Для того, чтобы понять, каким образом можно реализовать несколько каналов ШИМ на одном контроллере, давайте сначала вспомним, — что вообще такое ШИМ и с чем это едят.
ШИМ расшифровывается как широтно-импульсная модуляция. Это такой режим работы, когда коэффициент заполнения импульсов может регулироваться микросхемой управления (нашим контроллером) по каким-либо правилам (другими словами говорят, что коэффициент заполнения промодулирован чем-то или в зависимости от чего-то). То есть, переключения из высокого уровня сигнала в низкий и наоборот выполняются в строго определённые какими-то правилами моменты времени.
Таким образом, для одного канала ШИМ нам нужно знать правила, которыми определяется коэффициент заполнения (с этим проблем нет, мы их сами устанавливаем), и, кроме того, отсчитывать два момента времени от начала импульса: во-первых, сколько сигнал находится в состоянии высокого уровня и во-вторых, общее время импульса. Отлично, значит всё, что нам нужно для реализации одного ШИМ — это два счётчика. Алгоритм получится такой: запускаем оба счётчика, переключаем выход в "1". По прерыванию от первого счётчика (время высокого уровня) переключаем выход в "0", выключаем счётчик и ждём прерывание от второго счётчика. По прерыванию от второго счётчика (общее время импульса) — повторяем всё с начала.
Соответственно, для трёх каналов ШИМ нам нужно 3*2=6 счётчиков. Но, допустим у PIC12F629, есть только 2 счётчика, что же делать? Во-первых, сделаем одинаковым общее время импульса для всех каналов ШИМ (пусть все три канала работают с одной частотой), это уже минус два счётчика. Осталось только отсчитывать время высокого уровня для каждого из каналов ШИМ. Итого, осталось 4 счётчика. Не намного, но легче.
Теперь давайте вспомним, что контроллер, это не аналоговая микросхема, а цифровая, и моменты времени он отсчитывает дискретно. Все три времени высокого уровня (для каждого из каналов ШИМ) будут кратны какому-то общему кванту времени. Длительность этого кванта определяется разрядностью ШИМ и частотой импульсов. В случае, когда все каналы работают на одной частоте и имеют одинаковую разрядность, этот квант времени будет равен: T 1 =1/(f*(2 n -1)) , где n-разрядность ШИМ, f — частота импульсов.
Если ШИМ 8-ми битный и работает на частоте 100 Гц, то длительность кванта равна (1/100)/(2 8 -1)=39 мкс — общее время импульса (1/f), делённое на число возможных моментов переключения (2 n) минус 1 (если на прямой поставить N точек, то они образуют N-1 интервалов).
То есть, нам достаточно одного аппаратного счётчика, который будет отсчитывать интервалы T 1 . Далее, создаем программный счётчик, который будет подсчитывать количество таких интервалов, и задаём четыре уставки. Одна уставка определяет, — сколько нужно отсчётов программного счётчика чтобы отсчитать время высокого уровня для первого канала ШИМ, вторая — тоже самое для второго канала, третья — для третьего, четвертая соответствует общему времени импульса, а операции сравнения, переключения, увеличения или обнуления программного счётчика будем
делать по прерыванию от аппаратного счётчика.
Основной недостаток такого метода в том, что вместо (n+1) прерываний за период, мы будем обрабатывать (2 n -1) прерываний.
Давайте прикинем, какой может быть максимальная частота ШИМ при такой реализации? Очевидно, что при максимальной частоте, времени у контроллера хватает только на обработку прерывания. То есть, весь квант времени Т 1 контроллер занят обработкой прерывания, как только он выходит из прерывания — тут же происходит ещё одно.
Если обозначить максимальное число машинных циклов, за которое выполняется подпрограмма, N max — то, с учётом выражения для T 1 , получаем уравнение: N max *4/fosc=1/(f max *(2 n -1)) . Отсюда, максимальная частота ШИМ: f max =fosc/(4*N max *(2 n -1)) . Естественно, полученная формула просто оценочная, потому что мы допускали, что подпрограмма занимает всё время T 1 , но если после выполнения подпрограммы останется время для выполнения 2-х, 3-х команд, то это в общем-то тоже не сильно нас устроит. Что можно сделать в 3 команды? По нормальному, если мы хотим ещё что-то делать, например, обмениваться инфой с компом, то подсчитанное значение частоты нужно поделить ещё минимум вдвое.
От чего зависит максимальное время выполнения подпрограммы прерывания? Ну, во-первых конечно, от степени криворукости программиста, и во-вторых — от количества каналов ШИМ, которые мы хотим реализовать.
Для того, чтобы было понятно, о каких величинах идёт речь, рассчитаем конкретный пример: пусть контроллер работает на частоте fosc=4 МГц, мы написали подпрограмму, которая выполняется максимум за 40 машинных циклов и хотим получить разрядность ШИМ 8 бит. Тогда максимальная частота ШИМ будет равна 4000000/(4*40*255)=98 Гц. Как видите, при таком способе реализации, всё достаточно ограничено, но для RGB хватит. Между прочим, при 8-ми битах на цвет мы получим общее количество цветов, равное 2 8 *2 8 *2 8 =16 млн и вообще стоит подумать — надо ли нам столько?
При разрядности 2 бита на канал и той же тактовой частоте можно получить максимальную частоту ШИМ, равную 4000000/(4*40*3)=8,3 кГц, при этом будет 2 2 *2 2 *2 2 =64 различных сочетания коэффициентов заполнения (в случае с RGB это 64 цвета). Такую частоту уже можно юзать не только для RGB.
Ну вот, на этом с теорией всё.
Рис.1
Т = Т0+Т1 . Период импульсов
Т = 1/F
S = T/T1
Duty cycle
Коэффициент заполнения D=1/S или так D = T1/T*100%
Цифровые устройства, например, микроконтроллер может работать только с двумя уровнями сигнала, т.е. ноль и единица или выключено и включено. Таким образом, вы можете легко использовать его для контроля состояния нагрузки, например включит или выключить светодиод. Так же вы можете использовать его для управления любым электрическим прибором, используя соответствующие драйверы (транзистор, симистор, реле и т.д.).Но иногда нужно больше, чем просто "включить" и "выключить" устройство. Поэтому, если вы хотите контролировать яркость светодиода (или лампы) или скорости двигателя постоянного тока, то цифровые сигналы просто не могу этого сделать. Эта ситуация очень часто встречается в цифровой технике и называется Широтно-Импульсной Модуляцией(PWM).
Почти все современные микроконтроллеры имеют специализированные аппаратные средства для генерации ШИМ-сигнала. В этом уроке мы будем изучать основы техники ШИМ и в дальнейшем мы увидим, как реализовать ШИМ с помощью микроконтроллеров AVR.
Цифровые устройства, как микроконтроллер может генерировать только два уровня на выходных линиях, высокий = 5В и низкий = 0В. Но что, если мы хотим получить 2,5 или 3,1 или любое напряжение в пределах 0-5В? Для этого, вместо создания постоянного напряжения постоянного тока на выходе мы будем генерировать меандр, который имеет высокий = 5В и низкий = 0V уровни (см. рисунок 1).
Рис.1
Из рисунка видно что сигнал на некоторое время остается поочередно на низком и высоком уровне. Т0 - низкий уровень, Т1 - высокий уровень. Период сигнала будет равен Т = Т0+Т1 . Период импульсов - это промежуток времени, между двумя характерными точками двух соседних импульсов. Обычно период измеряют между двух фронтов или двух спадов соседних импульсов и обозначают заглавной латинской буквой T.
Период следования импульсов напрямую связан с частотой импульсной последовательности, и его можно вычислить по формуле: Т = 1/F
Если длина импульса T1 точно равна половине периода T, то такой сигнал часто называют "меандр".
Скважностью импульсов называется отношение периода следования импульсов к их длительности и обозначается буквой S: S = T/T1
Скважность - безразмерная величина и не имеет единиц измерения, но может быть выражена в процентах. Часто в англоязычных текстах встречается термин Duty cycle , это так называемый коэффициент заполнения или величина рабочего цикла ШИМ. Коэффициент заполнения D является величиной, обратной скважности.
Коэффициент заполнения обычно выражается в процентах и вычисляется по формуле: D=1/S или так D = T1/T*100%
На рисунке выше (рис. 1) можно увидеть, что T1 = T0, это равно половине периода времени. Так величина рабочего цикла ШИМ составляет 50%. Если частота таких импульсов достаточно велика (скажем, 5000 Гц), то мы получаем половину от 5В т.е. 2,5В. Таким образом, если выход контроллера связан с двигателем (с помощью соответствующих драйверов) он будет работать на 50% его полной скорости. Техника ШИМ использует этот факт для создания любого напряжения между двумя уровнями (например, между 0-12В). Весь фокус в том,что при изменении величины рабочего цикла между 0-100% получаем тот же процент входного напряжения на выходе. Ниже приведены некоторые примеры ШИМ сигнала различной скважности.
