第5回 PWM制御(4) 〜PWM機能を実装する〜

今回は、基礎編で製作したタイマープログラムにPWM機能を実装します。

実装する内容

前回までに、PWM制御方法を二通り確認しました。一つは、__delay_us()を使用して時間制御を含めて全てプログラムで制御する方法、もう一つは、PICマイコンのPWM制御機能を使って制御する方法です。

タイマープログラムにPWM機能を実装するのは、ちょっと無理矢理感がありますが、そこをなんとか実装してみようと思います。

実装は「タイマーで時間が来たらブザーを鳴らすと同時にLEDをスムーズに点滅させる」という内容にします。

基礎編で製作したタイマーは、時間が来るとブザーを鳴らし、LEDを点灯させる、という動作でした。この「LEDを点灯させる」という部分を「PWM機能を使ってスムーズに点滅させる」という動作に変更します。

 

実装仕様

せっかくPICマイコンのPWM制御方法を確認しましたので、その方法で実装します。実装仕様としては以下のように点滅制御させることにします。

  • PWMの周期は1ms
  • LEDの明るさの制御は、デューティ比を5%〜100%の間で変えることにより行う
  • デューティ比は1ms毎に0.1%ずつ変える。5%→100%まで1ms毎に0.1%ずつ大きくし、100%→5%まで1ms毎に0.1%ずつ小さくする、という動作を繰り返す

なお、デューティー比は0%〜100%で変化させても良いと思います。5%から開始しているのは特に意味はありませんので、一度動作させてみてご自分の好きな点灯パターンで調整してみてください。

 

プログラム

前回、PWM制御方法を詳しく説明しましたので、この動作プログラムは特に詳しい説明は必要ないと思います。特にデューティ比の設定、

/*
 * File:   main.c
 * 変更履歴
 *    2016.11.20: スイッチ制御部分を追加
 *    2016.12.05: 時間計測とブザー制御部分を追加
 *    2017.01.15: 設定時間が来たらLEDをPWM制御に変更
 */

#include <xc.h>

// PIC12F1822 Configuration Bit Settings
// CONFIG1
#pragma config FOSC = INTOSC    // Oscillator Selection (INTOSC oscillator: I/O function on CLKIN pin)
#pragma config WDTE = OFF       // Watchdog Timer Enable (WDT disabled)
#pragma config PWRTE = OFF      // Power-up Timer Enable (PWRT disabled)
#pragma config MCLRE = OFF      // MCLR Pin Function Select (MCLR/VPP pin function is digital input)
#pragma config CP = OFF         // Flash Program Memory Code Protection (Program memory code protection is disabled)
#pragma config CPD = OFF        // Data Memory Code Protection (Data memory code protection is disabled)
#pragma config BOREN = ON       // Brown-out Reset Enable (Brown-out Reset enabled)
#pragma config CLKOUTEN = OFF   // Clock Out Enable (CLKOUT function is disabled. I/O or oscillator function on the CLKOUT pin)
#pragma config IESO = OFF       // Internal/External Switchover (Internal/External Switchover mode is disabled)
#pragma config FCMEN = OFF      // Fail-Safe Clock Monitor Enable (Fail-Safe Clock Monitor is disabled)
// CONFIG2
#pragma config WRT = OFF        // Flash Memory Self-Write Protection (Write protection off)
#pragma config PLLEN = OFF      // PLL Enable (4x PLL disabled)
#pragma config STVREN = OFF     // Stack Overflow/Underflow Reset Enable (Stack Overflow or Underflow will not cause a Reset)
#pragma config BORV = LO        // Brown-out Reset Voltage Selection (Brown-out Reset Voltage (Vbor), low trip point selected.)
#pragma config LVP = OFF        // Low-Voltage Programming Enable (High-voltage on MCLR/VPP must be used for programming)


// クロック周波数指定
// __delay_ms()関数が使用する
#define _XTAL_FREQ 1000000

void main(void) {

    // PICマイコン設定
    OSCCON = 0b01011010;  // 内部クロック周波数を1MHzに設定
    ANSELA = 0b00000000;  // すべてのピンをデジタルモードに設定
    TRISA  = 0b00001000;  // すべてのピンを出力モードに設定(ただしRA3ピンは常に入力モード)
    
    // 変数宣言
    unsigned short timer;   // 時間計測
    unsigned short duty;    // PWMのデューティーサイクル

    // LEDを点灯する
    LATA5 = 1;
    
    // ブザーをOFFにする
    LATA4 = 0;

