Генератор переменного тока на arduino

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Синусоидальный инвертор на Arduino своими руками

Вы, вероятно, знакомы с широтно-импульсной модуляцией, широко известной как ШИМ. При этом Arduino или другой микроконтроллер выдает сигнал в течение короткого повторяющегося промежутка времени, который во многих случаях может заменить аналоговый выход. На основе ШИМ можно реализовать концепцию под названием синусоидальная широтно-импульсная модуляция для создания силового инвертора

В данном проекте синусоидально изменяющиеся значения длительности импульса генерируются платой Arduino, которая воспроизводит одну сторону переменного сигнала. Затем добавляется второй инвертированный сигнал, представляющий собой ту же волну, которая начинается, когда положительный сигнал выключается. Когда оба сигнала прикладываются к полевым МОП-транзистоам к трансформатору и конденсатору, это позволяет получить что-то очень похожее на переменный ток.

Итак, в случае с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией ширина сигнала увеличивается и уменьшается, и это моделирует кривую синусоидальной волны. При импульсе малой ширины выходной сигнал будет немного увеличиваться, и это будет представлять зону после пересечения 0 синусоидальной волны. Затем с большей шириной выходной сигнал становится все больше и больше, а затем начинает снижаться, как синусоида. При использовании двух сигналов мы можем получить как положительные, так и отрицательные стороны синусоиды.

На рисунке ниже мы можем немного лучше увидеть, как ширина синусоидальной широтно-импульсной модуляции может создать хорошую синусоидальную форму на выходе. И это именно то, что необходимо для инвертора. Мы будем использовать Arduino для генерации этого сигнала на частоте 50 Гц, как обычного сигнала переменного тока из розетки дома. Мы применяем этот сигнал к драйверу, а затем к полевым МОП-транзисторам. Они будут подключены к трансформатору, который будет увеличивать напряжение, а также создавать синусоидальный сигнал.

Схема подключения следующая:

Питание подается на трансформатор, который имеет двойной вход катушки и один выход катушки. Таким образом, мы можем создавать положительные и отрицательные части волны.

Так как мы можем создать сигнал синусоидальной широтно-импульсной модуляции? Что касается Arduino, то в коде мы реализуем два выхода для ШИМ, устанавливая регистры TCCR1B и TCCR1A. Теперь нам нужно изменить ширину этого сигнала, изменив значение OCR1A. Но какие значения нам нужно использовать? Приведенные вначале кода значения не являются случайными, они должны следовать кривой синусоиды. Таким образом, зная диапазон минимума и максимума сигнала ШИМ, мы могли бы создать значения синусоиды от 0 до 180 градусов. Мы храним эти значения в векторе.

В коде присутствует пустой бесконечный цикл, поскольку в прерывании ISR есть все, что мы должны сделать для генерации сигналов. Здесь мы меняем ширину ШИМ для обоих выводов. Изменяя скорость в ISR, мы меняем частоту выходного сигнала, в данном случае реализуем сигнал 50 Гц. Вот код синусоедального инвертора на Arduino.

Источник

Функциональный генератор сигналов с регулируемой частотой на Ардуино с дисплеем 1602. Схема и описание

в Ардуино 0 7,661 Просмотров

Это простой функциональный генератор с регулируемой частотой работает в диапазоне звуковых частот. Он может быть полезен для тестирования усилителей, экспериментов в области цифровой обработки сигналов и в лабораториях электроники.

Авторский прототип представлен на следующем рисунке:

Принципиальная схема функционального генератора

Схема содержит плату Ardunio Uno (Board1), ЖК-дисплей 1602 (LCD1), два потенциометра по 10 кОм (VR1, VR2) и несколько дополнительных компонентов.

Потенциометр VR1, подключенный к контакту 3 LCD1, используется для управления контрастностью LCD1. Потенциометр VR2, подключенный к выводу A0 аналогового входа платы Arduino Uno, используется для настройки периода времени выходных сигналов (частоты).

В качестве выходов использованы контакты 3, 9 и 10 платы Arduino:

  • контакт 3 — для прямоугольной волны
  • контакт 9 — для синусоидальной волны
  • контакт 10 — для пилообразной волны

Сигналы с выводов 9 и 10 фактически являются широтно-импульсными модулированными (ШИМ) сигналами, несущими аналоговые сигналы. Необходимая форма сигнала получаются с помощью простой схемы резистивно-конденсаторного фильтра. Прямоугольный сигнал на выводе 3 снимается без фильтра.

