SW-PWM pro STM32F0

Projekt obsahuje implementaci knihovny pro softwarové generování pulzně šířkové modulace sw-pwm.c a sw-pwm.h. Ke své činnosti využívá jeden časovač. Je založena na knihovně HAL od STMicroelectronics. Umožnuje generovat jak rychlé, tak i fázově korektní PWM. Dá se snadno portovat i na jiné rodiny STM32. Její využití je zamýšleno hlavně pro ovládání jesu většího množství LED.

Použitý knihovny

Je třeba si vytvořit instanci struktury sw_pwm_channel_t a pojmenovat ji sw_pwm_channel! Tu je třeba inicializovat na GPIO která chce uživatel použít. Předpokládá se, že uživatel si GPIO nastavil jako výstupní za použití nástroje STM32CubeMX.

Ukázka inicializace sw_pwm_channel

// inicializace bez komparačních hodnot
volatile sw_pwm_channel_t sw_pwm_channel[] = {
    { PWM0_GPIO_Port, PWM0_Pin },
    { PWM1_GPIO_Port, PWM1_Pin },
    { PWM2_GPIO_Port, PWM2_Pin },
    { PWM3_GPIO_Port, PWM3_Pin }
};

Kde:

• PWMx_GPIO_Port je ukazatel na GPIO_TypeDef tedy port.
• PWMx_Pin číslo odpovídající konkrétnímu pinu.

// inicializace s komparačními hodnotami
volatile sw_pwm_channel_t sw_pwm_channel[] = {
    { PWM0_GPIO_Port, PWM0_Pin, 0x00 },
    { PWM1_GPIO_Port, PWM1_Pin, 0x2A },
    { PWM2_GPIO_Port, PWM2_Pin, 0x7F },
    { PWM3_GPIO_Port, PWM3_Pin, 0x42 }
};

Zavolání inicializační metody sw_pwm.init(...)

Ke kompletnímu ovládání SW PWM slouší singleton sw_pwm, který se nachází v souboru sw_pwm.c a pro korektní funkci je nutné jej inicializovat metodou sw_pwm.init(...)

// hlavička inicializační metody
void sw_pwm.init(
    TIM_HandleTypeDef *htim_p,
    uint32_t           number_of_channels,
    uint32_t           freq,
    sw_pwm_phase_t     phase,
    sw_pwm_comp_init_t comp
);

Kde:

• htop_p ukazatel na strukturu TIM_HandleTypeDef, kterou vygeneruje STM32CubeMX po nastavení časovače.
• number_of_channels nastavuje počet kanálů.
• freq kmitočet generovaného PWM signálu v Hz.
• phase typ fázek PWM má dvě možnosti:
  • SW_PWM_PHASE_CORRECT fázově korektní je založena na čítání nahoru a po dosáhnutí vrcholu čítání zpět do nuly, nemůže tedy vzniknout pulz nekorektní délky při změně komparační hodnoty.
  • SW_PWM_PHASE_INCORRECT fázově nekorektní nekdy zvané rychlé PWM vhodné například pro ovládání LED. Je zalořenou na čítání do vrcholu a následného přetečení na nulu. výhodou této volby je dvakrát vyšší maximální frekvence než u fázově korektní volby.
• comp nastavení komparační úrovně má tyhle možnosti:
  • SW_PWM_COMP_NOINIT neovlivnujě komparační úroveň, umožnuje si nastavit komprarační hodnoty individuálně pro každý kanál externě.
  • SW_PWM_COMP_ZERO nastaví komparační úroveň na nulu, generuje L
  • SW_PWM_COMP_HALF komparační úroveň na polovinu rozsahu, střída 1:1
  • SW_PWM_COMP_FULL komparační úroveň na plná rozsah, genuruje H

Obsluha callbacku přerušení časovače

Časovači je třeba povolit přerušení při dosáhnutí vrcholu. Poté je třeba do příslušného callbacku přidat volání callbacku sw_pwm.config_p->it_callback().

// HAL callback dočítání časovače do stropu
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim_p)
{
    // vyhodnoce jestli toto volání způsobil náš čítač
    if (htim_p == sw_pwm.config_p->htim_p)
    {
        sw_pwm.config_p->it_callback();
    }
}

Zahájení generování sw_pwm.run()

Po inicializaci můžeme začít generovat PWM. K zahájení generování signálu je nezbytné zavolání metody sw_pwm.run(). Ta vynuluje čítač a spustí časovač.

// zahájení generování PWM signálu
sw_pwm.run()

Nastavení komparační úrovně kanálu

K jednotlivým SW PWM kanálům je snadný přístup díky singletou sw_pwm.

// ukázka změny prahové úrovně kanálu 2
sw_pwm.channel[2] = 127;

// ukázka změny hodnot všech kanálů
for (int i = 0; i < sw_pwm.config->number_of_channels; i++)
    sw_pwm.channel[i] = 22;

Zastavení generování sw_pwm.stop()

Deaktivuje prerušení od časovače a nastavý všechny SW PWM kanály do logické úrovně L.

// zastavení generování PWM signálu
sw_pwm.stop()

Testování knihovny

pro vyhodnocení knihovny byl využit jeden GPIO pin jehož hodnota byla nastvena na H při vstupu do callbacku obsluhy přerušení a opět nastavena do L před jeho ukončením. Osciloskopem byla měřena střída jakožto informace o zatížení procesoru.

Při všech experimentech byl MCU i timer taktován na 48 MHz.

Vliv optimalizace na vytížení CPU

Test proběl při kmitočtu 100 Hz a 16 aktivních kanálech.

OPT	POPIS	VYTÍŽENÍ CPU
-O0	optimalizace off	57 %
-O1	optimalizace level 1	25 %
-O2	optimalizace level 2	24 %
-O3	optimalizace level 3	23 %
-Os	optimalizace na velikost	33 %

Vliv generované frekvence na vytížení CPU

Tento test byl prováděn s 18 kanály a optimalizací -O3.

FREQ	VYTÍŽENÍ CPU
1 Hz	1 %
10 Hz	3 %
100 Hz	26 %
200 Hz	53 %
300 Hz	74 %

Vliv počtu kanálů na vytížení CPU

Tento test byl prováděn s kmitočtem 200 Hz a optimalizací -O3.

POČET KANÁLŮ	VYTÍŽENÍ CPU
1	7 %
3	12 %
7	23 %
10	31 %
13	39 %
17	50 %
20	57 %

HW na ověření funkce

Generování PWM bylo otestování na kontaktním poli s vývojovou deskou nucleo-f021k6. Ta je osazena MCU STM32F031K6, dále obsahuje ST-Link V2, stabilizátor napětí a indikační LED. Úkolem HW pžípravku je mimo otestovánání funkce PWM i měřit zatížení jádra mikrokontroléru v tomto případě jde o ARM Cortex-M0, taktovaným na 48 MHz s 32 Kib Flash a 4 KiB SRAM. Měření je pováděno na pinu označeném jako MEASUREMENT. Dále přípravek obsahuje integrovaqné obvody TESLA 7404 TTL NOT pro buzení LED.

Schéma zapojení

Video ukázka

Nástroje

Projekt byl vytvořes s použitím těchto nástrojů:

• STM32-tools
• Beautifly-C
• STM32CubeMX
• Visual Studio Code
• GNU Arm Embedded Toolchain
• OpenOCD
• Make
• KiCAD