Краткий курс - Самоучитель - AVR - быстрый старт с нуля

Страница 3

Самоучитель Краткий курс

Микроконтроллер AVR  ATmega ключевые моменты - Устройство AVR Attiny ATmega.

Это продолжение !  начало на стр. 2 курса. 

Напомню: Самая подробная и полная информация 
по МК содержится КОНЕЧНО в ДШ (в паспорте) на МК !

Он доступен в оригинале и даташит AVR на русском языке.  

Книги и учебники по электронике
скачайте  в  библиотеках !

Язык Си для МК AVR - самое нужное  там

Страницы курса :   заглавная    1   2   3   4   5   6   7   8   9

Задачи-упражнения курса по AVR  -   там
 
Скачать весь курс по AVR одним архивом на заглавной странице курса.

Возможности заложенные 
в МК производителем 


Они определяются конструкцией МК - и дают вам шанс реализовать на нем то или иное устройство и в тоже время ограничивают вас. 

Обычно ключевые моменты устройства МК и его параметры указаны на первой странице ДатаШита а полному раскрытию их посвящен весь ДШ, в частности на второй странице ДШ показано расположение ножек МК в различных корпусах и их обозначения связанные с их дополнительными функциями. 

Я ранее уже перечислял основные устройства содержащиеся в МК  AVR ATmega и называемые периферией МК. 

Далее в ДШ идет подробное описание каждой ножки МК и затем структурно-логическая схема МК - то как связаны его модули воедино. 

Ограничения заключаются в том что все устройства имеют определенные параметры и лучше, быстрее работать не могут. Вы должны это знать и  правильно подбирать МК соответствующей вашей задаче. 

Если производитель подключил входы АЦП к конкретным ножкам МК то вы не можете это изменить - это данность. Тоже относится и к другим периферийным устройствам - всем им сопоставлены определенные ножки МК. 

Однако  некоторые из этих устройств (например USART, SPI,  TWI он же i2c) можно реализовать программно (старайтесь избегать этого!) и тогда им можно сопоставить любые не занятые ножки IO. 

А что делать если вам нужно, например 4 интерфейса TWI (боле известен как i2c от philips) а в МК AVR он только один ? 

Выход прост - можно применить аналоговые ключи - мультиплексоры, например компании Analog.com серии ADGxxx и программно коммутировать (переключать) ими линию SCL МК на линию SCL одного из 4 интерфейсов TWI используемого в данный момент.  Напомню что на одну линию TWI ( i2c ) можно поставить несколько устройств с разными адресами! 

Аналогично можно поступить и в других случаях.

Либо реализовать дополнительные интерфейсы программно.

Важно !           

Говорят:  Работа МК - шевелить, дергать ножками.

Это очень метко сказано.

Нам нужно получить практический результат работы МК - обычно это информационные сигналы поступающие от него в виде определенных напряжений на ножках МК создаваемых в соответствии с программой.

т.е. программа работающая в МК буквально "дергает" 
его ногами в нужные моменты времени. 

Для того чтобы правильно подключить внешние электронные компоненты принимающие эти электрические сигналы от МК, важно знать как напряжения на ножках МК зависят от подключенной к ним нагрузки.

Программа может "приказывать" МК AVR выводить либо "1" либо "0" на ножки I/O назначенные выходами.   На входы тоже можно вывести "1" и "0"  -  но слабенько.

МК преобразует эти логические уровни в напряжения на ножках открывая соответствующий полевой транзистор - ключ. 

Чтобы вывести "1" открывается транзисторный ключ соединяющий ножку МК с + питания. 

Чтобы вывести "0"  открывается транзисторный ключ соединяющий ножку МК с выводом GND МК.

Если к ножке ни чего не подключено то при выводе "1" на ножке будет напряжение почти равное напряжению питания МК - это VCC  - в курсе по умолчанию считаем +5 вольт. 

А при выводе логического "0" - напряжение на ножке будет очень близко к 0 вольт - это потенциал GND. 

Однако: 

Если к ножке МК подключить что либо проводящее ток и так "сопротивляющееся" созданию нужных программе выходных сигналов - напряжения на ножках могут уже не достигать потенциалов VCC и GND и значительно ! 

Это связано с тем что открытый полевой транзистор имеет некоторое не нулевое сопротивление и по закону Ома протекание тока через него вызывает падение напряжения.  Значения этого отклонения показывают графики в конце ДШ. 

