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汎用ＰＷＭコントローラ

更新日２００９．６．２７
ここではＰＩＣ１６Ｆ８８のＰＷＭ（Pulse Width Modulation）機能を使った実験を行います。

ＰＩＣ１６Ｆ８８には、ＣＣＰ（CAPTURE/COMPARE/PWM）と言うモジュールが内蔵されていて、この中のPWM機能を使うとＰＷＭ信号を容易に出力できます。

ＰＷＭとは
・ 下図ように、周期は一定にしてパルスの幅を変える方式を、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）と言います。

↓
↓

パルス幅（ＯＮの割合）が大きいほど出力の総量が大きくなるので、ＤＣモータのスピード制御やＬＥＤの明るさ制御などに使用されます。

PWM信号制御対象　例
ＬＥＤDCモータ


　		明るい高速


　		暗い低速
また、パルス幅に意味を持たせて制御するものとしてサーボモータなどがあります。

ＣＣＰモジュールとＰＷＭモード
ＣＣＰモジュール

ＰＩＣ１６Ｆ８８にはＣＣＰモジュールが内蔵されています。
ＣＣＰモジュールは、レジスタの設定で以下の３種類の動作を選択できます。
キャプチャモードCCP1ピンの変化によりＴＭＲ１(TMR1H:TMR1L)レジスタの内容をＣＣＰＲ１(CCPR1H:CCPR1L)レジスタにコピーし、キャプチャ割込みを発生する
コンペアモードＴＭＲ１(TMR1H:TMR1L)レジスタとＣＣＰＲ１(CCPR1H:CCPR1L)レジスタの値が一致した時、ＣＣＰ１ピンを変化させたりＣＣＰ１割込みを発生させる
ＰＷＭモードＰＲ２レジスタで指定する周期と、ＣＣＰＲ１Ｌレジスタで指定するパルス幅により、ＣＣＰ１ピンからパルス（矩形波）を出力する

今回は、ＰＷＭモードを使用します。

ＰＷＭモード

ＰＩＣ１６Ｆ８８では、以下のようにＰＷＭを実現しています。

ＰＲ２レジスタでＰＷＭの周期を指定し、ＣＣＰＲ１Ｌレジスタでパルス幅を指定します。
それぞれのレジスタで指定する値は、ＴＭＲ２のカウント数です。

従って、ＴＭＲ２の周波数（または周期）を決定すると、ＰＷＭの周期とパルス幅の範囲が決まります。
ＴＭＲ２は１命令サイクル毎に＋１され、ＰＲ２レジスタの値と等しくなったらリセットされます。

具体例を以下に示します。
クロック周波数：４ＭＨｚ
ＰＲ２：２３９
ＣＣＰＲ１Ｌ：５０
TMR2プリスケーラ：１

命令サイクル：（１秒／４ＭＨｚ）×４クロック＝１ｕＳ（マイクロ秒）
PWM周期：１ｕＳ（マイクロ秒）×（２３９＋１）＝２４０ｕＳ
　実際の周期は、ＰＲ２レジスタの値＋１となります。
PWM周波数：１秒／２４０ｕＳ＝４１６７Ｈｚ
PWMパルス幅：１ｕＳ（マイクロ秒）×５０＝５０ｕＳ


下の図は、ＰＷＭ関連のレジスタを表しています。（データシートからの抜粋）


設定するレジスタは、一番上のCCPR1Lレジスタ（パルス幅）と一番下のPR2レジスタ（周期）です。

コンパレータが２つありますが、下のコンパレータはTMR2とPR2レジスタを比較し、周期のタイミングを作っています。
上のコンパレータは、TMR2とCCPR1H（間接的にCCPR1L）レジスタを比較し、パルス幅のタイミングを作っています。

補足１
ＴＭＲ２は、プリスケーラを使用できます。
プリスケーラを使う場合、倍率は４倍／１６倍の２種類で、Ｔ２ＣＯＮレジスタで指定します。

補足２　（良く分からない場合は読み飛ばしても大丈夫です）
実際のパルス幅指定は、ＣＣＰＲ１Ｌレジスタ８ビットの下位にＣＣＰ１ＣＯＮレジスタのビット５：４（ＣＣＰ１Ｘ，ＣＣＰ１Ｙ）の２ビットを付加した１０ビットでの指定になります。

