На форуме достаточно часто встречаются вопросы по реализации Широтно Импульсной Модуляции на микроконтроллерных устройствах. Я и сам очень много спрашивал по этому поводу и, разобравшись, решил облегчить труд новичкам в этой области, так как информации в сети много и рассчитана она на разработчиков разного уровня, а сам я только- только в нем разобрался и память ещё свежа.

Так как для меня самым важным было применение ШИМ именно для управления яркостью светодиодов, то именно их я и буду использовать в примерах. В качестве микроконтроллера будем использовать горячо любимый ATmega8.

Для начала вспомним, что такое ШИМ. ШИМ сигнал - это импульсный сигнал определенной частоты и скважности:

Частота, это количество периодов за одну секунду. Скважность- отношение длительности импульса к длительности периода. Можно изменять и то и другое, но для управления светодиодами достаточно управлять скважностью. На картинке выше мы видим ШИМ сигнал со скважностью 50 %, так как длительность импульса (ширина импульса) ровно половина от периода. Соответственно светодиод будет ровно половину времени во включенном состоянии и половину в выключенном. Частота ШИМ очень большая и глаз не заметит мерцания светодиода из за инерционности нашего зрения, поэтому нам будет казаться, что светодиод светится на половину яркости. Если мы изменим скважность на 75%, то яркость светодиода будет на 3 четверти от полной, а график будет выглядеть так:

Получается, что мы можем регулировать яркость светодиода от 0 до 100 %. А теперь поговорим о таком параметре ШИМ, как разрешение. Разрешение- это количество градаций (шагов) регулировки скважности, мы будем рассматривать разрешение в 256 шагов.

С параметрами вроде разобрались, теперь поговорим о том, как нам получить этот самый ШИМ от микроконтроллера. Берем остро заточенный разогретый паяльник и начинаем пытать МК, одновременно подцепившись к двум его ногам осциллографом и проверяя наличие на них сигнала нужной нам скважности. В микроконтроллерах есть аппаратная поддержка ШИМ и несколько каналов для него, в нашем случае 3. За выдачу ШИМ отвечают определенные выводы МК, в нашем случае OC2, OC1A, OC1B (15,16,17 нога в DIP корпусе). Так же для этого используются таймеры микроконтроллера, в нашем случае TC1, TC2. Так как же сконфигурировать МК для выдачи сигнала необходимой скважности? Все очень просто, для начала сконфигурируем нужные нам ноги на выход:

PORTB=0x00; DDRB=0x0E; // 0b00001110

Далее начнем конфигурировать таймеры. Для таймера TC1 нам потребуются два регистра: TCCR1A и TCCR1B. Открываем даташит и читаем как настраиваются эти регистры. Я настроил его на 8 битный сигнал ШИМ, что соответствует разрешению в 256 шагов:

TCCR1A=0xA1; TCCR1B=0x09;

Для таймера TC2 мы будем использовать регистр TCCR2=0x69;. Его настройка выглядит так:

TCCR2=0x69;

Всё, таймеры сконфигурированы. Скважность будем задавать регистрами OCR1A,OCR1B, OCR2:

Зададим требуемые скважности:

OCR1A=0x32; //50 шагов OCR1B=0x6A; //106 шагов OCR2=0xF0; //240 шагов

Ну и поместим инкремент и декремент этих регистров в бесконечный цикл:

While(1) { OCR1A++; OCR1B--; OCR2++; delay_ms(50); }

Первая тестовая программа готова и выглядит для CVAVR она так:

#include "mega8.h" #include "delay.h" void main(void) { PORTB=0x00; DDRB=0x0E; // 0b00001110 TCCR1A=0xA1; TCCR1B=0x09; TCCR2=0x69; OCR1A=0x32; //50 шагов OCR1B=0x6A; //106 шагов OCR2=0xF0; //240 шагов while (1) { OCR1A++; OCR1B--; OCR2++; delay_ms(50); }; }

