Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Automatyki i Elektroniki Kod przedmiotu: Kod przedmiotu: ES1C 621 356 Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu: Elektronika samochodowa Temat: Generacja PWM z wykorzystaniem sprzętowych bloków AVR Automotive Opracował: dr inż. Wojciech Wojtkowski Politechnika Białostocka 2014
Sygnał PWM Sygnał PWM (Pulse Width Modulation), czyli przebieg prostokątny o stałym okresie i zmiennej (modulowanej) szerokości impulsów, jest szeroko stosowany do regulacji różnych parametrów w wielu samochodowych podsystemach funkcjonalnych. Jako przykładowe zastosowanie sygnałów PWM w instalacjach samochodowych można wymienić: Sterowanie wtryskiwaczami elektromagnetycznymi (regulacja dawki paliwa, występuje tutaj także zmiana częstotliwości), Sterowanie cewkami zapłonowymi (regulacja energii wyładowania, występuje tutaj także zmiana częstotliwości), Sterowanie położeniem przepustnicy (regulacja stopnia zasilania silnika spalinowego), Sterowanie żarówkami jedno-żarnikowymi (np. przełączanie pomiędzy światłami tylnymi a światłami STOP), Sterowanie światłami LED, Sterowanie oświetleniem wnętrza (płynne rozjaśnianie lub ściemnianie), Modulacja ciśnienia w układach hamulcowych, Sygnał wyjściowy z czujników przyspieszenia (układy kontroli trakcji, układy bezpieczeństwa czynnego, układy antykradzieżowe). Generacja sygnału PWM w rozwiązaniu klasycznym (analogowym) opiera się o wykorzystanie komparatora porównującego w sposób ciągły sygnał piło-kształtny ze stałym napięciem sterującym. Uproszczony schemat blokowy takiego rozwiązania jest przedstawiony na rysunku 1. Generator piły Komparator PWM Napięcie sterujące Rys. 1. Schemat blokowy generatora PWM Generacja PWM Strona 2
Zmieniając wartość napięcia sterującego uzyskujemy sygnał wyjściowy o innym wypełnieniu, o częstotliwości sygnału piłokształtnego z generatora piły. Sygnał sterujący najczęściej pochodzi z układu sprzężenia zwrotnego, z wyjścia regulatora i może być np. proporcjonalny do zmian regulowanego parametru w układzie zamkniętym. Obecnie najczęściej stosuje się cyfrowe metody generacji sygnału PWM. Najprostsza metoda cyfrowej generacji jest bezpośrednim analogiem metody klasycznej. W takim przypadku komparator analogowy jest zastępowany komparatorem cyfrowym, generator przebiegu piłokształtnego jest zastępowany cyfrowym licznikiem zliczającym impulsy przychodzące z generatora taktującego (stan licznika rośnie w kolejnych taktach, podobnie jak przebieg piłokształtny). Zamiast napięcia sterującego występuje binarne wielobitowe słowo sterujące. Tego typu mechanizm jest obecnie implementowany standardowo w wielu mikrokontrolerach, a w szczególności w mikrokontrolerach przeznaczonych do zastosowań w elektronice samochodowej. Ta metoda generacji cyfrowej sygnału PWM nie sprawdza się w zastosowaniach wymagających wysokich częstotliwości sygnału PWM rzędu kilkuset lub więcej khz, ze względu na konieczność taktowania generatora ze znacznie większą częstotliwością, tym większą, im większą rozdzielczość sygnału PWM chcemy uzyskać. W celu uzyskania wyższych częstotliwości sygnału PWM można stosować jedną z wielu innych cyfrowych metod generacji, które nie wchodzą jednak w zakres ćwiczenia laboratoryjnego. Schemat blokowy najprostszego cyfrowego generatora PWM jest przedstawiony na rysunku 2. Generator taktujący Licznik n-bit Komparator cyfrowy PWM Rejestr sterujący n-bit Rys. 2. Cyfrowa generacja PWM Generacja PWM Strona 3
