FrequencyとDuty比の簡易計測器

周波数とDUTY比の簡易計測器を作りたくなりました。
モーターの回転数とかで使いたい所があって
20KHz辺りまである程度正確に測りたいのです。

いつものように右往左往してしまい内容に関しては、
多分にマーティーにしかわからない記録になっております(-_-;)

さて、Arduinoを調べると、pulseIn() 命令で
LOW期間、HIGH期間を計測することができるようです（解説はここ）

たぶん、割り込みでタイマーを制御するだろうから
Timer Clockで精度はほぼ決まるのでしょうが...
まあ、調べればいいのですが^^;

PICが頭に浮かんだので、久しぶりに使ってみようかなと^^;
しか～し、もう数年使ってないのです。
少なくともブログ始めてから使ってません(T_T)

早速、当時、随分お世話になった
「きむ茶工房ガレージハウス」さんのブログから探します。
Arduinoに出会う前は、随分お世話になりましたm(_ _)m
ブログを移設されて昔と異なるアドレスになってますね～
「ソフトウエアについて
　当サイトのソフトウエアは特に記述が無い限りＰＤＳ(Public Domain Software)とします。
　作権表示義務無し。商用利用、改造、自由。連絡不要とします。
　役立ててやって下さい。」
とあり、誠にありがたいことであります。
活用させていただきますm(_ _)m

サイト内を探すと、やはり、
「ＰＩＣのキャプチャ機能でパルスを計測してみる」ってのが見つかりました。

PIC 16F1829のCCP(Capture/Compare/PWM Modules)モジュールの
Capture機能を使って、周波数とDUTY比を測定するというものです。
ドンピシャであります^^;

CCPモジュールは、全てのPICに装備されているわけではなく、
マーティーの宝箱を探すと、16F1827が1個だけありました！
CCPモジールに関しては、16F1829と同じでした。
マーティー愛用の12F1822は、CCPが1個なので今回は不採用です。

1個しかないので16F1827をポチっておきます。
ここが最安値かな？ US$ 13.35／10個（11% OFF）

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さて、PICは、5年以上前から使ってないので、すっかり忘れております。
過去に動いたプログラムで、コンパイラや書込の復習が必要です。

先の「ＰＩＣのキャプチャ機能でパルスを計測してみる」のプログラムでは、
表示の部分が
「ここでご自由に表示処理を行いましょう」になってるのです。

マーティーは、PICの表示には、

秋月電子の「SC1602」というキャラクタＬＣＤを使っています。
半角１６文字、２行です。
端子位置が横並びの「SD1602」も持ってます。

というのは、これも「きむ茶工房ガレージハウス」さんの
「キャラクタＬＣＤモジュールに表示を行う」を使わせていただいてるからです。
幸い、16F1827でサンプルプログラムが書かれています。

そのサンプルプログラムで昔～し温度計を作ってたので
そのプログラムでコンパイル・ビルド・書込の復習することにします。

書込機は、秋月電子で買った「PIC KIT2」です。
検索するとここにまだ現役でありますね～！
価格も同じ5300円のままで、発売日 2008/10/09 になってます。

PIC KIT2に書き込みの手順は、
こんな事を予期して、マーティーがボードに貼ってました^^;

プログラムソースの日付は、2014年9月6日で6年前でした^^;

ちょっと新規プロジェクトの作成とかで手こずりましたが(-_-;)

コンパイル、ビルドは、成功です。
開発環境は、MPLAB X IDE v2.10、Compilerは、XC8 v1.32 です。
ソフトは、WindowsXPマシンに入れてて
Windows10のマーティーPCには、まだ入れてないのです。
画面はこんな感じです。
昔のプロジェクトを沢山開いたままでした。

PIC KIT2に16F1827を載せて
WindowsXPにUSBで接続して
書き込みソフトは、「PICKit2 v2.61」です。
DEVICE TYPEを設定すると、16F1827が検出されました。

hexファイルを開くのですが、
MPLAB X IDE v2.10のhexファイルは、デフォルトなので深い所にできます。
［Documents and Settings］の下の方なのです。

