Taro-DSﾉｰﾄ

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1 2.3 割り込み コンピュータで外部の情報を取り込んで何らかの処理をしたい場合, 外部情報を取り込む命令をプログラムに書き込むことで行います. 外部情報を取り込む書き方には大きく 2 つあります. ひとつは, プログラムのメインの処理の中に外部情報取り込み命令を記述し, 定期的に情報を読み込んで処理する方法で, ポーリングといいます. もうひとつは, プログラムのメイン処理ではなく, サブプログラムとして外部情報取り込みに関する処理を記述し, 必要なときにメインの仕事を中断してサブプログラムに処理を移行する方法で, 割り込みといいます. 組込みシステムのプログラムでは, ポーリングと割り込みのそれぞれの特徴を活かして両方の記述方法を利用します. この章では 2 つの記述方法の特徴を示し, 割り込みプログラムの記述方法を解説します. (1) ポーリングと割り込みコンピュータが外部情報を取り込む方法としては, ポーリングと割り込みの 2 種類があります. ポーリング : 定期的に外部情報を取り込み, 処理すべき事態であれば処理する. 割り込み : 処理すべき事態となったら, 現在の処理を中断し, 外部情報取り込み処理をする. ポーリングは, 割り込みに比較して特別な記述を必要としない分, 容易に記述することができます. プログラムを while 文等で繰り返すことで, 外部情報が必要か否にかかわらず定期的に外部情報を取り込みます. 以下ににポーリングの概念図を示します. 下図右はプログラムの時間的な流れを示していて, 下図左の処理を繰り返すことで外部情報取り込み処理が定期的に実行されることを表しています. 図 2-15 ポーリングの概念 ポーリングは容易に記述できる反面, 以下のような欠点もあります. 例えば, 外部情報がポーリングの取り込み周期に比較して極めて短時間しかシステムに入力されない場合, 外部情報取り込みに失敗する可能性があります ( 下図その1). またプログラムに分岐命令等が含まれている場合, プログラムの処理時間は処理の流れによって変動し, ポーリングの取り込み周期も変動してしまいます ( 下図その2). このような場合は, 一定周期で外部情報を取り込みたい場合などは問題となります. さらに組込み系システムでは緊急に対処すべき事態を想定しなければならないことが多く, ポーリングでは緊急の処理が間に合わないという問題もあります. 図 2-16 ポーリングの欠点

