Подключение светодиода к линии порта ввода/вывода
Изучив данный материал, в котором все очень детально и подробно описано с большим количеством примеров, вы сможете легко овладеть и программировать порты ввода/вывода микроконтроллеров AVR.
- Часть 2. Подключение светодиода к линии порта ввода/вывода
- Часть 3. Подключение транзистора к линии порта ввода/вывода
Программу писать будем в Atmel Studio 6.0 .
Эмулировать схему будем в Proteus 7 Professional
.
Первым примером в изучении микроконтроллеров является подключение и управление светодиодом, это самый простой и наглядный пример. Этот пример стал классическим при изучении микроконтроллеров, как программа «Hello World!» при изучении прочих языков программирования.
Максимальный ток, который способен пропустить каждый порт ввода/вывода составляет 40 mA.
Максимальный ток, который способна пропускать каждая линия порта ввода/вывода составляет 20 mA.
Прежде чем подключать нагрузку, в том числе и светодиод к линиям порта ввода/вывода нужно знать, что можно спалить микроконтроллер превысив допустимую нагрузку на линию порта ввода/вывода.
Что бы ограничить ток, который протекает через линии порта ввода/вывода микроконтроллера нужно рассчитать и подключить резистор.
Рис: Рапиновка светодиода.
Рис: Подключение светодиода анодом к микроконтроллеру.
Рис: Подключение светодиода катодом к микроконтроллеру.
Сопротивление токоограничивающего резистора подключаемого к линиям портов ввода/вывода при подключении светодиода рассчитывается по формуле:
Где:
- Vs
- напряжение источника питания;
- Vsp
- падение напряжения на линии порта ввода/вывода;
- Vd
- прямое падения напряжения на светодиоде;
- Id
- прямой ток на светодиоде;
- Кn
- коэффициент надежности роботы светодиода;
Пример:
- напряжение источника питания – 5В
;
- прямое падения напряжения на светодиоде – 2В
;
10мА
(Берётся с datasheet на светодиод)
;
- коэффициент надежности роботы светодиода – 75%
(Берётся с datasheet на светодиод)
;
- падение напряжения на линии порта ввода/вывода – 0,5В
(Берётся с datasheet на микроконтроллер: Vol(output low voltage) – если ток втекает, и Voh (output high voltage) – если ток вытекает)
;
Таким образом номинал резистора R = 166,66 Om , подбирается ближайшее большее значение сопротивления.
Если не известно прямое напряжение светодиода, сопротивление можно рассчитать по закону Ома.
Где:
- U
- напряжение, приложенное к участку цепи;
- I
Пример:
4,5В
;
- номинальный ток линии порта ввода/вывода – 20мА
.
Определив номинал резистора R , необходимо рассчитать мощность P , измеряемая в ваттах, которая будет выделяться в резисторе, в виде тепла при протекании тока в цепи.
Где:
- U
– напряжение, приложенное к участку цепи;
- I
- номинальный ток линии порта ввода/вывода.
Пример:
- напряжение, приложенное к участку цепи – 4,5В
;
- прямой ток на светодиоде – 20мА
.
Рассчитав выделяемую мощность на резисторе, выбираем ближайшее большее значение мощности резистора. Если рассеиваемой мощности резистора будет недостаточной, то он может выйти из строя.
- подключения маломощного светодиода анодом к линии порта ввода/вывода:
- подключения маломощного светодиода катодом к линии порта ввода/вывода:
// Подключаем внешние библиотеки
#include
- подключения маломощного светодиода анодом и катодом к линии порта ввода/вывода:
// Подключаем внешние библиотеки
#include
Казалось бы простая тема, а однако в комментах меня завалили вопросами как подключить микроконтроллер. Как подключить к нему светодиод, кнопку, питание. Что делать с AGND
или AREF
. Зачем нужен AVCC
и все в таком духе. Итак, раз есть вопросы, значит тема не понятна и надо дать по возможности исчерпывающий ответ. Все описываю для контроллеров AVR, но для каких нибудь PIC все очень и очень похоже. Т.к. принципы тут едины.
Питание
Для работы микроконтроллеру нужна энергия — электричество. Для этого на него естественно нужно завести питалово. Напряжение питание у МК Atmel AVR
разнится от 1.8
до 5
вольт, в зависимости от серии и модели. Все AVR
могут работать от 5 вольт (если есть чисто низковольтные серии, то просьба уточнить в комментах, т.к. я таких не встречал). Так что будем считать что напряжение питания контроллера у нас всегда 5 вольт или около того. Плюс напряжения питания обычно обозначается как Vcc
. Нулевой вывод (а также Земля, Корпус, да как только его не называют) обозначают GND
. Если взять за пример комповый блок питания. То черный провод это GND (кстати, земляной провод традиционно окрашивают в черный цвет), а красный это +5, будет нашим Vcc
. Если ты собираешься запитать микроконтроллер от батареек, то минус батареек примем за GND
, а плюс за Vcc
(главное чтобы напряжение питания с батарей было в заданных пределах для данного МК, позырь в даташите. Параметр обычно написан на первой странице в общем описании фич:
Operating Voltages
–1.8 — 5.5V (ATtiny2313V)
–2.7 — 5.5V (ATtiny2313)
Speed Grades
–ATtiny2313V: 0 — 4 MHz @ 1.8 — 5.5V, 0 — 10 MHz @ 2.7 — 5.5V
–ATtiny2313: 0 — 10 MHz @ 2.7 — 5.5V, 0 — 20 MHz @ 4.5 — 5.5V
Обрати внимание, что есть особые низковольтные серии (например 2313V низковльтная) у которых нижня граница напряжения питания сильно меньше. Также стоит обратить внимание на следующий пункт, про частоты. Тут показана зависимость максимальной частоты от напряжения питания. Видно, что на низком напряжении предельные частоты ниже. А низковольтные серии раза в два медленней своих высоковольтных коллег. Впрочем, разгону все процессоры покорны;)))))
Для работы контроллерам серии AVR достаточно только питания. На все входы Vcc надо подать наши 5 (или сколько там у тебя) вольт, а все входы GND надо посадить на землю. У микроконтроллера может быть много входов Vcc и много входов GND (особенно если он в квадратном TQFP корпусе. У которого питалово со всех сторон торчит). Много выводов сделано не для удобства монтажа, а с целью равномерной запитки кристалла со всех сторон, чтобы внутренние цепи питания не перегружались. А то представь, что подключил ты питалово только с одной стороны, а с другой стороны чипа навесил на каждую линию порта по светодиоду, да разом их зажег. Внутренняя тонкопленочная шина питания, офигев от такой токовой нагрузки, испарилась и проц взял ВНЕЗАПНО и без видимых, казалось бы, причин отбросил копыта. Так что ПОДКЛЮЧАТЬ НАДО ВСЕ ВЫВОДЫ Vcc и GND . Соединить их соответственно и запитать.
