Středoškolská odborná činnost 2006/2007 Obor 10 - elektrotechnika, elektronika, telekomunikace a technická informatika
Mikrokontroléry AVR, programování a praktické použití
Autor: Adam Bařtipán GZW Rakovník, Náměstí Jana Žižky 186, 269 01 Rakovník, 3. ročník Konzultant práce: Ing. Vladimír Bláha (Beltes Rakovník)
Zadavatel práce: GZW Rakovník
Rakovník, 2007 Středočeský kraj 1
Tímto prohlašuji, že jsem soutěžní práci vypracoval samostatně pod vedením Ing. Vladimíra Bláhy a uvedl v seznamu literatury veškerou použitou literaturu a další informační zdroje včetně internetu.
V Rakovníku dne 15.3.2007
¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ vlastnoruční podpis autora
2
Obsah Úvod...........................................................................................................................................3 Metodika.....................................................................................................................................4 Rodina AVR................................................................................................................................5 Základní programování...............................................................................................................7 Ovládání výstupu..........................................................................................................8 Ovládání výstupu pomocí tlačítka..............................................................................11 Čekací smyčky............................................................................................................13 smyčky čekající po určitou dobu......................................................................13 smyčky čekající na určitou událost...................................................................15 Přístup k 16-bit registrům...........................................................................................15 Efektivní volba proměnné..........................................................................................15 Přerušení.....................................................................................................................16 Ovládání periferií......................................................................................................................18 Čítače..........................................................................................................................18 Osmibitový čítač....................................................................................................18 Šestnáctibitový čítač..............................................................................................21 PWM......................................................................................................................24 Závěr.........................................................................................................................................27 Resumé.....................................................................................................................................28 Seznam použité literatury.........................................................................................................29 Internetové zdroje.....................................................................................................................30 Přílohy......................................................................................................................................31 Přehled modelů AVR..................................................................................................31 Tabulka režimů PWM.................................................................................................31 Ukázky katalogových listů AVR.................................................................................31
3
Úvod Největším objevem ve 20. století, co se výpočetní techniky týče, byl bezesporu procesor. Tato elektronická součástka dokázala i ve svých raných stádiích vývoje řešit logické operace mnohonásobně rychleji než člověk. Prvním procesorem byl Intel 4004, měl čtyřbitovou architekturu, jeho primární určení bylo pro kalkulátory. Vývoj šel dále a člověk pokračoval ve zjednodušování své práce, což kladlo stále větší nároky na výpočetní výkon procesorů. Stoupala jak taktovací frekvence procesorů, tak počet bitů, se kterými byl schopen procesor pracovat v jednom strojovém cyklu. Výsledkem tohoto trendu byl první domácí stolní počítač typu PC, který měl procesor, pevný disk pro program, paměť RAM pro ukládání dat, se kterými je právě pracováno, a disketovou mechaniku pro ukládání výsledků práce. Tento počítač měl také velké množství periferních obvodů pro komunikaci s okolím(paralelní port, sériový port, grafickou kartu, atd.). Dnes sice vývoj pokročil o hodně dále, ale standard IBM PC je stále stejný. Obvody AVR nesou označení mikrokontroléry, těm se také dá říkat jednočipové mikropočítače. Jednočipový znamená, že vše je obsaženo na jediném čipu, tedy v jednom integrovaném obvodu. Mikropočítač je označení pro samostatnou funkční jednotku s procesorem, tedy počítač typu IBM PC je také mikropočítač. Mikropočítače AVR mají téměř stejné složení jako IBM PC, mají FLASH paměť pro uložení programu, paměť RAM, paměť, EEPROM pro uložení výsledků práce a také velké množství periferních obvodů. Jediným rozdílem je, že první IBM PC vážilo několik desítek kilogramů, bylo mnohonásobně pomalejší a zabíralo spoustu místa. Naproti tomu mikrokontrolér AVR má zanedbatelnou váhu, je malý a především velice rychlý. Téma práce jsem si vybral, jelikož se mikrokontroléry zabývám ve svém volném čase a konkrétně AVR proto, že v nich vidím velký potenciál. Dnes se používají především v průmyslové technice - automatizaci, ale neodmyslitelnou roli hrají také v robotice, zábavní technice a všeobecně v elektronice. Po maturitě bych rád šel studovat mikroprocesorovou a mikropočítačovou techniku na vysokou školu, jelikož je to odvětví, ve kterém bych chtěl později i pracovat.
4
Metodika Vzhledem k tomu, že jsem nenašel téměř žádnou vhodnou literaturu v českém jazyce, měl jsem k dispozici velkou většinu podkladů pouze v angličtině. Nemohu ale říci, že by mi to příliš vadilo, v tomto odvětví tomu tak bylo vždy. Největším zdrojem informací pro mě byly katalogové listy jednotlivých obvodů a Referenční příručka avr-libc(popis jazyka C pro AVR). Velkou studnicí informací mi byl také internet. Všechny programy, které v práci uvádím, jsou psány v jazyce C a kompilovány pomocí avr-gcc s tím, že v programech jsou použity funkce z knihovny avr-libc. Uvádím to proto, že zde existuje i několik jiných kompilátorů jazyka C pro AVR a také velké množství knihoven. Každý kompilátor má svá specifika a nepodstatným parametrem je také cena, já jsem zvolil avr-gcc, jelikož je jednak jako jeden z mála kompatibilní s klasickým C, navíc je zdarma a volně šiřitelný pod licencí GPL, stejně tak knihovna avr-libc. Navíc je zde kompletní vývojové prostředí pro systém MS Windows® jménem WinAVR. Práce je členěna do dvou hlavních oddílů, v jednom popisuji způsob programování a základní stavbu programu pro AVR. Ve druhé části popisuji způsob obsluhy některých periferií, jelikož periferní obvody jsou to, co dává každému mikrokontroléru velkou flexibilitu použití. V práci se snažím vždy vysvětlovat, jaký příkaz k čemu slouží a případné možnosti jeho náhrady, ať už pomocí rozboru programu nebo pomocí komentáře přímo ve zdrojových kódech.