2 割り込みは, ポーリングに比較して割り込みの設定等が必要となるため, 記述は少し複雑です. しかしながらポーリングの場合の欠点を補う特徴があるため, 本格的なプログラムを記述する場合にはぜひともマスターしておきたい手法です. 割り込み処理の流れを簡単に説明すると, 割り込み信号が発生すると現在の処理を中断し, 発生した割り込みに対する割り込み処理に実行を移行し, 割り込み処理が終了すると中断していた処理を再開する, となります ( 下図参照 ). 図 2-17 割り込みの利点 (2) 割り込みプログラム割り込みは様々な要因で発生します. 割り込みを使用するには, 使用したい割り込みが発生したときに実行される割り込みルーチンを記述する, メインプログラム中で使用したい割り込みを許可する, という手順が必要です. ここでは最も簡単で応用範囲の広い外部割り込みについて解説します. 外部割り込みとは,I/Oポートの入力信号を割り込み信号とする割り込みです.I/Oポートには様々な信号が入力できるので, 非常時用のスイッチを接続して割り込みで非常時処理を行ったり, センサを接続してセンサの反応があったら直ちに割り込み処理で対処する等, いろいろな処理に活用できます. その他の割り込みについては必要に応じて後ほど解説しますが, 割り込みの設定手順は基本的には外部割り込みと同じです. それではAVR ATmega64を例にして, 外部割り込みの設定について解説します.ATmega64では, 外部割り込みとしてINT0~7の8 種類の割り込みを使用することが出来ます.INT0~3はPD0~3に,INT4 ~7はPE4~7に割り当てられています. よって, 例えば外部割り込みINT7を使用したければ, 割り込み信号をPE7に入力することになります. また割り込みには優先順位が設けられていて, 割り込みベクタ テーブルの上位のプログラムアドレス ( 小さい値のアドレス ) ほど優先順位が高くなります. 割り込みベクタ テーブルとは, 各種割り込み処理プログラムが格納されたメモリ領域の先頭アドレスを記録したテーブルです. 割り込みベクタ テーブルを以下に示します. 表 2-10 ATmega64 の割り込みベクタ テーブル ヘ クタ番号 アドレス 発生元 備考 ヘ クタ番号 アドレス 発生元 備考 1 $0000 リセット 電源 ON, WDT, BOD 等の各種リセット 19 $0024 USART0 RX USART0 受信完了 2 $0002 INT0 外部割り込み要求 0 20 $0026 USART0 UDRE USART0 送信ハ ッファ空き 3 $0004 INT1 外部割り込み要求 1 21 $0028 USART0 TX USART0 送信完了 4 $0006 INT2 外部割り込み要求 2 22 $002A A/D 変換器 ADC A/D 変換完了 5 $0008 INT3 外部割り込み要求 3 23 $002C EEPROM EE_RDY EEPROM 操作可 6 $000A INT4 外部割り込み要求 4 24 $002E アナロク 比較器 ANA_COMP アナロク 比較器出力遷移 7 $000C INT5 外部割り込み要求 5 25 $0030 タイマ / カウンタ1 COMP1C タイマ / カウンタ1 比較 C 一致 8 $000E INT6 外部割り込み要求 6 26 $0032 タイマ / カウンタ3 CAPT3 タイマ / カウンタ3 捕獲 ( キャフ チャ ) 発生 9 $0010 INT7 外部割り込み要求 7 27 $0034 タイマ / カウンタ3 COMP3A タイマ / カウンタ3 比較 A 一致 10 $0012 タイマ / カウンタ2 COMP2 タイマ / カウンタ2 比較一致 28 $0036 タイマ / カウンタ3 COMP3B タイマ / カウンタ3 比較 B 一致 11 $0014 タイマ / カウンタ2 OVF2 タイマ / カウンタ2 オーハ ーフロー 29 $0038 タイマ / カウンタ3 COMP3C タイマ / カウンタ3 比較 C 一致 12 $0016 タイマ / カウンタ1 CAPT1 タイマ / カウンタ1 捕獲 ( キャフ チャ ) 発生 30 $003A タイマ / カウンタ3 OVF3 タイマ / カウンタ3 オーハ ーフロー 13 $0018 タイマ / カウンタ1 COMP1A タイマ / カウンタ1 比較 A 一致 31 $003C USART1 RX USART1 受信完了 14 $001A タイマ / カウンタ1 COMP1B タイマ / カウンタ1 比較 B 一致 32 $003E USART1 UDRE USART1 送信ハ ッファ空き 15 $001C タイマ / カウンタ1 OVF1 タイマ / カウンタ1 オーハ ーフロー 33 $0040 USART1 TX USART1 送信完了 16 $001E タイマ / カウンタ0 COMP0 タイマ / カウンタ0 比較一致 34 $ 線シリアルインターフェース TWI 2 線シリアルインターフェース状態変化 17 $0020 タイマ / カウンタ0 OVF0 タイマ / カウンタ0 オーハ ーフロー 35 $0044 SPM 命令 SPM_RDY SPM 命令操作可 18 $0022 SPI STC SPI 転送完了

