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NCO(Numerically Controlled Oscillator)

　８ピンのPIC12F1501には、NCOモジュールが含まれています。

　NCOは、累算器のオーバーフローを利用し矩形波の周波数を可変します。

　ブロック図でみると、以下。



　PIC12F1501に含まれる累算器は20ビット、オーバーフローを発生させる
　ために利用する固定の加算値を16ビットレジスタに格納して使います。

　矩形波の波形を50％のDUTY比にする場合、周波数はオーバーフローで
　生成できる周波数の１／２となります。

　NCOが生成する矩形波のDUTY比を50％にしないでよいなら、生成周波数が
　出力周波数にできます。

　PIC12F1501のNCOモジュールでは、DUTY比を50％にするブロックと
　50％ではないブロックが含まれています。どちらを使うかは内部
　レジスタで指定できます。

　DUTY比が50％である矩形波を生成してみます。
　ブロック図は、以下。



　ブロック図から、50％のDUTY比をもった矩形波生成には
　NxPFMビットを０に設定すればよいとわかります。

　ブロック図を矩形波出力側から見ていくと、次のビットを
　設定しなければならないと理解できます。

NxPOL
NxOE
TRIS control

　NCOモジュールから矩形波を出力するとき、反転して出力する
　のか、そのまま出力するかの指定をNxPOLが担当。

　NCOモジュールの矩形波出力をピンに接続するため、NxOEで指定。

　実際に矩形波を出力するには、２カ所あるので、どちらにするか
　を指定しなければなりません。




　NCOは累算器のオーバーフローを利用するので、累算器に
　指定した加算値を加えるトリガーが必要です。トリガー
　にクロックを使うので、そのクロックソースをどれにする
　かを選択します。

　クロックソースは、以下。

NCO1CLK
LC1OUT
Fosc
HFINTOSC(16MHz)

