モータの鳴らし方byHanDen

まえおき
　去年の9月にVVVFの設計ノウハウ蓄積のために、一旦高圧を抜けて低圧の基板を作ろうとしてステッピングモータを演奏する基板を作り始めてから、はや半年。高専祭でステッピング演奏を展示した後はオリジナルなものを演奏しようということで、ケースファンを演奏することに切り替えました。
　それから、ちょっとずつ基板を増やして、1月ごろにはNT京都に出展することに決めて、ニコ技にも動画を投稿。この時は、いろいろ演奏できることをアピールするためにケースファンのほかに、ステッピングモータやDCブラシモータも演奏していました。
　そのころからは卒業関連のイベントやらテストやらでばたばたして、NT京都に出す予定だった5枚目の基板が完成したのは、3月の中旬。

完成した基板はこんな感じに。高々ケースファンを演奏するだけなのにディスクリートのMOSFETを使うというバカ仕様だけど、重ねたらかっこいいなという当初のコンセプトを満たせたので満足！
それから、調整を進めて、NT京都の2日前にやっと音量アップの作戦を開始。結局音量アップ作戦は間に合わないままNT京都に行くことに…

本題
前日の24日に準備で春日神社に入り、設営準備。

こんな感じに設営完了。だが、音量が小さい…

結局当日は耳を澄まさないと聞こえないと聞こえない音量に…
まあ、なんとかなんとか乗り切れましたと…

展示会に出展するのは今回が初めてで、いろいろとわからないことも多かったですが、他の方にいろいろと教えていただいて、無事展示できました。いろいろ交流できて楽しかったです。ありがとうございました。

前回まででタイマー割り込みの使い方について紹介してきました。今回は割り込みの種類とそれぞれに使うISR関数の引数（マクロ）を紹介したいと思います。

　Atmega系のマイコンのISR関数の引数は「C:\Program Files (x86)\Atmel\Studio\7.0\packs\atmel\ATmega_DFP\1.2.150\include\avr」のフォルダ内の「iom****.h」（****にはマイコンの型番の数字が入る）のヘッダーファイルの下部に書かれています。それぞれ、「*****_vect」(*****は割り込みごとに異なる)の形で表します。（それ以外の形で書かれているのは別物です）Atmega328Pの場合は「C:\Program Files (x86)\Atmel\Studio\7.0\packs\atmel\ATmega_DFP\1.2.150\include\avr\iom328p.h」になります。（Atmega以外のマイコンの場合、上記のパスの「atmel」フォルダに戻り、それぞれのマイコンの種類を選択して同じように進んでください。(attiny2313の場合「C:\Program Files (x86)\Atmel\Studio\7.0\packs\atmel\ATtiny_DFP\1.3.147\include\avr\ iotn2313.h」です。)）今回は例として「atmega328P」の割り込みの種類とマクロ名を紹介します。

 

タイマー割り込み

割り込みの種類	マクロ名
タイマー0溢れ割り込み	TIMER0_OVF_vect
タイマー0比較A割り込み	TIMER0_COMPA_vect
タイマー0比較B割り込み	TIMER0_COMPB_vect
タイマー1溢れ割り込み	TIMER1_OVF_vect
タイマー1比較A割り込み	TIMER1_COMPA_vect
タイマー1比較B割り込み	TIMER1_COMPB_vect
タイマー1捕獲割り込み	TIMER1_CAPT_vect
タイマー2溢れ割り込み	TIMER2_OVF_vect
タイマー2比較A割り込み	TIMER2_COMPA_vect
タイマー2比較B割り込み	TIMER2_COMPB_vect

 

外部割込み

割り込みの種類	マクロ名
外部割込み1	INT0_vect
外部割込み2	INT1_vect
ピン変化割り込み0群	PCINT0_vect
ピン変化割り込み1群	PCINT1_vect
ピン変化割り込み2群	PCINT2_vect

以上の2種類（タイマー、外部）の割り込みがマイコンの割り込みの代名詞ともいえるよく使われる割り込みとなっています。外部割込みの設定はatmega328Pの場合データシート(https://avr.jp/user/DS/PDF/mega328P.pdf )のP50~53にかけて書かれています。軽くまとめておくと以下のようになります。