Cel i zakres ćwiczenia Celem ćwiczenia jest poznanie jednej z cyfrowych metod generacji sygnału PWM generacji w układzie bazującym na liczniku cyfrowym. Jako licznik będzie wykorzystany jeden z dostępnych układów licznikowych w mikrokontrolerach AT90S2313 oraz ATmega16. W trakcie ćwiczenia studenci konfigurują badany układ na płytce uruchomieniowej, następnie piszą oprogramowanie mikrokontrolera. W niektórych zadaniach należy dodatkowo dobrać elementy układu wykonawczego, sterującego obciążeniem większej mocy. Przykładowe zadania do realizacji są podane w dalszej części instrukcji. W trakcie realizacji ćwiczenia potrzebna także będzie umiejętność wykorzystania przycisków do sterowania przebiegiem działania aplikacji. Szczegółowy zakres ćwiczenia ustala prowadzący i podaje studentom w trakcie zajęć. Ćwiczenie realizowane jest w ciągu 6 godzin lekcyjnych (trzy spotkania po 2 godziny). Opis licznika TC1 AT90s2313 Mikrokontroler AT90s2313 jest wyposażony w dwa układy licznikowe Timer/Counter0 (TC0) oraz Timer/Counter1 (TC1). Licznik TC1 jest wyposażony w prosty sprzętowy mechanizm generacji sygnału PWM. Prostota licznika TC1 pozwala na szybkie zapoznanie się z jego programowaniem, co następnie ułatwia programowanie bardziej złożonych liczników. Licznik TC1 AT90s2313 może być taktowany bezpośrednio sygnałem taktującym procesor lub za pośrednictwem konfigurowalnego dzielnika lub sygnałem zewnętrznym. Gdy licznik TC1 pracuje w trybie PWM, rejestrem przechowującym wartość zadaną do porównania jest rejestr OCR1A. Generator PWM można skonfigurować do pracy z rozdzielczością 8, 9 lub 10 bitową. Wyjście sygnału PWM oznaczone jest PB3 (OC1). Licznik TC1 zlicza od zera do wartości TOP. Wartość TOP dla rozdzielczości pracy 8, 9 i 10 bitowej wynosi odpowiednio 255, 511 oraz 1023. Gdy wartość z licznika jest równa wartości 8, 9 lub 10 mniej znaczących bitów rejestru OCR1A, pin OC1 (PB3) jest ustawiany lub zerowany zależnie od ustawień Generacja PWM Strona 4
bitów COM1A1 i COM1A0 w rejestrze sterującym TCCR1. Możliwe ustawienia są zestawione w tabeli 1. Tabela1: Tryby PWM w zależności od bitów COM1 [1] COM1A1 COM1A0 Wpływ na OC1 0 0 Nie podłączony 0 1 Nie podłączony 1 0 Zerowany przy porównaniu pozytywnym przy zliczaniu w górę, ustawiany przy porównaniu pozytywnym przy zliczaniu w dół. 1 1 Zerowany przy porównaniu pozytywnym przy zliczaniu w dół, ustawiany przy porównaniu pozytywnym przy zliczaniu w górę. Aby zmienić wypełnienie impulsów generowanego sygnału PWM należy wpisać nową wartość do rejestru OCR1A. Istotne jest, że po wpisaniu nowej wartości (programowo), trafia ona do rejestru pomocniczego, do czasu, gdy licznik osiąga wartość TOP. To zapobiega generacji niesymetrycznych impulsów PWM (o niewłaściwej szerokości) w momencie programowej zmiany wypełnienia. Porównanie sygnału generowanego z synchronizacją rejestru OCR1A i bez synchronizacji jest przedstawione na rysunku 3. Generacja PWM Strona 5
Rys. 3. Przykład ilustrujący działanie synchronizacji rejestru OCR1A[1] Podczas przedziału czasu pomiędzy wpisem nowej wartości do rejestru tymczasowego a przepisaniem do rejestru OCR1A, próba odczytu OCR1A zawsze zwróci wartość z rejestru tymczasowego, tzn. ostatnio wpisaną. Gdy rejestr OCR1A zawiera 0x0000 lub TOP, wyjście OC1 jest odświeżane przy następnym porównaniu pozytywnym zgodnie z ustawionymi bitami COM1A1 i COM1A0. Zestawienie możliwych kombinacji jest przedstawione w tabeli 2. Tabela2: Stan wyjścia PWM przy stanie OCR1A = 0x0000 lub TOP [1] COM1A1 COM1A0 OCR1A Wyjście OC1 1 0 0x0000 L 1 0 TOP H 1 1 0x0000 H 1 1 TOP L W przypadku programowania działania bardziej złożonych liczników np. ATmega16, należy uwzględnić większą liczbę rejestrów i bitów konfiguracyjnych związanych z rozszerzoną funkcjonalnością liczników. Np. bity WGM (Waveform Generacja PWM Strona 6