Отдельные вопросы вызвают AGND и AVCC — это аналоговая земля и питание для Аналого-Цифрового Преобразователя. АЦП это очень точный измеритель напряжения, поэтому его желательно запитать через дополнительные фильтры, чтобы помехи, которые не редки в обычной питающей цепи, не влияли на качество измерения. С этой целью в точных схемах проводят разделение земли на цифровую и аналоговую (они соединены должны быть только в одной точке), а на AVCC подается напряжение через фильтрующий дроссель. Если ты не планируешь использовать АЦП или не собираешься делать точные измерения, то вполне допустимо на AVCC подать те же 5 вольт, что и на Vcc , а AGND посадить на ту же землю что и все. Но подключать их надо обязательно!!! ЕМНИП от AVCC питается также порт А.
Warning!!!
В чипе Mega8 похоже есть ошибка на уровне топологии чипа — Vcc и AVcc связаны между собой внутри кристалла. Между ними сопротивление около (!!!) 5Ом Для сравнения, в ATmega16 и ATmega168 между Vcc и AVcc сопротивление в десятки МЕГА ом! В даташите на этот счет никаких указаний нет до сих пор, но в одном из топиков за 2004 год на AVRFreaks сказано, что люди бодались с цифровым шумом АЦП, потом написали в поддержку Atmel мол WTF??? А те, дескать, да в чипе есть бага и Vcc и AVcc соединены внутри кристалла. В свете этой инфы, думаю что ставить дроссель на AVcc для Mega8 практически бесполезно. Но AVcc запитывать надо в любом случае — кто знает насколько мощная эта внутренняя связь?
Простейшая схема подключения Микроконтроллера AVR приведена ниже:
Как видишь, добавился дроссель в цепь питания AVCC
, а также конденсаторы. Хорошим тоном является ставить керамический конденсатор на сотню нанофарад между Vcc
и GND
у каждой микросхемы (а если у микрухи много вход питания и земель, то между каждым питанием и каждой землей) как можно ближе к выводам питания — он сгладит краткие импульсные помехи в шине питания вызыванные работой цифровых схем. Конденсатор на 47мКФ в цепи питания сгладит более глубокие броски напряжения. Кондесатор между AVcc
и GND
дополнительно успокоит питание на АЦП
.
Вход AREF
это вход опорного напряжения АЦП
. Туда вообще можно подать напряжение относительно которого будет считать АЦП
, но обычно используется либо внутренний источник опорного напряжения на 2.56 вольта, либо напряжение на AVCC
, поэтому на AREF
рекомендуется вешать конденсатор, что немного улучшит качество опорного напряжения АЦП
(а от качества опоры зависит адекватность показаний на выходе АЦП
).
Схема сброса
Резистор на RESET
. Вообще в AVR
есть своя внутренняя схема сброса, а сигнал RESET
изнутри уже подтянут резистором в 100кОм к Vcc
. НО! Подтяжка это настолько дохлая, что микроконтроллер ловит сброс от каждого чиха. Например, от касания пальцем ножки RST
, а то и просто от задевания пальцем за плату. Поэтому крайне рекомендуется RST
подтянуть до питания резистором в 10к. Меньше не стоит, т.к. тогда есть вероятность, что внутрисхемный программатор не сможет эту подтяжку пересилить и прошить МК внутри схемы не удасться. 10к в самый раз.
Есть еще вот такая схема сброса:
 |
Она замечательна чем — при включении схемы конденсатор разряжен и напряжение на RST близко к нулю — микроконтроллер не стартует, т.к. ему непрерывный сброс. Но со временем, через резистор, конденсатор зарядится и напряжение на RST достигнет лог1 — МК запустится. Ну, а кнопка позволяет принудительно сделать сброс если надо.
Задержка будет примерно T=R*C для данного примера — около секунды. Зачем эта задержка? Да хотя бы для того, чтобы МК не стартовал раньше чем все девайсы платы запитаются и выйдут на установившийся режим. В старых МК (АТ89С51 , например) без такой цепочки, обеспечивающей начальный сброс, МК мог вообще не стартануть.
В принципе, в AVR
задержку старта, если нужно, можно сделать программно — потупить с пол секунды прежде чем приступать к активным действиям. Так что кондер можно выкинуть нафиг. А кнопку… как хочешь. Нужен тебе внешний RESET
? Тогда оставь. Я обычно оставляю.
Источник тактового сигнала
Тактовый генератор это сердце микроконтроллера. По каждому импульсу происходит какая нибудь операция внутри контроллера — гоняют данные по регистрам и шинам, переключаются выводы портов, щелкают таймеры. Чем быстрей тактовая частота тем шустрей МК выполняет свои действия и больше жрет энергии (на переключения логических вентилей нужна энергия, чем чаще они переключаются тем больше энергии надо).
Импульсы задаются тактовым генератором встроенным в микроконтроллер. Впрочем может быть и внешний генератор, все очень гибко конфигурируется! Скорость с которой тикает внутренний генератор зависит от настроек микроконтроллера и обвязки.
 |
Генератор может быть:
- Внутренним с внутренней задающей RC цепочкой.
В таком случае никакой обвязки не требуется вообще! А выводы XTAL1 и XTAL2 можно не подключать вовсе, либо использовать их как обычные порты ввода вывода (если МК это позволяет). Обычно можно выбрать одно из 4х значений внутренней частоты. Этот режим установлен по дефолту . - Внутренним с внешней задающей RC цепочкой.
Тут потребуется подключить снаружи микроконтроллера конденсатор и резистор. Позволяет менять на ходу тактовую частоту, просто подстраивая значение резистора. - Внутренним с внешним задающим кварцем.
Снаружи ставится кварцевый резонатор и пара конденсаторов. Если кварц взят низкочастотный (до 1МГц) то конденсаторы не ставят. - Внешним.
С какого либо другого устройства идет прямоугольный сигнал на вход МК, который и задает такты. Полезен этот режим, например, если надо чтобы у нас несколько микроконтроллеров работали в жестком синхронизме от одного генератора.
У разных схем есть разные достоинства:
В случае внутренней RC цепи
мы экономим место на плате, нам не нужно дополнительных деталек, но мы не можем развить максимальную частоту и частота немного зависит от температуры, может плавать.
У внешнего кварца отличные показатели точности, но он стоит лишних 15 рублей и требует дополнительных деталей и, что самое обидное, часто съедает пару ног I/O. Также на внешнем же кварце можно добиться максимальной производительности от МК. Частота МК определяется частотой на которую заточен выбранный кварц. Внешная RC цепь
позволяет тикать генератору МК быстрей чем от внутренней, стоит дешевле кварца, но имеет те же проблемы со стабильностью частоты, что и внутренняя RC цепь.
Способы тактования МК описаны в даташите в разделе System Clock and Clock Options
и всецело определяются конфигурацией Fuse Bit’s
. Пока же я настоятельно рекомендую НЕ ТРОГАТЬ FUSE
пока ты не будешь твердо знать что ты делаешь и зачем. Т.к. выставив что нибудь не то, можно очень быстро превратить МК в кусок бесполезного кремния, вернуть к жизни который будет уже очень непросто (но возможно!)
Подключение к микроконтроллеру светодиода и кнопки
Сам по себе, без взаимодействия с внешним миром, микроконтроллер не интересен — кому интересно что он там внутри себя тикает? А вот если можно как то это отобразить или на это повлиять…
Итак, кнопка и светодиод подключаются следующим образом:
 |
Для кнопки надо выбраную ножку I/O подключить через кнопку на землю. Сам же вывод надо сконфигурировать как вход с подтяжкой (DDRxy=0 PORTxy=1). Тогда, когда кнопка не нажата, через подтягивающий резистор, на входе будет высокий уровень напряжения, а из бит PINху будет при чтении отдавать 1. Если кнопку нажать, то вход будет положен на землю, а напряжение на нем упадет до нуля, а значит из PINxy будет читаться 0. По нулям в битах регистра PINх мы узнаем что кнопки нажаты.
