Широкоимпульсная модуляция

Это три случая одного и того же ШИМ-сигнала. Обратите внимание, что период одинаков: все три сигнала достигают высокого уровня в одно и то же время, то есть их длительность (или период) одинаковы.

Если мы подадим эти сигналы на нагрузку (светодиод, двигатель или нагреватель), нагрузка получит дозу общей возможной мощности, эквивалентную рабочему циклу.

Светодиод будет излучать 50%, 75% или 25% от своей полной яркости.

Двигатель будет работать на 50%, 75% или 25% от своей полной скорости.

Нагреватель будет вырабатывать 50%, 75% или 25% своего полного тепла.

Вот и весь ШИМ.

Широтно-импульсные модуляторы в микроконтроллерах

Практически все микроконтроллеры имеют модуль ШИМ. Чаще всего микроконтроллеры поддерживают ШИМ как функцию в модуле таймера. Модули таймера обычно реализуют операции ввода и вывода. Их схема проста:

Таймеры имеют регистр, который работает как счетчик.

Этот счетчик увеличивает свое значение в каждом цикле входного тактового сигнала.

Этот тактовый сигнал может поступать из нескольких источников, например, от системных часов, и обычно имеется делитель для уменьшения частоты, если он вам нужен.

Этот свободно работающий счетчик с постоянной входной частотой обычно поступает от надежного осциллятора, выступающего в качестве эталона времени.

Таймеры имеют специальный набор регистров, называемых регистрами значений, для выполнения операций ввода и вывода. На каждый входной/выходной вывод приходится один регистр значений.

Здесь представлены 3 наиболее популярные операции ввода/вывода, реализуемые модулями таймеров:

Широтно-импульсный модулятор в FE310

FE310 нетипичен тем, что реализует ШИМ в специальном типе устройства, называемом широтно-импульсным модулятором. У него их 3 (PWM0, PWM1, PWM2), и в нем нет таймеров общего назначения с функциями захвата входа и сравнения выхода. Каждое устройство PWM способно управлять максимум 4мя каналами (0, 1, 2, 3) через назначенные пины GPIO.

Широтно-импульсный модулятор FE310 имеет несколько режимов работы, некоторые из которых накладывают определенные ограничения на генерируемые сигналы. По этой причине в данной лекции мы рассмотрим только самый гибкий режим работы, который также является наиболее распространенным случаем использования. Этот режим позволит нам выводить ШИМ-сигналы через каналы 1, 2 и 3, и активируется он установкой конфигурационного бита pwmzerocmp.

Если вы хотите узнать о других режимах работы (ШИМ с выравниванием по центру, вывод 4-го ШИМ-сигнала через канал 0, периодические прерывания и многое другое), пожалуйста, подождите, пока вы не пройдете эту главу, а затем обратитесь к руководству.

Упрощенная версия

Из-за большого количества регистров и терминов конфигурация и использование ШИМ-модуля могут быть чрезмерно сложными и запутанными. Поэтому мы рассмотрим интересующий нас конкретный случай использования с простым объяснением.

Допустим, наш счетчик настроен на счет от 0 до 6. Счетчик виден в регистре pwms.

Следующая временная диаграмма показывает поведение всех 8 возможных ШИМ-сигналов, генерируемых в канале X (1, 2 или 3). Регистры значений называются регистрами сравнения, поэтому для канала X регистр сравнения будет pwmcmpX.

Обратите внимание на следующие детали временной диаграммы:

Блок-схема ШИМ FE310

Здесь мы рассмотрим упрощенную блок-схему ШИМ-контроллера FE310. Важно знать эту схему, поскольку она поможет вам понять, почему нам нужно взаимодействовать с каждым из задействованных регистров.

Пожалуйста, обратите внимание: пусть вас не пугает аппаратное обеспечение. Оно не очень сложное, и вы в любом случае будете использовать высокоуровневые программные инструменты для управления им. Просто сядьте поудобнее и терпеливо наблюдайте. В итоге вы получите доступ к высокоуровневой библиотеке для настройки и использования всех модулей.

Для каждого ШИМ-устройства (в FE310 их 3) имеется следующая схема, которая управляет до 4 выходных выводов:

Теперь мы рассмотрим некоторые детали этой схемы.

