１０７．タイマー割込みでPWMする

2001/05/04 【ソフトウエア編ＴＯＰに戻る】

１０６のページで、PWMでのDCモーター制御についてご紹介しました。ＤＣモーターを自在に操るためには不可欠なテクニックです。よーし！AKI-H8 3048/F CPUボードを使ってロボットの関節制御をバリバリやってやるぜ！と意気込むのも良いのですが、ちょっと待った。H8-3048/Fでは、PWM出力が最大で５チャンネルまでしか取れません．．．。片脚だけで４個のモーターがあるし、両脚と腰まで入れると全部で１２個もモーターがあります。これでは全然足りません。あーどうしよう！外部にロジック回路を追加して、ハード的にマルチプレクサして多チャンネルに振るか？

などとも考えたのですが、外部に回路を追加しては面倒なので、結局ソフトウエアの力を借りることにしました。で、思いついたのがタイマー割込みを利用したPWMです。

１０７−１．タイマー割込みPWMの説明

タイマー割込みを使ったPWMとは、だいたい以下のように動作させます。

先ずＩＴＵタイマーによって、一定期間ごとに割込みを発生させます。で、割込み処理内で、割込みが発生した回数をカウントします。ただし、０（ゼロ）から１０くらいの間で繰り返し数えます。上図では０〜７で数えています。カウント変数cntが０（ゼロ）の場合、任意のPIO出力のBITを1にします。そして、何度目かの割込みでPIOのBITを０（ゼロ）に戻します。上図ではcntが４の時に０に戻しています。またcntが０（ゼロ）に更新されると同じことを繰り返します。

上図のPIO出力波形を見ると、デューティー比０．５のパルス波形になっています。１になったBITを０（ゼロ）に戻すタイミング（cntの値）を早めたり、遅くしたりすると、デューティー比を可変することが出来ます。この方法を使えば、割り込み処理内で複数のPIO出力を制御することによって、複数のPWM出力を得ることができます。

割込み処理内では、主にcnt変数によってPWM出力を得るためのPIOの制御を行ないます。上図ではオレンジ色の期間が、その処理に費やされます。

通常の処理内では、どのcntの値でPIOを０（ゼロ）に戻すか、といった設定を行い、またその他諸々のロボット制御、センサー検知などの処理を行ないます。上図ではグリーンの期間が、その処理に費やされます。

割込みを発生させる周期は色々と試す必要がありますが、約５mSに設定します。オレンジ色の割込み処理内では、条件に照らしてPIOを1にしたり０（ゼロ）にしたりといった簡単な処理しか行なわないため、普通ならばグリーンの期間を充分に確保することができます。しかし、PWM出力を多く取ろうとして、制御するPIOの数が多くなってくると、だんだんオレンジ色の期間が増えて、グリーンの期間を圧迫してくる恐れもあります。あまりグリーンが圧迫されると正常なロボット制御は難しくなるでしょう。その場合は、割込みの周期を長くするか、効率の良いプログラムを再検討することになると思いますが、取り合えずこれで行ってみますか！

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１０７−２．テストプログラム

以下にテストプログラムをご紹介します。

下のプログラムはポート４のスイッチSW1〜4を押すことによって、それぞれ設定された速度でモーターが回転します。プログラム上では、それぞれのスイッチに以下のデューティー比を設定してあります。

つまり、SW1が一番遅く回転し、SW4が一番早く回転します。

ソースプログラムは、ここをクリックするとダウンロードできます。(pwmtest2.c)

また、ハードウエアについては、電子回路編 ３．AKI-H8開発キットの回路の[13]PORTA 接続コネクタおよび、４．ＤＣモーター駆動回路を参照して下さい。

なお、スタートアップオブジェクトは、今回割込みを利用しているので、startup2.marでないと動作しません。startup2.marはstartup.marに名前を変更してから、ソフトウエア編の３．コンパイル手順 ３−１．スタートアップオブジェクトを作るを参照して、startup.objファイルを作成し、pwmtest2とリンクして下さい。

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１０７−３．テストプログラムpwmtest2.cの説明

このプログラムは、メイン関数main( )と割込み処理intimia1( )から構成されます。

■ヘッダファイルの読み込みと、割込みの宣言

#include <3048f.h>
#pragma interrupt(intimia1)
extern int cnt;  /*グローバル変数 startup.marでもexport宣言*/
extern int mode; /*グローバル変数 startup.marでもexport宣言*/

ここでは、3048fヘッダファイルの読み込みと、割込み関数intimia1の宣言、およびグローバル変数cnt, modeの宣言を行ないます。

メイン関数内の説明

■PIOの初期化

     P4.DDR = 0x00;      /*port4入力に設定 操作用sw1〜4*/
     P4.PCR.BYTE = 0xff; /*port4プルアップon           */
     P5.DDR = 0xff;      /*port5出力に設定　表示LED    */
     PA.DDR = 0xff;      /*portA出力に設定　モータ制御 */

ここでは、ポート４とポート５、ポートＡの初期化を行なっています。

■グローバル変数の初期化

     cnt = 0;            /*割込み回数カウント用変数 */
     mode = 0;           /*デューティー比設定用変数 */

ここでは、main( )とintimia1( )の両方の関数で参照する変数（グローバル変数）の初期化を行なっています。

■ＩＴＵタイマーの初期化

     ITU1.TCR.BYTE = 0x23;  /* GRAコンペアマッチ clock 1/8 */
     ITU1.GRA = 0x2710;     /* GRAを2710に設定 約5ms       */
     ITU1.TIER.BYTE = 0xF9; /* ITU1のGRAによるコンペアマッチ割込みを許可*/
     ITU.TSTR.BIT.STR1 = 0; /* カウント停止状態            */
     ITU.TSTR.BIT.STR1 = 1; /* ITU1 TCNTカウント開始       */