5
Rodina AVR Roku 1997 uvedla na trh firma ATMEL nové osmibitové mikrokontroléry AVR, od ostatních typů osmibitových mikrokontrolérů se liší tato rodina především tím, že používá architekturu RISC, díky níž dosahuje jádro AVR vysokých výpočetních výkonů oproti svým konkurentům. Dalším důležitým faktorem, kterým se odlišuje od ostatních osmibitových mikrokontrolérů, je optimalizovaný návrh pro programování v jazyce C. Možnost programování v ostatních jazycích samozřejmě zůstává. Kompletní instrukční sada čítá 135 instrukcí. Toto číslo ovšem není u všech modelů stejné, nižší modely mají 118 instrukcí a ty nejnižší dokonce 89. Díky nízkému počtu instrukcí, danému použitím architektury RISC(Reduced Instruction Set Computer), je umožněno vykonávání velké většiny instrukcí v jednom hodinovém cyklu. Z tohoto faktu plyne, že při maximální taktovací frekvenci 20MHz dokáže jádro AVR dosáhnout výkonu až 20MIPS(Milion Instruction Per Second), což je výkon například na úrovni procesoru i80486SX, který byl samozřejmě dvaatřicetibitový. Toto porovnání je poněkud nepřesné, jelikož použití obou obvodů je odlišné, i80486 dokázal například počítat podstatně rychleji než AVR výpočty s plovoucí desetinou čárkou. Velké oblibě mezi elektroniky se AVR těší především pro interní flash paměť a možnost sériového programování. Flash paměť se v mikrokontroléru používá pro uchovávání programu, je důležitá především kvůli možnosti opakovaného smazání a opětovného zapsání nového programu. Obě operace trvají velice krátce, typicky několik sekund, doba je úměrně závislá na velikosti paměti. Výrobce garantuje 10 000 cyklů smazání/zápis, u nižších modelů pouze 1000. Sériové programování je výhodné díky jednoduchosti nahrávání programu z PC do mikrokontroléru. Většina modelů obsahuje kromě programové flash paměti také RAM a EEPROM, ochuzeny o ně jsou pouze některé nejnižší modely z řady ATtiny. Paměť RAM zde slouží k rychlým operacím s daty, naopak paměť EEPROM slouží, kromě uložení programu(pokud se z nějakého důvodu rozhodneme neukládat ho do flash), spíše k ukládání dat, se kterými se již dále nebude pracovat, například naměřené hodnoty. Velice významnou roli při hledání a řešení chyb v programu hraje rozhraní JTAG, které umožňuje kontrolu chování mikrokontroléru. Opět není dostupné u nejnižších modelů. Mikrokontroléry AVR také nabízejí bohatou výbavu, co se týče periferií, jsou to například čítače, časovače, PWM(Pulse-width modulation), AD konvertory, SPI, TWI(twowire interface, někdy též označované jako I2C), watchdog časovač, AD komparátory, interní 6
kalibrovaný oscilátor, RS232 a jiné. Pod zkratkou AVR můžeme rozumět „Advanced Virtual RISC“, ale byla také vybrána podle jmen autorů AVR architektury - Alf-Egil Bogen a Vegard Wollan. Bohužel prameny neuvádějí, který výklad této zkratky je primární.
7
Základní programování Budu se zde zabývat programováním v jazyce C, mikrokontroléry AVR se dají samozřejmě programovat i v jiných programovacích jazycích, ale já jsem si vybral právě jazyk C, protože je, dle mého názoru, nejkomfortnějším a umožňuje, na rozdíl od assembleru, snadný přechod na jiný typ mikrokontroléru případně procesoru. Je to především proto, že jádro AVR bylo navrženo pro programování v tomto jazyce. Pro pochopení příkladů předpokládám u čtenářů alespoň částečnou znalost jazyka C na úrovni mírně pokročilý. Vysvětlovat obecné programování v C by bylo mimo rozsah mé práce. Přesto si myslím, že zde uvedené ukázkové programy jsou natolik jednoduché, že je pochopí i čtenář, který ovládá některý jiný vyšší programovací jazyk. K nahrání programu do AVR je potřeba speciální zařízení zvané programátor. Existuje jich velké množství, některé jednodušší a levnější, jiné složitější a dražší. Úplně nejjednodušší programátor se dá postavit téměř zadarmo, představuje ho pět drátů z paralelního portu PC k mikrokontroléru, ovládací program je freeware. Obecně platí, že čím složitější programátor, tím větší komfort při programování poskytuje. Existuje zde také velké množství komerčně vyráběných programátorů, jejich ceny se různí podle výrobce a schopností. Pro jednoduchost zde uvedu pouze jedno testovací schéma, na kterém ukáži všechny příklady ovládání mikrokontroléru. Předesílám, že ve schématu neuvádím konkrétní hodnoty součástek, jelikož jsou pro každý obvod různé. Všechny potřebné informace se dočtete v katalogových listech k mikrokontroléru. Hodnoty předřadných rezistorů diod a tranzistorů neuvádím ze stejného důvodu, vězte ale, že velikost předřadného rezistoru pro diodu se pohybuje přibližně kolem 470Ω a pro tranzistor zhruba 10kΩ. Hodnoty berte jako orientační, za případnou škodu neručím. Testovací schéma:
8