Эти формы сигналов синтезируются с использованием функций управления прерыванием Timer0 и Compare-Match микроконтроллера Arduino (ATmega328). Таймер1 ATmega328 запрограммирован на частоту 10 кГц для генерации выходных сигналов ШИМ.

Переключатель S2, подключенный к контакту 8 платы Board1, используется для изменения частотного диапазона. В программе предусмотрено два частотных диапазона: от 30 до 250 Гц и от 250 до 2500 Гц для покрытия среднего диапазона звуковых частот. Эти сигналы от CON2 до CON4 можно просмотреть на осциллографе.

Скетч функционального генератора

Программа должна быть загружена в Ардуино с помощью программного обеспечения Arduino IDE. С USB-кабелем, подключенным между Arduino и ПК, значение частоты можно посмотреть на дисплее LCD1, а на последовательном плоттере в Arduino IDE посмотреть форму сигнала.

Переключатель S1, подключенный к контакту 2 платы Board1, используется для переключения отображения между LCD1 и последовательным плоттером в Arduino IDE. Если контакт 2 заземлен, осциллограммы (синусоидальный, квадратный и пилообразный сигнал) можно просматривать на последовательном плоттере, как на цифровом осциллографе:

Каждая форма сигнала имеет величину около 5 В. Таким образом, синусоидальная волна изменяется от 0 до 5 В и не переходит в отрицательную.

Подключения LCD1 выполняются на печатной плате с помощью 16-контактной гребенки. Резистор на 470 Ом (R1), подключенный к выводу 15, используется для подсветки LCD1. Питание для ЖК-дисплея берется с контактов 5В и Gnd платы Arduino.

USB-кабель используется для подключения Arduino к ПК или ноутбуку. После загрузки программы плату Arduino и LCD1 можно запитать от адаптера / аккумулятора напряжением 9 вольт.

Строительство и испытания

Компоновка печатной платы (см. плата своими руками) генератора частоты и расположение его компонентов показано на следующем рисунке:

После сборки схемы на печатной плате загрузите исходный код на плату Arduino. Отсоедините плату от компьютера и подключите ее к источнику питания 9 В через разъем CON1.

Вы можете просмотреть сгенерированное значение частоты на ЖК-дисплее, разомкнув переключатель S1, или проверить различные формы сигналов на последовательном плоттере, замкнув S1.

Источник

Очень простой генератор из ардуины.

ТехнарьКто

Иногда бывает нужно подать сигнал определённой частоты, а специального устройства под рукой нету. Благодаря появлению микроконтроллеров теперь можно при необходимости хоть на коленке в поле сделать генератор. Вот скетч для генератора с регулируемой частотой, пользуюсь давно и успешно.

Генератор частоты от 1 Гц до 8 000 000 Гц. Вырабатывает однополярный меандр со скважность 2. По русски это значит длительность импульса и длительность паузы между импульсами равны, а сигнал имеет прямоугольную форму.

Вопрос: Что такое генератор?
Ответ: Это устройство которое преобразует энергию источника питания в энергию выходных электрических импульсов заданной частоты и формы.

Вопрос: А мне то это зачем?
Ответ: Очень хороший вопрос, ответ на который Вы вряд ли найдете в интернете. Вы сможете проверить работоспособность усилителя. Проверить диапазон воспроизводимых усилителем частот. Проверить целостность динамика, даже без усилителя с помощью только этого генератора. Найти обрыв силового провода в проводке, обрыв телефонного провода, обрыв в электропроводке автомобиля. Правда кроме генератора нужен будет еще и детектор сигнала. Для поиска обрыва проводки генератор присоединяют к исследуемой линии, а частота генератора лежит в пределах килогерца. Поиск производится детектором. По резкому уменьшения громкости звука, определяется место разрыва. Генератор позволит проверить работу микропроцессора ардуины или PIC контроллера при использовании его как тактового. Можно сделать звуковую сирену с тональностью сигнала который Вам нравиться. Сделать передатчик с использованием генератора в качестве задающего несущую частоту. Настроить фильтр низкой частоты, настроить фильтр высокой частоты, настроить режекторный фильтр. Фильтры используют в цветомузыке, в каскадах радиоприемников, в импульсной технике для защиты от помех, для очистки информационного сигнала от сопутствующих работе помех. Подать сигнал низкой частоты на устройства работающие на шине I2C и посмотреть обмен информации хоть с помощью вольтметра. С помощью генератора можно измерять индуктивность и емкость с очень высокой точностью. Да и вообще сейчас трудно назвать современное электронное устройство в котором нет генератора и для быстрой проверки работы устройства не требовался бы внешний генератор, хотя бы такой. Кроме этого при использовании генератора показывающего все знаки неизменно возникнет вопрос, почему во всех генераторах частота немного отличается. Поэтому этот генератор позволит заинтересоваться вопросом точности и что же такое ppm, ppb зачем и когда это нужно.

