Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Automatyki i Elektroniki Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu Elektronika samochodowa (Kod: ES1C 621 356) Temat: Generacja PWM z wykorzystaniem timerów Opracował: dr inż. Wojciech Wojtkowski 3 lutego 2017
1 Cel i zakres ćwiczenia Celem ćwiczenia jest poznanie jednej z cyfrowych metod generacji sygnałów PWM (Pulse-Width Modulation) bazującej na liczniku cyfrowym. W trakcie ćwiczenia należy skonfigurować badany układ na płytce uruchomieniowej, następnie napisać oprogramowanie mikrokontrolera realizujace wybrane zadanie związane z generacją sygnału PWM. W niektórych zadaniach należy dobrać elementy układu wykonawczego, sterującego obciążeniem większej mocy (gdy prąd obciążenia przekracza wartość 20 ma). Przykładowe zadania do realizacji są podane w dalszej części instrukcji. W trakcie ćwiczenia potrzebna 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 (dwa spotkania po 3 godziny). 2 Sygnał PWM Sygnał PWM, 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). Programowanie AVR 1 z 10
Rysunek 1: Schemat blokowy generatora PWM 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. 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 rośnie wartość przebiegu piłokształtnego). 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. Taka 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 z wysoką częstotliwością. Częstotliwość taktowania jest tym większa, 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. Programowanie AVR 2 z 10
Rysunek 2: Cyfrowa generacja PWM 3 Opis licznika TC1 AT90s2313 Opis mechanizmu generacji PWM jest przedstawiony w oparciu o dokumentację mikro-kontrolera AT 90s2313. Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia laboratoryjnego należy samodzielnie zapoznać się z analogicznym układem z dokumentacji mikrokontrolera wykorzystywanego w ćwiczeniu [1]. AT90s2313 jest wyposażony w dwa układy licznikowe Timer/Counter0 (T C0) oraz Timer/Counter1 (T C1). Licznik T C1 jest wyposażony w prosty sprzętowy mechanizm generacji sygnału PWM. Prostota licznika T C1 pozwala na szybkie zapoznanie się z jego programowaniem, co następnie ułatwia programowanie bardziej złożonych liczników. Licznik T C1 AT90s2313 może być taktowany bezpośrednio sygnałem taktującym procesor lub za pośrednictwem konfigurowalnego dzielnika lub sygnałem zewnętrznym. Gdy licznik T C1 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 P B3 (OC1). Licznik T C1 zlicza od zera do wartości T OP. Wartość T OP 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 (P B3) jest ustawiany lub zerowany zależnie od ustawień bitów COM1A1 i COM 1A0 w rejestrze sterującym T CCR1. Możliwe ustawienia są zestawione w tabeli 1. Przed przystąpieniem do ćwiczenia należy zapoznać się z opisem wymienionych wyżej rejestrów i bitów konfiguracyjnych w dokumentacji wykorzystywanego mikro-kontrolera [1]. 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 T OP. To zapobiega generacji niesymetrycznych impulsów PWM (o niewłaściwej szerokości) w momencie Programowanie AVR 3 z 10
Tabela 1: Działanie bitów konfiguracyjnych COM [5] COM 1A1 COM 1A0 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. Rysunek 3: Przykład ilustrujący działanie synchronizacji rejestru OCR1A [5] programowej zmiany wypełnienia. Porównanie sygnału generowanego z synchronizacją rejestru OCR1A i bez synchronizacji jest przedstawione na rysunku 3. 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 0 lub T OP, wyjście OC1 jest odświeżane przy następnym porównaniu pozytywnym zgodnie z ustawionymi bitami COM1A1 i COM1A0. Zestawienie możliwych kombinacji jest przedstawione w tabeli 2. W przypadku programowania działania bardziej złożonych liczników, należy uwzględnić większą liczbę rejestrów i bitów konfiguracyjnych związanych z rozszerzoną funkcjonalnością. Np. bity W GM (Waveform Generation Mode) w rejestrze T CCR0 (w niektórych mikrokontrolerach AVR8 mogą występować dwa rejestry T CCR0A i T CCR0B), odpowiadają za tryb pracy licznika T C0 np. normal, P W Mphase correct, CT CF astp W M. Bity COM (Compare Output Mode) ustawiają różne dostępne tryby pracy generatora Programowanie AVR 4 z 10
Tabela 2: Stan wyjścia PWM przy stanie OCR1A = 0x0000 lub TOP [5] COM 1A1 COM 1A0 OCR1A Wyjście OC1 1 0 0x0000 L 1 0 TOP H 1 1 0x0000 H 1 1 TOP L 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. 1 #i n c l u d e <avr / i o. h> 3 void delay ( unsigned i n t wartosc ) { 5 unsigned i n t i ; f o r ( i =0; i<wartosc ; i ++) 7 { 9 } 11 13 { } i n t main ( void ) Asm( nop ) ; // zapobiega o p t y m a l i z a c j i kodu TCCR0 =(1<<WGM00) (1<<WGM01) (1<<COM1) (1<<CS00 ) ; 15 DDRB =(1<<PB3) ; OCR0=127; // w y p e l n i e n i e ok. 50 % przy 8 b i t PWM 17 while ( 1 ) 19 { OCR0++; 21 Delay (1000) ; } 23 } Listing 1: Przykład 1 Do generacji opóźnienia można też wykorzystać bibliotekę <util/delay.h>, gdzie znajdują się funkcje delay ms(x ms) oraz delay us(x us). #i n c l u d e <avr / i o. h> 2 #i n c l u d e <avr / i n t e r r u p t. h> Programowanie AVR 5 z 10
