Project_OKI’s diary

エンジニアの勉強ブログ

STM32マイコン_13(PWM出力)

組み込みC言語

 

STM32：PWM出力とLEDの光度調整

1.本日の内容

​ (1) STM32マイコン(nucleo f401RE)を使用して、PWM出力をする。

 (2) PWMの出力を変更することで、LEDの光度を変更する。

 (3) PWMの出力をオシロスコープで確認する。

　　 ※ オシロスコープは簡易キットを使用

 

・目次

 

2.内容

​​(1) やる内容の詳細​

　　・​STM32マイコン(nucleo f401RE)を使用して、PWM出力する。

 　  ・PWM出力でLEDの光度を500msで変更する。

　　・PWMの出力を簡易オシロスコープで確認し、動きを理解する。

(2) 使用部品​
個数 部品名 型番
1 USBケーブル ​​USBミニBタイプ​
1 mbed（マイコンボード) ​​nucleo f401RE
1 ブレッドボード・ジャンパーワイヤ（オス－オス） BBJ-65

※オシロスコープは下記オシロスコープキットを使用している。

・オシロスコープ

 

(3) STM32CubeMXの設定、プログラムを出力

　　(a)使用ピンを設定
　　　・PA1：TIM5_CH2　：オシロスコープ確認用

　　　・PA5：TIM2_CH1　：LED確認用

　　　
　　(b)使用するピンの名前を変更　
　　　・今回は特に何もしない。

 

　　(c)PWMの設定
　　　・TimersのTIM2_CH1を選択

　　　・Clock SourceをInternal Clock (内部クロック)に設定

　　　・Channel1をPWM Generation CH1に設定

　　　・Parameter Settingsタブの下記項目を設定(周波数1kHzに設定)

　　　　・Prescaler　　　：1 - 1

　　　　・Counter Period：16000

PWM出力(TIM2)

　　　・TimersのTIM5_CH2を選択

　　　・Clock SourceのInternal Clockをチェックを入れる。

　　　・Channenl2をPWM Generation CH2に設定

　　　・Parameter Settingsタブの下記項目を設定(周波数1kHzに設定)

　　　　・Prescaler　　　：15

　　　　・Counter Period：1000 - 1

PWM出力(TIM5)

　　(c)プログラムの出力
　　　・Project Maagerを選択
　　　・Project Nameにプログラムの名前を入力：PWM1　　　
　　　　※スペース、空白文字、日本語を含めるとエラーになる場合があるので、使用しない。
　　　・Project Location：プロジェクトを保存する場所
　　　・Application Structure：Advanced （出力するフォルダの構成を選択)
　　　・Toolchain/IDE：TrueSTUDIO(今回は、AtoricTrueStdioを使用するため)
　　(d)GENERATE CODEで、コードを出力
　　(e)Open pROJECTをクリックすると、AtricTrueStdioが自動的に起動される。

 

(4) AtricTrueStdioでプログラム作成
　　(a) AtricTrueStdioから開く場合(上記(e)をした場合は不要)
　　　 ・AtricTrueStdioを起動
　　　 ・インポート元のディレクトリをクリック
　　　 ・CubeMXで作成した場所を指定
　　　 ・フォルダーにADC1(作成したプロジェクトの名前)が表示
　　　 ・チェックされているのを確認して、終了をクリック 
​
　(b) プログラムの書き込み
　　　・トンカチマークをクリックして、ビルドする。
　　　・エラーが出ないことを確認する。
　　　・下記プログラムを記載する。
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  	  //TIMの開始
  	  HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);	//TIM2のchannel1開始
  	  HAL_TIM_PWM_Start(&htim5, TIM_CHANNEL_2);	//TIM5のchannel2開始
  /* USER CODE END 2 */
 while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
	  //TIM5のchannnel2の出力を1000に設定
	  __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim5, TIM_CHANNEL_2, 1000);
	  //TIM2のchannel1の出力を500に設定
	  __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, 500);

	  //500ms待ち
	  HAL_Delay(1000);
	  //TIM2のchannel1の出力を10に設定
	  __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, 10);
	  //500ms待ち
	  HAL_Delay(500);
  }
  /* USER CODE END 3 */
(5) PWMの説明

　(a) PWMとは、信号のON/OFFの時間を制御するもの。

　　ON/OFFを同じ周期で繰り返す(スイッチング)する。

　　これを、早い周期でスイッチングを行うことで、

　　ONしている時間(パルス幅)に比例した任意の電圧が得られる。

　　参考：PWMとは | 東芝デバイス＆ストレージ株式会社 | 日本

　   

　　これは、スイッチングレギュレータなどで使用されている。

　　参考：今さら聞けないスイッチング電源の基本Vol.9 | 過去メルマガ一覧 | 加美電子工業株式会社

　　

　　このPWMを決定するのに、デューティ比、周期、パルス幅がある。

　

　(b) 周期

　　　・1秒間にON/OFFしている回数
　　　　→周期T[s] = 1/count[回数]　
　　　　例：10秒間で、100回 ON/OFFした場合の周期
　　　　T = 10 / 100
　　　　　= 1/10 [s]
　　　　　→1秒間に、10回ON/OFFしている。　　
　　　　　単位はs(秒)
　　　※この周期の逆数を周波数という。 f = 1/T [Hz]
 