Подначка: Да я программу генератора на компьютере запущу. Че мне заморачиватся.
Ответ: Программы генераторов на компьютере для звуковых карт ограничены звуковой частотой. Мне будет очень любопытно узнать, как вы с генерируете сигнал хотя бы в мегагерц 1 000 000 Гц с помощью звуковой карты. С помощью этого генератора — легко.

Теперь Вы знаете зачем нужен генератор. Практические примеры использования выходят за рамки данного сообщения. Здесь только про создание самого генератора.

Итак схема.

Я же обещал очень простой генератор

На выход сигнала можно смело цеплять динамик для проверки его работоспособности. Без конденсатора можно сразу подавать сигнал на микроконтроллеры и электронные схемы у которых 5V питание.

Из терминала послать требуемую частоту в герцах. Только цифру. В ответ в терминал будет выведена частота в герцах, а на выходе генератора появиться сигнал с частотой как в терминале.
Пример для частоты 200 кГц. В терминале набирал 200000

Пример для частоты 8 мегагерц. В терминале набирал 8000000

Меандр кривой из за малого частотного диапазона осциллографа. Но это совершенно другой вопрос.

Надо понимать, что выводимая в терминале частота будет отличаться от реальной. Выводимая в терминале частота была бы при идеальном кварце работающем точно на частоте 16 000 000 Гц. У ардуин такого не бывает. Если кому интересно, то могу написать о кварцевых резонаторах. Для понимания, почему в ардуино не бывает точных кварцев.

PS Поскольку в целом я далек от программирования но весьма не плохой электроник, вынужденный современностью разбираться в коде разных программ, то по большей части использую приборы которые кто то уже делал. Зачастую модифицирую, иногда и очень сильно, под свои потребности и использую. При этом считаю, что соблюдение авторства все равно должно быть. Код обычно беру из общедоступных источников, когда авторы сами выложили для использования другими. Поскольку найти конструкции бывает затруднительно, а при повторении конструкций бывают малопонятные особенности, о которых Вы можете и не найти информации, то считаю, что выложить и подробно описать для чего это надо и как заставить работать ту или иную конструкцию — это нормально.

Источник

Генерирование и чтение сигналов

Начнём с самого простого: генерация импульса заданной длины, такое часто бывает нужно. Проще всего сделать это на delay() и delayMicroseconds() :

Нужно помнить, что digitalWrite() сам по себе выполняется в районе 3.6 мкс (58 тактов процессора). Для ускорения можно использовать например библиотеку directIO или прямую работу с регистрами портов.

Генерирование квадратного сигнала

Программное

Квадратный сигнал может быть использован для тактирования и управления, а также для генерации звука через усилитель. Самый базовый пример, Blink, по сути тоже является генератором квадратного сигнала:

Если заменить 1000 например на 10 , то получится квадратный сигнал с частотой 50 Гц. Этот способ называется программной генерацией сигнала, то есть микроконтроллер своими силами считает время и сам вручную дёргает ногой. Это как мешает работе остального кода, так и остальной код может сбивать частоту. Такую генерацию можно сделать более мене асинхронной на миллисе:

На практике такой способ используется редко, потому что на высокой частоте остальной код программы будет мешать генерации и частота будет плавать.

Функция tone()

В ядре Arduino есть встроенная функция для полуаппаратной генерации квадратного сигнала – tone(pin, frequency, duration) :

  • pin – цифровой пин, с которого будет генерироваться сигнал.
  • frequency – частота в Герцах. Диапазон 31.. 65’535 Гц
  • duration – продолжительность сигнала в миллисекундах. Опциональный параметр, если не указывать – сигнал будет генерироваться без остановки.

Для ручной остановки генерации сигнала можно вызвать noTone() . Также у генерации при помощи tone() есть особенности:

  • Генерация является полуаппаратной: пин дёргается МК “вручную” по прерыванию таймера, что на высокой частоте может чуть тормозить код.
  • Генерация использует Timer 2, перенастройка или использование его для других целей (включая ШИМ на пинах D3 и D11 у Nano) отключит активную генерацию или изменит её частоту.
    • При вызове tone() таймер перенастраивается на генерацию, то есть можно использовать таймер в своих целях между вызовами tone() .
  • Генерация работает только на одном пине в один момент времени, причём для включения генерации на другом пине нужно сначала отключить текущую генерацию, то есть вызвать noTone() .

