ATmega328でのタイマとPWMの使用方法

概要

タイマには、8bitタイマと16bitタイマがあり、16bitの方がより多くのパターンを表すことができる。
また、ATmega48、88、168、328にはPWMを使えるピンが6つある。

タイマとPWM

PWMを使用するには、まずタイマについて理解しなければならない。
タイマには、8bitタイマと16bitタイマがあります。

8bitタイマは、0 - 255のパターンを表すことができる。
16bitタイマは、0 - 65535のパターンを表すことができる。

例 :
ATmega328の動作周波数が1[MHz]のとき、1/1,000,000 = 0.000001[s]が表せる最小の時間なので、
8bitタイマでは、最大0.000001 * 256 = 0.256[ms]までの時間を表すことができる。
16bitタイマでは、最大0.000001 * 65536 = 65.536[ms]までの時間を表すことができる。

タイマとPWMの関係を下図に示す。(タイマは実線(青)とし、PWM出力は実線(赤)とする)

タイマ(カウンタ)は、0からTOP値までカウントしていく。(青線)
TOP値を超えるとオーバーフロー割り込みが発生し、TOP値を超えたことを知らせる。
その後、タイマ(カウンタ)の値は0に戻り、カウントが再開される。
また、指定した値に到達したことを知らせる割り込み"比較一致割り込み(コンペアマッチ)"等の割り込みもある。
比較一致のときに、波形をHIGH、LOW、反転させることでPWM制御ができる。(赤線)

キーワード

• タイマモードの種類
  • 標準モード (普通のタイマ、カウンタを使う)
  • CTCモード (カウンタの上限を自由に設定)
  • 高速PWM (タイマが、ノコギリ波)
  • 位相基準PWM (タイマが、三角波)

• タイマ、PWMが出力できるピン
  • OCR0A(PD6)とOCR0B(PD5)
  • OCR1A(PB1)とOCR1B(PB2)
  • OCR2A(PB3)とOCR2B(PD3)

• タイマとPWMを使うための設定(これらは、タイマ設定レジスタである)
  • 1のための設定:　TCCR0AとTCCR0B
  • 2のための設定:　TCCR1AとTCCR1B
  • 3のための設定:　TCCR2AとTCCR2B

タイマモード

タイマのモードには、標準、CTC、位相基準PWM、高速PWMがある。
PWMを使用する時は、タイマモードを位相基準PWM、高速PWMに設定することで使用できる。

タイマとPWMの関係を再度、下図に示す。(タイマは実線(青)とし、PWM出力は実線(赤)とする)
下図は、タイマ0(8bitタイマ)の図だが、他のタイマも似たものとなる。

下記にタイマとPWMを使用するための説明を行う。

• 標準モードは、カウンタとして動作させたい時に使用する。(普通のタイマ)
• コンペアマッチ(指定値とタイマの値が一致)するための指定値はOCRnAまたはOCRnB(nは数字、後述)で設定する。

その値を超えたらTOPの値になるまでPWM信号は0を出力し、その後、タイマは0に戻る。

しかし、TOPの値をTOP = OCRnAまたはTOP = OCRnBとすることで、TOPの値まで行かなくてもタイマを0に戻すことができる。

これを、CTCモードという。

• 高速PWMモードは、PWMを使うときに使用する。

動作原理は、上図の通りである。(タイマはノコギリ波で表される)

• 位相基準PWMモードは、高速PWMモードとは違い、タイマは三角波で表される。

PWM出力ができるピン

ATmega48、88、168、328にはPWMを使えるピンが6つある。
OCR0A(PD6)とOCR0B(PD5)、OCR1A(PB1)とOCR1B(PB2)、OCR2A(PB3)とOCR2B(PD3)
上記6つのピンに対するタイマやPWMの設定は、それぞれTCCR0AとTCCR0B、TCCR1AとTCCR1B、TCCR2AとTCCR2Bで設定する。

TCCRnAは、タイマレジスタの7 - 6bitで使い方を指定し、
TCCRnBは、タイマレジスタの5 - 4bitで使い方を指定する。

ピンの役割

	8bitタイマ(タイマ0)	16bitタイマ(タイマ1)	8bitタイマ(タイマ2)
ピン設定	TCCR0A TCCR0B	TCCR1A TCCR1B	TCCR2A TCCR2B
ピン出力	OCR0A OCR0B	OCR1A OCR1B	OCR2A OCR2B
ピン名	PD6(OCR0A) PD5(OCR0B)	PB1(OCR1A) PB2(OCR1A)	PB3(OCR2A) PD3(OCR2A)

タイマ設定レジスタ

8bitタイマであるタイマ0(OCR0A(PD6)とOCR0B(PD5))を使用する場合は、TCCR0AとTCCR0BでタイマとPWMの設定を行う。
TCCR0Aで、PWMのコンペアマッチとタイマのモード設定を行い、TCCR0BでタイマのTOP値と、クロック分周の設定を行う。
詳細は、以下のタイマ0のレジスタ設定に示す。

16bitタイマであるタイマ1(OCR1A(PB1)とOCR1B(PB2))を使用する場合は、TCCR1AとTCCR1BでタイマとPWMの設定を行う。
詳細は、以下のタイマ1のレジスタ設定に示す。