また、ＴＭＲ２がパルス幅と比較される場合は、ＴＭＲ２レジスタ８ビットの下位に２ビットが付加され１０ビットで使用されます。この１０ビットは、１クロック毎にカウントアップされます。

従って、パルス幅の分解能は１０ビットになります。

実験回路
・ 今回の実験回路です。

ＲＢ３をＣＣＰ１ピンとして使い、ＰＷＭ信号を出力します。

ＲＡ３，ＲＡ４はＡ／Ｄ変換で使います。可変抵抗を接続し、電圧に対応してＰＷＭの周期とパルス幅を決定します。
ＲＡ３（ＡＮ３）Ａ／Ｄ変換結果　→　ＰＷＭの周期
ＲＡ４（ＡＮ４）Ａ／Ｄ変換結果　→　ＰＷＭのパルス幅
ＲＡ２のスイッチは、クロック切り替え用です。今回は内部クロック動作とし、１，２，４，８ＭＨｚをスイッチで選択します。

２つのＡ／Ｄ変換結果やクロックの状態をＬＣＤに表示します。

上の回路のRB3からPWM信号を出力します。
ここに接続するものを変える事で色々な事ができます。下はその例です。

LEDの
明るさ制御		高輝度LEDの
明るさ制御		DCモータの
スピード制御		サーボモータの
制御		音を出す音を出す


ブレッドボードに組んだ状態。
RB3にはLEDを接続しています。（上の例の一番左の回路）
左上の６ピンのヘッダピン周りはICSP用回路です。

プログラムの仕様
ＡＮ３（ＲＡ３）とＡＮ４（ＲＡ４）の電圧をＡ／Ｄ変換し、その結果でＰＷＭの周期とパルス幅を決定します。
Ａ／Ｄ変換結果は１０ビットになりますが、上位８ビットを使います。
ＡＮ３　Ａ／Ｄ変換結果　→　ＰＲ２レジスタ
ＡＮ４　Ａ／Ｄ変換結果　→　ＣＣＰＲ１Ｌレジスタ

また、ＲＡ２のスイッチを押す毎にクロックの周波数を８→４→２→１ＭＨｚと変化させます。

クロック周波数変更に合わせて、以下の時間に関する定数を再設定します。
・Ａ／Ｄ変換の基準時間（ＴＡＤ）
・ウェイトルーチン（時間待ち）のループカウント値
クロック周波数とＰＷＭの周期（周波数）の関係は以下のようになります。
TMR2プリスケーラ=16
PR2=10の場合
クロック周波数
(MHz)		ＰＷＭ
周期(uS)周波数(Hz)
88811,364
41765,682
23522,841
17041,420
TMR2プリスケーラ=16
PR2=255の場合
クロック周波数
(MHz)		ＰＷＭ
周期(uS)周波数(Hz)
82,048488
44,096244
28,192122
116,38461

出力できる周波数は、約６０〜１１０００Ｈｚであり、スピーカをつなげた実験に使えます。
また、周期の最大は約１６ｍＳであり、サーボモータの実験も可能です。
周波数を可変にした理由はこのあたりから来ています。

プログラムの作成

Ａ／Ｄ変換については、Ａ／Ｄ変換を使うを参照して下さい。
また、ＬＣＤの使い方は、液晶ディスプレイを使うを参考にして下さい。

ここでは主に、ＰＷＭ機能で使うレジスタの設定について説明します。

ＰＷＭ機能で使うレジスタ

ＰＷＭ機能で使う基本的なレジスタは以下の４つです。
レジスタ設定内容
CCP1CONＣＣＰ１ＣＯＮレジスタでは、ＣＣＰモジュールの動作を指定します。
T2CONＴ２ＣＯＮレジスタでは、ＴＭＲ２の動作を設定します。
PR2ＰＲ２レジスタでは、ＰＷＭの周期を指定します。
CCPR1LＣＣＰＲ１Ｌレジスタでは、ＰＷＭのパルス幅を指定します。
TMR2割込みを使う場合は、INTCON,PIR1,PIE1レジスタも使います。（今回は使いません）

