AVR-Tutorial: PWM
PWM – Dieses Kürzel steht für Puls-Weiten-Modulation (oder englisch Pulse Width Modulation).
Was bedeutet PWM?
Viele elektrische Verbraucher können in ihrer Leistung reguliert werden, indem die Versorgungsspannung in weiten Bereichen verändert wird. Ein normaler Gleichstrommotor wird z. B. langsamer laufen, wenn er mit einer geringeren Spannung versorgt wird, bzw. schneller laufen, wenn er mit einer höheren Spannung versorgt wird. LEDs werden zwar nicht mit einer Spannung gedimmt, sondern mit dem Versorgungsstrom. Da dieser Stromfluss aber im Normalfall mit einem Vorwiderstand eingestellt wird, ist durch das Ohmsche Gesetz dieser Stromfluss bei konstantem Widerstand wieder (näherungsweise) direkt proportional zur Höhe der Versorgungsspannung.
Im wesentlichen geht es also immer um diese Kennlinie, trägt man die Versorgungsspannung entlang der Zeitachse auf:
Die Fläche unter der Kurve ist dabei ein direktes Maß für die Energie, die dem System zugeführt wird. Bei geringerer Energie ist die Helligkeit geringer, bei höherer Energie entsprechend heller.
Jedoch gibt es noch einen zweiten Weg, die dem System zugeführte Energie zu verringern. Anstatt die Spannung abzusenken, ist es auch möglich, die volle Versorgungsspannung über einen geringeren Zeitraum anzulegen. Man muß nur dafür Sorge tragen, dass im Endeffekt die einzelnen Pulse nicht mehr wahrnehmbar sind.
Die Fläche unter den Rechtecken hat in diesem Fall dieselbe Größe wie die Fläche unter der Spannung V=, glättet man die Spannung also mit einem Kondensator, ergibt sich eine niedrigere konstante Spannung. Die Rechtecke sind zwar höher, aber dafür schmaler. Die Flächen sind aber dieselben. Diese Lösung hat den Vorteil, dass keine Spannung geregelt werden muss, sondern der Verbraucher immer mit derselben Spannung versorgt wird.
Und genau das ist das Prinzip einer PWM. Durch die Abgabe von Pulsen wird die abgegebene Energiemenge gesteuert. Es ist auf einem µC wesentlich einfacher, Pulse mit einem definierten Puls/Pausen-Verhältnis zu erzeugen, als eine Spannung zu variieren.
PWM und der Timer
Der Timer 1 des ATmega8 unterstützt direkt das Erzeugen von PWM. Beginnt der Timer beispielsweise bei 0 zu zählen, so schaltet er gleichzeitig einen Ausgangspin ein. Erreicht der Zähler einen bestimmten Wert X, so schaltet er den Ausgangspin wieder aus und zählt weiter bis zu seiner Obergrenze. Danach wiederholt sich das Spielchen. Der Timer beginnt wieder bei 0 und schaltet gleichzeitig den Ausgangspin ein usw. Durch Verändern von X kann man daher steuern, wie lange der Ausgangspin im Verhältnis zur kompletten Zeit, die der Timer benötigt, um seine Obergrenze zu erreichen, eingeschaltet ist.
Dabei gibt es aber verwirrenderweise verschiedene Arten der PWM:
- Fast PWM (= schnelle PWM)
- Phasenkorrekte PWM
- Phasen- und frequenzkorrekte PWM
Für die Details zu jedem PWM-Modus sei auf das Datenblatt verwiesen.