ここでは、ITUタイマーチャンネル１の初期化を行なっています。割込み発生の周期を約５ｍSに設定しています。各レジスタについての詳細は、１０５．タイマー割込みで効率的な制御のページを参照して下さい。

■メイン関数の主な処理

while(1){ }で無限ループを作り、その中で押ボタンスイッチに対応した処理を行なっています。

         P5.DR.BYTE = 0x01;          /*LEDを○●表示*/

通常の処理中であることを示すため、ポート５のLED１を点灯させる処理を行ないます。つまり、ページ先頭の説明図で言うグリーンの期間であることを示します。

         if(P4.DR.BIT.B4 == 0){       /* sw1 */
               mode = 1;
          }
          else if(P4.DR.BIT.B5 == 0){ /* sw2 */
               mode = 2;
          }
          else if(P4.DR.BIT.B6 == 0){ /* sw3 */
               mode = 3;
          }
          else if(P4.DR.BIT.B7 == 0){ /* sw4 */
               mode = 4;
          }
          else {                      /* 何も押されていない */
               mode = 0;
          }

これらは、押されたスイッチによって、modeというグローバル変数の値を書き換えています。mode変数で、PWMのPIO出力を０（ゼロ）に戻すタイミングを指示します。この値は割込み関数内の処理に使われます。

メイン関数でやってることはこれだけです。つまり、押されたスイッチに対応したmodeの値を設定しているだけです。

■割込み関数内の処理

    P5.DR.BYTE = 0x02;              /*LEDを●○表示*/

割込み処理中であることを示すため、ポート５のLED２を点灯させる処理を行ないます。つまり、ページ先頭の説明図で言うオレンジの期間であることを示します。

     cnt++;
     if(cnt == 10){cnt = 0;}

割込み処理の始めで、cnt変数の値を＋１しておきます。ただし、値が10まで増えたら、強制的に0（ゼロ）に戻します。このcntの値をPWM出力するための基準値とします。

     if(mode == 0){
          PA.DR.BIT.B0 = 0;
          PA.DR.BIT.B1 = 0;
     }
mode の値が0（ゼロ）の場合、モーターを停止状態にする取り決めにします。なので、PWM出力は0（ゼロ）にしておきます。ちなみに、ＤＣモーター駆動ICのVIN1がPA.DR.BIT.B0のBITに相当し、VIN2がPA.DR.BIT.B1のBITに相当します。今回のテストプログラムでは、VIN1のみにPWM波形を与え、VIN2は0（ゼロ）に固定しておきます。

switch(cnt){  }で、現在のcnt変数の値でのPIO制御を行ないます。

         case 0: if(mode == 0){break;}
                 PA.DR.BIT.B0 = 1;
                 PA.DR.BIT.B1 = 0;
                 break;

cntが0（ゼロ）の場合、modeの値が0（ゼロ）ならswitch処理を抜けて、何もしません。つまり、PWM出力は0（ゼロ）のままです。

modeの値が0（ゼロ）でなければ、ポートAのBIT0を1にします。PWM出力の始まりです。この後、一旦割込み処理を終え、次の周期の割込み処理を待ちます。

          case 1: if(mode == 1){     /*デューティー比０．１*/
                      PA.DR.BIT.B0 = 0;
                      PA.DR.BIT.B1 = 0;
                  }
                  break;

cntが1の場合、もしmodeの値が1に設定されていれば、ポートＡのBIT0を0（ゼロ）に戻します。つまり、パルス波形は割込み周期の５mSだけ出力されます。

          case 2: break;
          case 3: break;
          case 4: break;

cntが2,3,4の場合、何もしません。つまり、ポートAのBIT0が0（ゼロ）なら0のまま、1なら1のまま変化させません。

         case 5: if(mode == 2){     /*デューティー比０．５*/
                      PA.DR.BIT.B0 = 0;
                      PA.DR.BIT.B1 = 0;
                 }
                 break;

cntが5の場合、もしmodeの値が2に設定されていれば、ポートＡのBIT0を0（ゼロ）に戻します。つまり、パルス波形は割込み周期x５の２５mSの期間出力されます。

あとのswitch分の中身についても、これらと同じ処理です。

    ITU1.TSR.BIT.IMFA = 0;       /* 検知フラグを戻して再開 */

割込み処理の最後に、割込み発生時に立ったフラグをクリアして置きます。これで、新たな割込みの発生を受け付けることができます。

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ちょっとややこしいかもしれませんが、お分かり頂けましたか？同じタイマーによる割込みを繰り返しているだけですが、cnt変数によって意味付けを変えて、波形を発生させています。

今回はポートＡのBIT0（ゼロ）だけをパルス化しましたが、BIT1をパルス化することによって、ＤＣモーターの正転／逆転を行なうことができます。

また、今回はswitch分の中でcase1,5,7,9のところでBIT0をクリアする処理を入れていますが、これを他のcase2,3,4,6,8等に入れることによって、デューティー比を調整することができます。

ところで、ポート５のLED1と2ですが、このテストプログラムを実行してみると、LED1が圧倒的に明るく点灯して、LED2は僅かに燈っているといった感じです。これは、そのままＬED1のグリーン（通常の処理）期間、LED2のオレンジ（割込み処理）期間の差となって現れています。割込み処理内のお仕事を増やしすぎると、両方のLEDが同程度に点灯したり、または逆にLED2の方が明るくなったりしてくるでしょう。そうなったら注意信号だと思ってください。

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