［Write］！
無事［Programming Successful］がでました！
［Verify］も成功を確認して、

昔～し作って動作してたブレッドボードをお菓子の箱に保存してたので
そのまま、PICを差し替えて、電源ON！
無事動きました！
PIC始めて間もない頃は、とても感動したものです。
左下のTO-92の黒いのが温度センサIC LM35DZです。
10.0 mV/℃の出力電圧をPICのADCで読んでます。

LCDの配線が面倒なので、温度センサーだけ外して
このブレッドボードをそのまま使うことにします。

「ＰＩＣのキャプチャ機能でパルスを計測してみる」から
サンプルプログラムをダウンロードして

「Capture.zip」を解凍するとファイルが３つあります。

周波数計測するプログラムは、この２つです。
CPU Clock：32MHzで
・Capture.c･････クロックソース 1μsec
・HICapture.c･･･クロックソース 125nsec

「Capture.c」でも25KHz辺りまで使えるらしいですが、
1μsecを単純に200倍して±2%と考えると、20KHz
「HICapture.c」の方、125nsecを単純200倍すると、
・クロックソース 1μsec･･･20KHz
・クロックソース 125nsec･･･160KHz
辺りまでは、そこそこ測定できそうと考えていいのかな？

で、「HICapture.c」を使おうと眺めていると
これは、周波数だけでDUTY測定がないですね～

「Capture.c」が、周波数とDUTYを測定していました。
なので、これを元にクロックソースを125nsecに変更した方がラクそうです^^;

さて、16F1829 ⇒ 16F1827に移植しないといけません。
20pin ⇒ 18pin でI/O PIN番号やPORT数も異なるので
定義とかを変更しないといけないのです。
Arduinoの用に簡単にはいかないのです。

まずは、ピンアサインと使用しているモジュールを調べます。

16F1827／16F1829共通

PORT-A、PORT-B、PORT-C、わりと差がありますね～

では、「Capture.c」を眺めていきます。
まず、コンフィグレーション･･･1827と1829で共通なので変更不要です。

と思って進めてたのですが
最初、LCDに何も表示されなくて、気づくまで随分と時間を消費したのですが
先のLCD表示プログラムが32MHzでは、動かなかったのです(T_T)
で、１箇所変更しました。
＊＊＊＊＊＊＊＊＊
// コンフィギュレーション２の設定
#pragma config WRT = OFF        // Flashﾒﾓﾘｰを保護しない(OFF)
// #pragma config PLLEN = ON       // 動作クロックを32MHzで動作させる(ON)

#pragma config PLLEN = OFF       // 動作クロックを8MHzで動作させる(OFF)

＊＊＊＊＊＊＊＊＊

「割り込みの処理」で［Timer1］と［CCP4］を使われてますが
これも16F1827と16F1829で同じです。

CCPのCaptureで使うTimerもTimer1で16F1827／16F1829は、共通なので

この「割り込みの処理」は変更不要です。

ここは、各PORTの設定ですが、

Datasheetを見比べると
16F1827と16F1829でだいぶ異なっています。

CCP4の入力も、1829･･･RC6、1827･･･RA4、と異なっています。

ということで変更します。
コメントだけ変更してる所もあります。
＊＊＊＊＊＊＊＊＊
// I/O情報の設定
// OSCCON = 0b01110000 ;    // 内部クロックは8MHzx4(32MHz)とする
    OSCCON = 0b01110000 ;    // 内部クロックは8MHzとする(config PLLENで決まる)

// ANSELA = 0b00000000 ;    // AN0-AN3は使用しない全てデジタルI/Oとする for 1829
    ANSELA = 0b00000000 ;    // AN0-AN4は使用しない全てデジタルI/Oとする for 1827

// ANSELB = 0b00000000 ;    // AN10-AN11は使用しない全てデジタルI/Oとする for 1829
    ANSELB = 0b00000000 ;    // AN5-AN11は使用しない全てデジタルI/Oとする for 1827

// ANSELC = 0b00000000 ;    // AN4-AN9は使用しない全てデジタルI/Oとする 1829 only

// TRISA  = 0b00000000 ;    // ピン(RA)は全て出力に割当てる(RA3は入力専用)
    TRISA  = 0b00110000 ;    // RA4(CCP4)入力、ピン(RA)は全て出力に割当てる(RA5は入力専用)