外部割込み

EICRAレジスタ：割り込みの条件（ピンの状態がどのように変化した時に割り込みを行うか）の設定

EIMSKレジスタ：外部割込みを許可するレジスタ

外部割込みは以上の2つのレジスタを設定して使います。EIFRレジスタは通常使いません。

ピン変化割り込み

PCICRレジスタ：ピン変化割り込みを許可するレジスタ

PCMSK0レジスタ：ピン変化割り込み0群のうち、変化を読み取るピンを選択するレジスタ

PCMSK1レジスタ：ピン変化割り込み1群のうち、変化を読み取るピンを選択するレジスタ

PCMSK2レジスタ：ピン変化割り込み2群のうち、変化を読み取るピンを選択するレジスタ

ピン変化割り込みは以上の4つのレジスタを設定して使います。PCIFRレジスタは通常使いません。

続いて、通信系の割り込みを紹介します。

通信系割り込み

割り込みの種類	マクロ名
シリアル通信受信完了割り込み	USART_RX_vect
シリアル通信送信完了割り込み	USART_TX_vect
シリアル通信データレジスタ空割り込み	USART_UDRE_vect
SPI通信転送完了割り込み	SPI_STC_vect
TWI(I2C)動作完了割り込み	TWI_vect

以上が通信系の割り込みとなります。「データレジスタ空割り込み」を除いて、通信の動作が完了し次のデータを送受信できる状態になった時がトリガーとなります。この割り込みを使うことでデータを受信したら、そのデータを読み込むといった動作が可能になります。なお、次回の記事でシリアル通信の使い方について紹介します。

 

その他割り込み

割り込みの種類	マクロ名
A/D変換完了割り込み	ADC_vect
アナログ比較器出力遷移	ANALOG_COMP_vect
ウォッチドッグ計時完了割り込み	WDT_vect
EEPROM操作可	EE_READY_vect
SPM命令操作可	SPM_READY_vect

最後のその他の割り込みは使う機会はあまりないと思います。使うとしてもA/D変換完了割り込みぐらいだと思います。

 

以上がatmega328Pにおける割り込みの種類とそれに対応するマクロです。マイコンの種類が変わっても、同様に考えれば割り込み処理は使えると思います。次回はatmega328Pにおけるシリアル通信の使い方を紹介します。

文字数の関係の記事を2つに分けています。今回は前回の続きです。

サンプルプログラム

　今回のサンプルプログラムは、「frequency」変数に入力した周波数（パルス）数でステッピングモータを回転させるプログラムです。回転数に応じてduty比を変化させており、2相励磁となっています。

 

#include <avr/io.h>

#include <avr/interrupt.h>//割り込みのライブラリ

 

void setSquareWave(int freq); //矩形波の周波数設定

 

volatile uint8_t vect = 0;//角度

volatile uint8_t duty_h = 0;//duty125以上

volatile int frequency = 500;

 

volatile double duty = 0;

uint8_t PD[5] = {0x08, 0x20, 0x00, 0x40, 0x08};//ステッピングモータ励磁状態の配列

uint8_t PB[5] = {0x00, 0x00, 0x08, 0x00, 0x00};//この値をPORTに入れる

 

int main(void)

{

         DDRD = 0x68;//PWMピンを出力設定

         DDRB = 0x0F;

               

         //矩形波生成タイマー設定

         TCCR1A = 0x03; //PWM出力なし位相/周波数基準 OCR1A max

         TCCR1B = 0x1B; // 64分周

         TIMSK1 = 0x00; //割り込み停止

         setSquareWave(frequency);//周波数セット

         sei();//割り込み開始

       

    while (1)

    {

    }

}

 

void setSquareWave(int freq) {

  if (freq < 500) duty = 80; //duty比設定//90

  else if (freq < 1000) duty = 120;//120

  else if (freq < 1500) duty = 190;//150

  else duty = 230;//200

 

  if (freq != 0) { //動作

    TIMSK1 = 0x00;  //割り込み禁止

    //TCCR1B = 0x1B;//64分周 /2 →250,000回カウント

    OCR1A = (unsigned int)(250000 / freq) ; //割り込み周波数

        if(duty <= 125){ //duty比が低い時（実質1相励磁）

                OCR1B = OCR1A * (duty / 125.0);

                duty_h = 0;//低duty

        }else {//duty比が高い時（2相励磁）

                OCR1B = OCR1A * ((duty -125.0) / 125.0);

                duty_h = 1;//高duty

        }

   

    TIMSK1 = 0x05;//OVFと比較Bの割り込み許可

   

    DDRC = 0x00;//出力オフ（Hi-Z)

 

  } else  { //停止

    TIMSK1 = 0x00;  //割り込みなし

    PORTD &= ~0x68;

    PORTB &= ~0x08;//出力L

    DDRC = 0x0F;//出力ダウン

  }

}

 