Мы затронули тему использования счётчика/таймера ATtiny13 в обычном режиме и в режиме подсчёта импульсов (CTC). В этой статье я продолжаю тему таймера, но теперь мы рассмотрим его применение для реализации широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Все микропроцессоры работают с цифровыми сигналами, т.е. с логическим нулем (0 В), и логической единицей (5 В или 3.3 В). Но что делать, если мы хотим получить на выходе какое-либо промежуточное значение? В таких случаях применяют Широтно-импульсную модуляцию (ШИМ, англ. pulse-width modulation (PWM)) — процесс управления мощностью, подводимой к нагрузке, путём изменения скважности импульсов, при постоянной частоте.
Широтно-импульсная модуляция представляет собой периодический импульсный сигнал. Существуют цифровые и аналоговые ШИМ, однополярные и двуполярные, и т.д. Но принцип их работы остается одинаковым вне зависимости от исполнения и заключается в сравнении двух видов сигналов: опорного (пилообразные или треугольные импульсы) и входного (постоянного, либо изменяемого нужным образом, в зависимости от конкретной задачи ШИМ). Эти сигналы сравниваются и, при их пересечении, изменяется уровень сигнала на выходе ШИМ. Выходное напряжение ШИМ имеет вид прямоугольных импульсов, изменяя их длительность, мы можем регулировать среднее значение напряжения на выходе ШИМ *.

* Если на выходе ШИМ использовать интегрирующую RC-цепь , то можно вместо импульсного получить постоянное напряжение нужной величины. Но в нашем примере со светодиодами можно обойтись и без этого, так как человеческий глаз всё равно не сможет разглядеть мерцания светодиода при используемой тактовой частоте.

Параметры ШИМ

T - период тактирования (опорного сигнала);
t - длительность импулься;
S - скважность;
D - коэффициент заполнения.

Скважность определяется отношением периода к длительности импульса. Коэффициент заполнения - величина, обратная скважности (может выражаться в процентах):

S=T/t=1/D

Рассмотрим подробнее, как работает ШИМ в AVR микроконтроллерах, на примере ATtiny13.
Как уже упоминалось в предыдущем примере , в ATtiny13 реализовано две разновидности ШИМ: так называемые "Быстрая ШИМ" (Fast PWM) и "ШИМ с коррекцией фазы" (Phase correct PWM). Оба варианта основаны на использовании встроенного в МК восьмибитного счётчика/таймера T0. Таймер тут используется вместо опорного сигнала. Тактовая частота таймера задаётся предделителем тактовой частоты процессора, либо от внешнего тактового генератора. Режим тактирования задаётся битами CS02 (2), CS01 (1), CS00 (0) регистра TCCR0B :

000 - таймер/счетчик T0 остановлен
001 - тактовый генератор CLK
010 - CLK/8
011 - CLK/64
100 - CLK/256
101 - CLK/1024
110 - от внешнего источника на выводе T0 (7 ножка, PB2) по спаду сигнала
111 - от внешнего источника на выводе T0 (7 ножка, PB2) по возрастанию сигнала

Настройка таймера для ШИМ

Режим работы таймера задаётся битами WGM01 (1) и WGM00 (0) регистра TCCR0A :

00 - обычный режим
01 - режим коррекции фазы ШИМ
10 - режим подсчета импульсов (сброс при совпадении)
11 - режим ШИМ

Здесь нас интересуют варианты "01" и "11".

Биты COM0A1 (7) и COM0A0 (6) регистра TCCR0A задают, какой сигнал появится на выводе OC0A (5 ножка, PB0) при совпадении счётчика (регистр TCNT0 ) с регистром сравнения A (OCR0A ).