Пунктиром показан дополнительный подтягивающий резистор. Несмотря на то, что внутри AVR на порт можно подключить подтяжку, она слабоватая — 100кОм. А значит ее легко придавить к земле помехой или наводкой, что вызовет ложное срабатывание. А еще эти внутренние подтягивающие резисторы очень любят гореть от наводок. У меня уже с десяток микроконтроллеров с убитыми PullUp резисторами. Все работает, но только нет подтяжки — сгорела. Вешаешь снаружи резистор и работает как ни в чем ни бывало. Поэтому, для ответственных схем я настоятельно рекомендую добавить внешнюю подтяжку на 10кОм — даже если внутреннюю накроет, внешняя послужит. В процессе обучения на это можно забить.
Светодиод
подключается на порт двумя способами. По схеме Порт-земля
или Порт-Питание
. В первом случае для зажигания диода надо выдать в порт лог1 — высокий уровень (примерно равен Vcc). Во втором случае для зажжения диода требуется выдать в порт лог0 — низкий уровень (около нуля). Для AVR
разницы вроде бы нет, а вот многие старые серии микроконтроллеров вниз тянули куда лучше чем вверх, так что схема Порт-Питание распространена чаще. Я применяю и ту и другую схему исходя из удобства разводки печатной платы. Ну, а на программном уровне разницы особой нет.
Вывод порта для работы со светодиодом надо сконфигурировать на выход
(DDRxy=1) и тогда в зависимости от значения в PORTxy на ножке будет либо высокий либо низкий уровень напряжения.
Светодиод надо подключать через резистор
. Дело в том, что прямое сопротивление светодиода очень мало. И если не ограничивать ток через него, то он просто напросто может сгореть нафиг. Либо, что вероятней, пожечь вывод микроконтроллера, который, к слову, может тянуть что то около 20-30мА. А для нормального свечения обычному светодиоду (всякие мы не рассматриваем сейчас, эти монстры могут и ампер сожрать) надо около 3…15мА.
Так что, на вскидку, считаем:
- Напряжение на выходе ноги МК около 5 вольт, падение напряжени на светодиоде обычно около 2.5 вольт (выше нельзя, иначе диод сожрет тока больше чем надо и подавится, испустив красивый дым)
- Таким образом, напряжение которое должен взять на себя ограничительный резистор будет 5-2.5 = 2.5В.
- Ток нам нужен 5мА — нефига светодиод зря кормить, нам индикация нужна, а не освещение:)
- R=U/I= 2.5/5E-3 = 500Ом. Ближайший по ряду это 510 Ом. Вот его и возьмем. В принципе, можно ставить от 220 Ом до 680 Ом что под руку попадется — гореть будет нормально.
 |
Если надо подключить много светодиодов, то на каждый мы вешаем по собственному резистору. Конечно, можно пожадничать и поставить на всех один резистор. Но тут будет западло — резистор то один, а диодов много! Соответственно чем больше диодов мы запалим тем меньше тока получит каждый — ток от одного резистора разделится между четырьмя. А поставить резистор поменьше нельзя — т.к. при зажигании одного диода он получит порцию тока на четверых и склеит ласты (либо пожгет порт).
Немного схемотехнических извратов или пара слов о экономии выводов
То что не удается запаять приходится программировать. (С) народная мудрость.
Очень часто бывает так, что вроде бы и памяти контроллера под задачу хватает с лихвой, и быстродействия через край, а ножек не хватает. Вот и приходится ставить избыточный и более дорогой микроконтроллер только потому, что у него банально больше выводов. Покажу парочку примеров как можно за счет усложнения программного кода сэкономить на железе.
Во главу угла такой экономии обычно ставится принцип динамического разделения назначения выводов во времени. То есть, например, вывод может работать на какую-либо шину, а когда шина не активна, то через этот же вывод можно проверить состояние кнопки, или что нибудь передать по другой шине. Быстро (десятки или даже тысячи раз в секунду) переключаясь между двумя разными назначениями можно добиться эффекта «одновременной работы».
Главное, тут следовать двум правилам:
- Два разных применения не должны мешать друг другу т.е. разделение во времени должно быть построено таким образом, чтобы смежная функция не искажала результат работы проверяемой функции.
- Ни в коем случае нельзя допускать конфликта уровней напряжений.
Приведу пример:
- У есть у нас вывод на который повешан выход с некого датчика и кнопка. Выход с датчика может быть 0, 1 в активном режиме и Hi-Z когда на датчик не приходит сигнал Enable.
- Кнопка же дает на линию жесткий 0, путем короткого замыкания.
 |
Как это должно работать:
Скажем, основную часть времени у нас ввод микроконтроллера настроен на вход Hi-Z и мы снимаем показания с датчика на который подан еще и сигнал Enable. Когда нам надо опросить кнопку, то мы отбираем у датчика Enable и его выходы становятся в режим Hi-Z и нам не мешают. Вывод микроконтроллера мы переводим в режим Pull-Up и проверяем нет ли на входе нуля — сигнал нажатой кнопки. Проверили? Переводим вход МК в Hi-Z вход и подаем Enable на датчик снова. И так много раз в секунду.
Тут у нас возникает два противоречия:
- Логическое противоречие
0 на линии может быть в двух случаях от датчика или от кнопки. Но в этом случае, пользуясь здравым смыслом и требуемым функционалом, мы логическое противоречие можем не брать во внимание.Просто будем знать, что нажатие кнопки искажает показания датчика, а значит когда датчик работает — мы кнопку жать не будем. А чтобы показания датчика не принять за нажатие кнопки мы, в тот момент когда ждем данные с датчика, просто не опрашиваем кнопку. От тупых действий, конечно, это не защитит. Но для упрощения примера защиту от дурака я сейчас во внимания не беру.
- Электрическое противоречие
Если датчик выставит 1, а мы нажмем кнопку, то очевидно, что GND с Vcc в одном проводе не уживутся и кто нибудь умрет. В данном случае умрет выход датчика, как более слабый — куда там хилому транзистору тягаться с медной кнопкой.Организационными методами такое противоречие не решить — на глаз нельзя определить напряжение на линии и решить можно жать кнопку или нет. Да и в каком месте сейчас программа можно тоже только догадываться. Поэтому решать будем схемотехнически.
