Многоканальный программный ШИМ в AVR
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: 7 490
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
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.
В устройствах на микроконтроллерах иногда требуется генерировать аналоговый сигнал. В зависимости от частоты аналогового сигнала, требуемого разрешения и типа используемого микроконтроллера, выполнить это можно несколькими способами. А именно: с помощью широтно-импульсной модуляции, используя функционал аппаратных таймеров или программную реализацию, с помощью встроенного цифроаналогового преобразователя (ЦАП`а), с помощью внешних схем цифроаналоговых преобразователей на дискретных элементах или с помощью внешних микросхем цифроаналоговых преобразователей.
1. Принцип генерации аналогового сигнала с помощью ШИМ (PWM)
ШИМ сигнал представляет собой цифровой сигнал, у которого период повторения постоянный, а длительность меняется. Отношение длительности ШИМ сигнала к его периоду называется коэффициентом заполнения. Пропустив такой сигнал через низкочастотный фильтр, что по сути равносильно интегрированию, мы получим на выходе фильтра уровень напряжения пропорциональный коэффициенту заполнения.
Таким образом, меня этот коэффициент, можно генерировать аналоговые сигналы произвольной формы. Причем как переменные, например, синусоида, пила или человеческая речь, так и постоянные (произвольный уровень напряжения).
1.1 Характеристики сигнала
Максимальная амплитуда выходного аналогового сигнала будет определяться амплитудой логической единицы цифрового ШИМ сигнала. Если микроконтроллер питается от +5 В, то грубо говоря, амплитуда выходного аналогового сигнала будет от 0 до 5 В.
Минимальный шаг изменения аналогового сигнала (разрешение) будет определяться выражением:
dUa = Umax/2^n,
где Umax максимальная амплитуда аналогового сигнала (В), а n - разрядность счетчика реализующего ШИМ.
Например, ШИМ сигнал формируется с помощью программного 8-ми разрядного счетчика. Количество градаций ШИМ сигнала, которые можно получить с помощью этого счетчика, равно 2^8 = 256. Тогда разрешение аналогового сигнала при Umax = 5 В будет равно
dUa = 5/256 = 0,0195 В.
Частота ШИМ сигнала
будет определять так:
Fpwm = Fcpu/(K*2^n),
где Fcpu - тактовая частота микроконтроллера (Гц), K - коэффициент предделителя счетчика, n - разрядность счетчика.
Например, тактовая частота микроконтроллера 8 МГц, коэффициент предделителя равен 8, разрядность счетчика 8 бит. Тогда частота выходного ШИМ сигнала будет равна:
Fpwm = 8000000/(8*256) = ~3906 Гц
Частота выходного аналогового сигнала
будет определяться выражением:
Fa = Fpwm/Ns = Fcpu/(K*2^n*Ns),
где Fpwm - частота ЩИМ сигнала, а Ns - количество отсчетов аналогового сигнала.
Например, ШИМ сигнал реализуется на 8-ми разрядном счетчике с коэффициентом предделителя равным 8 и тактовой частотой микроконтроллера 8 МГц. В памяти микроконтроллера записано 32 отсчета синусоидального сигнала, которые представляют собой один его период. Тогда частота выходной синусоиды будет равна:
Fa = 8000000/(8*2^8 * 32) = ~122 Гц
Разрядность ЦАП`a сделанного на основе ШИМ эквивалентна разрядности используемого счетчика.
1.2 Аппаратная реализация ШИМ
Все современные микроконтроллеры имеют в своем составе таймеры/счетчики. Один или несколько режимов этих таймеров предназначены для генерации ШИМ сигнала. Как правило этот сигнал генерируется на специальных выводах. Например, у микроконтроллера mega16 фирмы Atmel 8-ми разрядный таймер/счетчик Т0 имеет два режима генерации ШИМ сигнала (быстрый ШИМ и ШИМ с точной фазой), а для вывода сигнала используется пин порта B - OC0 (PINB3).
Достоинство аппаратной реализации ШИМ сигнала - это низкая загрузка микроконтроллера (прерывание вызывается один раз в период ШИМ сигнала), простота использования и точность (если в системе мало прерываний). Из недостатков можно отметить - ограниченное разрешение счетчиков, невысокая частота, ограниченное число каналов, на которых можно генерировать ШИМ сигналы. Хотя существуют специальные микроконтроллеры специально "заточенные" для генерации большого количества ШИМ сигналов.
