AVR. Учебный курс. Использование ШИМ

Вот уже несколько раз я ругался странным словом ШИМ. Пора бы внести ясность и разьяснить что же это такое. Вообще, я уже расписывал этот режим работы, но все же повторюсь в рамках своего курса.
 

Вкратце, Широтно Импульсная Модуляция (в буржуйской нотации этот режим зовется PWM — Pulse Width Modulation) это способ задания аналогового сигнала цифровым методом, то есть из цифрового выхода, дающего только нули и единицы получить какие то плавно меняющиеся величины. Звучит как бред, но тем не менее работает. А суть в чем:
 

Представь себе тяжеленный маховик который ты можешь вращать двигателем. Причем двигатель ты можешь либо включить, либо выключить. Если включить его постоянно, то маховик раскрутится до максимального значения и так и будет крутиться. Если выключить, то остановится за счет сил трения.
 

А вот если двигатель включать на десять секунд каждую минуту, то маховик раскрутится, но далеко не на полную скорость — большая инерция сгладит рывки от включающегося двигателя, а сопротивление от трения не даст ему крутится бесконечно долго.

Чем больше продолжительность включения двигателя в минуту, тем быстрей будет крутится маховик.
При ШИМ мы гоним на выход сигнал состоящий из высоких и низких уровней (применимо к нашей аналогии — включаем и выключаем двигатель), то есть нулей и единицы. А затем это все пропускается через интегрирующую цепочку (в аналогии — маховик). В результате интегрирования на выходе будет величина напряжения, равная площади под импульсами.
 

Меня скважность (отношение длительности периода к длительности импульса) можно плавно менять эту площадь, а значит и напряжение на выходе. Таким образом если на выходе сплошные 1, то на выходе будет напряжение высокого уровня, в случае моего робота, на выходе из моста

А что будет если взять и гнать ШИМ сигнал не от нуля до максимума, а от минуса до плюса. Скажем от +12 до -12. А можно задавать переменный сигнал! Когда на входе ноль, то на выходе -12В, когда один, то +12В. Если скважность 50% то на выходе 0В. Если скважность менять по синусоидальному закону от максимума к минимуму, то получим… правильно! Переменное напряжение. А если взять три таких ШИМ генератора и гнать через них синусоиды сдвинутые на 120 градусов между собой, то получим самое обычное трехфазное напряжение, а значит привет

 
В качестве сглаживающей интегрирующей цепи в ШИМ может быть применена обычная RC цепочка:

Так, принцип понятен, приступаем к реализации.
ШИМ сигнал можно сварганить и на операционных усилителях и на микроконтроллере. Причем последние умеют это делать просто мастерски, благо все у них для этого уже есть.

 
Аппаратный ШИМ
В случае ATMega16 проще всего сделать на его ШИМ генераторе, который встроен в таймеры. Причем в первом таймере у нас целых два канала. Так что без особого напряга ATmega16 может реализовать одновременно четыре канала ШИМ

 
Как это реализовано
У таймера есть особый регистр сравнения OCR**. Когда значение в счётном регистре таймера достигнает значения находящегося в регистре сравнения, то могут возникнуть следующие аппаратные события:

• Прерывание по совпадению
• Изменение состояния внешнего выхода сравнения OC**.

 
Выходы сравнения выведены наружу, на выводы микроконтроллера

 
На демоплате Pinboard к этим выводам как раз подключены светодиоды. А если поставить джамперы вдоль, в сторону надписи RC то к выводу ШИМ будет подключена интегрирующая цепочка.

Для Pinboard II разница в подключении невелика. Джамперы тут сгруппированы в один блок. А светодиоды и RC цепочки сгруппированы в левом верхнем углу платы.

Предположим, что мы настроили наш ШИМ генератор так, чтобы когда значение в счетном регистре больше чем в регистре сравнения, то на выходе у нас 1, а когда меньше, то 0.

 
Что при этом произойдет? Таймер будет считать как ему и положено, от нуля до 256, с частотой которую мы настроим битами предделителя таймера. После переполнения сбрасывается в 0 и продолжает заново.

 
Как видишь, на выходе появляются импульсы. А если мы попробуем увеличить значение в регистре сравнения, то ширина импульсов станет уже.

Так что меняя значение в регистре сравнения можно менять скважность ШИМ сигнала. А если пропустить этот ШИМ сигнал через сглаживающую RC цепочку (интегратор) то получим аналоговый сигнал.

 
У таймера может быть сколько угодно регистров сравнения. Зависит от модели МК и типа таймера. Например, у Атмега16

• Timer0 — один регистр сравнения
• Timer1 — два регистра сравнения (16ти разрядных!)
• Timer2 — один регистр сравнения

 
Итого — четыре канала. В новых AVR бывает и по три регистра сравнения на таймер, что позволяет одним МК организовать просто прорву независимых ШИМ каналов.

 
Самих режимов ШИМ существует несколько:

 
Fast PWM
В этом режиме счетчик считает от нуля до 255, после достижения переполнения сбрасывается в нуль и счет начинается снова. Когда значение в счетчике достигает значения регистра сравнения, то соответствующий ему вывод ОСхх сбрасыватся в ноль. При обнулении счетчика этот вывод устанавливается в 1. И все!

 
Частота получившегося ШИМ сигнала определяется просто: Частота процесора 8Мгц, таймер тикает до 256 с тактовой частотой. Значит один период ШИМ будет равен 8000 000/256 = 31250Гц. Вполне недурно. Быстрей не получится — это максимальная скорость на внутреннем

 
Еще есть возможность повысить разрешение, сделав счет 8, 9, 10 разрядным (если разрядность таймера позволяет), но надо учитывать, что повышение разрядности, вместе с повышением дискретности выходного аналогового сигнала, резко снижает частоту ШИМ.

Phase Correct PWM
ШИМ с точной фазой. Работает похоже, но тут счетчик считает несколько по другому. Сначала от 0 до 255, потом от 255 до 0. Вывод OCxx при первом совпадении сбрасывается, при втором устанавливается.
Но частота ШИМ при этом падает вдвое, изза большего периода. Основное его предназначение, делать многофазные ШИМ сигналы, например, трехфазную синусоиду. Чтобы при изменении скважности не сбивался угол фазового сдвига между двумя ШИМ сигналами. Т.е. центры импульсов в разных каналах и на разной скважности будут совпадать.

 
Еще одна тонкость:
Чтобы не было кривых импульсов, то в регистр сравнения любое значение попадает через буфферный регистр и заносится только тогда, когда значение в счетчике достигнет максимума. Т.е. к началу нового периода ШИМ импульса.

 
Clear Timer On Compare
Сброс при сравнении. Это уже скорей ЧИМ — частотно-импульсно моделированный сигнал. Тут работает несколько иначе, чем при других режимах. Тут счетный таймер тикает не от 0 до предела, а от 0 до регистра сравнения! А после чего сбрасывается.

 
В результате, на выходе получаются импульсы всегда одинаковой скважности, но разной частоты. А чаще всего этот режим применяется когда надо таймером отсчитывать периоды (и генерить прерывание) с заданной точностью.

 
Например, надо нам прерывание каждую миллисекунду. И чтобы вот точно. Как это реализовать проще? Через Режим СТС! Пусть у нас частота 8Мгц.

 
Прескалер будет равен 64, таким образом, частота тиков таймера составит 125000 Гц. А нам надо прерывание с частотой 1000Гц. Поэтому настраиваем прерывание по совпадению с числом 125.

 
Дотикал до 125 — дал прерывание, обнулился. Дотикал до 125 — дал прерывание, обнулился. И так бесконечно, пока не выключим.

 
Вот вам и точная тикалка.

 
Нет, конечно, можно и вручную. Через переполнение, т.е. дотикал до переполнения, загрузил в обработчике прерывания заново нужные значение TCNTх=255-125, сделал нужные полезные дела и снова тикать до переполнения. Но ведь через СТС красивей! 🙂

 
Аппаратура
А теперь контрольные регистры, которыми все это безобразие задается и программируется. Опишу на примере Двухканального FastPWM на таймере 1. В других все похоже. Даташит в зубы и вперед.

 
Итак, тут правят бал регистры TCCR1A и TCCR1B. Гы, кто бы сомневался %)

 
Распишу их по битам.
Регистр TCCR1A, биты COM1A1:COM1A0 и COM1B1:COM1B0. Эта братия определяет поведение вывода сравнения OC1A и OC1B соответственно.

 
Регистр TCCR1A, биты WGM11 и WGM10 вместе с битами WGM12 и WGM13, находящимися в регистре TCCR1B задают режим работы генератора.