Ovládání výstupu Způsob, jakým se ovládají výstupní piny, ukáži na rozsvěcení a zhasínání LED diody. Vzhledem k tomu, že zatím nechci program komplikovat čekacími smyčkami, ukážu programy dva. Jeden který rozsvítí LED diodu a druhý který ji zhasne. Veškeré ovládání AVR je založeno na registrech, ty mohou být buď osmibitové nebo šestnáctibitové, proto si nejprve ukážeme, jak nastavit hodnotu celého registru najednou a jak nastavit jednotlivé bity registru nezávisle na sobě. Jelikož jazyk C je velice propracovaný, existuje spousta možností, jak toho dosáhnout, já ukáži pouze některé z nich. AVR má vstupně výstupní(dále jen V/V) linky organizovány do bloků po maximálně osmi linkách. Každá linka má vyhrazený jeden bit v ovládacích registrech, ty jsou následující: DDRX - data direction register - bity určují, zda jsou linky vstupní nebo výstupní - počet bitů podle počtu linek, maximálně 8 - místo X je velké písmeno označující port PORTX - port X data register - zápisem do tohoto registru se okamžitě přesune hodnota na jednotlivé piny brány X za předpokladu, že jsou nastaveny jako výstupní, v opačném případě zápis 1 do bitů nastavuje interní pull-up rezistory na příslušných pinech - počet bitů podle počtu linek, maximálně 8 - místo X je velké písmeno označující port PINX - pin X input pins adress - jednotlivé bity určují hodnotu na vstupních linkách - počet bitů podle počtu linek, maximálně 8 - místo X je velké písmeno označující port Ukázkový program rozsvícení LED diody: #include
int main(void) { /*nastavení všech pinů PB jako výstup*/ DDRB = 0xFF; /************************************************ znázornění registru DDRB: +-7---6---5---4---3---2---1---0-+ - číslo bitu
9
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | - hodnota bitu +-------------------------------+ ************************************************/ /*nastavení log. 0 na všech pinech PORTB*/ PORTB = 0x00; /************************************************ znázornění registru PORTB: +-7---6---5---4---3---2---1---0-+ - číslo bitu | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | - hodnota bitu +-------------------------------+ ************************************************/ /*PB0 = log. 0, tudíž LED nesvítí*/
/*nastaví log. 1 na nultém pinu PORTB*/ PORTB = (1 << PB0); /************************************************ znázornění registru PORTB: +-7---6---5---4---3---2---1---0-+ - číslo bitu | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | - hodnota bitu +-------------------------------+ ************************************************/ /*PB0 = log. 1, proto LED svítí*/ return 0;
} Z uvedeného programu bych chtěl zmínit pouze řádku PORTB = (1 << 0);, je to nastavení registru PORTB na 1 (01 hexadecimálně, 00000001 binárně), tento způsob je pouze jedena z mnoha možností, jak nastavit hodnotu některého bitu v registru, pro ilustraci uvedu několik dalších možností se stejným efektem: PORTB = 0x01; -zapsání hexadecimální hodnoty do registru PORTB = 0b00000001; -zapsání binární hodnoty do registru PORTB |= _BV(PB0); -nastavení bitu 0 v registru pomocí makra _BV(), které je definováno jako _BV(bit) (1 << (bit)), což jsem vlastně použil v programu V programu jsem použil symbolickou konstantu PB0, vězte, že tento název pinu je definován v hlavičkových souborech každého mikrokontroléru, který má PORTB, stejně jako například PB1, PB6 nebo PC3 pro PORTC. Hodnota této konstanty pouze určuje pořadí bitu 10
v registru. Platí tedy, že PB0 = 0, PB1 = 1, PC3 = 3, atd. Toto je zavedeno pouze z důvodu větší přehlednosti a lepší orientace v kódu. Ukázkový program zhasnutí LED diody: #include
int main(void) { /*nastavení všech pinů PB jako výstup*/ DDRB = 0xFF; /************************************************ znázornění registru DDRB: +-7---6---5---4---3---2---1---0-+ - číslo bitu | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | - hodnota bitu +-------------------------------+ ************************************************/ /*berme v úvahu, že z předešlého příkladu je PB0 = 1*/ PORTB = (1 << PB0); /************************************************ znázornění registru PORTB: +-7---6---5---4---3---2---1---0-+ - číslo bitu | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | - hodnota bitu +-------------------------------+ ************************************************/ /*PB0 = log. 1, proto LED svítí*/ /*nastavení log. 0 na PB0*/ PORTB &= ~(1 << PB0); /************************************************ znázornění registru PORTB: +-7---6---5---4---3---2---1---0-+ - číslo bitu | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | - hodnota bitu +-------------------------------+ ************************************************/ /*PB0 = log. 0, tudíž LED nesvítí*/ return 0;
} Pro tento program platí vše co pro předešlý, je s ním naprosto analogický, zastavím se pouze u řádky PORTB &= ~(1 << PB0);, která může být na první pohled poněkud nesrozumitelná. Nejprve ji tedy rozepíši na PORTB = PORTB & ~(1 << PB0). Místo 1 << PB0 mohu napsat 1 << 0, z čehož vyplývá, že hodnota tohoto výrazu je 00000001 binárně. 11
Operátor ~ je tzv. jedničkový doplněk, což znamená, že vrací číslo, ve kterém jsou na místech nul v operandu jedničky a obráceně, dalo by se říci, že binární číslo otočí „naruby“. Pokud je tedy hodnota operandu 00000001, jako v tomto případě, operátor ~ vrací 11111110. Operátor & značí logickou konjunkci, takže pokud je PORTB = 00000001, tak musí platit, že: PORTB = 0b00000001 & 0b11111110, z čehož plyne, že PORTB má po této operaci hodnotu 0b00000000. Shrnutí: Pokud je potřeba nastavit hodnotu celého registru, je vhodné použít přiřazení hodnoty celému registru, ne jednotlivým bitům. Pokud není potřeba nastavovat všechny bity registru, je vhodné nastavovat jednotlivé bity zvlášť.