4 void Timer1A init ( void ) { 6 TCCR1A=(1<<COM1A1) (1<<WGM10) ; TCCR1B=(1<<CS10 ) (1<<CS12 ) ; 8 DDRD=(1<<PD5) ; } 10 12 { 14 } void Timer1A set ( unsigned char value ) OCR1AL=value ; 16 Void T i m e r 0 i n i t ( void ) { 18 TCCR0=(1<<WGM00) (1<<COM01) ; TCCR0=(1<<CS02 ) (1<<CS00 ) ; 20 DDRB=(1<<PORTB3) ; } 22 24 { 26 } void Timer0 set ( unsigned char value ) OCR0=value ; 28 i n t main ( void ) { 30 Timer1A init ( ) ; Timer1A set (127) ; 32 T i m e r 0 i n i t ( ) ; Timer0 set (127) ; 34 While ( 1 ) {} } Listing 2: Przykład 2 (zawiera proste błędy proszę odnaleźć i wskazać): 4 Przykładowe zadania Zaprojektować układ sterujący przepustnicą elektryczną (prąd maksymalny silnika DC przepustnicy 5 [A], częstotliwość zalecana około 400 Hz, rozdzielczość sygnału PWM 8-bitowa, dostępne tranzystory MOSFET z kanałem wzbogacanym typu n - w laboratorium należy wybrać w oparciu o noty katalogowe). Napisać i przete- Programowanie AVR 6 z 10
stować 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). Napisać i przetestować program sterujący oświetleniem wnętrza z funkcjami płynnego ściemniania i rozjaśniania, zalecana częstotliwość około 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 około 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). 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 około 400 Hz, rozdzielczość sygnału 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. Programowanie AVR 7 z 10
5 Zagadnienia do przygotowania Przed przystąpieniem do ćwiczenia student powinien zapoznać się z dokumentacją zestawu EVBavr05 [2], a w szczególności przeanalizować schematy ideowe wszystkich bloków funkcjonalnych. Dodatkowo należy przygotować w wersji elektronicznej dokumentację mikrokontrolera [1] oraz dokumentację zestawu [2]. 6 Oprogramowanie narzędziowe 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 AVRStudio4.13 SP2 lub nowszego. Oba pakiety można wcześniej zainstalować na swoim komputerze przenośnym i wykorzystać go podczas ćwiczenia. Dla osób dysponujących szybkim komputerem istnieje alternatywa w postaci pakietu Atmel Studio 7 lub nowszego, dostępna pod adresem [3], jednak absolutnie nie jest to oprogramowanie niezbędne podczas zajęć laboratoryjnych, wystarczy wersja 4.13. W przypadku systemu Linux, wykorzystywany jest pakiet Eclipse 3.8 lub nowszy z zainstalowanymi narzędziami dla AVR i do obsługi programatora ISPCableIII [4], instrukcja instalacji wymaganego pluginu do Eclipse jest dostępna pod adresem: http : //avr eclipse.sourcef orge.net/wiki/index.php/p lugin Download. 7 Wymagania BHP Warunkiem przystąpienia do ćwiczenia jest zapoznanie się z instrukcją stanowiskową BHP stosowaną w Laboratorium. Instrukcja ta powinna być przedstawiona studentom podczas pierwszych zajęć laboratoryjnych i dostępna do wglądu w Laboratorium. Tekst instrukcji stanowiskowej obowiązującej w Laboratorium WE48 znajduje się w pliku instrstan-lab48.pdf. 8 Wymogi odnośnie sprawozdania z realizacji ćwiczenia Sprawozdanie powinno zawierać: stronę tytułową (zgodnie z obowiązującym wzorem), Programowanie AVR 8 z 10
datę wykonania ćwiczenia, zakres ćwiczenia, opis stanowiska laboratoryjnego, zastosowanych modułów, dokładny schemat połączeń, opis przebiegu ćwiczenia z wyszczególnieniem wykonywanych czynności, algorytm rozwiązania danego problemu, algorytm działania programu w formie schematu blokowego, z zachowaniem ogólnie przyjętych zasad tworzenia takich schematów, programy w C z komentarzami, oscylogramy ilustrujące poprawne działanie przygotowanych aplikacji, wyniki w formie tabel, oscylogramów, wykreślone charakterystyki, szczegółową analizę wyników, podsumowanie, uwagi oraz wnioski. Na ocenę sprawozdania będą miały wpływ następujące elementy: zgodność treści z instrukcją, algorytm rozwiązania problemu, analiza wyników, 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 w skali 2, 2.5, 3, bez względu na przyczyny opóźnienia. Przy oddawaniu sprawozdania należy zapisać wszystkie pliki i katalogi projektu do katalogu wskazanego przez prowadzącego zajęcia. Jeśli ocena ze sprawozdania będzie niedostateczna, można w terminie 7 dni przynieść wersję poprawioną, jednak ocena z wcześniejszej wersji również wchodzi do średniej końcowej. Programowanie AVR 9 z 10
Bibliografia [1] Dokumentacja mikrokontrolera ATmega16 : http : //www.atmel.com/images/doc2466.pdf [2] Dokumentacja zestawu EVBavr05 : http : //www.propox.com/download/docs/ev Bavr05 pl.pdf [3] Strona z opisem i programem Atmel Studio : http : //www.atmel.com/tools/atmelstudio.aspx [4] Dokumentacja programatora ISPcableIII : http : //www.propox.com/products/t 158.html [5] Dokumentacja mikrokontrolera ATtiny2313 : http : //www.atmel.com/images/atmel 2543 AV R AT tiny2313 D atasheet.pdf 10