3 割り込みが発生すると,MPU は割り込みベクタ テーブルから対応する割り込み処理プログラムの先頭アドレスへ処理を移行させます. 割り込みが同時に発生した場合は, 優先順位の高い割り込みが先に処理されることになります. 割り込みで最優先されるのはリセットで, 外部割り込みはその次に優先順位があります. 外部割り込みの中では INT0 が最も優先順位が高く, そのあとは INT1,2,3,4,5,6,7 の順に優先順位が割り当てられています. 以下に, 外部割り込みに関係するレジスタを示します. 図 2-18 ATmega64 の割り込み関係レジスタ 外部割り込みをどのような信号で発生させるかは, 拡張インタラプト コントロール レジスタ A,B (EICRA,EICRB) で設定します.INT0~7 は, それぞれ 2 ビットで設定し, 割り込み信号が L レベルの時, 変化した時, 立上り ("L" から "H") の時, 立下り ("H" から "L") の時で割り込み要求が生成されるように設定できます. 各割り込みを使用したい場合は, ステータス レジスタ (SREG) のグローバル インタラプト イネーブル (I) をセットして全割り込みをイネーブル ( 許可 ) し, 拡張インタラプト マスク レジスタ (EIMSK) の対応するビットをセットします. 外部割り込みが発生すると, 拡張インタラプト フラグ レジスタ (EIFR) の対応するビットがセットされ, 割り込みベクタ テーブルを参照して割り込み処理へ移行します. 割り込み処理が終了すると,EIFR の対応するビットがクリアされます. また EIFR の値は対応するビットに 1 を書き込むことでクリアすることも出来ます. 割り込みの利用法 1) 割り込み条件等の初期設定 2) 割り込み許可 3) 割り込み関数の記述 ( 決まった書式あり ) 割り込み関数内での記述 1 必要なら割込フラグをクリア ( 自動でクリア, フラグ自体は割り込み処理中も立つので注意 ) 2 処理を記述

4 次図の回路を対象として, 外部割り込みのプログラム例を示します. 外部割り込みは PE7 に接続されたスイッチで発生させることにします. 図 2-19 外部割り込みを行う回路 プログラム内容は次ページに示します (eint). このプログラムは, 外部割り込み INT7 を使用しています. よって,INT7 が割り当てられている PE7 の入力信号が割り込み要求信号となります. プログラムの通常の処理は, カウンタ cnt をダウンカウントし続け, その値を LED に表示することです.cnt は char 型 (8 ビット ) なので 0~255 の値をとり,0 でダウンカウントすると 255 に戻ります.INT7 割り込みは PE7 に接続されたスイッチ SW7 の ON から OFF への切り替え ( 立上り信号 ) で発生し, 割り込み処理では SW6~0 の値を cnt にセットします. 11 行目の #include は, 割り込み処理を行う関数が定義されたヘッダファイルを読み込んでいます. 割り込み処理を使う場合は, このヘッダファイルの読み込みが必要です.main 関数ではI/Oポートの設定の後, 外部割り込みの初期設定関数 interrupt7_init(); を実行しています (29 行目 ). 割り込み初期設定関数の内容は52~57 行目にあります. 拡張インタラプト コントロール レジスタBのINT7に関するビットを立上りで割り込み要求が生成されるように設定し (54 行目 EICRB = 0xC0;),INT7 割り込みのみを許可しています (55 行目 EIMSK = 0x80;). 割り込みの初期設定の後,main 関数では全割り込みの許可をする関数 sei() を実行しています (30 行目 ). これでINT7 割り込みがPE7への信号の立上りで発生するようになりました.main 関数のそのあとの記述は, プログラムの通常処理の記述で,cntをダウンカウントしてLEDに表示し続けます. 割り込み処理は,ISR() というマクロを用いて記述します.ISR() で記述した割り込み処理に移行すると, 処理の最初に自動的に割り込みを不許可とします. よって, 割り込み処理中に割り込みを受け付けるという記述をしたい場合は,sei() を割り込み処理の最初に記述して割り込み許可を行ってください. 割り込み処理終了時には自動的に割り込みを許可して関数を終了するようになっています.ISR() の引数に割り込みベクタ名を指定することで各割り込み処理を記述します. ISR(INT7_vect) の処理に移行するのは,PE7 に立上り信号が入力されたときです. 今回はスイッチの ON から OFF への切り替えで立上り信号を生成するのですが, チャタリングによって, スイッチの切り替え時に複数回の立上り信号が生じてしまい, これらの誤信号でも INT7 割り込みが発生します. チャタリングによる割り込み処理をキャンセルするため,ISR(INT7_vect) の最初に遅延処理を行い (62 行目 delay(100);),pe7 の値が H であれば立ち上がりとみなしています (63 行目 if((pine&0x80) == 0x80)). 立上りと確認できれば,cnt にスイッチの情報を代入し,LED に cnt の値を出力します (65,66 行目 ). 最後に拡張インタラプト フラグ レジスタ EIFR の INT7 のフラグをクリアしています (68 行目 EIFR = 0x80). これは割り込み処理に移行した後に, チャタリングによる誤った立上り信号で INT7 のフラグがセットされる場合があり, それによる誤動作を防ぐためにフラグのクリアをしているのです