    // スイッチが押されるまで待つ
    while(RA3){
    }
        
    // LED点滅処理(3秒間繰り返す)
    for(timer=0; timer<3; timer++){
        // LEDを950ms消灯する
        LATA5 = 0;
        __delay_ms(950);
        // LEDを50ms点灯する
        LATA5 = 1;
        __delay_ms(50);            
    }
    
    // ブザーをONにする
    LATA4 = 1;

    // LEDをPWM制御してスムーズな点滅制御をする
    // PWM機能のピン割り当て設定
    APFCONbits.CCP1SEL = 1;     // PWM機能をRA5ピンに設定
    CCP1CONbits.CCP1M = 0b1100; // PWM機能を有効、active-highに設定
    CCP1CONbits.P1M = 0b00;     // RA2ピンはGPIOに設定

    // 周期(1ms)とデューティーサイクル(0.5ms)の設定
    T2CONbits.T2CKPS = 0b00;    // プリスケーラを1:1に設定
    PR2 = 249;                  // 周期を1msに設定 (249 + 1) x 4 x 1us = 1000us = 1ms
    CCPR1L = 500/4;             // デューティーサイクルを0.5msに設定
    CCP1CONbits.DC1B = 500;

    // PWM制御スタート
    T2CONbits.TMR2ON = 1;

    // LEDをPWM制御
    // デューテー比は10%〜100%の制御にする
    while(1) {
        // 5% -> 100%の制御
        for(duty=50; duty<=1000; duty++) {
            CCPR1L = duty / 4;          // 上位8ビット
            CCP1CONbits.DC1B = duty;    // 下位2ビット
            __delay_ms(1);
        }
        // 100% -> 5%の制御
        for(duty=1000; duty>=50; duty--) {
            CCPR1L = duty / 4;          // 上位8ビット
            CCP1CONbits.DC1B = duty;    // 下位2ビット
            __delay_ms(1);
        }

    }
    
    // 以下の命令は実行されない
    return;

}

動作確認

プログラムをビルドしてPICマイコンに書き込んで動作確認しましょう。

ところで、LEDの明るさの変化をよくみると、確かにLEDの発光がだんだん明るくなったり暗くなったりしていますが、なんとなく、すぐに明るくなって、しばらく明るい期間が続き、急に暗くなる、というような動作に見えるかもしれません。

これは、例えばデューティー比が50%の場合、確かに明るさは半分になっているはずなのですが、人間の目にはLEDの明るさが半分になったようには見えないためです。人間の目は明るい方の変化はそれほど感じませんが、暗い方の変化は敏感に感じるようになっています(数学的に説明すると、対数的な感度を持っていて、これは視覚だけではなく、聴覚も同じです)。

LEDのPWM制御は1次関数でデューティー比を制御していますが、人間の目の感度は対数関数であるため、ズレが生じています。

動作確認するとは言っても、目視では正しくPWM制御できているかわかりません。そこで、今回もオシロスコープ(電圧の波形の測定装置)でRA5ピンの電圧を確認しました。

PWM制御ではデューティー比を1ms毎に変えていますので、どのように変化しているか、今回は動画をアップしますので確認してみてください。

 

更新履歴

日付 内容
2017.1.19 新規投稿
2018.11.30 プログラムテンプレートをMPLABX IDE v5.10に更新
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大地男女
大地男女
1 年 前

とても分かりやすい説明のお陰で始めたばかりの者ですが、どうにかここまで理解できました。PIC12F1822についてのPWM制御は実機で再現できました。

私は PIC12F1501 を使用して4つのLEDをPWMしたいと思い、ツールラボさんのコードやデータシートを参考にして以下のコードまで書くことができました。

本当に知識がないのでこの記事とは場違いかもしれませんが質問させて頂きます。

 質問は4つのPWMピンを使ってスムーズな明暗をさせる場合、while文を同時に4つ処理する、またはwhile文を使わずに処理することは可能でしょうか?