ШИМ сигнал

Аппаратный таймер позволяет генерировать квадратный сигнал аппаратно и полностью асинхронно работе остального кода, не тратя ни такта процессорного времени: время считается самим таймером, и сам же таймер управляет состоянием ноги МК. Для генерации ШИМ сигнала в среде Arduino есть функция analogWrite(pin, duty) , подробнее мы говорили в ней в уроке про ШИМ. Чтобы сделать ШИМ квадратным, нужно запустить его с duty , равной 128 . Что касается частоты полученного сигнала, то Ардуино настраивает таймеры так, что частота в зависимости от таймера может быть 490 или 980 Гц. Частоту можно изменить с довольно большим шагом, об этом мы говорили в уроке про увеличение частоты ШИМ.

Аппаратный таймер

Можно вручную настроить аппаратный таймер на генерацию квадратного сигнала. Тонкости настройки регистров таймера мы в рамках этих уроков не разбираем, но это можно сделать и при помощи библиотеки, например GyverTimers. Работу библиотеки мы разбирали в уроке о прерываниях таймера. Данная библиотека позволяет настроить генерацию квадратного сигнала с максимально возможной точностью и частотой, а также поднять на одном таймере генерацию двух или трёх (Arduino MEGA) меандров со смещением по фазе. Пример:

ШИМ сигнал

Аппаратный

Для генерации ШИМ сигнала с заданным заполнением есть стандартная функция analogWrite(pin, duty) , подробнее обсуждали в уроке про ШИМ сигнал, а частоту можно изменить перенастройкой таймера, как в уроке об увеличении частоты ШИМ. На самом деле таймеры позволяют настроить ШИМ сигнал с более точной или более высокой частотой и другими диапазонами заполнения (до 10 бит), но в ядре Arduino это не предусмотрено. Если такое будет нужно, можно воспользоваться библиотекой GyverPWM. Пример:

Программный ШИМ

Программная генерация ШИМ сигнала может пригодиться, если не хватает лишнего таймера или частота ШИМ низкая и не повлияет на остальной код, а он на неё. ШИМ сигнал на “миллисе” можно организовать вот таким образом, переключая выход по двум периодам:

Функцию PWMgen(заполнение) в данной реализации нужно вызывать как можно чаще в основном цикле программы:

Здесь мы на каждом вызове считаем новый период переключения, тратя на это какое-то время. Можно считать период в отдельной функции, а сам ШИМ генерировать отдельно. Реализацию можно посмотреть в библиотеке PWMrelay.

Полуаппаратный ШИМ

Можно снизить нагрузку на процессор, отдав счёт времени аппаратному таймеру. Примеры на базе GyverTimers (для ATmega328, 2560):

Как известно, digitalWrite() является очень тяжёлой и долгой функцией, и для генерации софт ШИМ рекомендуется заменить её чем-то более быстрым, например прямым обращением к регистру или вот такой конструкцией (для ATmega328p):

Если не хватает количества стандартных ШИМ-выходов, можно поднять полуаппаратный ШИМ на таймере на несколько пинов сразу:

Этот алгоритм является не самым оптимальным, более интересный можно посмотреть в GyverHacks.

Примечание: во всех трёх алгоритмах используется проверка совпадения со счётчиком counter == pwm_duty . Это сильно снижает использование процессорного времени в прерывании, но при резком уменьшении заполнения может приводить к одиночным “вспышкам” заполнения до максимума, так как условие не выполнится. Для более плавной работы можно сделать counter >= pwm_duty , тогда условие будет каждый раз “подстраиваться” под новое значение заполнения, но установка пина будет осуществляться на каждом тике!

Можно ввести буферизацию заполнения ШИМ и брать новое значение только при нулевом значении счётчика, это решит проблему:

Можно применить буферизацию и к остальным алгоритмам.

Библиотека Servo

Как известно, RC сервоприводы управляются при помощи ШИМ сигнала с частотой

50 Гц и длительностью импульса от

2500 микросекунд. В стандартной библиотеке Servo.h реализована генерация полуаппаратного ШИМ сигнала, причём количество пинов можно менять во время работы. Библиотеку можно использовать как генерацию ШИМ, если его параметры подходят для использования.