Длинные прямоугольники с треугольником справа - это регистры конфигурации ШИМ-устройства. Все они привязаны к памяти (имеют адрес и битовое смещение), и вы можете записывать в них данные программно. Вот что они делают:

Регистры ШИМ в микроконтроллере FE310

FE310 имеет 3 устройства ШИМ, пользователю доступно до 12 выводов (9 в выбранном нами режиме работы). Как и в случае с GPIO, все регистры конфигурации упакованы в блоки, которые начинаются с соответствующего базового адреса регистра каждого устройства, как показано в таблице 88 руководства пользователя:

ncmp - количество каналов, поддерживаемых ШИМ-устройством.

cmpwidth - ширина регистров сравнения.

Каждый 32-битный конфигурационный регистр расположен по определенному смещению. Эти смещения указаны в таблице 89 руководства пользователя:

Помните, что мы можем легко вычислить адрес каждого из конфигурационных регистров ШИМ-устройства, добавив базовый адрес к смещению регистра. Например, pwmcmp1 PWM1 находится по адресу 0x10025024, а pwms - по адресу 0x10025010

Регистр конфигурации ШИМ

pwmcfg имеет множество битовых полей конфигурации, которые влияют на работу ШИМ-устройства. Они подробно описаны в таблице 91 руководства пользователя:

И снова мы сосредоточимся только на тех полях, которые влияют на желаемый режим работы:

Пины ШИМ в Red-V Thing Plus

Теперь, если мы хотим передать наши сигналы ШИМ во внешний мир, нам лучше знать, какие пины использовать. Давайте посмотрим на отображение GPIO IOF в таблице 53 руководства FE301:

Обратите внимание, что только 5 выводов имеют две альтернативные функции IOF. Кажется, что SiFive могла бы обойтись только одной функцией IOF для этого микроконтроллера. Однако большинство микроконтроллеров принадлежат к семейству, члены которого имеют больше функций ввода/вывода, чем другие, поэтому мы, возможно, рассматриваем младшего брата этого семейства.

Теперь вернитесь к схеме Red-V Thing Plus и обратите внимание, что все 12 выходов ШИМ подключены к контактам в заголовках ввода/вывода:

Помните, что для режима работы, который мы собираемся использовать, у нас есть только 9 доступных выводов ШИМ: 3 на каждое ШИМ-устройство. Выводы канала 0 недоступны для ШИМ, поскольку регистры pwmcmp0 используются для управления периодом сигналов ШИМ. Однако эти 3 вывода по-прежнему доступны для других функций.

Функции ШИМ в библиотеке Freedom Metal

Теперь, когда мы знакомы с библиотекой Freedom Metal Library, давайте рассмотрим несколько функций, которые мы будем использовать.

Допустим, мы хотим управлять яркостью светодиода, подключенного к выходу канала 1 в PWM1 (сокращенно PWM1_1).

Для генерации ШИМ-сигнала частотой 1 кГц с рабочим циклом 70% в PWM1_1 мы можем просто использовать этот код:

struct metal_pwm *pwm_1;             // Экземпляр ШИМ
pwm_1 = metal_pwm_get_device(1);     // Получение экземпляра ШИМ-устройства
metal_pwm_enable(pwm_1);             // Включить ШИМ1
metal_pwm_set_freq(pwm_1, 1, 1000);  // Установить частоту ШИМ1_1 на 1 кГц
metal_pwm_set_duty(pwm_1, 1, 70, METAL_PWM_PHASE_CORRECT_DISABLE); // Установить рабочий цикл для ШИМ1_1 
metal_pwm_trigger(pwm_1, 1, METAL_PWM_CONTINUOUS);                // Запуск в непрерывном режиме 

Код может быть уже понятен, но обратите внимание на следующие детали:

Функции ШИМ НЕ в библиотеке Freedom Metal

Вспомните, что код, который мы только что рассмотрели, будет генерировать ШИМ-сигнал с активным низким уровнем. Другими словами, рабочий цикл выходного сигнала будет составлять 30% вместо 70%. Это может быть нормально, если вы управляете нагрузкой с активным низким уровнем, но, если вам нужно инвертировать логику, вы можете просто установить бит XOR для используемого пина GPIO. В случае с PWM1_1 это будет пин 19 GPIO0.