Вот, к примеру, для ATmega16

Скачать даташит ATmega16 

График 179 показывает каким будет напряжение на ножке МК при выводе на нее "0" при подключенной нагрузке "тянущей" эту ножку током (в мА на левой вертикальной оси графика) к источнику положительного напряжения :   

примечание: бит в регистре PORTx равен "0" а бит в регистре DDRx установлен т.е. равен "1" - значит ножка сконфигурирована как выход.

Из графика видно, что при втекающем в ножку токе равном 10 мА напряжение на ножке МК будет 0.25 вольт, а при токе 20 мА уже 0.45 вольт 

Так как линия графика почти прямая до 20 мА - можно вычислить внутреннее сопротивление ключа обеспечивающего вывод низкого напряжения на ножку МК - это примерно 24 Ома. (нужно напряжение разделить на ток).

График 177 показывает каким будет напряжение на ножке МК при выводе на нее "1" при подключенной нагрузке "прижимающей" эту ножку током (в мА на левой вертикальной оси графика) к "земле" т.е. к нулю вольт :

примечание: бит в регистре PORTx равен "1" а бит в регистре DDRx установлен т.е. равен "1" - значит ножка сконфигурирована как выход.

По этому графику можно определить что при токе "на землю" в 10 мА на ножке МК будет не 5 вольт а примерно 4.75 вольт - это соответствует подключению резистора 475 Ом от ножки МК на GND.

При токе 20 мА напряжение на ножке будет 4.5 вольт примерно - это соответствует подключению к ножке МК резистора 225 Ом. 

Пожалуйста хорошо усвойте что означают эти графики - вы будете знать что реально будет на ножках МК когда вы ими "шевелите" - т.е. выводите на них нужные вам сигналы. 

Я уже говорил ранее что все сигналы аналоговые и поэтому 

изменение напряжения на ножках МК не происходит мгновенно

Фронт сигнала (переход из "0" в "1") и спад сигнала (переход из "1" в "0") 
не вертикальные линии, а наклонные ! 

Наклон этот тем больше чем выше емкость нагрузки подключенной к ножке. 

Это связано с тем что для изменения напряжения на конденсаторе (на емкости) требуется изменение его заряда  - а изменение заряда равно произведению протекающего тока на время протекания (точнее интеграл тока по времени), так как все эти величины имеют конкретные конечные значения то и время переключения не равно нулю.

вывод: 

Стремитесь к разумному уменьшению емкостей 
того что подключено к выходам МК

Если же емкость уменьшить не возможно - например ножка МК управляет затвором мощного полевого транзистора (затвор это по сути конденсатор) то поставьте между ними резистор хотя бы на 100 Ом. 

МК это МикроКомпьютер и он тоже может зависнуть ...

В результате не совершенства созданной вами программы или под влиянием внешних "злых сил" а может и по вашему умыслу МК может зависнуть. 

Для воскрешения зависшего МК в нем предусмотрено специальное устройство - Сторожевой таймер -  Watchdog Timer (сокращенно WDT) - это таймер который тактируется (т.е. ведет отсчет) своим собственным встроенным в МК RC-генератором с частотой примерно 1 МГц. 

WDT - в некоторых AVR (таблица фьюзов в низу стр. 2) активируется специальным фьюзом при программировании МК и затем программа может выключать и включать его (фьюз конечно не меняется при этом) через регистр управления сторожевым таймером - Watchdog Timer Control Register – WDTCR  В этом же регистре делают установку времени через которое WDT  перезагрузит МК путем установки коэффициента деления частоты задающего  генератора.

WDT - в ATmega32 ATmega16 включается в программе установкой Bit 3 – WDE в регистре WDTCR и может быть отключен программой специальной последовательностью команд (стр. 43 в ДШ ATmega16) в CVAVR вот так: 

#asm("wdr")  /* Сбросить WDT */
/* Вписать "1" в бит_4 WDTOE и бит_3 WDE */
WDTCR |= (1 << 4) | (1 << 3);
WDTCR = 0x00; /* Выключить WDT */

Если WDT активирован то вы должны в своей программе
расставить команды обнуления его счетчика 

#asm("wdr")  //так в компиляторе CodeVisionAVR

так часто чтобы обнуление WDT  происходило через промежутки времени ГАРАНТИРОВАНО меньшие чем время переполнения таймера WDT  - я советую расставлять такие команды так часто насколько возможно.

В соответствии с ДШ Table 17. Watchdog Timer Prescale Select время от обнуления до переполнения WDT  и вызванного этим сброса МК (т.е. рестарта его программы с начала) может быть установлено вами программно от 16 мСек до 2 Сек. 

Предположим вы установили это время 16 мСек и пока программа в МК не зависла, она исправно обнуляет за счет предусмотренных вами команд. 

