讲座视频 - 脉宽调制

大家好，我是 John Valvano。 在本视频中，让我们讨论一下如何使用 定时器来生成脉宽调制输出。 如果您还记得，定时器可用于执行三件事情。 我们将在码盘实验中把它用作输入， 来测量频率或周期。 这将让我们了解轮子的真实转速有多快。 在本实验中，我们要把它用作脉宽调制输出， 来调节电机的功率。 定时器的另一个用途是 产生周期性中断，这样我们可以实现多线程。 在本视频中，我们将重点关注 PWM 以及如何用定时器产生它。 我们用 PWM 驱动电机的策略是 选择一个周期 -- 选择一个周期 -- 这个周期小于电机的时间常数。 这个周期小于电机的时间常数。 这样一来，电机会对平均值作出响应， 而不是对瞬时的高电平和低电平作出响应。 但是，我们要调节的是占空比， 也就是它处于高电平的时间百分比。 因此，如果我们要为电机提供很大的功率， 我们将需要很大的占空比。 您可以看到，这里的占空比的范围是 0 到 1。 再说一次，我们将使周期保持不变。 如果我们需要更小的功率，那么我们可以减小占空比， 同时保持周期不变。 如果我们需要更小 -- 这是一个输出，因此我们可以考虑它的性能指标， 这是一个输出，因此我们可以考虑它的性能指标， 也就是调节范围是多大？ 占空比的范围是 0% 到 100%。 占空比的范围是 0% 到 100%。 但有趣的是一个称为精度的概念。 换句话说，我可以产生多少种不同的占空比？ 换句话说，我可以产生多少种不同的占空比？ 那么，我的系统中有多少不同的占空比？ 因为它是一个 16 位定时器， 因此实际上有大量的 -- 理论上高达 65,000。 实际上，不会有这么多。 但我们还是可以获得大量不同的占空比， 我一会儿将向您展示具体是多少。 总之，我们在这里的任务是生成两个 脉宽调制输出来驱动电机。 这是对模块 12 的回顾， 这里是我们的电机 -- 左侧电机，还有右侧电机。 电机由镍氢电池供电。 电机由镍氢电池供电。 那么，驱动器芯片，也就是这里的 H 桥 那么，驱动器芯片，也就是这里的 H 桥 可以驱动电流向下或向上流动， 我们可以让电流同时向上或向下流动， 或者一个向上、一个向下， 可以采用任一方式。 现在，端口 1 和端口 3 是常规 GPIO， 在这里看到，端口 1 将调节方向。 在这里看到，端口 1 将调节方向。 我们需要向前或向后移动？ 端口 3 将是使能引脚或禁用引脚， 如果我想进入低功耗睡眠模式的话。 但本视频重点关注的是端口 2 ， 因为这里将产生脉宽调制输出， 通过它们可以独立驱动左侧和右侧电机。 通过它们可以独立驱动左侧和右侧电机。 这样，我可以为每个电机提供不同功率。 该功能的实现代码是在本课程的 配套例程包中，在其中您可以找到 在 P2.5 和 P2.4 上生成 PWM 的代码。 您在实验中的任务是进行代码移植， 将该功能从 P2.5 转移到 P2.7 ， 以及从 P2.4 转移到 P2.6 ，因为通过这种方式， 我们可以使用连接到电机的引脚来控制电机。 我们可以使用连接到电机的引脚来控制电机。 好，本幻灯片中需要注意的另一件事是 -- 注意一下所有这些引脚，好吗？ 请记住，本课程是关于输入/输出的， 处理器中有大量的输入/输出引脚。 本幻灯片，我要说的第二件事是 -- MSP432 中有很多定时器，对吧？ 有四个定时器子模块， 每个定时器子模块可以连接 多至五个输入/输出引脚，因此 MSP432 上有 20 个引脚， 多至五个输入/输出引脚，因此 MSP432 上有 20 个引脚， 可以通过各种方式与定时器相关联。 以各种方式与定时器相关联。 在本示例中， 将生成两个 PWM 输出， 但您可以看到这个处理器能产生的 PWM 远远大于两个。 好的，那么正如我说过的，这里的目标是实现一个固定的周期。 在定时器内， 周期通过该 TA0CCR0 寄存器设置， 这是该定时器模块中的常量寄存器之一。 那么，我们把该寄存器设置为固定的周期， 接下来我们将调节子模块中的另一个常量，这个常量定义了占空比。 接下来我们将调节子模块中的另一个常量，这个常量定义了占空比。 接下来我们将调节子模块中的另一个常量，这个常量定义了占空比。 那么，这两个常量的比值就是占空比。 