Impulzus-szélesség moduláció (PWM)

Az időzítő/számláló egységek egyik felhasználási területe a digitális jelsorozattal történő vezérlés, impulzus-szélesség moduláció segítségével (PWM = Pulse Width Modulation), amelynél olyan állandó frekvenciájú jeleket keltünk, ahol a szabályozás a jel kitöltési tényezőjének változtatásával történik. Néhány különböző kitöltési tényezőjű PWM jelet mutat be a következő ábra:

9_1. ábra: Azonos periódusú, de különböző kitöltésű impulzus-sorozatok
(az ábrát John Davies "MSP430 Microcontroller Basics" c. könyvéből kölcsönöztük)

A PWM üzemmódok részletes ismertetése az MSP430x2xx Family Users Guide kézikönyv 12. fejezetében, valamint a cikksorozatom második részének 8. oldalán található. Itt most csak a korábbi példaprogramok új kiadású Launchpad kártyára történő adaptálására szorítkozunk.

2_pwm_soft

A PWM alapjainak megértéséhez először szoftveresen állítunk elő PWM jelet, az időzítésekhez  LED villogtatásnál már megszokott késleltető függvényeket használva. A programban a PWM jel segítségével a LED1 fényerejét  változtatjuk folyamatosan, mintha a LED "lélegezne".

A szükséges változtatások: A program nem igényel módosítást (csak a mikrovezérlő típusát kell átállítani a projektben).

2_pwm_led

Ebben a programban már felhasználjuk a Timer_A modul nyújtotta hardveres támogatást a PWM jel előállítására. Most LED2 fényerejét  változtatjuk, mivel ehhez a LED-hez kapcsolódik hardveres Compare kimenet (a TA0.1 kimenet). A PWM frekvenciát 100 Hz-nek választottuk meg (kisebb frekvencia esetén a szemünk már észrevenné a "repkedést"), a kitöltést pedig ~2 s alatt 0-tól 200-ig (pontosabban csak 198-ig) változtatjuk. A kitöltést nem lineárisan, hanem négyzetesen növekedő számokkal állítjuk be, tehát a 0, 1, 4, 9, 16, 25, ... stb. sorozatot állítjuk elő.A szemünk így egyenletesebbnek érzékeli a fényerő változásokat.

Üzemmód beállítások

• A PWM frekvenciát 100 Hz-nek választottuk meg (kisebb frekvencia esetén a szemünk már észrevenné a "repkedést"), a kitöltést pedig ~2 s alatt 0-tól 200-ig (pontosabban csak 198-ig) változtatjuk.
• Timer:  MCx=1 (felfelé számlálás), megszakítást nem használunk
• CCR0: üzemmód állítás nincs, kimenetet és interruptot nem használunk. TACCR0 = 10 000 - 1 (a periódus)
• CCR1: OUTMOD = 7 (reset/set mód). A kimenetet P1.6-ra irányítjuk, így LED2 közvetlenül vezérelhető a PWM jellel. CCIFG1 megszakítását engedélyezzük, s a megszakításokban változtatjuk a kitöltést.

A PWM mód beállításához TACCR0-ba írjuk a periódust megszabó számot, 10 000 - 1-et, mivel a periódus TACCR0 + 1 lesz. A TACCR1 regiszterbe pedig a kitöltést írjuk. A kitöltés értéke egy 0 és TACCR0 közötti szám lehet. Előbbi a 0, utóbbi a 100 %-os kitöltési tényezőnek felel meg. Arra azonban ügyelnünk kell, hogy TACCR1 ne haladja meg TACCR0 értékét, mert akkor nem kapunk megszakítást (TAR sohasem éri el TACCR1 értékét)!

A beállítások után a főprogramnak nem lesz több dolga, ezért aludni küldhetjük (M_CLK lekapcsolható). Vigyáznunk kell azonban arra, hogy SM_CLK és  DC_O nem kapcsolható le, ezért itt most csak az LPM0 módot használhatjuk. Az energiatakarékos módot beállító __low_power_mode_0() függvényhívás egyúttal az interrupt engedélyezését is elvégzi (az SR státusz regiszter GIE bitjét is '1'-be állítja.

A szükséges változtatások:   A megszakítási vektor neve: TIMERA1_VECTOR helyett TIMER0_A1_VECTOR.