#asm("wdr") 

Но вот МК завис     - теперь как только WDT переполнится (не позднее чем через 16 мСек с последнего обнуления) произойдет перезагрузка МК и программа начнет свою работу снова.

При этом будет установлен специально обученный бит прочитав который программа сможет при необходимости определить причину сброса, перезагрузки МК - в данном случае сброс по переполнению WDT.

и Так ... 

с возможностями МК заложенными производителем мы разобрались ...  

Почти.

Далее ...

Электроника подключенная к МК


МК обычно располагается на плате, среди других электронных компонентов, для удобства рассмотрения я условно делю их на группы: 

1) задача первой группы отсечь опасные токи и напряжения для защиты схемы и нормировать сигналы подлежащие обработке в МК к виду допустимому и понятному для МК  и ещё наиболее удобному для обработки средствами содержащимися в МК. 

Например: вам нужно обработать сигнал датчика тока - такого как мы рассмотрели при разборе АпНоута на стр1 курса - с максимальным током в 2А. 

При токе 2 А падение напряжения на резисторе в 0.1 Ом будет всего 2 * 0.1 = 0.2 вольта - если подать такой сигнал на АЦП МК ATmega  (а рекомендованное минимальное опорное напряжение для него - 2 вольта и тогда 2 вольта это код АЦП 1023) то  оно будет преобразовано в код 102 а меньший ток в еще меньший код. Значит несмотря на то что АЦП имеет разрядность в 10 бит вы получите результат лишь в 7 бит примерно - грубовато...  

Очевидно нужно усилить сигнал с датчика тока в 10 раз - до 2-х вольт и мы получим оцифровку тока с разрешением 10 бит - это и называется нормирование сигналов - предварительная их подготовка.  

К понятию нормирования сигналов - относится и различная фильтрация сигналов для выделения интересующего участка спектра сигналов подлежащих обработке.

Пример: задача 9_b "Фильтрация и нормирование
                измеряемого сигнала перед подачей на АЦП". 

Например еще раз: вам нужно передавать в МК информацию от COM-пота ПК - но сигналы USART MK  "перевернуты" относительно COM-овских и напрямую связать их неправильно!  Оптимальное решение поставить специальную микросхему MAX232 или ее дешевый и доступный аналог - который можно найти  на rel.ru  по запросу:  *232* 

С помощью этой микросхемы вы согласуете физические уровни (проще - напряжения) сигналов ПК к уровням требуемым USART МК (ножка RxD)  - можно сказать нормируете их. 

Тоже делает и "шнурок" для сотового телефона  

2) другая часть электроники подключенной к МК предназначена для обеспечения стабильного и достаточно "чистого" питания МК - пример вы видели в разборе АпНоута, их много и в других аналогичных документах. 

3) группа электронных компонентов подключенных к МК и обеспечивающие 
вывод в том или ином виде результата его работы. 

Примером может быть также микросхема MAX232 но теперь нормирующая сигнал от USART МК (ножка TxD) для того чтобы его принял и понял COM-порт ПК. 

Конечно существует большое количество других устройств которыми может управлять МК непосредственно или через специальные микросхемы интерфейсы или драйверы - Тиристоры, Симисторы, Транзисторы, элементы индикации, радио модули и так далее.

Важно! 

Все перечисленные группы внешних компонентов общаются с внешним миром. А в мирУ бушуют страсти, трещат статические разряды !!!  т.е. нужно предусматривать элементы защищающие от вредного воздействия окружающей среды. 

И сами силовые элементы управляемые МК и коммутирующие большие токи так же могут являться источником помех - вы видели это в разборе АпНоута на стр1 курса.

Это деление "обвязки" МК на группы чисто условное, и конечно элементы любой группы могут не только передавать или принимать информацию (сигналы) на МК но и обмениваться с ним - это микросхемы памяти, LCD дисплеи, другие микросхемы сообщающие МК тем или иным способом о том что в них происходит. 

как работают прерывания в микроконтроллере AVR прерывается как объявить функцию обработчик прерывания прерывания в МК

Прерывания в AVR.

Interrupts - прерывания, очень важная и 
мощная функция МК  AVR  ATmega  ATtiny. 

Иногда требуется максимально быстрая реакция 
программы на какие-то события. 

Например приход данных на USART или завершение
АЦП или изменение уровня на ножке МК подключенной
к контактному датчику или переполнение таймера ...  

Быструю реакцию обеспечивает механизм прерываний. 