＜ＣＣＰ１ＣＯＮレジスタ＞
ビットBit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0
記号--CCP1XCCP1YCCP1M3CCP1M2CCP1M1CCP1M0
設定値００００１１００

ＣＣＰ１ＣＯＮレジスタでは、ＣＣＰモジュールの動作を指定します。

CCP1X,CCP1Y
CCPR1Lレジスタの下位に連結されるビットで、合計１０ビットでパルス幅を設定します。
今回は00固定としました。

CCP1M3-0
ＣＣＰモジュールの動作を指定します。
CCP1M3-0動　作
0000ＣＣＰモジュール未使用
0100キャプチャモード（立下りエッジ）
0101キャプチャモード（立ち上がりエッジ）
0110キャプチャモード（立ち上がりエッジ４回毎）
0111キャプチャモード（立ち上がりエッジ１６回毎）
1000コンペアモード（出力セット，CCP1IFセット）
1001コンペアモード（出力クリア，CCP1IFセット）
1010コンペアモード（出力変化無し，CCP1IFセット）
1011コンペアモード（出力変化無し，CCP1IFセット，TMR1リセット，A/Dモジュールが有効ならA/D変換開始）
11xxＰＷＭモード
今回は、ＰＷＭモードで使用しますので、CCP1M3-0に１１００を設定します。

＜Ｔ２ＣＯＮレジスタ＞
ビットBit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0
記号-TOUTPS3TOUTPS2TOUTPS1TOUTPS0TMR2ONT2CKPS1T2CKPS0
設定値０００００１１１

Ｔ２ＣＯＮレジスタでは、ＴＭＲ２の動作を設定します。

TOUTPS3-0
TMR2の出力ポストスケーラで１〜１６倍の範囲が設定できます。（TMR2のリセット何回でTMR2割込みを発生させるか）
今回はTMR2割込みを使いませんので何をセットしてもかまいません。

TMR2ON
このビットをセット（１）することでTMR2が動作します。

T2CKPS1-0
TMR2のプリスケーラで１，４，１６倍の範囲が設定できます。
今回は１６倍で使います。（１６命令サイクル毎にTMR2を＋１する）
T2CKPS1-0プリスケーラ
00１
01４
1x１６

＜ＰＲ２レジスタ＞
ビットBit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0
記号ＰＷＭ周期
設定値ＡＮ３のＡ／Ｄ変換結果（上位８ビット）

ＰＲ２レジスタでは、ＰＷＭの周期を指定します。

＜ＣＣＰＲ１Ｌレジスタ＞
ビットBit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0
記号ＰＷＭパルス幅
設定値ＡＮ４のＡ／Ｄ変換結果（上位８ビット）

ＣＣＰＲ１Ｌレジスタでは、ＰＷＭのパルス幅を指定します。

コンフィグレーションビット

__CONFIG命令では以下の記述をします。

__CONFIG _CONFIG1, _WDT_OFF & _BODEN_ON & _PWRTE_ON & _INTRC_IO & _CCP1_RB3 & _LVP_OFF

_WDT_OFFウォッチドックタイマ使用しない
_BODEN_ON電源電圧低下監視を有効にする
_PWRTE_ONパワーアップタイマを有効にする
_INTRC_IOオシレータは内部クロック使用（１５番ピン：ＲＡ６，１６番ピン：ＲＡ７）
_CCP1_RB3ＣＣＰの出力ピンはＲＢ３を使用（省略するとＲＢ０になる）
_LVP_OFF低電圧プログラミング無効

プログラム全体
今回のプログラムはこちらです。

概略処理フローを以下に載せておきます。

実験風景
ＬＥＤを接続し、明るさ制御の確認をしているところ。
Pは周期、Wはパルス幅です。表示は両方とも１６進数です。
商品化するのであればミリ秒単位とかで表示させる所です。
圧電スピーカ（圧電サウンダ）も同時に接続すれば、音でも動作が確認できます。
ＬＥＤだけだとクロックを切り替えても変化が見えませんが、圧電スピーカを接続すると周波数の変化が良く分かります。

サーボモータを使う場合は、周期とパルス幅を特定の値にする必要があります。
サーボモータの制御を参考にして下さい。