Ovládání výstupu pomocí tlačítka Jak jsem se již zmínil, každá V/V linka, jak napovídá název, se dá nastavit také jako vstup. V této kapitole si ukážeme, jak ovládat výstup pomocí připojeného tlačítka, na výstupu bude opět pro jednoduchost připojena LED dioda. Ukázkový program: #include int main(void) { /*nastavení portu D jako vstup*/ DDRD = 0x00; /************************************************ znázornění registru DDRD: +-7---6---5---4---3---2---1---0-+ - číslo bitu | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | - hodnota bitu +-------------------------------+ ************************************************/ /*povolení interních pull-up rezistorů na portu D*/ PORTD=0xFF; /************************************************ znázornění registru PORTD: +-7---6---5---4---3---2---1---0-+ - číslo bitu | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | - hodnota bitu +-------------------------------+ ************************************************/
12
/*nastavení portu B jako výstup*/ DDRB = 0xFF; /************************************************ znázornění registru DDRB: +-7---6---5---4---3---2---1---0-+ - číslo bitu | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | - hodnota bitu +-------------------------------+ ************************************************/ /*nekonečná smyčka, program se opakuje, dokud je připojeno napájecí napětí a AVR není v reset stavu*/ while(1) { /*zjištění stavu PD0*/ if(bit_is_clear(PIND, 0)) {/*pokud je na PD0 log. 0, provede se následující kód*/ /*rozsvícení LED diody*/ PORTB = (1 << PB0); /************************************************ znázornění registru PORTB: +-7---6---5---4---3---2---1---0-+ - číslo bitu | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | - hodnota bitu +-------------------------------+ ************************************************/ /*čekání na puštění tlačítka*/ loop_until_bit_is_set(PIND, 0); } else {/*pokud je na PD0 log. 1, provede se následující kód*/ /*zhasnutí LED diody*/ PORTB &= ~(1 << PB0); /************************************************ znázornění registru PORTB: +-7---6---5---4---3---2---1---0-+ - číslo bitu | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | - hodnota bitu +-------------------------------+ ************************************************/ /*čekání na stisknutí tlačítka*/ loop_until_bit_is_clear(PIND, 0); } } return 0; }
13
Činnost programu je triviální, v nekonečném cyklu kontroluje stav na pinu PD0, kde je připojeno tlačítko. Pokud stiskneme tlačítko, přivedeme na vstup PD0 log. 0, což má za následek změnu bitu PIND0 v registru PIND. V důsledku toho se splní podmínka bit_is_clear(PIND, 0), takže se vykoná kód, který rozsvítí LED diodu. Dioda bude svítit tak dlouho,
jak
dlouho
budeme
držet
tlačítko,
protože
čekací
smyčka
loop_until_bit_is_set(PIND, 0) se ukončí až ve chvíli, kdy tlačítko pustíme. V tu chvíli se změní podmínka bit_is_clear(PIND, 0) na nepravdivou a provede se kód pro zhasnutí diody po kterém se spustí opět čekací smyčka loop_until_bit_is_set(PIND, 0), která se ukončí až ve chvíli. kdy opět stiskneme tlačítko. Funkce loop_until_bit_is_set(), loop_until_bit_is_clear(), bit_is_set() a bit_is_clear() jsou standardní funkce definované v hlavičkových souborech avr-libc. Co dělají, je patrné z anglických názvů, přesto: bit_is_set(PORTX, BITx) -vrací 1 pokud je bit určený parametry = 1 bit_is_clear(PORTX, BITx) -vrací 1 pokud je bit určený parametry = 0 loop_until_bit_is_set(PORTX, BITx) - čeká na vynulování bitu v registru loop_until_bit_is_clear(PORTX, BITx) - čeká na nastavení bitu v registru Pro nastavení V/V linky jako vstup nebo výstup se používají bity v registrech DDRX, v příkladu je použit vždy jeden port jako vstupní a jeden jako výstupní, ale jde samozřejmě nastavovat jednotlivé piny portu samostatně. Pokud chceme linku jako výstup, nastavíme její bit v DDR registru na 1, pokud chceme linku jako vstup, nastavíme její bit na 0.
Čekací smyčky Vzhledem k tomu, že v určitých případech je nežádoucí, aby se následující část kódu provedla okamžitě po provedení předcházející, existují zde čekací smyčky. Dají se rozdělit do dvou skupin:
smyčky čekající po určitou dobu
Příkladem může být následující funkce delay():
14
void delay(unsigned int cas) { unsigned int i, j; for(i=0; i < 1000; i++) for(j=0; j < cas; j++);
} Jejím úkolem je udělat velký počet prázdných cyklů, které zpozdí vykonání kódu, který následuje po ní. Vetšinou se nepoužívá pro přesné časy, k tomu účelu mají AVR tzv. čítač/časovač. Své použití najde například pokud chceme blikat LED diodou, jak ukazuje následující program: #include /*čekací smyčka*/ void delay(unsigned int cas) { unsigned int i, j; for(i=0; i < 1000; i++) for(j=0; j < cas; j++); } int main(void) { /*nastavení portu B jako výstup*/ DDRB = 0xFF; /*nekonečná smyčka*/ while(1) { /*nastavení PB0 na log. 1*/ PORTB = (1 << PB0); /*zpoždění 500 000 prázdných cyklů*/ delay(500); /*nastavení PB0 na log. 0*/ PORTB &= ~(1 << PB0); /*zpoždění 500 000 prázdných cyklů*/ delay(500); } return 0; }
15
Činnost programu by měla být zřejmá. Rozsvítí se LED dioda, počká se 500 000 prázdných cyklů, zhasne LED, počká se 500 000 prázdných cyklů a program se vrací na počátek. Samozřejmě se doba čekání různí podle taktovací frekvence AVR, takže při 8MHz bude čekání 2x kratší než při 4MHz.