Мы также можем использовать высокий уровень выходного сигнала, чтобы иметь возможность управлять уровнем яркости внешнего светодиода. Как и в случае с включением подтягивающих резисторов, в библиотеке Freedom Metal Library нет функций для включения или отключения высокой выходной мощности или XOR выхода для инвертирования его значения. Поэтому мы можем использовать макрофункции Red_V_enable_XOR() и Red_V_enable_DS(), приведенные ниже.

#define  Red_V_enable_DS(x)     *((uint32_t *) 0x10012014) |= (1<<(x))
#define Red_V_enable_XOR(x)     *((uint32_t *) 0x10012040) |= (1<<(x))
// Мы будем использовать PWM1_1, который использует GPIO0_19.
Red_V_enable_DS(19);  // Высокий уровень сигнала на выходе
Red_V_enable_XOR(19); // Инвертируем выход для активно-высокого ШИМ

Адреса регистров ШИМ в библиотеке Freedom Metal Library

Как и в случае с GPIO, макроопределения базового адреса и смещения регистра можно найти в файле./bsp/install/include/metal/machine/platform.h:

/* Из pwm@10015000 */
#define METAL_SIFIVE_PWM0_10015000_BASE_ADDRESS 268521472UL
#define METAL_SIFIVE_PWM0_0_BASE_ADDRESS 268521472UL
#define METAL_SIFIVE_PWM0_10015000_SIZE 4096UL
#define METAL_SIFIVE_PWM0_0_SIZE 4096UL
/* Из pwm@10025000 */
#define METAL_SIFIVE_PWM0_10025000_BASE_ADDRESS 268587008UL
#define METAL_SIFIVE_PWM0_1_BASE_ADDRESS 268587008UL
#define METAL_SIFIVE_PWM0_10025000_SIZE 4096UL
#define METAL_SIFIVE_PWM0_1_SIZE 4096UL
/* Из pwm@10035000 */
#define METAL_SIFIVE_PWM0_10035000_BASE_ADDRESS 268652544UL
#define METAL_SIFIVE_PWM0_2_BASE_ADDRESS 268652544UL
#define METAL_SIFIVE_PWM0_10035000_SIZE 4096UL
#define METAL_SIFIVE_PWM0_2_SIZE 4096UL
#define METAL_SIFIVE_PWM0
#define METAL_SIFIVE_PWM0_PWMCFG 0UL
#define METAL_SIFIVE_PWM0_PWMCOUNT 8UL
#define METAL_SIFIVE_PWM0_PWMS 16UL
#define METAL_SIFIVE_PWM0_PWMCMP0 32UL
#define METAL_SIFIVE_PWM0_PWMCMP1 36UL
#define METAL_SIFIVE_PWM0_PWMCMP2 40UL
#define METAL_SIFIVE_PWM0_PWMCMP3 44UL

Забавный факт: PWM0_0, PWM0_1 и PWM0_2 - это имена, которые библиотека присвоила PWM0, PWM1 и PWM2 соответственно.

Если вы обратитесь к таблицам 88 и 89 в руководстве FE310, то увидите, что это базовые адреса ШИМ и смещения регистров. Вот они, для вашего удобства:

Управление яркостью светодиодов

Пришло время для другого проекта.

В этой демонстрации будут использоваться те же входные переключатели, что и в демонстрации GPIO, для управления яркостью светодиода с помощью ШИМ. Теперь мы не сможем управлять яркостью встроенного светодиода, потому что он подключен к GPIO0_5, а этот вывод не поддерживает ШИМ в качестве IOF. Однако мы будем использовать бортовой светодиод для чего-то другого.

Из-за этого ограничения мы будем использовать ШИМ1_1 для управления внешним светодиодом с активным высоким уровнем. Помните, что этот выход ШИМ является IOF GPIO0_19.

Вот принципиальная схема:

Кнопка 0 уменьшит яркость на ступень, а кнопка 1 увеличит ее на ступень. Внешний светодиод имеет 11 уровней яркости, увеличивающихся с шагом в 10%, поэтому яркость будет увеличиваться от 0% до 100%.

Это контакты ввода/вывода, которые мы будем использовать для подключения кнопок и внешнего светодиода:

Здесь представлены две фотографии фактических аппаратных соединений:

Дребезг кнопки

Механические переключатели имеют неизбежный недостаток, известный как дребезг.

