结果 65 是一个整数，因此该频率可以精确实现。

占空比 (CMPA) 计算: 占空比由比较寄存器 (CMPA/CMPB) 的值决定。对于 50% 的占空比，在增减计数模式下

$CMP A = TBPR D \times (1 - D u t y) = 65 \times (1 - 0.5) = 32.5$ 。这里出现了小数，CMPA 寄存器只能写入整数。但由于是完全对称的 50% 占空比，可以将 CMPA 设置为 TBPRD 的一半，即 32 或 33，产生的波形会非常接近 50%。

更精确的方式是配置 Action Qualifier (AQ) 模块，使其在向上计数到 CMPA 时拉低，在向下计数到 CMPA 时拉高，这样配置的 $CMP A = TBPR D \times D u t y = 65 \times 0.5 = 32.5$ 。取 32 或 33 均可。

互补输出与死区配置

为了生成一对互补信号，需要使用 ePWM 的死区模块 (Dead-Band, DB)。

配置死区模块，使其输入源为 ePWMxA (本例中为 ePWM1A)。

配置输出模式，使 ePWMxA (GPIO0) 正常输出，ePWMxB (GPIO1) 输出 ePWMxA 的反向信号。

虽然本任务未要求，但实际应用中通常会设置一个小的死区时间（上升沿/下降沿延时）来防止桥臂直通。

引脚配置

将 GPIO0 和 GPIO1 配置为 myEPWM1_EPWMA_PIN_CONFIG 和 myEPWM1_EPWMB_PIN_CONFIGmyEPWM1_EPWMB_PIN_CONFIG，即 ePWM1A 和 ePWM1B 的输出功能。

如下图所示，GPIO0 和 GPIO1分别作为两个PWM通道输出，十二指神探连接这两个端口，完成数据采集。

5. 关键代码

程序流程图

定义PWM信号参数

/* 定义PWM信号参数的结构体 */
EPWM_SignalParams pwmSignal =
            {2000000, 0.5f, 0.5f, true, DEVICE_SYSCLK_FREQ,
            EPWM_COUNTER_MODE_UP_DOWN, EPWM_CLOCK_DIVIDER_2,
            EPWM_HSCLOCK_DIVIDER_1};

这是配置 PWM 的核心。它以定义了目标频率、占空比、通道使能等关键参数。

调用库函数配置PWM

/* 调用库函数，根据上面的结构体配置ePWM1 */
EPWM_configureSignal(myEPWM1_BASE, &pwmSignal);

这一行是实现 PWM 功能的关键。它调用了官方提供的库函数，将 pwmSignal 结构体中的参数自动计算并写入 ePWM1 的各个寄存器（如 TBPRD, CMPA, AQCTL, TBCTL 等），极大地简化了开发。

串口打印

/* 延时后通过串口打印字符串 */
Delay_ms(DELAY_1S);
printf("Hello, NOVOSENSE Wedesign project.\n");

调用 printf 函数。Delay_ms 是为了等待外设稳定或避免信息过早输出。

GPIO引脚功能复用

void GPIO_init(void)
{
    /* EPWM1A  GPIO configuration */
    GPIO_setPinConfig(myEPWM1_EPWMA_PIN_CONFIG);
    /* EPWM1B  GPIO configuration */
    GPIO_setPinConfig(myEPWM1_EPWMB_PIN_CONFIG);
    // ...
}

此函数负责将引脚复用为 ePWM 功能。myEPWM1_EPWMA_PIN_CONFIG 是一个宏，定义了具体GPIO以及其对应的 ePWM 功能。

6. 实物演示及说明

硬件连接:

使用 USB Type-C 数据线将 NSSinePad 开发板连接到 PC。。
将逻辑分析仪的探头 1 的连接到 ePWM1A 对应的排针引脚GPIO0，地线连接到开发板的 GND。
将示波器的探头 2 的连接到 ePWM1B 对应的排针引脚（例如 GPIO，地线连接到开发板的 GND。

软件操作:

在 PC 的设备管理器中查看 DAP-Link 虚拟串口的 COM 端口号。
打开串口助手软件，设置 COM 号与设备管理器中一致，波特率设置为 921600，8-N-1。
将修改好的代码（修正了 ePWM 时钟分频）编译并下载到开发板。
程序运行后，复位开发板。

结果:

串口输出: 在串口助手窗口中，能看到字符串 "Hello, NOVOSENSE Wedesign project." 被打印出来。

PWM 波形: 在Pulseview上，能观测到以下波形：

两个通道均为方波信号。

两个方波的相位相反（一个高电平时另一个为低电平），呈互补关系。

使用示波器的测量功能，测得每个波形的频率应精确为 2.00 MHz。

每个波形的占空比应为 50%。

7. 总结

通过本次基于 NS800RT5039 的开发实践，我收获颇丰。

首先加深了对高性能 MCU 的理解。NS800RT5039 强大的 Cortex-M7 内核和高达 260MHz 的主频给我留下了深刻印象。尤其是其 ePWM 模块，不仅数量多，而且支持 100ps 的高精度，这在以往使用的中低端 MCU 中是罕见的。实现 2MHz 的高频 PWM 输出非常轻松，这充分体现了它在高速实时控制领域的巨大潜力。

其次体会到官方 SDK 和库函数带来的便利。通过调用 EPWM_configureSignal 这样一个封装的函数，就可以完成复杂的 PWM 配置，无需逐个去操作底层寄存器，降低了入门门槛。