2_pwm_led2 

Ez az előző példa módosított változata, amelyben a TIMERA0_VECTOR (CCIFG0)  megszakításakor frissítjük a PWM kitöltés értékét.  Itt arra kell ügyelnünk, hogy a kis kitöltési értékeket beállításával ne késsük le azt, hogy a Timer számlálója túlcsordul, majd felfelé lépkedve meghaladja a kitöltés értéket.  Ehhez az M_CLK értékét minél magasabbra frekvenciájúnak, Timer_A bemenőjelét pedig minél alacsonyabb frekvenciájúnak célszerű megválasztani,  Ebben a példában M_CLK = 1 MHz (DCO), Timer_A bemenőjelét pedig az A_CLK, a V_LO 12 kHz-es órajele szolgáltatja.  Az A_CLK = 12 kHz-es órajel miatt a 100 Hz-es PWM frekvencia biztosításához 1200 impulzust kell leszámolni, tehát TACCR0 = 119 legyen. A LED kb. 2 s-os félperiódusa alatt 200 lépésben négyzetesen növekvő kitöltést adunk meg, a következő 200 periódusban pedig csökkenő kitöltéssel lépkedünk vissza. Most  végrehajthatunk 200 lépést, nem kell a TACCR1 < TACCR0 feltétel teljesülésével foglalkoznunk, mert a 0. sorszámú Capture/Compare csatornából garantáltan kapunk megszakítást, 100 %-os kitöltésnél sem "akad el" a programunk!

Üzemmód beállítások

• Timer:  MCx=1 (felfelé számlálás), megszakítást nem használunk
• CCR0: üzemmód állítás nincs, a CCIFG0 megszakítást engedélyezzük, s a megszakításokban változtatjuk a kitöltést (a TACCR1 regiszter tartalmát). A PWM frekvencia 100 Hz, ennek beállításához TACCR0 = 120 - 1 = 119
• CCR1: OUTMOD = 7 (reset/set mód). A kimenetet P1.6-ra irányítjuk, így LED2 közvetlenül vezérelhető a PWM jellel. A CCIFG1 megszakítást most nem engedélyezzük.

A szükséges változtatások:   A megszakítási vektor neve: TIMERA0_VECTOR helyett TIMER0_A0_VECTOR.

2_pwm_cont

A PWM üzemmódoknál a TACCR0 csatorna hivatalosan a PWM frekvencia beállítására szolgál (a Timer modul TAR számlálja a futó időt, TACCR0 pedig a periódust állítja be). Egy kis trükközéssel azonban megoldható, hogy TACCR0 felszabaduljon, és egy további PWM csatorna vezérlésre használhassuk: a számlálót szabadonfutó módban járatjuk, s a TACCR0 és TACCR1 regiszterekbe mindig a következő rész-ciklus (a bekapcsolt vagy kikapcsolt állapot időtartama) időzítését írjuk (a TAR regiszter pillanatnyi állapotához hozzáadva a kívánt várakozási időhöz tartozó óraütések számát).

Erre mutatunk be most egy példát, amelyben LED1 1 s-os periódussal villog, állandó 1/60 kitöltéssel. Ez ugyan nem a szokványos módja a PWM használatának, de nem akartam bonyolítani a programot a kitöltési tényező változtatásával.  LED2 pedig a korábbiakhoz hasonlóan a "lélegző LED" műsorát adja elő: fényereje fokozatosan erősödik, majd elhalványul. Periódusa ~3,4 s

Üzemmód beállítások

• Timer:  MCx=2 (szabadonfutó mód), órajele ACLK/VLO=12 kHz, megszakítást nem használunk
• CCR0: OUTMOD=4 (Toggle, azaz átbillentés üzemmód ), a CCIFG0 megszakítást engedélyezzük. A PWM frekvencia itt 1 Hz, ami 12000 óraütés. Az 1/60 kitöltésnek megfelelően felváltva 200, illetve 11800-at adunk hozzá TACCR0 korábbi állapotához. Mivel P1.0 kimenet, ahová LED1 csatlakozik, nem állítható be TA0 kimenetnek, ezért a megszakításban szoftveresen billentjük át LED1 állapotát. Ez az interrupt késedelme miatt tartalmaz némi bizonytalanságot, nem ad olyan hardveres pontosságú időzítést, mint a TA0 kimenet.
• CCR1: OUTMOD=4 (Toggle, azaz átbillentés üzemmód ), a CCIFG1 megszakítást engedélyezzük. A PWM frekvencia itt 100 Hz, ami 120 óraütés. A kitöltési tényező kiszámítása ugyanúgy történik, mint az előző két programban. A TACCR1 regisztert felváltva vagy a kiszámolt kitöltéssel, vagy a kitöltést a periódusra kiegészítő számmal kell feltölteni.
• A beállítások után a főprogramnak nincs több teendője, ezért energiatakarékos módba tehetjük. Mivel a számláló működéséhez csak az ACLK órajel szükséges, az LPM3 módot használjuk.

A szükséges változtatások:  A megszakítási vektorok neve TIMERA0_VECTOR helyett TIMER0_A0_VECTOR,TIMERA1_VECTOR helyett pedig TIMER0_A1_VECTOR.