В режиме "Быстрая ШИМ":

10 - установка 0 на выводе OC0A при совпадении с A, установка 1 на выводе OC0A при обнулении счётчика (неинверсный режим)
11 - установка 1 на выводе OC0A при совпадении с A, установка 0 на выводе OC0A при обнулении счётчика (инверсный режим)

00 - вывод OC0A не функционирует
01 - если бит WGM02 регистра TCCR0B установлен в 0, вывод OC0A не функционирует
01 - если бит WGM02 регистра TCCR0B установлен в 1, изменение состояния вывода OC0A на противоположное при совпадении с A
10 - установка 0 на выводе OC0A при совпадении с A во время увеличения значения счетчика, установка 1 на выводе OC0A при совпадении с A во время уменьшения значения счетчика (неинверсный режим)
11 - установка 1 на выводе OC0A при совпадении с A во время увеличения значения счетчика, установка 0 на выводе OC0A при совпадении с A во время уменьшения значения счетчика (инверсный режим)

Биты COM0B1 (5) и COM0B0 (4) регистра TCCR0A задают, какой сигнал появится на выводе OC0B (6 ножка, PB1) при совпадении счётчика (регистр TCNT0 ) с регистром сравнения B (OCR0B ).

В режиме "Быстрая ШИМ":

01 - резерв
10 - установка 0 на выводе OC0B при совпадении с B, установка 1 на выводе OC0B при обнулении счётчика (неинверсный режим)
11 - установка 1 на выводе OC0B при совпадении с B, установка 0 на выводе OC0B при обнулении счётчика (инверсный режим)

В режиме "ШИМ с коррекцией фазы":

00 - вывод OC0B не функционирует
01 - резерв
10 - установка 0 на выводе OC0B при совпадении с B во время увеличения значения счетчика, установка 1 на выводе OC0B при совпадении с B во время уменьшения значения счетчика (неинверсный режим)
11 - установка 1 на выводе OC0B при совпадении с B во время увеличения значения счетчика, установка 0 на выводе OC0B при совпадении с B во время уменьшения значения счетчика (инверсный режим)

Быстрая ШИМ (Fast PWM)

В этом режиме счётчик считает от нуля до максимума. При установке нулевого значения счётчика - на выходе появляется импульс (устанавливается логическая единица). При совпадении с регистром сравнения - импульс сбрасывается (устанавливается логический ноль). В инверсном режиме, соответственно - наоборот.

ШИМ с коррекцией фазы (Phase correct PWM)

В этом режиме счётчик считает от нуля до максимума, а затем в обратном направлении, до нуля. При совпадении с регистром сравнения во время нарастания значения счётчика - импульс сбрасывается (устанавливается логический ноль). При совпадении во время убывания - появляется импульс (устанавливается логическая единица). В инверсном режиме, соответственно - наоборот. Недостатком данного режима является уменьшенная в два раза тактовая частота по сравнению с режимом Fast PWM. Но зато при изменении скважности не смещаются центры импульсов. Основное назначение данного режима - делать многофазные ШИМ сигналы, например трехфазную синусоиду, чтобы при изменении скважности не сбивался угол фазового сдвига между двумя ШИМ сигналами.

Чтобы увидеть наглядно, как работает ШИМ, напишем небольшую программу (все опыты я провожу на своей отладочной плате , соответственно код привожу применительно к ней):

/* * tiny13_board_pwm * Демо-прошивка отладочной платы на ATtiny13. * Демонстрация работы ШИМ на двух каналах: * неинверсный сигнал на выходе OC0A, инверсный - на выходе OC0B. */ #define F_CPU 1200000UL #include #include #define LED0 PB0 // OC0A #define LED1 PB1 // OC0B int main(void) { // Светидиоды: DDRB |= (1 << LED0)|(1 << LED1); // выходы = 1 PORTB &= ~((1 << LED0)|(1 << LED1)); // по умолчанию отключены = 0 // Таймер для ШИМ: TCCR0A = 0xB3; // режим ШИМ, неинверсный сигнал на выходе OC0A, инверсный - на выходе OC0B TCCR0B = 0x02; // предделитель тактовой частоты CLK/8 TCNT0=0; // начальное значение счётчика OCR0A=0; // регистр совпадения A OCR0B=0; // регистр совпадения B while(1) { do // Нарастание яркости { OCR0A++; OCR0B = OCR0A; _delay_ms(5); } while(OCR0A!=255); _delay_ms(1000); // Пауза 1 сек. do // Затухание { OCR0A--; OCR0B = OCR0A; _delay_ms(5); } while(OCR0A!=0); _delay_ms(1000); // Пауза 1 сек. } }

