Nicola Amoroso. Corso introduttivo sui microcontrollori PIC PWM.

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1 Corso introduttivo sui microcontrollori PIC PWM Generare segnali PWM con il PIC16F877 Tecniche e consigli Nicola Amoroso namoroso@mrscuole.net na_pwm 1

2 uc Pic PWM Un segnale PWM (Pulse Width Modulation ovvero modulazione a variazione della larghezza d'impulso) è un'onda quadra di duty-cycle variabile che permette di controllare l'assorbimento (la potenza assorbita) di un carico elettrico (es. motore DC), variando (modulando) il duty-cycle del segnale. Un segnale PWM è caratterizzato dalla frequenza (fissa) e dal duty-cycle (variabile) come si deduce dalla figura Il duty cycle è il rapporto tra il tempo in cui l'onda assume valore alto e il periodo T (l'inverso della frequenza: T=1/f) ne segue che un duty cycle del 50% corrisponde ad un'onda quadra che assume valore alto per il 50% del tempo, un duty cycle dell'80% corrisponde ad un'onda quadra che assume valore alto per l'80% del tempo e basso per il restante 20%, un duty cycle del 100% corrisponde ad un segnale sempre alto e un duty cycle dello 0% ad un segnale sempre basso (come vedremo anche questi ultimi due casi non sono del tutto inutili). na_pwm 2

3 Esistono due modi per generare segnali PWM con i Pic: Il primo (emulazione PWM software) consiste nello scrivere del codice che generi un'onda quadra, di opportuna frequenza e duty cycle, assegnata su un certo piedino di uscita, Il secondo (PWM hardware) consiste nell'utilizzare delle periferiche apposite dei PIC, i moduli CCP (capture compare PWM), per generare l'onda. Risulta ovvio che il secondo metodo è il migliore (con il primo la generazione dell'onda quadra può essere difficile e comunque toglie preziosi cicli di clock al resto dell'applicazione) tuttavia non tutti i microcontrollori PIC sono dotati delle opportune periferiche hardware. na_pwm 3

4 Il PIC16F877 dispone di ben due moduli CCP (CCP1 e CCP2) per il PWM: tali moduli si appoggiano al timer 2 e sono quindi vincolati ad avere la stessa frequenza mentre il duty cycle può essere variato indipendentemente per ogni modulo andando a scrivere opportuni valori in appositi registri. I Pin RC2 (CCP1) e RC1 (CCP2) sono i piedini interessati per l utilizzo di questi moduli. Per l uso di un modulo CCP bisogna eseguire i seguenti steps: 1. Definire il periodo del segnale PWM generato andando a scrivere un opportuno valore nel registro PR2 del PIC 2. Definire il modulo CCPx come modulo PWM 3. Abilitare il timer Tmr2 con opportuno prescaler 4. Definire il Duty cycle del segnale generato na_pwm 4

5 Es: Generare un segnale ad onda quadra TTL compatibile con frequenza di 10 KHz e Duty cycle del 50% Per generare questo segnale scelgo di utilizzare il modulo Hw CCP2 (Pin RC1 del Pic 16f877) da impostare in modalità PWM. E importante definire questa fase di impostazione in quanto [cfr.16f877 Microchip DataSheets] i moduli CCPx possono funzionare in modalità capture, compare e pwm. Tralasciamo le prime due modalità di funzionamento (non interessano il nostro problema) e invece consideriamo il modo pwm. Per poter generare questo segnale dobbiamo conoscere il periodo (inverso della frequenza) ad esso associato in quanto [cfr.16f877 Microchip DataSheets] : periodo PWM =[(PR2)+1]*4*Tosc*(TMR2 prescale value) - PR2 è un registro (associato a Tmr2) da impostare con opportuno valore per ottenere il periodo voluto - Tosc è l inverso della frequenza del quarzo esterno che fornisce il clock al PIC - TMR2 prescale value è il valore di prescaler associato al Timer2 del 16f877 N.B. => PR2 è un registro a 8 bit, valore max impostabile è pari a 255 [cfr.16f877 Microchip DataSheets] TMR2 prescale value può valere 1, 4, 16 [cfr.16f877 Microchip DataSheets] na_pwm 5

