２１３．モード１による８相ＰＷＭ(SH2-7045F)

2002/9/29 【ソフトウエア編ＴＯＰに戻る】

今回は、ＭＴＵ（マルチファンクションタイマーユニット）を使って８相のPWM波形を出力させるプログラムをご紹介します。ＰＷＭについては、１０６．ＰＷＭでモータ制御や１１２．ラジコンサーボモータを動かすのページなどをご参照下さい。

２１３−１．モード１によるＰＷＭ

SH2-7045Fには０〜４まで５チャンネル分のMTUがあり、チャンネル０、３、４にはそれぞれ４個ずつ、チャンネル１、２にはそれぞれ２個ずつのTGR(タイマージェネラルレジスタ)があります。モード１での各チャンネルの主要なレジスタと出力端子の構成は以下のようになっています。

	■出力波形の例その１ 左の図は、PWM波形を発生させるための動作の一例です。 PWM波形のパルス幅と周期はTRG(ジェネラルレジスタ)のＡ，ＢとＣ，Ｄのペアによって左図のように決定されます。（左図ではＡ，Ｂの例） ただし、左図の場合はTGRBに設定した値の大きさとパルス幅の大きさが反比例するため直感的ではありません。
	■出力波形の例その２ そこで、左図のような動作をさせることとします。 良く見ると出力パルスの波形が反転しているだけですが、これによってTGRBに設定した値の大きさとパルス幅の大きさが比例するため、直感的に分かりやすくなります。 PWM波形の周期に変化はありません。

上図の例で考えると、TCNTのカウントアップのクロック周期とTGRAに設定する値でPWM波形の周期が決定され、TGRBに設定する値でパルス幅が決定されることが分かります。これはTGRCとTGRDの組み合わせでも同様です。　TCNTのカウントアップのクロック周期とカウンタクリア条件はチャンネルごとにTCR（タイマーコントロールレジスタ）で設定できますので、チャンネルごとならば独立して周期などを設定することが可能ということになります。

以上はモード1でのPWM動作で、TGRのペアの数である８相までのPWM波形を出力させることができます。この他にモード2のPWM動作というものもあり、それを利用すると全部で１２相のPWM波形に対応させることができます。モード2については次の機会にご紹介するとして、先ずはモード1のプログラミングについてご紹介することにしましょう。

２１３−２．モード１によるＰＷＭプログラミング　pwmtest1.c

以下に示すプログラムソースは、８チャンネル分のPWM波形を固定で出力する、もっとも単純な事例です。main関数でそれぞれのTGRBやTGRDを操作する処理を入れれば、サーボモータの角度制御やＤＣモータの速度制御が出来るようになりますが、ここでは先ずPWM波形を出力させるための設定を中心にご紹介します。

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。pwmtest1.c また、割込みベクタファイルもここをクリックするとダウンロードできます。vector.s　今回のプログラムでは、特に割り込みは利用していません。

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２１３−３．プログラムの説明

ちょっと見た感じは長めのプログラムで、特にイニシャル処理部分が長いのですが、良く見てみるとチャンネルの数だけ同じことをしているだけなのでたいしたことありません。

■インクルードと使用関数の型宣言

#include "sh7040s.h"
void boot(void);
void __main(void);
int main(void);
void sectionInit(void);

お馴染みSH7040S.Hヘッダファイルの読み込み指定と、使用する関数の型宣言です。

■ダミー関数を置く

void __main(void){
}

すみません。ここは、こういうものだと思って置いてください。

■ＰＦＣ（ピンファンクションコントローラ）の設定その１

boot( )関数の中身です。SH2が起動すると、一番はじめにこのboot( )関数が実行されるようにしています。 PFCの設定についてはの２１０．ＳＨ２先ずはＰＩＯから(SH2-7045F)の解説を参照してください。

/* ＩＯポート設定 */
     PFC.PACRH.WORD = 0x0000;      /* PA23〜16 */
     PFC.PACRL1.WORD = 0x0000;    /* PA15〜8 */
     PFC.PACRL2.WORD = 0x0145;    /* PA7,6,5,2 TXD0,RXD0 */