Тут мы видим, что при старте МК в регистры сравнения A и B устанавливается 0, а счётчик запускается в режиме Fast PWM, с генерацией неинверсного ШИМ сигнала на выходе OC0A и инверсного - на выходе OC0B. В основном цикле значения регистров сравнения плавно меняются от 0 до максимума и обратно. В результате, светодиоды, подключенные к выводам OC0A и OC0B, будут поочерёдно плавно загораться и гаснуть, как бы в противофазе.
Но если приглядеться внимательнее, то видим, что один из светодиодов гаснет не до конца, а продолжает тускло светиться. Эта особенность характерна для Fast PWM режима. Дело в том, что в этом режиме, даже если записать в регистр сравнения 0, при обнулении счётчика на выходе всё равно устанавливается логическая единица, которая сбрасывается в следующем такте (по совпадению с регистром сравнения). Таким образом, в каждом периоде будет проскакивать по одному короткому импульсу длительностью 1 такт, но этого достаточно для засвечивания светодиода. Этот эффект отсутствует в инверсном режиме формирования выходных импульсов, т.к. в данном случае при обнулении счётчика будет происходить не короткий импульс, а наоборот - короткий провал во время максимального заполнения ШИМ. Этот провал можно увидеть на осциллографе, но такое мерцание светодиода человеческое зрение просто не заметит. Поэтому второй светодиод загорается и гаснет полностью. В режиме ШИМ с коррекцией фазы, этот эффект отсутствует независимо, инверсный сигнал формируется на выходе или нет. Поменяем значение бита WGM01 (1) регистра TCCR0A с 1 на 0.

ШИМ - Широтно импульсная модуляция
PWM - Pulse Width Modulation (т.е. то же самое, что и ШИМ)

Что такое ШИМ и зачем он нужен?

Зачем нужен программный ШИМ?

Затем, что на самом AVR (Atmega) каналов шим 1-2, что часто не хватает для того, что надо.

Пусть у нас есть 3 (три) светодиода и яркостью каждого их них мы хотим управлять индивидуально. Встроенных ШИМ каналов таймера не хватит. И, вообще, может мы еще какой-то особый контроль хотим осуществлять над каждым из них. Поэтому сажаем их на обычные ноги (в примере PORTC ноги 3,4,5) и управляем программно.

Дополнительная информация по поводу подключения: http://www.radiokot.ru/start/mcu_fpga/avr/05/ и в даташите к контроллеру.

Расчет резистора для светодиода:

Питание: 5В. Падение напряжения на светодиоде можно считать 1.5В. Тока на светодиоде должен быть не более 20мА (некоторые поспорят, что надо 15мА, но мне нравится поярче).
По закону Ома: I=U/R, R=U/I=(5-1.5)/0.02=175 Ом. Я поставил резисторы R1,R2 и R2 - 220 Ом.

Алгоритм

Простейший вариант - вечный цикл. Вариант с прерыванием будет позже (ниже), сейчас рассмотрим простой пример, чтобы понять суть.

Во-первых надо определить с двумя вещами: с какой частотой будут моргать светодиоды, чтобы не было видно этого моргания и, второе, сколько уровней яркости может иметь светодиод.

По уровням яркости пусть будет 256. 0 - выключен полностью, 255 - включен полностью (т.е. ШИМ канал находится в логической единице все время, т.е. duty cycle = 100%.

Однако, сейчас я малек запутаю вас.

Суть в том, что у нас ПЛЮС диода на схеме тыкнут на прямую на питание, а минус идет через резистор к ноге (где резистор - не важно, важно что к ноге МК). Поэтому светодиод светится, когда на ноге МК низкий уровень, т.е. ноль, т.е. нога внутри МК прокинута на GND, т.е. на ЗЕМЛЮ. Это значит, что на самом деле 0 и 1 в ШИМ должны быть инвертированы. Т.е. чем дольше в сигнале будет 0 по отношению к 1, тем ярче будет диод.