    TRISB  = 0b00000000 ;    // ピン(RB)そのは全て出力に割当てる

// TRISC  = 0b01000000 ;    // RC6(CCP4)入力、そのは全て出力に割当てる 1829 only

// PORTA  = 0b00000000 ;    // RA0-RA5出力ピンの初期化(全てLOWにする) for 1829
    PORTA  = 0b00000000 ;    // RA0-RA7出力ピンの初期化(全てLOWにする) for 1827

// PORTB  = 0b00000000 ;    // RB4-RB7出力ピンの初期化(全てLOWにする) for 1829
    PORTB  = 0b00000000 ;    // RB0-RB7出力ピンの初期化(全てLOWにする) for 1827

// PORTC  = 0b00000000 ;    // RC出力ピンの初期化(全てLOWにする) 1829 only
＊＊＊＊＊＊＊＊＊

後は、変更しなくていいハズです。
が、肝心のLCD表示は、各自で考えてね。という事になってるので
表示部分を考えます。
キャラクタLCD「SC1602」は、半角16文字2行なので
ちょっと欲張って少数２位まで、こんな感じにしようと思います。

先の「キャラクタＬＣＤモジュールに表示を行う」の
サンプルプログラムを解凍すると、３つファイルがありますが
skSD1602LCD.c と skSD1602LCD.h を使ってます。

LCD「SC1602」は、4bitパラレルで、6本のI/Oを使います。
I/Oの定義は、「skSD1602LCD.h」に記述されていて
RB2～RB7になっているので、
「Capture.c」で使用するI/Oとカブリはなく
RB2～RB7は、全てデジタル出力として使うので、そのまま使えます^^;

skSD1602LCD.h

ここも、mainで定義されてるので、そのまま使えます。

skSD1602LCD.h

で、16F1827用にした「Capture.c」に表示ルーチンを組み込みます。

main()を変更・追加していきます。（★1が該当箇所）
＊＊＊＊＊Capture.c＊＊＊＊＊
#include <xc.h>
#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include "skSD1602LCD.h"
～
～中略～
～
     PORTB  = 0b00000000 ;    // RB0-RB7出力ピンの初期化(全てLOWにする) for 1827
//  PORTC  = 0b00000000 ;    // RC出力ピンの初期化(全てLOWにする) 1829 only

     /* ＬＣＤの初期化処理を行う */
     lcd_init() ; //★1

     PEIE = 1 ;               // 周辺装置割り込み有効
     GIE  = 1 ;               // 全体の割込み処理を許可する
～
～中略～
～
     CaptureSet() ;           // キャプチャ機能の初期設定を行う

     while(1) {
          // 周波数計測の終了を待ちます(MAX25KHz程までは計測出来るでしょう)
          f = PulseCount(1,1) ; // PlusCount(↑,↑)
//★1  fl = 1000000L / f ;       // 周波数の計算[Hz]、1000000LONG÷PlusCount(↑,↑)
          fl = 1000L / f ;       //★1 周波数の計算[KHz]、1000LONG÷PlusCount(↑,↑)
//★1   sprintf(buf,"%ldHz",fl) ; 
        sprintf(buf," Freq %6.2f KHz",fl) ; //★1 " Freq xxx.xx KHz"をbufへ
          // ここでご自由に表示処理を行いましょう。
        lcd_setCursor(0,0) ;    //★1 カーソルを１行目の先頭に移動
        lcd_puts(buf);          //★1 LCD１行目に " Freq xxx.xx KHz"表示

          // １サイクルのON部分の計測の終了を待ちます
          d = PulseCount(1,0) ; // PlusCount(↑,↓)
          df = ((float)d / (float)f) * 100 ; // デュティ比の計算
//★1  sprintf(buf,"%5.1f%%",df) ; 
        sprintf(buf," Duty %6.2f%%",df) ; //★1 " Duty xxx.xx%"をbufへ
          // ここでご自由に表示処理を行いましょう。
        lcd_setCursor(0,1) ;    //★1 カーソルを２行目の先頭に移動
        lcd_puts(buf);          //★1 LCD2行目に" Duty xxx.xx%"表示

//★1  __delay_ms(1000) ;
          __delay_ms(100) ;   //★1 表示頻度UP
     }
＊＊＊＊＊＊＊＊＊