Название выдает его: когда вы нажимаете на кнопку, вы заставляете две металлические части соприкасаться, и это действие кажется мгновенным, но это не так. После первоначального удара кусочки металла много раз подпрыгивают, могут тереться друг о друга, а через некоторое время их контакт стабилизируется. То же самое происходит, когда вы отпускаете кнопку.

Проблема в том, что цифровая схема будет воспринимать одно нажатие кнопки как несколько (скажем, 4) нажатий. Представьте, что вы нажимаете кнопку увеличения громкости на Bluetooth-динамике один раз, но громкость увеличивается на 5 ступеней.

Как это может произойти, если отскок происходит так быстро? Ну, для нас, людей, это происходит быстро. Паразитные импульсы непостоянного переключателя происходят в течение порядка миллисекунд, но цифровая система может воспринимать изменения в течение порядка наносекунд. Это на 6 порядков быстрее! Другими словами, цифровая схема может реагировать на один миллион импульсов, когда переключатель испытывает дребезг. Мгновение для нас - это вечность для компьютера.

Наше ШИМ-приложение страдает от дребезга дважды, потому что у него 2 кнопки, и поскольку оно имеет то же входное оборудование, что и наше приложение GPIO, у этого приложения тоже есть дребезг. Однако обнаружить дребезг в нашем приложении GPIO невозможно, потому что оно использует одну кнопку для включения светодиода, а другую - для его выключения. Вы не можете включить или выключить светодиод "сильнее". В нашем приложении PWM нажатие кнопки "Яркость вниз", когда яркость светодиода составляет 50%, может привести к полному выключению светодиода. Почему? Из-за неповоротливой кнопки.

Избавление от дребезга кнопок

Существует множество подходов к развязке выключателя. Здесь представлены два наиболее популярных:

В любом случае, длительность задержки имеет решающее значение: если она будет слишком короткой, отскок все равно повлияет на вашу схему, а если она будет слишком длинной, ваша схема может стать менее отзывчивой на быстрое нажатие клавиш

Мы реализуем программное избавление от дребезга в нашем ШИМ-приложении. Встроенный светодиод будет мигать в течение периода дребезга при нажатии кнопки, как показано ниже:

while(1){
  if(Red_V_read_pin(0) == 0){      // Считываем входной пин 0
    Red_V_set_pin(5);              // Включаем светодиод
    /* Полезный код здесь */      // Реагируем на нажатие кнопки
    delay(300);                    // Избегаем дребезг
    Red_V_clear_pin(5);            // Выключаем светодиод
    while(Red_V_read_pin(0) == 0); // Ждем, пока кнопка будет отпущена
    delay(300);                    // Избегаем дребезг
  }
  else if(Red_V_read_pin(1) == 0){ // Читаем входной пин 1
    Red_V_set_pin(5);              // Включаем светодиод
    /* Полезный код здесь */    // Реагируем на нажатие кнопки
    delay(300);                    // Избегаем дребезг
    Red_V_clear_pin(5);            // Выключаем светодиод
    while(Red_V_read_pin(1) == 0); // Ждем, пока кнопка будет отпущена
    delay(300);                    // Избегаем дребезг
  }
}

Итак, функция задержки - это быстрый и грязный цикл потери времени, который работает с произвольными единицами времени. Задержка в 300 единиц, использованная выше, была выбрана экспериментально для достижения задержки около 50 миллисекунд

void delay(int t){
      volatile uint32_t x, y;
      x = t;
      while(x--){
            y = x;
            while(y--);
      }
}

Если вы чувствуете, что с этой функцией задержки что-то не так, то вы угадали. Потеря времени не будет оптимизирована из-за квалификатора volatile, поэтому она действительно будет терять время пропорционально аргументу. Однако эта техника сильно зависит от настроек компилятора, поэтому она может привести к разным задержкам для конфигураций debug и release, не говоря уже об использовании других цепочек компиляторов.

Существует множество более подходящих способов сделать функцию задержки с помощью микроконтроллера. Например, мы можем использовать таймер, такой как модуль ШИМ, или часы реального времени. На самом деле, мы видели довольно хорошую функцию задержки в проекте Blinky. Если вы хотите провести эксперимент, замените эту быструю и грязную функцию задержки на функцию из проекта Blinky, используя задержку в 50 миллисекунд (это аргумент в 50 000), и не забудьте #include <time.h>.

Чтобы узнать больше о развязывающих переключателях, вы можете прочитать эту статью от Digi-Key Electronics.

