Был рассмотрен аппаратный ШИМ генератор микроконтроллера. Всё в нем хорошо, но есть несколько "но":
- аппаратный ШИМ жёстко привязан к определенным выводам МК, его невозможно переназначить на другую ногу
- количество аппаратных ШИМ каналов ограничено, их количество зависит от модели МК
- разрядность аппаратного ШИМ невозможно изменить

В этом случае может пригодиться программный метод получения ШИМ сигнала. Делается он не сложно, но требователен к частоте работы микроконтроллера и занимает достаточно много процессорного времени, в отличие от аппаратного, работающего незаметно для основной программы. Но так как применяется он, как правило, для светодиодных мигалок, то это не столь важно.

Нам необходимо в начале периода ШИМ сигнала выставлять определенную ногу МК в 1 или 0 (в зависимости от того, какой сигнал нам нужен), а потом, по достижении заданной длительности импульса, инвертировать значение ножки. Делать это удобнее всего в прерывании по переполнению. Так мы и поступим, воспользуемся прерыванием по переполнению таймера T0. Управлять будем RGB светодиодом, поэтому и названия переменных и макроопределения для портов сделаем удобочитаемыми.

/*блок дефайнов***************************************************************************************************/ #define RED PORTB.0 #define GREEN PORTB.1 #define BLUE PORTB.2 /*****************************************************************************************************************/ /*объявляем прерменные********************************************************************************************/ unsigned char red=255, green, blue; //переменные, для изменения скважности ШИМ в программе unsigned char red_b, green_b, blue_b; //переменные, для буферизации значений скважности ШИМ unsigned char count; //переменная- счетчик вызовов обработчика прерываний unsigned char temp=1; //переменная для работы алгоритма смены цветов /*****************************************************************************************************************/

Когда наступает прерывание, необходимо увеличить программный счетчик на 1 и проверить, не переполнился ли он. Если таймер переполнен, то нужно на все ножки, на которые выводится ШИМ, вывести логическую 1, а так же сохранить переменные в буфер. Переменные в буфер сохраняются для того, чтобы данные о скважности обновлялись раз в начале каждого периода, это исключает непредсказуемое поведение выхода. Далее сравниваем значение счетчика со значением буфера скважности каждого канала. Если счетчик достиг этого значения- выводим в соответствующую ногу МК логический 0.

/*обработчик прерывания*******************************************************************************************/ interrupt void timer0_ovf_isr(void) { count++; if (count == 0){ //если счетчик переполнился и принял значение 0 red_b = red; //сохранием значения в буфер green_b = green; blue_b = blue; RED =1; //выставляем ноги, отвечающие за ШИМ в логическую 1 GREEN =1; BLUE =1; } if (red_b == count) { RED = 0;} //по достижении заданной скважности выводим логический 0 в ножку МК if (green_b == count) { GREEN = 0;} if (blue_b == count) { BLUE = 0;} } /*****************************************************************************************************************/

Для демонстрации работы будем выводить на светодиод плавную смену цвета по цветам радуги (Каждый Охотник Желает Знать Где Сидит Фазан). Для этого воспользуемся нехитрым алгоритмом, который будем крутить в бесконечном цикле.

/*главная функция*************************************************************************************************/ void main(void) { PORTB=0x08; //конфигурируем порт DDRB=0x07; TCCR0=0x01; //настраиваем таймер TCNT0=0x00; TIMSK=0x01; //разрешаем генерацию прерывания по переполнению таймера T0 #asm("sei") //глобально разрешаем прерывания /*бесконечный цикл************************************************************************************************/ while (1) { if (temp==1) {if (green < 255) green += 1; else temp = 2;} if (temp==2) {if (red > 0) red -= 1; else temp = 3;} if (temp==3) {if (blue < 255) blue += 1; else temp = 4;} if (temp==4) {if (green > 0) green -= 1; else temp = 5;} if (temp==5) {if (red < 255) red += 1; else temp = 6;} if (temp==6) {if (blue > 0) blue -= 1; else temp = 1;} delay_ms(2); }; /*****************************************************************************************************************/ } /*****************************************************************************************************************/

Отличительные особенности:

• Генерация аналоговых сигналов с помощью ШИМ
• Высокочастотная масштабируемая синхронизация ШИМ

Введение

Данные "Рекомендации…" являются руководством по использованию высокочастотного широтно-импульсного модулятора (ШИМ), который присутствует в некоторых микроконтроллерах AVR. В состав "Рекомендаций…" входит пример ассемблерного кода, который демонстрирует, как использовать высокочастотный ШИМ микроконтроллера ATtiny26. Таймер с высокочастотным ШИМ также имеется в ATtiny15.