8bitタイマであるタイマ2(OCR2A(PB3)とOCR2B(PD3))を使用する場合は、タイマ0とほぼ同じなので割愛する。

タイマ0のレジスタ設定

タイマ0の設定レジスタであるTCCR0Aの設定を下表に示す。

TCCR0A タイマ0設定レジスタ
	PWM出力方法(コンペアマッチA) 出力ピン : OCR0A		PWM出力方法(コンペアマッチB) 出力ピン : OCR0B		設定なし	設定なし	タイマのモード設定(一部)
ビット名	7	6	5	4	3	2	1	0
レジスタ名	COM0A1	COM0A0	COM0B1	COM0B0	-	-	WGM01	WGM00
波形出力なし	0	0	0	0	-	-	0	0	標準
コンペアマッチで出力が反転	0	1	0	1	-	-	1	0	CTC
コンペアマッチでLow出力	1	0	1	0	-	-	0	1	位相基準PWM
コンペアマッチでHigh出力	1	1	1	1	-	-	1	1	高速PWM

TCCR0B タイマ0設定レジスタ
	OC0RAおよびOCR0Bの強制変更		設定なし	設定なし	タイマモード設定(一部)	クロック分周の設定
ビット名	7	6	5	4	3	2	1	0
レジスタ名	FOC0A	FOC0B	-	-	WGM02	CS02	CS01	CS00
役割	強制コンペアマッチ (非PWMモードのみ)		-	-	下で説明する	クロック分周の選択

WGMの役割 タイマモード設定
WGM02	WGM01	QGM00	動作モード	TOP
0	0	0	標準	0xFF
1	0	0	予約	-
0	1	0	位相基準PWM	0xFF
1	0	1	位相基準PWM	OCRnA(nは0または1)
0	1	0	CTC	OCRnA(nは0または1)
1	1	0	予約	-
0	1	1	高速PWM	0xFF
1	1	1	高速PWM	OCRnA(nは0または1)

クロック分周の設定
設定	CS02	CS01	CS00
ビット名(TCCR0B)	2	1	0
タイマ停止	0	0	0
分周なし	0	0	1
分周 1 / 8	0	1	0
分周 1 / 64	0	1	1
分周 1 / 256	1	0	0
分周 1 / 1024	1	0	1
外部クロック T0を立ち下がりエッジで	1	1	0
外部クロック T0を立ち上がりエッジで	1	1	1

タイマ1のレジスタ設定

タイマ1の設定レジスタであるTCCR1Aの設定を下表に示す。

TCCR1A タイマ1設定レジスタ
	PWM出力方法 (コンペアマッチA) 出力ピン : OCR1A		PWM出力方法 (コンペアマッチB) 出力ピン : OCR1B		設定なし	設定なし	タイマのモード設定(一部)
ビット名	7	6	5	4	3	2	1	0
レジスタ名	COM1A1	COM1A0	COM1B1	COM1B0	-	-	WGM11	WGM10
波形出力なし	0	0	0	0	-	-	タイマのモード設定 (下に記載)
コンペアマッチで出力が反転	0	1	0	1	-	-
コンペアマッチでLow出力	1	0	1	0	-	-
コンペアマッチでHigh出力	1	1	1	1	-	-

TCCR1B タイマ0設定レジスタ
	インプットキャプチャ		設定なし	タイマモード設定(一部)		クロック分周の設定
ビット名	7	6	5	4	3	2	1	0
レジスタ名	1CNC1	1CES1	-	WGM13	WGM12	CS12	CS11	CS10
役割	ノイズ除去器を有効にする (4回同じ入力で1入力される)	エッジ設定 0 : 立ち下がり 1 : 立ち上がり	-	タイマモード設定 (下で説明する)		クロック分周の選択

WGMの役割 タイマモード設定
WGM13	WGM12	WGM11	QGM10	動作モード	TOP
0	0	0	0	標準	0xFFFF
0	0	0	1	8bit位相標準PWM	0x00FF
0	0	1	0	9bit位相標準PWM	0x1FFF
0	0	1	1	10bit位相標準PWM	0x03FF
1	0	0	0	位相・周波数基準PWM	ICR1
1	0	0	1	位相・周波数基準PWM	OCR1A
1	0	1	0	位相基準PWM	ICR1
1	0	1	1	位相基準PWM	OCR1A
0	1	0	0	CTC	OCR1A
1	1	0	0	CTC	ICR1
1	1	0	1	予約	-
0	1	0	1	8bit高速PWM	0x00FF
0	1	1	0	9bit高速PWM	0x01FF
0	1	1	1	10bit高速PWM	0x03FF
1	1	1	0	高速PWM	ICR1
1	1	1	1	高速PWM	OCR1A

クロック分周の設定
設定	CS12	CS11	CS10
ビット名(TCCR1B)	2	1	0
タイマ停止	0	0	0
分周なし	0	0	1
分周 1 / 8	0	1	0
分周 1 / 64	0	1	1
分周 1 / 256	1	0	0
分周 1 / 1024	1	0	1
外部クロック T0を立ち下がりエッジで	1	1	0
外部クロック T0を立ち上がりエッジで	1	1	1

PWMを使用するときの設定

• タイマ0(8bit)

  レジスタ : TCCR0AとTCCR0B

  HIGH時間を指定する : OCR0A(PD6),OCR0B(PD5)

• タイマ1(16bit)

  レジスタ : TCCR1AとTCCR1B

  HIGH時間を指定する : OCR1A(PB1),OCR1B(PB2)

  TOP値を指定する : ICR1

• タイマ2(8bit)

  レジスタ : TCCR2AとTCCR2B

  HIGH時間を指定する : OCR2A(PB3)とOCR2B(PD3)