ひとまず、1カウント 1μsecでの周波数とDuty計測のプログラムができました。
いざ、コンパイル！
ありゃ～！ERROR一杯であります(T_T)
「largest unused contiguous range 0x」なるerrorが一杯(T_T)

原因が判明するのにかなりの時間を要しました(-_-;)
「sprintf(buf," Duty %6.2f%%",df) ;」の行が原因でしたが
オリジナルの「sprintf(buf,"%5.1f%%",df) ;」でもダメなのです。
どうやら、sprintf()で浮動小数点変数float（上のdf）を指定すると
オーバーフローを起こすようです。

引数（f）と書式設定の中もint型、だとコンパイルは通ります。
sprintf(buf,"%6.2u",f) ;

きむ茶工房さんは、MPLAB X v4.10、XC8 v1.40ですね～

マーティーのは、MPLAB X v2.10、XC8 v1.32です(-_-;) 

古いからでしょうね～

バージョアップするとお作法が変わるので、したくないしな～

仕方ないので、整数部と小数部を分離して、それぞれ整数として
sprintf()を使うことにします。
で、手っ取り早く整数部と小数部を分離しようと思って
使った関数が、
C = modf(A, &B); 
・A：分離したい浮動小数点変数
・C：Aの整数部を格納
・&B：Aの小数部を格納する変数Bのアドレス
・#include <math.h> とセットです。
なのですが、

これがまたマーティーを悩ませることに(-_-;)

A、B、C ともfloat型で十分だと思ってやってたら、通らない(T_T)

double型にしないとダメなんですね～(-_-;)

これもわかるまで、あれやこれや時間がかかってしまいました～

分かり難いですが、周波数の表示だけでこんなことになってます(-_-;)

＊＊＊＊＊＊＊＊＊

char buf[16] ; // 表示用のバッファ

long f ; // 周波数の生値[Hz]

double fl ; // fl：周波数[KHz]

double fl_i , fl_d ; // fl_i：flの整数部、fl_d：flの小数部

int fl_i_int ; // 浮動小数点flの整数部分fl_iを整数として格納

int fl_d_100 ; // 浮動小数点flの小数部分の100倍を整数として格納

f = PulseCount(1,1) ;    // PlusCount(↑,↑)

fl = 1000L / f ;         // 周波数の計算[KHz]

fl = fl + 0.005 ;        // 0.01KHzの位で四捨五入するため

fl_d = modf(fl, &fl_i) ; // 小数部 = modf(引数, 整数部を格納するアドレス)

fl_i_int = (int)fl_i ;   // flの整数部をint型へキャストして小数部を切捨てる

fl_d_100 = fl_d * 100 ;  // flの小数部x100して整数として格納

sprintf(buf," Freq %3d.%02dKHz ",fl_i_int,fl_d_100) ;  //bufに" Freq xxx.xx KHz "を格納

// ここでご自由に表示処理を行いましょう。

lcd_setCursor(0,0) ;   // カーソルを１行目の先頭に移動

lcd_puts(buf);           // LCD１行目に bufの内容を表示

＊＊＊＊＊＊＊＊＊

で、やっとコンパイルが通ったわけですが、

実は、最初LCD表示が全くでなかったので、真っ青(T_T)

Clock 32MHz⇒8MHzに落としてやっとLCD表示が出ました。

いつの間にか、Program Space：70.9% になってます。

Compiler XC8 v1.32ですが、Free版なので
生成コードがオプティマイズされないのです。
有償版のPRO modeだと一般に40%削減できると書いてあります。

もうちょっと、処理を追加する予定なのですが
この時点でProgram Space：70.9% じゃ足りなくなりそう(T_T)
sprintf() や modf() を使うのを止めるしかなさそうです^^;

表示レイアウトもちょっと変えます。
まあ、小数点付けるのが面倒だからなのですが(-_-;)