 
Другие комбинации битов WGM задают режимы Phase Correct PWM и CTC (сброс OCxx при совпадении). Если интересно, то читай даташит, я для себя много интересного там не нашел, кроме Phase Correct PWM. И то мне сейчас важней скорость, а не точность фазы 🙂

 
После остается только запустить таймер, установив бит CS10 (подсчет тактовых импульсов с делителем 1:1)

 
Пример кода:

 
Попробуем поиграться яркостью светодиодов с помощью ШИМ сигналов. Подключи джамперы, чтобы запитать светодиоды LED1 и LED2

 
Для версии Pinboard II все аналогично, с поправкой на другое расположение джамперов:

 
Теперь все готово, можно писать код. Вначале в раздел инициализации устройств добавляю настройку таймера на запуск ШИМ и подготовку выводов.

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

;FastPWM Init
	SETB	DDRD,4,R16	; DDRD.4 = 1 Порты на выход
	SETB	DDRD,5,R16	; DDRD.5 = 1
 
; Выставляем для обоих каналов ШИМ режим вывода ОС** сброс при совпадении. 
; COM1A = 10 и COM1B = 10
; Также ставим режим FAST PWM 8bit (таймер 16ти разрядный и допускает
; большую разрядность ШИМ сигнала. Вплоть до 10 бит.  WGM = 0101
; Осталось только запустить таймер на частоте МК CS = 001
 
	OUTI 	TCCR1A,2<<COM1A0|2<<COM1B0|0<<WGM11|1<<WGM10	 
	OUTI	TCCR1B,0<<WGM13|1<<WGM12|1<<CS10

;FastPWM Init SETB DDRD,4,R16 ; DDRD.4 = 1 Порты на выход SETB DDRD,5,R16 ; DDRD.5 = 1 ; Выставляем для обоих каналов ШИМ режим вывода ОС** сброс при совпадении. ; COM1A = 10 и COM1B = 10 ; Также ставим режим FAST PWM 8bit (таймер 16ти разрядный и допускает ; большую разрядность ШИМ сигнала. Вплоть до 10 бит. WGM = 0101 ; Осталось только запустить таймер на частоте МК CS = 001 OUTI TCCR1A,2<<COM1A0|2<<COM1B0|0<<WGM11|1<<WGM10 OUTI TCCR1B,0<<WGM13|1<<WGM12|1<<CS10

 
Готово! Теперь ШИМ таймера1 генерит сигнал на выходаx OC1А и OC1B

 
Закинем в регистры сравнения первого и второго канала число 255/3=85 и 255/2 = 128
Так как ШИМ у нас 8ми разрядный, то заброс идет только в младший разряд. Старший же остается нулем. Но регистры сравнения тут у нас 16ти разрядные поэтому грузить надо оба байта сразу. Не забыв запретить прерывания (это важно!!! ибо атомарный доступ)

1
2
3
4
5
6
7

	CLI
	OUTI	OCR1AH,0
	OUTI	OCR1AL,85
 
	OUTI	OCR1BH,0
	OUTI	OCR1BL,128
	SEI

CLI OUTI OCR1AH,0 OUTI OCR1AL,85 OUTI OCR1BH,0 OUTI OCR1BL,128 SEI

 
Поехали! 🙂

 
Прошиваем, тыкаемся в ноги микроконтроллера осциллографом — видим следующую картину по каналам:

 
Как мы и запланировали. С первого канала длительность импульса в 1/3 периода, а со второго в 1/2
Ну и светодиоды горят с разной яркостью. Один ярче, другой тусклей. Меняя значение в регистрах OCR*** мы можем менять скважность.

 
Давай сделаем так, чтобы светодиод плавно менял свою яркость от нуля до максимума. Как помнишь, у нас там была программа, с мигающем по таймеру0 светодиодом. Немного ее подправим, сделаем так, чтобы по таймеру не светодиод мигал, а менялось значение в регистрах сравнения OCR1A и OCR1B. Причем меняться оно будет в разные стороны 🙂

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55

; Main =========================================================
Main:	LDS	R16,TCNT	; Грузим числа в регистры
	LDS	R17,TCNT+1
 
	CPI	R16,0x10	; Сравниванем побайтно выдержку
	BRCS	NoMatch
	CPI	R17,0x01	; Выдержку сделали поменьше = 0x0110
	BRCS	NoMatch
 
; Если совпало то делаем экшн
Match:	CLI			; Запрет прерываний, т.к. атомарный доступ
 
; Меняем первый канал
; Особенность 16ти разрядных регистров в том, что их надо правильно читать и записывать.
; Читают вначале младший, потом старший байты. Так надо, чтобы младший не успел измениться
; (он ведь может тикать по таймеру) пока читают первым старший.  Укладывают их в обратном
; порядке. Сначала старший, потом младший. Правда для регистров OCR это не имеет большой 
; разницы -- они статичные, а вот для TCNT очень даже!
 
	IN	R16,OCR1AL	; Достали первый байт сравнения
	IN	R17,OCR1AH	; он 16ти разрядный, но старший байт будет 0
 
	INC	R16		; Увеличили
 
	OUT	OCR1AH,R17	; И сунули их обратно
	OUT	OCR1AL,R16
 
; Меняем второй канал
	IN	R16,OCR1BL	; Достали второй байт сравнения
	IN	R17,OCR1BH	; он 16ти разрядный, но старший байт будет 0
 
	DEC	R16		; Уменьшили
 
	OUT	OCR1BH,R17	; И сунули их обратно
	OUT	OCR1BL,R16	
	SEI			; Конец атомарного доступа
 
; Теперь надо обнулить счетчик, иначе за эту же итерацию главного цикла
; Мы сюда попадем еще не один раз -- таймер то не успеет натикать 255 значений
; чтобы число в первых двух байтах счетчика изменилось. 
 
	CLR	R16		; Нам нужен ноль
	CLI			; Таймер меняется и в прерывании. Нужен
				; атомарный доступ. Запрещаем прерывания
	OUT	TCNT0,R16	; Ноль в счетный регистр таймера
	STS	TCNT,R16	; Ноль в первый байт счетчика в RAM
	STS	TCNT+1,R16	; Ноль в второй байт счетчика в RAM
	STS	TCNT+2,R16	; Ноль в третий байт счетчика в RAM
	STS	TCNT+3,R16	; Ноль в первый байт счетчика в RAM
	SEI			; Разрешаем прерывания. 
; Не совпало - не делаем :) 
NoMatch:	NOP
 
	INCM	CCNT		; Шарманка вращается дальше, вхолостую
	JMP	Main

; Main ========================================================= Main: LDS R16,TCNT ; Грузим числа в регистры LDS R17,TCNT+1 CPI R16,0x10 ; Сравниванем побайтно выдержку BRCS NoMatch CPI R17,0x01 ; Выдержку сделали поменьше = 0x0110 BRCS NoMatch ; Если совпало то делаем экшн Match: CLI ; Запрет прерываний, т.к. атомарный доступ ; Меняем первый канал ; Особенность 16ти разрядных регистров в том, что их надо правильно читать и записывать. ; Читают вначале младший, потом старший байты. Так надо, чтобы младший не успел измениться ; (он ведь может тикать по таймеру) пока читают первым старший. Укладывают их в обратном ; порядке. Сначала старший, потом младший. Правда для регистров OCR это не имеет большой ; разницы — они статичные, а вот для TCNT очень даже! IN R16,OCR1AL ; Достали первый байт сравнения IN R17,OCR1AH ; он 16ти разрядный, но старший байт будет 0 INC R16 ; Увеличили OUT OCR1AH,R17 ; И сунули их обратно OUT OCR1AL,R16 ; Меняем второй канал IN R16,OCR1BL ; Достали второй байт сравнения IN R17,OCR1BH ; он 16ти разрядный, но старший байт будет 0 DEC R16 ; Уменьшили OUT OCR1BH,R17 ; И сунули их обратно OUT OCR1BL,R16 SEI ; Конец атомарного доступа ; Теперь надо обнулить счетчик, иначе за эту же итерацию главного цикла ; Мы сюда попадем еще не один раз — таймер то не успеет натикать 255 значений ; чтобы число в первых двух байтах счетчика изменилось. CLR R16 ; Нам нужен ноль CLI ; Таймер меняется и в прерывании. Нужен ; атомарный доступ. Запрещаем прерывания OUT TCNT0,R16 ; Ноль в счетный регистр таймера STS TCNT,R16 ; Ноль в первый байт счетчика в RAM STS TCNT+1,R16 ; Ноль в второй байт счетчика в RAM STS TCNT+2,R16 ; Ноль в третий байт счетчика в RAM STS TCNT+3,R16 ; Ноль в первый байт счетчика в RAM SEI ; Разрешаем прерывания. ; Не совпало — не делаем 🙂 NoMatch: NOP INCM CCNT ; Шарманка вращается дальше, вхолостую JMP Main

 
А теперь давайте включим режим с точной фазой (WGM = 0001) и посмотрим на то как будет меняться скважность.

