Les sorties : PWM et temps

Une sortie numérique et ses limites

digitalWrite(broche, HIGH) impose 5 V sur la broche, LOW impose 0 V. La broche fournit alors du courant à ce qui y est branché, et ce courant est limité.

Une broche n'est pas une source idéale : elle se comporte comme une source réelle, une tension accompagnée d'une résistance interne de quelques dizaines d'ohms. Plus on lui demande de courant, plus sa tension s'affaisse. Sous une LED, l'effet est négligeable ; sous un moteur, le courant demandé dépasse de loin la limite de la broche, et la tension s'effondre en même temps : le moteur ne démarre pas, et la broche chauffe. C'est la raison physique de la règle qui suit.

Au fond, cet appel se ramène à une écriture mémoire : sur l'Uno, un bit dans le registre du port de la broche, un octet qui regroupe huit broches. digitalWrite ajoute autour une recherche en table, pour trouver le port et le bit de la broche, et coupe la PWM de la broche si elle en produisait. Le chapitre d'architecture Les entrées et sorties montre le principe en assembleur sur une machine plus simple, où chaque sortie occupe un octet.

La modulation de largeur d'impulsion

analogWrite(broche, valeur) produit ce signal, avec une valeur de 0 à 255 : 0 donne un rapport cyclique de 0 %, 255 de 100 %. Sur l'Uno, la fréquence est d'environ 490 Hz sur la plupart des broches PWM, et d'environ 980 Hz sur les broches 5 et 6 : une période dure environ 2 ms, et 1 ms sur les broches 5 et 6.

Une LED alimentée ainsi s'allume et s'éteint près de 500 fois par seconde, bien trop vite pour que l'œil le perçoive : il ne voit que la moyenne.

L'œil et le moteur moyennent parce qu'ils sont lents devant la période du signal. Un circuit électrique peut faire la même chose, et c'est ainsi qu'on obtient une vraie tension continue à partir d'une PWM : une résistance et un condensateur dont la constante de temps dépasse largement les deux millisecondes de la période. Le condensateur n'a pas le temps de suivre chaque créneau et se stabilise à la moyenne. Ce montage est un filtre passe-bas : il laisse passer la moyenne et arrête l'oscillation. Un moteur, par son inertie, fait de même. D'où la règle de calcul :

$\text{tension moyenne} = 5 \times \frac{\text{valeur}}{255} \qquad \text{valeur} = 255 \times \frac{\text{tension visée}}{5}$

analogWrite(9, 128) donne une tension moyenne de 2,51 V. Pour obtenir 3 V en moyenne, on écrit 153.

Sur quelles broches

analogWrite ne produit de PWM que sur les broches marquées ~ : 3, 5, 6, 9, 10 et 11 sur l'Uno. Sur une autre broche, elle se comporte comme digitalWrite : une valeur inférieure à 128 donne LOW, une valeur de 128 ou plus donne HIGH. Le programme compile, la LED ne varie pas, et rien ne signale l'erreur.

Un fondu

Faire varier la valeur progressivement produit un fondu, parce que chaque nouvelle valeur ne dure que le temps d'un delay.

Chaque montée compte 256 niveaux de 5 ms : elle dure 1 280 ms. Ici, <= 255 est correct, puisque 255 est une valeur valide et que l'on veut l'atteindre : c'est la borne d'un intervalle de valeurs, pas le nombre d'éléments d'un tableau. Le compteur, lui, doit rester un int : avec un byte, qui ne dépasse pas 255, niveau++ repasse de 255 à 0, la condition niveau <= 255 reste toujours vraie, et la boucle ne s'arrête jamais.

Une LED pilotée par un potentiomètre combine les deux chapitres : analogRead lit la position, map la ramène de 0 à 255, analogWrite fixe la luminosité.

Ce que coûte un delay

delay(100) ne fait pas « attendre un peu » : il suspend le programme pendant cent millisecondes. Aucune ligne de loop() ne s'exécute, aucune broche n'est lue. Le matériel, lui, continue : la PWM garde sa valeur, ce qui fait fonctionner le fondu plus haut, les octets reçus sur la liaison série s'accumulent dans un tampon, et le compteur de millis() continue d'avancer.

Ce programme lit le bouton une fois toutes les 100 ms. Un appui bref, de 60 ms, qui tombe entre deux lectures n'est jamais vu. Simulé sur vingt instants d'appui répartis sur une période, il est manqué huit fois : 40 % des appuis de 60 ms sont perdus, soit exactement la part de la période que l'appui ne recouvre pas.

La vraie limite de delay. Un seul delay ne pose aucun problème dans un programme qui ne fait qu'une chose. Il devient un défaut dès que le programme doit faire deux choses en même temps : clignoter et surveiller un bouton, faire un fondu et mesurer une température. Le chapitre suivant remplace delay par une autre façon de compter le temps.

Mettre en pratique