6 Es: Generare un segnale ad onda quadra TTL compatibile con frequenza di 10 KHz e Duty cicle del 50% Per il nostro esempio si ha: Periodo PWM = 1/ = 10 ms Tosc = 1/ = 0,25 micros TMR2 prescale value = 1 (scegliamo questo valore se poi il risultato del calcolo non è accettabile verrà cambiato Avremo quindi: PR2 = (0,0001/(4*0, *1))-1 = = 99 Vediamo ora il codice sorgente del nostro software. Il CCS PicC compiler fornisce tre funzioni interne che agevolano il nostro lavoro, precisamente: - setup_timer_2 (mode, period, postscale) [Per l abilitazione di TMR2 sempre collegato ai moduli CCPx] mode => TMR2 prescale value => nel nostro caso 1 [T2_DIV_BY_1] period => PR2 value => nel nostro caso 99 postscale => Indica il n.ro di overflow prima di generare un interrupt => bisogna indicare un valore tra 1 e 16 => nel nostro caso l interrupt non viene abilitato e questo valore lo mettiamo a 1 na_pwm 6

7 Es: Generare un segnale ad onda quadra TTL compatibile con frequenza di 10 KHz e Duty cicle del 50% - setup_ccp2 (mode) [per scegliere la modalità di funzionamento del modulo CCP2 (Pin RC1)] mode => sceglie la modalità di funzionamento del modulo => 4 modi possibili => [1] CCP_OFF (default) [2] CCP_CAPTURE_xx [3] CCP_COMPARE_xx [4] CCP_PWM - set_pwm2_duty (value) [permette di impostare il valore del duty-cycle del segnale pwm] value => valore compreso tra 0 e il valore di PR2 definito in precedenza => per PR2 = 99 => value=49 Duty cycle 50% - value=35 Duty cycle 35% - value=80 Duty cycle 80% Vediamo ora come scrivere il codice sorgente per il nostro software. Per questo esempio (molto semplice) non viene analizzato alcun flow-chart. na_pwm 7

8 Es: Generare un segnale ad onda quadra TTL compatibile con frequenza di 10 KHz e Duty cicle del 50% Con il pic wizard del CCS PCWH impostiamo le modalità di funzionamento del nostro sistema 1. Impostazioni generali na_pwm 8

9 Es: Generare un segnale ad onda quadra TTL compatibile con frequenza di 10 KHz e Duty cicle del 50% 2. Abilito il modulo CCP2 in modalità PWM [Sezione Other del CCS Pic Wizard] na_pwm 9

10 Es: Generare un segnale ad onda quadra TTL compatibile con frequenza di 10 KHz e Duty cicle del 50% 3. Abilito timer TMR2 con prescaler di 1 Il prescaler (Resolution) di Timer2 viene impostato a 1 L overflow period di Timer2 viene impostato a 99 na_pwm 10

11 Es: Generare un segnale ad onda quadra TTL compatibile con frequenza di 10 KHz e Duty cicle del 50% 4. Il codice generato dal Pic wizard Set modulo CCP2 (pin RC1) in modalita PWM. Segnale generato con duty-cycle del 50% Il CCS Pic wizard genera automaticamente il codice necessario per il set di sistema ed in particolare, senza alcun calcolo preventivo, imposta i parametri per le tre funzioni interne che permetttono di definire l utilizzo del modulo CCPx scelto per generare il segnale PWM voluto (duty-cycle del 50%). na_pwm 11