Чтение сигналов

Чтение цифрового сигнала сводится к измерению времени между его импульсами, то есть изменениями состояния HIGH-LOW: так можно измерить период и частоту квадратного сигнала, заполнение и частоту ШИМ и вообще любой другой сигнал.

Функция pulseIn()

В ядре Ардуино есть готовые функции для измерения импульсов:

    pulseIn(pin, value, timeout) – для импульсов от 10 мкс до

3 минут, работает на счёте тактов процессора, лучше работает при отключенных прерываниях, более точно измеряет короткие импульсы.
pulseInLong(pin, value, timeout) – для импульсов от 10 мкс до

3 минут, основано на micros() (т.е. на Таймере 0), не работает при отключенных прерываниях, более точно измеряет длинные импульсы.

Измеренная мной точность на коротких импульсах: 0.5 мкс

Обе функции возвращают длину импульса в микросекундах. Возвращают 0, если импульса не было и был достигнут тайм-аут. Обе функции блокирующие, то есть останавливают выполнение кода, пока не поймают импульс или не завершатся по тайм-ауту. Аргументы:

  • pin – цифровой пин (GPIO), на котором ожидается импульс.
  • value – направление импульса, HIGH или LOW .
  • timeout – тайм-аут ожидания импульса в микросекундах. Необязательный параметр, по умолчанию равен 1’000’000 мкс (1 секунда).

Как это работает: пусть мы настроили импульс на HIGH , функция будет ожидать изменение значения с LOW на HIGH . Если скачок с LOW на HIGH не произошёл за время, установленное тайм-аутом, функция завершит выполнение и вернёт 0.

Для превращения длины импульса (мкс) в частоту (Гц) достаточно поделить на него секунду (точнее, 1’000’000 мкс).

Измеряем сигналы вручную

Квадратный сигнал можно “измерить” вот таким образом:

Таким образом можно сделать измеритель частоты или тахометр, но лучше не выводить в сериал каждый фронт (нагружает процессор и тормозит), а считать импульсы и иногда измерять частоту (см. следующий пример).

Считаем импульсы и иногда делаем расчёт:

Также рассмотрим измерение параметров ШИМ сигнала, например на прерываниях и micros() :

Библиотека тахометра

Также предлагаю использовать класс тахометра, оформленный в виде библиотеки. Скачать можно с гитхаб. Также прикладываю здесь:

“Запоминаем” сигнал

Также можно очень просто запомнить цифровой сигнал в Arduino для дальнейшего воспроизведения и исследования. Вот пример, который будет работать на любом пине (используется digitalRead() и micros()):

Измерение начнётся по изменению сигнала и продлится до тех пор, пока не переполнится буфер или работа не завершится по таймауту (в примере выше 1 секунда с последнего импульса). После этого в монитор порта будет выведен начальный уровень сигнала fval и тайминги каждого следующего фронта/спада (изменения). Для примера я подключил ИК приёмник и нажал кнопку на пульте:

Точность измерения должна быть около 5 мкс на AVR, так как используется тяжёлое чтение пина и микрос. Лучше переписать на прерывания по CHANGE и завести отдельный таймер, тогда точность можно повысить в сотни раз. Код не привожу, так как для разных платформ он будет разный.

Полученные данные можно использовать для анализа интерфейсов и протоколов, а также можно “воспроизвести” запись. В примере ниже я делаю это отдельным скетчем, вставив тайминги и начальное значение сигнала из лога предыдущего примера.

Для визуализации подключил дешёвый китайский логический анализатор (ссылка на али, ещё одна) на указанный пин:

Отлично! Прекрасно виден NEC протокол, его 4-х байтный пакет и код повтора.

Можно реализовать чтение пакета и его вывод в одной программе, запись дампа в EEPROM/SD для воспроизведения по кнопке и прочих сценариев работы, получив дубликатор цифрового сигнала.

Источник

Генератор переменного тока на ардуино

Функциональный генератор сигналов с регулируемой частотой на Ардуино с дисплеем 1602. Схема и описание

в Ардуино 0 7,662 Просмотров

Это простой функциональный генератор с регулируемой частотой работает в диапазоне звуковых частот. Он может быть полезен для тестирования усилителей, экспериментов в области цифровой обработки сигналов и в лабораториях электроники.

Авторский прототип представлен на следующем рисунке:

Принципиальная схема функционального генератора

Схема содержит плату Ardunio Uno (Board1), ЖК-дисплей 1602 (LCD1), два потенциометра по 10 кОм (VR1, VR2) и несколько дополнительных компонентов.