И так, уровней яркости 256.

О каком моргании идет речь? Суть в том, что если мы должны подать ШИМ сигнал на много много диодов и делаем это последовательно на каждый, то после вывода сигнала на первый диод надо вернуться к выводу сигнала на него же за такое время, чтобы:

успеть сформировать полноценный ШИМ сигнал,
не прошло более 1/25 секунды, иначе будет заметное мигание светодиода,
между отрезками сигнала ШИМ не было заметных пауз в генерации шим, т.е. чтобы ШИМ сигнал НЕ БЫЛ ИСКАЖЕН.

Вот пример искажения ШИМ сигнала:

Мы это все будем иметь ввиду, но на самом деле нам здесь это не важно, так как у нас будет очень простая плавная мигалка и она будет только изменять яркость, т.е. времени будет предостаточно, а задача настолько проста, что не будет отъедать время от генерации ШИМ сигнала.

И так, вот исходный код (для AVR studio, т.е. gcc):

#define F_CPU 1000000UL #include #include #define LEDS_N 3 #define LEDS_PORT PORTC #define LEDS_DDR DDRC int main() { register unsigned char scancounter=0; register unsigned char i; register unsigned char glow=0; unsigned char level={0,16,32}; // which part of all cycles the led is ON unsigned char ledbits={0b00001000,0b00010000, 0b00100000}; // set C5 direction - output LEDS_DDR=0b11111111; // turn off all leds LEDS_PORT=0b11111111; for(;;){ // main pwm part for (i=0;i=level[i]){ // off - turn on the pin LEDS_PORT|=ledbits[i]; } else { // on - turn off he pin LEDS_PORT&=~ledbits[i]; } } scancounter++; // led brightness change if (!scancounter){ for (i=0;i128)level[i]=0; } } } }

Принцип работы программы

Есть счетчик отрезков времени - scancount. Максимальное значение этого счетчика - это количество уровней яркости минус 1. Каждый оборот цикла он увеличивается на единицу, потом переваливает за 255 и снова становится 0. В каждом обороте цикла происходит установка сигнала для каждого светодиода. Если счетчик меньше больше или равен уровню яркости, то выключаем диод. Если счетчик меньше уровня яркости заданного для диода - то включаем это диод. И как каждый цикл. Например, если уровень яркости равен 0, то счетчик всегда будет равен или более нуля и диод всегда будет выключен. Если уровень яркости 255, то счетчик будет меньше этого значения 254 из 255 оборотов счетчика и будет гореть практически в полную силу. Если яркость установлена в 50, то 50 первых оборотом цикла диод будет включен, а 206 оставшихся оборотов - выключен, т.е. на него будет подана 50/256 тока от максимума.

Ниже в программе идет управление уровнем яркости диодом, чтобы была какая-то демонстрация. При каждом переполнении счетчика к яркости всех диодов добавляется 1, но если яркость становится более 128, то она сбрасывается в 0. Вообще, если бы не было этой проверки, то после достижения уровня яркости в 255 она сама бы сбросилась в ноль, но опыт показал, что после яркости в 128 она нарастает так незаметно, что можно считать что при значении в 128 она уже практически максимум. И чтобы получаемый эффект был более динамичный и была введена это проверка.

Надо также знать, что зависимость яркости от тока у светодиодов НЕ ЛИНЕЙНАЯ. Т.е. 128 не в два раза тусклее, чем 255 и не в 2 раза ярче, чем 64.

За сколько проворачивается весь цикл со всеми диодами, нас здесь мало интересует, так как понятно, что на чистоте 1Мгц (именно на ней у меня работает МК), это будет достаточно быстро, чтобы глаз не видел никаких мерцаний.

Фото сборки:

нажмите на фото, чтобы увеличить

И вот видео работы: (avi, divx, 3MB)
Видео плохо показывает процесс перехода яркости, так как матрица фотоаппарата не обладает такой инерцией зрения, как человеческий глаз, но, в целом, процесс виден.

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.

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 «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