Применение модуля захвата, сравнения, ШИМ в контроллерах Microchip

Часть 2. Заключение

В предыдущей части были рассмотрены особенности применения модуля захвата, сравнения и ШИМ (Capture/Compare/PWM – ССР) компании Microchip Technology Inc – ведущего производителя 8-и разрядных микроконтроллеров.

Мы продолжаем рассматривать возможные примеры использования модуля CCP в микроконтроллерах PICmicro® применительно к решению практических задач.

Применение широтно-импульсной модуляции (ШИМ)

Широтно-импульсная модуляция, рассматриваемая в следующих примерах, используется в разных задачах – от формирования звукового сигнала и управления яркостью светодиодов, до управления скоростью вращения электромотора. Все эти задачи основываются на базовом принципе ШИМ-сигнала – чем больше скважность импульсов – тем больше среднее значение напряжения (рис.1). Зависимость среднего напряжения от величины скважности является линейной:

VСР = скважность ? VМАКС

Модуль ССР в микроконтроллерах Microchip может формировать ШИМ сигнал с 10-и разрядной точностью на выводе CCPx микроконтроллера. Расширенный модуль ЕССР может формировать ШИМ на одном из 4-х выводов Р1A … P1D в следующих режимах:

Одиночный выход (только на выводе P1A);
Управление полумостом (только на выводах P1A и P1B);
Управление мостом (возможность реверсирования двигателя).

В мостовом режиме управления доступны четыре варианта работы:

PA1A, P1C активный уровень «1»; P1B, P1D активный уровень «1»;
PA1A, P1C активный уровень «1»; P1B, P1D активный уровень «0»;
PA1A, P1C активный уровень «0»; P1B, P1D активный уровень «1»;
PA1A, P1C активный уровень «0»; P1B, P1D активный уровень «0».

 

Пример #10. Выбор частоты ШИМ

Частота ШИМ зависит от различных факторов. При увеличении частоты увеличиваются потери на переключение, емкость и индуктивность нагрузки влияют на изменение формы сигнала. Поэтому в микромощных устройствах следует выбирать минимально возможную частоту ШИМ, а в схемах с емкостной или индуктивной нагрузкой выбирать частоту исходя из анализа схемы.

Управление электродвигателями

ШИМ применяется для управления двигателями в импульсном режиме. По характеристикам двигателя необходимо подобрать значение частоты ШИМ, чтобы обеспечить оптимальные характеристики электропривода. При выборе задающей частоты важным критерием являются акустические шумы, создаваемые двигателем при работе. Коллекторные двигатели могут создавать звуковой шум на частотах от 20Гц до 4 кГц. Для исключения этого нежелательного эффекта нужно выбирать частоту выше 4 кГц. На таких частотах акустического шума уже не будет, т.к. механические части имеют более низкие резонансные частоты.

Светодиоды и устройства освещения

ШИМ часто используется для изменения яркости световых приборов. Эффект мерцания может быть заметен на частотах ниже 50Гц, поэтому на практике частота ШИМ выбирается около 100Гц или выше.

Пример #11. Управление коллекторным двигателем постоянного тока с использованием модуля ССР

Скорость вращения двигателя пропорциональна скважности ШИМ на выводе контроллера CCP1 (рис. 2.). Рассмотрим, как нужно сконфигурировать микроконтроллер PIC16F628, для формирования ШИМ с частотой 20КГц и 50% скважностью. Тактовая частота контроллера 20МГц.

1. Выбираем величину предделителя Таймера 2

FPWM = FOSC/((PR2+1) ? 4 ? предделитель) = 19531Гц,

при PR2 = 255 и предделитель = 1

Полученная частота несколько ниже чем 20Кгц, таким образом, величина предделителя подходит.

2. Вычисляем величину регистра периода PR2

PR2 = FOSC/(FPWM ? 4 ? prescaler) – 1 = 249

3. Вычисляем значение регистра скважности CCPR1L и CCPCON<5:4>

CCPR1L:CCP1CON<5:4> = скважность ? 0x3FF = 0x1FF

CCPR1L = 0x1FF >> 2 = 0x7F, CCP1CON<5:4> = 3

4. Конфигурируем модуль ССР в режим генерации ШИМ

CCP1CON = ‘b001111000’

Пример #12. Реверсивное управление коллекторным двигателем постоянного тока с использованием модуля ЕССР

Модуль ЕССР имеет опции для управления коллекторными двигателями постоянного тока. На рис.3 приведена схема подключения мостовой схемы управления двигателем. Выводы модуля ЕССР P1A … P1D могут работать в режиме управления мостовой схемой и задавать скорость и направление вращения. Для примера, изображенного на рис.3, модуль ЕССР конфигурируется так: P1A, P1C активный уровень «1»; P1B, P1D активный уровень «1» (CCP1CON<3:1>). Это сделано для того, чтобы MOSFET драйверы (ТС428) открывали выходные ключи. В таблице указана связь между режимами работы двигателя и выходами ШИМ:

Режим	Р1А	Р1В	Р1С	Р1D	CCP1CON
вперед	1	Х	Х	ШИМ	b01xx1100
назад	Х	ШИМ	1	Х	b11xx1100
инерция	Х	Х	Х	Х	не важно
торможение	Х	1	1	Х	не важно

Пример #13. Управление шаговым двигателем в режиме микрошага

Шаговые двигатели занимают уникальную нишу среди всего многообразия применений двигателей. Шаговые двигатели используются в системах измерения в качестве индикаторов параметров и в системах управления позиционированием исполнительных механизмов. Часто возникает необходимость управлять шаговым двигателем режиме микрошага. Применение микроконтроллера дает много преимуществ: возможность управлять скоростью движения вала, т.е. варьировать ускорением и торможением, точно позиционировать объект управления. Микроконтроллер PIC16F648 идеально подходит для большинства таких задач управления шаговым двигателем. Этот дешовый, 14-ти выводный контроллер имеет 2К слов Flash памяти программ, восемь каналов 10 разрядного АЦП, два аналоговых компаратора и модуль ECCP. Таким образом, используя только периферию контроллера, можно управлять шаговым двигателем с помощью специализированного модуля ШИМ – ECCP и реализовать защиту по току с помощью встроенного компаратора.

Подробное описание алгоритма управления шаговым двигателем и пример программы опубликованы на сайте Microchip в AN906 “Stepper Motor Control Using the PIC16F684”.

 

Пример #14. Формирование аналогового сигнала

Выход ШИМ может применяться для цифро-аналогового преобразования с помощью нескольких внешних элементов. Преобразование ШИМ сигнала в аналоговый осуществляется на основе фильтра ФНЧ (рис.4). Для исключения появления в выходном сигнале нежелательных гармоник необходимо, чтобы частота модуляции (FPWM) была намного выше, чем частота выходного сигнала (FBW):

FPWM=К* FBW,

причем, чем больше значение К, тем меньше гармоник

Для расчета фильтра применяется следующая формула:

RC = 1/(2pFBW)

Выбрав значение емкости С, вычисляют значение резистора R. Подавление частоты ШИМ в выходном сигнале определяется выражением:

–10*log[1+(2pFPWMRC)2] (дБ)

Если подавление недостаточное, то увеличивают коэффициент К, увеличивая тем самым частоту модуляции. Подробное описание примера реализации есть в документе AN538 “Using PWM to Generate Analog Output in PIC17C42” на сайте Microchip.

 

Пример #15. Повышающий преобразователь напряжения

Широтно-импульсная модуляция используется в преобразователях напряжения, например в повышающих схемах (рис.5). Работу схемы можно разделить на две фазы. В первой фазе, когда на выходе ШИМ активный единичный уровень, происходит накопление энергии в катушке L1 путем подключения ее вывода на «землю» транзистором Т1. Во второй фазе на выходе ШИМ нулевой уровень, который запирает транзистор. Ток из катушки течет через диод D1 на конденсатор накопления С2 и на нагрузку. При этом напряжение на нагрузке получается выше напряжения питания. Расчет необходимых характеристик схемы производится по формулам:

Uвых/Uвх=1/(1-D),

где D – скважность импульсов ШИМ

Выбор значения индуктивности производиться на основе максимального выходного тока:

L=Uвх(1-D)DT/2Iвых,

где Т – период ШИМ

При расчете максимальная скважность D принимается не более 75%, а частота ШИМ – 10..100 кГц. Также необходимо рассчитать пульсации тока:

Iпульс=UвхDT/L

Если ток пульсаций превышает значение тока насыщения индуктивности, то необходимо выбрать более высокое значение индуктивности.

Скважность ШИМ вычисляется контроллером по ПИД закону, что позволяет поддерживать выходное напряжение при изменении нагрузки. Более подробно данный метод описан в примере AN258 “Low Cost USB Microcontroller Programmer” на сайте Microchip.

 

Пример #16. Управление яркостью светодиодов

Для изменения яркости светодиодов можно использовать ШИМ. Для этого на выход ССР подключается светодиод через резистор, ограничивающий максимальный ток. Изменяя скважность импульсов с помощью регистра CCPRxL в широких пределах (00..FF), меняется яркость свечения. Необходимо отметить, что частота ШИМ должна быть не менее 100 Гц для устранения мерцания.