1
2

	OUTI 	TCCR1A,2<<COM1A0|2<<COM1B0|0<<WGM11|1<<WGM10	 
	OUTI	TCCR1B,0<<WGM13|0<<WGM12|1<<CS10

OUTI TCCR1A,2<<COM1A0|2<<COM1B0|0<<WGM11|1<<WGM10 OUTI TCCR1B,0<<WGM13|0<<WGM12|1<<CS10

 
ШИМ на прерываниях.
Но вот засада — плата уже разведена, захотелось ШИМ, а выводы OCxx уже задействованы под другие цели.

 
Ничего страшного, малой кровью можно это исправить. Также запускаем ШИМ, только:

• Отключаем выводы OCxx от регистра сравнения.
• Добавляем два обработчика прерывания на сравнение и на переполнение. В прерывании по сравнению сбрасываем нужный бит, в прерывании по переполнению счетчика устанавливаем.

Все просто 🙂

 
Пример:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21

;FastPWM Init на прерываниях
 
; ШИМ будет на выводах 3 и 6 порта D
	SETB	DDRD,3,R16	; DDRD.3 = 1 Порты на выход
	SETB	DDRD,6,R16	; DDRD.6 = 1
 
; Выставляем для обоих каналов ШИМ режим вывода ОС** выключеным. 
; COM1A = 00 и COM1B = 00
; Также ставим режим FAST PWM 8bit (таймер 16ти разрядный и допускает
; большую разрядность ШИМ сигнала. Вплоть до 10 бит.  WGM = 0101
; Осталось только запустить таймер на частоте МК CS = 001
 
	OUTI 	TCCR1A,0<<COM1A0|0<<COM1B0|0<<WGM11|1<<WGM10	 
	OUTI	TCCR1B,0<<WGM13|1<<WGM12|1<<CS10	
 
	SETB	TIMSK,OCIE1A,R16	; Включаем прерывание по сравнению А
	SETB	TIMSK,OCIE1B,R16	; Включаем прерывание по сравнению Б
	SETB	TIMSK,TOIE1,R16	; Включаем прерывание по переполнению Т1
					; Причем в режиме WGM=1010 переполнение
					; будет на FF т.е. таймер работает как
					; 8ми разрядный.

;FastPWM Init на прерываниях ; ШИМ будет на выводах 3 и 6 порта D SETB DDRD,3,R16 ; DDRD.3 = 1 Порты на выход SETB DDRD,6,R16 ; DDRD.6 = 1 ; Выставляем для обоих каналов ШИМ режим вывода ОС** выключеным. ; COM1A = 00 и COM1B = 00 ; Также ставим режим FAST PWM 8bit (таймер 16ти разрядный и допускает ; большую разрядность ШИМ сигнала. Вплоть до 10 бит. WGM = 0101 ; Осталось только запустить таймер на частоте МК CS = 001 OUTI TCCR1A,0<<COM1A0|0<<COM1B0|0<<WGM11|1<<WGM10 OUTI TCCR1B,0<<WGM13|1<<WGM12|1<<CS10 SETB TIMSK,OCIE1A,R16 ; Включаем прерывание по сравнению А SETB TIMSK,OCIE1B,R16 ; Включаем прерывание по сравнению Б SETB TIMSK,TOIE1,R16 ; Включаем прерывание по переполнению Т1 ; Причем в режиме WGM=1010 переполнение ; будет на FF т.е. таймер работает как ; 8ми разрядный.

 
Осталось только прописать обработчики и вектора:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72

         .CSEG
         .ORG $000		; (RESET) 
         RJMP   Reset
         .ORG $002
         RETI			; (INT0) External Interrupt Request 0
         .ORG $004
         RETI 			; (INT1) External Interrupt Request 1
         .ORG $006
         RETI			; (TIMER2 COMP) Timer/Counter2 Compare Match
         .ORG $008
         RETI 			; (TIMER2 OVF) Timer/Counter2 Overflow
         .ORG $00A
         RETI			; (TIMER1 CAPT) Timer/Counter1 Capture Event
         .ORG $00C 
         RJMP Timer1_OCA		; (TIMER1 COMPA) Timer/Counter1 Compare Match A
         .ORG $00E
         RJMP Timer1_OCB		; (TIMER1 COMPB) Timer/Counter1 Compare Match B
         .ORG $010
         RJMP Timer1_OVF 		; (TIMER1 OVF) Timer/Counter1 Overflow
         .ORG $012
         RJMP	Timer0_OV 	; (TIMER0 OVF) Timer/Counter0 Overflow
         .ORG $014
         RETI 			; (SPI,STC) Serial Transfer Complete
         .ORG $016
         RETI     			; (USART,RXC) USART, Rx Complete
         .ORG $018
         RETI			; (USART,UDRE) USART Data Register Empty
         .ORG $01A
         RETI			; (USART,TXC) USART, Tx Complete
         .ORG $01C
         RETI			; (ADC) ADC Conversion Complete
         .ORG $01E
         RETI			; (EE_RDY) EEPROM Ready
         .ORG $020
         RETI			; (ANA_COMP) Analog Comparator
         .ORG $022
         RETI			; (TWI) 2-wire Serial Interface
         .ORG $024
         RETI			; (INT2) External Interrupt Request 2
         .ORG $026
         RETI			; (TIMER0 COMP) Timer/Counter0 Compare Match
         .ORG $028
         RETI			; (SPM_RDY) Store Program Memory Ready
 
	 .ORG   INT_VECTORS_SIZE      	; Конец таблицы прерываний
 
; Interrupts ==============================================
Timer0_OV:	PUSHF
		PUSH	R17
		PUSH	R18
		PUSH	R19
 
		INCM	TCNT
 
		POP	R19
		POP	R18
		POP	R17
		POPF
 
		RETI
 
; Вот наши обработчики на ШИМ
Timer1_OCA:	SBI	PORTD,3
		RETI
 
Timer1_OCB:	SBI	PORTD,6
		RETI
 
Timer1_OVF: 	CBI	PORTD,3
		CBI	PORTD,6
		RETI
; End Interrupts ==========================================

.CSEG .ORG $000 ; (RESET) RJMP Reset .ORG $002 RETI ; (INT0) External Interrupt Request 0 .ORG $004 RETI ; (INT1) External Interrupt Request 1 .ORG $006 RETI ; (TIMER2 COMP) Timer/Counter2 Compare Match .ORG $008 RETI ; (TIMER2 OVF) Timer/Counter2 Overflow .ORG $00A RETI ; (TIMER1 CAPT) Timer/Counter1 Capture Event .ORG $00C RJMP Timer1_OCA ; (TIMER1 COMPA) Timer/Counter1 Compare Match A .ORG $00E RJMP Timer1_OCB ; (TIMER1 COMPB) Timer/Counter1 Compare Match B .ORG $010 RJMP Timer1_OVF ; (TIMER1 OVF) Timer/Counter1 Overflow .ORG $012 RJMP Timer0_OV ; (TIMER0 OVF) Timer/Counter0 Overflow .ORG $014 RETI ; (SPI,STC) Serial Transfer Complete .ORG $016 RETI ; (USART,RXC) USART, Rx Complete .ORG $018 RETI ; (USART,UDRE) USART Data Register Empty .ORG $01A RETI ; (USART,TXC) USART, Tx Complete .ORG $01C RETI ; (ADC) ADC Conversion Complete .ORG $01E RETI ; (EE_RDY) EEPROM Ready .ORG $020 RETI ; (ANA_COMP) Analog Comparator .ORG $022 RETI ; (TWI) 2-wire Serial Interface .ORG $024 RETI ; (INT2) External Interrupt Request 2 .ORG $026 RETI ; (TIMER0 COMP) Timer/Counter0 Compare Match .ORG $028 RETI ; (SPM_RDY) Store Program Memory Ready .ORG INT_VECTORS_SIZE ; Конец таблицы прерываний ; Interrupts ============================================== Timer0_OV: PUSHF PUSH R17 PUSH R18 PUSH R19 INCM TCNT POP R19 POP R18 POP R17 POPF RETI ; Вот наши обработчики на ШИМ Timer1_OCA: SBI PORTD,3 RETI Timer1_OCB: SBI PORTD,6 RETI Timer1_OVF: CBI PORTD,3 CBI PORTD,6 RETI ; End Interrupts ==========================================

Почему я в этих обработчиках не сохраняю регистры и SREG? А незачем! Команды SBI меняют только конкретные биты (а больше нам и не надо), не влияя на флаги и другие регистры.

