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鉄道模型実験室 No.158 Arduino Nano Every のPWMキャリア周波数を20kHｚにする
20ｋHz化の方法について、先回に引き続き調べてみると色々な事が分かりましたので、今度は2020/4/3のブログ「ArduinoのPWMキャリア周波数を20KHｚにする」の説明を補足します。
■ Arduino Nano Every におけるPWMキャリヤ周波数のアップの挑戦
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まず、最初に取り組んだの「Arduino Nano Every のPWM周波数をアップする」（2020/3/3）でした。 ここでは、プリスケーラの設定倍率を指定することにしました。
TCA0.SINGLE.CTRLA = 0b0101 ;
ENABLE指定ビットは常に１に設定します。 この一行だけの命令追加で、キャリア周波数は 15.7kHz までアップさせることが出来ました。
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その後、上記のブログのように、DEKOさんのアヤシいお部屋の「Arduino Nano Every」の記事のごとく、20MHzに設定できるメニューを追加してテストを実施しました。 Nano Every で使用しているCPUは Uno と違って、ATMega4809を使用しているのでクロックスピードがもともと20MHzもあり、Nanoとの互換性のために、16MHzに落として使用しているとの事。 それでは、もとに戻してやれば、16MHz ⇒ 20MHzなので、16KHz ⇒ 20KHzになると考えたからです。
この時に観測したオシロ波形は次のようでした。
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キャリア周波数は 19.5KHz となり、狙いどうりです。 立ち上げリタイミングはピタリと一致しています。 |
| CH１はD９ポート、CH２はD10ポートです。 | CH１はD10ポート、CH２はD6ポートです。 | |
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キャリア周波数は 19.5KHz となり、狙いどうりです。 立ち上げリタイミングはピタリと一致しています。 |
| CH１はD10ポート、CH２はD5ポートです。 | CH１はD５ポート、CH２はD３ポートです。 |
■ 色々な疑問
上記の方法によれば、Arduino Nano Every のPWMキャリア周波数を 約20kHｚ にする事ができたのですが、何故なぜの疑問が残っています。
- たった一行だけの命令で、TCA0.SINGLE.CTRLA = 0b0101 ５個のポートの周波数を変えられるのか？
- そのタイミングもピタリと一致しているのは何故か？ Uno の場合はタイミングがずれているのに・・・・・・・！
- この命令の書き方は他の場合と異なっているので、何を意味しているのだろうか？ 特に、SINGLE と言う命令は何を意味するのか？
- クロック周波数を変更するメニューの意味は？
などですが、皆さんは何が気になりますか？
● クロック周波数を変更するメニューの意味は？
まず最初に、４番目の疑問からですが、記述しているの内容が bootloader や build.f_cpu などの単語が出てきますので、諦めるることにしました。 自分の技量では理解できる範疇では無いことが明らかです。 ここでは、そっくりそのまま活用さて頂くことにします。
● Arduino Nano Every のPWM制御の関係レジスタ
ATMega4809 のデータシートをもとに、 先回の Uno の場合と同様なブロック図を作成してみました。
すると、Uno の ATmega328P とは基本は同じであるものの、様子が異なっている事が分かります。 16ビットタイマーひとつで、６個のポートから出力している事が分かります。
| Arduino のモデル | CPUモデル | タイマーの数 | タイマーの種類 | 各タイマーの出力チャネル数 |
|---|---|---|---|---|
Uno |
ATmega328P |
３ |
８ビットタイマー×２、16ビットタイマー1個 | ２ |
Nani Every |
ATmega4809 |
２ |
16ビットタイマー２個 | ３ |
ただし、ATmega4809 には、タイマーの使い方として、Normal Mode と Split Mode の二つの使い方が可能となっています。 この Split Mode は、16ビットタイマーを上位ビットと下位のビットに分け、それぞれ二つの８ビットタイマーとして使用出来るモードです。 このNani Every はまさにこのモードを使用して、一つのタイマーから６個のポートに出力しているのです。 その様子を示したので上記のイラストです。
Nano Every でのデフォルトの設定はどうなっているのか、とあちこちを探しましたが見つけることが出来ませんでした。 データシートによると CTRLD レジスタの SPLITM ビットをHIGHにすると Split Mode になるようですが、どこで設定しているのか分かりませんでした。 このため、ここは状況から推定しています。
同じタイマーを上下に分けたとしても、作動クロックなどは同じですから、６個のポートのPWM波形のタイミングが揃っているのは納得できますね。 疑問２は納得ですが、ポート数が６個？ 実際は５個しか無いのに？
そこで、CPUのポートとEveryのポートのつながりを追っていきますと、 WO3 のポートが切れていました。 Every では使用していなかったのです。 これも納得です。
また、タイマーの波形には、Fast PWM （ Single-slope PWM ）や Phase-Correct PWM （ Dual-slope PWM ）などあるのですが、ここでは、Fast PWM を使用しています。
● たった一行の命令だけで？
各レジスタの設定については、それぞれ必要なのですが、タイマーの数が少ない事と、上位の Split Mode を選択すると制約されるため、Uno の場合のような面倒さはありません。
分周比を６４から４に変更するだけで、１６倍も速くすることが出来てしまいました。
この分周比の変更だけで充分だったのです。 後は、CPU自身のクロックを元々の 20MHz にアップすれば、約20kHz のキャリヤ周波数が得られるのです。
● この命令の書式は？
当初は、分周比の設定を変えれば良いと思って、ビットごとの設定命令である cbi( ) や sbi( ) を使って記述しましたがエラーとなってコンパイル出来ませんでした。 そこで、サンプルで記述されていた方法を使うとコンパイル可能で、かつ、実際のPWM周波数も変更できていたので、このサンプルの記述方法が正しい事を確認しました。
でも、どうしてなの？ の疑問のままでしたが、データシート内で TCA0.SINGLE.CTRLA の用語の検索を掛けると 22ページにその用語が引っかかりました。 そこには、異なるモードで異なるレジスタセットを持つ場合は、機器名の後にモード名を記述せよとの説明がありました。
タイマー名 ピリオド モード名 ピリオド レジスタ名 即ち TCA0.SINGLE.CTRLA = 0b0101 と記述することになります。
すると、モード名が違うのでは？ との疑問が沸きます。 SINGLE とは、Single-slope PWM と Dual-slope PWM のことか、あるいは Normal Mode と Split Mode のことなのな分かりませんが、レジスタ CTRLA の分周比の指定方法は、どちらのモードでも同じだったので、どちらでもよかったようです。
なお、別の参考資料（ ＡＶＲ日本語情報サイトのTB3217 ）では、例題に示された記述れいでは、TCA0.SINGLE.CTRLA と TCA0.SPLIT.CTRLD を使用していますので、Normal Mode と Split Mode の意味のようですが、よく分かりません。
これで、疑問３が一応分かったことにしておきましょう。
■ まとめ
Arduino Nano Every でも 簡単に約20kHz のPWM波形を出力させる事が出来ました。 しかし、今から振り返ってみると、非常にラッキーな選択でした。
まず最初に、小型のArduino として Nano Every を選択したことにあります。 単に、小型で最新型の機種であるとの単純な考えで選択したのでしたが、大正解でした。 そして、たった一行の命令を試しただけで目的を達成したのも、偶然のような気がします。
要するに、素人が何も分からずに、あれこれ触っていた時の偶然のご褒美と考える事にします。 そして、何故なぜの追及心が必要であることも改めて感じました。 皆さんの参考になれば幸いです。
2020/4/6 作成