表示の辺りだけ抜粋すると
とても分かり難いですが、バラバラに分解して表示しました。
更にオリジナルの1カウント 1μsecから
Timer Clock＝Fosc/4（8MHz Prescale 1:1）にしたので0.5μsecです。
なのでfl=2000000L/f; で周波数をHzで算出してます。
＊＊＊＊＊＊＊＊＊
～
char buf[16] ;
long f , d ;
float fl ; //fl(周波数)は、小数まで表示する、modf()使わないのでfloatに戻す
int fl_int ; //周波数はHz表示で整数のみにする。その格納用
float df ; //df(Duty)は、小数まで表示する、modf()使わないのでfloatに戻す
int df_i_int ; //dfx100(%)の整数部分
int df_d_10 ; //浮動小数点dfx100(%)の小数部分の10倍を整数として格納
char freq[7] , duty_i[4] , duty_d[2] ; // LCD表示用に数値をcharに変換用
int lcd_i = 0 ; //LCD表示クリヤのカウント用  
～中略～
while(1) {
// 周波数計測の終了を待ちます
   f = PulseCount(1,1) ;    // PlusCount(↑,↑)
   fl = 2000000L / f ;      //周波数の計算[Hz]、2000000LONG÷PlusCount(↑,↑) 1count 500nsec
   fl = fl + 0.5 ;          //0.1Hzの位で四捨五入するため
   fl_int = (int)fl ;     //fl(Hz)の整数部をint型へキャストして小数部を切捨てる

   lcd_setCursor(0,0) ;    //カーソルを１行目の先頭に移動
   lcd_i = ++lcd_i ;
   lcd_puts(" Freq ") ;
   itoa(freq,fl_int,10) ; //整数"fl_int"を10進のchar"freq"に変換
   lcd_puts(freq) ;
   lcd_puts(" Hz") ;

// １サイクルのON部分の計測の終了を待ちます
   d = PulseCount(1,0) ; // PlusCount(↑,↓)
   df = ((float)d / (float)f) * 100 ; // デュティ比の計算[%]
   df = df + 0.05 ;           //0.1%の位で四捨五入するため
   df_i_int = (int)df  ;           //df(%)をintにキャストして整数部をduty_iに格納
   df_d_10 = (df - (float)df_i_int) * 10 ; 
          //df(%)の小数部にx10して、小数部の第1位だけを整数として duty_dに格納
   lcd_setCursor(0,1) ;    //カーソルを２行目の先頭に移動
   lcd_puts(" Duty ") ;
   itoa(duty_i,df_i_int,10) ; //整数"df_i_int"を10進のchar"duty_i"に変換
   lcd_puts(duty_i) ;
   lcd_puts(".") ;
   itoa(duty_d,df_d_10,10) ;  //整数"df_i_int"を10進のchar"duty_i"に変換
   lcd_puts(duty_d) ;
   lcd_puts(" %") ;

__delay_ms(100) ;   //表示頻度UP
}
＊＊＊＊＊＊＊＊＊

Program Space：59.0% になりました！
まあこれくらいだったらよさそうです。
後日、printf()の書式設定は大飯食らいってことを知ったのであります(-_-;)

動いたショットは、これ！
リビングのテーブルにシリコンマット敷いた臨時作業台であります^^;
中央下のは、ATtiny85の方形波発振器です。

DUTYが小さい時。
1KHzですが、DUTYも正しく表示されています。

もしかして、プログラム一式「16F1827_FreqDuty_v6.zip」を見たい方は、
こちらからどうぞ(^_^)

Timer1のClockを1カウント0.5μsecにしたので
最初と同じ様に単純に200倍して±2%と考えると
・クロックソース 0.5μsec･･･40KHz
辺りまで測定できそうです。

上手く動き出したので、更にClockを16MHzに上げて
周波数をどこまで計測できるかやろうとして、
一旦外して書き込んだら、16F1827が死にました＿|￣|○
書き込みソフトでは、WriteもVerifyも「Successful」になってるので、
出力回路が死んでると思われます。

AliExpressでポチってた10個が到着するのを待つしかありません(T_T)
死んでる出力を別PORTに変更すれば、まだ使えそうですが...

それにしてもよく考えると、というか途中で気づいてはいたのですが(-_-;)
Duty100%、つまりDCの時は、
エッジがないので周波数もDUTY比も計測できません。
対策を考えるか別の方法にしないといけないですね～

まあ、これはこれで簡易周波数カウンタとして活躍できるかな^^;
この程度ならArduino＋I2C I/FのLCDで作り直した方がいいんでしょうね～

マーティーのプログラミング能力が劣化してるな～(-_-;)