Fast PWM
Die Fast PWM gibt es beim ATmega8 mit mehreren unterschiedlichen Bit-Zahlen. Bei den Bit-Zahlen geht es immer darum, wie weit der Timer zählt, bevor ein Rücksetzen des Timers auf 0 erfolgt:
- Modus 5: 8-Bit Fast PWM – Der Timer zählt bis 255
- Modus 6: 9-Bit Fast PWM – Der Timer zählt bis 511
- Modus 7: 10-Bit Fast PWM – Der Timer zählt bis 1023
- Modus 14: Fast PWM mit beliebiger Schrittzahl (festgelegt durch ICR1)
- Modus 15: Fast PWM mit beliebiger Schrittzahl (festgelegt durch OCR1A)
Grundsätzlich funktioniert der Fast-PWM-Modus so, dass der Timer bei 0 anfängt zu zählen, wobei natürlich der eingestellte Vorteiler des Timers berücksichtigt wird. Erreicht der Timer einen bestimmten Zählerstand (festgelegt durch die Register OCR1A und OCR1B) wird eine Aktion ausgelöst. Je nach Festlegung kann der entsprechende µC-Pin (OC1A und OC1B) entweder
- umgeschaltet
- auf 1 gesetzt
- auf 0 gesetzt
werden. Wird der OC1A/OC1B-Pin so konfiguriert, dass er auf 1 oder 0 gesetzt wird, so wird automatisch der entsprechende Pin beim Timerstand 0 auf den jeweils gegenteiligen Wert gesetzt.
Der OC1A-Pin befindet sich beim ATmega8 am Port B, konkret am Pin PB1. Dieser Pin muss über das zugehörige Datenrichtungsregister DDRB auf Ausgang gestellt werden. Anders als beim UART geschieht dies nicht automatisch.
Das Beispiel zeigt den Modus 14. Dabei wird der Timer-Endstand durch das Register ICR1 festgelegt. Des Weiteren wird die Funktion des OC1A-Pins so festgelegt, dass der Pin bei einem Timer-Wert von 0 auf 1 gesetzt wird und bei Erreichen des im OCR1A-Register festgelegten Wertes auf 0 gesetzt wird. Der Vorteiler des Timers bzw. der ICR-Wert wird zunächst so eingestellt, dass eine an PB1 angeschlossene LED noch sichtbar blinkt, damit die Auswirkungen unterschiedlicher Registerwerte gut beobachtet werden können. Den Vorteiler zu verringern ist kein Problem, hier geht es aber darum, zu demonstrieren, wie PWM funktioniert.
Hinweis: Wie überall im ATmega8 ist darauf zu achten, dass beim Beschreiben eines 16-Bit-Registers zuerst das High-Byte und dann das Low-Byte geschrieben wird.
.include "m8def.inc"
.def temp1 = r17
.equ XTAL = 4000000
rjmp init
;.include "keys.asm"
;
;
init:
ldi temp1, HIGH(RAMEND) ; Stackpointer initialisieren
out SPH, temp1
ldi temp1, LOW(RAMEND)
out SPL, temp1
;
; Timer 1 einstellen
;
; Modus 14:
; Fast PWM, Top von ICR1
;
; WGM13 WGM12 WGM11 WGM10
; 1 1 1 0
;
; Timer Vorteiler: 256
; CS12 CS11 CS10
; 1 0 0
;
; Steuerung des Ausgangsport: Set at BOTTOM, Clear at match
; COM1A1 COM1A0
; 1 0
;
ldi temp1, 1<<COM1A1 | 1<<WGM11
out TCCR1A, temp1
ldi temp1, 1<<WGM13 | 1<<WGM12 | 1<<CS12
out TCCR1B, temp1
;
; den Endwert (TOP) für den Zähler setzen
; der Zähler zählt bis zu diesem Wert
;
ldi temp1, 0x6F
out ICR1H, temp1
ldi temp1, 0xFF
out ICR1L, temp1
;
; der Compare Wert
; Wenn der Zähler diesen Wert erreicht, wird mit
; obiger Konfiguration der OC1A Ausgang abgeschaltet
; Sobald der Zähler wieder bei 0 startet, wird der
; Ausgang wieder auf 1 gesetzt
;
ldi temp1, 0x3F
out OCR1AH, temp1
ldi temp1, 0xFF
out OCR1AL, temp1
; Den Pin OC1A zu guter letzt noch auf Ausgang schalten
ldi temp1, 0x02
out DDRB, temp1
main:
rjmp main
Wird dieses Programm laufen gelassen, dann ergibt sich eine blinkende LED. Die LED ist die Hälfte der Blinkzeit an und in der anderen Hälfte des Blinkzyklus aus. Wird der Compare-Wert in OCR1A verändert, so lässt sich das Verhältnis von LED-Einzeit zu -Auszeit verändern. Ist die LED wie im I/O-Kapitel angeschlossen, so führen höhere OCR1A-Werte dazu, dass die LED nur kurz aufblitzt und in der restlichen Zeit dunkel bleibt.
