Il PWM (Pulse Widht Modulation, modulazione a larghezza d’impulso) è un sistema di modulazione ad impulsi la cui durata viene variata in funzione del segnale da trasmettere. Con questa tecnica è possibile generare dei suoni collegando un altoparlante ad un pin che venga ciclicamente azzerato ed alzato con la frequenza della nota che si vuole suonare, oppure modulare la velocità di un motore o la luminosità di un led variando il tempo in cui il pin resta alto rispetto a quello in cui resta basso (cioè il duty-cycle). La tecnica del PWM viene utilizzata nel campo dei microcontrollori per creare tramite segnali digitali (1-0 del pin) segnali analogici (un suono, una luce più o meno intensa), tuttavia si potrebbe usare anche come codifica in una linea di trasmissione, per esempio un 1-0-0 potrebbe rappresentare uno 0 ed un 1-1-0 un 1.

Nel caso in cui lo scopo sia quello di creare un segnale analogico non periodico si mette un filtro in cascata al pin; la natura di tale filtro dipende dalla frequenza con cui si svolge il PWM e dalle caratteristiche del dispositivo da controllare.

Lo schema elettrico di un mini-progetto per far variare la luminosità di un led con la tecnica del PWM. La modulazione si può variare con i 2 pulsanti collegati ai primi 2 pin della porta B. Il principio di funzionamento è semplicissimo: dato un tempo base tb e un periodo di PWM m x tb si mette a 1 un pin per un periodo n x tb e a 0 per (m-n)x tb. Di solito m è una potenza di 2 e l’esponente da dare a 2 per ottenere m rappresenta la risoluzione o il numero di bit della PWM. Ecco una possibile realizzazione:

/* PWM per luminosita' led */

#include <pic1684.h>

void aspetta(unsigned int nvol);

void inizializza();

void getkey();

void inizializza()

{

INTCON=0; /* disabilita gli IRQ */

PORTB=0;

TRISB=0xff; /* porta B: tutti i pin come input */

OPTION=0; /* abilita resistenze di pull-up sulla porta B */

TRISA=0; /* porta A: tutti i pin come output */

PORTA=0;

}

void aspetta(unsigned int nvol) /* Con una frequenza di 6.7Khz */

{ /* aspetta circa nvol x 4 ms */

unsigned int i;

unsigned int ib;

for(i=0;i!=nvol;i++) {

for (ib=0;ib!=1;ib++);

}

}

unsigned int n1,n2; /* valori di attesa per PWM */

unsigned int key; /* stato della porta B */

unsigned int key1,key2,kp1,kp2; /* variabili per filtro anti-rimbalzo */

void main() {

unsigned int dummy;

n1=8; /* PWM a 4 bit */

n2=15-n1;

key1=0;

key2=0;

kp1=0;

kp2=0;

inizializza();

do {

PORTA=0x0f; /* ciclo PWM */

aspetta(n1); /* con f.lavoro=6.7 Khz si raggiunge */

dummy=PORTB&key; /* una frequenza di PWM di 15Hz circa */

if (dummy!=0xff)

getkey();

PORTA=0;

aspetta(n2);

} while(1);

}

void getkey() { /* calibrata per funzionare con questo prg */

key=PORTB; /* ossia chiamata ogni 66ms con f=6.7Khz */

if ((key&1)==0) { /* se sembra premuto il tasto su PB0 */

if (kp1) { /* e se sembrava già premuto 66ms fa */

key1++; /* incrementa il contatore del filtro */

if (key1==15) { /* se sono 66x16 ms che il tasto sembra premuto */

key1=0; /* allora vuol dire che è effettivamente premuto */

if (n1!=0) /* e diminuisce la luce */

n1--;

else n1=15;

n2=15-n1;

}

}

else kp1=1; /* anche se non sembrava premuto 66 ms fa ora lo sembra! */

}

else { /* se non sembra premuto */

kp1=0; /* non e' premuto (non gestisce il rilascio) */

key1=0; /* resetta il contatore del filtro */

}

if ((key&2)==0) {

if (kp2) {

key2++;

if (key2==15) {

key2=0;

n1++;

n1=n1&0x0f;

n2=15-n1;

}

}

else kp2=1;

}

else {

kp2=0;

key2=0;

}

}

Chi proverà ad costruirsi questo progettino tale e quale noterà un fastidiosissimo sfarfallio alle alte luminosità e a quelle inferiori addirittura la percezione del lampeggio. Inoltre qundo si preme un tasto la luminosità auementa poiché la gestione della tastiera aumenta il tempo in cui il segnale è a livello alto. Con una frequenza di lavoro di soli 6.7 Khz non si può far molto di meglio con una PWM a 4 bit (16 livelli di luminosità): il PIC non ha un attimo libero. Si potrebbe certamente far di meglio in assembly o anche solo usando il timer per misurare il tempo e gli interrupt per la gestione dei tasti, ma difficilmente si riuscirebbe a fare un salto di un ordine di grandezza. Infatti il tempo base minimo è quello di esecuzione del ciclo di ritardo una sola volta e supponendo di averlo scritto in assembly sono almeno 2 cicli. Con una risoluzione di 4 bit il ciclo di PWM è quindi di ((2^4)x2)+14 cicli (il 10 finale è per il GOTO per ripetere il ciclo e per le impostazioni delle variabili e del pin)= 46 cicli. Con una frequenza di lavoro di 6.7Khz si arriva quindi a 145 Hz circa. Anche in assembly comunque resterebbe il problema della gestione della tastiera che sfalsa la PWM, a meno di non usare il timer per aspettare, ma allora servirebbe un tempo base di almeno 20 cicli e la frequenza massima diventerebbe di circa 20 Hz, anche se finalmente stabile e con una buona linearità (cioè segnale direttamente proporzionale al duty cycle su tutta la scala). Questo significa che il massimo a cui si può arrivare con un PIC 16x84 con quarzo da 10Mhz è circa 10Mhz/(4x20x16)=~8Khz per una buona PWM a 4 bit e circa 500 Hz per una buona PWM a 8 bit (ricordo che per conoscere la frequenza di esecuzione delle istruzioni basta dividere la frequenza di oscillazione per 4).

In effetti una PWM via software è molto onerosa e per questo molti microcontrollori hanno dispositivi che la implementano in hardware. Di solito si tratta di speciali timer con 2 registri in cui si impostano due valori di timeout; il timer viene ricaricato automaticamente una volta al raggiungimento del valore di un registro e la successiva al raggiungimento del valore dell’altro registro.

BIBLIOGRAFIA:

S. Congiu, "Calcolatori Elettronici", Pàtron editore, 1995

Stan D’Souza, Microchip Application Note 529: Multiplexing LED Drive and 4x4 Keypad Sampling, 1994

Dan Matthews, Microchip Application Note 590: A Clock Design Using the PIC16C54 for LED Displays and Switch Inputs, 1994