Демонстрационный код приложения для управления яркостью светодиодов

Теперь, когда мы увидели многие части кода, пришло время собрать его воедино. Вот код приложения для управления яркостью светодиодов. Если вы следите за развитием событий, создайте новый проект на основе проекта примера hello, как обычно, и скопируйте следующий код, заменив им содержимое файла hello.c.

Бесконечный цикл просто проверяет значение входных контактов (деблокированных) и соответственно увеличивает или уменьшает яркость светодиода.

Попробуйте приложение, чтобы убедиться, что оно работает правильно.

/******************************************************************************
    Red-V Thing Plus PWM_Demo,
    by Eduardo Corpe?o
    Controlling the brightness of the built-in LED with two external buttons using PWM.
    Date: June 20, 2022
    Developed using Freedom Studio v4.18.0.2021-04-1 on Windows 10
    LICENSE: This code is released under the CC BY-SA 4.0 License
    (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/) ******************************************************************************/
#include <metal/pwm.h>
#include <metal/gpio.h>
#include <stdint.h> 
// Наши собственные макросы, определенные для эффективности или потому, что 
// Freedom Metal Library не обеспечила их функциональность.
#define Red_V_enable_output(x) *((uint32_t *) 0x10012008) |= (1<<(x))
#define Red_V_set_pin(x)       *((uint32_t *) 0x1001200C) |= (1<<(x))
#define Red_V_clear_pin(x)     *((uint32_t *) 0x1001200C) = ~(1<< (x))
#define Red_V_read_pin(x)     (*((uint32_t *) 0x10012000)  (1<< (x)))
#define Red_V_enable_pullup(x) *((uint32_t *) 0x10012010) |= (1<< (x))
#define Red_V_enable_DS(x)     *((uint32_t *) 0x10012014) |= (1<< (x))
#define Red_V_enable_XOR(x)    *((uint32_t *) 0x10012040) |= (1<< (x))
// Быстрая и грязная функция задержки для экспериментального использования.
void delay(int t){
     volatile uint32_t x, y;
     x=t;
     while(x--){
           y=x;
           while(y--);
     }
}
int main (void) {
  unsigned int dc = 50;        // Рабочий цикл по умолчанию 50%
  struct metal_gpio *gpio_0;   // Экземпляр GPIO
  struct metal_pwm *pwm_1;     // Экземпляр ШИМ
  // Конфигурация GPIO для встроенного светодиода и кнопок

  gpio_0 = metal_gpio_get_device(0);     // Получение экземпляра устройства GPIO
  // Светодиод
  metal_gpio_disable_input(gpio_0, 5);   // Отключить ввод 5
  Red_V_enable_output(5);                // Включить вывод 5
  metal_gpio_disable_pinmux(gpio_0, 5);  // Отключить альтернативные функции для пина 5
  // Нажатие кнопок
  metal_gpio_enable_input(gpio_0, 0);    // Включить ввод 0
  metal_gpio_enable_input(gpio_0, 1);    // Включить ввод 1
  metal_gpio_disable_output(gpio_0, 0);  // Выключить вывод 0
  metal_gpio_disable_output(gpio_0, 1);  // Выключить вывод 1
  metal_gpio_disable_pinmux(gpio_0, 0);  // Отключить альтернативные функции для пина 0
  metal_gpio_disable_pinmux(gpio_0, 1);  // Отключить альтернативные функции для пина 1
  Red_V_enable_pullup(0);                // Включить подтягивающий резистор для пина 0
  Red_V_enable_pullup(1);                // Включить подтягивающий резистор для пина 1
  // Конфигурация ШИМ. Мы будем использовать PWM1_1, который использует GPIO0_19.
  Red_V_enable_DS(19);                   // Высокий уровень сигнала на входе
  Red_V_enable_XOR(19);                  // Инвертируем выход для активно-высокого ШИМ
  pwm_1 = metal_pwm_get_device(1);       // Получение экземпляра ШИМ-устройства
  while (pwm_1 == NULL);                 // Остановка. Что-то пошло не так.
  metal_pwm_enable(pwm_1);               // Включить ШИМ1
  metal_gpio_disable_pinmux(gpio_0, 20); // Отключить альтернативные функции для вывода 20
  metal_gpio_disable_pinmux(gpio_0, 21); // Отключить альтернативные функции для вывода 21
  metal_gpio_disable_pinmux(gpio_0, 22); // Отключить альтернативные функции для вывода 22
  metal_pwm_set_freq(pwm_1, 1, 1000);    // Установка частоты ШИМ1_1 на 1 кГц для светодиода