　NCO1CLKは、チップのRA5ピンから入力するクロック利用。

　LC1OUTは、内部のCLCブロックから出力されたクロックを利用。

　Foscは、内部のシステムクロックを利用。
　内部にクロックジェネレータをもつとき、ジェネレータ関係
　レジスタの設定値で、Foscは変わります。

　HFINTOSCは、内部クロックジェネレータが生成する最高周波数
　となり、PIC12F1501では16MHzです。

　NCOモジュールを動かすために、初期化が必要なレジスタは以下。



　割込みを利用しないときは、次のレジスタ類に値を設定。

APFCON
NCO1ACCU
NCO1ACCH
NCO1ACCL
NCO1CLK
NCO1CON
NCO1INCH
NCO1INCL
TRISA

　APFCONは、NCO1SELで生成した矩形波をRA5、RA1のどちらの
　ピンに出力するのかを指定します。

　NCO1INCH、NCO1INCLは、ダブルバッファ構造になっているため
　生成する矩形波の周波数を任意のタイミングで変更可能。

　NCO1CONのN1PFMビットを利用して、矩形波のDUTY比を50％と
　します。

　実験回路を次のようにして、動作確認してみました。



　２個のプッシュスイッチで、NCO1INCの値を＋１００か−１００します。
　これで、矩形波の周波数を変更可能に。

　COUTは、マイコンが動作していることを確認するため
　タイマー割込みで、クロックを生成。

　初期化処理は、次のようにまとめました。

#define NCOV  20970

void init_usr(void)
{
  /* select 16MHz */
  OSCCON = (0x0f << 3) | 0x03 ;
  /* disable A/D converter */
  ADCON0.ADON = OFF ;
  ADCON2      = 0 ;
  /* disable D/A converter */
  DACCON0.DACEN = OFF ;
  /* disable compare module */
  CM1CON0.C1ON = OFF ;
  CM1CON0.C1OE = OFF ;
  /* I/O directions */
  TRISA = 0x38 ; /* bit0,1,2 as output , others as input */
  /* pull-up */
  WPUA = 0x30 ;
  /* initialize NCO */
  {
    /* initial displacement */
    ncocnt = NCOV ;
    send_displacement(ncocnt);
    /* which pin */
    APFCON.NCO1SEL = 0 ;
    /* clear accumulator */
    NCO1ACCU = 0x00 ;
    NCO1ACCH = 0x00 ;
    NCO1ACCL = 0x00 ;
    /* select clock
        output 1:1
        input  HFINTOSC (16 MHz)
    */
    NCO1CLK = 0x00 ;
    /* control */
    NCO1CON = 0xf0 ;
  }
  /* initialize Timer 0 */
  {
    /*
       16MHz/4 = 4MHz -> 4MHz/16 = 250kHz prescaler = 1:16
    */
    OPTION_REG = 0x03 ;
    /* 256 - 6 = 250 */
    TMR0 = CNTBEGIN ;
    /* enable timer0 overflow interrupt */
    INTCON.TMR0IE = ON ;
  }
  /* enable general interrupt */
  INTCON.GIE = ON ;
  /* initialize variables */
  hsft = 0 ;
  dsft = 0 ;
  timcnt = 0 ;
  /* clear flags */
  x_flags.DR = 0 ;
}

　NCO1INCの値を変更するときに、専用関数を用意して
　何をしているのかを把握しやすくしています。

typedef unsigned int  UWORD ;

#define MASKFF 0xff

void send_displacement(UWORD x)
{
  NCO1INCH = (x >> 8) & MASKFF ;
  NCO1INCL = x & MASKFF ;
}

　NCO1INCの値を増減するため、プッシュスイッチを使います。
　シフトレジスタを利用して、変化を読み取りました。

    if ( TFLAG == ON ) {
      /* clear flag */
      TFLAG = OFF ;
      /* get switch state */
      swstate = PORTA ^ MASKFF ;
      /* shift */
      hsft <<= 1 ;
      dsft <<= 1 ;
      /* mask */
      hsft &= MASK07 ;
      dsft &= MASK07 ;
      /* update LSB */
      if ( swstate & H_BIT ) { hsft |= ON ; }
      if ( swstate & L_BIT ) { dsft |= ON ; }
      /* judge */
      if ( hsft == ON ) { HFLAG = ON ; }
      if ( dsft == ON ) { DFLAG = ON ; }
    }

　値変更には、フラグを用意し専門の手続きが担当します。

    /* increment 100 */
    if ( HFLAG == ON ) {
      /* clear flag */
      HFLAG = OFF ;
      /* update */
      ncocnt += DISPX ;
      /* upper limit */
      if ( ncocnt > MAXDISPX ) { ncocnt = MAXDISPX ; }
      /* update NCO module */
      send_displacement(ncocnt);
    }
    /* increment 10  */
    if ( DFLAG == ON ) {
      /* clear flag */
      DFLAG = OFF ;
      /* update */
      ncocnt -= DISPX ;
      /* lower limit */
      if ( ncocnt < MINDISPX ) { ncocnt = MINDISPX ; }
      /* update NCO module */
      send_displacement(ncocnt);
    }

　NCO1INCは16ビットレジスタなので、０から65535までの値を
　設定できますが、上限、下限を用意して、指定した範囲で
　動くようにリミッターを入れてあります。

　シフトレジスタを動かすためのトリガーに、タイマー０の割込みを
　利用します。割込みが発生時、RA2に１か０を出力してマイコンが
　動作していることがわかるようにしておきます。

　割込みハンドラは、以下。

void interrupt(void)
{
  /* generate 1kHz = 1ms => 1Hz */
  if ( INTCON.T0IF == ON ) {
    /* clear flag */
    INTCON.T0IF = OFF ;
    /* initialize */
    TMR0 = CNTBEGIN ;
    /* increment */
    timcnt++ ;
    /* judge */
    if ( timcnt == CNTMAX ) {
      /* clear */
      timcnt = 0 ;
      /* set flag */
      TFLAG = ON ;
    }
    /* monitor */
    MFOUT = timcnt & ON ;
  }
}