Пример #17. Протокол передачи данных Х-10. Синтез несущей частоты

Для передачи информации по электросетям, например, передача данных внутри квартиры по силовой проводке 220В, часто используется протокол Х-10. На основную частоту (50/60 Гц) накладывается модулированный сигнал более высокой частоты (120 кГц). Для получения такой частоты в контроллере можно применять модуль ССР в режиме ШИМ. На рис.6 показана реализация передатчика.

В соответствии со спецификацией Х-10 частота 120 кГц должна иметь отклонения не более 2 кГц. Получение точного значения частоты в модуле ССР обусловлено применением системного кварца частотой 7,68 МГц. Подключение несущей частоты осуществляется в момент перехода сетевого напряжения через нуль.

В примере AN236 “X-10 Home Automation Using the PIC16F877A” можно найти более детальное описание протокола и исходные коды программ.

 

Совместное использование модулей Захвата, Сравнения, ШИМ

Модуль ССР (ЕССР) в контроллерах Microchip может программироваться «на лету», за счет чего эти модули могут выполнять различные функции в одном и том же устройстве в зависимости от алгоритма работы. Рассмотрим возможности гибкого изменения функций на конкретных примерах.

Пример #18. Автоопределение скорости передачи RS-232

Интерфейс связи RS-232 имеет различные скорости передачи. Возможность устройства определять скорость связи и автоматически настраивать приемник и передатчик требует наличие в программе устройства соответствующих процедур.

Во многих новых контроллерах Microchip существует аппаратный модуль EUSART с возможностью автоматического определения скорости приема данных и подстройки скорости передачи, возможностью работы в режиме SLEEP и другими функциями, необходимыми для реализации таких протоколов как LIN.

В тех контроллерах, где нет аппаратного модуля USART, модуль ССР можно использовать в режиме захвата для автоматического определения скорости связи и затем перенастроить в режим сравнения для формирования или приема данных через RS-232. Для работы алгоритма автоопределения скорости необходим калибровочный байт, с которого начинается передача данных от одного устройства к другому. Один из возможных калибровочных символов изображен на рис.7 Известные временные параметры калибровочного символа позволяют принимающему устройству определить и настроить скорость передачи RS-232 интерфейса.

Алгоритм определения скорости передачи по калибровочному символу:

1. Настраиваем модуль ССР на захват по спаду (определение стартового бита);
2. Когда стартовый бит определен, сохраняем значение регистра CCPR1;
3. Настраиваем модуль ССР на захват по фронту (определение стопового бита);
4. Когда стоповый бит определен, сохраняем значение регистра CCPR1;
5. Определяем разность между значениями CCPR1, полученными в п.4 и в п.2. Это время 8 битовых интервалов;
6. Разность сдвигаем на три бита вправо для деления на 8. Полученное значение – время битового интервала;
7. Сдвигаем еще на один бит вправо. Получаем время половины битового интервала

Примеры программ для организации приема и передачи информации по последовательному каналу, а также процедуры автоопределения скорости передачи есть в AN712 “RS-232 Autobaud for the PIC16C5X Devices”.

Пример #19. АЦП двойного интегрирования

Модуль ССР позволяет построить АЦП двойного интегрирования на основе внешнего интегратора. На рис.8 представлена схема такого устройства. Интегрирование входного сигнала Uвх осуществляется за фиксированный промежуток времени Т1. Затем на вход интегратора подается Uоп и измеряется время, за которое на выходе интегратора появится нулевой уровень. По временам Т1 и Т2, а также по Uоп можно вычислить Uвх.

Для задания времени Т1 нужно использовать режим сравнения модуля ССР, а для определения Т2 – режим захвата. Кратко алгоритм можно представить так:

1. Настраиваем ССР на режим сравнения, используем триггер специального события;
2. Подключаем Uвх на вход интегратора;
3. Отсчитываем Т1. Это время определяется параметрами интегратора;
4. По прерыванию от ССР подключаем на вход интегратора Uоп и задаем режим захвата модуля ССР по спаду;
5. По прерыванию от ССР фиксируем время Т2;
6. Вычисляем величину Uвх.

Uвх=UопT2/T1

Благодаря большому разнообразию контроллеров Microchip и их программной и аппаратной совместимости все описанные примеры могут быть легко перенесены на тот или иной контроллер в зависимости от требований разрабатываемой системы. Компания Microchip постоянно расширяет номенклатуру контроллеров как в сторону уменьшения числа выводов и увеличения периферийных устройств, так и в сторону мощных контроллеров большим объемом памяти и с максимально возможной периферией. Подробности о новейших микроконтроллерах, а так же новые примеры использования вы всегда сможете найти на сайте компании Microchip Technology Inc.: www.microchip.com