Использование ШИМ в микроконтроллерах PIC: руководство для начинающих

Мы продолжаем серию обучающих статей про основы работы с микроконтроллерами PIC. Ранее на нашем сайте мы уже рассмотрели основы работы с данными микроконтроллерами, использование в них АЦП, подключение к ним ЖК дисплея и семисегментного индикатора и др. В этой же статье мы рассмотрим использование широтно-импульсной модуляции (ШИМ, в англ. PWM) в микроконтроллерах PIC.

Микроконтроллеры PIC имеют специальный модуль CCP (Compare Capture module – модуль сравнения и захвата), который можно использовать для формирования ШИМ сигналов. В нашем проекте мы будем формировать ШИМ сигнал с частотой 5 кГц с переменным коэффициентом заполнения от 0% до 100%. Изменять коэффициент заполнения ШИМ мы будем с помощью потенциометра – более подробно про работу с ним вы можете прочитать в статье про использование АЦП в микроконтроллерах PIC. Также рекомендуем прочитать статью и про использование таймеров в микроконтроллерах PIC – в нашем случае мы будем использовать таймер для установки частоты ШИМ сигнала. Далее мы будем использовать RC-цепь для преобразования цифрового сигнала в аналоговый, чтобы потом использовать его для управления яркостью свечения светодиода, то есть, фактически, сделаем самодельный диммер на основе микроконтроллера PIC.

Ранее на нашем сайте мы рассматривали использование ШИМ в следующих микроконтроллерах (платах):

Что такое ШИМ сигнал

ШИМ (широтно-импульсная модуляция) – это способ управления аналоговыми сигналами с помощью цифровых значений. Таким образом, можно управлять скоростью вращения двигателей, яркостью свечения светодиода и т.д.

Внешний вид ШИМ сигнала при различных коэффициентах заполнения показан на следующих рисунке.

Важным параметром ШИМ сигнала является его коэффициент заполнения (скважность, в англ. - duty cycle). Коэффициент заполнения ШИМ сигнала представляет собой процент времени, в течение которого сигнал имеет высокий уровень (HIGH, ON). Если ШИМ сигнал всегда находится в состоянии HIGH, то его коэффициент заполнения равен 100%, а если ШИМ сигнал всегда находится в состоянии LOW, то его коэффициент заполнения равен 0%.

ШИМ в микроконтроллере PIC16F877A

ШИМ сигнал в микроконтроллере PIC16F877A может быть сформирован с помощью модуля CCP (модуль сравнения и захвата). Разрешение ШИМ сигнала у нас составляет 10 бит, поэтому значению 0 будет соответствовать коэффициент заполнения 0%, а значению 1024 (2^10) – коэффициент заполнения 100%. В микроконтроллерах PIC есть два модуля CCP – CCP1 и CCP2, что означает что мы можем одновременно формировать два различных ШИМ сигнала на двух разных контактах (CCP1 и CCP2). В нашем проекте мы будем использовать модуль CCP1 для формирования ШИМ сигнала на контакте 17.

Для формирования ШИМ сигнала нам потребуются следующие специальные регистры микроконтроллера PIC:

CCP1CON (CCP1 control Register).
T2CON (Timer 2 Control Register).
PR2 (Timer 2 modules Period Register).
CCPR1L (CCP Register 1 Low).

Программирование микроконтроллера PIC для формирования ШИМ сигнала

В нашем проекте мы будем считывать аналоговое значение 0-5v с потенциометра и преобразовывать его в диапазон 0-1024 с помощью модуля АЦП. Затем мы будем формировать ШИМ сигнал с частотой 5000 Гц и коэффициентом заполнения на основе считанного аналогового значения. Таким образом, диапазон 0-1024 с выхода АЦП будет преобразован в диапазон 0%-100% коэффициента заполнения. Начало нашей программы будет такое же, как и в статье про использование АЦП в микроконтроллере PIC.

Когда биты конфигурации микроконтроллера установлены и написана часть программы для считывания аналогового значения с помощью АЦП, далее мы можем перейти к процессу формирования ШИМ сигнала.

