BASCOM-AVR パルス幅変調(その２)

(2007年3月19日初稿)
(2007年3月22日訂正　IC2に書込むパルス幅測定プログラムは「pwidth2a.bas」ではなく「pwidth2b.bas」)
(2007年3月22日訂正　ブレッドボード実体図。IC2の19番ピンにつながるジャンパー線の位置)
(2008年2月15日訂正　ロータリーエンコーダを使うプログラムは「pwm2b.bas」ではなく「pwm2c.bas」)

　Timer1のPWM機能を使って、LEDの明るさをコントロールするプログラムを試してみました。マイコンICはATtiny2313を用いました。

1. 実験回路

　プログラムのテスト用回路は下記の通りです。複雑そうに見えますが、パルス幅の測定用にもう1個ICを使っているためです。IC1がPWMプログラムを書き込むICで、IC2はパルス幅測定用のICです。

　IC2には「パルス周期の測定(その2)」でやったパルス幅測定プログラム「pwidth2b.bas」を書き込んでおきます。IC1にはロータリーエンコーダとLEDをつなぎます。PWM出力は「OC1」という端子から出力されます。ATtiny2313の場合は15番ピン(PB3)がそれにあたります。ここにLEDとIC2の入力(INT0とINT1)を接続します。2個のICのクロック源はともに1.024MHzの水晶発振器です。クロック源を同じにしておけばプログラムの検証に好都合です。

　ブレッドボード上の配線図と試作写真を下に掲げます。

　図1b

　写真1

2. PWMプログラムの書きかた

　BASCOM-AVRのマニュアルを見てPWMプログラムの書式だけはわかりましたが、具体的にどう書けばどういう動作になるのかがわかりません。とりあえず簡単なのをひとつ書いて動かしてみました。実質6行の短いプログラムです。

　プログラムファイル pwm2a.bas

1	$regfile = "attiny2313.dat"	ATtiny2313を使用する。
2	$crystal = 1024000	クロック周波数を1.024MHzに設定。
3
4	Config Portb = Output	ポートBを出力に設定する。
5	Config Timer1＝Pwm, Prescale＝1024, Compare A Pwm＝Clear Down, Pwm＝10
		Timer1をPWMとして使用する。
		分周比1024, Clear Down, 10ビット。
6	Pwm1a = 512	「Timer1＝512」のとき出力を反転する。
7
8	End	終わり。

　上記のプログラムを実行すると、LEDが約2秒周期で点滅しました。1秒点灯、1秒消灯を繰り返します。パルス幅の測定結果は、「T1」つまり出力パルスが「1」レベルになっている時間が1024mS、「T0」つまり出力パルスが「0」レベルになっている時間が1022mSでした。下の図のような感じです。

　5行目の長いプログラムがPWMの基本設定です。「Config Timer1 = Pwm」はTimer1をPWMとして使用するという意味で、「Prescale = 1024」はその分周比です。1.024MHzのクロックを1024分周すると1kHzですから、Timer1の1カウントあたりの時間は1mSになります。

　次の「Compare A Pwm = Clear Down」というのはTimer1のカウントとPWM出力(OC1)の関係に関する設定で、「Clear Down」または「Clear Up」のどちらかを選択します。最後の「Pwm =10」はPWMの周期(ビット)に関する設定で、8, 9, 10のいずれかを選択します。これら2つはよくわからないので、後述のようにいろいろプログラムを変えて実験してみました。6行目「Pwm1a = 512」はPWMの「しきい値」を設定するもので、Timer1のカウントがこの値になったときに出力が反転します。

　なお、5行目だけが横に長くて見づらいですが、分けて書くとエラーになりますので仕方ありません。また、「Compare A Pwm」や「Pwm1a」の「A」はAVRマイコンのPWM機能の種別を表わしています。と言ってもATtiny2313には「A」しかないようです。ICによっては「PWM A」と「PWM B」の2つを持っているものがあります。「Pwm1a」の「1」は「Timer1」の「1」と同じ意味だと思います。それから、このプログラムには「Do～Loop」は必要ありません。「Do～Loop」を書いても書かなくても動作は同じです。