通过这种方法，我们可以生成 -- 在一个定时器中， 我们可以生成多达四个 PWM 波形， 他们具有相同的频率，以及不同的占空比。 好的，这里的示波器波形展示了 波形的周期 -- 如果您从下降沿数到下降沿， 再看另一个波形的下降沿到下降沿 -- 该示例中的两个波形周期是相等的。 一个周期在那里，一个周期在这里。 不同的是占空比。 这个占空比大，这个占空比小。 好的，让我们向您展示它是怎么工作的。 我们将在两个单独的引脚上生成 PWM 输出， 我们将在两个单独的引脚上生成 PWM 输出， 我将仅为您展示图中的这个。 我将使用的定时器模式称为向上/向下计数模式， 这意味着计数器将先向上计数， 然后再向下计数。 我将从 SMCLK 获取我的基本时序。 因此我将获取一个 12MHz 的时钟 -- 这是系统模块时钟。 然后，我将选择一个预分频值。 就像产生周期性中断时一样， 我可以调节预分频，以获得更长的范围， 我也可以减小预分频，以获得更大的分辨率。 我将选择预分频 8， 该比率意味着，我的计数器实际上 该比率意味着，我的计数器实际上 该比率意味着，我的计数器实际上 将以 66.7 纳秒的周期进行计时。 那么，这就是它进行计时的方式。 从根本上说，我要做的是 从这里设置 CCR0 的值， 这个常量值将用于设置周期。 因此，这将确定我的 PWM 周期， 因此，这将确定我的 PWM 周期， 正如您知道的，该周期将是一个常数。 如果我想设置一个 10 毫秒的周期 -- 该周期小于电机的时间常数， 但仍足够快，使我们有大量的 空间来处理其它任务 -- 我将在这里选择一个计数器值 来设置该周期。 我一会儿将展示它如何实现。 向上/向下计数模式，顾名思义 -- 在电机接口上， 我们将有一个大得多的计数器值， 但在本幻灯片中， 为了让您能看到所有计数器值， 我选择了一个很小的数字 -- 10。 我选择了一个很小的数字 -- 10。 它工作的方式是，它进行计数 -- 10，9，8，7，6，5，4，3，2，1，0 -- 这是向下计数模式， 然后它继续计数 -- 1，2，3，4，5，6，7，8，9，10 -- 这是向上计数模式， 9，8，7，6，5，4，3，2，1，0 -- 这是向下计数模式。 因此，向上/向下意味着它首先向上计数， 然后再向下计数，然后再向上， 然后再向下... 你可以看到，如果将波形的周期 与该计数机制相关联， 每个周期将消耗 2 乘以 CCR0 常量 -- 您可以看到，这里不是 n 加 1， 而只是 n，因为 0 仅发生一次， 10 也仅发生一次，所有其他数字发生两次 -- 乘以所选的时钟 -- 乘以所选的时钟 预分频 8 除以 12MHz。 我将选择这里的常量， 从而使该周期值为 10 毫秒。 好的，那么现在我已经使时钟运行起来。 我的子模块 0 用于设置周期， 然后其他子模块 -- 子模块 1、2、3 和 4 -- 可用于生成脉宽调制输出。 我要向您展示其中的两个 -- 一个在子模块 1 上，另一个在子模块 2 上。 一个在子模块 1 上，另一个在子模块 2 上。 我要采用的方法是， 使用定时器的 toggle/reset 模式， 它将做的是，它将重置引脚 -- P4.2 是一个输出引脚，它将在 计数器值与 CCR1 相等时变为 0。 但它在向上计数和向下计数时所做的事情不同。 但它在向上计数和向下计数时所做的事情不同。 在向上计数时，它将让引脚清零， 然后，当定时器在向下计数过程中发生匹配时， 它将让引脚置 1 。 好的，我在这里再次选择了一个简单的数字。 该 CCR1 与 CCR0 的比值 -- 在该简单的例子中，它是 70% -- 它将是我的占空比。 那么，这将是的占空比。 那么，再说一次，如果我向上计数 -- 如果我向上计数，将要发生的是， 当它与 7 相匹配时，它将重置输出。 但在进行向下计数时，当它发生匹配时， 它将切换 -- 在本例中，也就是将输出置 1 。 那么，再说一次，在向上计数时，它将清除它。 在向下计数时，它将设置它。 因此，通过这种方法， 占空比被设置为 CCR1 和 CCR0 的比值。 占空比被设置为 CCR1 和 CCR0 的比值。 占空比被设置为 CCR1 和 CCR0 的比值。 