  metal_pwm_set_duty(pwm_1, 1, dc, METAL_PWM_PHASE_CORRECT_DISABLE); // Установить рабочий цикл для PWM1_1
  metal_pwm_trigger(pwm_1, 1, METAL_PWM_CONTINUOUS);                 // Запуск в непрерывном режиме
  while(1){
          if(Red_V_read_pin(0) == 0){    // Считываем входной пин 0
            Red_V_set_pin(5);            // Включаем светодиод
            dc = (dc>0)? dc - 10 : dc;   // Шаг 10% для яркости
            metal_pwm_set_duty(pwm_1, 1, dc, METAL_PWM_PHASE_CORRECT_DISABLE);
            delay(300);                   // Избегаем дребезг
            Red_V_clear_pin(5);           // Выключаем светодиод
            while(Red_V_read_pin(0) == 0);// Ждем, пока кнопка будет отпущена
            delay(300);                   // Избегаем дребезг
          }
          else if(Red_V_read_pin(1) == 0){ // Считываем входной пин 1
            Red_V_set_pin(5);              // Включаем светодиод
            dc = (dc<100)? dc + 10 : dc;  // Шаг 10% для яркости
            metal_pwm_set_duty(pwm_1, 1, dc, METAL_PWM_PHASE_CORRECT_DISABLE);
            delay(300);                    // Избегаем дребезг
            Red_V_clear_pin(5);            // Выключаем светодиод
            while(Red_V_read_pin(1) == 0); // Ждем, пока кнопка будет отпущена
            delay(300);                    // Избегаем дребезг
          }
  }
  return 0; // Недостижимый код возврата
}

Шаговые сервоприводы

Всеми любимый электромеханический привод - это шаговый сервопривод, также известный как радиоуправляемый сервопривод или просто RC-серво. Не такой скучный, как двигатель постоянного тока, шаговый сервопривод имеет множество применений благодаря вращательному и (как бы) линейному механическому эффекту, который он может производить в окружающей среде.

Существует множество типов сервомеханизмов. Нас интересуют аналоговые, ограниченного вращения и сервоприводы с угловым управлением. Более того, мы будем использовать наиболее часто применяемые параметры для радиоуправляемых авиамоделей. На следующем рисунке представлен ассортимент таких сервоприводов.

Шаговые сервоприводы - это не простые приводы, как соленоиды или шаговые двигатели, и не электромеханические машины, как реле. Сервоприводы - это полноценные встраиваемые устройства. Они содержат плату микроконтроллера, драйвер силового двигателя, двигатель постоянного тока, редуктор, выходной вал и потенциометр. Редуктор прикреплен к двигателю, снижая его скорость, чтобы выходной вал вращался в механически ограниченном диапазоне вращения. Этот диапазон может составлять от 90 до 270 градусов. Этот вал обычно прикреплен к потенциометру, который действует как прибор обратной связи, посылающий напряжение на микроконтроллер. Микроконтроллер реализует систему управления с замкнутым контуром, перемещая двигатель, чтобы выходной вал достиг желаемого угла.

Попробуйте определить эти части на следующем рисунке:

Желаемый угол задается пользователем через линию ввода. Мы сообщаем сервоприводу желаемый угол с помощью прямоугольного сигнала частотой 50 Гц (период 20 мс). Ширина импульса этого сигнала кодирует желаемый угол. Обычно длительность импульса 1 мс кодирует один конец вращения, а 2 мс - другой конец. Середина обычно кодируется как 1,5 мс.

Чтобы узнать больше о сервоприводах, вы можете ознакомиться с этим учебником от SparkFun Electronics.

Приложение для контроля сервопривода

Теперь мы будем управлять шаговым сервоприводом!

В этой демонстрации будет использоваться почти то же оборудование, что и в приложении яркости светодиодов, но вместо светодиода мы будем использовать сервопривод.

Вот принципиальная схема:

Кнопка 0 повернет вал сервопривода против часовой стрелки на шаг, а кнопка 1 - по часовой стрелке на шаг.