 
Запустили…

 
И получили полную херню. Т.е. ШИМ как бы есть, но почему то адово мерцает. А на осциллографе в этот момент полный треш. Кто виноват? Видимо конфликт прерываний. Осталось только выяснить где именно. Сейчас я вам дам практический пример реалтаймовой отладки 🙂

 
Итак, что мы имеем:

 
ШИМ, как таковой, работает. Скважность меняется. Значит наш алгоритм верен.
Но длительности скачут. Почему? Видимо потому, что что-то мешает им встать вовремя. Когда у нас возникают фронты? Правильно — по прерываниям. А прерывания по таймерам. Т.е. врать не должны. Однако так получается. Давайте узнаем каком месте у нас конфликт.

 
Первым делом надо добавить в код обработчика отладочную инфу. Будем в обработчике прерываний инвертировать бит. Пусть это будет PD7 — зашли в обработчик, инверснули. Зашли — инверснули. В результате, у нас на выходе этого бита будет прямоугольный сигнал, где каждый фронт — сработка прерываний. Послужит нам как линейка, отмеряющая время.

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33

; Interrupts ==============================================
Timer0_OV:	PUSHF
		PUSH	R17
		PUSH	R18
		PUSH	R19
 
		INCM	TCNT
 
		POP	R19
		POP	R18
		POP	R17
		POPF
 
		RETI
 
; Установка бита ШИМ канала А
Timer1_OCA:	SBI	PORTD,3
		RETI
 
; Установка бита ШИМ канала Б
Timer1_OCB:	SBI	PORTD,6
		RETI
 
;Сброс бита ШИМ канала А и Б
Timer1_OVF: 	CBI	PORTD,3
		CBI	PORTD,6
 
;DEBUG PIN BEGIN ---------------
		PUSHF
		INVBM	PORTD,7    
		POPF
;DEBUG PIN END -----------------
		RETI

; Interrupts ============================================== Timer0_OV: PUSHF PUSH R17 PUSH R18 PUSH R19 INCM TCNT POP R19 POP R18 POP R17 POPF RETI ; Установка бита ШИМ канала А Timer1_OCA: SBI PORTD,3 RETI ; Установка бита ШИМ канала Б Timer1_OCB: SBI PORTD,6 RETI ;Сброс бита ШИМ канала А и Б Timer1_OVF: CBI PORTD,3 CBI PORTD,6 ;DEBUG PIN BEGIN ————— PUSHF INVBM PORTD,7 POPF ;DEBUG PIN END —————— RETI

Инверсия бита невозможна без логических операций, поэтому надо сохранять флаги.

 
Из картинки стало понятно, что у нас накрывается прерывание по сравнению. Давайте попробуем посмотреть с какими прерыванием происходит конфликт. Особых вариантов у нас нет — прерываний у нас тут четрые. А наиболее очевиден конфликт Timer0_OV vs Timer1_OCA vs Timer1_OCB.

 
OCA и OCB конфликтуют только тогда, когда счетные регистры у них сравниваются — вызов происходит почти одновременно, но сами обработчики короткие — всего несколько тактов, поэтому дребезг не столь сильный.

 
А вот Timer0_OV делает довольно мощный прогруз стека и еще вычитает четырехбайтную переменную. Т.е. тактов на 20 может задержать обработчик установки бита Timer1_OC* от того и вылазят такие зверские дребезги.

 
Давайте проверим эту идею. Разрешим прерывания в обработчике Timer0_0V

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28

; Interrupts ==============================================
Timer0_OV:	SEI
		PUSHF
		PUSH	R17
		PUSH	R18
		PUSH	R19
 
		INCM	TCNT
 
		POP	R19
		POP	R18
		POP	R17
		POPF
 
		RETI
 
; Установка бита ШИМ канала А
Timer1_OCA:	SBI	PORTD,3
		RETI
 
; Установка бита ШИМ канала Б
Timer1_OCB:	SBI	PORTD,6
		RETI
 
;Сброс бита ШИМ канала А и Б
Timer1_OVF: 	CBI	PORTD,3
		CBI	PORTD,6
		RETI

; Interrupts ============================================== Timer0_OV: SEI PUSHF PUSH R17 PUSH R18 PUSH R19 INCM TCNT POP R19 POP R18 POP R17 POPF RETI ; Установка бита ШИМ канала А Timer1_OCA: SBI PORTD,3 RETI ; Установка бита ШИМ канала Б Timer1_OCB: SBI PORTD,6 RETI ;Сброс бита ШИМ канала А и Б Timer1_OVF: CBI PORTD,3 CBI PORTD,6 RETI

 
Картина сразу исправилась. Теперь более важное (для нас важное) прерывание задвигает обработчик от Таймера 0. Но тут надо просекать возможные риски:

• Более глубокий прогруз стека
• Нарушается атомарный доступ к четырехбайтной переменной TCNT, поэтому если бы у нас было еще какое-то прерывание, меняющее TCNT то его надо было бы запрещать локально. Иначе бы мы получили такой трешняк, что проще заново прогу переписать, чем это отладить

.

 
ШИМ на таймерах
Когда совсем все плохо, то можно сделать на любом таймере. В обработчик прерывания по переполнению таймера заносим конечный автомат, который сначала загрузит в таймер длительность низкого уровня, а при следующем заходе — длительность высокого. Ну и, само собой, ноги процессора подергает как надо. Таким образом, на один таймер можно повесить дофига ШИМ каналов, но задолбаешься все с кодовой реализацией всего этого. И процессорное время жрать будет некисло. Не говоря уже про дребезги, о которых только что было сказано. Это для эстетов извращенцев :)))))

 
Исходник к статье

ATMega8 / Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)

Таймер T/C1 устроен сложнее T/C0 и содержит дополнительные регистры.

TCNT1 — счётный регистр

TCCR1A — регистр управления, определяет поведение выводов OC1A и OC1B (биты 1 и 2 порта B) при совпадении значений в регистре с TCNT1A и регистрах сравнения OCR1A/OCR1B, а также для выборов режимов ШИМ

TCCR1B — регистр управления

ICR1 — в этот регистр записывается текущее состояние счётчика при появлении активного входного сигнала на выводе ICP (бит 0 порта B)

OCR1A,OCR1B — содержимое этих регистров постоянно сравнивается с содержимым счётного регистра TCNT1. В случае совпадения выполняются действия, определённые регистром TCCR1A

Регистр TCCR1A

Биты COM1A1/COM1A0 и COM1B1/COM1B0 определяют поведение выводов OC1A/OC1B при  совпадении значений регистров сравнения OCR1A/OCR1B со значением счётного регистра TCNT1. Возможные состояния битов показаны в таблице (случай для отключённого ШИМ)

Если в регистре TCCR1A включён широтно-импульсный модулятор, то счётчик Т/C1 работает как суммирующий и вычитающий счётчик, выполняя циклические переходы от значения 0x0000 до значения MAX и обратно до 0x0000. Число MAX рассчитывается по формуле:

MAX=2^N-1,

где N — разрешающая способность ШИМ, заданная битами PWM10 и PWM11 регистра TCCR1A.

Частота fшим, с которой повторяются циклы ШИМ рассчитывается по формуле:

f_шим=f_t/c1/(MAX)

Частота f_t/c1 выбирается при помощи битов CS10-CS12 регистра TCCR1B

Регистр TCCR1B

Биты 0-2 используются для выбора частоты тактирования (см. таблицу в разделе таймеры atmega8).

Если CTC1=1, то таймер возвращается в состояние 0x0000 по импульсу, следующему после совпадения счётчика и регистра сравнения OCR1A

Регистр ICES1 определяет каким образом должно передаваться состояние счётчика в регистр захвата ICR1 — по нарастающему (ICES1=1) или ниспадающему фронту сигнала (ICES1=0).

Бит ICNC1 активирует подавление помех.

При включенном режиме ШИМ поведение выходов OC1A/OC1B при совпадении значений в регистрах сравнения и счётном регистре TCNT1 задаётся битами  COM1A1/COM1A0 и COM1B1/COM1B0 регистра TCCR1A следующим образом:

Если у вас есть какие-то замечания по этому документу или что-то осталось непонятно, то вы можете оставить свой отзыв или вопрос

AVR. Аппаратный ШИМ микроконтроллера | CUSTOMELECTRONICS.RU

Широтно-импульсная модуляция (pulse width modulation, PWM) часто используется в цифровой технике. AVR-микроконтроллеры имеют встроенную аппаратную возможность генерировать ШИМ-сигнал.
Особенность этого способа модуляции заключается в том, что он позволяет регулировать постоянную составляющую выходного сигнала средствами логических элементов. Другими словами можно изменять яркость светодиодов, скорость вращения коллекторных двигателей, температуру нагревателей и т.д.
Временная диаграмма ШИМ-сигнала:

ШИМ-сигнал

Подготовка к работе

На нашей плате TutorShield есть трехцветный светодиод. Отдельные цвета подключены к выводам PB1, PB2 и PB3 на которые можно вывести ШИМ-сигнал. Для возможности управления им, установите перемычку «color» так, как показано на рисунке. Всех остальных перемычек быть не должно.