Для этого необходимо сконфигурировать модуль CCP и выполнить следующую последовательность шагов:

Установить период ШИМ сигнала с помощью регистра PR2.
Установить коэффициент заполнения ШИМ сигнала с помощью регистра CCPR1L и битов <5:4> регистра CCP1CON.
Установить режим работы контакта CCP1 на вывод данных с помощью очистки бита TRISC<2>.
Установить значение предделителя TMR2 и разрешить (enable) работу Timer2 с помощью регистра T2CON.
Сконфигурировать модуль CCP1 для работы с ШИМ.

В нашей программе будет две основные функции для работы с ШИМ сигналами. Первой из них будет PWM_Initialize(), в которой мы будем инициализировать все регистры, необходимые для настройки модуля формирования ШИМ сигнала, и устанавливать частоту ШИМ сигнала. Во второй функции, PWM_Duty(), мы будем устанавливать коэффициент заполнения (duty cycle) ШИМ сигнала, конфигурируя необходимые регистры.

PWM_Initialize()
{
  PR2 = (_XTAL_FREQ/(PWM_freq*4*TMR2PRESCALE)) - 1; //Setting the PR2 formulae using Datasheet // Makes the PWM work in 5KHZ
    CCP1M3 = 1; CCP1M2 = 1;  //Configure the CCP1 module 
    T2CKPS0 = 1;T2CKPS1 = 0; TMR2ON = 1; //Configure the Timer module
    TRISC2 = 0; // make port pin on C as output
}

PWM_Initialize()

{

PR2 = (_XTAL_FREQ/(PWM_freq*4*TMR2PRESCALE)) - 1; //Setting the PR2 formulae using Datasheet // Makes the PWM work in 5KHZ

CCP1M3 = 1; CCP1M2 = 1; //Configure the CCP1 module

T2CKPS0 = 1;T2CKPS1 = 0; TMR2ON = 1; //Configure the Timer module

TRISC2 = 0; // make port pin on C as output

}

В представленной функции производится настройка модуля CCP1 для работы с ШИМ сигналом при помощи установки битов CCP1M3 и CCP1M2 в состояние high.

Предделитель модуля таймера настраивается при помощи установки бита T2CKPS0 в состояние high, а бита T2CKPS1 – в состояние low. Бит TMR2ON устанавливается для начала работы таймера.

Теперь нам необходимо установить частоту ШИМ сигнала. Значение этой частоты должно быть записано в регистр PR2. Необходимое значение частоты ШИМ сигнала определяется по следующей формуле:

PWM Period = [(PR2) + 1] * 4 * TOSC * (TMR2 Prescale Value)

Выражая из этой формулы PR2, получаем:

PR2 = (Period / (4 * Tosc * TMR2 Prescale )) - 1

Мы знаем что Period = (1/PWM_freq) и Tosc = (1/_XTAL_FREQ), следовательно, получаем:

PR2 = (_XTAL_FREQ/ (PWM_freq*4*TMR2PRESCALE)) – 1;

Когда частота ШИМ сигнала будет установлена нам не нужно будет снова вызывать эту функцию до тех пор пока нам не понадобится снова сменить данную частоту. В нашем проекте мы использовали частоту ШИМ сигнала равную 5 кГц (PWM_freq = 5000).

Функция для задания коэффициента заполнения ШИМ сигнала будет выглядеть следующим образом:

PWM_Duty(unsigned int duty)
{
      if(duty<1023)
  {

    duty = ((float)duty/1023)*(_XTAL_FREQ/(PWM_freq*TMR2PRESCALE)); // On reducing //duty = (((float)duty/1023)*(1/PWM_freq)) / ((1/_XTAL_FREQ) * TMR2PRESCALE);
    CCP1X = duty & 1; //Store the 1st bit
    CCP1Y = duty & 2; //Store the 0th bit
    CCPR1L = duty>>2;// Store the remining 8 bit
  }
}

PWM_Duty(unsigned int duty)

{

if(duty<1023)

{

duty = ((float)duty/1023)*(_XTAL_FREQ/(PWM_freq*TMR2PRESCALE)); // On reducing //duty = (((float)duty/1023)*(1/PWM_freq)) / ((1/_XTAL_FREQ) * TMR2PRESCALE);

CCP1X = duty & 1; //Store the 1st bit

CCP1Y = duty & 2; //Store the 0th bit

CCPR1L = duty>>2;// Store the remining 8 bit

}

Наш ШИМ сигнал имеет разрешение 10 бит, поэтому его значение не может поместиться в один регистр поскольку наш микроконтроллер 8-битный. Поэтому нам необходимо использовать два бита регистра CCP1CON<5:4> (CCP1X и CCP1Y) чтобы хранить два младших бита (LSB), а оставшиеся 8 бит хранить в регистре CCPR1L.