Если на выходе поставить R/С фильтр, то можно получить чистый DC уровень сигнала, а не квадратные волны. Но это не требуется для коллекторных двигателей или для управления яркостью светодиодов. Для этого можно подавать ШИМ сигнал непосредственно на драйвер (например, биполярный транзистор, MOSFET и т.д.).
Под режимом работы 16-разр. таймера понимается его алгоритм счета и поведение связанного с ним выхода формирователя импульсов, что определяется комбинацией бит, задающих режим работы таймера (WGMn3-0) и режим формирования выходного сигнала (COMnx1:0). При этом биты задания режима формирования выходного сигнала не влияют на алгоритм счета, т.к. алгоритм счета зависит только от состояния бит задания режима работы таймера. В режимах с ШИМ биты COMnx1:0 позволяют включить/отключить инверсию на генерируемом ШИМ-выходе (т.е. выбрать ШИМ с инверсией или ШИМ без инверсии). Для режимов без ШИМ биты COMnx1:0 определяют, какое действие необходимо выполнить при возникновении совпадения: сбросить, установить или инвертировать выход (см. также “Блок формирования выходного сигнала” и "Временные диаграммы 16-разр. таймеров-счетчиков").
Нормальный режим работы
Самым простым режимом работы является нормальный режим (WGMn3-0 = 0b0000). В данном режиме счетчик работает как суммирующий (инкрементирующий), при этом сброс счетчика не выполняется. Переполнение счетчика происходит при переходе через максимальное 16-разр. значение (0xFFFF) к нижнему пределу счета (0x0000). В нормальном режиме работы флаг переполнения таймера-счетчика TOVn будет установлен на том же такте синхронизации, когда TCNTn примет нулевое значение.
Фактически, флаг переполнения TOVn является 17-ым битом таймера-счетчика за тем исключением, что он только устанавливается и не сбрасывается. Однако программно это свойство может быть использовано для повышения разрешающей способности таймера, если использовать прерывание по переполнению таймера, при возникновении которого флаг TOVn сбрасывается автоматически. Для нормального режима работы не существует каких-либо особых ситуаций, поэтому запись нового состояния счетчика может быть выполнена в любой момент.
В нормальном режиме можно использовать блок захвата. Однако при этом следует соблюдать, чтобы максимальный интервал времени между возникновениями внешних событий не превысил периода переполнения счетчика. Если такое условие не соблюдается, необходимо использовать прерывание по переполнению таймера-счетчика или предделитель.
Блок сравнения может использоваться для генерации прерываний. Не рекомендуется использовать выход OCnx для генерации сигналов в нормальном режиме работы, т.к. в этом случае будет затрачена значительная часть процессорного времени.
Режим сброса таймера при совпадении (СТС)
В режиме СТС (WGM01, WGM00 =0b10) регистр OCR0 используется для задания разрешающей способности счетчика. Если задан режим CTC и значение счетчика (TCNT0) совпадает со значением регистра OCR0, то счетчик обнуляется (TCNT0=0). Таким образом, OCR0 задает вершину счета счетчика, а, следовательно, и его разрешающую способность. В данном режиме обеспечивается более широкий диапазон регулировки частоты генерируемых прямоугольных импульсов. Он также упрощает работу счетчика внешних событий.
В режиме сброса таймера при совпадении (WGMn3-0 = 0b0100 или 0b1100) разрешающая способность таймера задается регистрами OCRnA или ICRn. В режиме СТС происходит сброс счетчика (TCNTn), если его значение совпадает со значением регистра OCRnA (WGMn3-0 = 0b0100) или с ICRn (WGMn3-0 = 0b1100). Значение регистра OCRnA или ICRn определяет верхний предел счета, а, следовательно, и разрешающую способность таймера. В данном режиме обеспечивается более широкий диапазон регулировки частоты генерируемых прямоугольных импульсов. Он также упрощает работу счетчика внешних событий. Временная диаграмма работы таймера в режиме СТС показана на рисунке 1. Счетчик (TCNTn) инкрементирует свое состояние до тех пор, пока не возникнет совпадение со значением OCRnA или ICRn, а затем счетчик (TCNTn) сбрасывается.
Рисунок 1 – Временная диаграмма для режима СТС
По достижении верхнего предела счета может генерироваться прерывание с помощью флагов OCFnA или ICFn, соответствующим используемым регистрам для задания верхнего предела счета. Если прерывание разрешено, то процедура обработки прерывания может использоваться для обновления верхнего предела счета. Однако, задание значения вершины счета близкого к значению нижнего предела счета, когда счетчик работает без предделения или с малым значением предделения, необходимо выполнять с особой осторожностью, т.к. в режиме СТС нет двойной буферизации. Если значение, записанное в OCRnA или ICRn, меньше текущего значения TCNTn, то сброс счетчика по условию совпадения наступит, когда он достигнет максимального значения (0xFFFF), затем перейдет в исходное состояние 0x0000 и достигнет нового значения OCRnA или ICRn. Во многих случаях возникновение такой ситуации не желательно. В качестве альтернативы может выступить режим быстрой ШИМ, где регистр OCRnA определяет верхний предел счета (WGMn3-0 = 0b1111), т.к. в этом случае OCRnA имеет двойную буферизацию.
Для генерации сигнала в режиме CTC выход OCnA может использоваться для изменения логического уровня при каждом совпадении, для чего необходимо задать режим переключения (COMnA1, COMnA0 = 0b01). Значение OCnA будет присутствовать на выводе порта, только если для данного вывода задано выходное направление. Максимальная частота генерируемого сигнала равна fOC0 = fclk_I/O/2, если OCRnA = 0x0000. Для других значений OCRn частоту генерируемого сигнала можно определить по формуле:
где переменная N задает коэффициент деления предделителя (1, 8, 32, 64, 128, 256 или 1024).
Также как и для нормального режима работы, флаг TOV0 устанавливается на том же такте таймера, когда его значение изменяется с 0xFFFF на 0x0000.
Режим быстрой ШИМ (FAST PWM)
Режим быстрой широтно-импульсной модуляции (ШИМ) (WGMn3-0 = 0b0101, 0b0110, 0b0111, 0b1110, 0b1111) предназначен для генерации ШИМ-импульсов повышенной частоты. В отличие от других режимов работы в этом используется однонаправленная работа счетчика. Счет выполняется в направлении от нижнего к верхнему пределу счета.
Если задан неинвертирующий режим выхода, то при совпадении TCNTn и OCRnx сигнал OCnx устанавливается, а на верхнем пределе счета сбрасывается. Если задан инвертирующий режим, то выход OCnx сбрасывается при совпадении и устанавливается на верхнем пределе счета. За счет однонаправленности счета, рабочая частота для данного режима в два раза выше по сравнению с режимом ШИМ с фазовой коррекцией, где используется двунаправленный счет. Возможность генерации высокочастотных ШИМ сигналов делает использование данного режима полезным в задачах стабилизации питания, выпрямления и цифро-аналогового преобразования. Высокая частота, при этом, позволяет использовать внешние элементы физически малых размеров (индуктивности, конденсаторы), тем самым снижая общую стоимость системы.
Разрешающая способность ШИМ может быть фиксированной 8, 9 или 10 разрядов или задаваться регистром ICRn или OCRnA, но не менее 2 разрядов (ICRn или OCRnA = 0x0003) и не более 16 разрядов (ICRn или OCRnA = 0xFFFF). Разрешающая способность ШИМ при заданном значении верхнего предела (ВП) вычисляется следующим образом:
В режиме быстрой ШИМ счетчик инкрементируется до совпадения его значения с одним из фиксированных значений 0x00FF, 0x01FF или 0x03FF (если WGMn3:0 = 0b0101, 0b0110 или 0b0111, соответственно), значением в ICRn (если WGMn3:0 = 0b1110) или значением в OCRnA (если WGMn3:0 = 0b1111), а затем сбрасывается следующим тактом синхронизации таймера. Временная диаграмма для режима быстрой ШИМ представлена на рисунке 2. На рисунке показан режим быстрой ШИМ, когда для задания верхнего предела используется регистр OCRnA или ICRn. Значение TCNTn на временной диаграмме показано в виде графика функции для иллюстрации однонаправленности счета. На диаграмме показаны как инвертированный, так и неинвертированный ШИМ-выходы. Короткой горизонтальной линией показаны точки на графике TCNTn, где совпадают значения OCRnx и TCNTnx. Флаг прерывания OCnx устанавливается при возникновении совпадении.
Рисунок 2 – Временная диаграмма для режима быстрой ШИМ
Флаг переполнения таймера-счетчика (TOVn) устанавливается всякий раз, когда счетчик достигает верхнего предела. Дополнительно тем же тактовым импульсом вместе с флагом TOVn могут установиться флаги OCnA или ICFn, если для задания верхнего предела используется регистр OCRnA или ICRn, соответственно. Если одно из этих прерываний разрешено, то в процедуре обработки прерывания может быть выполнено обновление верхнего предела счета и порогов сравнения.
