ARCHIV

Arduino - pulsně šířková modulace (PWM) v C(++)

Pulse Width Modulation (PWM) lze přeložit jako pulsně šířková modulace. Jde o signál, kdy z pinu Vašeho AVR čipu, ať už je to Arduino nebo ne, vychází hodinový signál, který vyvolává hardware sám na pozadí a nijak neovlivňuje chod hlavního programu vašeho procesoru.

6.11.2011 19:00 | Ondřej Tůma | Články autora | přečteno 23533×

Tento pulsující signál se využívá za pomocí jednoduchého triku k různým úkonům. Nejčastěji udávaným příkladem použití PWM je pohaslá LED dioda, nebo dokonce její pomalé rozsvícení a zhasínání. Trik tohoto efektu je v hustotě po sobě rychle jdoucích signálů 1 a 0, které velmi rychle rozsvěcejí a zhasínají LEDku tak, že lidské oko vnímá až průměr času rozsvíceného a zhaslého. Jinak řečeno LEDka bliká tak rychle, že to není poznat, místo toho je ale pohaslá.

Stejný trik se využívá i u DC motorů, které jsou místo trvale sníženého napětí, vystaveny napětí normálnímu, ale v jednotlivých impulzech. To v konečném výsledku způsobí že DC motor se netočí tak rychle, jako kdyby byl napětí vystaven trvale, nicméně na své síle neztratí, což by se v případě menšího napětí stalo.

Poslední „trik”, který se s PWM používá je RC filtr, který díky časovému zpoždění změní střídání jedniček (5V) a nul (0V) na průměrné napětí, například 3.8V.

Průběh PWM signálu na pinu(zelená) dle nastavení OCR (červená) v závislosti na čítači (modrá).

Před tím, než si ukážeme jak tyto pulsy vyvolat, je třeba si říct alespoň něco málo o časovačích. Časovač (TIMER) funguje nezávisle na provádění kódu v procesoru. Jde o subsystém, který je ovládán pomocí registrů. Jedna z hlavních částí časovače je čítač (TCNT). Ten bývá 8 bitový nebo 16 bitový a podle toho umí nabývat hodnot 0 - 255 (8b) nebo 0 - 65535 (16b). Do čítače je každý tik uložena hodnota. Po dosažení maxima (nemusí tomu tak vždy být, ale to už je nad rámec tohoto článku) je tato hodnota vynulována, a počítá se znovu.

#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>

volatile uint8_t count;

int main(void) {
                                    // nastavi prescaler => FCPU/64
    TCCR0B |= (1<<CS02)|(1<<CS00);  // na 16MHz => 16Mhz/256/1024 = 61.03515625
    TIMSK0 |= (1<<TOIE0);           // povoli Overflow Interrupt 
    TCNT0 = 0;                      // inicializuje citac

    DDRB |= (1 << PB5);             // na portu B nastavi 6. bit na vystupni mod

    count = 0;                      // inicializace globalni promenne
    sei();                          // povoli presuseni vyvolane casovacem

    while(1);                       // nekonecna smycka
    return 1;                       // toto nenastane, budme ale slusni
}

/* Toto je obsluzna rutina preruseni casovace TIMER0.
   CPU tuto rutinu samo pusti po preteceni citace */
ISR(TIMER0_OVF_vect) {
   count++;
   if(count == 61) {                // 61 kroku je potreba k casovani ~1 vteriny
      PORTB ^= (1 << PB5);          // invertuju hodnotu sesteho bitu
      count = 0;
   }
}

#define F_CPU 16.0E6

#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>

/*
    Tt = 1 / ( FCPU / prescaler) (pokud prescaler používá FCPU)
    Tp = Tt * 255
    Ton = Tt * OCR
    Toff = Tp - T1

    Vrc = (OCR / 255) * 5v

    Tt = 1 / (1MHz / 1024) = 1 / 976.5625 = 0.001024 s
    Tp = 0.001024 * 255 = 0.26112 s
    Ton = 0.001024 * 64 = 0.065536 s
    Toff = 0.26112 - 0.065536 = 0.195584 s

    Tt = 1 / 1MHz = 1us
    Tp = 255 us
    Ton = 64 us
    Toff = 255 -64 = 191us

    Vrc = 64 / 255 * 5 = 1.25
*/

int main(void) {
    uint8_t pulses = 0;
              
    TCCR2A |= (1<<WGM20)|(1<<WGM21);// Rychlé PWM
    TCCR2A |= (1<<COM2A1);          // práce s registrem OC0A dle módu PWM
    TCCR2B |= (1<<CS20);            // bez škálování

    DDRB |= (1 << PB3);             // nastaví OCR2A (PB3) pin jako výstupní

    while(1) {
        for(pulses = 0; pulses < 128; pulses++) {
            OCR2A = pulses;         // parametry vysílaného signálu
            _delay_ms(20);
        }

        for(pulses = 128; pulses > 0; pulses--) {
            OCR2A = pulses; 
            _delay_ms(20);
        }

    }
    return 1;
}

Celé kouzlení s PWM tedy spočívá v nastavení časovače: mód pro PWM, prescaler, práce s čítačem a nakonec v nastavení příslušné hodnoty do registru, který vyvolá PWM na pinu s danou hustotou kladného napětí 5V, viz kód.

Detailnosti a hlavně možnosti Vašeho MCU lze dočíst v kvalitní a podrobné dokumentaci, kterou výrobce k čipům uvolňuje. K článku jsou také připojeny zdrojové kódy pro USBtiny zapojení, které je založeno na čipu ATtiny2313A, jehož cena v GM včetně součástek je kolem 100 Kč s tím, že pokud nechcete používat USB komunikaci a stačíte si s taktem 1MHz, asi polovinu součástek vůbec nepotřebujete. Vlastně stačí jen čip, odpor a jeden kondenzátor ;)

Odkazy v textu:

http://dicks.home.xs4all.nl/avr/usbtiny/

Přiložené soubory:

Kód pro Arduino Uno

Kód pro USBtiny

Verze pro tisk