1.3 Программная реализация ШИМ
Также можно генерировать ШИМ сигнал программно. Для этого нужно просто создать программный счетчик и по сигналу аппаратного таймера инкрементировать его значение и отслеживать достижение крайних значений счетчика, в которых ШИМ сигнал меняет состояние.
Преимущество программной реализации - простота, неограниченное количество каналов, неограниченное разрешение. Конечно, условно неограниченное, с учетом доступной памяти. Недостатки программной реализации - высокая загрузка микроконтроллера. Прерывания должны вызываться на каждый инкремент счетчика и каждый раз нужно проверять не достиг ли он одного из крайних значений. Также программная реализация имеет меньшую точность (большее дрожание фронтов сигнала) и еще меньшую частоту (из-за первого недостатка).
Однако, несмотря на это, программная реализация ШИМ`а тоже имеет место быть, если требуется генерировать постоянный аналоговый сигнал или переменный, но с невысокой частотой.
Ниже приведен пример кода, который выполняет функцию генерацию аналогового сигнала с помощью аппаратной и программной широтно-импульсной модуляции. Код написан для микроконтроллера atmega16, тактовая частота 8 МГц, компилятор IAR. На выходах PB2 и PB3 генерируются две синусоиды (разной частоты) из 32 двух отсчетов.
#include
#include
#include
#define SPWM_PIN 2
//таблица синуса
__flash uint8_t tableSin =
{
152,176,198,218,234,245,253,255,
253,245,234,218,198,176,152,128,
103, 79, 57, 37, 21, 10, 2, 0,
2, 10, 21, 37, 57, 79,103,128
};
uint8_t softCount = 0;
uint8_t softComp = 0;
int main(void)
{
//настройка портов
PORTB = 0;
DDRB = 0xff;
//разрешение прерывания по совпадению Т0 //обнуляем счетный регистр Enable_interrupt(); //прерывание таймера Т0 OCR0 = tableSin[i]; //программный ШИМ If (softCount == softComp){ Частота среза фильтра должна быть между максимальной частотой генерируемых аналоговых сигналов и частотой ШИМ сигнала. Если частота среза фильтра будет выбрана близко к границе полосы аналогового сигнала, это приведет к его ослаблению. А если частота среза фильтра будет близко к частоте ШИМ сигнала, аналоговый сигнал просто не "выделится". Чем выше частота ШИМ сигнала, тем проще реализовать выходной фильтр. Рассмотрим пример. ШИМ сигнал генерируется аппаратным 8-ми разрядным счетчиком с коэффициентом предделителя равным 8, тактовая частота микроконтроллера 8МГц, количество отсчетов аналогового сигнала - 32. Частота ШИМ сигнала будет равна: Fpwm = Fcpu/(K*2^n) = 8000000/(8*256) = ~3906 Гц Частота аналогового сигнала будет равна: Fa = Fpwm/Ns = 3906/32 = 122 Гц Выберем частоту среза равную 200 Гц и рассчитаем номиналы пассивного низкочастотного RC фильтра. Частота среза такого фильтра определяется выражением: Fc = 1/(2*Pi*R*C), где R - номинал резистора (Ом), а C -емкость конденсатора (Ф). Задавшись номиналом одного из компонентов можно вычислить номинал второго. Для резистора номиналом 1 кОм, емкость конденсатора будет равна:
Однако, как правило, одного звена пассивного фильтра будет не достаточно. Потому что после него аналоговых сигнал все еще будет содержать большое количество гармоник. 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);
};
}
Что такое ШИМ и как он работает особо подробно расписывать не буду, информацию без труда найдёте на просторах интернета. Коснусь лишь общих понятий. ШИМ - это Широтно-Импульсная Модуляция, (по-английски PWM - Pulse Width Modulation) уже из самого названия ясно, что здесь что-то связанное с импульсами и их шириной. Если изменять ширину (длительность) импульсов постоянной частоты, то можно управлять, например, яркостью источника света, скоростью вращения вала электродвигателя или температурой какого-либо нагревательного элемента. Обычно, именно с помощью ШИМ микроконтроллер управляет подобной нагрузкой. Микроконтроллеры имеют аппаратную реализацию ШИМ, но, к сожалению, количество аппаратных ШИМ-каналов ограничено, например, в AТmega88 их аж шесть штук, в ATtiny2313 - четыре, в ATmega8 - три, а в ATtiny13 только два. В AVR ШИМ-каналы используют таймеры и их регистры сравнения OCRxx. Изменяя их содержимое и задавая параметры таймеров, в зависимости от задач, можно управлять состоянием, связанного с регистром, выхода - подавать на него 1 либо 0. То же самое можно организовать программно, управляя любым выводом контроллера, а главное, реализовать большее количество ШИМ-каналов, чем имеется на борту аппаратных. Практически, количество каналов ограничено лишь количеством ножек-выводов микроконтроллера (по крайней мере, если говорить о семействах Mega или Tiny). Как оказалось, алгоритм довольно прост, но у меня ушло некоторое время на его понимание и полное осознание. #define F_CPU 9600000 //fuse LOW=0x7a
#include Мой вариант реализации на ассемблере. Программа делает абсолютно то же самое, что и предыдущий код на C.