　使う部材が揃ったので、全体をまとめます。

typedef unsigned char UBYTE ;
typedef unsigned int  UWORD ;
typedef unsigned long ULONG ;

typedef union {
  struct {
    unsigned char B0:1;
    unsigned char B1:1;
    unsigned char B2:1;
    unsigned char B3:1;
    unsigned char B4:1;
    unsigned char B5:1;
    unsigned char B6:1;
    unsigned char B7:1;
  } BIT ;
  unsigned char DR ;
} FLAGSP ;

volatile FLAGSP x_flags ;

#define NCOV     20970
#define MAXDISPX 65530
#define MINDISPX 10000

#define DISPX 100
#define MFOUT PORTA.F2

#define HFLAG x_flags.BIT.B0
#define DFLAG x_flags.BIT.B1
#define EFLAG x_flags.BIT.B2
#define TFLAG x_flags.BIT.B3

#define OFF 0
#define ON  OFF+1

#define CNTBEGIN 6
#define CNTMAX   100

#define MASKFF 0xff
#define MASK07 0x07

#define H_BIT 0x20
#define L_BIT 0x10

volatile UBYTE timcnt ;
volatile UBYTE swstate ;

volatile UWORD ncocnt ;
volatile UBYTE hsft ;
volatile UBYTE dsft ;
      
/* function prototype */
void init_usr(void);
void send_displacement(UWORD x);

/* interrupt handler */
void interrupt(void)
{
  /* generate 1kHz = 1ms => 1Hz */
  if ( INTCON.T0IF == ON ) {
    /* clear flag */
    INTCON.T0IF = OFF ;
    /* initialize */
    TMR0 = CNTBEGIN ;
    /* increment */
    timcnt++ ;
    /* judge */
    if ( timcnt == CNTMAX ) {
      /* clear */
      timcnt = 0 ;
      /* set flag */
      TFLAG = ON ;
    }
    /* monitor */
    MFOUT = timcnt & ON ;
  }
}

void main(void)
{
  /* initialize */
  init_usr() ;
  /* endless loop */
  while ( ON ) {
    /* debouncing */
    if ( TFLAG == ON ) {
      /* clear flag */
      TFLAG = OFF ;
      /* get switch state */
      swstate = PORTA ^ MASKFF ;
      /* shift */
      hsft <<= 1 ;
      dsft <<= 1 ;
      /* mask */
      hsft &= MASK07 ;
      dsft &= MASK07 ;
      /* update LSB */
      if ( swstate & H_BIT ) { hsft |= ON ; }
      if ( swstate & L_BIT ) { dsft |= ON ; }
      /* judge */
      if ( hsft == ON ) { HFLAG = ON ; }
      if ( dsft == ON ) { DFLAG = ON ; }
    }
    /* increment 100 */
    if ( HFLAG == ON ) {
      /* clear flag */
      HFLAG = OFF ;
      /* update */
      ncocnt += DISPX ;
      /* upper limit */
      if ( ncocnt > MAXDISPX ) { ncocnt = MAXDISPX ; }
      /* update NCO module */
      send_displacement(ncocnt);
    }
    /* increment 10  */
    if ( DFLAG == ON ) {
      /* clear flag */
      DFLAG = OFF ;
      /* update */
      ncocnt -= DISPX ;
      /* lower limit */
      if ( ncocnt < MINDISPX ) { ncocnt = MINDISPX ; }
      /* update NCO module */
      send_displacement(ncocnt);
    }
  }
}