Generation Mode) w rejestrze TCCR0 (w niektórych mikrokontrolerach AVR8 mogą występować dwa rejestry TCCR0A i TCCR0B), odpowiadają za tryb pracy licznika TC0 np. normal, PWM phase correct, CTC Fast PWM. Bity COM (Compare Output Mode) ustawiają różne dostępne tryby pracy generatora przebiegu wyjściowego, np. normalne PWM lub PWM z inwersją. Bity CS (Clock Select) umożliwiają podpięcie odpowiedniego sygnału taktującego, rejestry OCR (Output Compare Register) przechowują wartości odpowiadające za współczynniki wypełnienia generowanych sygnałów PWM. Przykład 1: #include <avr/io.h> void delay (unsigned int wartosc) unsigned int i; for (i=0;i<wartosc;i++) Asm( nop );//zapobiega optymalizacji kodu int main (void) TCCR0 =(1<<WGM00) (1<<WGM01) (1<<COM1) (1<<CS00); DDRB =(1<<PB3); OCR0=127; //wypełnienie ok. 50% przy 8bit PWM while(1) OCR0++; Delay(1000); Przykład 2 (zawiera błędy proszę odnaleźć i wskazać): #include <avr/io.h> #include <avr/interrupt.h> void Timer1A_init(void) TCCR1A=(1<<COM1A1) (1<<WGM10); TCCR1B=(1<<CS10) (1<<CS12); DDRD=(1<<PD5); void Timer1A_set(unsigned char value) OCR1AL=value; Void Timer0_init(void) TCCR0=(1<<WGM00) (1<<COM01); TCCR0=(1<<CS02) (1<<CS00); DDRB=(1<<PORTB3); void Timer0_set(unsigned char value) OCR0=value; Generacja PWM Strona 7
int main (void) Timer1A_init(); Timer1A_set(127); Timer0_init(); Timer0_set(127); While(1) Przykładowe zadania Zaprojektować układ sterujący przepustnicą elektryczną (prąd maksymalny silnika DC przepustnicy 5 [A], częstotliwość zalecana rzędu 400 Hz, rozdzielczość PWM 8-bitowa, dostępne tranzystory MOSFET z kanałem wzbogacanym typu n ). Napisać i przetestować program sterujący przepustnicą elektryczną dla mikrokontrolera AT90s2313. Program powinien obsługiwać dwa przyciski sterujące ( góra oraz dół ). Do sterowania przepustnicą dobrać odpowiedni tranzystor MOSFET posługując się danymi katalogowymi (dostępne w trakcie zajęć). Napisać i przetestować program sterujący oświetleniem wnętrza z funkcjami płynnego ściemniania i rozjaśniania, zalecana częstotliwość 300Hz. Generacja oparta o programowy mechanizm PWM. Minimum dwa niezależne kanały. Napisać i przetestować program sterujący oświetleniem wnętrza z funkcjami płynnego ściemniania i rozjaśniania, zalecana częstotliwość 300Hz. Generacja oparta o sprzętowy mechanizm PWM. Napisać i przetestować przy pomocy oscyloskopu program do badania wszystkich dostępnych trybów pracy generatora PWM opartego o TC0 (lub TC1) mikrokontrolera ATmega16. Wyniki przeanalizować. Należy zamieścić w sprawozdaniu oscylogramy. Zbadać zachowanie przebiegów wyjściowych w momencie programowej zmiany współczynnika wypełnienia. Zbadać zakresy zmian współczynnika wypełnienia we wszystkich dostępnych trybach pracy. Zbadać generator przy wszystkich dostępnych częstotliwościach pracy (przy taktowaniu procesora z częstotliwością 8MHz). Generacja PWM Strona 8
Wykorzystać układ licznikowy do generacji przebiegu prostokątnego o wypełnieniu 50% i regulowanej częstotliwości. Zbadać możliwości takiego układu. Zaprojektować układ sterujący przepustnicą elektryczną wyposażoną w czujnik położenia (prąd maksymalny silnika DC przepustnicy 5 [A], częstotliwość zalecana rzędu 400 Hz, rozdzielczość PWM 8-bitowa, dostępne tranzystory MOSFET z kanałem wzbogacanym typu n ). Napisać i przetestować program sterujący przepustnicą elektryczną dla mikrokontrolera ATmega16. Program powinien obsługiwać dwa przyciski sterujące ( góra oraz dół ). Do sterowania przepustnicą dobrać odpowiedni tranzystor