Если изменяется значение верхнего предела счета, то необходимо соблюдение условия, чтобы записываемое новое значение верхнего предела было больше или равно значений во всех регистрах порога сравнения. В противном случае совпадение между TCNTn и OCRnx никогда не возникнет. Обратите внимание, что при использовании фиксированных значений верхнего предела во время записи в регистры OCRnx происходит маскирование к 0 неиспользуемых разрядов.
Механизм модификации регистра ICRn отличается от OCRnA в том случае, если он используется для задания верхнего предела. Регистр ICRn не имеет двойной буферизации. Это означает, что если в ICRn записывается малое значение во время работы счетчика с малым предделением или без него, то имеется опасность записи в регистр ICRn значения, которое окажется меньше текущего значения TCNTn. Как результат, в такой ситуации будет пропущено совпадение на вершине счета. В этом случае счетчик дойдет до максимального значения (0xFFFF), перезапустится со значения 0x0000, а только затем возникнет совпадение. Регистр OCRnA содержит схему двойной буферизации, поэтому, его можно модифицировать в любой момент времени.
| class="eliadunit"> |
Если выполняется запись по адресу OCRnA, то фактически значение помещается в буферный регистр OCRnA. Если же возникает совпадение между TCNTn и вершиной счета, то следующим тактом синхронизации таймера происходит копирование буферного регистра в регистр порога сравнения OCRnA. Обновление регистра выполняется тем же тактом, что и сброс TCNTn и установка флага TOVn.
Рекомендуется использовать регистр ICRn для задания верхнего предела, если верхний предел счета является константой. В этом случае также освобождается регистр OCRnA для генерации ШИМ-сигнала на выходе OCnA. Однако, если частота ШИМ динамически изменяется (за счет изменения верхнего предела), то в этом случае выгоднее использовать регистр OCRnA для задания верхнего предела, т.к. он поддерживает двойную буферизацию.
В режиме быстрой ШИМ блоки сравнения позволяют генерировать ШИМ-сигналы на выводах OCnx. Если COMnx1:0 =0b10, то задается ШИМ без инверсии выхода, а если COMnx1:0 = 0b11, то задается режим ШИМ с инверсией на выходе (см. таблицу 59). Фактическое значение OCnx можно наблюдать на выводе порта, если для него задано выходное направление (DDR_OCnx). ШИМ-сигнал генерируется путем установки (сброса) регистра OCnx при возникновении совпадения между OCRnx и TCNTn, а также путем сброса (установки) регистра OCnx вместе со сбросом счетчика (переход с верхнего предела на нижний предел).
Частота ШИМ выходного сигнала для заданного значения верхнего предела (ВП) определяется выражением:
где N – переменная, которая задает значение коэффициента предделения (1, 8, 32, 64, 128, 256 или 1024).
Запись предельных значений в регистр OCRnx связана с особыми случаями в генерации ШИМ-импульсов. Если OCRnx установить равным нижнему пределу (0x0000), то на выходе будет возникать короткий импульс каждый (ВП+1)-ый такт синхронизации таймера. Запись в OCRnx значения равного верхнему пределу приведет к установке постоянного уровня лог. 1 или 0 на выходе (зависит от выбранной с помощью бит COMnx1:0 полярности выходного сигнала).
Если требуется генерация меандра (прямоугольные импульсы со скважностью 2 или заполнением 50%) высокой частоты, то необходимо использовать режим быстрой ШИМ с установкой бит COMnA1:0 = 0b01, которая вызывает переключение (инвертирование) логического уровня на выходе OCnA при каждом совпадении. Данное применимо, только если OCRnA используется для задания верхнего предела (WGMn3-0 =0b1111). Максимальная генерируемая частота меандра в этом случае fOCnA = fclk_I/O/2, если OCRnA =0x0000. Данная особенность аналогична переключению OCnA в режиме СТС за исключением двойной буферизации, которая имеется в режиме быстрой ШИМ.
Режим широтно-импульсной модуляции с фазовой коррекцией (Phase Correct)
Режим широтно-импульсной модуляции с фазовой коррекцией (ШИМ ФК) (WGMn3-0 = 0b0001, 0b010, 0b0011, 0b1010 или 0b1011) предназначен для генерации ШИМ сигнала с фазовой коррекцией и высокой разрешающей способностью. Режим ШИМ ФК основан на двунаправленной работе таймера-счетчика. Счетчик циклически выполняет счет в направлении от нижнего предела (0x0000) до верхнего предела, а затем обратно от верхнего предела к нижнему пределу. Если задан неинвертирующий режим выхода формирователя импульсов, то выход OCnx сбрасывается/устанавливается при совпадении значений TCNTn и OCRnx во время прямого/обратного счета. Если задан инвертирующий режим выхода, то, наоборот, во время прямого счета происходит установка, а во время обратного – сброс выхода OCnx. При двунаправленной работе максимальная частота ШИМ-сигнала меньше, чем при однонаправленной работе, однако, за счет такой особенности, как симметричность в режимах ШИМ с двунаправленной работой, данные режимы предпочитают использовать при решении задач управления приводами.
Разрешающая способность ШИМ в данном режиме может быть либо фиксированной (8, 9 или 10 разрядов) либо задаваться с помощью регистра ICRn или OCRnA. Минимальная разрешающая способность равна 2-м разрядам (ICRn или OCRnA = 0x0003), а максимальная -16-ти разрядам (ICRn или OCRnA =0xFFFF). Если задан верхний предел, то разрешающая способность ШИМ в данном режиме определяется следующим образом:
В режиме ШИМ ФК счетчик инкрементируется пока не достигнет одного из фиксированных значений 0x00FF, 0x01FF или 0x03FF (соответственно для WGMn3-0 = 0b0001, 0b0010 или 0b0011), а также значения равного ICRn (если WGMn3-0 = 0b1010) или OCRnA (если WGMn3:0 = 0b1011). Далее, при достижении верхнего предела, счетчик изменяет направление счета. Значение TCNTn остается равным верхнему пределу в течение одного такта синхронизации таймера. Временная диаграмма для режима ШИМ ФК представлена на рисунке 3. На рисунке показан режим ШИМ ФК с использованием регистра OCRnA или ICRn для задания верхнего предела. Состояние TCNTn представлено в виде графика функции для иллюстрации двунаправленности счета. На рисунке представлены, как неинвертированный, так и инвертированный ШИМ-выход. Короткие горизонтальные линии указывают точки на графике изменения TCNTn, где возникает совпадение со значением OCRnx. Флаг прерывания OCnx устанавливается при возникновении совпадения.
Рисунок 3 – Временная диаграмма для режима ШИМ ФК
Флаг переполнения таймера-счетчика (TOVn) устанавливается всякий раз, когда счетчик достигает нижнего предела. Если для задания верхнего предела используется регистр OCRnA или ICRn, то, соответственно устанавливается флаг OCnA или ICFn тем же тактовым импульсом, на котором произошло обновление регистра OCRnx из буферного регистра (на вершине счета). Флаги прерывания могут использоваться для генерации прерывания по достижении счетчиком нижнего или верхнего предела.
При изменении значения верхнего предела счета необходимо следить, чтобы оно было больше или равно значениям во всех регистрах сравнения. В противном случае совпадение между TCNTn и OCRnx никогда не возникнет. Обратите внимание, что при использовании фиксированных значений верхнего предела счета во время записи в регистры OCRnx неиспользуемые разряды обнуляются. Третий период на рисунке 53 иллюстрирует случай, когда динамическое изменение верхнего предела счета приводит к генерации несимметричного импульса. Данная особенность основывается на времени обновления регистра OCRnx. Поскольку, обновление OCRnx возникает на вершине счета, то и период ШИМ начинается и заканчивается на вершине счета. Это подразумевает, что длительность обратного счета определяется предыдущим значением верхнего предела, а прямого – новым значением верхнего предела. Если два этих значения разные, то и длительность прямого и обратного счета будет также отличаться. Различие в длительности приводит несимметричности выходных импульсов.
Если стоит задача изменения верхнего предела при работающем счетчике, то вместо этого режима рекомендуется использовать режим ШИМ ФЧК (фазовая и частотная коррекция). Если используется статическое значение верхнего предела, то между данными режимами практически нет отличий.