Коэффициент заполнения ШИМ сигнала можно определить по следующей формуле:

PWM Duty Cycle = (CCPRIL:CCP1CON<5:4>) * Tosc * (TMR2 Prescale Value)

Выражая из этой формулы значения для CCPR1L и CCP1CON получим:

CCPRIL:CCP1Con<5:4> = PWM Duty Cycle / (Tosc * TMR2 Prescale Value)

Значение с выхода АЦП лежит в диапазоне 0-1024, а диапазон коэффициента заполнения лежит в пределах 0..1 (0%-100%), поэтому чтобы его получить необходимо значение с выхода АЦП разделить на 1023 (PWM Duty Cycle = duty/1023). Далее, чтобы преобразовать полученное значение коэффициента заполнения в период времени необходимо умножить его на период колебания (1/ PWM_freq). Также мы знаем что Tosc = (1/PWM_freq). В итоге получаем:

Duty = ( ( (float)duty/1023) * (1/PWM_freq) ) / ( (1/_XTAL_FREQ) * TMR2PRESCALE);

Упрощая данное выражение получим:

Duty = ( (float)duty/1023) * (_XTAL_FREQ / (PWM_freq*TMR2PRESCALE));

Полностью код программы нашего проекта приведен в конце статьи.

Схема проекта

Схема для демонстрации возможностей ШИМ в микроконтроллерах PIC представлена на следующем рисунке.

Потенциометр в представленной схеме подключен к контакту 7 микроконтроллера PIC. Модуль CCP1 находится на контакте 17 (RC2), поэтому для проверки формируемого на нем ШИМ сигнала подключим к нему осциллограф. Также для преобразования цифрового значения в напряжения в аналоговое мы используем RC-фильтр. Светодиод используется для индикации подачи сигнала на осциллограф.

Что такое RC-фильтр

RC-фильтр – это фильтр нижних частот (ФНЧ), состоящий из двух пассивных элементов: резистора и конденсатора. Они используются для фильтрации нашего ШИМ сигнала и тем самым делают его похожим на обычный аналоговый сигнал, изменяющийся по уровню.

Если мы посмотрим на схему RC-фильтра мы увидим что когда переменное напряжение подается на резистор R, конденсатор C начнет заряжаться. Когда конденсатор полностью зарядится он блокирует протекание постоянного тока. Следовательно в этот момент времени напряжение, приложенное ко входу схемы, появится на ее выходе. Высокие частоты ШИМ сигнала будут заземлены с помощью конденсатора. Для данного проекта в схеме RC-фильтра мы использовали резистор сопротивлением 1000 Ом и конденсатор емкостью 1 мкФ.

Работу схемы мы проверили в симуляторе Proteus с помощью цифрового осциллографа как показано на рисунке ниже. Вращая ручку потенциометра вы должны заметить как изменяется коэффициент заполнения ШИМ сигнала. Также напряжение на выходе RC-фильтра можно измерить с помощью вольтметра. Когда в Proteus все заработает так, как надо, можно приступать к сборке проекта в "железе". Более подробно эти процессы вы можете посмотреть на видео, приведенном в конце статьи.

Тестирование работы проекта

Внешний вид собранной на перфорированной плате конструкции нашего проекта приведен на следующем рисунке.

Также, чтобы подавать на вход микроконтроллера PIC аналоговое значение напряжения, мы подключили к нему потенциометр как показано на следующих рисунках.

Внешний вид потенциометра для нашего проекта

Подключение потенциометра к микроконтроллеру PIC

И, наконец, чтобы проверить работу схемы, мы использовали RC-фильтр и светодиод (чтобы контролировать его яркость свечения), которые мы спаяли на отдельной маленькой перфорированной плате.

Можно использовать обычные соединительные провода типа "мама-мама" чтобы соединить вместе отдельные части схемы. После того как аппаратная часть схемы будет готова, вы можете загрузить программу в микроконтроллер PIC с помощью программатора pickit3 и приступить к тестированию работы проекта. Вы должны заметить как с вращением ручки потенциометра изменяется яркость свечения светодиода.