     PFC.PBCR1.WORD = 0x0000;      /* PB9,PB8 */
     PFC.PBCR2.WORD = 0x0000;      /* PB7〜PB0 */

     PFC.PCCR.WORD = 0x0000;       /* PC15〜PC0 */

     PFC.PDCRH1.WORD = 0x0000;    /* PD31〜PD24 */
     PFC.PDCRH2.WORD = 0x0000;    /* PD23〜PD16 */
     PFC.PDCRL.WORD = 0x0000;      /* PD15〜PD0 */

     PFC.PECR1.WORD = 0x5555; /* TIOC4D,4C,4B,4A,3D,3C,3B,3A */
     PFC.PECR2.WORD = 0x5555; /* TIOC2B,2A,1B,1A,0D,0C,0B,0A */

今回のプログラムで必要なPFC設定はポートＥの設定だけで、上記では下から２行分だけです。それ以外の設定は特に記入する必要ありませんが、好みで載せてあります。

PWM信号の出力端子は、PIOのポートＥと兼用になっているため、上記の２行分でMTU用の端子TIOCとして利用できように設定しています。PECR1（ポートＥコントロールレジスタ１）とPECR2はそれぞれ１６ビットのレジスタで、以下の意味があります。

PECR1（ポートＥコントロールレジスタ1）

PECR2（ポートＥコントロールレジスタ2）

ポートＥの１６ビット分の用途を、コントロールレジスタの２ビットずつで指定します。MD1とMD0の２ビット分が用意されているところと、予約ビット「-」とMDの２ビット分で構成されるところの２種類があります。

MD1とMD0が用意されているビットについては、以下のような指定を行います。

予約ビットとMDが用意されているビットについては、以下のような指定を行います。

ところで、今回PWM出力を行う端子は、PE0,2,4,6,8,10,12,14に相当する端子のみですが、それ以外のPE1,3,5,7,9,11,13,15についても、MTU用の端子に設定しておくことにします。

したがって、各端子をMTU用に設定するには01 01 01 01 (0x5555)にするということになります。なので、

     PFC.PECR1.WORD = 0x5555;

     PFC.PECR2.WORD = 0x5555;

としています。

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■ＰＦＣ（ピンファンクションコントローラ）の設定その２

上記の設定では端子の用途を設定しましたが、今度は端子の入出力方向を設定します。

     PFC.PAIORH.WORD = 0x00ff;      /* [OUT]PA23〜16 [IN]-- */
     PFC.PAIORL.WORD = 0xffff;       /* [OUT]PA15〜0 [IN]-- */
     PFC.PBIOR.WORD = 0x03ff;        /* [OUT]PB7 〜0 [IN]-- */
     PFC.PCIOR.WORD = 0xffff;         /* [OUT]PC15〜0 [IN]-- */
     PFC.PDIORH.WORD = 0x00ff;      /* [OUT]PD23〜16 [IN]PD31〜24 */
     PFC.PDIORL.WORD = 0xffff;       /* [OUT]PD15〜0 [IN]-- */
     PFC.PEIOR.WORD = 0xffff;    /* [OUT]PE15〜0 [IN]-- */

今回のプログラムではポートＥの部分だけの設定が必要で、それ以外は特に必要ありませんが、やはり好みで載せてあります。

PEIOR(ポートＥ I/Oレジスタ）には以下の意味があります。

レジスタの各ビットがポートＥの各ビットに相当し、「１」なら出力、「0」なら入力の設定となります。今回、各ポートはMTU用のTIOCに設定してあるので、出力ならアウトプットコンペアマッチ出力端子、入力ならインプットキャプチャ入力端子として働きます。今回はPWM波形を出力したいので、アウトプットコンペアマッチ出力とするために、全てのビットに「１」をセットします。したがって、PFC.PEIOR.WORD = 0xffff;とします。