Потенциометр VR1, подключенный к контакту 3 LCD1, используется для управления контрастностью LCD1. Потенциометр VR2, подключенный к выводу A0 аналогового входа платы Arduino Uno, используется для настройки периода времени выходных сигналов (частоты).

В качестве выходов использованы контакты 3, 9 и 10 платы Arduino:

  • контакт 3 — для прямоугольной волны
  • контакт 9 — для синусоидальной волны
  • контакт 10 — для пилообразной волны

Сигналы с выводов 9 и 10 фактически являются широтно-импульсными модулированными (ШИМ) сигналами, несущими аналоговые сигналы. Необходимая форма сигнала получаются с помощью простой схемы резистивно-конденсаторного фильтра. Прямоугольный сигнал на выводе 3 снимается без фильтра.

Эти формы сигналов синтезируются с использованием функций управления прерыванием Timer0 и Compare-Match микроконтроллера Arduino (ATmega328). Таймер1 ATmega328 запрограммирован на частоту 10 кГц для генерации выходных сигналов ШИМ.

Переключатель S2, подключенный к контакту 8 платы Board1, используется для изменения частотного диапазона. В программе предусмотрено два частотных диапазона: от 30 до 250 Гц и от 250 до 2500 Гц для покрытия среднего диапазона звуковых частот. Эти сигналы от CON2 до CON4 можно просмотреть на осциллографе.

Скетч функционального генератора

Программа должна быть загружена в Ардуино с помощью программного обеспечения Arduino IDE. С USB-кабелем, подключенным между Arduino и ПК, значение частоты можно посмотреть на дисплее LCD1, а на последовательном плоттере в Arduino IDE посмотреть форму сигнала.

Переключатель S1, подключенный к контакту 2 платы Board1, используется для переключения отображения между LCD1 и последовательным плоттером в Arduino IDE. Если контакт 2 заземлен, осциллограммы (синусоидальный, квадратный и пилообразный сигнал) можно просматривать на последовательном плоттере, как на цифровом осциллографе:

Каждая форма сигнала имеет величину около 5 В. Таким образом, синусоидальная волна изменяется от 0 до 5 В и не переходит в отрицательную.

Подключения LCD1 выполняются на печатной плате с помощью 16-контактной гребенки. Резистор на 470 Ом (R1), подключенный к выводу 15, используется для подсветки LCD1. Питание для ЖК-дисплея берется с контактов 5В и Gnd платы Arduino.

USB-кабель используется для подключения Arduino к ПК или ноутбуку. После загрузки программы плату Arduino и LCD1 можно запитать от адаптера / аккумулятора напряжением 9 вольт.

Строительство и испытания

Компоновка печатной платы (см. плата своими руками) генератора частоты и расположение его компонентов показано на следующем рисунке:

После сборки схемы на печатной плате загрузите исходный код на плату Arduino. Отсоедините плату от компьютера и подключите ее к источнику питания 9 В через разъем CON1.

Вы можете просмотреть сгенерированное значение частоты на ЖК-дисплее, разомкнув переключатель S1, или проверить различные формы сигналов на последовательном плоттере, замкнув S1.

Источник

Генерирование и чтение сигналов

Начнём с самого простого: генерация импульса заданной длины, такое часто бывает нужно. Проще всего сделать это на delay() и delayMicroseconds() :

Нужно помнить, что digitalWrite() сам по себе выполняется в районе 3.6 мкс (58 тактов процессора). Для ускорения можно использовать например библиотеку directIO или прямую работу с регистрами портов.

Генерирование квадратного сигнала

Программное

Квадратный сигнал может быть использован для тактирования и управления, а также для генерации звука через усилитель. Самый базовый пример, Blink, по сути тоже является генератором квадратного сигнала:

Если заменить 1000 например на 10 , то получится квадратный сигнал с частотой 50 Гц. Этот способ называется программной генерацией сигнала, то есть микроконтроллер своими силами считает время и сам вручную дёргает ногой. Это как мешает работе остального кода, так и остальной код может сбивать частоту. Такую генерацию можно сделать более мене асинхронной на миллисе:

На практике такой способ используется редко, потому что на высокой частоте остальной код программы будет мешать генерации и частота будет плавать.

Функция tone()

В ядре Arduino есть встроенная функция для полуаппаратной генерации квадратного сигнала – tone(pin, frequency, duration) :

  • pin – цифровой пин, с которого будет генерироваться сигнал.
  • frequency – частота в Герцах. Диапазон 31.. 65’535 Гц
  • duration – продолжительность сигнала в миллисекундах. Опциональный параметр, если не указывать – сигнал будет генерироваться без остановки.