5 リスト 2-5 外部割り込みプログラム例 (eint)

6 実際に実習ボードで動作させた様子を示します. 通常の処理はダウンカウンタの値を 8 桁の LED に表示します. 下図は静止画なのでダウンカウントしている様子は確認できませんが, 実際にはダウンカウントした値が LED に 2 進数で表示されています. 図 2-20 通常処理 ここで外部割り込みを発生させるため,PE7 に接続されているスイッチ ( 一番左のスイッチ ) をオンからオフに切り換えてみます ( 図ではスイッチを上から下に切り換えることになります ). 割り込み処理発生直後の動作を下図に示します.LED の表示が, 割り込み用の一番左のスイッチ以外の 7 つのスイッチのパターンに一致した点灯パターンになっているのがわかります. 実際の動作では, この後通常処理のダウンカウントが再び始まります. 図 2-21 割り込み処理

7 2.4 タイマ 組込みシステムでは, 数多くの入出力信号をそれぞれに決められたタイミングで処理しなければならないことがよくあります. タイマ / カウンタを使うと設定した周期で処理を切り替えることができるので, 組込みシステムには必須の周辺機能といえます. タイマ / カウンタを使うとタイミング生成の他に, 外部パルスカウント, パルス幅測定, 時間間隔測定といった測定システムへの応用も可能です. この章では, AVR に搭載されている最も基本的な 8 ビット タイマ / カウンタを例にして, タイマ / カウンタの動作原理や使用例について解説します. タイマ / カウンタの種類と特徴 a.8 ビット タイマ / カウンタ (0,2) : タイマ / カウンタ 0 のみ非同期動作可 単一比較部付きカウンタ 比較一致でのタイマ / カウンタクリア ( 自動再設定 ) ク リッチなしで正しい位相のハ ルス幅変調器 (PWM) 周波数発生器 クロック用 10 ヒ ット前置分周器 オーハ ーフローと比較一致割り込み (TOV0,OCF0,TOV2,OCF2) I/O( システム ) クロックに依存しない時計用外部 32kHz クリスタルからのクロック駆動可能 ( タイマ / カウンタ 0 のみ ) b.16 ビット タイマ / カウンタ (1,3) 真の 16 ヒ ット設計 ( 換言すれば 16 ヒ ット PWM の許容 ) 3 つの独立した比較出力部 タ フ ルハ ッファの比較レシ スタ 1 つの捕獲 ( キャフ チャ ) 入力部 捕獲入力ノイス 消去器 比較一致でのタイマ / カウンタクリア ( 自動再設定 ) ク リッチなしで正しい位相のハ ルス幅変調器 (PWM) 可変 PWM 周期 周波数発生器 外部事象カウンタ 10 種の独立した割り込み (TOV1, OCF1A, OCF1B, OCF1C, ICF1, TOV3, OCF3A, OCF3B, OCF3C, ICF3) (1)8 ビット タイマ / カウンタ 8 ビット タイマ / カウンタは I/O( システム ) クロック, あるいは外部クロックをプリスケーラで分周したクロックによって動作するカウンタです. タイマ / カウンタのブロック図を次ページに示します. 図 ビット タイマ / カウンタ構成図 (ASSR はタイマ / カウンタ 0 のみ )