MOSFET posługując się danymi katalogowymi (dostępne w trakcie zajęć). Należy zaprogramować 8 stopni otwarcia przepustnicy. Osiągnięcie zadanego stopnia otwarcia odbywa się na podstawie sygnału z czujnika potencjometrycznego położenia przepustnicy. Szybkość zmiany położenia powinna być stała, niezależnie od szybkości zmian wprowadzanych przyciskami sterującymi. Osiąganie poszczególnych stopni otwarcia przepustnicy należy sygnalizować na linijce 8 diod LED. Zagadnienia do przygotowania Przed przystąpieniem do ćwiczenia student powinien zapoznać się z dokumentacją zestawu EVBavr05 [2]. Dodatkowo należy przygotować w wersji elektronicznej dokumentację mikrokontrolera [1] oraz dokumentację zestawu EVB [2]. Należy zastanowić się nad programami z przykładów 1 oraz 2 i znaleźć błędy w programie 2. Należy zastanowić się nad problemem zilustrowanym na rysunku 3 i umieć go wytłumaczyć. Oprogramowanie będzie pisane w języku C. Komplet oprogramowania narzędziowego jest dostępny w sieci Internet i jest bezpłatny. W przypadku systemu Windows składa się z pakietu WinAVR-20071221 lub nowszego oraz AVRStudio4.13SP2. Oba pakiety można wcześniej zainstalować na swoim komputerze przenośnym i wykorzystać go podczas ćwiczenia. Dla osób Generacja PWM Strona 9
dysponujących szybkim komputerem istnieje alternatywa w postaci pakietu Atmel Studio 6.1 lub nowszego, dostępna pod adresem [4], jednak absolutnie nie jest to oprogramowanie niezbędne, wystarczy wersja 4.13. W przypadku systemu Linux, wykorzystywany jest pakiet Eclipse z zainstalowanymi narzędziami dla AVR i do obsługi programatora ISPCableIII [6]. Wymagania BHP Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest zapoznanie się z obowiązującą w laboratorium instrukcją BHP oraz przestrzeganie zasad w niej zawartych. Konieczne jest także zapoznanie z ogólnymi zasadami pracy przy stanowisku komputerowym. Wymogi odnośnie sprawozdania z realizacji ćwiczenia Sprawozdanie powinno zawierać: stronę tytułową (zgodnie z obowiązującym wzorem), zakres ćwiczenia, opis stanowiska laboratoryjnego, zastosowanych modułów, opis projektowania układu wykonawczego oraz doboru elementów, dokładny schemat połączeń, opis przebiegu ćwiczenia z wyszczególnieniem wykonywanych czynności, algorytm rozwiązania danego problemu, programy w C z komentarzami, oscylogramy ilustrujące poprawne działanie przygotowanych aplikacji, podsumowanie, uwagi oraz wnioski. Na ocenę sprawozdania będą miały wpływ następujące elementy: zgodność zawartości z instrukcją, algorytm rozwiązania problemu, Generacja PWM Strona 10
wnioski i uwagi, terminowość i ogólna estetyka. Sprawozdanie powinno być wykonane i oddane na zakończenie ćwiczenia, najpóźniej na zajęciach następnych. Sprawozdania oddane później niż na następnych zajęciach będą oceniane niżej. Jeśli ćwiczenie laboratoryjne jest realizowane podczas 2 lub 3 spotkań, sprawozdanie należy sporządzić z każdego spotkania osobno, tytułując: Temat ćwiczenia, część 1, Temat ćwiczenia, część 2, itd.. Literatura 1. Dokumentacja mikrokontrolera AT90S2313 dostępna na stronie producenta: http://www.atmel.com/images/doc0839.pdf 2. Dokumentacja zestawu EVBavr05 dostępna na stronie producenta: http://www.propox.com/download/docs/evbavr05_pl.pdf 3. Dokumentacja mikrokontrolera ATmega16 dostępna na stronie producenta: http://www.atmel.com/images/doc2466.pdf 4. Materiały wykładowe z przedmiotu Elektronika samochodowa 5. Strona dotycząca oprogramowania Atmel Studio: http://www.atmel.com/tools/atmelstudio.aspx 6. Dokumentacja programatora ISP CableIII: http://www.propox.com/products/t_158.html Generacja PWM Strona 11