12 Es: Generare un segnale ad onda quadra TTL compatibile con frequenza di 10 KHz e Duty cicle del 50% 4. Il codice generato dal Pic wizard [Nota] Riprendiamo in considerazione quanto affermato in precedenza riguardo alle tre funzioni interne, del CCS PCWH, che permettono di impostare l uso del modulo CCPx scelto in modalità PWM con duty-cycle, del segnale generato, di opportuno valore. In particolare la funzione interna: - set_pwm2_duty (value) [permette di impostare il valore del duty-cycle del segnale pwm] value => valore compreso tra 0 e il valore di PR2 definito in precedenza => per PR2 = 99 => value = 49 Duty-cycle 50% - value = 35 Duty-cycle 35% - value = 80 Duty-cycle 80% N.B. => value deve essere un numero intero. Per un duty-cycle del 50% si può utilizzare sia 49 che 50 (il valore esatto deve essere 49,5 non ammesso); avremo comunque un segnale con un duty-cycle non perfettamente uguale al 50%. na_pwm 12

13 Es: Generare un segnale ad onda quadra TTL compatibile con frequenza di 10 KHz e Duty cicle del 50% 4. Il codice generato dal Pic wizard [Nota] Set modulo CCP2 (pin RC1) in modalita PWM. Segnale generato con duty-cycle del 50% Analizzando il codice generato con il CCS Pic wizard, si nota che il valore impostato per avere un duty-cycle del 50% non è 49 (oppure 50) ma uguale a 200. In realtà un valore pari a 200 imposta perfettamente un duty-cycle del 50% in quanto il valore utilizzato, per il duty-cycle del segnale generato, è pari al valore impostato (200) diviso per 4 (200/4 = 50). Cerchiamo di fornire un chiarimento na_pwm 13

14 Es: Generare un segnale ad onda quadra TTL compatibile con frequenza di 10 KHz e Duty cicle del 50% 4. Il codice generato dal Pic wizard [Nota] Analizzando il codice generato con il CCS Pic wizard, si nota che il valore impostato per avere un duty-cycle del 50% non è 49 (oppure 50) ma uguale a 200. In realtà un valore pari a 200 imposta perfettamente un duty-cycle del 50% in quanto il valore utilizzato, per il duty-cycle del segnale generato, è pari al valore impostato (200) diviso per 4 (200/4 = 50). Cerchiamo di fornire un chiarimento Il CCS Pic-C compiler per impostare il duty-cycle del segnale PWM utilizza dieci bit (2 registri a 8 bit di cui solo i 10 bit più bassi vengono presi in considerazione). Di questi dieci bit solo gli 8 bit piu alti rappresentano il reale valore da associare al duty-cycle del segnale generato CCS_PWM 00 per i due bit inseriti CCS_PWM_PLUS_1 01 per i due bit inseriti CCS_PWM_PLUS_2 10 per i due bit inseriti CCS_PWM_PLUS_3 11 per i due bit inseriti mentre i due bit più bassi vengono inseriti per una eventuale [?] compatibilità con le versioni precedenti del sistema di sviluppo. Inserire 2 bit a destra del valore del duty-cycle del segnale è come se lo stesso valore venisse moltiplicato per 4 (shift a sinistra di due posizioni) na_pwm 14

15 Es: Generare un segnale ad onda quadra TTL compatibile con frequenza di 10 KHz e Duty cicle del 50% 4. Il codice generato dal Pic wizard [Nota] Per impostare il duty-cycle vi sono due possibili modi: a) Utilizzare come parametro della funzione set_pwm_duty() il valore suggerito dal Pic Wizard diviso per 4 ( nel nostro caso 200/4 = 50). In questo caso si utilizza un valore int8 come parametro. b) Utilizzare come parametro della funzione set_pwm_duty() il valore suggerito dal Pic Wizard, In questo caso si utilizza un valore int16 come parametro e bisogna indicare che il parametro utilizzato è un int16 (opportuno casting del parametro della funzione set_pwm_duty()). Casting na_pwm 15

16 Es: Generare un segnale ad onda quadra TTL compatibile con frequenza di 10 KHz e Duty cicle del 50% 5. Il codice completo 6. Il segnale generato Il pin RC1 collegato in ingresso a un oscilloscopio digitale f = 10KHz D = 50% na_pwm 16