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■MTU0チャンネルの設定その１

最初に、MTU0チャンネルのTIOC0A出力端子用のPWM設定を行います。

/* MTU0 TIOC0A PWM MODE 1 設定 */
     MTU0.TCR.BYTE = 0x23;           /* TGR0A TCNT CLEAR,CLOCK/64 */
     MTU0.TGRA = 8948;                 /* 周期2.23uS x 8948 = 20mS */
     MTU0.TGRB = 671;                  /* パルス幅2.23uS x 671 = 1.5mS */
     MTU0.TIOR.BYTE.H = 0x56;       /* TCR0B → 0 , TGR0A → 1 */
     MTU0.TMDR.BYTE = 0xC2;        /* PWM MODE1 */

先ず、MTU0チャンネルの動作設定を行います。

     MTU0.TCR.BYTE = 0x23;           /* TGR0A TCNT CLEAR,CLOCK/64 */

では、TCR(タイマーコントロールレジスタ）の設定を行い、タイマーの基本動作の設定を行っています。

TCRは８ビットのレジスタで、以下の意味があります。

CCLR（カウンタクリア）の３ビットでは、TCNT（タイマカウンタ）のカウンタクリア要因を設定します。

今回はTGRAでPWM波形の周期を決定させたいので（冒頭でご説明した図のような動作を行わせるため）、TCNTのカウンタクリア要因をTGRAのコンペアマッチとします。なので、００１に設定します。

CKEG（クロックエッジ）の２ビットでは、TCNTのカウントを行うためのエッジ（入力パルスの立ち上がりタイミングか、立下りタイミングか）を設定します。

今回は立ち上がりエッジでカウントさせることにします。なので００に設定します。ちなみに、両エッジでカウントさせると、倍の早さでカウント動作が行われることになります。

TPSC（タイマプリスケーラ）の３ビットでは、TCNTのカウンタクロックを設定します。

今回は内部クロックφ/64でカウントさせますので、０１１に設定します。なお、φはシステムクロック周波数で、アルファプロジェクト製AP-SH2F-0AでＣＰＵを４倍速の設定で動作させる場合は、28.63636MHzとなります。今回はこの１／６４の速度で動作させることになるため、28.63636MHz/64 = 0.447443MHz つまり、TCNTは２．２３μＳ周期でカウントされることになります。

以上の設定をまとめると、以下のようになります。

なので、0010 0011 で0x23となり、MTU0.TCR.BYTE = 0x23;　となります。

次に、TGRAとTGRBの設定を行います。

     MTU0.TGRA = 8948;                 /* 周期2.23uS x 8948 = 20mS */
     MTU0.TGRB = 671;                  /* パルス幅2.23uS x 671 = 1.5mS */

TGRAではPWM波形の周期を、TGRBでは出力パルスの幅を設定したいと思います。

PWM波形の周期は、サーボモータの制御信号に合わせて２０mSにします。先ほどご説明した通り、現在の設定ではTCNTのカウントは２．２３μＳ周期でカウントされるため、２０mSをカウントするのに要するカウント数は、２０ｍＳ/２．２３μＳ＝８９４８カウントとなります。したがって、MTU0.TGRA = 8948;とします。

同様に、出力パルスの幅をサーボモータのほぼ動作中間点の１．５ｍＳとするためには、１．５ｍＳ／２．２３μＳ＝６７１カウントとなるので、MTU0.TGRB = 671;とします。

次に、TIOR（タイマーI/Oコントロールレジスタ）で、出力端子の動作を設定します。

     MTU0.TIOR.BYTE.H = 0x56;       /* TCR0B → 0 , TGR0A → 1 */

チャンネル０のTIORは８ビットのレジスタTIOR0HとTIOR0Lが２個あり、それぞれTGRA/TGRBとTGRC/TGRDの設定を行います。ここではTGRA/TGRBの設定を行うため、TIOR0Hについて設定を行います。

TIOR0Hには、以下の意味があります。なお、インプットキャプチャ動作時の設定については表記を省略させて頂きます。

TGR0Bに関する設定

ここではTGRBがコンペアマッチしたときの出力端子の変化を設定します。

今回のPWM動作では、TCNTでのカウント値がTGRBに設定した値と一致した（コンペアマッチした）ことによって出力端子TIOC0Aを０にしたいので、「初期出力は１出力」「コンペアマッチで０出力」となる設定の０１０１にします。冒頭の出力波形の例その２を参照して下さい。