Для генерации импульсов используется режим быстрой ШИМ с переменным заполнением импульсов на выходе OC1A (PB1). Для получения из цифрового ШИМ-сигнала сигнала синусоидальной формы на выходе должен быть предусмотрен аналоговый фильтр.

Преимущества высокоскоростного ШИМ - расширение частотного диапазона аналогового выходного сигнала и возможность применения более компактных и недорогих компонентов в фильтре за счет более высокой частоты.

1. Принцип действия

ШИМ в сочетания с аналоговым фильтром может использоваться для генерации аналоговых выходных сигналов, т.е. в качестве цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). В качестве основы используется последовательность прямоугольных импульсов с постоянным периодом следования (фиксированная частота преобразования). Для генерации различных аналоговых уровней регулируется заполнение импульсов и, таким образом, изменяется длительность импульсов. Если необходимо сформировать высокий аналоговый уровень, то длительность импульса увеличивают и наоборот.

Усреднение аналогового сигнала за один период (с помощью аналогового фильтра) позволяет сгенерировать аналоговый сигнал. При заполнении импульсов 50% аналоговый сигнал равен половине напряжения питания, а при 75%-ом заполнении импульсов - аналоговый сигнал равен 75% от напряжения питания. Примеры фильтрации выходных сигналов показаны в конце данного документа.

Например, аналоговый ФНЧ можно выполнить с помощью простого пассивного RC-фильтра. Фильтр удаляет несущую высокую частоту ШИМ и, таким образом, формирует аналоговый сигнал. Настроечная частота фильтра должна быть выбрана достаточно высокой, чтобы не исказить форму аналогового сигнала. В то же время настроечная частота должна быть достаточно низкой для минимизации пульсаций от несущей частоты ШИМ.

Рисунок 1. Низкочастотный RC-фильтр

Если аналоговый сигнал поступает к низкоомному входу, то между выходом фильтра и нагрузкой должен быть включен буферный усилитель. Это предотвращает нагружение конденсатора и появление пульсирующего напряжения.

На рисунке 2 показана реальная осциллограмма ШИМ-сигнала с переменным заполнением импульсов.

Рисунок 2. ШИМ-сигнал с переменным заполнением импульсов

В микроконтроллерах AVR для генерации ШИМ-сигналов используются таймеры-счетчики. Для изменения несущей частоты ШИМ изменяется частота синхронизации таймера и вершина счета. Повышение частоты синхронизации и/или снижение вершины счета приводят к повышению частоты переполнения таймера и, как следствие, увеличивается частота ШИМ. Максимальной разрешающей способности (вершина счета 255) соответствует максимальная частота ШИМ 250 кГц. Дальнейшее увеличение частоты ШИМ возможно путем уменьшения разрешающей способности, но в этом случае сокращается количество шагов при установке заполнения импульсов от 0 до 100%.

Изменение содержимого регистра сравнения (OCR) влияет на заполнение импульсов. Увеличение значения OCR увеличивает заполнение импульсов. До достижения счетчиком значения из регистра OCR ШИМ-выход находится в высоком состоянии, затем переходит в низкое состояние до достижения вершины счета, после чего счетчик переходит в нулевое состояние и цикл повторяется. Такой способ генерации у AVR-микроконтроллеров получил название быстрой ШИМ.

Рисунок 3. Значения счетчика и ШИМ-выход

При использовании высокочастотной ШИМ для генерации аналоговых сигналов ширина аналоговых уровней зависит от разрешающей способности ШИМ. Чем выше несущая частота, тем более просто ее подавить и тем самым минимизировать уровень пульсаций. Таким образом, необходимо оптимизировать соотношение разрешающей способности и несущей частоты.

2. Альтернативные области применения

Высокоскоростной таймер может также использоваться для генерации высокочастотных цифровых сигналов, которые в свою очередь используются для синхронизации других цифровых каскадов. При установке очень малой вершины счета можно генерировать сигналы с очень высокой частотой.

Максимальная тактовая частота таймера микроконтроллера ATtiny26 равна 64 МГц (без предварительного деления). При частоте ШИМ 16 МГц (вершина счета 3) в регистр OCR можно записать значение 0, 1 (заполнение 25%), 2 (заполнение 50%, рисунок 4а) или 3 (заполнение 100%). Этим показывается, что снижением вершины счета увеличивается несущая частота ШИМ.