Голубой светодиод подключен к выводу PB1, оранжевый к PB2, зеленый к PB3.

Первый пример

У микроконтроллера есть встроенные таймеры, которые и управляют формированием ШИМ-сигнала. Для использования достаточно правильно настроить таймер и затем для формирования сигнала потребуется только изменять состояние одного регистра.
Вообще, таймеры в микроконтроллерах — очень полезная вещь. Они позволяют точно отмерять время, выполнять «фоновые» программы и т.д. Их полный функционал описан в datasheet от производителя микроконтроллера. В этой статье мы не будем описывать весь функционал таймера, а остановимся только на том, что понадобится нам для генерирования ШИМ-сигнала.
Прежде чем начать объяснения, давайте посмотрим как это будет выглядеть. Скомпилируйте и загрузите в память микроконтроллера следующую программу:

#define F_CPU 16000000UL //16MHz
#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>

#define BLUE_PB     1
#define BLUE_PWM    OCR1A
#define ORANGE_PB   2
#define ORANGE_PWM  OCR1B
#define GREEN_PB    3
#define GREEN_PWM   OCR2

void pin_init(void) {
    DDRB |= (1<<BLUE_PB) | (1<<ORANGE_PB) | (1<<GREEN_PB);
    PORTB &= ~((1<<BLUE_PB) | (1<<ORANGE_PB) | (1<<GREEN_PB));
}

void timer1_init(void) {
    TCCR1A |= (1 << COM1A1) | (1 << WGM11);
    TCCR1B |= (1 << WGM13) | (1 << WGM12) | (1 << CS10);
    TCNT1 = 0x00;
    ICR1 = 0xFF;
    OCR1A = 0x00;
}

int main(void) {
    pin_init();
    timer1_init();
    while(1) {
        BLUE_PWM = 250;
        _delay_ms(1000);
        BLUE_PWM = 50;
        _delay_ms(1000);
    }
}

То что программа делает хорошо видно в функции main(). С периодичностью в 1000мс она изменяет яркость светодиода:

Теперь давайте подробно разберемся с настройкой таймера.

Настройка таймера

Вся программа сводится к тому, что необходимо правильно настроить таймер, а затем остается просто в правильный регистр записывать требуемое значение скважности сигнала. После этого вам уже не надо будет думать о том, как работать с выходом — управление им берет на себя модуль таймера.
Таймеры в микроконтроллерах — очень мощный инструмент. Сейчас мы остановимся только на том, как сконфигурировать их на генерирование ШИМ-сигнала. Более подробно о работе с таймерами мы расскажем в следующих статьях. Исчерпывающую информацию о работе таймеров можно получить из даташита.
Вернемся к нашей программе. В ней первым делом настраиваются сразу все нужные выводы на выход, а затем происходит инициализация таймера. По порядку рассмотрим в каких регистрах и какие функции включены в нашей программе:

1. Timer/Counter 1 Control Register A – TCCR1A. Бит COM1A1 это регистра отвечает за сброс таймера при совпадении. Бит WGM11 связан с битами WGM12 и WGM13 следующего регистра.
2. Timer/Counter 1 Control Register B – TCCR1B. Биты WGM11, WGM12, WGM13, выставленные одновременно, переводят таймер в режим генерирования ШИМ-сигнала. Бит CS10 задает скорость счета таймера одновременно запускает таймер и задает делитель частоты тактового сигнала. Если не задать никакой делитель — таймер будет остановлен. С битом CS10 делитель будет равен единице, то есть таймер будет тактироваться от кварца.
3. Timer/Counter 1 – TCNT1H и TCNT1L. В этих двух регистрах хранится состояние таймера. Именно в них с каждым «тиком» кварца увеличивается хранимое значение. Обнулим его, на всякий случай
4. Input Capture Register 1 – ICR1H и ICR1L. Это период следования импульсов. То есть, когда содержимое регистра TCNT1 достигнет значения 0xFF начнется следующий период сигнала
5. Output Compare Register 1A — OCR1AH и OCR1AL. Задает скважность. То есть пока в регистре TCNT1 значение меньше OCR1A, то на выводе «1», а после этого «0»

Все это гораздо проще понять по следующей картинке:

Диаграмма работы таймера

Мы предположим, в регистр OCR1A записано значение «100».
Тактовый сигнал у нас задан без делителя. Период следования тактовых импульсов 1/16МГц = 62,5нс. С каждым новым тактом, состояние регистра TCNT1 увеличивается на единицу. При это постоянно происходит его сравнение с регистрами OCR1A и ICR1. Как только он досчитывает до OCR1A происходит переключение состояния вывода из «1» в «0». При достижении значения ICR1 состояние TCNT1 сбрасывается в ноль, на выводе снова выставляется «1» и начинается следующий период сигнала.
Несложно посчитать период следования импульсов в нашем проекте: 255*62,5 = 15937,5нс. Примерно 16мкс. Частота при этом 62,5кГц. Это очень большая частота и снизить ее можно увеличив делитель или/и значение ICR1.
В итоге, чтобы изменить скважность сигнала остается только записать новое значение в регистр OCR1. Мы переопределили его директивой

#define BLUE_PWM    OCR1A

В бесконечном цикле программа именно это и происходит: устанавливаем относительную скважность 200, ждем 1с, скважность 50, ждем 1с. Осталось только самое простое — понять на каком выводе будет этот сигнал. Изменить это нельзя и формироваться он будет на выводе OC1A, который в микроконтроллере Atmega8 подключен к 13му пину PB1 (или D9 выводу Arduino).

Второй пример

Теперь сделаем циклическое изменение яркости. Для потребуется только добавить цикл, перебирающий возможные значения скважности от 0 до 255. Сделаем его при помощи простой функции for().

#define F_CPU 16000000UL //16MHz
#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>

#define BLUE_PB     1
#define BLUE_PWM    OCR1A
#define ORANGE_PB   2
#define ORANGE_PWM  OCR1B
#define GREEN_PB    3
#define GREEN_PWM   OCR2

void pin_init(void) {
    DDRB |= (1<<BLUE_PB) | (1<<ORANGE_PB) | (1<<GREEN_PB);
    PORTB &= ~((1<<BLUE_PB) | (1<<ORANGE_PB) | (1<<GREEN_PB));
}

void timer1_init(void) {
    TCCR1A |= (1 << COM1A1) | (1 << WGM11);
    TCCR1B |= (1 << WGM13) | (1 << WGM12) | (1 << CS10);
    TCNT1 = 0x00;
    ICR1 = 0xFF;
    OCR1A = 0x00;
}

int main(void) {
    pin_init();
    timer1_init();
    while(1) {
        for (int i=0; i<256; i++) {
            BLUE_PWM = i;
            _delay_ms(10);
        }
    }
}

Если все сделано правильно — то работа будет выглядеть вот так:

Третий пример

Всего в микроконтроллере Atmega8 два аппаратных таймера — 16ти-битный и 8ми-битный. Причем в первом есть сразу два модуля сравнения и он может формировать одновременно два разных ШИМ-сигнала. Третий ШИМ-сигнал может быть сформирован при помощи второго таймера. То есть всего на трех выводах может быть сгенерирован аппаратный ШИМ. Это выводы МК PB1, PB2 и PB3. Именно этим обусловлены ограничения функции Arduino analogWrite().
В этом разделе настроим еще два канала и будем управлять остальными светодиодами.
Для этого потребуется только дополнительно выставить бит COM1B1 и начать управлять регистром OCR1B. На эти действия будет реагировать оранжевый светодиод, подключенный к выводу PB2.
Для использования третьего канала придется вставить дополнительную функцию timer2_init() для запуска второго таймера.