ISR(TIMER1_OVF_vect) { //オーバーフロー割り込み

        vect++; //進める

        if (vect > 4) vect = 1; //OVF

        PORTD |= PD[vect];

        PORTB |= PB[vect]; //出力

 

}

 

ISR(TIMER1_COMPB_vect) { //矩形波割り込み

        if(duty_h){

                PORTD &= ~PD[vect - 1];//1つ前の出力OFF

                PORTB &= ~PB[vect - 1];//1相励磁

        }else{

                PORTD &= ~PD[vect];//出力OFF

                PORTB &= ~PB[vect];//1相励磁

        }

       

}

　基本的なレジスタ設定はPWM出力に準じています。また、ステッピングモータのduty比の設定は溢れ割り込みと比較一致割り込みを組み合わせることで実現しています。ステッピングモータの励磁状態は配列に入れた値を使うことで処理の簡略化を実現しています。

そして、割り込みを使用するにあたって注意しなければならないのが、割り込み用のライブラリである<avr/interrupt.h>を読み込まなければならないことと、割り込み処理は「ISR(*****)」の関数を使う必要があるということです。また、ISR関数の引数(*****)（マクロともいう）は割り込みの種類ごとに異なるので注意しなければなりません。Atmega328Pにおけるタイマー割り込みの場合はISR関数の引数は以下の表のようになります。

割り込み処理の内容はISR関数に上の表の引数を入れること（サンプルプログラム参照）で実行ができます。ここで引数を間違うと割り込み処理ができないので注意が必要です。（コンパイルが通る場合もあるので注意）

以上でタイマー割り込みの設定は終わりです。次回は割り込み処理の引数（マクロ名）の探し方を紹介したいと思います。

前回はマイコンからPWMを出力するお話をしましたが、今回はタイマー割り込みのお話です。前回のPWMはマイコンのタイマー機能を利用していましたが、今回のタイマー割り込みもタイマーを使っています。とはいえ「割り込みってなんやねん」って思う方もいると思うので最初に軽く割り込みについて紹介します。

 

割り込みとは

　割り込みは、設定したトリガが発生した時に強制的に特定の処理をさせることを意味しています。トリガが発生した時にたとえ他の処理を行っていたとしても、割り込みに指定された処理を強制的に実行するため、トリガ発生時に確実な処理が可能になるというわけです。これを図示すると下の図のようになります。

　図からも、通常の処理を行っているときにトリガが入ると強制的に割り込み処理を開始し、割り込み処理が終了するまでは他の処理が中断されることがわかりますね。（Atmega328Pなどの1スレッドのマイコンの場合）

 

タイマー割り込みとは

タイマー割り込みでは、このトリガが「タイマー」によって発生します。つまり、一定の時間ごとに割り込み処理を行えるということです。ステッピングモータを回すパルスを発生させるときなど正確な時間間隔で似た処理を行いたいときなどに非常に使い勝手の良い処理と言えますね。それでは、続いてAtmega328Pにおけるタイマー割り込みの原理を紹介していきます。

タイマー割り込みは前回紹介したPWMと同様にマイコンのタイマー機能を使っており、マイコンのタイマーのカウンタがある状態になった時に、トリガを発生させるという仕組みです。ここでの、ある状態とは、タイマーがカウントの数がオーバーフロー（溢れ）した時や比較値（PWM生成の時の閾値 OCR0Bなど）と一致した時などを指します。つまり、タイマーのカウントが特定の値に達した時に、割り込み処理が実行されるというわけです。このタイミングを図示してみます。

　上の図がタイマーのカウンタがオーバーフローしたときの割り込み（マイコンではこれを溢れ割り込みと言います）を示しており、タイマーのカウンタがオーバーフローする↓で示したタイミングで割り込み処理が行われます。ただし、この溢れ割り込みのタイミングはタイマーの動作種別によりタイミングが変わります。（詳細は次の節）また、同様に下の図はタイマーのカウンタが比較Aに達した時の割り込み（比較A割り込み）を示しており、↓で示したタイミングで割り込み処理が実行されます。

 

タイマー割り込みの注意点

　先ほどの節でタイマー割り込みの原理を紹介しましたが実際にタイマー割り込みを使用するにあたって注意しなければならない点が複数あります。1つ目は溢れ割り込みのタイミングで2つ目は比較・捕獲割り込みのタイミング、3つ目はTOP値と比較・捕獲値の関係です。