В режиме ШИМ ФК блоки сравнения позволяют генерировать ШИМ-сигналы на выводах OCnx. Если установить COMnx1:0 = 0b10, то выход ШИМ будет без инверсии, а если COMnx1:0=0b11, то с инверсией. Фактическое значение OCnx можно наблюдать на выводе порта, если в регистре направления данных для данного вывода порта задано выходное направление (DDR_OCnx). ШИМ-сигнал генерируется путем установки (сброса) регистра OCnx при совпадении значений OCRnx и TCNTn во время прямого счета, а также путем сброса (установки) регистра OCnx при совпадении между OCRnx и TCNTn во время обратного счета. Результирующая частота ШИМ-сигнала в режиме ШИМ ФК при заданном верхнем пределе (ВП) может быть вычислена по следующему выражению:
Запись предельных значений в регистр OCRnx связано с особыми случаями в генерации ШИМ-сигналов в режиме ШИМ ФК. Если задать режим ШИМ без инверсии и OCRnx установить равным нижнему пределу, то на выходе непрерывно будет установлен лог. 0, а если равным верхнему пределу, то на выходе постоянно присутствует лог. 1. Для ШИМ с инверсией указанные уровни необходимо заменить противоположными.
Если задать использование OCnA в качестве верхнего предела (WGMn3:0 = 0b1011) и установить COMnA1:0 =0b01, то на выходе OCnA будет генерироваться меандр.
Режим широтно-импульсной модуляции с фазовой и частотной коррекцией (Phase and Frequency Correct)
Режим широтно-импульсной модуляции с фазовой и частотной коррекцией (ШИМ ФЧК) (WGMn3-0 = 0b1000 или 0b1001) предназначен для генерации ШИМ-импульсов высокой разрешающей способности с фазовой и частотной коррекцией. Также как и режим ШИМ ФК режим ШИМ ФЧК основан на двунаправленной работе счетчика. Счетчик циклически считает от нижнего предела (0x0000) до верхнего предела, а затем обратно от верхнего предела к нижнему пределу. Если задан неинвертирующий режим ШИМ, то выход OCnx сбрасывается, если возникает совпадение между TCNTn и OCRnx во время прямого счета, и устанавливается, если возникает совпадение во время обратного счета. В инвертирующем режиме работа инверсная. Двунаправленная работа, по сравнению с однонаправленной, связана с генерацией более низких частот. Однако, благодаря симметричности в режимах ШИМ с двунаправленным счетом, их применение предпочтительно в задачах управления приводами.
Основное отличие между режимами ШИМ ФК и ШИМ ФЧК состоит в моменте обновления регистра OCRnx из буферного регистра OCRnx (см. рисунок 3 и рисунок 4).
Разрешающая способность ШИМ в этом режиме может задаваться с помощью регистра ICRn или OCRnA. Минимальная разрешающая способность равна 2-ум разрядам (ICRn или OCRnA = 0x0003), а максимальная разрешающая способность - 16-ти разрядам (ICRn или OCRnA = 0xFFFF). Разрешающая способность ШИМ в разрядах может быть вычислена по следующему выражению:
В режиме ШИМ ФЧК счетчик инкрементируется до совпадения со значением в ICRn (WGMn3:0 = 0b1000) или в OCRnA (WGMn3:0 = 0b1001). Это означает достижение вершины счета, после чего происходит изменение направления счета. Значение TCNTn остается равным вершине счета в течение одного такта синхронизации таймера. Временная диаграмма для режима ШИМ ФЧК показана на рисунке 54. На рисунке показан режим ШИМ ФЧК, когда вершину счета задает регистр OCRnA или ICRn. Значение TCNTn показано в виде графика функции для иллюстрации двунаправленности счета. На диаграмме показан как неинвертирующий, так и инвертирующий ШИМ выходы. Короткие горизонтальные линии указывают на точки график TCNTn, где возникает совпадение между OCRnx и TCNTn. Флаг прерывания OCnx устанавливается после возникновения совпадения.
Рисунок 4 – Временная диаграмма режима ШИМ с фазовой и частотной коррекцией
Флаг переполнения таймера-счетчика (TOVn) устанавливается тем же тактом, когда произошло обновление регистров значением из буферного регистра (на нижнем пределе счета). Если для задания верхнего предела используется регистр OCRnA или ICRn, то по достижении счетчиком верхнего предела устанавливается флаг OCnA или ICFn, соответственно. Флаги прерывания могут использоваться для генерации прерывания при достижении счетчиком верхнего или нижнего предела.
При изменении верхнего предела необходимо следить, чтобы новое значение было больше или равно значениям во всех регистрах порога сравнения. В противном случае, если задано значение верхнего предела меньше любого из значений регистров порога сравнения, совпадение между TCNTn и OCRnx никогда не наступит.
На рисунке 4 показано, что в отличие от режима ШИМ ФК, генерируемый выходной сигнал симметричен на всех периодах. Поскольку, регистры OCRnx обновляются на нижнем пределе счета, то длительности прямого и обратного счетов всегда равны. В результате выходные импульсы имеют симметричную форму, а, следовательно, и откорректированную частоту.
Использование регистра ICRn для задания верхнего предела рекомендуется, если значение верхнего предела является константой. В этом случае также освобождается регистр OCRnA для широтно-импульсной модуляции импульсов на выводе OCnA. Однако если требуется динамическое изменение частоты ШИМ за счет изменения верхнего предела, то для задания верхнего предела рекомендуется использовать регистр OCRnA за счет наличия у него двойной буферизации.
В режиме ШИМ ФЧК блоки сравнения позволяют генерировать ШИМ-импульсы на выводе OCnx. Если COMnx1:0 = 0b10, то задается неинвертирующий ШИМ выход, а, если COMnx1:0=0b11, то инвертирующий (см. таблицу 60). Значение OCnx будет присутствовать на соответствующем выводе порта только в случае, если для него задано выходное направление. ШИМ сигнал генерируется путем установки (сброса) регистра OCnx при совпадении между OCRnx и TCNTn во время прямого счета и сброса (установки) регистра OCnx при совпадении между OCRnx и TCNTn во время обратного счета. Частота ШИМ в данном режиме при заданном верхнем пределе (ВП) счета определяется следующим образом:
где N – коэффициент деления предделителя (1, 8, 32, 64, 128, 256 или 1024).
Запись предельных значений в регистр OCRnx связана с особыми случаями в генерации ШИМ-сигналов в данном режиме. Если задать OCRnx равным нижнему пределу (0x0000), то в неинвертирующем режиме на выходе будет постоянного присутствовать низкий логический уровень, а при записи значения равного верхнему пределу на выходе будет длительно присутствовать высокий логический уровень. В инвертирующем режиме приведенные уровни будут противоположными.
Если OCRnA используется для задания верхнего предела (WGMn3:0 = 0b1001) и COMnA1:0 = 0b01, то на выходе OCnA будет генерироваться меандр.
Аппаратная реализация ШИМ дает безусловные преимущества перед программной,так как разгружает процессор как лишним и громоздким кодом, так и временем на его обслуживание, а также дает больше возможностей использования работы с ШИМ. Достаточно провести инициализацию таймер/счетчика (занести необходимые значения в регистры используемые таймер/счетчиком) как таймер/счетчик может работать независимо от процессора, соответственно процессор может заниматься другими задачами,только иногда обращаясь в необходимый момент для корректировки или изменения режима или получения результатов от таймер/счетчика.
Описание флагов прерываний
T1 может генерировать прерывание при наступлении:
- переполнения счетного регистра TCNT1;
- при равенстве счетного регистра TCNT1 и регистра сравнения OCR1A и OCR1B (по отдельности для каждого регистра);
- при сохранении счетного регистра в регистре захвата ICR1.
T2 может генерировать прерывание при наступлении:
- переполнения счетного регистра TCNT2;
- при равенстве счетного регистра TCNT2 и регистра сравнения OCR2.
Флаги всех прерываний находится в регистре TIFR,а разрешение/запрещение прерываний в регистре TIMSK.
| Регистр | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| TIMSK | OCIE2 | TOIE2 | TICIE1 | OCIE1A | OCIE1B | TOIE1 | OCIE0* | TOIE0 |
- OCIE2 - Флаг разрешения прерывания по событию "совпадение" таймера/счетчика Т2
- TOIE2 - Флаг разрешения прерывания по переполнению таймера/счетчика Т2
- TICIE1 - Флаг разрешения прерывания по событию "захват" таймера/счетчика Т1
- OCIE1A - Флаг разрешения прерывания по событию "совпадение А" таймера/счетчика Т1
- OCIE1B - Флаг разрешения прерывания по событию "совпадение В" таймера/счетчика Т1
- TOIE1 - Флаг разрешения прерывания по переполнению таймера/счетчика Т1
- OCIE0* - Флаг разрешения прерывания по событию "совпадение" таймера/счетчика Т0 (* - отсутствует в ATmega8)
- TOIE0 - Флаг разрешения прерывания по переполнению таймера/счетчика Т0
- OCF2 - Флаг прерывания по событию "совпадение" таймера/счетчика Т2
- TOV2 - Флаг прерывания по переполнению таймера/счетчика Т2
- ICF1 - Флаг прерывания по событию "захват" таймера/счетчика Т1
- OCF1A - Флаг прерывания по событию "совпадение А" таймера/счетчика Т1
- OCF1B - Флаг прерывания по событию "совпадение В" таймера/счетчика Т1
- TOV1 - Флаг прерывания по переполнению таймера/счетчика Т1
- OCF0 - Флаг прерывания по событию "совпадение" таймера/счетчика Т0
- TOV0 - Флаг прерывания по переполнению таймера/счетчика Т0
Описание работы тайтер/счетчика Т1 в контроллере ATmega8/16
Шеснадцатиразрядный таймер/счетчик Т1 может использоватся для формирования временных интервалов, подсчета количества внешних сигналов, и для генерации сигналов с ШИМ разной скважности и длительности на выводах OC1A и OC1B. Кроме того по внешнему сигналу с вывода ICP1 или от аналогового компаратора, Т1 может сохранять свое текущее состояние в отдельном регистре захвата ICR1.