ldi temp1, 0x6D
out OCR1AH, temp1
ldi temp1, 0xFF
out OCR1AL, temp1
Sinngemäß führen kleinere OCR1A-Werte dazu, dass die LED länger leuchtet und die Dunkelphasen kürzer werden.
ldi temp1, 0x10
out OCR1AH, temp1
ldi temp1, 0xFF
out OCR1AL, temp1
Nachdem die Funktion und das Zusammenspiel der einzelnen Register jetzt klar sind, ist es Zeit, aus dem Blinken ein echtes Dimmen zu machen. Dazu genügt es, den Vorteiler des Timers auf 1 zu setzen:
ldi temp1, 1<<WGM13 | 1<<WGM12 | 1<<CS10
out TCCR1B, temp1
Werden wieder die beiden OCR1A-Werte 0x6DFF und 0x10FF ausprobiert, so ist deutlich zu sehen, dass die LED scheinbar unterschiedlich hell leuchtet. Dies ist allerdings eine optische Täuschung. Die LED blinkt nach wie vor, nur blinkt sie so schnell, dass dies für uns nicht mehr wahrnehmbar ist. Durch Variation des Verhältnisses von Einschalt- zu Ausschaltzeit kann die LED auf viele verschiedene Helligkeitswerte eingestellt werden.
Theoretisch wäre es möglich, die LED auf 0x6FFF (= 28.671) verschiedene Helligkeitswerte einzustellen. Dies deshalb, weil in ICR1 genau dieser Wert als Endwert für den Timer festgelegt worden ist. Dieser Wert könnte genauso gut kleiner oder größer eingestellt werden. Um eine LED zu dimmen ist der Maximalwert aber hoffnungslos zu hoch. Für diese Aufgabe reicht eine Abstufung von 256 oder 512 Stufen normalerweise völlig aus. Genau für diese Fälle gibt es die anderen Modi. Anstatt den Timer-Endstand mittels ICR1 festzulegen, genügt es, den Timer einfach nur in den 8-, 9- oder 10-Bit-Modus zu konfigurieren und damit eine PWM mit 256 (8 Bit), 512 (9 Bit) oder 1024 (10 Bit) Stufen zu erzeugen.
PWM in Software
Die Realisierung einer PWM mit einem Timer, wobei der Timer die ganze Arbeit macht, ist zwar einfach, hat aber einen Nachteil. Für jede einzelne PWM ist ein eigener Timer notwendig (Ausnahme: Der Timer 1 besitzt zwei Compare-Register und kann damit zwei PWM-Stufen erzeugen). Und davon gibt es in einem ATmega8 nicht allzu viele.
Es geht auch anders: Es ist durchaus möglich, viele PWM-Stufen mit nur einem Timer zu realisieren. Der Timer wird nur noch dazu benötigt, eine stabile und konstante Zeitbasis zu erhalten. Von dieser Zeitbasis wird alles weitere abgeleitet.
Prinzip
Das Grundprinzip ist dabei sehr einfach: Eine PWM ist ja im Grunde nichts anderes als eine Blinkschleife, bei der das Verhältnis von Ein- zu Auszeit variabel eingestellt werden kann. Die Blinkfrequenz selbst ist konstant und ist so schnell, dass das eigentliche Blinken nicht mehr wahrgenommen werden kann. Das lässt sich aber auch alles in einer ISR realisieren:
- Ein Timer (Timer 0) wird so aufgesetzt, dass er eine Overflow-Interruptfunktion (ISR) mit dem 256-fachen der gewünschten Blinkfrequenz aufruft.
- In der ISR wird ein weiterer Zähler betrieben (PWMCounter), der ständig von 0 bis 255 zählt.
- Für jede zu realisierende PWM-Stufe gibt es einen Grenzwert. Liegt der Wert des PWMCounters unter diesem Wert, so wird der entsprechende Port-Pin eingeschaltet. Liegt er darüber, so wird der entsprechende Port-Pin ausgeschaltet.