Это те же самые контакты ввода/вывода, которые мы использовали для подключения кнопок и внешнего светодиода. Просто подключите линию светодиода к линии входного сигнала сервопривода.

Здесь представлены две фотографии фактических аппаратных соединений. Пожалуйста, изучите документацию на ваш собственный сервопривод и НЕ следуйте схеме подключения сервопривода, которую вы видите на следующих фотографиях, поскольку разные сервоприводы имеют разную схему подключения.

Предупреждения о работе с сервоприводами

Среди всех устройств, используемых в данном курсе, сервопривод, безусловно, является тем, который потребляет больше всего энергии. Именно поэтому вы должны обратить особое внимание на следующие рекомендации:

Сервопривод имеет 3 провода: Питание, Сигнал и Заземление. Не существует стандарта на порядок или цветовую маркировку этих проводов, поэтому обязательно ознакомьтесь с документацией на сервопривод, чтобы сделать правильные подключения.

Вспомните рекомендации по питанию сервопривода в списке деталей:

Напряжение питания сервопривода должно соответствовать напряжению сервопривода, обычно 5 В. Вы можете подойти к этому творчески:

Код приложения для демонстрации сервопривода

В нашем приложении есть все необходимое для управления сервоприводом. Оно нуждается лишь в нескольких настройках:

Учитывая, что приложение LED требует нескольких доработок, здесь представлена модифицированная версия с использованием директив для условного включения кода (#ifdef). Макрос SERVO определяет, будет ли приложение управлять светодиодом или шаговым сервоприводом. Если вы следите за развитием событий, создайте новый проект на основе проекта-примера hello, как обычно, и скопируйте следующий код, чтобы заменить содержимое файла hello.c. Не стесняйтесь попробовать приложение, чтобы убедиться, что оно работает правильно.