#define F_CPU 16000000UL //16MHz
#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>

#define BLUE_PB     1
#define BLUE_PWM    OCR1A
#define ORANGE_PB   2
#define ORANGE_PWM  OCR1B
#define GREEN_PB    3
#define GREEN_PWM   OCR2

void pin_init(void) {
    DDRB |= (1<<BLUE_PB) | (1<<ORANGE_PB) | (1<<GREEN_PB);
    PORTB &= ~((1<<BLUE_PB) | (1<<ORANGE_PB) | (1<<GREEN_PB));
}

void timer1_init(void) {
    TCCR1A |= (1 << COM1A1) | (1 << COM1B1) | (1 << WGM11);
    TCCR1B |= (1 << WGM13) | (1 << WGM12) | (1 << CS10);
    TCNT1 = 0x00;
    ICR1 = 0xFF;
    OCR1A = 0x00;
    OCR1B = 0x00;
}

void timer2_init(void) {
    TCCR2 |= (1 << COM21) | (1 << WGM21) | (1 << WGM20) | (1 << CS20);
    TCNT2 = 0x00;
    OCR2 = 0x00;
}

int main(void) {
    pin_init();
    timer1_init();
    timer2_init();
    while(1) {
        for (int i=0; i<256; i++) {
            BLUE_PWM = i;
            _delay_ms(10);
        }
        BLUE_PWM = 0;
        for (int i=0; i<256; i++) {
            ORANGE_PWM = i;
            _delay_ms(10);
        }
        ORANGE_PWM = 0;
        for (int i=0; i<256; i++) {
            GREEN_PWM = i;
            _delay_ms(10);
        }
        GREEN_PWM = 0;
    }
}

Второй таймер имеет гораздо меньше функций и настраивать его проще. Бит COM21 выводит сигнал на ногу. Биты WGM21 и WGM20 переводят таймер в режим формирования ШИМ. CS20 задает делатель тактового сигнала, равный нулю. Как видите, тут изменять частоту получится только при помощи делителя.
Вот видео работы этого примера:

Индивидуальные задания

1. Измените третий пример так, чтобы после плавного увеличения яркости, светодиоды гасли плавно.
2. Подберите соотношение яркости светодиодов так, чтобы добиться белого свечения светодиода.

Остальные статьи цикла можно найти здесь.

Мы будем очень рады, если вы поддержите наш ресурс и посетите магазин наших товаров shop.customelectronics.ru.

Микроконтроллеры и Технологии — Занятие №8. Реализация ШИМ

Под режимом работы 16-разр. таймера понимается его алгоритм счета и поведение связанного с ним выхода формирователя импульсов, что определяется комбинацией бит, задающих режим работы таймера (WGMn3-0) и режим формирования выходного сигнала (COMnx1:0). При этом биты задания режима формирования выходного сигнала не влияют на алгоритм счета, т.к. алгоритм счета зависит только от состояния бит задания режима работы таймера. В режимах с ШИМ биты COMnx1:0 позволяют включить/отключить инверсию на генерируемом ШИМ-выходе (т.е. выбрать ШИМ с инверсией или ШИМ без инверсии). Для режимов без ШИМ биты COMnx1:0 определяют, какое действие необходимо выполнить при возникновении совпадения: сбросить, установить или инвертировать выход (см. также “Блок формирования выходного сигнала” и «Временные диаграммы 16-разр. таймеров-счетчиков»).

Нормальный режим работы

Самым простым режимом работы является нормальный режим (WGMn3-0 = 0b0000). В данном режиме счетчик работает как суммирующий (инкрементирующий), при этом сброс счетчика не выполняется. Переполнение счетчика происходит при переходе через максимальное 16-разр. значение (0xFFFF) к нижнему пределу счета (0x0000). В нормальном режиме работы флаг переполнения таймера-счетчика TOVn будет установлен на том же такте синхронизации, когда TCNTn примет нулевое значение.

Фактически, флаг переполнения TOVn является 17-ым битом таймера-счетчика за тем исключением, что он только устанавливается и не сбрасывается. Однако программно это свойство может быть использовано для повышения разрешающей способности таймера, если использовать прерывание по переполнению таймера, при возникновении которого флаг TOVn сбрасывается автоматически. Для нормального режима работы не существует каких-либо особых ситуаций, поэтому запись нового состояния счетчика может быть выполнена в любой момент.

В нормальном режиме можно использовать блок захвата. Однако при этом следует соблюдать, чтобы максимальный интервал времени между возникновениями внешних событий не превысил периода переполнения счетчика. Если такое условие не соблюдается, необходимо использовать прерывание по переполнению таймера-счетчика или предделитель.

Блок сравнения может использоваться для генерации прерываний. Не рекомендуется использовать выход OCnx для генерации сигналов в нормальном режиме работы, т.к. в этом случае будет затрачена значительная часть процессорного времени.

Режим сброса таймера при совпадении (СТС)

В режиме СТС (WGM01, WGM00 =0b10) регистр OCR0 используется для задания разрешающей способности счетчика. Если задан режим CTC и значение счетчика (TCNT0) совпадает со значением регистра OCR0, то счетчик обнуляется (TCNT0=0). Таким образом, OCR0 задает вершину счета счетчика, а, следовательно, и его разрешающую способность. В данном режиме обеспечивается более широкий диапазон регулировки частоты генерируемых прямоугольных импульсов. Он также упрощает работу счетчика внешних событий.

В режиме сброса таймера при совпадении (WGMn3-0 = 0b0100 или 0b1100) разрешающая способность таймера задается регистрами OCRnA или ICRn. В режиме СТС происходит сброс счетчика (TCNTn), если его значение совпадает со значением регистра OCRnA (WGMn3-0 = 0b0100) или с ICRn (WGMn3-0 = 0b1100). Значение регистра OCRnA или ICRn определяет верхний предел счета, а, следовательно, и разрешающую способность таймера. В данном режиме обеспечивается более широкий диапазон регулировки частоты генерируемых прямоугольных импульсов. Он также упрощает работу счетчика внешних событий. Временная диаграмма работы таймера в режиме СТС показана на рисунке 1. Счетчик (TCNTn) инкрементирует свое состояние до тех пор, пока не возникнет совпадение со значением OCRnA или ICRn, а затем счетчик (TCNTn) сбрасывается.

Рисунок 1 – Временная диаграмма для режима СТС

По достижении верхнего предела счета может генерироваться прерывание с помощью флагов OCFnA или ICFn, соответствующим используемым регистрам для задания верхнего предела счета. Если прерывание разрешено, то процедура обработки прерывания может использоваться для обновления верхнего предела счета. Однако, задание значения вершины счета близкого к значению нижнего предела счета, когда счетчик работает без предделения или с малым значением предделения, необходимо выполнять с особой осторожностью, т.к. в режиме СТС нет двойной буферизации. Если значение, записанное в OCRnA или ICRn, меньше текущего значения TCNTn, то сброс счетчика по условию совпадения наступит, когда он достигнет максимального значения (0xFFFF), затем перейдет в исходное состояние 0x0000 и достигнет нового значения OCRnA или ICRn. Во многих случаях возникновение такой ситуации не желательно. В качестве альтернативы может выступить режим быстрой ШИМ, где регистр OCRnA определяет верхний предел счета (WGMn3-0 = 0b1111), т.к. в этом случае OCRnA имеет двойную буферизацию.

Для генерации сигнала в режиме CTC выход OCnA может использоваться для изменения логического уровня при каждом совпадении, для чего необходимо задать режим переключения (COMnA1, COMnA0 = 0b01). Значение OCnA будет присутствовать на выводе порта, только если для данного вывода задано выходное направление. Максимальная частота генерируемого сигнала равна fOC0 = fclk_I/O/2, если OCRnA = 0x0000. Для других значений OCRn частоту генерируемого сигнала можно определить по формуле:

где переменная N задает коэффициент деления предделителя (1, 8, 32, 64, 128, 256 или 1024).

Также как и для нормального режима работы, флаг TOV0 устанавливается на том же такте таймера, когда его значение изменяется с 0xFFFF на 0x0000.

Режим быстрой ШИМ (FAST PWM)

Режим быстрой широтно-импульсной модуляции (ШИМ) (WGMn3-0 = 0b0101, 0b0110, 0b0111, 0b1110, 0b1111) предназначен для генерации ШИМ-импульсов повышенной частоты. В отличие от других режимов работы в этом используется однонаправленная работа счетчика. Счет выполняется в направлении от нижнего к верхнему пределу счета.

Если задан неинвертирующий режим выхода, то при совпадении TCNTn и OCRnx сигнал OCnx устанавливается, а на верхнем пределе счета сбрасывается. Если задан инвертирующий режим, то выход OCnx сбрасывается при совпадении и устанавливается на верхнем пределе счета. За счет однонаправленности счета, рабочая частота для данного режима в два раза выше по сравнению с режимом ШИМ с фазовой коррекцией, где используется двунаправленный счет. Возможность генерации высокочастотных ШИМ сигналов делает использование данного режима полезным в задачах стабилизации питания, выпрямления и цифро-аналогового преобразования. Высокая частота, при этом, позволяет использовать внешние элементы физически малых размеров (индуктивности, конденсаторы), тем самым снижая общую стоимость системы.

