ما لا تعلمه عن التعديل النبضي PWM Mode

التعديل النبضي PWM  هو من أهم المواضيع التي يهتم به المبرمجون في عالم المايكروكنترولر , و في تدوينة سابقة لي تحدثت عن التعديل النبضي و عن استخداماته الواسعة في المجالات العملية .

فكرة التعديل النبضي هو التحكم بعرض النبضة بحيث تعطي قيمة فولتية متغيرة اعتماداً على عرض هذه النبضة . 

المداخل Pins التي تعمل على توليد نبضات ذات تعديل نبضي هي D3,D5,D6,D9,D10,D11 و حيث أن أقل قيمة يمكن أن تكون 0 و أكبر قيمة هي 255 و الصورة أعلاه تبين قيم مختلفة اعتماداً على عرض النبضة .

تحسب الدورة Duty cycle بقسمة النبضة الفّعالة على طول النبضة الكلي  

duty cycle = ton/ttotal  .

أقصى تردد يمكن الحصول عليه هنا في الطريقة المباشرة هي 490 هيرتز , هي جيده للكثير من التطبيقات , لكن إذا أردنا التحكم بشكل أدق بالعمليات قد نحتاج لتردد أعلى . 

لكن هل من الممكن عمل ذلك بواسطة المتحكم Atmega 168/ 328 الموجود على بطاقة الأردوينو Arduino Board؟ هل من الممكن توليد موجه تعديل نبضي PWM Wave ذات تردد يصل ل 10كيلو هيرتز مثلاً  ؟

الجواب نعم , سنتحدث الأن في موضوعين متقدمين ألا و هما ال
Fast PWM and Phase correct PWM

و هما أحدى الخصائص الموجودة في المؤقتات Timers في المتحكم AVR Atmega328 و نستطيع من خلالهما استعمال أي من المؤقتات الثلاث Timer 0,1,2 لتوليد تعديل نبضي ذو مدى واسع من الترددات .

سأبدأ بنمط التوليد النبضي السريع fast PWM باستخدام المؤقت Timer 2 8bit  .

ستحتاج لمعرفة بعض المفاهيم الخاصة بالمؤقتات , حيث يمكنك مراجعة المقال هنا لكي تكون لك خلفية حول الموضوع .

بالعموم هذه الجداول هي التي نستخدمها في البرمجة بشكل واسع يجب عليك أن تعود أليها كلما اردت البرمجة .

لتبسيط الفكرة هناك مقارنين داخلين يسميان TCCRxA و TCCRxB و هما المتحكمان الأساسيان للمؤقت يتحكمان بمسجلات المداخل و المخارج output control register  OCRx و المقارنين  TCCRxA و TCCRxB  يتكونان من عدة بتات تتحكم بعدة أمور مثل 

wave form Generation Mode ( WGM) .

Compare Match Output A  (COMnA) .

Compare Match Output B  (COMnB).

كل عنصر منها يتحكم في طريقة عمل المسجل , التردد , و ايضاً التحكم  ب ال prescaler   .

لنأخذ مثال بسيط , نريد التحكم من خلال المؤقت Timer2 " D3, D11 " و توليد تعديل نبضي بتردد 7.81 كيلو هيرتز ! بحيث يكون احد المخارج بدورة مشغولية Duty cycle تساوي 30% و الأخرى 70% "طبعاً في هذا الوضع التردد في الحالتين متساوي " .

البرنامج :

void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
   pinMode(3, OUTPUT);
   pinMode(11, OUTPUT);
   TCCR2A = (1<<COM2A1) | (1<<COM2B1) | (1<<WGM21) | (1<<WGM20);
   TCCR2B = (1<<CS21);// set prescale = 8 
//   output freq = 16*10^6 /(8*256) = 7.812KHz .
   OCR2A = 179; // calculated by (179+1)/256 = 70.3%
   OCR2B = 75;  // calculated by (76+1)/256 = 29.7%

}

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly: 
  
}

الصورة للناتج على المدخلين D3,D11 باستخدام راسم الإشارة 

اذا أردنا تغيير التردد فقط نغير ال Prescaler حسب الجدول أعلاه . و تغيير دورة المشغولية duty cycle "OCR2A, OCR2B  " و الصور ادناه تبين الخرج على راسم الإشارة .

هذا برنامج آخر باستخدام المؤقت Timer0 8bit .

void setup() {
   // put your setup code here, to run once:
   pinMode(5, OUTPUT);
   pinMode(6, OUTPUT);
   TCCR0A = (1<<COM0A1) | (1<<COM0B1) | (1<<WGM01) | (1<<WGM00);
   TCCR0B = (1<<CS00);// set prescale = 1 
//   output freq = 16*10^6 /(1*256) = 62.5KHz .
   OCR0A = 179; // calculated by (179+1)/256 = 70.3%
   OCR0B = 75;  // calculated by (76+1)/256 = 29.7%

}
  // put your setup code here, to run once:
void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly: 
  
}

المؤقت Timer1 16bit يختلف في أننا نقسم التردد الكلي على 2 . بالإضافة لعمل المؤقت على 8,9,10bit  .

النمط الآخر هو Phase correct :

يختلف هذا النمط عن سابقه بأنه يقوم بالعد من 0-255 و من ثم يقوم بالعد تنازلياً من 255 إلى أن يعود للصفر مجدداً , و تكون حالة المخرج Output واحد منطقي HIGH حتى تصل قيمة العد إلى القيمة المحددة في ال OCR فتتحول قيمة المخرج إلى الصفر المنطقي LOW  .

في هذا النمط يكون التردد الكلي مقسوماً على 2 و أيضاً تكون اشارة المخارج أكثر تماثلاً Symmetric  .

في لغة الأردوينو يتم استخدام هذا النمط عند استدعاء analogRead من أجل التعديل النبضي .

لحساب التردد نختار المعامل Prescale  , و نعوض في المعادلة :

f=clock /(256*prescale)
f=16*10^6/(256*prescale)

مثال :

void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  pinMode(3, OUTPUT);
  pinMode(11, OUTPUT);
  TCCR2A = (1<<COM2A1) |(1<<COM2B1)|(1<<WGM20);
  TCCR2B = (1<<CS20);// prescale = 1
  // f = 16*10^6 /(256*1*2) = 31.32KHz 
  OCR2A = 225; // 88.23%
  OCR2B = 80;  //31.37%

}

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly: 
  
}

التردد  على جهاز راسم الأشارة كما هو متوقع 31.32KHz

هذه أهم التقنيات التي تساعدك على بناء مشروعك و استخدام الموقتات لتوليد موجات تعديل نبضي PWM بترددات عالية لغاية 60 كيلو هيرتز .