Sistemas con procesadores Práctica periférico: Pulse width modulator (PWM) (PWM)
Introducción Una señal PWM puede ser usada para generar señales análogas, esto se logra usando como base un tren de pulsos digitales con un periodo constante (frecuencia fija). Para generar diferentes niveles de voltaje se varía el ciclo útil, es decir que el ancho de pulso de la señal aumenta o disminuye; al promediar la señal digital sobre un periodo se tiene una señal análoga proporcional al c iclo útil. Un ciclo útil del 50% genera una señal análoga igual a la mitad del voltaje de alimentación, mientras que un ciclo útil del 75% genera una señal análoga igual al 75% del voltaje de alimentación [1]. Una señal PWM puede ser usada en e n varias aplicaciones, dos de ellas son el manejo de la intensidad de luz en LEDs o el manejo de velocidad en motores DC.
Generar una señal PWM con la tarjeta Atmel XMEGA B1 Xplained En el microcontrolador Xmega128 B1 se genera una señal PWM usando un timer/counter tipo 0 en modo comparación. En este modo el timer/counter usa usa un contador base para contar ciclos de reloj y 4 canales de comparación (CCx) con los cuales compara el contador base. Cada canal de comparación tiene un pin asociado en el cual se ve rá la señal PWM generada como producto de la comparación. [3]
Funcionamiento de la comparación El periodo de la señal PWM es controlado por PER, mientras que los registros C Cx controlan el ciclo útil de la señal. El contador cuenta desde 0 hasta P ER y luego reinicia en 0. El pinx se pone en 1 al inicio del conteo y baja a cero en el momento en el cual el conteo iguala el valor en el registro CCx correspondiente. [3] Ver figura 1.
Figura 1. Ciclo útil del 70%. tomado y adaptado de [3]
Prof. Martha Lucía Cano Morales
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Configuración para la generación de la señal PWM Para el desarrollo de esta práctica se usa el timer/counter TE0. Para ver ña señal generada en el pinx se debe asegurar los siguientes pasos: 1. Configurar la dirección del pin asociado como salida. (registro PORTE.DIR) 2. Seleccionar el modo Single Slope para la generación de la señal (registro TCE0.CTRLB) 3. Habilitar el canal CCx correspondiente (registro TCE0.CTRLB). Al habilitar el canal se asegura que la señal se verá en el pin correspondiente. El canal CCA está asociado al pin 0 del puerto, el canal B al pin 1 , el canal C al pin 2 y el canal D al pin 3. 4. Configurar el periodo de la señal de conteo base. (registro TCE0.PER para el periodo y TCE0.CTRLA para la preescalizacion) 5. Configurar el ciclo útil de la señal (registro TCE0.CCxBUF)
Cálculo del periodo y del ciclo útil El periodo de la señal PWM se calcula teniendo en cuenta la frecuencia de reloj del microcontrolador, la preescalización del conteo y el valor máximo de conteo (registro TCE0.PER). La ecuación 1 muestra la re lación entre estas variables.
(Ec. 1)
Para esta práctica se usa el reloj configurado por defecto, es decir el reloj interno de 2MHz. Las preescalizaciones disponibles son: 1, 2, 4, 8, 64, 256 y 1024. A partir de estos dos valores y de la frecuenc ia de señal deseada se calcula el valor de TCE0.PER
Ejemplo. Se desea tener una señal PWM con frecuencia 500Hz. Se selecciona una preescalización de 1 y teniendo en cuenta que el reloj es de 2MHz, el valor de TCE0.PER es:
El ciclo útil de cada canal está definido por el valor en el re gistro TCE0.CCxBUF de acuerdo a la e cuación 2.
(EC. 2)
Ejemplo. Se desea un ciclo útil de l 75% en el canal A para la señal de 500 Hz del ejemplo anterior, el valor de TCE0.CCABUF es:
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Código de configuración de 3 señales PWM para controlar un LED RGB En la figura 2 se muestra el código que configura 3 canales PWM en los pines 0, 1 y 2 del Puerto E. La frecuenia de la señal es de 500Hz y el ciclo útil de cada canal es 75%, 50% y 25% para los canales A,B y C respectivamente. Lea el código, identifique y entienda cada una de las instrucciones de acuerdo a lo e xplicado en el punto anterior.
Figura 2
Círculo cromático RGB Las señales PWM generadas se usarán para controlar un LED RGB, el cual se compone de 3 leds, uno ro jo, uno verde y uno azul. Estos tres colores corresponden a los colores primarios del espectro lumínico visible, a partir de los cuales se pueden obtener otros colores. La figura 3 muestra el círculo cromático RGB en el cual se distribuyen de forma proporcional el rojo, el azul y el verde para formar colores secundarios y colores.
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Figura 3. Tomado
de http://timvandevall.com/rgb-color-wheel-hex-values-printable-blank-color-wheel-templates/
Los colores secundarios y terciarios son el resultado de sumar los tres colores primarios con una intensidad lumínica específica para cada color. En el círculo cromático RGB esta intensidad lumínica se divide en 255 niveles, donde 0 es ninguna intensidad lumínica (color apagado) y 255 la máxima intensidad lumínica. Relacionando estos niveles con la señal PWM, 0 corresponde a un ciclo útil del 0% y 255 a un ciclo útil del 1 00%. Por ejemplo si se desea obtener el color Cyan {RGB (0,255,255)} , el led rojo debe tener un ciclo útil del 0%, el led verde de 100% y el led azul de 100%. Por otro lado si se desea obtener el color naranja {RGB(255,127,0)} , el led rojo debe tener un ciclo útil del 100%, el led verde de 50% y el led azul de 0%. El círculo cromático se divide en 12 secciones. Si tomamos únicamente los colores primarios y secundarios (Red, Yellow, Green, Cyan, Blue y Magenta) tenemos 6 secciones. Observe que en cada una de estas secciones sólo varía la intensidad de un color a la vez:
Entre Red y Yellow aumenta la intensidad del led verde de 0 a 255.