Добавим резистор в цепь кнопки, резистор небольшой, рассчитывается исходя из максимального тока самого слабого вывода линии.Если у нас, например, вывод датчика может дать не более 10мА, то резистор нужен такой, чтобы ток через него от Vcc до GND не превышал этой величины. При питании 5 вольт это будет 510Ом. Теперь, даже если на линии со стороны датчика будет лог1, высокий уровень, то нажатие на кнопку не вызовет даже искажения логического уровня т.к. резистор рассчитан с учетом максимальной нагрузки порта
Пример получился немного сумбурный, но суть думаю понятна. Я хочу чтобы ты увидел и понял не только как делается, но и зачем это делается:)
Ну и несколько примеров нескольких функций на одной ноге:
Во-первых, ISP разьем
. Я уже давным давно забыл что такое тыкать микроконтроллер вначале в колодку программатора, потом в плату, потом обратно и так по многу раз, пока прогу не отладишь. У меня на плате торчат 6 выводов ISP разьема и при отладке программатор вечно воткнут в плату, а программу я перешиваю порой по нескольку раз в 10 минут. Прошил — проверил. Не работает? Подправил, перепрошил еще раз… И так до тех пор пока не заработает. Ресурс у МК на перепрошивку исчисляется тысячами раз. Но ISP разьем сжирает выводы. Целых 3 штуки — MOSI, MISO, SCK.
В принципе, на эти выводы можно еще повесить и кнопки. В таком случае никто никому мешать не будет, главное во время прошивки не жать на эти кнопки. Также можно повесить и светодиоды (правда в этом случае простейший может дать сбой, а вот молодцом!) тогда при прошивке они будут очень жизнерадостно мерцать:)))
На линии под ISP можно повесить и что нибудь другое, главное, чтобы при прошивке это ЧТОТО не начало ВНЕЗАПНО чудить . Например, управление стокилограммовым манипулятором висит на линии ISP и во время прошивки на него пошла куча бредовых данных — так он может свихнуться и кому нибудь бошку разнести. Думать надо, в общем. А вот с каким нибудь , который работает по шинному интерфейсу прокатит такая схема:
Переключаем выход с 0 на 1 и зажигаем то верхний то нижний диод. Если надо зажечь оба, то мы просто переводим вывод микроконтроллера в режим Hi-Z
и словно нет его, а диоды будут гореть сквозным током. Либо быстро быстро переключать диоды между собой, в этом случае на глаз они будут оба гореть. Недостаток схемы очевиден — диоды нельзя погасить. Но если по задумке хотя бы один должен гореть, то почему бы и нет? UPD:
Тут подумал, а ведь можно подобрать светодиоды и резисторы так, чтобы их суммарное падение напряжения было на уровне напряжения питания, а суммарные резисторы в таком случае загонят ток в такой мизер, что когда нога в Hi-Z то диоды вообще гореть не будут. По крайней мере на глаз это будет не заметно совсем. Разве что в кромешной тьме.
Следующий вариант он не дает экономию ножек, зато позволяет упростить разводку печатной платы, не таща к двум диодам еще и шину питания или земли:
А применив сходную тактику к кнопкам можно либо упростить разводку, либо по трем ножкам развести 6 кнопок.
Тут тоже все просто — одна нога дает подтяг, вторая косит под землю. Нажатие кнопки дает просадку напряжения на подтягивающей ножке. Это чует программа, поочередно опрашивающая каждую кнопку. Потом роли ножек меняются и опрашивается следующая кнопка.
В шестикнопочном режиме ситуация схожая — одна ножка дает подтяг, другая землю, а третья прикидывается ветошью Hi-Z и не отсвечивает. Но тут есть один побочный эффект. Например, опрашиваем мы кнопку «В». Для этого у нас верхняя линия встает на вход с подтяжкой
(PORTxy=1, DDRxy=0), средня дает низкий уровень на выходе
(PORTxy=0, DDRxy=1), нижняя не участвует в процессе ибо стоит в Hi-Z
(PORTxy=0, DDRxy=0). Если мы нажмем кнопку «В» то верхняя линия в этот момент просядет и программа поймет что нажата кнопка «В», но если мы не будем жать «В», а нажмем одновременно «Е» и «Б» то верхняя линия также просядет, а программа подумает что нажата «В», хотя она там и рядом не валялась. Минусы такой схемы — возможна неправильная обработка нажатий. Так что если девайсом будут пользоваться быдло-операторы, жмущие на все подряд без разбора, то от такой схемы лучше отказаться.
Ну и, напоследок, схема показывающая как можно обьединить кнопку и светодиод:
 |
Работает тоже исключительно в динамике. То есть все время мы отображаем состояние светодиода — то есть выдаем в порт либо 0 (диод горит) либо Hi-Z (диод не горит). А когда надо опросить кнопку, то мы временно (на считанные микросекунды) переводим вывод в режим вход с подтягом (DDRxy=0 PORTxy=1) и слушаем кнопку. Режим когда на выводе сильный высокий уровень (DDRxy=1 PORTxy=1) включать ни в коем случае нельзя, т.к. при нажатии на кнопку можно пожечь порт.
Минусы — при нажатии на кнопку зажигается светодиод как ни крути. Впрочем, это может быть не багой, а фичей:)
Вот такие пироги. А теперь представьте себе прогу в которой реализованы все эти динамические фичи + куча своего алгоритма. Выходит либо бесконечная череда опросов, либо легион всяких флагов. В таких случаях простейшая диспетчеризация или кооперативная это то что доктор прописал — каждый опрос гонишь по циклу своей задачи и не паришься. Зато юзаешь везде какую-нибудь ATTiny2313 и ехидно глядишь на тех кто в ту же задачу пихает Mega8 или что пожирней:)
Я ничего не знаю и боюсь что либо сжечь, что мне делать???
Не бояться и делать. В конце концов, микроконтроллер не такая уж дорогая вещь чтобы сокрушаться по поводу его смерти. Выкинул в помойку и достал из пакетика новый. На худой конец, если совсем уж страшно, то можно купить готовую демоплату на которой все уже спаяно и разведено как надо. Тебе останется только программировать и смотреть результат.
А потом, на примере того как сделана демоплата, попробовать сделать что то свое. Сама же демоплата представляет собой микроконтроллер + немного стартовой периферии, которой хватит на ряд несложных опытов и которая может облегчить подключение и исследование других устройств. Демоплаты есть разные, например фирменные комплексы вроде STK500 или AVR Butterfly или моя которая была спроектированна исходя из моего опыта и на которой будет строится весь дальнейший учебный курс.
Научимся искать информацию по разным моделям AVR микроконтроллеров, разберемся c чтением PDF документов в операционной системе Linux. Узнаем как подключить микроконтроллер к программатору используя интерфейс ISP при помощи нескольких проводников.
Чтобы правильно подключить микросхему-микроконтроллер к программатору нужно разобраться где у него и какие выводы. Для получения исчерпывающей информации о интересующем нас микроконтроллере качаем на официальном сайте даташит (datasheet ) на интересующий нас чип - Даташиты по микроконтроллерам ATMEL .
На первой страничке даташита приводится подробное описание возможностей микроконтроллера, а далее приведена распиновка микросхем под каждый из типов корпусов. Каждый даташит по AVR чипу содержит массу подробной информации на английском языке, к примеру даташит на микроконтроллер ATmega8 содержит 326 страниц!
Не знаете английского? - старайтесь понемногу изучать, без него сейчас очень трудно в современном мире радиоэлектроники и компьютерной техники, это универсальный международный язык. А пока что, если не знаете что означает какое-то слово или предложение - переведите его через сервис машинных переводов translate.google.com.
Чтение PDF документов в Linux
Как правило, все даташиты на микросхемы поставляются в формате PDF (Portable Document Format) - формат электронных документов для использования на разных платформах, разработан фирмой Adobe Systems.