3. PWMプログラムの動作

　まず、「Compare A Pwm = Clear Down」と「Compare A Pwm = Clear Up」の違いについて調べてみました。「Clear Down」と「Clear Up」のそれぞれの場合で、プログラム6行目を「Pwm1a = 512」、「Pwm1a = 256」、「Pwm1a = 768」としたときのT1とT0の時間を測定しました。分周比は1024、「Pwm」値は「10」で固定です。「Pwm1a」の値を256, 512, 768にしたのは、「Pwm＝10」なので、10ビットすなわち1024に関係ある数字がいいだろうと思ったからです。結果は下記の通りです。

Prescale = 1024, Pwm =10
Compare A Pwm	Clear Down		Clear Up
Compare A Pwm	T1	T0	T1	T0
Pwm1a = 512	1024mS	1022mS	1022mS	1024mS
Pwm1a = 256	512mS	1534mS	1534mS	512mS
Pwm1a = 768	1536mS	510mS	510mS	1536mS

　これを見てわかることは、まず1周期(T1＋T0)はいずれも2046mSです。1024mSではなく、その2倍の2048mSとも少し違います。また、「Clear Down」と「Clear Up」では「T1」と「T0」の時間が逆転します。「Pwm1a」の値については、「Clear Down」の場合は「T1」の時間が「Pwm1a」値に比例し、「Clear Up」の場合は「T0」の時間が「Pwm1a」値に比例しています。

　この結果をどう見たらいいのでしょうか。何かヒントはないかとネットで探したら「HERO's download」のATtiny2313のデータシートで下のような図を見つけました。

　この図の意味やデータシートに書いてある説明は、私にはさっぱりわかりません。でも、Timer1のカウントがこういうふうになるのなら、上の実験結果を説明できそうです。なので強引にこの図に当てはめてみました。

　何の根拠もありませんが、上の図が正しいと仮定して話を続けます。「Pwm＝10」とした場合、Timer1は0からカウントを始め、1023までいったらそこで折り返して今度はカウントダウンします。したがって、1カウントが1mSなら1周期(T1＋T0)は2046mSになります。

　「Compare A Pwm = Clear Down」と書くと、Timer1がカウントアップしていって「Pwm1a」の設定値に達するとそこで出力が「1」から「0」に変わります。1023まで数えてカウントダウンしてくる際は「Pwm1a」値のところで出力が「0」から「1」に変わります。これの繰り返しでOC1端子には一定のデューティー比のパルス波が出力されます。「Compare A Pwm = Clear Up」と書いたときは出力反転のタイミングが逆になります。

　「Pwm1a＝512」のとき、「T1」と「T0」の時間が同じにならないのは、Timer1のカウントの最大値が1023だからです。0から512までは512カウント(512mS)ですが、512から1023までは511カウント(511mS)です。したがって「Clear Down」の場合は「T0」が「T1」より2mS短くなります。ちなみに「Clear Down, Pwm1a＝511」にすると、T1＝1022mS、T0＝1024mSになります。

　次に、「Pwm＝8」,「Pwm＝9」,「Pwm＝10」の違いを調べました。「Pwm1a」の値は、それぞれの場合のTimer1カウントの「最大値＋1」の半分としました。他の条件は、分周比1024および「Compare A Pwm = Clear Down」で同じです。「Pwm」値が1小さくなると周期が約半分になります。

Prescale＝1024, Clear Down
Pwm	Pwm1a	T1	T0
10	512	1024mS	1022mS
9	256	512mS	510mS
8	128	256mS	254mS

　「Pwm」値と「Pwm1a」値を固定しておいてTimer1の分周比を変えると下記のようになります。細かい数字は計算で求めたものです。出力周波数は分周比に反比例します。