溢れ割り込みのタイミング

　溢れ割り込みは定義上はカウンタの値がオーバーフローした時の割り込みです。しかし、溢れ割り込みでオーバーフローした時に割り込みが入るのはデータシート上「標準動作」と「比較一致ﾀｲﾏ/ｶｳﾝﾀ解除(CTC)動作」のみであるということに注意しなければなりません。すなわちよく使われる、「高速PWM動作」や「位相基準PWM動作」、「位相/周波数基準PWM動作」においてはタイマーのカウンタがオーバーフローした時に割り込みが実行されないというわけです。Atmega328pのデータシート(https://avr.jp/user/DS/PDF/mega328P.pdf )のP.99（タイマー1）を確認すると、このことの記載がされており、タイマーの動作種別によりタイミングが異なると書かれています。そのタイミングはタイマー動作種別の表（以下に引用）に書かれています。

上が8ビットタイマーで下が16ビットタイマーの場合です。それぞれの表の右端の赤で囲んだ「TOV1設定時」の項目に溢れ割り込みが入るタイミングが書かれています。これより「高速PWM動作」ではタイマーのカウンタが「TOP値」に達した時、「位相基準PWM動作」「位相/周波数基準PWM動作」ではタイマーのカウンタが「BOTTOM値(0)」に達した時に割り込みが動作することがわかります。これを図示してみます。

　図を見れば「高速PWM動作」はTOP値で割り込みが入っていますが、TOP値は同時にBOTTOM値でもあるのでどちらかというと溢れ割り込みは、タイマーのカウンタが0になったタイミングで入ると考えても問題はないでしょう。以上が溢れ割り込みの動作のタイミングの注意点です。

 

比較・捕獲割り込みのタイミング

　比較A,B割り込みや捕獲割り込みはタイマーのカウンタの値が比較A,B値(OCR*A,B)や捕獲値(ICR1)と一致した時をトリガとして割り込みが入ります。原理上はこれだけなのですが、タイマーの動作種別により割り込みが入るタイミングや回数が変わることに注意しなければなりません。割り込みが入るタイミングを図示してみます。

　この図を見れば、高速PWM動作ではカウンタ1周期の間に割り込みが1回で等間隔に割り込みが入るのに対して、位相(/周波数)基準PWM動作ではカウンタ1周期の間に2回割り込みが入り割り込みが入るタイミングが等間隔でないことがわかります。割り込み動作の時はカウンタが上昇時と下降時の区別がされずに単に値が一致した時がトリガとなるためこのような動作となります。

 

TOP値と比較値との関係

　この関係はタイマーのカウンタのTOP値と比較値が一定の関係にならないと割り込みが入らないことを示しています。割り込みが正しく入る条件はこのような関係です。

比較値≦TOP値

この関係も原理から考えると非常にやさしいものですが2つの値の関係よってどのようになるかを図示してみます。

比較値とTOP値の関係を「比較値＞TOP値」「比較値＝TOP値」「比較値＜TOP値」の3つの場合を図示してみました。この図を見れば、「比較値＞TOP値」の時に割り込みが一切入らなくなることは明らかですね。また、「比較値＝TOP値」はカウンタがTOP値に達した時に割り込みが入るため、カウンタ1周期につき1回しか割り込みが入らないこともわかると思います。

 

以上の3つが割り込みを使うときの大きな注意点となります。続いて、各種レジスタの設定方法ですが、波の形と最大高さ関連の設定は前回のPWMの記事（http://vvvf.blog.jp/archives/7662206.html）を参考に行ってください。ここではタイマー割り込みにおいてPWM出力時と異なるレジスタ設定の項目を紹介します。

 

割り込みのレジスタ設定

　

初めに、各出力ポートの設定です。今回はPWM出力を利用しないので、すべて「標準ポート動作」(COM*x: 0 0)を選択します。TCCR0A,B、TCCR1A,B、TCCR2A,Bのその他の設定はPWMの時と同じようにしてください。

続いて、割り込み動作の許可の設定です。

この割り込み許可レジスタで、各種割り込みを許可する設定を行っています。利用する割り込みのビットを立てることで、割り込みが使用できるようになります。なお、捕獲割り込みは「ICR1」と一致時、比較一致割り込みは「OCR*A」「OCR*B」と一致した時に割り込みが入ります。

以上でレジスタの設定は終了ですが、割り込みを使用するにはプログラムですこし変わった書き方が必要となります。各レジスタの実際の設定値と合わせて、次のサンプルプログラムのところで紹介します。

 

文字数の関係でサンプルプログラムはその2に続きます