Разрешающая способность ШИМ может быть фиксированной 8, 9 или 10 разрядов или задаваться регистром ICRn или OCRnA, но не менее 2 разрядов (ICRn или OCRnA = 0x0003) и не более 16 разрядов (ICRn или OCRnA = 0xFFFF). Разрешающая способность ШИМ при заданном значении верхнего предела (ВП) вычисляется следующим образом:

В режиме быстрой ШИМ счетчик инкрементируется до совпадения его значения с одним из фиксированных значений 0x00FF, 0x01FF или 0x03FF (если WGMn3:0 = 0b0101, 0b0110 или 0b0111, соответственно), значением в ICRn (если WGMn3:0 = 0b1110) или значением в OCRnA (если WGMn3:0 = 0b1111), а затем сбрасывается следующим тактом синхронизации таймера. Временная диаграмма для режима быстрой ШИМ представлена на рисунке 2. На рисунке показан режим быстрой ШИМ, когда для задания верхнего предела используется регистр OCRnA или ICRn. Значение TCNTn на временной диаграмме показано в виде графика функции для иллюстрации однонаправленности счета. На диаграмме показаны как инвертированный, так и неинвертированный ШИМ-выходы. Короткой горизонтальной линией показаны точки на графике TCNTn, где совпадают значения OCRnx и TCNTnx. Флаг прерывания OCnx устанавливается при возникновении совпадении.

Рисунок 2 – Временная диаграмма для режима быстрой ШИМ

Флаг переполнения таймера-счетчика (TOVn) устанавливается всякий раз, когда счетчик достигает верхнего предела. Дополнительно тем же тактовым импульсом вместе с флагом TOVn могут установиться флаги OCnA или ICFn, если для задания верхнего предела используется регистр OCRnA или ICRn, соответственно. Если одно из этих прерываний разрешено, то в процедуре обработки прерывания может быть выполнено обновление верхнего предела счета и порогов сравнения.

Если изменяется значение верхнего предела счета, то необходимо соблюдение условия, чтобы записываемое новое значение верхнего предела было больше или равно значений во всех регистрах порога сравнения. В противном случае совпадение между TCNTn и OCRnx никогда не возникнет. Обратите внимание, что при использовании фиксированных значений верхнего предела во время записи в регистры OCRnx происходит маскирование к 0 неиспользуемых разрядов.

Механизм модификации регистра ICRn отличается от OCRnA в том случае, если он используется для задания верхнего предела. Регистр ICRn не имеет двойной буферизации. Это означает, что если в ICRn записывается малое значение во время работы счетчика с малым предделением или без него, то имеется опасность записи в регистр ICRn значения, которое окажется меньше текущего значения TCNTn. Как результат, в такой ситуации будет пропущено совпадение на вершине счета. В этом случае счетчик дойдет до максимального значения (0xFFFF), перезапустится со значения 0x0000, а только затем возникнет совпадение. Регистр OCRnA содержит схему двойной буферизации, поэтому, его можно модифицировать в любой момент времени.

Если выполняется запись по адресу OCRnA, то фактически значение помещается в буферный регистр OCRnA. Если же возникает совпадение между TCNTn и вершиной счета, то следующим тактом синхронизации таймера происходит копирование буферного регистра в регистр порога сравнения OCRnA. Обновление регистра выполняется тем же тактом, что и сброс TCNTn и установка флага TOVn.

Рекомендуется использовать регистр ICRn для задания верхнего предела, если верхний предел счета является константой. В этом случае также освобождается регистр OCRnA для генерации ШИМ-сигнала на выходе OCnA. Однако, если частота ШИМ динамически изменяется (за счет изменения верхнего предела), то в этом случае выгоднее использовать регистр OCRnA для задания верхнего предела, т.к. он поддерживает двойную буферизацию.

В режиме быстрой ШИМ блоки сравнения позволяют генерировать ШИМ-сигналы на выводах OCnx. Если COMnx1:0 =0b10, то задается ШИМ без инверсии выхода, а если COMnx1:0 = 0b11, то задается режим ШИМ с инверсией на выходе (см. таблицу 59). Фактическое значение OCnx можно наблюдать на выводе порта, если для него задано выходное направление (DDR_OCnx). ШИМ-сигнал генерируется путем установки (сброса) регистра OCnx при возникновении совпадения между OCRnx и TCNTn, а также путем сброса (установки) регистра OCnx вместе со сбросом счетчика (переход с верхнего предела на нижний предел).

Частота ШИМ выходного сигнала для заданного значения верхнего предела (ВП) определяется выражением:

где N – переменная, которая задает значение коэффициента предделения (1, 8, 32, 64, 128, 256 или 1024).

Запись предельных значений в регистр OCRnx связана с особыми случаями в генерации ШИМ-импульсов. Если OCRnx установить равным нижнему пределу (0x0000), то на выходе будет возникать короткий импульс каждый (ВП+1)-ый такт синхронизации таймера. Запись в OCRnx значения равного верхнему пределу приведет к установке постоянного уровня лог. 1 или 0 на выходе (зависит от выбранной с помощью бит COMnx1:0 полярности выходного сигнала).

Если требуется генерация меандра (прямоугольные импульсы со скважностью 2 или заполнением 50%) высокой частоты, то необходимо использовать режим быстрой ШИМ с установкой бит COMnA1:0 = 0b01, которая вызывает переключение (инвертирование) логического уровня на выходе OCnA при каждом совпадении. Данное применимо, только если OCRnA используется для задания верхнего предела (WGMn3-0 =0b1111). Максимальная генерируемая частота меандра в этом случае fOCnA = fclk_I/O/2, если OCRnA =0x0000. Данная особенность аналогична переключению OCnA в режиме СТС за исключением двойной буферизации, которая имеется в режиме быстрой ШИМ.

Режим широтно-импульсной модуляции с фазовой коррекцией (Phase Correct)

Режим широтно-импульсной модуляции с фазовой коррекцией (ШИМ ФК) (WGMn3-0 = 0b0001, 0b010, 0b0011, 0b1010 или 0b1011) предназначен для генерации ШИМ сигнала с фазовой коррекцией и высокой разрешающей способностью. Режим ШИМ ФК основан на двунаправленной работе таймера-счетчика. Счетчик циклически выполняет счет в направлении от нижнего предела (0x0000) до верхнего предела, а затем обратно от верхнего предела к нижнему пределу. Если задан неинвертирующий режим выхода формирователя импульсов, то выход OCnx сбрасывается/устанавливается при совпадении значений TCNTn и OCRnx во время прямого/обратного счета. Если задан инвертирующий режим выхода, то, наоборот, во время прямого счета происходит установка, а во время обратного – сброс выхода OCnx. При двунаправленной работе максимальная частота ШИМ-сигнала меньше, чем при однонаправленной работе, однако, за счет такой особенности, как симметричность в режимах ШИМ с двунаправленной работой, данные режимы предпочитают использовать при решении задач управления приводами.

Разрешающая способность ШИМ в данном режиме может быть либо фиксированной (8, 9 или 10 разрядов) либо задаваться с помощью регистра ICRn или OCRnA. Минимальная разрешающая способность равна 2-м разрядам (ICRn или OCRnA = 0x0003), а максимальная -16-ти разрядам (ICRn или OCRnA =0xFFFF). Если задан верхний предел, то разрешающая способность ШИМ в данном режиме определяется следующим образом:

В режиме ШИМ ФК счетчик инкрементируется пока не достигнет одного из фиксированных значений 0x00FF, 0x01FF или 0x03FF (соответственно для WGMn3-0 = 0b0001, 0b0010 или 0b0011), а также значения равного ICRn (если WGMn3-0 = 0b1010) или OCRnA (если WGMn3:0 = 0b1011). Далее, при достижении верхнего предела, счетчик изменяет направление счета. Значение TCNTn остается равным верхнему пределу в течение одного такта синхронизации таймера. Временная диаграмма для режима ШИМ ФК представлена на рисунке 3. На рисунке показан режим ШИМ ФК с использованием регистра OCRnA или ICRn для задания верхнего предела. Состояние TCNTn представлено в виде графика функции для иллюстрации двунаправленности счета. На рисунке представлены, как неинвертированный, так и инвертированный ШИМ-выход. Короткие горизонтальные линии указывают точки на графике изменения TCNTn, где возникает совпадение со значением OCRnx. Флаг прерывания OCnx устанавливается при возникновении совпадения.