Для ручной остановки генерации сигнала можно вызвать noTone() . Также у генерации при помощи tone() есть особенности:

  • Генерация является полуаппаратной: пин дёргается МК “вручную” по прерыванию таймера, что на высокой частоте может чуть тормозить код.
  • Генерация использует Timer 2, перенастройка или использование его для других целей (включая ШИМ на пинах D3 и D11 у Nano) отключит активную генерацию или изменит её частоту.
    • При вызове tone() таймер перенастраивается на генерацию, то есть можно использовать таймер в своих целях между вызовами tone() .
  • Генерация работает только на одном пине в один момент времени, причём для включения генерации на другом пине нужно сначала отключить текущую генерацию, то есть вызвать noTone() .

ШИМ сигнал

Аппаратный таймер позволяет генерировать квадратный сигнал аппаратно и полностью асинхронно работе остального кода, не тратя ни такта процессорного времени: время считается самим таймером, и сам же таймер управляет состоянием ноги МК. Для генерации ШИМ сигнала в среде Arduino есть функция analogWrite(pin, duty) , подробнее мы говорили в ней в уроке про ШИМ. Чтобы сделать ШИМ квадратным, нужно запустить его с duty , равной 128 . Что касается частоты полученного сигнала, то Ардуино настраивает таймеры так, что частота в зависимости от таймера может быть 490 или 980 Гц. Частоту можно изменить с довольно большим шагом, об этом мы говорили в уроке про увеличение частоты ШИМ.

Аппаратный таймер

Можно вручную настроить аппаратный таймер на генерацию квадратного сигнала. Тонкости настройки регистров таймера мы в рамках этих уроков не разбираем, но это можно сделать и при помощи библиотеки, например GyverTimers. Работу библиотеки мы разбирали в уроке о прерываниях таймера. Данная библиотека позволяет настроить генерацию квадратного сигнала с максимально возможной точностью и частотой, а также поднять на одном таймере генерацию двух или трёх (Arduino MEGA) меандров со смещением по фазе. Пример:

ШИМ сигнал

Аппаратный

Для генерации ШИМ сигнала с заданным заполнением есть стандартная функция analogWrite(pin, duty) , подробнее обсуждали в уроке про ШИМ сигнал, а частоту можно изменить перенастройкой таймера, как в уроке об увеличении частоты ШИМ. На самом деле таймеры позволяют настроить ШИМ сигнал с более точной или более высокой частотой и другими диапазонами заполнения (до 10 бит), но в ядре Arduino это не предусмотрено. Если такое будет нужно, можно воспользоваться библиотекой GyverPWM. Пример:

Программный ШИМ

Программная генерация ШИМ сигнала может пригодиться, если не хватает лишнего таймера или частота ШИМ низкая и не повлияет на остальной код, а он на неё. ШИМ сигнал на “миллисе” можно организовать вот таким образом, переключая выход по двум периодам:

Функцию PWMgen(заполнение) в данной реализации нужно вызывать как можно чаще в основном цикле программы:

Здесь мы на каждом вызове считаем новый период переключения, тратя на это какое-то время. Можно считать период в отдельной функции, а сам ШИМ генерировать отдельно. Реализацию можно посмотреть в библиотеке PWMrelay.

Полуаппаратный ШИМ

Можно снизить нагрузку на процессор, отдав счёт времени аппаратному таймеру. Примеры на базе GyverTimers (для ATmega328, 2560):

Как известно, digitalWrite() является очень тяжёлой и долгой функцией, и для генерации софт ШИМ рекомендуется заменить её чем-то более быстрым, например прямым обращением к регистру или вот такой конструкцией (для ATmega328p):

Если не хватает количества стандартных ШИМ-выходов, можно поднять полуаппаратный ШИМ на таймере на несколько пинов сразу:

Этот алгоритм является не самым оптимальным, более интересный можно посмотреть в GyverHacks.

Примечание: во всех трёх алгоритмах используется проверка совпадения со счётчиком counter == pwm_duty . Это сильно снижает использование процессорного времени в прерывании, но при резком уменьшении заполнения может приводить к одиночным “вспышкам” заполнения до максимума, так как условие не выполнится. Для более плавной работы можно сделать counter >= pwm_duty , тогда условие будет каждый раз “подстраиваться” под новое значение заполнения, но установка пина будет осуществляться на каждом тике!