// PIC12F1501 Configuration Bit Settings

// ‘C’ source line config statements

// CONFIG1
#pragma config FOSC = INTOSC // Oscillator Selection Bits (INTOSC oscillator: I/O function on CLKIN pin)
#pragma config WDTE = OFF // Watchdog Timer Enable (WDT disabled)
#pragma config PWRTE = OFF // Power-up Timer Enable (PWRT disabled)
#pragma config MCLRE = OFF // MCLR Pin Function Select (MCLR/VPP pin function is digital input)
#pragma config CP = OFF // Flash Program Memory Code Protection (Program memory code protection is disabled)
#pragma config BOREN = ON // Brown-out Reset Enable (Brown-out Reset enabled)
#pragma config CLKOUTEN = OFF // Clock Out Enable (CLKOUT function is disabled. I/O or oscillator function on the CLKOUT pin)

// CONFIG2
#pragma config WRT = OFF // Flash Memory Self-Write Protection (Write protection off)
#pragma config STVREN = OFF // Stack Overflow/Underflow Reset Enable (Stack Overflow or Underflow will not cause a Reset)
#pragma config BORV = LO // Brown-out Reset Voltage Selection (Brown-out Reset Voltage (Vbor), low trip point selected.)
#pragma config LPBOR = OFF // Low-Power Brown Out Reset (Low-Power BOR is disabled)
#pragma config LVP = ON // Low-Voltage Programming Enable (Low-voltage programming enabled)

// #pragma config statements should precede project file includes.
// Use project enums instead of #define for ON and OFF.

// クロック周波数指定
// __delay_ms(), __delay_us()関数が使用する
#define _XTAL_FREQ 1000000 //1clok=1us

#include

void main(void) {

// PICマイコン設定
OSCCON = 0b01011010; // 内部クロック周波数を1MHzに設定
ANSELA = 0b00000000; // すべてのピンをデジタルモードに設定
TRISA = 0b00001000; // すべてのピンを出力モードに設定

// 変数宣言
unsigned short timer; // 時間計測
unsigned short duty; // PWMのデューティーサイクル

LATA0 = 1;

//5ピンの設定
PWM1CON = 0b11000000; //RA=2をPWM有効かつactive-highに設定
T2CON = 0b00000000 ; // TMR2プリスケーラ値を1倍に設定
//初期化
PWM1DCH = 0 ; // デューティ値は0で初期化
PWM1DCL = 0 ;
TMR2 = 0 ; // タイマー2カウンターを初期化
//PWMの周期
PR2 = 249 ; // PWMの周期を設定(1us*1000=1ms)
PWM1DCH = 0b11001000 ; // デューティ値は0で初期化
PWM1DCL = 00 ;
T2CONbits.TMR2ON = 1; // TMR2(PWM)スタート

while(1) {
// 5% -> 100%の制御
for(duty=50; duty<=1000; duty++) { PWM1DCH = duty / 4; // 上位8ビット PWM1DCL = duty; // 下位2ビット __delay_ms(1); } // 100% -> 5%の制御
for(duty=1000; duty>=50; duty–) {
PWM1DCH = duty / 4; // 上位8ビット
PWM1DCL = duty; // 下位2ビット
__delay_ms(1);
}

}

// 以下の命令は実行されない
return;
}

管理者
管理者
返信  大地男女
1 年 前

ご質問どうもありがとうございます。

PIC12F1501を使用してご自身でプログラムを作成された、というのはすごいですね! PICマイコンはちょっと使いづらいですが、使いこなせるようになるとPICマイコン自体はかなり安いので、いろいろなものが安く作れるようになりますよね。

ところで、PIC12F1501はPWMモジュールが4個ありますので、それぞれのPWMを個別に制御できます。例えば4個同時に制御したい場合、以下のようにwhile文の中で4個分のPWM設定を書けばOKです。

while(1) {
// 5% -> 100%の制御
for(duty=50; duty<=1000; duty++) { PWM1DCH = duty / 4; // 上位8ビット PWM1DCL = duty; // 下位2ビット PWM2DCH = duty / 4; // 上位8ビット PWM2DCL = duty; // 下位2ビット PWM3DCH = duty / 4; // 上位8ビット PWM3DCL = duty; // 下位2ビット PWM4DCH = duty / 4; // 上位8ビット PWM4DCL = duty; // 下位2ビット __delay_ms(1); } 以下同様 } なお、PWMモジュールの設定は4個分(PWM1CON〜PWM4CON)必要になります。 まずは基本的に4個のPWMモジュールを同じように制御する上のようなプログラムで動作確認いただいて、それをベースにいろいろ変えてみるといいかな、と思います。 回答になっているか分かりませんが、不明点ありましたらお手数ですがご質問いただければと思います。