| Регистр | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| TCCR1A | COM1A1 | COM1A0 | COM1B1 | COM1BO | FOC1A | FOC1B | WGM11 | WGM10 |
| TCCR1B | ICNC1 | ICES1 | * | WGM13 | WGM12 | CS12 | CS11 | CS10 |
| TCNT1:H | R/W | R/W | R/W | R/W | R/W | R/W | R/W | R/W |
| TCNT1:L | R/W | R/W | R/W | R/W | R/W | R/W | R/W | R/W |
| OCR1A:H | R/W | R/W | R/W | R/W | R/W | R/W | R/W | R/W |
| OCR1A:L | R/W | R/W | R/W | R/W | R/W | R/W | R/W | R/W |
| OCR1B:H | R/W | R/W | R/W | R/W | R/W | R/W | R/W | R/W |
| OCR1B:L | R/W | R/W | R/W | R/W | R/W | R/W | R/W | R/W |
| ICR1:H | R/W | R/W | R/W | R/W | R/W | R/W | R/W | R/W |
| ICR1:L | R/W | R/W | R/W | R/W | R/W | R/W | R/W | R/W |
Каждый 16-разрядный регистр физически размещается в двух 8-разрядных регистрах поэтому при чтении записи в них нужно выполнить две операции. При записи первым загружается старший байт потом младший,при чтении наоборот сначала младший прочитывается потом старший.
TCCR1A:TCCR1B - 8-разрядные регистры управления таймером/счетчиком Т1
TCNT1 - 16-разрядный счетный регистр таймера/счетчика Т1. Взависимости от режима работы содержимое этого регистра обнуляется,инкрементируется(увеличивается значение на 1) или декрементируется(уменьшается значение на 1) по каждому импульсу тактового сигнала таймера/счетчика.
OCR1A:OCR1B - 16-разрядные регистры сравнения
ICR1 - 16-разрядный регистр захвата,сохраняет значение TCNT1 при подаче активного фронта сигнала на вывод ICP1 или по сигналу от компаратора.
Назначение битов
COM1A1:COM1A0:COM1B1:COM1B0 - Эти разряды определяют поведение вывода OC1A:OC1B при совпадении значения счетного регистра TCNT1 и регистра сравнения OCR1A:OCR1B
FOC1A:FOC1B - Эти разряды служат для прнудительного изменения состояния вывода OC1A:OC1B
ICNC1 - Разряд управления схемой помех,если бит равен "0" захват будет по первому активному фронту, если "1" захват будет после четвертой одинаковой выборки сигнала захвата.
ICES1 - Разряд выбора активного фронта сигнала,если его значение равно "0", сохранение счетного регистра TCNT1 в регистре захвата OCR1 будет по спадающему фронту сигнала, если "1" по нарастающему.
WGM13:WGM12:WGM11:WGM10 - Эти разряды определяют режим работы таймера/счетчика Т1
CS22:CS21:C20 - Разряды, определяющие источник тактового сигнала таймера/счетчика Т1.
| WGM13 | WGM12 | WGM11 | WGM10 | Режим работы | Модуль счета (TOP) |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 | Normal | $FFFF |
| 0 | 0 | 0 | 1 | Phase correct PWM
8-разрядный |
$00FF |
| 0 | 0 | 1 | 0 | Phase correct PWM
9-разрядный |
$01FF |
| 0 | 0 | 1 | 1 | Phase correct PWM
10-разрядный |
$03FF |
| 0 | 1 | 0 | 0 | CTC (сброс при совпадении) | OCR1A |
| 0 | 1 | 0 | 1 | Fast PWM
8-разрядный |
$00FF |
| 0 | 1 | 1 | 0 | Fast PWM
9-разрядный |
$01FF |
| 0 | 1 | 1 | 1 | Fast PWM
10-разрядный |
$03FF |
| 1 | 0 | 0 | 0 | ICR1 | |
| 1 | 0 | 0 | 1 | Phase and Freguensy Correct PWM | OCR1A |
| 1 | 0 | 1 | 0 | Phase correct PWM | ICR1 |
| 1 | 0 | 1 | 1 | Phase correct PWM | OCR1A |
| 1 | 1 | 0 | 0 | CTC (сброс при совпадении) | ICR1 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | Зарезервировано | * |
| 1 | 1 | 1 | 0 | Fast PWM | ICR1 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | Fast PWM | OCR1A |
Выбор источника тактового сигнала
Режим Normal
Самый простой режим работы Т1. По каждому импульсу тактового сигнала происходит инкремент счетного регистра TCNT1 (увеличение значения на 1). При переходе через значение $FFFF модуля счета (ТОР) возникает переполнение и вследующем такте начинается счет со значения $0000, в этот же момент устанавливается флаг TOV1=1 в регистре TIFR, и может быть сгенерировано прерывание если установлен флаг TOIE1=1 в регистре TIMSK. Для того, чтобы сгенерировать сигна заданной частоты в этом режиме необходимо записать в разряды COM1A1=0:COM1A0=1 для вывода OC1A или COM1B1=0:COM1B0=1 для вывода OC1B контроллера.
Кроме того по каждому такту происходит сравнение счетного регистра TCNT1 и регистра сравнения OCR1A:OCR1B, при совпадении устанавливается флаг прерывания OCF1A=1:OCF1B=1 и если разряд OCIE1A=1:OCIE1B=1 регистра TIMSK генерируется прерывание. В тот же момент может быть изменено состояние вывода OC1A:OC1B в зависимости от установок битов COM1A1:COM1A0:COM1B1:COM1B0.
Режим СТС (сброс при совпадении)
В этом режиме Т1 работает по такому же принципу как и в режиме Normal. Отличие заключается в том, что максимально возможное значение счетного регистра TCNT1 ограничивается значением регистра сравнения OCR1A или ICR1 (смотрите таблицу выбора режима таймер/счетчика). При достижении TCNT1 значения OCR1A или ICR1, значение TCNT1 обнуляется в TCNT1=$0000 В этот же момент устанавливается флаг TOV1=1 COM1A1:COM1A0:COM1B1:COM1B0 Опрелеляют поведение вывода ОС1A:OC1B при совпадении.
Режим Fast PWM (быстродействующий ШИМ)
С помощью этого режима можно генерировать высокочастотный сигал ШИМ. Принцип и порядок работы не отличается от режима Normal, кроме наличия двойной буферизации регистра OCR1A:OCR1B, благодаря которому исключается появление несиметричных импульсов сигнала, а также отличается поведением выводов ОС1A:OC1B (смотрите таблицу).
Режим Phase Correct PWM (ШИМ с точной фазой)
Отличие этого режима от предыдущих заключается в том, что счетный регистр работает как реверсивный счетчик. Так как этот режим рекомендуется Atmel как наиболее подходящий для регулировки двигателей, мы его рассмотрим наиболее подробно. При достижении счетным регистром TCNT1 значения модуля счета (ТОР) (или значения регистра ICR1 или значения регистра OCR1A, смотрите таблицу выбора режима таймер/счетчика), происходит изменение направления счета. При достижении счетным регистром TCNT1 минимального значения ($0000) также происходит изменение направления счета и в тот же момент устанавливается флаг прерывания TOV1 регистра TIFR. Так же при равенстве содержимого счетного регистра TCNT1 и регистра сравнения OCR1A:OCR1B ,устанавливается флаг OCF1A:OCF1B регистра TIFR и изменяется состояние вывода OC1A:OC1B,согласно таблице.
Во избежание несимметричных выбросов во время записи значения в регистр OCR1A:OCR1B, в этом режиме реализована двойная буферизация записи. Благодаря этому действительное изменение значения регистра изменяется в момент достижения счетным регистром TCNT1 значения модуля счета (ТОР) (или значения регистра ICR1 или значения регистра OCR1A смотрите таблицу выбора режима таймер/счетчика). Поэтому в самом начале, при инициализации таймер/счетчика вывод ОС1A:OC1B не изменит свое состояние при совпадении до тех пор, пока регистр не достигнет значения (ТОР).