/******************************************************************************
     Red-V Thing Plus PWM_Demo,
     by Eduardo Corpe?o
     Controlling the brightness of the built-in LED with two external buttons using PWM.
     Alternatively, a hobby servo can be controlled with those buttons.
     The servo must receive a 50Hz signal, with pulse widths between 1ms and 2ms.
     Date: June 20, 2022
     Developed using Freedom Studio v4.18.0.2021-04-1 on Windows 10
     LICENSE: This code is released under the CC BY-SA 4.0 License
     (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/)
******************************************************************************/
#include <metal/pwm.h>
#include <metal/gpio.h>
#include <stdint.h>
// Откомментируйте следующее определение для применения сервопривода.
// Оставьте его закомментированным для приложения яркости светодиодов.
#define SERVO
// Наши собственные макросы, определенные для эффективности или потому, что 
// Freedom Metal Library не обеспечила их функциональность.
#define Red_V_enable_output(x)  *((uint32_t *) 0x10012008) |= (1<<(x))
#define Red_V_set_pin(x)        *((uint32_t *) 0x1001200C) |= (1<<(x))
#define Red_V_clear_pin(x)      *((uint32_t *) 0x1001200C) = ~(1<<(x))
#define Red_V_read_pin(x)       (*((uint32_t *) 0x10012000)  (1<<(x)))
#define Red_V_enable_pullup(x)  *((uint32_t *) 0x10012010) |= (1<<(x))
#define Red_V_enable_DS(x)      *((uint32_t *) 0x10012014) |= (1<<(x))
#define Red_V_enable_XOR(x)     *((uint32_t *) 0x10012040) |= (1<<(x))
// Быстрая и грязная функция задержки для экспериментального использования.void delay(int t){
      volatile uint32_t x, y;
      x = t;
      while(x--){
            y=x;
            while(y--);
      }
}
int main (void) {
#ifdef SERVO
  unsigned int dc = 7;          // Примерно центральное положение сервоаривода
#else
  unsigned int dc = 50;         // Рабочий цикл по умолчанию 50%
#endif
  struct metal_gpio *gpio_0;    // Экземпляр GPIO
  struct metal_pwm *pwm_1;      // Экземпляр ШИМ
  // Конфигурация GPIO для встроенного светодиода и кнопок
  gpio_0 = metal_gpio_get_device(0);     // Получение экземпляра устройства GPIO
  // LED
  metal_gpio_disable_input(gpio_0, 5);   // Отключить ввод 5
  Red_V_enable_output(5);                // Отключить вывод 5
  metal_gpio_disable_pinmux(gpio_0, 5);  // Отключить альтернативные функции для пина 5
  // Нажатие кнопок
  metal_gpio_enable_input(gpio_0, 0);    // Включить ввод 0
  metal_gpio_enable_input(gpio_0, 1);    // Включить ввод 1
  metal_gpio_disable_output(gpio_0, 0);  // Выключить вывод 0
  metal_gpio_disable_output(gpio_0, 1);  // Выключить вывод 1
  metal_gpio_disable_pinmux(gpio_0, 0);  // Отключить альтернативные функции для пина 0
  metal_gpio_disable_pinmux(gpio_0, 1);  // Отключить альтернативные функции для пина 1
  Red_V_enable_pullup(0);                // Включить подтягивающий резистор для пина 0
  Red_V_enable_pullup(1);                // Включить подтягивающий резистор для пина 1
  // Конфигурация ШИМ. Мы будем использовать PWM1_1, который использует GPIO0_19.
#ifndef SERVO
  Red_V_enable_DS(19);  // Высокий уровень сигнала на входе
#endif
  Red_V_enable_XOR(19); // Инвертируем выход для активно-высокого ШИМ
  pwm_1 = metal_pwm_get_device(1);       // Получение экземпляра ШИМ-устройства
  while (pwm_1 == NULL);                 // Остановка. Что-то пошло не так.
  metal_pwm_enable(pwm_1);               // Включить ШИМ1
  metal_gpio_disable_pinmux(gpio_0, 20); // Отключить альтернативные функции для вывода 20
  metal_gpio_disable_pinmux(gpio_0, 21); // Отключить альтернативные функции для вывода 21
  metal_gpio_disable_pinmux(gpio_0, 22); // Отключить альтернативные функции для вывода 22  
  // Установка частоты ШИМ на 1кГц или 50Гц
#ifdef SERVO
  metal_pwm_set_freq(pwm_1, 1, 50);      // Установка частоты ШИМ1_1 на 50Гц для сервопривода
#else
  metal_pwm_set_freq(pwm_1, 1, 1000);    // Установка частоты ШИМ1_1 на 1 кГц для светодиода
#endif
  metal_pwm_set_duty(pwm_1, 1, dc, METAL_PWM_PHASE_CORRECT_DISABLE); // Установить рабочий цикл для PWM1_1
  metal_pwm_trigger(pwm_1, 1, METAL_PWM_CONTINUOUS);                 // Запуск в непрерывном режиме mode
  while(1){
          if(Red_V_read_pin(0) == 0){    // Считываем входной пин 0
            Red_V_set_pin(5);            // Включаем светодиод
  #ifdef SERVO
            dc = (dc>5)? dc - 1 : dc;    // Шаг 1% для серво
  #else
            dc = (dc>0)? dc - 10 : dc;   // Шаг 10% для яркости
  #endif
            metal_pwm_set_duty(pwm_1, 1, dc,
  METAL_PWM_PHASE_CORRECT_DISABLE);
            delay(300);                   // Избегаем дребезг
            Red_V_clear_pin(5);           // Выключаем светодиод
            while(Red_V_read_pin(0) == 0);// Ждем, пока кнопка будет отпущена
            delay(300);                   // Избегаем дребезг
          }
          else if(Red_V_read_pin(1) == 0){// Считываем входной пин 1
            Red_V_set_pin(5);             // Включаем светодиод
  #ifdef SERVO
            dc = (dc<10)? dc + 1 : dc;    // Шаг 1% для серво
  #else
            dc = (dc<100)? dc + 10 : dc;  // Шаг 10% для яркости
  #endif
            metal_pwm_set_duty(pwm_1, 1, dc, METAL_PWM_PHASE_CORRECT_DISABLE);
            delay(300);                   // Избегаем дребезг
            Red_V_clear_pin(5);           // Выключаем светодиод
            while(Red_V_read_pin(1) == 0);// Ждем, пока кнопка будет отпущена
            delay(300);                   // Избегаем дребезг
          }
   }
   return 0; // Недостижимый код возврата
}

Итоги лекции

Поздравляю! Вы наверняка узнали много нового только в этой главе. Давайте вспомним, что мы сделали в этой лекции:

Не стесняйтесь возвращаться к этому материалу, если в будущем вам понадобится подтянуть знания.