Под Windows есть множество разных программ для чтения и работы с документами формата PDF. В операционной системе Linux формат PDF тоже имеет отличную программную поддержку.
- Okular - универсальная и мощная программа для просмотра документов, входит в окружение рабочего стола KDE;
- Qpdfview - простая и легковесная программа для просмотра документов в формате PDF, DjVu и PS;
- Evince (Document Viewer) - очень быстрый и легковесный просмотрщик документов PostScript (PS), EPS, DJVU, DVI, PDF;
- Xpdf - высокопроизводительный просмотрщик PDF-файлов.
Какую программу выбрать для просмотра PDF под Linux? - очень хорошо справляются со своими задачами программы Okular и Evince.
Если у вас установлена рабочая среда KDE то скорее всего что программа Okular уже присутствует в системе. Если Okular не установлен то исправить это можно командой:
Sudo apt-get install okular okular-extra-backends
Если же у вас рабочая среда отличная от KDE - GNOME, XFCE, UNITY то более экономичным решением будет установить Evince, поскольку установка в данных средах программы Okular потребует некоторые компоненты от рабочей среды KDE.
Рис. 1. Универсальный просмотрщик документов Evince под Linux - средство для листания PDF документов по микроконтроллерам.
Просмотрщик документов Evince очень хорошо открывает огромные документы и справляется иногда с такими что не под силу прочитать для Okular. Установка Evince в Linux:
Sudo apt-get install evince
Думаю что у вас теперь не возникнет проблем с чтением документов в формате PDF под ОС GNU Linux .
Подключение AVR микроконтроллера к программатору
Выше было рассказано что для подключения микроконтроллера к программатору нужно соединить выводы ISP: VCC, GND, MISO, MOSI, SCK, RST. Выводы с данными названиями присутствуют у всех микроконтроллеров, так что даташит нам в помощь.
Рис. 2. Распиновка микроконтроллера ATmega8 и подключение его к ISP (USB ASP).
У программатора USB ASP на коннекторе ISP предусмотрено напряжение +5В (VCC), так что для программирования чипа можно воспользоваться питанием от программатора, а вернее от USB порта к которому он подключен.
В рассмотреных раньше программаторах , что используют COM и LPT порты, нет вывода VCC, а это значит что с использованием этих программаторов на выводы GND (-) и VCC (+) микроконтроллера нужно подать напряжение питания 5В от внешнего источника.
Подключения микроконтроллера к программатору USB ASP на беспаечной макетной панели очень просто реализовать при помощи перемычек (проводники со штырьками на двух концах).
Рис. 3. Подключение к ISP коннектору программатора USB ASP на беспаечной макетной панели.
Сегодня мы попробовать воспользоваться более простым микроконтроллером ATtiny2313 и подключить к нему символьный дисплей LCD, содержащий две строки по 16 символов.
Дисплей мы будем подключать стандартным способом 4-битным способом.
Сначала начнём, конечно, с микроконтроллера, так как с дисплеем мы уже очень хорошо знакомы из предыдущих уроков.
Откроем даташит контроллера ATtiny2313 и посмотрим его распиновку
Мы видим, что данный контроллер существует в двух видах корпусов, но так как мне в руки он попал в корпусе DIP, то будем мы рассматривать именно эту версию корпуса, да и в принципе, они и не различаются особо, кроме чем по виду, так как количество ножек одинаково — по 20.
Так как ножек 20 по сравнению с 28 ножками контроллера ATMega8, к которым мы уже на протяжении всего времени занимаемся и ещё будем заниматься, то, соответственно, и возможностей также будет меньше.
В принципе, всё, что было у ATmega8, здесь есть, единственное то, что поменьше лапок портов. Но так как задача перед нами стоит попробовать соединить его по шине SPI с другим контроллеров, то нас это удручает не сильно.
Есть ещё некоторые отличия, но они незначительны и мы с ними познакомимся по мере необходимости.
Соберём вот такую вот схемку (нажмите на картинку для увеличения изображения)
Дисплей подключен к ножкам порта D. PD1 и PD2 — к управляющим входам, а остальные к ножкам модуля дисплея D4-D7.
Проект создадим с именем TINY2313_LCD, перенесём в него всё кроме главного модуля из проекта по подключению дисплея к Atmega8.
Конечно, некоторые вещи надо будет переделать. Для этого нужно внимательно изучить, к какой ножке что подключено. Шина E дисплея подключена к PD2, а шина RS — к PD1, поэтому внесём изменения в файл lcd.h
#define e1 PORTD |=0b000001 00 // установка линии E в 1
#define e0 PORTD &=0b111110 11 // установка линии E в 0
#define rs1 PORTD |=0b0000001 0 // установка линии RS в 1 (данные)
#define rs0 PORTD &=0b1111110 1 // установка линии RS в 0 (команда)
Как мы видим из выделения жирным шрифтом, не такие уж и кардинальные изменения у нас произошли.
Теперь информационные входы. Здесь у нас используются ножки PD3-PD6, то есть на 1 пункт сдвинуты по сравнению с подключением к Atmega8, поэтому исправим ещё и кое что в файле lcd.c в функии sendhalfbyte
PORTD &=0b1 0000 111; //стираем информацию на входах DB4-DB7, остальное не трогаем
Но это ещё не всё. Мы раньше передаваемые данные сдвигали на 4, а теперь нам в связи с вышеуказанными изменениями придётся их сдвигать только на 3. Поэтому в той же функции исправим ещё и самую первую строку
c <<=3 ;
Вот и все изменения. Согласитесь, не так уж они и велики! Это достигнуто тем, что мы всегда стараемся код писать универсальный и пользоваться именно макроподставновки. Если бы мы в своё время не потратили на это время, то нам пришлось бы исправлять код почти во всех функциях нашей библиотеки.
В главном модуле инициализацию порта D мы не трогаем, пусть весь встаёт в состояние выхода, как и в уроке 12.
Давайте попробуем собрать проект и посмотреть сначала результат в протеусе, так как для него я также сделал проект, который будет также находиться в приложенном архиве с проектом для Atmel Studio
У нас всё прекрасно работает! Вот как можно, оказывается быстро переделать проект для одного контроллера под другой.
Протеус — это очень хорошо, но на настоящие детальки посмотреть всегда приятнее. Схема вся была собрана на макетной плате, так как отладочной платы для данного контроллера я не делал и не собирал. Программатор мы подключим через стандартный разъём вот такой вот
Вот вся схема
Здесь всё стандартно. Подтягивающий резистор на RESET и т.д.
Теперь, прежде чем прошивать контроллер в avrdude, нам неоходимо выбрать контроллер и считать его флеш-память
Затем зайти во вкладки FUSES и установить правильно фьюзы. Так как у нас нет кварцевого резонатора, то мы устанавливаем фьюзы именно так
Способы тактирования
Каноническим способом тактирования МК является подключение кварцевого резонатора к соответствующим выводам (рис. 18.11, а). Емкость конденсаторов С1 и С2 в типовом случае должна составлять 22-36 пФ (о включении кварцев см. главу 15). В большинстве моделей Tiny и Mega имеется специальный конфигурационный бит скрот, который позволяет регулировать потребление. При установленном в единицу (незапрограммированном) этом бите размах колебаний уменьшается, однако при этом сужается возможный диапазон частот и общая помехоустойчивость, поэтому использовать этот режим не рекомендуется (см. далее). Может быть также использован низкочастотный кварцевый резонатор (например, «часовой» 32 768 Гц), при этом конденсаторы С1 и С2 можно не устанавливать, так как при установке скрот в значение О подключаются имеющиеся в составе МК внутренние конденсаторы 36 пФ.