Рисунок 3 – Временная диаграмма для режима ШИМ ФК

Флаг переполнения таймера-счетчика (TOVn) устанавливается всякий раз, когда счетчик достигает нижнего предела. Если для задания верхнего предела используется регистр OCRnA или ICRn, то, соответственно устанавливается флаг OCnA или ICFn тем же тактовым импульсом, на котором произошло обновление регистра OCRnx из буферного регистра (на вершине счета). Флаги прерывания могут использоваться для генерации прерывания по достижении счетчиком нижнего или верхнего предела.

При изменении значения верхнего предела счета необходимо следить, чтобы оно было больше или равно значениям во всех регистрах сравнения. В противном случае совпадение между TCNTn и OCRnx никогда не возникнет. Обратите внимание, что при использовании фиксированных значений верхнего предела счета во время записи в регистры OCRnx неиспользуемые разряды обнуляются. Третий период на рисунке 53 иллюстрирует случай, когда динамическое изменение верхнего предела счета приводит к генерации несимметричного импульса. Данная особенность основывается на времени обновления регистра OCRnx. Поскольку, обновление OCRnx возникает на вершине счета, то и период ШИМ начинается и заканчивается на вершине счета. Это подразумевает, что длительность обратного счета определяется предыдущим значением верхнего предела, а прямого – новым значением верхнего предела. Если два этих значения разные, то и длительность прямого и обратного счета будет также отличаться. Различие в длительности приводит несимметричности выходных импульсов.

Если стоит задача изменения верхнего предела при работающем счетчике, то вместо этого режима рекомендуется использовать режим ШИМ ФЧК (фазовая и частотная коррекция). Если используется статическое значение верхнего предела, то между данными режимами практически нет отличий.

В режиме ШИМ ФК блоки сравнения позволяют генерировать ШИМ-сигналы на выводах OCnx. Если установить COMnx1:0 = 0b10, то выход ШИМ будет без инверсии, а если COMnx1:0=0b11, то с инверсией. Фактическое значение OCnx можно наблюдать на выводе порта, если в регистре направления данных для данного вывода порта задано выходное направление (DDR_OCnx). ШИМ-сигнал генерируется путем установки (сброса) регистра OCnx при совпадении значений OCRnx и TCNTn во время прямого счета, а также путем сброса (установки) регистра OCnx при совпадении между OCRnx и TCNTn во время обратного счета. Результирующая частота ШИМ-сигнала в режиме ШИМ ФК при заданном верхнем пределе (ВП) может быть вычислена по следующему выражению:

где N – коэффициент деления предделителя (1, 8, 32, 64, 128, 256 или 1024).

Запись предельных значений в регистр OCRnx связано с особыми случаями в генерации ШИМ-сигналов в режиме ШИМ ФК. Если задать режим ШИМ без инверсии и OCRnx установить равным нижнему пределу, то на выходе непрерывно будет установлен лог. 0, а если равным верхнему пределу, то на выходе постоянно присутствует лог. 1. Для ШИМ с инверсией указанные уровни необходимо заменить противоположными.

Если задать использование OCnA в качестве верхнего предела (WGMn3:0 = 0b1011) и установить COMnA1:0 =0b01, то на выходе OCnA будет генерироваться меандр.

Режим широтно-импульсной модуляции с фазовой и частотной коррекцией (Phase and Frequency Correct)

Режим широтно-импульсной модуляции с фазовой и частотной коррекцией (ШИМ ФЧК) (WGMn3-0 = 0b1000 или 0b1001) предназначен для генерации ШИМ-импульсов высокой разрешающей способности с фазовой и частотной коррекцией. Также как и режим ШИМ ФК режим ШИМ ФЧК основан на двунаправленной работе счетчика. Счетчик циклически считает от нижнего предела (0x0000) до верхнего предела, а затем обратно от верхнего предела к нижнему пределу. Если задан неинвертирующий режим ШИМ, то выход OCnx сбрасывается, если возникает совпадение между TCNTn и OCRnx во время прямого счета, и устанавливается, если возникает совпадение во время обратного счета. В инвертирующем режиме работа инверсная. Двунаправленная работа, по сравнению с однонаправленной, связана с генерацией более низких частот. Однако, благодаря симметричности в режимах ШИМ с двунаправленным счетом, их применение предпочтительно в задачах управления приводами.

Основное отличие между режимами ШИМ ФК и ШИМ ФЧК состоит в моменте обновления регистра OCRnx из буферного регистра OCRnx (см. рисунок 3 и рисунок 4).

Разрешающая способность ШИМ в этом режиме может задаваться с помощью регистра ICRn или OCRnA. Минимальная разрешающая способность равна 2-ум разрядам (ICRn или OCRnA = 0x0003), а максимальная разрешающая способность — 16-ти разрядам (ICRn или OCRnA = 0xFFFF). Разрешающая способность ШИМ в разрядах может быть вычислена по следующему выражению:

В режиме ШИМ ФЧК счетчик инкрементируется до совпадения со значением в ICRn (WGMn3:0 = 0b1000) или в OCRnA (WGMn3:0 = 0b1001). Это означает достижение вершины счета, после чего происходит изменение направления счета. Значение TCNTn остается равным вершине счета в течение одного такта синхронизации таймера. Временная диаграмма для режима ШИМ ФЧК показана на рисунке 54. На рисунке показан режим ШИМ ФЧК, когда вершину счета задает регистр OCRnA или ICRn. Значение TCNTn показано в виде графика функции для иллюстрации двунаправленности счета. На диаграмме показан как неинвертирующий, так и инвертирующий ШИМ выходы. Короткие горизонтальные линии указывают на точки график TCNTn, где возникает совпадение между OCRnx и TCNTn. Флаг прерывания OCnx устанавливается после возникновения совпадения.

Рисунок 4 – Временная диаграмма режима ШИМ с фазовой и частотной коррекцией

Флаг переполнения таймера-счетчика (TOVn) устанавливается тем же тактом, когда произошло обновление регистров значением из буферного регистра (на нижнем пределе счета). Если для задания верхнего предела используется регистр OCRnA или ICRn, то по достижении счетчиком верхнего предела устанавливается флаг OCnA или ICFn, соответственно. Флаги прерывания могут использоваться для генерации прерывания при достижении счетчиком верхнего или нижнего предела.

При изменении верхнего предела необходимо следить, чтобы новое значение было больше или равно значениям во всех регистрах порога сравнения. В противном случае, если задано значение верхнего предела меньше любого из значений регистров порога сравнения, совпадение между TCNTn и OCRnx никогда не наступит.

На рисунке 4 показано, что в отличие от режима ШИМ ФК, генерируемый выходной сигнал симметричен на всех периодах. Поскольку, регистры OCRnx обновляются на нижнем пределе счета, то длительности прямого и обратного счетов всегда равны. В результате выходные импульсы имеют симметричную форму, а, следовательно, и откорректированную частоту.

Использование регистра ICRn для задания верхнего предела рекомендуется, если значение верхнего предела является константой. В этом случае также освобождается регистр OCRnA для широтно-импульсной модуляции импульсов на выводе OCnA. Однако если требуется динамическое изменение частоты ШИМ за счет изменения верхнего предела, то для задания верхнего предела рекомендуется использовать регистр OCRnA за счет наличия у него двойной буферизации.

В режиме ШИМ ФЧК блоки сравнения позволяют генерировать ШИМ-импульсы на выводе OCnx. Если COMnx1:0 = 0b10, то задается неинвертирующий ШИМ выход, а, если COMnx1:0=0b11, то инвертирующий (см. таблицу 60). Значение OCnx будет присутствовать на соответствующем выводе порта только в случае, если для него задано выходное направление. ШИМ сигнал генерируется путем установки (сброса) регистра OCnx при совпадении между OCRnx и TCNTn во время прямого счета и сброса (установки) регистра OCnx при совпадении между OCRnx и TCNTn во время обратного счета. Частота ШИМ в данном режиме при заданном верхнем пределе (ВП) счета определяется следующим образом:

где N – коэффициент деления предделителя (1, 8, 32, 64, 128, 256 или 1024).

Запись предельных значений в регистр OCRnx связана с особыми случаями в генерации ШИМ-сигналов в данном режиме. Если задать OCRnx равным нижнему пределу (0x0000), то в неинвертирующем режиме на выходе будет постоянного присутствовать низкий логический уровень, а при записи значения равного верхнему пределу на выходе будет длительно присутствовать высокий логический уровень. В инвертирующем режиме приведенные уровни будут противоположными.

Если OCRnA используется для задания верхнего предела (WGMn3:0 = 0b1001) и COMnA1:0 = 0b01, то на выходе OCnA будет генерироваться меандр.