　(c) パルス幅

　　　・1回 ON/OFFする間に、どれだけの時間ONしているか。
　　　　→パルス幅H[s] 
 

　(d) デューティー比

　　　・周期に対して、パルス幅の比をデューティー比という。
　　　→デューティー比[%]　＝　H[s] / T [s] * 100
　　　

デューティー比
　　例：1秒間に2回ON/OFFする。
　　　　そのうち、１回ONする時間が0.25秒だった場合。
　　　　周期T = 1 / 2 [s]
　　　　　　　= 0.5 [s]
　　　　パルス幅 = 0.25 [s]
 　　　  デューティー比　= 0.25/0.5 * 100
　　　　　　　　　　　　= 50[%] 
　　　　周波数　= 2 [Hz]
　　　　※2Hzということから分かるように、周波数は1秒当たりにON/OFFする回数と同じになる。
　　　　通常、周波数は正弦波で使用される。
　　　　イメージ的には、
　　　　・方形波(上のようなON/OFFする波形)の場合は、1秒間に、ON/OFFする回数。　
　　　　・正弦波の場合は、1秒間に、波が何個あるか。
　　　　と考えると分かりやすい。
 

　(e) 平均電圧

　　　・1秒に2回など遅い場合は、ただON/OFFするだけだが。
　　　　これが1000回など高速にON/OFFすると、
　 　　見かけ上、LEDがON/OFFしているわけではなく、
　　　　LEDがあたかも光度が下がった状態で見える。
　　　　これにより、疑似的に出力する電圧を変えることができる。　
　　　　 →　平均電圧　= 出力電圧 * デューティー比
　　
　・上記、周期、パルス幅、デューティー比によって、LEDの光度を変更する。
 
(6) CubeMxの説明
　CubeMXでは、
　・出力するポート
　・出力するイベントハンドラとチャンネル
　・出力する周期
　を設定している。
 
　(a) 出力するポート
　　　・PWMを出力するのは、TIMを使用する。
　　　・TIMは周期割り込み処理であり、それをPWM出力として設定している。
　　　・ポート設定で、TIM2_CH1とTIM5_CH2を設定している。
　　　・このTIMxx_CH・・のxxが使用するイベントハンドラ、・・がチャンネルを示している。
　　　
　(b) 出力する周期の設定
　　　・PWMを出力するのは、TIMを使用する。
　　　・TIMは周期割り込み処理であり、それをPWM出力として設定している。
 
　　　・下記に周期の計算結果を示す。
　　　・周波数 f = APB1/Counter Period/(Prescaler+1)
　　　・周期    s = 1/f [s]
 
　　　・今回は、
　　　　・APB1 = 16000000

　　　　・Prescaler = 16-1

　　　　・Counter Period = 1000

　　      f = 16000000/(1000)/(16-1+1)

 　　　   = 1000 [Hz]

　　 T[s] = 1/f 

　　　　= 1/1000 [s]

　　　　=1 [ms] 

TIM2設定

 

TIM5設定

 

(7) プログラムの説明
　(a) HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
　　　・TIMでPWMを開始するための関数。
　　　・第一引数：イベントハンドラ
　　　→今回はTIM2を使用するため、&htim2を指定
　　　・第二引数：使用するチャンネル。　
　　　　　　　　　CubeMxを見ると、選択時に、channnelが１～4ある。　そのチャンネルを指定する。
　　　参考：

HAL_PWMライブラリ
※UM1725の1002ページより抜粋
 
　(b) __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, 500);
　　・Compare レジスタの値を設定している。
　　・今回、CubeMxで1kHzに設定している。
　　・1000msでON/OFFし、そのうち500msの間Highとなる。
　

PWM

※UM1725の1042ページより抜粋

　・Compareレジスタや、CubeMXのプリスケーラ値については、
　　「RM0368」に記載してある。
　　ただ、まだ学習中でよくわかっていない部分が多いため、
　　ここでは割愛する。
 
(8) 出力確認

簡易オシロスコープキットで確認。

1DIV0.5msのため、

　0.5ms：Low

　0.5ms：HIGH

になっていることが分かる。

PWM接続
(9) 周波数を変更してみる。

　CubeMXで下記値に変更して、再度出力する。

　・TimersのTIM5_CH2を選択

　　　・Clock SourceのInternal Clockをチェックを入れる。

　　　・Channenl2をPWM Generation CH2に設定

　　　・Parameter Settingsタブの下記項目を設定(周波数2kHzに設定)

　　　　・Prescaler　　　：15

　　　　・Counter Period：2000 - 1

　そうした時の出力

　・500ms：HIGH

　・1500ms：LOW

　となり、2KHzで動作していることが分かる。

 

今度は、AtricTrueStdioで、下記に変更して出力する。

 __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, 1000);

そうすると、下記の出力になる。

　・1000ms：HIGH

　・1000ms：LOW

 

以上のような形で、PWMの設定が出来る。

上記プログラムを書き込むと、LEDの光度が変更されるので、

確認してみるとよい。

 

 

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