El documento introduce la técnica PWM y cómo se implementa en Arduino. Explica que PWM permite generar ondas cuadradas con diferentes frecuencias y ciclos de actividad mediante timers. Los timers de Arduino pueden configurarse para generar salidas PWM en diferentes modos como Fast PWM y Phase-Correct PWM modificando los registros de hardware.

1. Introducción a PWM
Sistemas de Tiempo Real
http://www.arcos.inf.uc3m.es/~infostr
Grupo de Arquitectura y Tecnología de Computadores
(ARCOS)

2. PWM: frecuencia y duty cycle
• La técnica PWM (Pulse-Width Modulation) o modulación por
anchura del pulso permite generar ondas cuadradas con una
frecuencia y ciclo de actividad determinada:
– En Arduino UNO la frecuencia del reloj del sistema es 16Mhz
• 16*10^6 ciclos (ticks) por segundo tiempo de ciclo es 1/ 16*10^6 = 62.5ns
• Es posible modificar la frecuencia para que el número de ciclos por segundo sea 1 por cada
8,16,32,64, etc. ciclos de reloj del sistema. Este valor se llama factor de pre-escalado.
– El ciclo de actividad (o duty cycle, DC) representa la anchura del
pulso: cuánto tiempo de cada onda cuadrada hay pulso (5V) y cuándo
no lo hay (0V).

3. Duty cycle
• Ejemplos de duty cycle:
• Otro ejemplo:
– analogWrite(pin,DC): es una función de Arduino que escribe en pin (salida) un
determinado DC o duty cycle
• Está función se implementa como un PWM con una frecuencia fija (mediante un factor de preescalado de 64).
• Problema: aunque permite modificar el duty cycle, no es posible modificar la frecuencia, ya que
el valor de pre-escalado está fijo.

4. Introducción a PWM
• PWM permite generar ondas con diferentes frecuencias y
duty cycles usando timers:
– Un timer es un contador software que cuenta ciclos de reloj: el timer usa el
reloj de la CPU (o reloj del sistema).
– El timer se puede configurar para que solo se incremente cada X ciclos en
lugar de cada ciclo. (siendo X el factor de preescalado)
– Un timer cuenta desde 0 hasta MAX,
• MAX es el máximo que puede almacenar, y depende del número de bits del timer:
– Si el timer usa n bits
– Ejemplo con n=8
cuenta de 0..2^n-1
255
Timer (+1)
tick1
0
tick255
Frecuencia=1tick por c/factor pre-escalado
Si usamos pre-escalado=8, en un período hay
(16*10^6/8)*255

5. Introducción a PWM
• PWM permite generar ondas con diferentes frecuencias y
duty cycles usando timers:
– El duty cycle se modifica haciendo uso de un registro de comparación:
• Un registro de comparación almacena un valor comprendido entre 0 y MAX
• Cada registro de comparación esta asociado a una salida digital (PWM).
• Por ejemplo, en Fast PWM, si el valor del contador del timer es menor que el registro de
comparación, la salida emite 5 v (valor 1). En caso contrario emite 0 v (valor 0).
• Ejemplo: un timer de n=8 bits y valor de comparación 2^n/2-1 genera un DC=50%
Timer (+1)
255
127
Reg. comparación
0
Salida generada
DC es 50%

6. Modos básicos de PWM: Fast PWM
• Fast PWM:
– El timer cuenta de 0 a MAX y vuelve a 0.
– La salida generada toma el valor 1 (ON) cuando el timer es igual a 0
– La salida generada toma el valor 0 (OFF) cuando el valor del timer alcanza el valor del
registro de comparación
255
Reg. comparación
0
Salida generada

7. Modos básicos de PWM: Fase correcta
• Phase-Correct PWM:
– El timer cuenta de 0 a MAX y decrece hasta 0.
– La salida generada toma el valor 0 (OFF) cuando el timer alcanza el valor del registro de
comparación durante la cuenta hacia adelante (0..MAX)
– La salida generada toma el valor 1 (ON) cuando el timer alcanza el valor del registro de
comparación durante la cuenta hacia atrás (MAX..0)
255
Reg.
comparación
0
Salida generada

8. Timers de Arduino
• Arduino tiene 3 Timers (Timer0, Timer1, Timer2),
– Cada timer tiene 2 registros de HW que permiten configurar las
opciones de PWM
• TCCRXA y TCCRXB (X=0,1,2) dependiendo del timer usado
– Cada timer tiene otros 2 registros de HW que actúan como registros
de comparación,
• OCRXA y OCRXB (X=0,1,2) dependiendo del timer usado
– Cada timer tiene 2 salidas que pueden conectarse a dos salidas PWM
de Arduino:
• Timer 0
• Timer 1
• Timer 2
salidas 6 (A) y 5 (B)
salidas 9 (A) y 10 (B)
salidas 11 (A) y 3 (B)

9. Timer 0 (8 bits)
• TCCR0A – Timer/Counter Control Register A
COM0A1
COM0A0
COM0B1
COM0B0
--
--
WGM01
WGM02
R/W
R/W
R/W
R/W
R
R
R/W
R/W
• TCCR0B – Timer/Counter Control Register B
F0C0A
F0C0B
--
--
WGM02
CS02
CS01
CS00
W
W
R
R
R/W
R/W
R/W
R/W
• Leyenda:
– WGM (Waveform Generation Mode) permite seleccionar modo PWM
– CS (Clock Select) permite especificar el factor de pre-escalado
– Los bits COM0 permite habilitar, deshabilitar o invertir las salidas A y B

10. Timer 1 (16 bits)
• TCCR1A – Timer/Counter Control Register A
COM1A1
COM1A0
COM1B1
COM1B0
--
--
WGM11
WGM10
R/W
R/W
R/W
R/W
R
R
R/W
R/W
• TCCR1B – Timer/Counter Control Register B
ICNC1
IC3S1
--
WGM13
WGM12
CS12
CS11
CS10
W
W
R
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
• Leyenda:
– WGM (Waveform Generation Mode) permite seleccionar modo PWM
– CS (Clock Select) permite especificar el factor de pre-escalado
– Los bits COM1 permite habilitar, deshabilitar o invertir las salidas A y B

11. Timer 2 (8 bits)
• TCCR2A – Timer/Counter Control Register A
COM2A1
COM2A0
COM2B1
COM2B0
--
--
WGM21
WGM20
R/W
R/W
R/W
R/W
R
R
R/W
R/W
• TCCR2B – Timer/Counter Control Register B
F0C2A
F0C2B
--
--
WGM22
CS22
CS21
CS20
W
W
R
R
R/W
R/W
R/W
R/W
• Leyenda:
– WGM (Waveform Generation Mode) permite seleccionar modo PWM
– CS (Clock Select) permite especificar el factor de pre-escalado
– Los bits COM2 permite habilitar, deshabilitar o invertir las salidas A y B

12. Configuración de opciones
• Un registro de HW se modifica como una variable de SW
– TCCR2A=5
– Opciones PWM se configuran escribiendo sobre los registros de HW
• Para activar/desactivar bits de los registros se usa la macro
_BV(pin) donde pin es el nombre del bit que queremos
activar.
– Se utilizan operadores de bits (& y |) para hacer operaciones AND y
OR con el resto de bits de los registros
• TCCR2A=BV(COM2A1) activa (pone a 1) el bit COM2A1 del registro TCCR2A
• TCCR2A=TCCR2A|BV(COM2A1) activa (pone a 1) el bit COM2A1 del registro
TCCR2A y mantiene el valor del resto de bits del registro