smyčky čekající na určitou událost
Zde se zmíním pouze o dvou základních - loop_until_bit_is_set(registr, bit) a loop_until_bit_is_clear(registr, bit). Jejich úkolem je pozastavit vykonávání kódu dokud není nastaven resp. vynulován daný bit v registru. Jejich použití je patrné z kapitoly Ovládání výstupu pomocí tlačítka, proto zde nebudu uvádět ukázkový kód. Jejich typické použití je právě při obsluze stisku tlačítka, kde zabraňují opakovanému provedení kódu při jediném stisku tlačítka. Dalším typickým použitím je čekání na nastavení popřípadě vynulování příznakového bitu, což je zapotřebí například při obsluze UART rozhraní(RS232), kde se při vysílání řetězce kontroluje vyprázdnění vysílacího bufferu pomocí bitu UDRE v registru USR.
Přístup k 16-bit registrům Při pohledu do katalogových listu k jakémukoliv mikrokontroléru AVR, je patrné, že obsahuje kromě osmibitových i šestnáctibitové registry. Šestnáctibitové registry jsou v katalogových listech vždy rozděleny na dva osmibitové - horní byte a spodní byte. Tyto dva registry se jmenují jako původní, pouze na konci mají přidáno písmeno H(HIGH - horní byte) nebo L(LOW - spodní byte). V jazyce C se ale při přístupu k šestnáctibitovému registru, na rozdíl od assembleru, nemusíme zdržovat inicializací každého osmibitového registru zvlášť, můžeme přistupovat rovnou k šestnáctibitovému, takže místo: TCNT1H = 0xFF; TCNT1L = 0xFF;
píšeme: TCNT1 = 0xFFFF;
Efektivní volba proměnné Vzhledem k tomu, že mikrokontroléry AVR mají jen dosti omezené množství paměti RAM, je důležité hlavně ve složitějších programech volit vhodnou velikost proměnné. Proto 16
jsou uměle vytvořeny typy proměnných int_x_t a uint_x_t, kde místo x je počet bitů, který může být 8, 16, 32 a 64. Následující tabulka ukazuje maximální hodnoty proměnné typu integer, kterých může nabývat:
Typ int int_8_t int_16_t int_32_t int_64_t
Popis - 16-bit, se znaménkem, <-32 768, 32 767> - 8-bit, se znaménkem, <-128, 127> - 16-bit, se znaménkem, <-32 768, 32 767> - 32-bit, se znaménkem, <-2 147 483 648, 2 147 483 647> - 64-bit, se znaménkem, <≈ -9e18, ≈ 9e18>
uint_8_t uint_16_t uint_32_t uint_64_t
-
8-bit, bez znaménka, <0, 255> 16-bit, bez znaménka, <0, 65 535> 32-bit, bez znaménka, <0, 4 294 967 295> 64-bit, bez znaménka, <0, ≈ 18e18>
Přerušení Představme si situaci, kdy potřebujeme pravidelně, jednou za určitý časový interval, provést nějakou část programu, ale zároveň se musí vykonávat zbytek programu. K takovým účelům slouží přerušení(angl. interrupt). Zaručuje, že pokud se vyskytne nějaká událost, provede se její programová obsluha okamžitě, bez ohledu na aktuální stav programu. Možná by bylo vhodné předvést si to na příkladu: Představme si, že máme za úkol napsat program pro mikrokontrolér, který řídí napouštění nádrže a aktuální stav zobrazuje na LCD display. Nádrž má být napuštěna po okraj. K mikrokontroléru je tedy připojeno ovládání čerpadla, čidlo určující průtok vody čerpadlem, čidlo, které sepne ve chvíli, kdy je voda u okraje nádrže, a display. Bez použití přerušení bychom pravděpodobné řešili program použitím nekonečné smyčky, ve které by se prováděly kroky: 1. kontrola hladiny vody, pokud je u okraje, vypni čerpadlo a skoč na bod 3. 2. spusť čerpadlo 3. spočítej průtok 4. spočítej výšku hladiny 5. spočítej aktuální objem 6. přepočti objem na procenta 7. zobraz informace na display 8. vrať se na začátek programu
17
Jak je vidět, program obsahuje velké množství výpočtů, které zabírají většinu času v programu. Lehce by se mohlo stát, že by během těchto výpočtů mohla nádrž přetéci(berme v úvahu výkonné čerpadlo a nízkou taktovací frekvenci mikrokontroléru). Jak je vidět, někdy je potřeba upřednostnit vykonání určité části programu před jinou. Z toho důvodu existují přerušení. Program by vypadal stejně, jen by místo bodu 1. bylo: 0. obsluha přerušení - pokud je sepnutý hladinový spínač, vypni čerpadlo Bod jsem označil jako 0., abych zdůraznil, že nepatří do hlavní smyčky programu. Číslování bodů by se samozřejmě zmenšilo o 1 a 7(původně 8). bod by obsahoval skok na bod 1(původně 2).Takto upravený program by fungoval tak, že ve chvíli, kdy se např. na vstupu INT0 objeví log. 1, nezávisle na aktuální pozici v programu, přeruší svou činnost a vypne čerpadlo. Po vypnutí čerpadla(provedení obsluhy přerušení) se program vrací na místo, kde se byl přerušen a pokračuje dále. Přerušení
mohou
být
interní(vyvolané
interním
periferním
obvodem)
nebo
externí(přivedením log. 1 na vstupní pin INTx). Před použitím jakéhokoliv přerušení se musí nejdříve globálně povolit, toho dosáhneme funkcí sei(), která nemá žádné parametry. Každé přerušení má svůj bit, který se musí nastavit, aby bylo možné ho používat. Při přerušení programu se neukládá hodnota status registru, který obsahuje informace o aktuálním stavu procesoru a také důležité informace pro aktuální výpočet. Proto je dobré si před obsluhou přerušení uložit hodnotu registru do proměnné a na konci obsluhy ji tam zas vrátit. Někdy je také potřeba zaručit, že vykonání kritického kódu nepřeruší dokonce ani přerušení. K tomu slouží funkce cli(), opět bez parametrů. Toto je potřeba například při zápisu do vnitřní EEPROM paměti, kdy velice záleží na časování jednotlivých signálů a při přerušení by hrozilo selhání zápisu. U AVR může být velké množství různých druhů přerušení, opět záleží na typu mikrokontroléru. Každé přerušení má svou vlastní prioritu, která určuje pořadí vykonávání. Bližší informace o konkrétním přerušení najdete v katalogových listech v sekci interrupt vectors. Čím nižší číslo, tím vyšší priorita.