8 図において小文字の n にはタイマ / カウンタを区別する数値が入ります. 例えばタイマ / カウンタ 0 の場合は n を 0 と読み替えてください. また下記の解説では,TOP,MAX,BOTTOM という言葉を以下の意味で使用します. ⅰ.TOP: タイマ / カウンタが指定された固定値 ($FF) または OCRn 値に到達した時 ⅱ.MAX: タイマ / カウンタが $FF(255) に到達した時 ⅲ.BOTTOM: タイマ / カウンタが $00 に到達した時 (2) 関係レジスタ a. タイマ / カウンタ 0 のクロックタイマ / カウンタのクロックとしては, システム クロック (clki/o) か外部非同期クロックを選択できます. この選択は非同期状態レジスタ (ASSR) の非同期動作許可 (AS0) ビットで指定できます. このビットが論理 1 のときクロック元は TOSC1 と TOSC2 に接続されたタイマ / カウンタ用発振器から取得されます. 図 2-23 ASSR レジスタ ASSR の AS0 ビットで選択されたクロック (clkt0s) はプリスケーラによって分周され, タイマ / カウンタ 0 のクロック (clkt0) となります. プリスケーラの設定はタイマ / カウンタ 0 コントロール レジスタ (TCCR0) のクロック選択 0(CS02~00) ビットで行います. クロック選択 0 の設定によって, 以下のように clkt0 が設定されます. 図 2-24 TCCR0 レジスタ ( クロック選択 ) b. タイマ / カウンタ 0 の動作種別タイマ / カウンタ 0 の動作は,TCCR0 レジスタの波形生成種別 (WGM01~00) ビットと比較出力選択 (COM01~0) ビットの組み合わせにより定義されます. 各ビットの意味を以下に示します. 図 2-25 TCCR0 レジスタ ( 動作種別 )

9 タイマ / カウンタの動作は WGM01~00 の 2 ビットで 4 種類の動作から選択します.COM01~00 は OC0 比較出力ピンの動作を制御します.COM01~00 に "00" を書き込むと OC0 出力は I/O ピンから切断され, そのポートは標準ポートとして動作します."00" 以外の値が書かれると, 上記のようにタイマ / カウンタの動作種別によって OC0 の動作が決まります. タイマ / カウンタの各動作種別については, 以降で解説します. (3) 標準動作標準動作 (WGM01~0=00) はタイマ / カウンタの動作の中で最も単純な動作をします. タイマ / カウンタ 0 (TCNT0) の計数方向は常に上昇 (+) で, カウンタクリアは実行されません.TCNT0 は 8 ヒ ット最大値 (TOP=MAX=0xFF) に達すると, 次のクロックでオーバーフローし,0x00(BOTTOM) から再びカウントを始めます. この時点でタイマ / カウンタ インタラプト フラグ レジスタ (TIFR) のオーバーフロー フラグ (TOV0) がセットされます. 下図に標準動作でのタイマ / カウンタ 0(TCNT0) の動作を示します. 図 2-26 標準動作での TCNT0 の動作 TOV0 割り込みをイネーブルにしておくと,TOV0 のセットで割り込みがかかり, 割り込み処理がなされたときに TOV0 が自動的にクリアされます.TOV0 割り込みをイネーブルにするには, グローバル インタラプト イネーブル, タイマ / カウンタ割り込みマスク レジスタ (TIMSK) のタイマ / カウンタ 0 オーバーフロー インタラプト イネーブル (TOIE0) の両方をセットします. 以下にタイマ / カウンタ インタラプト フラグ レジスタ (TIFR), タイマ / カウンタ割り込みマスク レジスタ (TIMSK) の各ビットの意味を示します. 図 3-27 TIMSK レジスタ 図 2-28 TIFR レジスタ タイマ / カウンタの応用例として, スイッチのチャタリング除去プログラムを示します.I/O ポートの章で解説したとおり, 機械式スイッチにはチャタリングという現象による誤入力が発生します. これを除去する方法として I/O ポートの章では遅延関数を使う方法を示しましたが, これだと遅延関数処理の間に他の処理が止まってしまいます. 遅延関数の代わりにタイマ / カウンタによる割り込みを応用すれば, この問題は解決します. 以下のプログラム例 (ntimer) を見てみましょう

10 リスト 2-6 タイマ / カウンタによるチャタリング除去 (ntimer)