Также для измерения напряжения на выходе схемы можно использовать мультиметр как показано на следующем рисунке.

Исходный код программы

// CONFIG
#pragma config FOSC = HS        // Oscillator Selection bits (HS oscillator)
#pragma config WDTE = OFF       // Watchdog Timer Enable bit (WDT disabled)
#pragma config PWRTE = ON       // Power-up Timer Enable bit (PWRT enabled)
#pragma config BOREN = OFF      // Brown-out Reset Enable bit (BOR disabled)
#pragma config LVP = ON         // Low-Voltage (Single-Supply) In-Circuit Serial Programming Enable bit (RB3/PGM pin has PGM function; low-voltage programming enabled)
#pragma config CPD = OFF        // Data EEPROM Memory Code Protection bit (Data EEPROM code protection off)
#pragma config WRT = OFF        // Flash Program Memory Write Enable bits (Write protection off; all program memory may be written to by EECON control)
#pragma config CP = OFF         // Flash Program Memory Code Protection bit (Code protection off)

#define _XTAL_FREQ 20000000
#define TMR2PRESCALE 4
#include <xc.h>
long PWM_freq = 5000;

PWM_Initialize()
{
  PR2 = (_XTAL_FREQ/(PWM_freq*4*TMR2PRESCALE)) - 1; //Setting the PR2 formulae using Datasheet // Makes the PWM work in 5KHZ (частота ШИМ сигнала будет равна 5 кГц)
    CCP1M3 = 1; CCP1M2 = 1;  //настраиваем модуль CCP1 
    T2CKPS0 = 1;T2CKPS1 = 0; TMR2ON = 1; //настраиваем модуль таймера
    TRISC2 = 0; // конфигурируем порт C на вывод данных

}

PWM_Duty(unsigned int duty)
{
      if(duty<1023)
  {
    duty = ((float)duty/1023)*(_XTAL_FREQ/(PWM_freq*TMR2PRESCALE)); // On reducing //duty = (((float)duty/1023)*(1/PWM_freq)) / ((1/_XTAL_FREQ) * TMR2PRESCALE);
    CCP1X = duty & 1; //сохраняем 1-й бит
    CCP1Y = duty & 2; //сохраняем 0-й бит
    CCPR1L = duty>>2;// сохраняем оставшиеся 8 bit
  }
}

void ADC_Initialize()
{
  ADCON0 = 0b01000001; //ADC ON and Fosc/16 is selected (включаем АЦП и выбираем частоту Fosc/16)
  ADCON1 = 0b11000000; // используем внутреннее опорное напряжение
}

unsigned int ADC_Read(unsigned char channel)
{
  ADCON0 &= 0x11000101; //очищаем биты выбора канала
  ADCON0 |= channel<<3; //устанавливаем необходимый канал АЦП
  __delay_ms(2); //Acquisition time to charge hold capacitor
  GO_nDONE = 1; //Initializes A/D Conversion (начинаем процесс АЦП)
  while(GO_nDONE); //Wait for A/D Conversion to complete (ждем пока завершится процесс АЦП)
  return ((ADRESH<<8)+ADRESL); //возвращаем результат
}

void main()
{
    int adc_value;
  TRISC = 0x00; //PORTC на вывод данных
  TRISA = 0xFF; //PORTA на ввод данных
  TRISD = 0x00;

  ADC_Initialize(); //инициализируем модуль АЦП
  PWM_Initialize();  //устанавливаем частоту ШИМ

  do
  {
    adc_value = ADC_Read(4); //Reading Analog Channel 0 
    PWM_Duty(adc_value);
      __delay_ms(50); 
  }while(1); //бесконечный цикл
 
}

// CONFIG

#pragma config FOSC = HS // Oscillator Selection bits (HS oscillator)

#pragma config WDTE = OFF // Watchdog Timer Enable bit (WDT disabled)

#pragma config PWRTE = ON // Power-up Timer Enable bit (PWRT enabled)

#pragma config BOREN = OFF // Brown-out Reset Enable bit (BOR disabled)

#pragma config LVP = ON // Low-Voltage (Single-Supply) In-Circuit Serial Programming Enable bit (RB3/PGM pin has PGM function; low-voltage programming enabled)

#pragma config CPD = OFF // Data EEPROM Memory Code Protection bit (Data EEPROM code protection off)