Для достижения максимальной выходной частоты от таймера его необходимо перевести в режим без ШИМ. Вершина счета и содержимое OCR должны быть равны 0. Счетчик в этом случае зависает на 0. Установка действия по совпадению равным "toggle output" (инвертирование выхода) приводит к инвертированию (переключению) выхода каждый такт таймера. В результате достигается частота 32 МГц (рисунок 4б).

Рисунок 4. Высокочастотный цифровой выход

3. Пример применения

Рисунок 4 иллюстрирует, как генерировать синусоидальный сигнал из высокочастотного ШИМ-сигнала.

Программный код состоит из 3 частей: инициализация, процедура обработка прерывания по переполнению таймера 1 и цикл в режиме сна. В данном примере полагается, что микроконтроллер работает на тактовой частоте 8 МГц.

Рисунок 5. Блок-схема основного цикла программы генерации синусоидального сигнала

3.1. Инициализация

Выход компаратора таймера 1 (OC1A) необходимо настроить на вывод.

Далее выполняется установка таймера 1: подготавливается тактовый источник таймера - запускается схема ФАПЧ, которая должна войти в синхронизм (захват) с системной частотой синхронизации. ФАПЧ требует порядка 100 мс для захвата с системной синхронизацией и, поэтому, перед выполнением последующих действий необходимо подождать установку флага захвата ФАПЧ. Как только ФАПЧ захватывается его необходимо выбрать в качестве тактового источника таймера.

Далее выбирается режим ШИМ с инвертированием вывода OC1A по совпадению и устанавливается вершина счета равной 0xFF. Значение вершины счета определяет разрешающую способность и несущую частоту ШИМ- чем выше значение вершины, тем выше разрешающая способность и ниже несущая частота.

Теперь таймер готов к запуску: установка предделителя приводит к запуску таймера. В завершении разрешается прерывание по переполнению таймера.

Рисунок 6. Процедура инициализации (инициализирует вывод и таймер 1 для работы в режиме быстрой ШИМ)

3.2. Процедура обработки прерывания

Когда таймер 1 достигает значения из OCR1C (0xFF) вызывается процедура обработки прерывания по переполнению таймера. Поскольку значение OCR1C - константа, то и данное событие возникает с постоянной периодичностью. Данный период определяет несущую частоту выходного ШИМ-сигнала.

В процедуре обработки прерывания реализована таблица для генерации синусоидального сигнала. При каждом входе в процедуру увеличивается указатель для доступа к таблице, чтобы всякий раз загружались новые значения. Значение, считанное из таблицы, записывается в регистр OCR1A. Таким образом, генерируемая последовательность импульсов может быть преобразована в синусоидальный сигнал. Обратите внимание, что регистр OCR1A буферизован и что перезапись из буферного регистра в действительный регистр OCR1A происходит при переполнении таймера.

Для выполнения процедуры обработки прерывания необходимо 13 тактов. На вызов процедуры и возврат из нее также затрачивается время - всего потребуется 21 такт. Поскольку таймер 1 является 8-разрядным, то прерывание возникает каждые 256/(Частота_ШИМ/Системная_частота) тактов. В данном примере полагается тактирование внутренним RC-генератором частотой 8 МГц. Если используется максимальная тактовая частота ШИМ 64 МГц, то переполнение таймера возникает каждые 32 системных такта.

Несмотря на возможность тактироваться максимальной частотой 64МГц, в данном примере частота синхронизации таймера принята 4…16 МГц, чтобы дополнительно продемонстрировать работу с предварительным делителем.

Рисунок 7. Блок-схема процедура обработки прерывания по переполнению таймера

3.3. Холостой ход

В процессе ожидания возникновения прерывания микроконтроллер переводится в экономичный режим сна "Холостой ход" (Idle). По завершении обработки прерывания микроконтроллер возвращается в режим сна.

4. Осциллограммы

На следующих рисунках приведены осциллограммы генерации синусоидальных сигналов с помощью микроконтроллера ATtiny26. На осциллограммах представлены два сигнала: цифровой сигнал с выхода OC1A и обработанный/фильтрованный ШИМ-сигнал. Для формирования аналогового синусоидального сигнала использовался простой RC-фильтр с параметрами R = 10 кОм и C = 100 нФ, которым соответствует настроечная частота фильтра 1 кГц. Таким образом, синусоида пропускается, а высокочастотная несущая частота подавляется.

Рисунок 8. Фильтрованный и нефильтрованный выход OC1A

Рисунок 9. Фильтрованный и нефильтрованный выход OC1A (с большим масштабом)

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:

1. успеть сформировать полноценный ШИМ сигнал,
2. не прошло более 1/25 секунды, иначе будет заметное мигание светодиода,
3. 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):