Вместо кварцевого может быть использован керамический резонатор. Автору этих строк удавалось запускать МК на нестандартных частотах, используя вместо кварца в том же подключении миниатюрную индуктивность (при ее значении в 4,7 мкГ и емкостях конденсаторов 91 пФ частота получается около 10 МГц).
Рис. 18.11. Способы тактирования МК AVR с использованием: а - кварцевого резонатора; б - внешнего генератора; в - RC-цепочки
Естественно, тактировать МК можно и от внешнего генератора (рис. 18.11, б). Особенно это удобно, когда требуется либо синхронизировать МК с внешними компонентами, либо иметь очень точную частоту тактирования при использовании соответствующих генераторов (например, серии SG-8002 фирмы Epson).
Наоборот, когда точность не требуется, можно использовать внешнюю ЛС-цепочку (рис. 18.11, в). В этой схеме емкость С1 должна быть не менее 22 пФ, а резистор R1 выбирается из диапазона 3,3-ЮОкОм. Частота при этом определяется по формуле F= 2/3 RC, CI можно не устанавливать вообще, если записать логический ноль в конфигурационную ячейку скрот, подключив тем самым внутренний конденсатор 36 пФ.
Наконец, можно обойтись вообще без каких-то внешних компонентов - использовать встроенный /гС-генератор, который может работать на четырех частотах, приблизительно равных 1, 2, 4 и 8 МГц. Эту возможность наиболее целесообразно использовать в младших моде.(1ях Tiny, выпускающихся в 8-контактном корпусе- тогда выводы, предназначенные для подключения резонатора или внешнего генератора, можно использовать для других целей, как обычные порты ввода-вывода. Семейство Classic встроенного RC-генератора не имело.
По умолчанию МК семейств Tiny и Mega установлены в состояние для работы со встроенным генератором на частоте 1 МГц (cksel = oooi), поэтому для работы в других режимах нужно соответствующим образом установить конфигурационные ячейки cksel (см. табл. 18.1). Как это осуществить на практике, будет рассказано в главе 19, Рекомендуемое значение этих ячеек для обычных резонаторов от 1 МГц и более - все единицы в ячейках cksel, и ноль в скрот.
Подробности
При установке ячеек следует учитывать, что состояние cksel = оооо (зеркальное по отношению к наиболее часто употребляемому значению для кварцевого резонатора iiii) переводит МК в режим тактирования от внешнего генератора, и в этом состоянии его нельзя даже запрограммировать без подачи внешней частоты. Также если вы попытаетесь установить режим с низкочастотным резонатором, то от вьюокочастотного МК уже не запустится, а далеко не все программаторы могут работать при таких низких частотах тактирования. Поэтому при манипуляциях с ячейками, и не только cksel, нужно быть крайне осторожным и хорошо представлять, что именно вы устанавливаете. Подробнее об этом говорится в следующей главе.
Таблица 18.1. Установка конфигурационных ячеек CKSEL в зависимости от режимов тактирования
|
Источник тактирования |
|||
|
Внешняя частота |
|||
|
Встроенный /?С-генератор |
|||
|
Встроенный RC-генератор |
|||
|
Встроенный /?С-генератор |
|||
|
Встроенный RC-генератор |
|||
|
Внешняя RC-цепочка |
|||
|
Внешняя /?С-цепочка |
|||
|
Внешняя RC-цепочка |
|||
|
Внешняя RC-цепочка |
|||
|
Низкочастотный резонатор |
Таблица 16.1 (окончание)
|
Источник тактирования |
|||
|
Керамический резонатор |
|||
|
Керамический резонатор |
|||
|
кварцевый резонатор |
|||
|
Кварцевый резонатор |
Параллельные порты ввода/вывода
Портов ввода-вывода (повторим, что их не следует путать ни с регистрами ввода-вывода, ни с последовательными портами МК для обмена информацией с внешними устройствами) в разных моделях может быть от 1 до 7. Номинально порты 8-разрядные, в некоторых случаях разрядность ограничена числом выводов корпуса и может быть меньше восьми. Порты обозначаются буквами А, В, С, D и т. д., причем необязательно по порядку: в младших моделях могут наличествовать, например, только порты В и D (как»в ATtiny2313) или вообще только один порт В (как в ATtinylх).
Для сокращения числа контактов корпуса в подавляющем большинстве случаев внешние выводы, соответствующие портам, кроме своей основной функции (двунаправленного ввода/вывода) несут также и дополнительную. Отметим, что’ кроме как для вывода Reset, если он может работать в альтернативном режиме, никакого специального переключения выводов портов не требуется. Если вы, к примеру, в своей программе инициализируете последовательный порт UART, то соответствующие выводы порта (например, в ATmega8335 это выводы порта PDO и PD1) будут работать именно в альтернативной функции, как ввод и вывод UART. При этом в промежутках между таким специальным использованием выводов их можно в принципе использовать, как обычные двунаправленные выводы. На практике приходится применять схемотехнические меры для изоляции функций друг от друга, поэтому злоупотреблять этой возможностью не рекомендуется.
Выводы портов в достаточной степени автономны, и их режим может устанавливаться независимо друг от друга. По умолчанию при вк;^ючении питания все дополнительные устройства отключены, а порты работают на вход, причем находятся в третьем состоянии с высоким гшпедансом (то есть с высоким входным сопротивлением). Работа на выход требует специального указания, для чего в программе нужно установить соответствующий нужному выводу бит в регистре направления данных (этот регистр обозначается DDRx, где x - буква, обозначающая конкретный порт, например для порта А это будет ddra). Если бит сброшен (то есть равен логическому нулю), то вывод работает на вход (как по умолчанию), если установлен (то есть равен логической единице) - то на выход.
Для установки выхода в состояние единицы нужно отдельно установить соответствующий бит в регистре данных порта (обозначается portx), а для установки в О - сбросить этот бит. Направление работы вывода (вход-выход, регистр DDRx) и его состояние (О-1, portx) путать не следует.
Регистр данных portx фактически есть просто выходной буфер, все, что в него записывается, тут же оказывается на выходе. Но если установить вывод порта на вход (то есть записать в регистр направления ddrx логический ноль), как это сделано по умолчанию, то регистр данных portx будет играть несколько иную роль - установка его разрядов в ноль означает, что вход находится в третьем состоянии с высоким сопротивлением, а установка в единицу подключит к выводу «подтягивающий» (pull-up) резистор сопротивлением 35-120 кОм.
Заметки на полях
Встроенного pull-up-резистора в большинстве случаев оказывается недостаточно для надежной работы - из-за наводок МК может сбоить, и лучше устанавливать дополнительный внешний резистор параллельно этому внутреннему, с сопротивлением от 1 до 5 кОм (в критичных по отношению к потреблению случаях его величину можно увеличить до 20-30 кОм). Например, если вы подключаете ко входу выносную кнопку с двумя выводами, которая коммутируется на «землю», или вывод работает на «общую шину» с удаленными (находящимися на другой плате) устройствами, или вывод осуществляет функцию внешнего прерывания (см. далее), то такой дополнительный резистор следует подключать обязательно.