那么，如果我想调节占空比， 比如说我想从70% 降低到 50%， 我可以把 CCR1 设置成 5。 我可以把 CCR1 设置成 5。 现在将发生的是，当它与 5 匹配时， 它将被置 1 ，并且当它 再次与 5 匹配时将被置 0。 再次与 5 匹配时将被置 0。 再次与 5 匹配时将被置 0。 我所做的是，我在这里把占空比从 70% 更改为 50%。 由于这些是整型常量， 因此您能够看到我可以为 CCR1 选择的值 -- 0、1、2、3、4、5、6、7、8 或 9，对吧？ 现在，事实证明我无法使用 10， 但我可以选择这些中的任何一个。 那么您可以看到精度， 也就是不同占空比的数量 -- 由 CCR0 的值确定 -- 占空比的数量由我存储在 CCR0 中的值确定。 这就是精度。 好，那么这里是实际的代码。 这段代码将在 P2.4 和 P2.5 上设置占空比， 您需要把它移植到到 P2.6 和 P2.7。 好的，那么我们将通过函数传递占空比。 我将使用系统模块时钟（SMCLK）， 它的频率是总线时钟除以 4。 然后，我将在这里使用预分频 8。 因此该 PWM 的分辨率 将小于 1 毫秒， 我为该占空比选择的周期 是这里的周期值的函数。 那么，占空比的周期 是 2 乘以该参数 -- 乘以 8，这是因为我的预分频设置 -- 再乘以 SMCLK 的分辨率。 这是替代函数之一。 我们已经清除了选择寄存器所在的位， 现在是时候设置它们了。 这些显然是输出引脚。 我将在 CCI0 上把这设置成切换模式。 这是我的周期。 这里是 1 分频， 我们还将在 ID 中实现预分频 8， 这两个分频一起，将为我产生周期。 我将使用的 PWM 模式称为 toggle/reset， 它向上计数时会将输出引脚置 1， 它向上计数时会将输出引脚置 1， 向下计数时则会做相反操作。 向下计数时则会做相反操作。 占空比由这里的常量确定。 由于有两个定时器，因此我必须执行该操作两次 -- 一次针对一个定时器，一次针对子模块 1， 一次针对子模块 2。 在我全部完成之后，我把定时器打开。 我设置 SMCLK， 并进行 8 分频 -- 再说一次，这是向上向下模式，对吧？ 那么，在代码里为了实现 1 毫秒周期， 我将把周期设置为 15,000。 那么，如果我乘以8 再除以 12MHz， 这就是我们的 66.7 纳秒。 乘以 2，因为是向上/向下计数模式。 把它乘以 15,000，也就是所传递 到这里的参数。 这将为我生成 10 毫秒的周期。 这是 CCR0。 我们要做的是，设置 CCR1 来确定占空比。 这意味着，CCR1 必须是0 到 15,000 之间的某个值。 这意味着，CCR1 必须是0 到 15,000 之间的某个值。 那么，这段代码所产生 PWM 的精度 -- 因为有 15,000 个不同的占空比 -- 所以，精度是 14 位。 因此，这是一种非常非常精密的方法 来调节输入到电机的功率。 这就是它为什么如此强大。 现在，这里是例程。 每当我想改变功率时， 我不必再次重写所有代码。 我要做的是，改变 CCR1 来控制一个电机， 然后改变 CCR2 来控制另一个电机。 CCR1 中的值 可以是 0 到 14,998 之间的任何值， 这将为我提供 15,000 的精度， 也就是大约 14 位的精度。 它具有 0% 到 100% 的范围， 这是一种非常非常强大的方法， 帮助我们来调节输入到电机的功率。 正如我先前提到的， 该代码在端口 P2.4 和 P2.5 上运行， 您的任务是把它移植到 P2.6 和 P2.7。 正如您看到的，这可以通过更改这些模块来实现。 该模块 1 和 2 可以更改为模块 3 和 4 -- 子模块 3 和 4。 总而言之，PWM 是一种非常强大的技术， 我们可以使用它来调节和影响我们的世界。 在本例中，通过 H 桥， 我们可以调节向电机提供的功率。 我们有两个 H 桥，用于右侧电机和左侧电机。 我们将使波形的周期为常数。 我们将使用 toggle/reset 模式， 它将在一个边沿进行重置，并在另一个边沿进行切换。 这就是脉宽调制。 拿出您的示波器吧， 拿出您的逻辑分析仪，希望您喜欢本次实验。