大地男女
大地男女
返信  管理者
1 年 前

ご返信ありがとうございます。
おかげで、正に思い通りの制御をすることができました!
この先の記事も、しっかり理解しながら読み進めていきます。
ありがとうございました。

junjun
junjun
3 年 前

毎回 分かりやすく丁寧な ご説明ありがとうございます。
おかげさまで マイコン・C言語ともに初心者の私も、
ここまでたどり着くことができました。

PWM 制御に関しては まるで迷路に迷い込んでしまった様な状態でして、
今回も 一つ疑問があります。
 ・周期を一定とするなら Duty Cycle を変更する
 ・ Duty Cycle を一定とするなら周期を変更する ……
つまり Duty Ratio を変えることで PWM 制御が成り立っている というのが
ここまでの理解なのですが …… 。

79行目 : PR2 の設定で周期を決めた後は、
90行目以降の for 文で Duty Cycle を変更することにより
LED の明るさが連続的に変化するという ロジックであって、
 80行目 : CCPR1L = 500/4;
 81行目 : CCP1CONbits.DC1B = 500;
この二行は不要かと思われるのですが …… 。

管理者
管理者
返信  junjun
3 年 前

junjunさま、

ご質問どうもありがとうございます!
鋭い質問です、と言うよりプログラム修正した方がよさそうです。

まず、ご指摘の80行目と81行目でDuty Cycleを指定している理由ですが、84行目でPWM制御をスタートする前に初期設定をしておきたかったためです。80行目と81行目の設定がなくても、CCPR1LとCCP1CONbits.DC1Bには何らかの値が設定されていますので、PWM制御自体はされますが、どのような値かわからないので、自分で初期値を設定したかったため、後から設定するにも関わらず80/81行目で設定していました。

ただ、設定する値を0.5ms(デューティー比50%)にしていますが、for文は5%から始めますので、初期設定は80/81行めは5%(=0.05ms=50)にすべきだと思います。このままですと、80/81行目の意味がわかりませんよね。

なお何かの機能設定を行う場合、思わぬ動作にならないようになるべく初期設定をする癖をつけておいた方がいいと思いますが、今回のように変な設定をすると、後から「何で自分はこんなことをしたんだろう」ということになりますので、コメントもしっかり書いておいた方がいいですね。(自分に対する戒めです…)

junjun
junjun
返信  管理者
3 年 前

丁寧な解説ありがとうございます。

想定外の動作を防ぐという意味をも併せ持った
初期設定の重要性 …… は考えたことがありませんでした。

これまで私が学んできた程度のレベルでは、
プログラムの途中で数値が変わるような場合は、
数値の代わりに変数を宣言しておき、
後から必要に応じて その変数に具体的な数値を代入する
というのが一般的な流れであったような?

Duty Ratio が どうなるのか分からないまま、
T2CONbits.TMR2ON = 1; によって、
とりあえず? PWM制御をスタートさせてしまい、
その後で Duty Ratio を変更するといった流れは違和感が
ありました。

だからと言って、前もって何も指定せずに
後から for 文の中で いきなり値を代入するというのもスッキリしない訳で …… 。

今回の解説で モヤモヤが解消できました。
どうもありがとうございました。
また 宜しくお願い致します。

管理者
管理者
返信  junjun
3 年 前

基本的に何かの機能を使う場合には、初期設定する癖をつけておいたほうがいいと思います。

データシートを見ると、電源投入時/リセット時のレジスタの初期値が書かれています。その初期値でよければ初期化をしなくても問題ありませんが、プログラム上で初期値を明示しておいたほうが、あとでプログラムを見返したときにわかりやすくなると思います。

ただ、この記事のプログラムのように謎の初期設定をすると、あとでハマることになりますのでその点注意が必要です。

記事のプログラムを修正しようとしましたが、よくない例として残しておいてもいいかな、と思いました。

きにちち
きにちち
4 年 前

こんにちは。まったくのど素人ですがこちらのサイトで勉強させていただいております。
大変わかりやすい説明で助かっています。

今回のプログラムの90行目なんですが
for(duty=50; duty=<1000; duty++) { 
となっていますがこのままコピペしたらビルド時にエラーがでたので調べてみたら
比較演算子が =< ではなくて <= ではないでしょうか。
直したらビルドできました。

自分なりにサイトの内容をまとめてノートに書いて勉強しているのですが、できれば書籍化してほしいですw
出たら絶対買いますw

管理者
管理者
返信  きにちち
4 年 前

きにちちさん、
こんにちは。コメントどうもありがとうございます。

失礼しました! 比較は「<=」が正解です。いつもMPLABXでビルド、動作確認したソースコードをコピペしているのですが、コピペ元を間違ってしまいました。失礼いたしました。コメントでご指摘いただいてとても助かります。

記事の更新ペースは遅いですが、引き続きご愛顧宜しくお願いします。

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