ЗАПОМНИТЕ ! При возникновении события которое может вызвать разрешенное (программой МК) в данный момент времени прерывание (список таких событий в даташите в разделе Interrupts таблица "Reset and Interrupt Vectors")  или при наличии установленного флага разрешенного прерывания и при ГЛОБАЛЬНОМ разрешении прерываний (бит7 в регистре SREG "установлен"), выполняется до конца текущая инструкция, запоминается какая должна была быть следующая инструкция, сохраняются (запоминаются) некоторые нужные данные, бит7 в регистре SREG обнуляется, очищается флаг сработавшего прерывания и происходит вызов и выполнение функции обработчика данного прерывания. 

От момента наступления события до начала выполнения функции обработчика прерывания проходит не менее 4 тактов процессора.     Значит 

Скорость реакции на прерывание напрямую зависит 
от частоты на которой работает МК !

Если программа находится в функции обработчике прерывания ( и в этой функции программно не был установлен бит SREG.7 - так обычно и есть ) то другие события вызывающие прерывания не могут уже вызвать прерывание программы и свою обработку, они лишь "устанаваливают" свои флаги - получается очередь флагов. 

Поэтому:

Делайте функции обработчики прерывания как можно короче ! 
Не засиживайтесь в них ...

Нужно тщательно продумывать алгоритм программы чтоб успевать обрабатывать все прерывания - т.е. не пропускать нужные события
и обрабатывать их вовремя.

В конце функции обработчика прерывания компилятор ставит инструкцию RETI после выполнения которой  бит7 в регистре SREG становится "1" - т.е. прерывания опять ГЛОБАЛЬНО разрешаются и программа продолжает выполняться с того места где она была в момент возникновения прерывания - т.е. выполняет инструкцию следующую за той на которой прервалась.

НО !

Если в момент глобального разрешения прерываний обнаружится установленный флаг разрешенного прерывания, то будет вызвана функция обработчик этого прерывания.

Такая ситуация может возникнуть если во время выполнения обработчика прерывания возникло другое прерывание - т.е. установился его флаг и оно разрешено (включено) программой.

Если возникнет несколько разрешенных прерываний одновременно или несколько прерываний пока бит7 был нулем, то после установки бит7 в SREG первым будет выполняться то прерывание, которое выше в списке векторов прерываний МК в ДШ. Соответственно  по мере отработки очереди накопившихся и разрешенных прерываний их флаги будут очищаться. 

А вот флаги неразрешенных прерываний не очистятся пока программа этого не сделает записью в них числа 1.  

Вы можете сами очистить флаги прерываний записью в них "1".

Вы можете запрещать и разрешать как все прерывания сразу, так и каждое по отдельности!

Все сразу - изменяя бит7 в регистре SREG вот такими строчками 
в компиляторе CodeVisionAVR:

#asm("sei") /* бит_I сделать "1" теперь разрешенные прерывания будут обрабатываться, если есть установленный флаг разрешенного прерывания то произойдет вызов его функции обработчика и флаг очистится */

#asm("cli") 
/* бит_I сделать "0" запретить все прерывания ГЛОБАЛЬНО. */ 

По отдельности рулить прерываниями сложней  - желательно читать даташит  AVR

Даташит AVR на русском языке есть на странице 2 самоучителя AVR.

НО !

Прерывания легко настроить интерактивно и главное ПРАВИЛЬНО с помощью мастеров  кода настройки AVR в компиляторе CVAVR  
и  ICC. 

Как использовать мастер начального кода показано в упражнениях курса

В МК AVR и других, прерывания могут возникать по многим событиям:

- изменение уровня на некоторых ножках МК
- "0" на некоторых ножках МК
- переполнение таймеров
- "насчитывание" таймером определенного значения
- завершение АЦП преобразования
- изменение уровня на выходе компаратора
- события в USART
- другие события ...

В общем снова - читайте ...  ДатаШит AVR на русском есть на стр .2 курса

Для ATmega16 прерывания перечислены в таблице 18
"Reset ana Interrupt Vectors"

Скачайте и запустите проект:

Демонстрация механизма прерываний в AVR 

Программировал в CVAVR и симулировал в VMLAB. 

К ножкам-входам внешних прерываний  INT0  INT1  INT2  ATmega16 я подключил резисторы по 10 кОм к + питания МК для создания внешней подтяжки и еще подключил три кнопки   0,  1  и  2 в "Control Panel" симулятора VMLAB. Нажимая кнопку мышкой можно замыкать соответствующую ножку на "землю" создавая на ней "0" на время пока кнопка нажата. Когда кнопки не нажаты на ножках "1".

Конфигурировал прерывания и USART с помощью мастера генератора начального кода CVAVR и код конечно же работает.