17 Esercizi (Con eventuali commenti) Generare un segnale ad onda quadra di frequenza f = 10 KHz e Duty cicle D = 35% Generare un segnale ad onda quadra di frequenza f = 10 KHz e Duty cicle D = 80 % Generare un segnale ad onda quadra di frequenza f = 6 KHz e Duty cicle D = 60 % na_pwm 17

18 Vediamo ora dei semplici esercizi i cui risultati potrebbero essere utili in seguito! In uscita del pin RC1 (CCP2-PWM) colleghiamo un filtro passa basso con frequenza di taglio inferiore almeno alla metà della frequenza del segnale pwm applicatogli in ingresso (10 Khz). Generiamo segnali diversi con duty cycle variabile dal 12% al 98% e misuriamo la ddp ai capi del condensatore del filtro. na_pwm 18

19 Per il nostro filtro prendiamo i seguenti valori: R=10 K C=820 nf (680 nf) RC1 GND R Il valore Vout misurato con lo strumento aumenta con l'aumentare del duty-cycle del segnale di ingresso al filtro. Per D=12% => Vout=0,58V D=48% => Vout=2,56V - D=100% => Vout=5,02V C GND na_pwm 19

20 V=1,73 V Un semplice esercizio: segnale pwm con duty-cycle del 35%. In uscita del Pin RC1 del controllore un filtro Passa Basso con ft di circa 19 Hz na_pwm 20

21 Applicare in ingresso al canale 0 dell ADC del nostro pic 16F877 [pin RA0] una tensione variabile tra 0 V e 5V e generare un segnale PWM con duty cycle proporzionale al valore digitale corrispondente alla tensione in ingresso all ADC, per V = 0 V duty cycle pari a 0 e per V = 5 V duty cycle pari al 100%. Il problema è sicuramente di facile soluzione e non merita eccessivi chiarimenti! Si consiglia di rivedere gli appunti dei precedenti corsi per approfondimenti e chiarimenti specialmente sull uso dell ADC del nostro uc (PIC16F877). Per facilitare la soluzione si propone un possibile flow-chart con relativo codice sorgente; si consiglia comunque, possibili soluzioni personalizzate na_pwm 21

22 Applicare in ingresso al canale 0 dell ADC del nostro pic 16F877 [pin RA0] una tensione variabile tra 0 V e 5V e generare un segnale PWM con duty cycle proporzionale al valore digitale corrispondente alla tensione in ingresso all ADC, per V = 0 V duty cycle pari a 0 e per V = 5 V duty cycle pari al 100%. Flow-Chart PWM Leggi e converti il valore analogico in ingresso Valore letto maggiore o minore dei valori limite impostati? Set duty sul relativo valore limite. Set il duty-cycle del segnale pwm con il valore impostato na_pwm 22

23 Applicare in ingresso al canale 0 dell ADC del nostro pic 16F877 [pin RA0] una tensione variabile tra 0 V e 5V e generare un segnale PWM con duty cycle proporzionale al valore digitale corrispondente alla tensione in ingresso all ADC, per V = 0 V duty cycle pari a 0 e per V = 5 V duty cycle pari al 100%. Codice sorgente - Descrizione-Set system Il duty-cycle viene impostato con un valore a 8 bit (non necessario Casting) Codice semplice, lineare, di facile comprensione La variabile duty (conterrà il valore del duty-cycle del segnale generato) è a 8 bit Il valore di PR2=250 Frequenza del segnale PWM generato è di 4 KHz (clock di sistema di 4 MHz) na_pwm 23

24 Applicare in ingresso al canale 0 dell ADC del nostro pic 16F877 [pin RA0] una tensione variabile tra 0 V e 5V e generare un segnale PWM con duty cycle proporzionale al valore digitale corrispondente alla tensione in ingresso all ADC, per V = 0 V duty cycle pari a 0 e per V = 5 V duty cycle pari al 100%. Codice sorgente - Leggi ADC Sep_pwm_duty In questa seconda parte di codice, viene letto il valore dell ADC e impostato il duty-cycle del segnale pwm generato. Notiamo che in questo caso il valore di duty è a 8 bit, il duty-cycle del segnale pwm viene impostato direttamente senza alcun casting. na_pwm 24