Задача: Разработаем программу управления яркостью лампы накаливания на 12 Вольт при помощи ШИМ. При нажатии на кнопку «Больше» яркость лампы увеличивается, при нажатии на кнопку «Меньше» яркость уменьшается. Схема нашего будущего устройства показана на рисунке. Как обычно используем микроконтроллер Atmega8, который будет тактироваться от внутреннего генератора частотой 4MHz. Собственно у нас получится диммер, эти устройства предназначены для регулировки яркости осветительных приборов. Сейчас наибольшее распространение получили светодиодные диммеры.
Для простоты к нашей схеме можно тоже подключить светодиод, но с лампочкой будет нагляднее. Кнопки подключены к выводам PD0 , PD1 . Нагрузку подключаем к выводу PB1(OC1A) через резистор и полевой транзистор MOSFET, который и будет работать у нас в качестве ключа (в ключевом режиме). Полевой транзистор предпочтительней потому, что его затвор изолирован от силовой схемы и управление производится электрическим полем, а ток управления достигает микроампер. Это позволяет, используя один-два транзистора, управлять нагрузкой огромной мощности (до десятков ампер и десятков-сотен вольт), не нагружая микроконтроллер. Учитывая также тот факт, что полевые транзисторы можно соединять параллельно (в отличие от биполярных), возможно получить еще более мощный каскад на сотни ампер.
Теперь разберемся, как микроконтроллер реализует ШИМ и напишем программу. Как уже говорилось ранее, в нашем МК есть 3 таймера, и все они могут работать в ШИМ-режиме. Мы будем работать с шестнадцатиразрядным таймером/счетчиком. Битами WGM13-10 настроим наш таймер на работу FastPWM с верхним пределом счета ICR1 . Принцип программы такой, наш таймер считает от 0 до 65535(0xFFFF), в регистр ICR1 впишем число 255, это будет верхний предел счета таймера(TOP), частота ШИМ сигнала у нас будет постоянной. Также наш таймер настроен на то, что при совпадении счетного регистра и регистра сравнения (TCNT1 = OCR1A) будет переключатся вывод контроллера OC1A . Коэффициент заполнения ШИМ можно изменить, записав в регистр сравнения OCR1A определенное число от 0 до 255, чем больше это число тем больше будет коэффициент заполнения, тем ярче будет гореть лампа. В зависимости от того какая кнопка нажата меняется переменная i , а потом она записывается в регистр OCR1A .
Полный текст программы представлен ниже. В комментариях более подробно описана работа программы.
/***Занятие №8. Формирование ШИМ сигналов***/
#include
Внимание! Сперва подаем питание на микроконтроллер, потом нужно убедиться, что транзистор подсоединен к выводу МК, и лишь затем подавать питание в цепь с лампой и полевым транзистором. Иначе можете сжечь транзистор. Дело в том, что в выключенном состоянии "ножки" МК "болтаются в воздухе" - они ни к чему не подключены, и на них возникают наводки. Этих слабеньких наводок достаточно, чтобы частично открыть очень чувствительный полевой транзистор. Тогда его сопротивление между стоком и истоком упадет от нескольких МОм до нескольких Ом или долей Ом и через него потечет большой ток к лампе. Но транзистор не откроется полностью, т. к. для этого нужно подать на затвор не 1-3 В наводки, а стабильные 5 В, и его сопротивление будет намного больше минимального. Это приведет к выделению на нем большого количества тепла, и он задымится, а может и сгореть.
ШИМ или PWM (широтно-импульсная модуляция, по-английски pulse-width modulation) – это способ управления подачей мощности к нагрузке. Управление заключается в изменении длительности импульса при постоянной частоте следования импульсов. Широтно-импульсная модуляция бывает аналоговой, цифровой, двоичной и троичной.
Применение широтно-импульсной модуляции позволяет повысить КПД электрических преобразователей, особенно это касается импульсных преобразователей, составляющих сегодня основу вторичных источников питания различных электронных аппаратов. Обратноходовые и прямоходовые однотактные, двухтактные и полумостовые, а также мостовые импульсные преобразователи управляются сегодня с участием ШИМ, касается это и резонансных преобразователей.
Широтно-импульсная модуляция позволяет регулировать яркость подсветки жидкокристаллических дисплеев сотовых телефонов, смартфонов, ноутбуков. ШИМ реализована в , в автомобильных инверторах, в зарядных устройствах и т. д. Любое зарядное устройство сегодня использует при своей работе ШИМ.
В качестве коммутационных элементов, в современных высокочастотных преобразователях, применяются биполярные и полевые транзисторы, работающие в ключевом режиме. Это значит, что часть периода транзистор полностью открыт, а часть периода - полностью закрыт.
И так как в переходных состояниях, длящихся лишь десятки наносекунд, выделяемая на ключе мощность мала, по сравнению с коммутируемой мощностью, то средняя мощность, выделяемая в виде тепла на ключе, в итоге оказывается незначительной. При этом в замкнутом состоянии сопротивление транзистора как ключа очень невелико, и падение на нем напряжения приближается к нулю.
В разомкнутом же состоянии проводимость транзистора близка к нулю, и ток через него практически не течет. Это позволяет создавать компактные преобразователи с высокой эффективностью, то есть с небольшими тепловыми потерями. А резонансные преобразователи с переключением в нуле тока ZCS (zero-current-switching) позволяют свести эти потери к минимуму.
В ШИМ-генераторах аналогового типа, управляющий сигнал формируется аналоговым компаратором, когда на инвертирующий вход компаратора, например, подается треугольный или пилообразный сигнал, а на неинвертирующий - модулирующий непрерывный сигнал.
Выходные импульсы получаются , частота их следования равна частоте пилы (или сигнала треугольной формы), а длительность положительной части импульса связана с временем, в течение которого уровень модулирующего постоянного сигнала, подаваемого на неинвертирующий вход компаратора, оказывается выше уровня сигнала пилы, который подается на инвертирующий вход. Когда напряжение пилы выше модулирующего сигнала - на выходе будет отрицательная часть импульса.
Если же пила подается на неинвертирующий вход компаратора, а модулирующий сигнал - на инвертирующий, то выходные импульсы прямоугольной формы будут иметь положительное значение тогда, когда напряжение пилы выше значения модулирующего сигнала, поданного на инвертирующий вход, а отрицательное - когда напряжение пилы ниже сигнала модулирующего. Пример аналогового формирования ШИМ - микросхема TL494, широко применяющаяся сегодня при построении импульсных блоков питания.
Цифровая ШИМ используются в двоичной цифровой технике. Выходные импульсы также принимают только одно из двух значений (включено или выключено), и средний уровень на выходе приближается к желаемому. Здесь пилообразный сигнал получается благодаря использованию N-битного счетчика.
Цифровые устройства с ШИМ работают также на постоянной частоте, обязательно превосходящей время реакции управляемого устройства, этот подход называется передискретизацией. Между фронтами тактовых импульсов, выход цифрового ШИМ остается стабильным, или на высоком, или на низком уровне, в зависимости от текущего состояния выхода цифрового компаратора, который сравнивает уровни сигналов на счетчике и приближаемый цифровой.
Выход тактуется как последовательность импульсов с состояниями 1 и 0, каждый такт состояние может сменяться или не сменяться на противоположное. Частота импульсов пропорциональна уровню приближаемого сигнала, а единицы, следующие друг за другом могут сформировать один более широкий, более продолжительный импульс.
Получаемые импульсы переменной ширины будут кратны периоду тактования, а частота будет равна 1/2NT, где T – период тактования, N – количество тактов. Здесь достижима более низкая частота по отношению к частоте тактования. Описанная схема цифровой генерации - это однобитная или двухуровневая ШИМ, импульсно-кодированная модуляция ИКМ.
Эта двухуровневая импульсно-кодированная модуляция представляет собой по сути серию импульсов с частотой 1/T, и шириной Т или 0. Для усреднения за больший промежуток времени применяется передискретизация. Высокого качества ШИМ позволяет достичь однобитная импульсно-плотностная модуляция (pulse-density-modulation), называемая также импульсно-частотной модуляцией.
При цифровой широтно-импульсной модуляции прямоугольные подимпульсы, которыми оказывается заполнен период, могут приходиться на любое место в периоде, и тогда на среднем за период значении сигнала сказывается только их количество. Так, если разделить период на 8 частей, то комбинации импульсов 11001100, 11110000, 11000101, 10101010 и т. д. дадут одинаковое среднее значение за период, тем не менее, отдельно стоящие единицы утяжеляют режим работы ключевого транзистора.
Корифеи электроники, повествуя о ШИМ, приводят такую аналогию с механикой. Если при помощи двигателя вращать тяжелый маховик, то поскольку двигатель может быть либо включен, либо выключен, то и маховик будет либо раскручиваться и продолжать вращаться, либо станет останавливаться из-за трения, когда двигатель выключен.