TIMSK = (1<
TCCR0 = (1<
TCNT0 = 0;
OCR0 = 0;
while(1);
return 0;
}
#pragma vector = TIMER0_COMP_vect
__interrupt void Timer0CompVect(void)
{
static uint8_t i = 0;
static uint8_t j = 0;
i = (i + 1) & 31;
softCount++;
if (softCount == 0){
PORTB |= (1<
j = (j + 1) & 31;
}
PORTB &= ~(1<
}1.4 Фильтр для ШИМ
C = 1/(2*Pi*Fc*R) = 1/(6.28 * 1000*200) = ~0.8 мкФ
Выбираем ближайшее значение из ряда E12 - 0.82 мкФ. При таких номиналах фильтра мы получим уже похожий аналоговый сигнал. 
Многоканальный программный ШИМ в AVR
Данный алгоритм подробно изложен в оригинальном Appnote AVR136: Low-Jitter Multi-Channel Software PWM. Принцип работы программной реализации заключается в имитации работы таймера в режиме ШИМ. Требуемая длительность импульсов задаётся переменными, соответственно, по одной на каждый канал (в моём коде lev_ch1, lev_ch2, lev_ch3), а так же задаются «близнецы» этих переменных, которые хранят значение для конкретного периода работы таймера (в моём коде buf_lev_ch1, buf_lev_ch2, buf_lev_ch3). Восьмибитный таймер запускается на основной частоте МК и генерирует прерывание по переполнению, то есть, каждые 256 тактов. Это накладывает ограничение на длительность процедуры обработки прерывания - необходимо уложиться в 256 тактов, чтобы не пропустить следующее прерывание. В результате, один полный период ШИМ равняется 256*256=65536-и тактам. Восьмибитная переменная-счетчик (в моём примере counter) увеличивается на единицу каждое прерывание и действует, как указатель позиции внутри цикла ШИМ. Всё это обеспечивает разрешение (минимальный шаг) ШИМ в 1/256, а частоту импульсов в ƒ/(256*256), где ƒ-частота задающего генератора микроконтроллера. Следует заметить, что тактовая частота микроконтроллера должна быть довольно высокой. В моём примере ATtiny13 работает на максимально возможной частоте, без применения внешнего генератора - 9,6МГц. Это даёт период ШИМ в 9600000/65536≈146,5Гц чего вполне достаточно в большинстве случаев.