Clear Down,
Pwm＝10, Pwm1a＝512
分周比	T1	T0	周波数
1024	1024mS	1022mS	0.49Hz
256	256mS	255.5mS	1.96Hz
64	64mS	63.9mS	7.82Hz
8	8mS	7.98mS	62.6Hz
1	1mS	0.998mS	500.5Hz

4. LEDの明るさが1秒ごとに変化する

　LEDが1秒ごとにだんだん明るくなる動作を繰り返すプログラムです。「その1」の「pwm1a.bas」と同じ動作です。「Prescale = 1」、「Pwm＝9」とし、「Pwm1a」の値を「0」から「102」「204」「306」「408」「510」と、102ずつ6段階で増やしていきます。

　プログラムファイル pwm2b.bas

1	$regfile = "attiny2313.dat"	ATtiny2313を使用する。
2	$crystal = 1024000	クロック周波数を1.024MHzに設定。
3
4	Config Portb = Output	ポートBを出力に設定する。
5	Config Timer1＝Pwm, Prescale＝1, Compare A Pwm＝Clear Down, Pwm＝9
		PWMの設定。分周比1, Clear Down, 9ビット。
6	Dim P As Word	ワード型変数「P」を使用する。
7
8	Do	Doループここから。
9	For P = 0 To 510 Step 102	Forループ。6回繰り返し。
10	Pwm1a = P	変数「P」の値を「Pwm1a」の値にする。
11	Wait 1	1秒間そのまま。
12	Next P	Forループここまで。
13	Loop	Doループここまで。
14
15	End	終わり。

5. ロータリーエンコーダでLEDの明るさを変える

　ロータリーエンコーダのツマミを回すとLEDの明るさが変化するプログラムです。ロータリーエンコーダを右へ回すと1クリックごとに「Pwm1a」の値が102ずつ増えてLEDが明るさを増します。右へ回すと「Pwm1a」の値が102ずつ減ってLEDが暗くなります。

(追記 : 2008年2月15日)
　下記プログラムのファイル名を間違えていたので訂正しました。ご指摘くださったＮさん、ありがとうございます。
(追記ここまで)

　プログラムファイル pwm2c.bas

1	$regfile = "attiny2313.dat"	ATtiny2313を使用する。
2	$crystal = 1024000	クロック周波数を1.024MHzに設定。
3
4	Config Timer1＝Pwm, Prescale＝1, Compare A Pwm＝Clear Down, Pwm＝9
		PWMの設定。分周比1, Clear Down, 9ビット。
5	Config Debounce = 1	デバウンス時間を1ミリ秒とする。
6	Config Portb = Output	ポートBを出力に設定する。
7	Config Portd = Input	ポートDを入力に設定する。
8	Portd = 127	PD0～PD6をプルアップする。
9
10	Declare Sub Encode	サブルーチン「Encode」を使用する。
11	Dim P As Integer	インテジャー型変数「P」を使用する。
12	A Alias Pind.2	PD2入力を「A」という名前にする。
13	B Alias Pind.3	PD3入力を「B」という名前にする。
14	P = 306	変数「P」の初期値を「306」とする。
15
16	Do	Doループここから。
17	Debounce A , 0 , Encode , Sub	「A(Pind.2)＝0」になったら、
		サブルーチン「Encode」へジャンプ。
18	Pwm1a = P	変数「P」の値を「Pwm1a」の値にする。
19	Loop	Doループここまで。
20
21	End	メインプログラム終わり。
22
23	Sub Encode	サブルーチン「Encode」ここから。
24	If B = 1 Then	条件分岐1。「B(Pind.3)＝1」(右回転)ならば、
25	P = P + 102	変数「P」に102を加える。LEDが明るくなる。
26	Else	「B(Pind.3)＝0」(左回転)ならば、
27	P = P - 102	変数「P」から102を減じる。LEDが暗くなる。
28	End If	条件分岐1ここまで。
29	If P > 510 Then P = 510	条件分岐2。「 P > 510」なら「P＝510」とする。
30	If P < 0 Then P = 0	条件分岐3。「 P < 0」なら「P＝0」とする。
31	End Sub	サブルーチン「Encode」ここまで。