なお、「初期出力」とは、ハードウエアマニュアルに明確な記載がないので（あるかも知れませんが．．．）良くわかりません。MTUが動き出した時の一番最初の出力状態を設定するのかなと思うのですが、今回のPWM波形では、「初期出力は０出力」に設定しても動作には影響ありませんでした。あやふやですみません。おわかりの方お教えください。

TGR0Aに関する設定

ここではTGRAがコンペアマッチしたときの出力端子の変化を設定します。

今回のPWM動作では、TCNTでのカウント値がTGRAに設定した値と一致した（コンペアマッチした）ことによって出力端子TIOC0Aを１にしたいので、「初期出力は１出力」「コンペアマッチで１出力」となる設定の０１１０にします。冒頭の出力波形の例その２を参照して下さい。

ここでも初期出力を０に設定してもあまり影響ありません。

以上の設定を整理すると、以下のようになります。

TIOR0H

なので、MTU0.TIOR.BYTE.H = 0x56; 　としています。

MTUの設定の最後として、TMDR（タイマーモードレジスタ）の設定を行います。

     MTU0.TMDR.BYTE = 0xC2;        /* PWM MODE1 */

TMDRはMTUとしての動作のモードを選択する、８ビットのレジスタです。

BFB（バッファ動作Ｂ）とBFA（バッファ動作Ａ）については今回利用しませんので、別の機会にご紹介します。ＢＩＴ７，６は予約ビットで初期値１がセットされます。

MD3〜0は以下の意味があります。

今回はPWMモード１で動作させたいので、００１０とします。

以上の設定を整理すると、TMDRは以下のようになります。

なので、MTU0.TMDR.BYTE = 0xC2;　とします。

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■MTU0チャンネルの設定その１

次に、MTU0チャンネルのTIOC0C出力端子用のPWM設定を行います。

/* MTU0 TIOC0C PWM MODE 1 設定 */
     MTU0.TGRC = 8948;               /* 周期2.23uS x 8948 = 20mS */
     MTU0.TGRD = 807;                 /* パルス幅2.23uS x 807 = 1.8mS */
     MTU0.TIOR.BYTE.L = 0x56;      /* TCR0D → 0 , TGR0C → 1 */

今まではTGRAとTGRBのジェネラルレジスタについての動作を設定してきましたが、ここではTGRCとTGRDについての動作を設定して、TIOC0C出力端子からのPWM波形を決定させます。

ただし、すでにTCR（タイマーコントロールレジスタ）とTMDR(タイマーモードレジスタ）の設定は済んでいるので、その環境のもとでTGRCとTGRDの設定を行うだけです。ここでは細かな解説は省略します。前項までの解説をご参照ください。

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■MTU1〜4チャンネルの設定

次に、残りのMTUチャンネル(1〜4）についての設定を行っていますが、基本的にはチャンネル０と一緒なので省略させて頂きます。ただし、チャンネルによって機能に若干の違いがあるため、レジスタで設定できる項目などもちょっと違ったりします。特に、MTU0,3,4とMTU1,2に違いがあります。

詳しくは「ＳＨ７０４０シリーズハードウエアマニュアル」を紐解いてみてください。

ひとつだけ．．．重要。

     PWM.TOER.BIT.OE4A = 1;    /* TIOC4A OUTPUT ENABLE */

    PWM.TOER.BIT.OE4C = 1;   /* TIOC4C OUTPUT ENABLE */

MTU4チャンネルの出力TIOC4AとTIOC4Cは、そのままだと信号が出力されません。TOER(タイマアウトプットマスタイネーブルレジスタ）に、出力許可の指定をする必要があります。

TOERの意味は以下の通りです。

それぞれのビット名称の「OE」を「TIOC」に置き換えた出力端子について、許可したい出力に相当するビットに１を立てます。これをしないと、正しくPWM波形が出力されないので注意してください。

