Что такое ШИМ и как он работает особо подробно расписывать не буду, информацию без труда найдёте на просторах интернета (например, неплохо расписано здесь). 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.
Данный алгоритм подробно изложен в оригинальном AVR136: Low-Jitter Multi-Channel Software PWM (ссылка на сайт Atmel. PDF). Ссылка на оригинальный архив с их кодом реализации здесь. Принцип работы программного ШИМ 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):
#define F_CPU 9600000 //fuse LOW=0x7a #include <avr/interrupt.h> #include <util/delay.h> uint8_t counter=0; uint8_t lev_ch1, lev_ch2, lev_ch3; uint8_t buf_lev_ch1, buf_lev_ch2, buf_lev_ch3; void delay_ms(uint8_t ms) //функция задержки { while (ms) { _delay_ms(1); ms--; } } int main(void) { DDRB=0b00000111; // установка PortB пины 0,1,2 выходы TIMSK0 = 0b00000010; // включить прерывание по переполнению таймера TCCR0B = 0b00000001; // настройка таймера, делитель выкл sei(); // разрешить прерывания lev_ch1=0; //начальные значения lev_ch2=64; //длительности ШИМ lev_ch3=128; //трёх каналов while (1) //бесконечная шарманка { for (uint8_t i=0;i<255;i++) { lev_ch1++; //увеличиваем значения lev_ch2++; //длительности ШИМ lev_ch3++; //каждого канала delay_ms(50); //пауза 50мс } } } ISR (TIM0_OVF_vect) //обработка прерывания по переполнению таймера { if (++counter==0) //счетчик перехода таймера через ноль { buf_lev_ch1=lev_ch1; //значения длительности ШИМ buf_lev_ch2=lev_ch2; buf_lev_ch3=lev_ch3; PORTB |=(1<<PB0)|(1<<PB1)|(1<<PB2); //подаем 1 на все каналы } if (counter==buf_lev_ch1) PORTB&=~(1<<PB1); //подаем 0 на канал if (counter==buf_lev_ch2) PORTB&=~(1<<PB0); //по достижении if (counter==buf_lev_ch3) PORTB&=~(1<<PB2); //заданной длительности. }
Думаю, всё достаточно наглядно и пояснения излишни. Для значений длительности и их буферов, при большем числе каналов, возможно, будет лучше использовать массивы, но в данном примере, я этого делать не стал, ради большей наглядности.
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 делается так:
avrdude -p t13 -c usbasp -U lfuse:w:0x7a:m
Мой вариант реализации на ассемблере. Программа делает абсолютно то же самое, что и предыдущий код на C.
;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).
Скачать архив с исходниками примеров.
Оставить комментарий