11 プログラムは, ポート E の 7 ビット目 (PE7) に接続されたスイッチの立上がりをカウントアップし, そのカウント値をポート C に接続された LED に表示するものです. スイッチの ON/OFF でチャタリングが発生します. スイッチの立上がりの検出には PE7 の外部割り込みを使用しています. 外部割り込みの初期設定は 43 ~47 行目の intrrupt7_init() 関数で行い, 立上がりで割り込み要求し, 割り込みを許可しています. タイマ / カウンタ 0 の初期化は 36~40 行目の tc0_init() で行っていて, 最初はタイマを停止し (TCCR0 = 0x00), 割り込みをマスクしています (TIMSK = 0x00). main 関数の処理は, ポートの設定, 上記初期設定関数の呼び出し, グローバル割り込みを許可したら, あとはカウンタ値を LED に表示し続けるだけです. プログラム開始時は INT7 割り込みが許可されているので, スイッチに立上がり信号が入ると INT7 割り込みが発生します. INT7 割り込みは 63~70 行目の ISR(INT7_vect) です.INT7 割り込みをマスクし (65 行目 ), タイマ / カウンタ 0 の標準動作を 256 分周でスタートさせ, オーバーフロー割り込みを許可しています (67~69 行目 ). タイマ / カウンタ 0 の値をクリアしてからスタートさせているので, タイマ / カウンタ 0 がオーバーフローするのは (1/f Tn )*256[s] 後となります.f Tn はタイマ / カウンタ 0 のクロック周波数で, システムクロック周波数 ( ここでは 8[MHz] と仮定します ) を 256 分周した値となります. よって, オーバーフロー割り込みは,(1/ (8*10^6)*256)*256 = 約 8.2[ms] となります. チャタリング発生期間は長くて 10[ms] 程度と考えられますので, オーバーフロー割り込みが発生する時期にはチャタリングは収まっていると見なせるでしょう. タイマ / カウンタ 0 のオーバーフロー割り込みは 50~60 行目の ISR(TIMER0_OVF_vect) です. タイマ / カウンタ 0 を停止, 割り込みをマスクし (52,53 行目 ), スイッチの入力を確かめて, 論理 1 が入力されていれば立上がりと判定してカウンタ cnt をインクリメントします (55,56 行目 ). その後 INT7 割り込みを許可し, 再びスイッチの立上がりを外部割り込みで検出できるようにします. タイマ / カウンタを使用することによって, チャタリングが発生している期間も別の処理が出来るようになりました. 今回のプログラムでは main 関数の処理はカウント値の表示のみなので, 遅延関数でチャタリング除去を行っても問題ないでしょう. しかし実際の組込みシステムでは, もっと多くの作業を限られた時間で処理しなくてはならないため, このような工夫が重要となってきます. (4) 比較一致タイマ / カウンタクリア (CTC) 動作比較一致タイマ / カウンタクリア (CTC) 動作 (WGM01~0=10) では,OCR0 が TOP 値として使用されるため, 比較出力 OC0 の出力を広範囲に設定できます.CTC 動作では, タイマ / カウンタ (TCNT0) 値が OCR0 と一致すると,TCNT0 は 0x00 にクリアされます. この動作種別はより大きい比較一致出力周波数の制御を許します.CTC 動作のタイミングを下図に示します. 図 2-29 CTC 動作のタイミング図