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■カウントスタート

一連の設定が終わったら、カウントをスタートさせてPWM波形を出力させてみます。

/* TCNT0,1,2,3,4 START */
     MTU.TSTR.BIT.CST0 = 1;   /* TCNT0 START */
     MTU.TSTR.BIT.CST1 = 1;   /* TCNT1 START */
     MTU.TSTR.BIT.CST2 = 1;   /* TCNT2 START */
     MTU.TSTR.BIT.CST3 = 1;   /* TCNT3 START */
     MTU.TSTR.BIT.CST4 = 1;   /* TCNT4 START */

タイマーのカウントをスタートさせるには、TSTR(タイマースタートレジスタ）の中のチャンネルに相当するビットに１を立てます。

TSTRには以下の意味があります。

CST4〜CST0が、それぞれMTU4〜0チャンネルのTCNT（タイマーカウンタ）に相当します。なので、上記ソースコードのようにビットごとに１をセットしても、MTU.TSTR.BYTE = 0xC7; とバイト単位で書き込みを行ってもかまいません。

これで、各出力端子からPWM波形が発生します。

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■メイン関数 main( )

今回の例では、メイン関数では何もしていません。手抜きですみません。

int main(void){

     while(1){
          /* とりあえず、なにもしない */
     }
     return 0;
}

boot関数内で設定したイニシャル処理にしたがって、固定の周期/パルス幅でPWM波形を出力し続けます。なので、メイン関数内で、各MTUのTGRBもしくはTGRDを書き換える処理を行えば、PWM波形のパルス幅を制御することができ、サーボモータの首振りをコントロールできます。

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２１３−３．TGRA,BとTGRC,Dの関係について補足

MTU０，３，４チャンネルについてはPWMモード１の場合、TGRAとTGRB、TGRCとTGRDの２ペアを使ってPWM波形をそれぞれ２チャンネルずつ出力させることができます。このとき、タイマー動作の基本となるTCNT（タイマーカウンタ）と、そのカウンタクリア要因については各MTUにひとつしかないため、２ペアの波形出力で共用することになります。

したがって、MTU0チャンネルを例にとると、TIOC0A出力とTIOC0C出力のPWM周期は個別に設定できず共通のものとなります。両出力で個別に設定できるのはパルス幅のみです。

今回のプログラムpwmtest1.cでは、TGRAとTGRCを両出力の周期を決定させるものとして、同じ値に設定して動作させましたが、これらのレジスタの値を違う数値に設定すると、以下のような動作となります。

左図は、カウンタクリア要因をTGRAのコンペアマッチに設定した場合の例です。 TIOCAはTGRAとTGRBのペアによって決定させる出力波形で、標準的な動作です。このとき、TGRCをTGRAよりも小さな値とした場合、TGRCとTGRDのペアによって出力されるTIOCCのパルス幅については、TGRDで設定した値よりも大きくなります。 逆に、TGRCをTGRAよりも大きな値にすると、TGRCによるコンペアマッチが発生しなくなるため、TIOCCからはPWM波形が出力されなくなります。

上記のように、同じMTUチャンネル内でのPWM波形出力は完全に独立したものではないため、注意が必要です。単純に多チャンネルのPWM波形が必要な場合は、TGRAとTGRCを同じ値に設定しておく必要があります。

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今回もダラダラとして説明になってしまい、すみませんでした。m(_ _;m

PWM動作の設定で一番よく分からないところは、TIOR(タイマI/Oコントロールレジスタ）をどうしたら良いかというところではないでしょうか？ハードウエアマニュアルにも、あまり細かな説明が載っていないので、とりあえず色々試してみて動作を掴むといった感じでしたが、TIORの設定がうまく行ってないと、きちんとした波形が出力されないので重要です。それ以外では特に難しい点はないと思います。

今回のモード１の動作では各MTUが独立で動作し、必ず２個のTGRがペアになってPWM波形を決定させるというものでしたが、モード２では複数のMTUのTCNTが、あるひとつのTGRをカウンタクリア要因とすることによって、もっと多くのPWM波形を出力させることが可能となっています。

次回はそのモード２でのPWM動作についてご紹介します。

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