Процедура чтения уровня на выводе порта, если он находится в состоянии работы на вход, не совсем тривиальна. Возникает искушение прочесть данные из регистра данных portx, но это ничего не даст - вы прочтете только то, что там записано вами же ранее. А для чтения того, что действительно имеется на входе (непосредственно на выводе микросхемы) предусмотрена другая возможность. Для этого нужно обратиться к некоторому массиву, который обозначается pinx. Обращение осуществляется так же, как и к отдельным битам обычных РВВ (см. главу 19\ но pinx не есть регистр, это просто некий диапазон адресов, чтение по которым предоставляет доступ к информации из буферных элементов на входе порта. Записывать что-либо по адресам piNx, естественно, нельзя.
Прерывания
Как и в ПК, прерывания (interrupts) в микроконтроллерах бывают двух видов. Но если в ПК прерывания делятся на аппаратные (например, от таймера или клавиатуры) и программные (фактически не прерывания, а подпрограммы, записанные в. BIOS- с распространением Windows это понятие почти исчезло из программистской практики), то в МК, естественно, все прерывания - аппаратные, а делятся они ria внутренние и внешние. Любое прерывание отдельно, а также вообще возможность их возникновения требуют предварительного специального разрешения.
Следует твердо усвоить, что для инициализации любого прерывания надо в программе сделать четыре действия: разрешить прерывания вообще (по умолчанию они запрещены), затем разрешить это конкретное прерывание, установить для него один из доступных режимов и, наконец, установить вектор прерывания: указатель на метку, по которой расположена процедура подпрограммы-обработчика прерывания. И, конечно, после этого надо написать сам обработчик, иначе все это будет происходить вхолостую. Подробнее об этом говорится в главе 19,
Внутренние прерывания могут возникать от любого устройства, которое является дополнительным по отношению к ядру системы - от таймеров, от аналогового компаратора, от последовательного порта и т.д. Внутреннее прерывание - это событие, которое возникает в системе и прерывает выполнение основной программы. Система внутренних прерываний в AVR довольно разветвленная и представляет собой основную систему взаимодействия устройств с ядром системы, и к этому вопросу мы еще будем неоднократно возвращаться.
Внешних прерываний у МК AVR как минимум два, INTO, INT1 (у большинства Mega есть еще третье - ИЧТ2). Внешнее прерывание - событие, которое возникает при появлении сигнала на одном из входов, специально предназначенных для этого. Различаются три вида событий, вызывающих прерывание, и их можно устанавливать в программе: это может быть низкий уровень напряжения, а также пюложительный или отрицательный фронт на соответствующем выводе. Любопытно, что прерывания по всем этим событиям выполняются, даже если соответствующий вывод порта сконфигурирован на выход.
Кратко рассмотрим особенности использования этих режимов. Прерывание по низкому уровню (режим установлен по умолчанию, для его инициализации достаточно разрешить соответствующее прерывание) возникает всякий раз, когда на соответствующем входе присутствует низкий уровень. «Всякий раз» - это значит, что действительно всякий, то есть если отрицательный импульс длится какое-то время, то процедура обработки прерывания, закончившись, повторится снова и снова, не давая основной программе работать. Поэтому обычная схема использования этого режима внешнего прерывания - сразу же по возникновении его запретить (процедура обработки при этом, раз уж началась, один раз выполнится до конца) и разрешить опять только тогда, когда внешнее воздействие должно уже закончиться (например, если это нажатие кнопки, то его стоит опять разрешить по таймеру через од-ну-две секунды).
В отличие от этого, прерывания по фронту или спаду выполняются один раз. Конечно, от дребезга контактов там никакой защиты нет и быть не может, потому что МК не способен отличить дребезг от серии коротких импульсов. Если это критично, нужно либо принимать внешние меры по защите от дребезга, либо использовать тот же способ, что и для прерывания по уровню - внутри процедуры обработчика прерывания первой же командой запретить само прерывание, а через некоторое время в другой процедуре (по таймеру или по иному событию) опять его разрешить (этот способ «антидребезга» фактически идентичен применению одновибратора, см. главу 15).
Подробности
у внимательного читателя возникает законный вопрос - а зачем вообще нужен режим внешнего прерывания по уровню? Дело в том, что оно во всех моделях выполняется асинхронно - в тот момент, когда низкий уровень появился на выводе МК. Конечно, обнаружение прерывания может произойти только по окончании текущей команды, так что очень короткие импульсы могут и пропасть. Но прерывания INTO и INT1 в режиме управления по фронту у большинства моделей определяются наоборот, только синхронно - в момент перепада уровней тактового сигнала контроллера, поэтому их длительность не должна быть короче одного периода тактового сигнала. Но это не самое главное: по большому счету разницы в этих режимах никакой бы не было, если бы не то обстоятельство, что синхронный режим требует непременно наличия этого самого тактового сигнала. Потому асинхронное внешнее прерывание, соответственно, может «разбудить» контроллер, находящийся в одном из режимов глубокого энергосбережения, когда тактовый генератор не работает, а синхронное - нет. И обычные МК, вроде AT90S8515 семейства Classic (но не его mega-аналога!), могут выводиться из глубокого «сна» только внешним прерыванием по уровню, которое не всегда удобно использовать. У большинства же моделей семейства Меда (из младших моделей - кроме ATmegaS), имеется еще одно прерывание INT2, которое происходит только по фронтам (по уровню не может), но, в отличие от INTO и INT1, асинхронно. В ATtiny2313 (но не в его «классическом» аналоге!) такое асинхронное прерывание может происходить по сигналу с любого из 8 выводов порта В. Это значительно повышает удобство пользования контроллером в режиме энергосбережения.
Таймеры-счетчики
в большинстве МК AVR присутствуют два или три таймера-счетчика, один из которых- 16 разрядный, а остальные- 8-разрядные (в старших моделях Mega общее число счетчиков может быть до 6). Все счетчики имеют возможность предварительной загрузки значений и могут работать непосредственно от тактовой частоты (СК) процессора или от нее же, поделенной на 8, 64, 256 или 1024 (в отдельных случаях еще на 16 и 32), а также от внешнего сигнала. В целом устройство таймеров в МК, как мы говорили, похоже на счетчики 561HEU/14 (см. главу 15), только функциональность их значительно расширена.
В архитектуре AVR 8-разрядным счетчикам-таймерам присвоены номера О и 2, а 16-разрядным- 1, 3 и далее. Некоторые 8-разрядные счетчики (обычно Timer 2, если их два) могут работать в асинхронном режиме от отдельного тактового генератора, причем продолжать функционировать даже в случае «спящего» состояния всей остальной части МК, что позволяет использовать их в качестве часов реального времени.