12 前図ではCOM01~00を "01" と設定した場合を示していて,OC0はTCNT0がTOP 値に達したタイミングでトグル ( 反転 ) しています.OC0の周期はOCR0=0( すなわちTOP=0) としたときが最も長く,f Tn /2となります.f Tn はタイマ / カウンタnのクロックclkTnの周波数です.OCnの周波数 f OCn は以下の式で計算できます. f OCn f Tn 2(1 OCRn ) OCF0 割り込みを許可しておくと,TCNT0 が TOP 値に達したタイミングで割り込みをかけることが出来ます.OCF0 割り込みを許可するには, グローバル インタラプト イネーブル, タイマ / カウンタ割り込みマスク レジスタ (TIMSK) のタイマ / カウンタ 0 出力比較一致インタラプト イネーブル (OCIE0) の両方をセットします. (5) 高速 PWM 動作高速パルス幅変調 (PWM) 動作 (WGM01~0=11) では,TCNT0 が単一傾斜動作 (BOTTOM から MAX へカウントアップ ) します. 非反転比較出力動作 (COM01~0=10) での比較出力 (OC0) は TCNT0 と OCR0 が比較一致するとクリア (0) され,BOTTOM でセット (1) されます. 反転出力動作 (COM01~0=11) の出力は比較一致でセット (1) され,BOTTOM でクリア (0) されます. 高速 PWM 動作は単一傾斜動作のため, 両傾斜 ( 三角波 ) 動作を使用する位相基準 PWM 動作より動作周波数は 2 倍高くできます. 高速 PWM 動作のタイミング図を以下に示します. 図 2-30 高速 PWM 動作のタイミング図 タイマ / カウンタオーバーフローフラグ (TOV0) はカウンタがMAXに到達する時毎にセット (1) されます. 割り込みを許可しておけば, 割り込みルーチン内で比較値 OCRnの値を変更して比較出力 (OCn) のデューティー比 (1と0の出力比) を更新するのに使用できます.OCR0の両端値は高速 PWM 動作でPWM 波形出力を生成する時の特別な場合にあたります.OCR0がBOTTOM(00) と等しく設定された場合, 出力はMAX+1タイマ / カウンタクロックサイクル毎の狭いパルスになります.OCR0をMAXに等しく設定すると, 設定される出力極性に依存して, 定常的なLowまたはHigh 出力となります. 高速 PWM 動作のOCn 出力周波数 f OCnPWM は以下で計算できます. f OCnPWM ftn 256 (6) 位相基準 PWM 動作位相基準パルス幅変調 (PWM) 動作 (WGM01~0=01) は両傾斜 ( 三角波 ) 動作を基準とします. カウンタは BOTTOM から MAX へそして次に MAX から BOTTOM へを繰り返し計数します. 非反転比較出力動作 (COM01~0=10) での比較出力 (OC0) は上昇計数中の TCNT0 と OCR0 の比較一致でクリア (0) され, 下降計数中の比較一致でセット (1) されます. 反転出力動作 (COM01~0=11) での動作は非反転動作の逆になります. 両傾斜 ( 三角波 ) 動作は単一傾斜 ( 鋸波 ) 動作より低い最大動作周波数となります. 位相基準 PWM 動作のタイミング図を次に示します

13 図 2-31 位相基準 PWM 動作のタイミング図 タイマ / カウンタオーバーフローフラグ (TOV0) はカウンタが BOTTOM に到達する時毎にセット (1) されます. 割り込みを許可しておけば, 割り込みルーチン内で比較値 OCRn の値を変更して比較出力 (OCn) のデューティー比 (1 と 0 の出力比 ) を更新するのに使用できます.OCR0 の両端値は位相基準 PWM 動作で PWM 波形出力を生成する時の特別な場合にあたります. 非反転 PWM 動作では OCR0 が BOTTOM(00) に等しく設定されると出力は定常的な Low,MAX に等しく設定されると定常的な High になります. 反転 PWM に対する出力は非反転 PWM の逆の論理値になります. 位相基準 PWM 動作の OCn 出力周波数 f OCnPCPWM は以下で計算できます. f OCnPCPWM ftn 510 位相基準 PWM 動作を利用して,LED の明るさを調整するプログラム (pwm) を紹介します. リスト 2-7 PWM で LED の明るさを調整 (pwm)