18
Ovládání periferií Mikrokontroléry AVR mohou obsahovat velké množství nejrůznějších periferních obvodů, bohužel není v rozsahu této práce je popisovat všechny, proto jsem si vybral jen ty, které považuji za nejdůležitější. Na následujících příkladech demonstruji jejich ovládání. Předpokládám, že po shlédnutí těchto ukázek by měl být čtenář schopen s pomocí katalogových listů konkrétního mikrokontroléru používat kterýkoliv jeho periferní obvod, postup je analogický s následujícími příklady. Čítače AVR zpravidla obsahuje alespoň jeden osmibitový a jeden šestnáctibitový čítač/časovač(dále jen čítač). Počet bitů udává číslo, při kterém čítač přeteče. Pro osmibitový je to tedy číslo 255, pro šestnáctibitový 65535, tato mez se může posouvat libovolně směrem dolů. Zdroj hodinového impulsu pro čítač může být buď externí nebo interní. Pokud je zdroj interní, je jím hodinový takt procesoru, který může být dělen 8, 64, 256 nebo 1024 v předděličce. Každý čítač má své registry, kterými se ovládá.
Osmibitový čítač Blokový diagram:
Pro obsluhu tohoto čítače slouží registry: TCNTx - obsahuje aktuální hodnotu čítače x TCCRx - ovládací registr, místo x je číslo čítače - obsahuje bity CSx0, CSx1, CSx2 19
- tabulka nastavení hodinového vstupu: CSx2 CSx1 CSx0 Popis 0 0 0 žádný zdroj signálu(čítač zastaven) 0 0 1 fclk 0 1 0 fclk/8 0 1 1 fclk/64 1 0 0 fclk/256 1 0 1 fclk/1024 1 1 0 externí vstup signálu z pinu Tx, čítá při sestupné hraně 1 1 1 externí vstup signálu z pinu Tx, čítá při vzestupné hraně poznámka: fclk = frekvence jádra
TIFR - registr obsahující příznaky přetečení všech čítačů TIMSK - registr s maskami přerušení všech čítačů
Ukázkový program obsluhy osmibitového čítače: #include #include #define sbi(PORT,BIT) PORT|=_BV(BIT) #define cbi(PORT,BIT) PORT&=~_BV(BIT) /*na PB0 je připojená LED dioda*/ #define LED PB0 /*obsluha přerušení, blikání LED diody se střídou 1:1*/ ISR(TIMER0_OVF_vect) { if(bit_is_clear(PORTB, LED)) { sbi(PORTB, LED); } else { cbi(PORTB, LED); } } int main(void) { /*nasstavení portu B jako výstup*/ DDRB = 0xFF; /*povolení přerušení pro čítač 0*/ TIMSK = (1 << TOIE0); /*nastavení počáteční hodnoty čítače 0*/ TCNT0 = 0x00; /*nastavení předděličky na 1024 a spuštění čítače*/ TCCR0 = (1 << CS00) | (1 << CS02); /*povolení přerušení programu*/ sei(); /*nekonečná smyčka, vše obstarává přerušení*/ while(1) {};
}
return 0;
20
Schéma zapojení:
Takto by mohl vypadat obslužný program a schéma pro blikání LED diodou. Ve chvíli, kdy dojde k přetečení čítače, se v podmínce rozhodne, zda je na PB0 log. 0 nebo log. 1 a nastaví se hodnota opačná, z čehož plyne , že LED dioda bliká se střídou 1:1. Frekvence, při které bude LED dioda blikat, se dá vypočítat podle vzorce f = (fclk / 1024)/255, kde f je výsledná frekvence v Hz a fclk je hodinový takt mikrokontroléru v Hz.