При использовании счетчиков-таймеров, как обычных счетчиков внешних импульсов (причем возможна реакция как по спаду, так и по фронту импульса) частота подсчитываемых импульсов не должна превышать половины частоты тактового генератора МК (причем при несимметричном внешнем меандре инструкция рекомендует еще меньшее значение предельной частоты - 0,4 от тактовой). Это обусловлено тем, что при счете внешних импульсов их фронты обнаруживаются синхронно (в моменты положительного перепада тактового сигнала). Кроме того, стоит учитывать, что задержка обновления содержимого счетчика после прихода внешнего импульса может составлять до 2,5 периода тактовой частоты.
Это довольно сильные ограничения, поэтому, например, использовать МК в качестве универсального частотомера не очень удобно - быстродействующие схемы лучше проектировать на соответствующей комбинационной логике или на ПЛИС (программируемых логических интегральных схемах).
При наступлении переполнения счетчика возникает событие, которое может вызывать соответствующее прерывание. 8-разрядный счетчик Timer О в ряде случаев этой функцией и ограничивается. Счетчик Timer 2, если он имеется, может также вызывать прерывание по совпадению подсчитанного значения с некоторой заранее заданной величиной. 16-разрядные счетчики - более «продвинутые» и могут вызывать прерывания по совпадению с двумя независимо заданными числами А и В. При этом счетчики могут обнуляться или продолжать счет, а на специальных выводах при этом могут генерироваться импульсы (аппаратно, без участия программы).
Кроме того, 16-разрядные счетчики могут осуществлять «захват» (capture) внешних одиночных импульсов на специальном выводе. При этом может вызываться прерывание, а содержимое счетчика помещается в некий регистр. Сам счетчик при этом может обнуляться и начинать счет заново или просто продолжать счет. Такой режим удобно использовать для измерения периода внешнего сигнала или для подсчета неких нерегулярных событий (вроде прохождения частиц в счетчике Гейгера). Немаловажно, что источником таких событий может быть также встроенный аналоговый компаратор, который тогда используется, как формирователь импульсов.
Все счетчики-таймеры могут работать в т. н. режимах PWM, то есть в качестве 8-, 9-, 10- или 16-битных широтно-импульсных модуляторов (ШИМ), причем независимо друг от друга, что позволяет реализовать многоканальный ШИМ. В технической документации этим режимам, в силу их сложности, многовариантности и громоздкости, посвящено много страниц. Простейший вариант использования этих режимов для воспроизведения звука мы кратко рассмотрим в главе 22 в связи с голосовой сигнализацией. Отметим, что синтез звука - не единственное и даже не самое приоритетное назначение режимов PWM, их также можно использовать для регулирования мощности или тока (например, при зарядке аккумуляторов), управления двигателями, выпрямления сигнала, при цифроаналоговом преобразовании.
Кроме таймеров-счетчиков, во всех без исключения AVR-контроллерах есть сторожевой (Watchdog) таймер. Он предназначен в основном для вывода МК из режима энергосбережения через определенный интервал времени, но может использоваться и для аварийного перезапуска МК. Например, если работа программы зависит от прихода внешних сигналов, то при их потере (например, из-за обрыва на линии) МК может «повиснуть», а Watchdog-таймер выведет его из этого состояния.
Последовательные порты
Последовательные порты для обмена данными с внешними устройствами - важнейшая составляющая любого МК, без них его «общение» с внешним миром резко ограничено. Последовательными их называют потому, что в них в каждый момент времени передается только один бит (в некоторых случаях возможна одновременная передача и прием, но все равно только по одному биту за раз). Самое главное преимущество последовательных портов перед параллельными (когда одновременно производится обмен целыми байтами или полубайтами-тетрадами) - снижение числа соединений. Но оно не единственное: как ни парадоксально, но последовательные интерфейсы дают значительную фору параллельным на высоких скоростях, когда на скорость передачи начинают влиять задержки в линиях. Последние невозможно сделать строго одинаковыми, и это одна из причин того, что последовательные интерфейсы в настоящее время начинают доминировать (типовые примеры - USB и FireWire вместо СОМ, LPT и SCSI, или Serial ATA вместо IDE).
В микроконтроллерных устройствах с нашими объемами данных, конечно, скорость передачи нас волнует во вторую очередь, но вот количество соединительных проводов - очень критичный фактор. Поэтому все внешние устройства, с которыми мы будем иметь дело в этой книге, будут иметь последовательные интерфейсы.
Практически любой последовательный порт можно имитировать программно, используя обычные выводы МК. Когда-то так и поступали даже в случае самого популярного из таких noptoB - UART. Однако с тех пор МК обзавелись аппаратными последовательными портами, что, впрочем, не означает необходимости их непременного использования. Легкость программной имитации последовательных портов - еще одно их достоинство.
Из всех разновидностей портов, которые могут наличествовать в МК AVR, мы особенно обратим внимание на UART- Universal Asynchronous Receiver-Transmitter, «универсальный асинхронный приемопередатчик». UART есть основная часть любого устройства, поддерживающего протокол RS-232, но и не только его (недаром он «универсальный») - например, промышленные стандарты RS-485 и RS-422 также реализовываются через UART, так как они отличаются от RS-232 только электрическими параметрами и допустимыми скоростями, а не общей логикой построения. В персональных компьютерах есть СОМ-порт, который работает по тому же протоколу RS-232, и узел UART точно так же является его базовой частью.
Поэтому UART служит основным способом обмена данными МК с компьютером. Отметим, что отсутствие СОМ-порта в большинстве современных моделей ПК не является препятствием: для этого существуют переходники USB-COM, а в настольную модель можно вставить дополнительную карту с СОМ-портами.
Заметки на полях
А почему это для нас так важно? Дело в том, что, соединив макет прибора с компьютером, даже если обмен данными функциональностью прибора и не предусмотрен, программу гораздо проще отлаживать, просто временно вставляя в нужных местах программы операции посылки значений задействованных регистров в ПК и принимая их в реальном времени с помощью какой-либо программы- эмулятора терминала. Это намного удобней, чем осваивать громоздкую AVR Studio, да еще и в комплекте с какой-нибудь дорогущей отладочной платой. Потому мой совет: сделать себе сразу отладочную плату, содержащую программирующий разъем (см. следующую главу) и преобразователь уровней UART/RS-232 с разъемом для подключения нуль-модемного кабеля (см. главу 21).
О том, как обращаться с UART на практике, рассказывается в главе 21. Кроме UART, почти все МК AVR содержат самый простой из всех последовательных портов - SPI (Serial Peripheral Interface, последовательный периферийный интерфейс). О принципе устройства SPI упоминалось в главе 16. Его принципиальная простота сыграла отчасти дурную роль: трудно встретить два устройства, где протоколы SPI полностью совпадают, обычно обмен по этому порту сопровождается теми или иными «наворотами». Следует отметить, что программирование AVR также осуществляется через SPI, однако в общем случае этот интерфейс и SPI для обмена данными - разные вещи, хотя в большинстве случаев выводы у них одни и те же.
Но в этой книге в главе 21 мы рассмотрим более сложный, хотя и более медленный, интерфейс 1^С, который требуется чаще, так как очень многие периферийные устройства работают именно через него.
Некоторые другие узлы МК семейства AVR (например, АЦП) мы рассмотрим по ходу изложения конкретных схем - так будет нагляднее. Здесь же мы закончим затянувшееся знакомство с микроконтроллером и перейдем к вопросу о том, как его программировать.