Можно ввести буферизацию заполнения ШИМ и брать новое значение только при нулевом значении счётчика, это решит проблему:

Можно применить буферизацию и к остальным алгоритмам.

Библиотека Servo

Как известно, RC сервоприводы управляются при помощи ШИМ сигнала с частотой

50 Гц и длительностью импульса от

2500 микросекунд. В стандартной библиотеке Servo.h реализована генерация полуаппаратного ШИМ сигнала, причём количество пинов можно менять во время работы. Библиотеку можно использовать как генерацию ШИМ, если его параметры подходят для использования.

Чтение сигналов

Чтение цифрового сигнала сводится к измерению времени между его импульсами, то есть изменениями состояния HIGH-LOW: так можно измерить период и частоту квадратного сигнала, заполнение и частоту ШИМ и вообще любой другой сигнал.

Функция pulseIn()

В ядре Ардуино есть готовые функции для измерения импульсов:

    pulseIn(pin, value, timeout) – для импульсов от 10 мкс до

3 минут, работает на счёте тактов процессора, лучше работает при отключенных прерываниях, более точно измеряет короткие импульсы.
pulseInLong(pin, value, timeout) – для импульсов от 10 мкс до

3 минут, основано на micros() (т.е. на Таймере 0), не работает при отключенных прерываниях, более точно измеряет длинные импульсы.

Измеренная мной точность на коротких импульсах: 0.5 мкс

Обе функции возвращают длину импульса в микросекундах. Возвращают 0, если импульса не было и был достигнут тайм-аут. Обе функции блокирующие, то есть останавливают выполнение кода, пока не поймают импульс или не завершатся по тайм-ауту. Аргументы:

  • pin – цифровой пин (GPIO), на котором ожидается импульс.
  • value – направление импульса, HIGH или LOW .
  • timeout – тайм-аут ожидания импульса в микросекундах. Необязательный параметр, по умолчанию равен 1’000’000 мкс (1 секунда).

Как это работает: пусть мы настроили импульс на HIGH , функция будет ожидать изменение значения с LOW на HIGH . Если скачок с LOW на HIGH не произошёл за время, установленное тайм-аутом, функция завершит выполнение и вернёт 0.

Для превращения длины импульса (мкс) в частоту (Гц) достаточно поделить на него секунду (точнее, 1’000’000 мкс).

Измеряем сигналы вручную

Квадратный сигнал можно “измерить” вот таким образом:

Таким образом можно сделать измеритель частоты или тахометр, но лучше не выводить в сериал каждый фронт (нагружает процессор и тормозит), а считать импульсы и иногда измерять частоту (см. следующий пример).

Считаем импульсы и иногда делаем расчёт:

Также рассмотрим измерение параметров ШИМ сигнала, например на прерываниях и micros() :

Библиотека тахометра

Также предлагаю использовать класс тахометра, оформленный в виде библиотеки. Скачать можно с гитхаб. Также прикладываю здесь:

“Запоминаем” сигнал

Также можно очень просто запомнить цифровой сигнал в Arduino для дальнейшего воспроизведения и исследования. Вот пример, который будет работать на любом пине (используется digitalRead() и micros()):

Измерение начнётся по изменению сигнала и продлится до тех пор, пока не переполнится буфер или работа не завершится по таймауту (в примере выше 1 секунда с последнего импульса). После этого в монитор порта будет выведен начальный уровень сигнала fval и тайминги каждого следующего фронта/спада (изменения). Для примера я подключил ИК приёмник и нажал кнопку на пульте:

Точность измерения должна быть около 5 мкс на AVR, так как используется тяжёлое чтение пина и микрос. Лучше переписать на прерывания по CHANGE и завести отдельный таймер, тогда точность можно повысить в сотни раз. Код не привожу, так как для разных платформ он будет разный.

Полученные данные можно использовать для анализа интерфейсов и протоколов, а также можно “воспроизвести” запись. В примере ниже я делаю это отдельным скетчем, вставив тайминги и начальное значение сигнала из лога предыдущего примера.

Для визуализации подключил дешёвый китайский логический анализатор (ссылка на али, ещё одна) на указанный пин:

Отлично! Прекрасно виден NEC протокол, его 4-х байтный пакет и код повтора.

Можно реализовать чтение пакета и его вывод в одной программе, запись дампа в EEPROM/SD для воспроизведения по кнопке и прочих сценариев работы, получив дубликатор цифрового сигнала.

Источник

Adblock
detector