14 このプログラムでは,8 ビットのトグルスイッチから読み込んだデータを OCR0 に設定し,PWM のデューディー比を変更できるようにしています. タイマ / カウンタ 0 の動作設定は 21 行目で行っています. TCCR0 = 0x66 (2 進数で ) は, 位相基準 PWM とし,OC0 出力を非反転,256 分周という設定になります.OC0 出力を使用する場合は, 対応するポート ( ポート B の 4 ビット目 ) を出力にする必要があります.18 行目の DDRB = 0x10 でポート B の 4 ビット目を出力に設定しています.main 関数のループ処理では,OCR0 に 8 ビットのトグルスイッチのデータを設定し (25 行目 ),OC0(PINB の 4 ビット目 ) の値を調べて, 論理 1 なら 8 ビット LED を点灯, それ以外は消灯させています (26~29 行目 ). 上記プログラムでは PWM 制御に関してメインルーチン内に記述していましたが, 比較一致割り込み (OCF0 割り込み ) を使用して PWM 制御処理を割り込みルーチンに記述することも出来ます. 割り込みルーチンで記述すると, メインルーチンで他の仕事を行わせることが出来ます.OCF0 割り込みを使用したプログラム例 (pwm2) を以下に示します. リスト 2-8 PWM で LED の明るさを調整 (OCF0 割り込み使用 )(pwm2)

15 PWM 制御処理を比較一致割り込み関数 ISR(TIMER0_COMP_vect) に記述し (11~18 行目 ), メインルーチンでは他の処理を行うことが出来ます ( 今回のプログラム例では, 何もしていません )(38~41 行目 ). それでは上記プログラムを実習ボードで実行した結果を見てみましょう ( どちらのプログラムでも動作は同じです ).8 ビットのトグルスイッチで OCR0 に,0x03,0x1F,0xFF を設定した動作結果を以下に示します. 図 2-32 OCR0 = 0x03 の場合 図 2-33 OCR0 = 0x1F の場合 図 2-34 OCR0 = 0xFF の場合 非反転出力の場合 OCR0 の値を大きくするほど論理 1 の出力割合が大きくなるので, 上図のように OCR0 の値が大きいほど LED の明るさが高くなっていきます. 今回はポート C に接続された 8 個の LED の制御をしたかったので, プログラム内で PWM 信号が出力される OC0 の値を読み込んで LED の明るさを制御していました.OC0 はポート B の 4 ビット目から出力されているので, 一般的にはプロセッサ外部の PWM 制御対象をこのビットに接続して制御を行います. 課題 1 1. サンプルプログラム (ntimer) を打ち込み, 実習ボード上で動作を確認せよ. 2. サンプルプログラム (pwm および pwm2) を打ち込み, 実習ボード上で動作を確認せよ. レポート課題 ( 提出 : ソースリスト & フローチャートや PAD など ) 3. トグルスイッチ 8 ビットを 2 進数 8 桁の入力とし, 入力値に応じて LED の点滅間隔を調整するプログラムを作成せよ. なお, 入力値 0x80 で 1 秒周期程度とすること

16 レポート課題 1-3 の考え方 1) 全体 1 アルゴリズム, 構成を考えるタイマの課題 タイマ使用 2 相応しい機能を選択する 2) 相応しい機能 ( タイマ ) 1 機能選択 ( 間隔調整できるもの ) 標準動作 : 一定間隔 CTC 動作 : 周期調整 TCCR0=00**1*** PWM 動作 : デューティ調整 2クロック検討 0x80で1 秒周期 8MHz/ 最大 1024 分周 =7812.5Hz TCCR0= *****111 複数回間隔で ( 約 30 回毎にON/OFF) 256 分周 122 回も可 (7) カウンタ動作クロック入力を外部信号に変えればカウンタ動作になる. タイマ / カウンタ 1~3(0 以外 ) では外部クロック入力ピン (T1~T3) があり, これらの入力ピンにパルス信号等を入力することでカウンタとして使用できる. 図 2-35 カウンタ部の構成 外部クロックピンの選択は TCCRn の CSn0~CSn2 で行う. 表 2-11 タイマ / カウンタ2 入力クロック選択 CS22 CS21 CS20 意味 停止 ( タイマ / カウンタ2 動作停止 ) clki/o ( 前置分周なし ) clki/o/8 (8 分周 ) clki/o/64 (64 分周 ) clki/o/256 (256 分周 ) clki/o/1024 (1024 分周 ) T2ヒ ンの立ち下りエッシ ( 外部クロック ) T2ヒ ンの立ち上りエッシ ( 外部クロック )