Damit wird im Grunde nichts anderes gemacht, als die Funktionalität der Fast-PWM in Software nachzubilden. Da man dabei aber nicht auf ein einziges OCR-Register angewiesen ist, sondern in gewissem Umfang beliebig viele davon implementieren kann, kann man auch beliebig viele PWM-Stufen erzeugen.
Programm
Am Port B werden an den Pins PB0 bis PB5 insgesamt 6 LEDs gemäß der Verschaltung aus dem I/O-Kapitel angeschlossen. Jede einzelne LED kann durch Setzen eines Wertes von 0 bis 127 in die zugehörigen Register ocr_1 bis ocr_6 auf einen anderen Helligkeitswert eingestellt werden. Die PWM-Frequenz (Blinkfrequenz) jeder LED beträgt: (4.000.000 / 256) / 127 = 123 Hz. Dies reicht aus, um das Blinken unter die Wahrnehmungsschwelle zu drücken und die LEDs gleichmäßig erleuchtet erscheinen zu lassen.
.include "m8def.inc"
.def temp = r16
.def PWMCount = r17
.def ocr_1 = r18 ; Helligkeitswert Led1: 0 .. 127
.def ocr_2 = r19 ; Helligkeitswert Led2: 0 .. 127
.def ocr_3 = r20 ; Helligkeitswert Led3: 0 .. 127
.def ocr_4 = r21 ; Helligkeitswert Led4: 0 .. 127
.def ocr_5 = r22 ; Helligkeitswert Led5: 0 .. 127
.def ocr_6 = r23 ; Helligkeitswert Led6: 0 .. 127
.org 0x0000
rjmp main ; Reset Handler
.org OVF0addr
rjmp timer0_overflow ; Timer Overflow Handler
main:
ldi temp, LOW(RAMEND) ; Stackpointer initialisieren
out SPL, temp
ldi temp, HIGH(RAMEND)
out SPH, temp
ldi temp, 0xFF ; Port B auf Ausgang
out DDRB, temp
ldi ocr_1, 0
ldi ocr_2, 1
ldi ocr_3, 10
ldi ocr_4, 20
ldi ocr_5, 80
ldi ocr_6, 127
ldi temp, 1<<CS00 ; CS00 setzen: Teiler 1
out TCCR0, temp
ldi temp, 1<<TOIE0 ; TOIE0: Interrupt bei Timer Overflow
out TIMSK, temp
sei
loop: rjmp loop
timer0_overflow: ; Timer 0 Overflow Handler
inc PWMCount ; den PWM Zähler von 0 bis
cpi PWMCount, 128 ; 127 zählen lassen
brne WorkPWM
clr PWMCount
WorkPWM:
ldi temp, 0b11000000 ; 0 .. Led an, 1 .. Led aus
cp PWMCount, ocr_1 ; Ist der Grenzwert für Led 1 erreicht
brlo OneOn
ori temp, $01
OneOn: cp PWMCount, ocr_2 ; Ist der Grenzwert für Led 2 erreicht
brlo TwoOn
ori temp, $02
TwoOn: cp PWMCount, ocr_3 ; Ist der Grenzwert für Led 3 erreicht
brlo ThreeOn
ori temp, $04
ThreeOn:cp PWMCount, ocr_4 ; Ist der Grenzwert für Led 4 erreicht
brlo FourOn
ori temp, $08
FourOn: cp PWMCount, ocr_5 ; Ist der Grenzwert für Led 5 erreicht
brlo FiveOn
ori temp, $10
FiveOn: cp PWMCount, ocr_6 ; Ist der Grenzwert für Led 6 erreicht
brlo SetBits
ori temp, $20
SetBits: ; Die neue Bitbelegung am Port ausgeben
out PORTB, temp
reti
Würde man die LEDs nicht direkt an einen Port, sondern über ein oder mehrere Schieberegister anschließen, so könnte auf diese Art eine relativ große Anzahl an LEDs gedimmt werden. Natürlich müsste man die softwareseitige LED-Ansteuerung gegenüber der hier gezeigten verändern, aber das PWM-Prinzip könnte so übernommen werden.
Siehe auch
- PWM
- AVR_PWM
- Soft-PWM – optimierte Software-PWM in C
- LED-Fading – LED dimmen mit PWM