Прерывания INT0  INT1 разрешены и сконфигурированы "по любому изменению уровня" - т.е. прерывание может возникать и по фронту ("0" -> "1") и по спаду ("1"->"0") сигнала на ножке PD2 и PD3 соответственно. 

Прерывание INT2 не конфигурировал - оно оставлено "по-умолчанию" т.е. отключено.

Откройте проект  vmlab.prj  в VMLAB и сделайте "ребилд-ол" 

В меню View откройте, если их нет на экране, панели "регистры и флаги" 
"SCOPE" и "Control Panel" - разместите их поудобней.

Теперь нажмите несколько раз на светофор - чтоб прекратились меседжи 
и симуляция шла непрерывно. Кликните по панели "регистры и флаги" 
чтоб вывести ее на передний план.

Теперь нажмите кнопку K2 и отпустите. 

Посмотрите в панели "регистры и флаги" в регистре флагов GIFR (обязательно почитайте об этом регистре в ДатаШите) установился бит_5,  если навести на него мышку то появится его название - INTF2 - это флаг прерывания INT2. Вы видите что хотя мы не включали это прерывание его флаг установился при событии соответствующем ему. Как я вам и обещал выше !

Теперь (симуляция продолжается, время с начала программы МК в правом нижнем углу бежит...) нажмите K0 в панели "Control Panel" сразу же произойдет разрешенное прерывание, и программа перейдет в функцию обработчик прерывания INT0  и  в виртуальном терминале TTY появится сообщение:

int0

Отпустите K0 и нажмите K1 и отпустите K1 

Смотрите: так как мы находимся в отработке паузы 100 мС в обработчике прерывания от INT0.   Бит_7 в SREG остается "0" и значит прерывания не исполняются. Все правильно - но отпускание кнопки K0 вызвало установку флага INTF0 а нажатие и отпускание K1 установило флаг  INTF1.  

Если теория прерываний изложенная мной выше верна то по завершении текущей обработки прерывания  INT0  должны произойти еще по 1 вызову обработчиков прерываний INT0 и  INT1 - причем сейчас МК AVR не "знает" какое из них случилось первым и значит будет обрабатывать их по порядку перечисления в таблице 18 ДШ. 

Ждем не долго ...  появляются с некоторой паузой одно сообщение и затем другое свидетельствующие о вызове соответствующих обработчиков прерываний:

int0
int1

При этом вначале очистится бит INTF0, а затем INTF1.

Вопрос для самоконтроля: Почему нажатие и отпускание кнопки K0 вызвало две обработки прерывания INT0, а от кнопки K1 только одно ?

Попробуете симуляцию снова и измените порядок нажатия кнопок: вначале K1 а затем K0  - и вы увидите что последние два прерывания все равно будут выполнены в том же порядке:  int0  и затем   int1

Важно ! Из примера выше следует что 

Накопление не обработанных прерываний может быть не желательно или даже не допустимо по алгоритму программы, так как МК "не помнит" последовательность возникновения соответствующих событий ! 

Практическое применение  прерываний будет 
рассмотрено  в задачах - упражнениях курса.

... и теперь самый пожалуй 
интересный пунктик -

ПРОГРАММА  "зашитая" в МК AVR

Я постулировал ранее что - 

Возможность МК действовать по вашей программе - вот суть-соль МК. 

Это главное отличие МК от "обычных" непрограммируемых микросхем.

Я уже рассказал выше

- о внешних электрических сигналах поступающих на МК

- про электронику подключенную к МК

- о возможностях заложенных производителем AVR

AVR ATmega содержит многократно (не менее 10 000 раз) программируемую FLASH память программ - в нее загружается (есть различные варианты прошивки, загрузки программы - достаточно пяти проводков от LPT-порта к МК) программа которую будет исполнять МК при наличии следующих условий: 

1) есть питание МК 
2) есть уровень "1" на выводе Reset 
3) есть источник тактового сигнала 
4) нет сброса от иного источника сброса (== перезагрузки МК)

При наличии этих условий МК начинает шагать по программе которая представляет из себя последовательность инструкций которые может выполнять МК иногда прерываясь так как было описано выше.  

Даю определение - запомните

Программа взаимодействует с МК записывая, изменяя в нужное время числа в регистрах МК и читая в нужное время числа из определенных регистров.

Важно понимать !  

Именно взаимодействует с МК, а не просто управляет! 

То, что содержится в регистрах МК влияет на ход выполнения программы если она это предусматривает.

О как !   ... да что ж это за регистры такие, будь они не ладны!