Но если двигатель включать на несколько секунд в минуту, то вращение маховика будет поддерживаться, благодаря инерции, на некоторой скорости. И чем дольше продолжительность включения двигателя, тем до более высокой скорости раскрутится маховик. Так и с ШИМ, на выход приходит сигнал включений и выключений (0 и 1), и в результате достигается среднее значение. Проинтегрировав напряжение импульсов по времени, получим площадь под импульсами, и эффект на рабочем органе будет тождественен работе при среднем значении напряжения.
Так работают преобразователи, где переключения происходят тысячи раз в секунду, и частоты достигают единиц мегагерц. Широко распространены специальные ШИМ-контроллеры, служащие для управления балластами энергосберегающих ламп, блоками питания, и т. д.
Отношение полной длительности периода импульса ко времени включения (положительной части импульса) называется скважностью импульса. Так, если время включения составляет 10 мкс, а период длится 100 мкс, то при частоте в 10 кГц, скважность будет равна 10, и пишут, что S = 10. Величина обратная скважности называется коэффициентом заполнения импульса, по-английски Duty cycle, или сокращенно DC.
Так, для приведенного примера DC = 0.1, поскольку 10/100 = 0.1. При широтно-импульсной модуляции, регулируя скважность импульса, то есть варьируя DC, добиваются требуемого среднего значения на выходе электронного или другого электротехнического устройства, например двигателя.
Урок 13
Часть 1
ШИМ. Мигаем светодиодом плавно
Сегодня мы изучим возможность использования широтно-импульсной модуляции в микроконтроллере AVR , или, как говорят в народе, ШИМ .
В технической документации мы будем видеть чаще аббревиатуру PWM или pulse-width modulation , что преводится имено также.
Что же такое вообще широтно-импульсная модуляция.
ШИМ — это управление свечением светодиодов, вращением двигателей, и прочими устройствами необычным способом, при котором данное управление осуществляется не приложенным напряжением к контактам, а квадратными импульсами. При этом напряжение будет только двух видов — высокое (1 ) и низкое (0 ). При данном способе результирующее напряжение вычисляется как среднее по времени между временем высокого состояния в одном импульсе и временем низкого состояния. Мы вычисляем отношение времени (или широты) высокого состояния к общему периоду импульса. Называем мы это скважностью импульса. То есть чем больше в периоде напряжение находилось в высоком состоянии, тем больше скважность, а, следовательно, тем больше и результирующее среднее напряжение. То есть, чтобы найти результирующее напряжение, нам необходимо и достаточно вычисленную скважность умножить на напряжение и разделить на 100, так как скважность как правило измеряется в процентах. Например, если у нас в квадратном импульсе широта логического нуля равна широте логической единицы, то скважность у нас будет 50 процентов, и, если напряжение будет 5 вольт, то среднее результирующее напряжение мы получим равное 2,5 вольт и т.д. Лучшую картину объяснения данной ситуации мы можем увидеть, посмотрев видеоурок, ссылка на который дана в конце данной статьи.
Это конечно очень упрощённое понятие ШИМ. Есть более серьёзные разъяснение данной технологии, но нам для наших экспериментов этого будет вполне достаточно.
То есть, подведя итоги объяснению, мы управляем результирующим напряжением, а также и свечением светодиода, угловой скоростью электродвигателя и прочими значениями за счёт изменения скважности импульсов.
Но всё-таки самое интересное, как же всё-таки всё это организовано в нашем микроконтроллере?
В микроконтроллере AVR широтно-импульсную модуляцию можно организовать как программно , так и аппаратно .
Программная организация ШИМ — это когда мы включим на определённое время на ножке контроллера логическую единицу, а затем на определённое время — логический ноль и так по циклу. Плюсы данного способа — это то, что мы можем организовать ШИМ на абсолютно любой ножке любого порта контроллера, а минусом — то, что всё это будет связано с немалыми затратами на процессорное время, и возможно даже будет сопряжено с какими-то ошибками, вытекающими из этого.
Поэтому всегда в любой технологии мы стараемся придерживаться всё-таки именно аппаратного способа реализации.
Аппаратная организация ШИМ в МК AVR происходит на уровне таймера 2 .
Как мы помним из предыдущего занятия, таймеров в конкретном нашем микроконтроллере Atmega8 три. И таймеры 0 и 2 являются восьмибитными. Но на уровне 2-го таймера как раз и организована широтно-импульсная модуляция.
Давайте посмотрим вот такую вот картину
Здесь иллюстрируется то, какие мы должны включить биты в регистре TCCR второго таймера, чтобы запустить широтно-импульсную модуляцию.
Биты WGM как раз и включают таймер в резим PWM (ШИМ). С остальными битами разберёмся позже, если это потребуется.
А сейчас, чтобы это всё прочувствовать, нам необходим проект, который мы и создадим сейчас.
Проект создаем таким же образом, как и на прошлых занятиях. Назовём его Test10, создадим и добавим файлы PWM.c и PWM.h, последний автоматически оформится при создании соответствующими директивами прероцессора. А в главном файле Test01.c мы напишем стандартный код
#include «main.h»
//—————————————-
void port_ini ( void )
PORTB =0x00;
DDRB =0x08;
//—————————————-
int main ( void )
Port_ini ();
While (1)
Как мы видим в коде, в порте B мы включили на выход 3 ножку. В распиновке контроллера мы видим, что у данной ножки есть ещё альтернативное обозначение OC2 , которое и означает возможность этой ножки работать непосредственно с ШИМ
Файл main.h мы можем даже подключить с прошлого занятия по LCD и немного исправим код, подключив туда уже новый наш модуль PWM
#ifndef MAIN_H_
#define MAIN_H_
#define F_CPU 8000000UL
#include
#include
#include
#include
#include
#include «PWM.h»
#endif /* MAIN_H_ */
Ну и теперь начнём писать код в новую библиотеку для работы непосредственно с ШИМ — в файл PWM.c.
Там мы также подключим заголовочный файл и создадим каркас функции для работы с ШИМ
#include «PWM.h»
void init_PWM_timer ( void )
{
}
А в заголовочный файл нашей библиотеки мы добавим прототип данной функции, а также подключим библиотеку для работы с прерываниями
#ifndef PWM_H_
#define PWM_H_
#include
void init_PWM_timer ( void );
#endif /* PWM_H_ */
И вызовем сразу эту функцию в main()
port_ini ();
init_PWM_timer ();
Начнём теперь писать код непосредственно в функцию. Сначала запишем все нули в регистр ASSR , который существует у таймера, но мы его никак не используем
void init_PWM_timer ( void )
ASSR =0x00;
Дальше уже займёмся управляющим регистром нашего таймера. Назначение битов WGM и то, какие именно из них мы включим, мы разобрали. Теперь биты COM20 и COM21, отвечающие за режим самого ШИМ. Мы выберем вот такой режим и соответственно ему и включим данные биты
А включим мы режим, при котором при начале счёта напряжение на ножке OC2 будет находиться в высоком логическом состоянии, а как только мы досчитаем до определённой цифры, то ножка перейдёт в низкое состояние и будет в нём находиться до окончания счёта. И так по кругу.
И останется нам только настроить делитель. Слишком большая частота нам не нужна. Но когда была слишком маленькая, также было заметно мерцание, поэтому давайте включим следующую величину
Поэтому мы включим все три бита.
В итоге значение регистра станет вот таким
ASSR =0x00;
TCCR2 =0b01101110; //Fast PWM, Clear OC2 on Compare Match, clkT2S/256 (From prescaler) (реальная частота получится 8мгц/256 = 31250 гц)
Теперь попробуем собрать проект. Проект нормально собрался. В следующей части мы продолжим работать с ШИМ.
Смотреть ВИДЕОУРОК (нажмите на картинку)
Post Views: 9 484
После того, как мы поморгали светодиодами, разобрались с тактированием и источниками прерываний, пришло время освоить таймер контроллера MSP430G2553.
Таймер – это счетный механизм, привязанный к импульсам сигнала тактового генератора. Таймер Timer_A , является 16-ти битным таймером. Это означает, что он считает от нуля до двоичного 0b1111111111111111, или шестнадцатеричного 0xFFFF, или десятеричного 65535. Таймер является периферийным устройством и так же имеет собственные прерывания.
Таймер Timer_A имеет три режима работы.
Режим непрерывного счёта, в нём таймер просто считает от 0 до 0xFFFF, потом начинает с начала, и так до бесконечности.
Режим прямого счёта, в нём таймер работает так же, считает до верхней границы, и начинает опять с 0. Только в этом режиме вы можете выбирать, верхнюю границу, до которой будет считать таймер.
Режим реверсивного счёта, похож на режим прямого счёта тем, что в нём вы можете выбрать максимальное значение таймера. Отличие его в том, что достигнув максимума, таймер начинает считать вниз, потом, достигнув 0, опять вверх и т.д.