/* define function body */
void init_usr(void)
{
  /* select 16MHz */
  OSCCON = (0x0f << 3) | 0x03 ;
  /* disable A/D converter */
  ADCON0.ADON = OFF ;
  ADCON2      = 0 ;
  /* disable D/A converter */
  DACCON0.DACEN = OFF ;
  /* disable compare module */
  CM1CON0.C1ON = OFF ;
  CM1CON0.C1OE = OFF ;
  /* I/O directions */
  TRISA = 0x38 ; /* bit0,1,2 as output , others as input */
  /* pull-up */
  WPUA = 0x30 ;
  /* initialize NCO */
  {
    /* initial displacement */
    ncocnt = NCOV ;
    send_displacement(ncocnt);
    /* which pin */
    APFCON.NCO1SEL = 0 ;
    /* clear accumulator */
    NCO1ACCU = 0x00 ;
    NCO1ACCH = 0x00 ;
    NCO1ACCL = 0x00 ;
    /* select clock
        output 1:1
        input  HFINTOSC (16 MHz)
    */
    NCO1CLK = 0x00 ;
    /* control */
    NCO1CON = 0xf0 ;
  }
  /* initialize Timer 0 */
  {
    /*
       16MHz/4 = 4MHz -> 4MHz/16 = 250kHz prescaler = 1:16
    */
    OPTION_REG = 0x03 ;
    /* 256 - 6 = 250 */
    TMR0 = CNTBEGIN ;
    /* enable timer0 overflow interrupt */
    INTCON.TMR0IE = ON ;
  }
  /* enable general interrupt */
  INTCON.GIE = ON ;
  /* initialize variables */
  hsft = 0 ;
  dsft = 0 ;
  timcnt = 0 ;
  /* clear flags */
  x_flags.DR = 0 ;
}

void send_displacement(UWORD x)
{
  NCO1INCH = (x >> 8) & MASKFF ;
  NCO1INCL = x & MASKFF ;
}

　マルチメータの周波数カウンタで動作を確認してみました。





　DUTY比が50％でない場合の実験を考えます。
　ブロック図は、以下。




　累算器のオーバーフローでSRラッチの出力をセットし
　Ripple Counterの出力でSRラッチの出力をクリアする
　ので、DUTY比は50％になりません。

　タイミングチャートで、動作を見ていきます。



　SRラッチをクリアするのは、Ripple Counterの出力なので
　オーバーフローの周波数が、NCO出力矩形波の周波数と一致
　します。

　ブロック図からSRラッチのセット、クリアの優先順位は
　セットにあります。Ripple Counterのクロックが有効に
　なるのは、SRラッチのQ出力との論理積になっているので
　Q出力が'H'のときに限定されているから。

　Ripple Counterは、NCOxCLOCKを分周して生成するので
　レジスタNCO1CLKの上位３ビットで、分周比を指定。



　３ビットの値を、２のベキ乗の指数部に設定するので
　矩形波のパルス幅を設定することと等価。

　16MHzをNCO1CLOCKとした場合、どの程度になるかを計算すると以下。

0 16MHz  = (1/16)us
1  8MHz  =  (1/8)us
2  4MHz  =  (1/4)us
3  2MHz  =  (1/1)us
4  1MHz  =  (1/1)us
5 500kHz =  2us
6 250kHz =  4us
7 125kHz =  8us

　パルス幅から、分周比推定も可能と言えます。

　50％DUTYとそうでない場合を選択できるようにするため
　トグルスイッチを追加して実験してみます。

　回路は、以下。



　ファームウエアは、以下。

typedef unsigned char UBYTE ;
typedef unsigned int  UWORD ;
typedef unsigned long ULONG ;

typedef union {
  struct {
    unsigned char B0:1;
    unsigned char B1:1;
    unsigned char B2:1;
    unsigned char B3:1;
    unsigned char B4:1;
    unsigned char B5:1;
    unsigned char B6:1;
    unsigned char B7:1;
  } BIT ;
  unsigned char DR ;
} FLAGSP ;

volatile FLAGSP x_flags ;

#define NCOV  20970
#define MAXDISPX 65530
#define MINDISPX 10000

#define DISPX 100
#define MFOUT PORTA.F2
#define SD50  PORTA.F3

#define HFLAG x_flags.BIT.B0
#define DFLAG x_flags.BIT.B1
#define EFLAG x_flags.BIT.B2
#define TFLAG x_flags.BIT.B3

#define OFF 0
#define ON  OFF+1

#define CNTBEGIN 6
#define CNTMAX   100

#define MASKFF 0xff
#define MASK07 0x07

#define H_BIT 0x20
#define L_BIT 0x10

volatile UBYTE timcnt ;
volatile UBYTE swstate ;

volatile UWORD ncocnt ;
volatile UBYTE hsft ;
volatile UBYTE dsft ;
      
/* function prototype */
void init_usr(void);
void send_displacement(UWORD x);