#pragma config WRT = OFF // Flash Program Memory Write Enable bits (Write protection off; all program memory may be written to by EECON control)

#pragma config CP = OFF // Flash Program Memory Code Protection bit (Code protection off)

#define _XTAL_FREQ 20000000

#define TMR2PRESCALE 4

#include <xc.h>

long PWM_freq = 5000;

PWM_Initialize()

{

PR2 = (_XTAL_FREQ/(PWM_freq*4*TMR2PRESCALE)) - 1; //Setting the PR2 formulae using Datasheet // Makes the PWM work in 5KHZ (частота ШИМ сигнала будет равна 5 кГц)

CCP1M3 = 1; CCP1M2 = 1; //настраиваем модуль CCP1

T2CKPS0 = 1;T2CKPS1 = 0; TMR2ON = 1; //настраиваем модуль таймера

TRISC2 = 0; // конфигурируем порт C на вывод данных

}

PWM_Duty(unsigned int duty)

{

if(duty<1023)

{

duty = ((float)duty/1023)*(_XTAL_FREQ/(PWM_freq*TMR2PRESCALE)); // On reducing //duty = (((float)duty/1023)*(1/PWM_freq)) / ((1/_XTAL_FREQ) * TMR2PRESCALE);

CCP1X = duty & 1; //сохраняем 1-й бит

CCP1Y = duty & 2; //сохраняем 0-й бит

CCPR1L = duty>>2;// сохраняем оставшиеся 8 bit

}

void ADC_Initialize()

{

ADCON0 = 0b01000001; //ADC ON and Fosc/16 is selected (включаем АЦП и выбираем частоту Fosc/16)

ADCON1 = 0b11000000; // используем внутреннее опорное напряжение

}

unsigned int ADC_Read(unsigned char channel)

{

ADCON0 &= 0x11000101; //очищаем биты выбора канала

ADCON0 |= channel<<3; //устанавливаем необходимый канал АЦП

__delay_ms(2); //Acquisition time to charge hold capacitor

GO_nDONE = 1; //Initializes A/D Conversion (начинаем процесс АЦП)

while(GO_nDONE); //Wait for A/D Conversion to complete (ждем пока завершится процесс АЦП)

return ((ADRESH<<8)+ADRESL); //возвращаем результат

}

void main()

{

int adc_value;

TRISC = 0x00; //PORTC на вывод данных

TRISA = 0xFF; //PORTA на ввод данных

TRISD = 0x00;

ADC_Initialize(); //инициализируем модуль АЦП

PWM_Initialize(); //устанавливаем частоту ШИМ

{

adc_value = ADC_Read(4); //Reading Analog Channel 0

PWM_Duty(adc_value);

__delay_ms(50);

}while(1); //бесконечный цикл

}

Видео, демонстрирующее работу проекта

(Проголосуй первым!)

Загрузка...

1 606 просмотров

Vlad говорит 26.04.2023 в 01:10:

У вас тут ошибка:
CCP1X = duty & 1; //сохраняем 1-й бит
CCP1Y = duty & 2; //сохраняем 0-й бит

правильно так:
CCP1X = duty>>1 & 1; //сохраняем 1-й бит
CCP1Y = duty & 1; //сохраняем 0-й бит

Ответить ↓
- admin-new говорит 26.04.2023 в 13:41:
  
  Хорошо, спасибо за поправку
  
  Ответить ↓

Использование широтно-импульсной модуляции (ШИМ) в микроконтроллерах PIC

Что такое ШИМ сигнал

ШИМ в микроконтроллере PIC16F877A

Программирование микроконтроллера PIC для формирования ШИМ сигнала

Схема проекта

Что такое RC-фильтр

Тестирование работы проекта

Исходный код программы

Видео, демонстрирующее работу проекта

Комментарии

Использование широтно-импульсной модуляции (ШИМ) в микроконтроллерах PIC — 2 комментария

Добавить комментарий Отменить ответ

Что такое ШИМ сигнал

ШИМ в микроконтроллере PIC16F877A

Программирование микроконтроллера PIC для формирования ШИМ сигнала

Схема проекта

Что такое RC-фильтр

Тестирование работы проекта

Исходный код программы

Видео, демонстрирующее работу проекта

Похожие статьи

Добавить комментарий Отменить ответ