Код на C, пример реализации идеи для МК ATtiny13 (три канала ШИМ на выводах PB0, PB1, PB2):
Проверено на avr-gcc-4.7.1 и avr-libc-1.8.0. Компиляция и получение файла прошивки:
avr-gcc -mmcu=attiny13 -Wall -Wstrict-prototypes -Os -mcall-prologues -std=c99 -o softPWM.obj softPWM.c
avr-objcopy -O ihex softPWM.obj softPWM.hex
Для правильной работы нужно выставить младшие fuse-биты в 0x7a (частота 9,6МГц). в avrdude это, например, делается так:
avrdude -p t13 -c usbasp -U lfuse:w:0x7a:m
;чтобы не тянуть include-файл.list
.equ DDRB= 0x17
.equ PORTB= 0x18
.equ RAMEND= 0x009f
.equ SPL= 0x3d
.equ TCCR0B= 0x33
.equ TIMSK0= 0x39
.equ SREG= 0x3f
;это лишь демонстрация, потому регистров и не жалеем.def temp=R16
.def lev_ch1=R17
.def lev_ch2=R18
.def lev_ch3=R19
.def buf_lev_ch1=R13
.def buf_lev_ch2=R14
.def buf_lev_ch3=R15
.def counter=R20
.def delay0=R21
.def delay1=R22
.def delay2=R23
.cseg
.org 0
;таблица прерываний из даташита:
rjmp RESET ; Reset Handler
rjmp EXT_INT0 ; IRQ0 Handler
rjmp PIN_CHG_IRQ ; PCINT0 Handler
rjmp TIM0_OVF ; Timer0 Overflow Handler
rjmp EE_RDY ; EEPROM Ready Handler
rjmp ANA_COMP ; Analog Comparator Handler
rjmp TIM0_COMPA ; Timer0 CompareA Handler
rjmp TIM0_COMPB ; Timer0 CompareB Handler
rjmp WATCHDOG ; Watchdog Interrupt Handler
rjmp ADC_IRQ ; ADC Conversion Handler
;RESET:
EXT_INT0:
PIN_CHG_IRQ:
;TIM0_OVF:
EE_RDY:
ANA_COMP:
TIM0_COMPA:
TIM0_COMPB:
WATCHDOG:
ADC_IRQ:
reti
RESET:
ldi temp,0b00000111 ; назначаем PortB пины PB0, PB1
out DDRB,temp ; и PB2 выходами
ldi temp,0 ; выставляем все выводы
out PORTB,temp ; PortB в 0
ldi temp,low(RAMEND) ; инициализация
out SPL,temp ; стека
ldi temp,0b00000001 ; вкл. таймер
out TCCR0B,temp ; без делителя
ldi temp,0b00000010 ; вкл. прерывание
out TIMSK0,temp ; таймера по переполнению
sei ; разрешить прерывания
start_pwm: ; бесконечная шарманка
inc lev_ch1 ; увеличиваем значения
inc lev_ch2 ; длительности ШИМ
inc lev_ch3 ; по всем каналам
rcall delay ; небольшая пауза для плавности
rjmp start_pwm
delay: ; процедура задержки
ldi delay2,$01 ; выставляем число
ldi delay1,$77 ; до скольки считать
ldi delay0,$00 ; $017700 - даст задержку в 50мс
loop:
subi delay0,1 ; считаем
sbci delay1,0 ; считаем
sbci delay2,0 ; считаем
brcc loop
ret
TIM0_OVF: ; обработка прерывания таймера
push temp ; на всякий пожарный сохраняем
in temp,SREG ; temp и SREG в стеке
push temp
inc counter ; счетчик перехода таймера через 0
cpi counter,0 ; если не 0, то проверяем
brne ch1_off ; не надо ли чего погасить
mov buf_lev_ch1,lev_ch1 ; если счетчик 0
mov buf_lev_ch2,lev_ch2 ; то задаем новые
mov buf_lev_ch3,lev_ch3 ; значения длительности ШИМ каналов
ldi temp,0b00000111 ; включить все
out PORTB,temp ; три выхода
ch1_off: ; а не погасить ли нам
cp counter,buf_lev_ch1 ; первый канал?
brne ch2_off ; нет, рано - проверяем второй
cbi PORTB,0 ; да погасить
ch2_off: ; а не погасить ли нам
cp counter,buf_lev_ch2 ; второй канал?
brne ch3_off ; нет, рано - проверяем третий
cbi PORTB,1 ; да погасить
ch3_off: ; а не погасить ли нам
cp counter,buf_lev_ch3 ; третий канал?
brne irq_end ; нет, рано - двигаемся к выходу из прерывания
cbi PORTB,2 ; да, погасить
irq_end: ; достаем из стека
pop temp ; SREG и temp
out SREG,temp
pop temp
reti ;выходим из прерывания
Компилируется с помощью avra или tavrasm. Не забыть про fuse-биты (см. выше).