Entre Yellow y Green disminuye la intensidad del led rojo de 255 a 0.
Entre Green y Cyan aumenta la intensidad del led azul de 0 a 255.
Entre Cyan y Blue disminuye la intensidad el led verde de 255 a 0.
Entre Blue y Magenta aumenta la intensidad del led rojo de 0 a 255.
Entre Magenta y Red disminuye la intensidad del led azul de 255 a 0.
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Montaje del circuito de prueba El voltaje de encendido de los LEDs varía de acuerdo a su color. Los valores típicos de encendido de un LED RGB en encapsulado de 5mm transparente son: 2 voltios para el rojo, y 3.4 voltios para el verde y el azul [5]. El microcontrolador de la tarjeta Atmel Xmega B1 Xplained se encuentra alimentado a 3.3 voltios, por lo tanto las señales PWM generadas tendrán una amplitud máxima de 3.3 voltios, la cual no cumple con el voltaje de encendido del verde y del azul; por lo tanto se debe usar un transistor el cual permite usar una fuente de alimentación de 5 voltios para encender el LED a la vez que se usa la señal PWM generada como control de encendido y apagado. La figura 4 muestra el circuito que se debe implementar para controlar un LED RGB de ánodo común.
Figura 4
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Sistemas con procesadores Práctica periférico: Pulse width modulator (PWM) El transistor 2n2222 funciona como un interruptor, cuando en su base (B) hay un voltaje de 3.3v deja pasar corriente entre su colector (C) y su emisor (E) y el color correspondiente se enciende (interruptor cerrado). Cuando en su base hay 0v no deja pasar corriente y por tanto el color correspondiente se apaga (interruptor abierto). El voltaje de alimentación de 5 voltios se toma de la señal V_BUS disponible en el Header J3. Para calcular las resistencias que van en serie con cada color se usa la ecuación 3.
(Ec. 3)
Donde voltaje fuente es 5v, voltaje color es 2 para el rojo y 3.4 para el verde y el azul, y corriente LED es 10 mA. Nota: Esta
misma configuración de transistor 2n2222 se puede usar para controlar un motor de 3 .3 voltios o de
5v (respectivamente el voltaje de fuente será 3.3v o 5v). Sin embargo se debe tener en cuenta no exceder la capacidad de corriente que puede entregar un puerto USB 1.0 (500 mA).
Desarrollo de la práctica 1. Observación de la señal digital con osciloscopio (opcional) Cree un nuevo proyecto “GCC C Executable Project”, escriba el código de la figura 2 , compile y programe la
tarjeta. Con un osciloscopio observe la señal en los pines 0,1 y 2 del puerto E. La señal tendrá una amplitud máxima de 3.3 voltios y una frecuencia de 500 Hz, por lo tanto debe configurar los controles de deflección horizontal y vertical del osciloscopio para ver correctamente cada señal. Verifique que el ancho de pulso de c ada canal corresponde al configurado. Varíe los valores de los registros TCE0.CCxBUF para cambiar los ciclos útiles, compile y programe la tarjeta. Observe la variación en el osciloscopio (use los ciclos útiles que desee).
2. Observación de la señal digital usando LEDs (reemplaza la observación con osciloscopio) Calcule el valor de preescalización y de TCE0.PER para que las señales PWM generadas tengan una frecuencia de 2Hz (ver ecuación 1). De acuerdo al cálculo anterior, calcule el valor de TCE0.CCABUF, TCE0.CCBBUF y TCE0.CCCBUF para tener un ciclo útil del 75%, 50% y 25% respectivamente (ver ecuación 2). Cree un nuevo proyecto “GCC C Executable Project”, escriba el código de la figura 2 cambiando los valores
calculados, compile y programe la tarjeta. Monte el circuito de la figura 4, ponga una hoja blanca a unos centímetros del LED RGB y observe que cada color se apaga en momentos diferentes. Esto muestra las diferencias en el ciclo útil.
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Sistemas con procesadores Práctica periférico: Pulse width modulator (PWM) Varíe los valores de los registros TCE0.CCxBUF para cambiar los ciclos útiles, compile y programe la tarjeta. Observe la variación en el apagado de cada color (use los ciclos útiles que desee).
3. Regulador de intensidad en un LED RGB Cambie los valores de preescalización y periodo a los valores originales de la figura 2. Monte el circuito de la figura 4 , ponga una hoja blanca a unos centímetros del LED RGB. Variando los ciclos útiles de cada color (registros CCxBUF), obtenga los colores secundarios y terciarios del círculo cromático.
Ejercicio para desarrollar de manera individual Desarrolle un código que recorra el círculo cromático de forma g radual. Para esto debe ir variando progresivamente el ciclo útil de cada color según lo explicado en la sección “Círculo Cromático RGB”, esta variación se debe hacer de forma lenta para que se pueda apreciar el recorrido.
Fuentes bibliográficas [1] Application note AVR131: Using the AVR’s High -speed PWM. www.atmel.com
[2] Manual: 8-bit Atmel XMEGA B Microcontroller. www.atmel.com [3] Manual: ATxmega128B1 / ATxmega64B1. www.atmel.com [4] Atmel AVR32852: Building Custom Application using ASF Example Project s. www.atmel.com [5] Datasheet LED - RGB Clear Common Anode - SparkFun Electronics
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