/* interrupt handler */
void interrupt(void)
{
  /* generate 1kHz = 1ms => 1Hz */
  if ( INTCON.T0IF == ON ) {
    /* clear flag */
    INTCON.T0IF = OFF ;
    /* initialize */
    TMR0 = CNTBEGIN ;
    /* increment */
    timcnt++ ;
    /* judge */
    if ( timcnt == CNTMAX ) {
      /* clear */
      timcnt = 0 ;
      /* set flag */
      TFLAG = ON ;
    }
    /* monitor */
    MFOUT = timcnt & ON ;
  }
}

void main(void)
{
  /* initialize */
  init_usr() ;
  /* endless loop */
  while ( ON ) {
    /* debouncing */
    if ( TFLAG == ON ) {
      /* clear flag */
      TFLAG = OFF ;
      /* get switch state */
      swstate = PORTA ^ MASKFF ;
      /* shift */
      hsft <<= 1 ;
      dsft <<= 1 ;
      /* mask */
      hsft &= MASK07 ;
      dsft &= MASK07 ;
      /* update LSB */
      if ( swstate & H_BIT ) { hsft |= ON ; }
      if ( swstate & L_BIT ) { dsft |= ON ; }
      /* judge */
      if ( hsft == ON ) { HFLAG = ON ; }
      if ( dsft == ON ) { DFLAG = ON ; }
    }
    /* increment 100 */
    if ( HFLAG == ON ) {
      /* clear flag */
      HFLAG = OFF ;
      /* update */
      ncocnt += DISPX ;
      /* upper limit */
      if ( ncocnt > MAXDISPX ) { ncocnt = MAXDISPX ; }
      /* update NCO module */
      send_displacement(ncocnt);
    }
    /* increment 10  */
    if ( DFLAG == ON ) {
      /* clear flag */
      DFLAG = OFF ;
      /* update */
      ncocnt -= DISPX ;
      /* lower limit */
      if ( ncocnt < MINDISPX ) { ncocnt = MINDISPX ; }
      /* update NCO module */
      send_displacement(ncocnt);
    }
  }
}

/* define function body */
void init_usr(void)
{
  /* select 16MHz */
  OSCCON = (0x0f << 3) | 0x03 ;
  /* disable A/D converter */
  ADCON0.ADON = OFF ;
  ADCON2      = 0 ;
  /* disable D/A converter */
  DACCON0.DACEN = OFF ;
  /* disable compare module */
  CM1CON0.C1ON = OFF ;
  CM1CON0.C1OE = OFF ;
  /* I/O directions */
  TRISA = 0x3c ; /* bit0,1 as output , others as input */
  /* pull-up */
  WPUA = 0x34 ;
  /* initialize NCO */
  {
    /* initial displacement */
    ncocnt = NCOV ;
    send_displacement(ncocnt);
    /* which pin */
    APFCON.NCO1SEL = 0 ;
    /* clear accumulator */
    NCO1ACCU = 0x00 ;
    NCO1ACCH = 0x00 ;
    NCO1ACCL = 0x00 ;
    /* select clock
        output 1:1
        input  HFINTOSC (16 MHz)
        ripple counter 1:4
    */
    NCO1CLK = 0x40 ;
    /* control */
    NCO1CON = 0xf0 ;
    if ( SD50 == ON ) { NCO1CON |= ON ; }
  }
  /* initialize Timer 0 */
  {
    /*
       16MHz/4 = 4MHz -> 4MHz/16 = 250kHz prescaler = 1:16
    */
    OPTION_REG = 0x03 ;
    /* 256 - 6 = 250 */
    TMR0 = CNTBEGIN ;
    /* enable timer0 overflow interrupt */
    INTCON.TMR0IE = ON ;
  }
  /* enable general interrupt */
  INTCON.GIE = ON ;
  /* initialize variables */
  hsft = 0 ;
  dsft = 0 ;
  timcnt = 0 ;
  /* clear flags */
  x_flags.DR = 0 ;
}

void send_displacement(UWORD x)
{
  NCO1INCH = (x >> 8) & MASKFF ;
  NCO1INCL = x & MASKFF ;
}

　次の基板でテストします。



(under construction)

---

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