Šestnáctibitový čítač Blokový diagram:
21
Pro obsluhu tohoto čítače slouží registry: TCNTx - obsahuje aktuální hodnotu čítače x - šestnáctibitový registr rozdělen do dvou osmibitových - TCNTxL a TCNTxH TCCRx - šestnáctibitový ovládací registr, místo x je číslo čítače, rozdělen do dvou osmibitových TCCRxA a TCCRxB - obsahuje bity CSx0, CSx1, CSx2 pro nastavení zdroje signálu - tabulka nastavení hodinového vstupu je stejná jako pro osmibitový časovač OCRxA/B - dva šestnáctibitové registry obsahující číslo, s kterým se porovnává aktuální stav čítače, rozdělen do dvou šestnáctibitových registrů OCRxA - OCRxAL, OCRxAH a OCRxB - OCRxBL, OCRxBH (každý šestnáctibitový registr je rozdělen do dvou osmibitových) 22
ICRx - šestnáctibitový registr uchovávající stav časovače při vzestupné hraně signálu na měřícím pinu, rozdělen do dvou osmibitových registrů ICRxL a ICRxH TIFR - registr obsahující příznaky přetečení všech čítačů TIMSK - registr s maskami přerušení všech čítačů Ukázkový program obsluhy osmibitového čítače: #include #include #include <stdlib.h> #include "lcd.h" #define VSTUP PB0 /*frekvence jádra*/ #define FCPU 8000000
/*počet přetečení čítače*/ uint16_t preteceni; /*čas vzestupné a sestupné hrany*/ uint16_t vzestupna, sestupna; /*délka impulsu*/ uint32_t doba;
/*obsluha přerušení přetečení čítače*/ ISR(TIMER1_OVF_vect) { preteceni++; } /*obsluha přerušení zachycení signálu čítače*/ ISR(TIMER1_CAPT_vect) { /*zjišťování zda je na vstupu log. 0 nebo log. 1*/ if (VSTUP) //log. 1 { /*uložení času vzestupné hrany*/ vzestupna = ICR1; /*nastavení spoušťění čítače při sestupné hraně*/ TCCR1B = TCCR1B & 0xBF;
23
/*vynulování počítadla přetečení*/ preteceni = 0; } else { /*uložení času sestupné hrany*/ sestupna = ICR1; /*vzestupná hrana spouští další čítání*/ TCCR1B = TCCR1B | 0x40; /*délka trvání log. 1 ve strojových cyklech*/ doba = (uint32_t)sestupna - (uint32_t)vzestupna + (uint32_t)preteceni; /*přepočet délky trvání log. 1 na milisekundy*/ doba_ms = doba / (FCPU / 1000); /*vymazání obsahu LCD displeje*/ lcd_clear(); /*převod čísla na řetězec a zobrazení na LCD displeji*/ lcd_puts(itoa(doba_ms)); } } int main(void) { /*inicializace LCD displeje*/ lcd_init(); /*povolení přerušení přetečení a přerušení zachycení signálu*/ TIMSK=0x24; /*spuštění čítače na frekvenci CPU, ochrany proti rušení a spuštění zachycování signálu při vzestupné hraně*/ TCCR1B=0xC1; /*povolení přerušení*/ sei(); /*nekonečná smyčka programu, vše obstarává přerušení*/ while(1) {}; return 0;
} Schéma zapojení:
24
Program neustále kontroluje stav pinu PB0 a ve chvíli, kdy se na něm objeví log. 1 se zapíše čas do proměnné vzestupna, jakmile se stav na vstupu změní na log. 0, zapíše se čas do proměnné sestupna. V proměnné preteceni je uložen počet přetečení čítače, než se na vstupu změnil stav. Délka impulsu se spočítá podle jednoduchého vzorce doba = sestupná vzestupná + počet přetečení. Tato doba je ovšem ve strojových cyklech, nikoli v milisekundách, proto se musí ještě převést na milisekundy vydělením frekvencí procesoru v kHz. Výsledná hodnota je uložena do proměnné doba_ms, která je posléze zobrazena na LCD displeji.
PWM PWM(Pulse-width modulation) je způsob, jakým se ovládá výkon připojeného zařízení. Výkon se mění podle střídy signálu, který generuje AVR. Jako ukázkový program a zapojení jsem si vybral příklad, ve kterém pomocí dvou tlačítek budeme řídit rychlost otáčení elektromotoru. PWM je v podstatě součástí osmibitových a šestnáctibitových čítačů/časovačů, ale jeho ovládání je natolik specifické, že mu věnuji samostatný oddíl v mé práci. Pro obsluhu PWM slouží registry: TCNTx - obsahuje aktuální hodnotu čítače x - šestnáctibitový registr rozdělen do dvou osmibitových TCNTxL a TCNTxH 25
TCCRx - šestnáctibitový ovládací registr, místo x je číslo čítače, rozdělen do dvou osmibitových TCCRxA a TCCRxB - obsahuje bity CSx0, CSx1, CSx2 pro nastavení zdroje signálu - tabulka nastavení hodinového vstupu je stejná jako pro osmibitový časovač OCRxA/B - dva šestnáctibitové registry obsahující číslo, s kterým se porovnává aktuální stav čítače, rozdělen do dvou šestnáctibitových registrů OCRxA - OCRxAL, OCRxAH a OCRxB - OCRxBL, OCRxBH (každý šestnáctibitový registr je rozdělen do dvou osmibitových)
Ukázkový program obsluhy kanálu PWM: #include
int main(void) { /*nastavení portu D jako vstup*/ DDRD=0x00; /*povolení interních pull-up rezistorů na portu D*/ PORTD=0xFF; /*nastavení portu B jako výstup*/ DDRB=0xFF; /*nastavení počáteční střídy na 50%*/ OCR1A=127; /*nastavení osmibitového neinvertovaného PWM*/ TCCR1A=0x91; /*start časovače bez předděličky*/ TCCR1B=0x01; while(1) { /*zjištění stavu PD0*/ if(bit_is_clear(PIND, 0)) { /*zvýšení výkonu*/ OCR1A+=10; /*čekání na puštění tlačítka*/ loop_until_bit_is_set(PIND, 0); } /*zjištění stavu PD1*/ if(bit_is_clear(PIND, 1))
26
{ /*snížení výkonu*/ OCR1A-=10; /*čekání na puštění tlačítka*/ loop_until_bit_is_set(PIND, 1); } } return 0; }
Schéma zapojení:
Následující příklad ukazuje řízení otáček motoru pomocí rychlého PWM. Obsluha se provádí pomocí dvou tlačítek, kterými se zvyšují resp. snižují otáčky. Stiskem tlačítka se mění hodnota registru OCR1A, se kterým se porovnává aktuální hodnota čítače, v případě, že se hodnota registru rovná aktuálnímu stavu čítače, se na výstupu OC1A objeví log. 1, ta trvá až do doby, kdy hodnota čítače dosáhne TOP, což je v tomto případě hodnota 255, jelikož používáme osmibitové PWM. Ve chvíli, kdy se TCNT1(hodnota čítače) = TOP, se na výstupu OC1A nastaví log. 0. Mikrokontroléry AVR mohou produkovat tři druhy PWM - rychlé PWM, fázově korektní PWM a fázově i frekvenčně korektní PWM. Bližší informace se nacházejí v příloze.