На графиках есть обозначение TACCR0 – это регистр захвата сравнения. Их может быть два (TACCR0 и TACCR1), может быть три (TACCR0, TACCR1 и TACCR2) в зависимости от модели. В этот регистр можно записывать так называемые ключевые точки, по достижению которых таймер будет вызывать прерывание.
Ниже подробно описаны регистры Таймера А
TACTL
– Timer_A Control Register, Регистр управления Таймера А. Используется для связи таймера с тактовыми сигналами и выбора режимов работы.
TASSELx
, биты 8 и 9, указывают таймеру, какой из тактовых сигналов использовать.
IDx
, биты 6 и 7, указывают, какой делитель частоты тактового сигнала использовать, 2, 4 или 8. Делится частота, полученная уже после применения делителя в самом генераторе тактового сигнала.
MCx
, биты 4 и 5, указывают на режим работы таймера. Если они равны 0 (стоит по умолчанию) таймер полностью остановлен.
TACLR
, бит 2. Если в него вписать 1, это приведет к сбросу таймера. Микроконтроллер автоматически вписывает в этот бит 0, после перезапуска таймера.
TAIE и TAIFG
, биты 0 и 1, соответственно. Контролируют прерывание таймера, об этом чуть ниже.
TAR
– Timer_A Register, Регистр счётчика Таймера А, в нём содержится текущее значение таймера.
TACCRx
– Timer_A Capture/Compare Registers, Регистры захвата/сравнения Таймера А. Их может быть два (TACCR0 и TACCR1), может быть три (TACCR0, TACCR1 и TACCR2) в зависимости от модели микроконтроллера. В режиме сравнения, мы вписываем в них значения, по достижении которых, таймер должен подать нам сигнал. TACCR0 зачастую используется для указания верхней границы счёта. В режиме захвата, процессор записывает в них текущее значение TAR, по сигналу на входе.
TACCTLx
– Timer_A Capture/Compare Control Registers, Регистр управления блоком захвата/сравнения Таймера А. От его значения, зависят режимы работы регистров захвата/сравнения.
CMx
, биты 14 и 15, определяют тип сигнала, по которому происходит захват. (По нарастающему, спадающему, обоим фронтам. – Прим. пер.)
CCISx
, биты 12 и 13, выбирают, откуда берется сигнал захвата.
SCS
и SCCI, биты 11 и 10 соответственно, синхронизация сигнала захвата с тактовым сигналом таймера. Обычно, таймер работает независимо, асинхронно, от внешних сигналов. (Я сам до конца не разобрался в этой функции, напишу подробней в следующих уроках)
CAP
, бит 8, выбор режима работы, 1 – режим захвата, 0 – режим сравнения.
OUTMODx
, биты 5-7, выбор режима работы модуля вывода, т.е. тип реакции на событие захвата или сравнения.
CCIE и CCIFG
, биты 4 и 0 соответственно, обработка прерываний по захвату/сравнению.
CCI и OUT
, биты 3 и 2 соответственно, вход и выход захвата/сравнения.
COV
, бит 1, переполнение захвата. Устанавливается в 1, если произошел второй захват, а первый еще не был считан. Должен сбрасываться программно.
TAIV
– Taimer_A Interrupt Vector Register, регистр вектора прерывания Таймера А. Так как прерывание таймера, может быть вызвано по нескольким разным причинам, содержимое этого регистра, указывает на причину вызова прерывания.
TAIVx
, биты 1-3, содержат тип случившегося прерывания, что позволяет нам, совершить разные действия для обработки разных причин прерываний.
Итак, если вам необходимо просто поморгать светодиодом, или переключать реле, или тому подобное, через определённые промежутки времени, то сконфигурировать таймер в таком случае очень просто.
TACCR0 = 62499; // период 62,500 циклов TACCTL0 = CCIE; // Разрешаем прерывание таймера по достижению значения CCR0. TACTL = TASSEL_2 + ID_3 + MC_1 + TACLR; //Настройка режима работы Timer_A: // TASSEL_2 - источник так тов SMCLK (SubMainCLocK), // по умолчанию настроенны х на работу от DCO // ID_3 - делитель частоты на 8, от 1MHz это будет 125kHz // MC_1 - режим прямого счёта (до TACCR0) // TACLR - начальное обнуление таймера
Но давайте немного усложним задачу и сделаем плавное зажигание и затухание светодиода. Для этого нам необходимо применить ШИМ. Принцип ШИМ заключается в подаче напряжения импульсами с фиксированной частотой и переменным коэффициентом заполнения. ШИМ характеризуется таким параметром как коэффициент заполнения — это величина обратная скважности и равна отношению длительности импульса к его периоду.
Чтобы было понятнее, на рисунке ниже приведены сигналы ШИМ для коэффициента заполнения: а – 25%; б – 50 %; в – 75 %; г – 100 %.
t0– время импульса;
T – период;
Изменяя t0, можно получать различные средние значения напряжения на нагрузке, таким образом, изменяя яркость свечения светодиода.
Период широтно-импульсной модуляции должен быть постоянным и больше чем время импульса. Поэтому запишем TACCR0 = 600; // период 600 циклов
. Это число я подобрал экспериментальным путём, чтобы работу таймера было видно невооруженным глазом.
Так как светодиод должен медленно начать светиться, то начальное время импульса должно быть очень маленьким например TACCR1 = 10; // время импульса 10 циклов
. TACCR1 – это второй регистр захвата\сравнения Таймера А. Итак, получается, что при достижении значения TACCR0 = 600 таймер будет генерировать прерывание, в котором мы будем устанавливать выход микроконтроллера в единицу, что будет началом импульса. При это таймер обнуляется и начинает считать заново с нуля пока не дойдёт до TACCR1 = 10, тогда будет сгенерировано прерывание по второму регистру захвата\сравнения, в котором мы установим выход микроконтроллера в ноль. Таким образом длительность импульса t0 будет длиться 5 тактов.
Для того, чтобы светодиод увеличивал интенсивность свечения, необходимо увеличивать время импульса. Для этого после каждого прерывания от TACCR0 будем прибавлять к текущему значению TACCR1 какое-то значение. При этом максимально значения, которое может иметь TACCR1 будет равно периоду, то есть 600. В зависимости о значения, которое мы будем прибавлять, будет зависеть плавность и скорость изменения интенсивности свечения.
TACCR0 = 600; // Период TACCR1 = 5; //Время импульса TACCTL0 = CCIE; // Разрешаем прерывание таймера по достижению CCR0. TACCTL1 = CCIE; // Разрешаем прерывание таймера по достижению CCR1. TACTL = TASSEL_2 + ID_3 + MC_1 + TACLR; //Настройка режима работы Timer_A
Теперь необходимо написать обработчик прерываний для TACCR0 , который будет задавать начало каждому новому периоду, а так же прибавлять или отнимать значение TACCR1, чтобы светодиод плавно зажигался и так же плавно тух.
#pragma vector = TIMER0_A0_VECTOR __interrupt void CCR0_ISR(void) //вектор прерывания для TACCR0, Таймера А { P1OUT |= BIT0; // устанавливаем нулевой бит в еденицу if (TACCR1><=5) // если TACCR1 меньше минимального значения, то увеличиваем TACCR1 { indeX=2; } if (indeX == 1) { --TACCR1; // уменьшаем TACCR1 на 1 } if ((indeX == 2) || (indeX == 0)) { ++TACCR1; // увеличиваем TACCR1 на 1 } }
Прерывание для TACCR1 будет выглядеть следующим образом.
#pragma vector=TIMER0_A1_VECTOR __interrupt void CCR1_ISR(void) //вектор прерывания для TACCR1, Таймера А { P1OUT &= ~BIT0; // устанавливаем нулевой бит порта Р1 в ноль. TAIV &= ~TA0IV_TACCR1; //сбрасываем флаг прерывания. }
Обратите внимание, что в первом случае, в обработчике прерывания от TACCR0 я не сбрасывал флаг прерывания, а для TACCR1 сделал это. Все потому, что флаг прерывания для TACCR0 сбрасывается автоматически при вызове такого прерывания, а для TACCR1 его нужно сбрасывать вручную.
Теперь можно составить полный текст программы.
#include
Итак, прошиваем контроллер, запускаем программку и видим, что красный светодиод медленно зажигается и гаснет, зажигается и гаснет.
Данную программку очень удобно применить на практике. Допустим вам необходимо менять яркость свечения диодного светильника или скорость вращения двигателя постоянного тока, все эти вещи прекрасно реализуются с помощью ШИМ, управлять которой можно с помощью таймера, имеющегося в контроллере MSP430G2553. На нашем сайте обязательно появится цикл статей по управлению двигателем постоянного тока с помощью ШИМ, где мы и применим данные навыки на практике.