27
Závěr Hlavním zájmem dnešní elektroniky již dávno nejsou relé a žárovky, ještě před dvaceti lety tomu tak převážně bylo, jenže dnes, když se někdo zajímá o elektroniku a chtěl by se jí i živit, musí se zároveň zajímat i o programování. A není to programování ledajaké, kupříkladu programátor normálních stolních PC má práci zjednodušenou o to, že vždy píše program jen pro jeden typ procesorů - x86(případně x86_64 nebo x86 EMT64, pokud má být program optimalizovaný), postup programování je stále stejný, knihovny s funkcemi jsou také stejné. Naproti tomu elektronik-programátor musí umět programovat poměrně velké množství rozličných druhů architektur procesorů, přičemž každý rok se objeví několik nových. Stejně jako v počítačovém světě i zde se každoročně zvyšuje výkon, ale ne tak bezhlavě. Výpočetní výkon procesoru/mikrokontroléru není v řadě případů rozhodující, mnohdy záleží spíše na odběru(bateriově napájená zařízení), na mezních pracovních podmínkách(průmysl), nebo na vybavenosti periferií, kdy musí zařízení být schopno komunikovat s velkým počtem ostatních zařízení pomocí různých sběrnic a protokolů. Samozřejmě při rozhodování hrají také velkou roli ceny takových obvodu, které se dnes stále snižují, ale vzhledem k tomu, že se stále objevují nové a nové obvody, které se snaží vyhovět nejnáročnějším požadavkům zákazníků, platíme stále více a více, pokud chceme být o krok napřed oproti konkurenci. Například dnes už je na světě nová dvaatřicetibitová architektura AVR, na které mohou běžet operační systémy jako linux(existuje i verze pro 8-bit AVR) nebo Windows CE®. Možná se mýlím, ale zdá se mi, že „druhá vlna“ počítačové revoluce je již v plném proudu. Za pár let bychom mohli být překvapeni, kam se poděla architektura x86 na poli stolních počítačů.
28
Resumé English My work is intended mostly for people interested in modern electronics. I endevoured to describe techniques as simple as possible, but also to offer all essential information. It was not easy, though I believe I did it well. I hope this work will be also usefull for more skilled person. Czech Má ročníková práce by měla být určena především lidem se zájmem o moderní elektroniku. Snažil jsem se popisovat postupy co nejjednodušším způsobem, ale zároveň tak, aby v popisu nechyběly žádné podstatné informace. Skloubit tyto dvě snahy nebylo vždy lehké, ale já přesto věřím, že se mi to povedlo. Zároveň ale doufám, že si z mé práce odnese nové informace i člověk, který se programování mikrokontrolérů již nějaký čas věnuje.
29
Seznam použité literatury 1. Vladimír Váňa - Mikrokontroléry Atmel AVR programování v jazyce C, r. v. 2003, BEN, ISBN 80-7300-102-0 2. Jiří Pinker - Mikroprocesory a mikropočítače, r. v. 2004, BEN, ISBN 80-7300-110-1 3. Atmel Corporation - datasheets(katalogové listy), http://www.atmel.com/products/AVR/ 4. AVR Libc team - AVR Libc user manual 1.4.4, http://www.nongnu.org/avr-libc/
30
Internetové zdroje 1.http://www.atmel.com/products/AVR/ - webové stránky výrobce mikrokontrolérů (poslední aktualizace 7.3.2007) 2. http://www.nongnu.org/avr-libc/ - webové stránky knihovny AVR Libc (poslední aktualizace 23.1.2007) 3. http://en.wikipedia.org/ - anglická verze internetové encyklopedie, vysvětlení většiny odborných termínů, které jsou v práci použity 4. http://cs.wikipedia.org/ - česká verze internetové encyklopedie, vysvětlení části odborných termínů, které jsou v práci použity 5. http://www.avrfreaks.net/ - webové stránky věnující se AVR, domovská stránka kompileru AVR GCC (poslední aktualizace 12.3.2007) 6. http://avr.hw.cz/ - český server informující o AVR, informace jsou bohužel poměrně neaktuální (poslední aktualizace 6.1.2001)
31
Přílohy Přehled modelů AVR -soubor model_table.xls na doprovodném CD Tabulka režimů PWM -soubor PWM_table.xls na doprovodném CD Ukázky katalogových listů AVR -soubory v adresáři katalogové listy na doprovodném CD
32
