Orice componentă electronică, de la un senzor de temperatură la un microcontroller la un motor la… orice are un document în care este descrisă în detaliu. Acest document se numește datasheet (fișă tehnică). Pe parcursul laboratoarelor și al proiectului de PM aceste datasheet-uri vor fi cei mai buni prieteni ai voștri :). În ele veți găsi toate detaliile necesare pentru înțelegerea funcționării și folosirea componentei respective.

Interfața serială este cel mai facil mod de a comunica cu microcontroller-ul vostru pentru citirea de date sau trimiterea de comenzi. Din perspectiva microcontroller-ului, comunicația serială se bazează pe doar două linii de date:

• linie pentru transmisie, notată Tx,
• linie pentru recepție, notată Rx.

Comunicația este full-duplex, se poate transmite concomitent cu recepția.

Transmisia asincronă de date se face la nivel de cadre(frames), fiecare cadru fiind format din mai mulți biți, având formatul descris în figură.

Se transmite un bit de start, apoi un cuvânt de date. Urmează un bit de partitate, opțional, cu rolul de a face o verificare simplă a corectitudinii datelor, și unul sau doi biți de stop.

Microcontroller-ul Atmega324 include două periferice USART (Universal Synchronous-Asynchronous Receiver/Transmitter) pentru interfața serială, care sunt controlate de registrele descrise în secțiunile următoare. În partea de inițializare a acestui periferic trebuie efectuați următorii pași:

• alegerea vitezei pentru transmisia de date - baud rate-ul
• alegerea formatului cadrului (câți biți de date, de stop, dacă va conține sau nu bit de partitate)
• activarea transmisiei și recepției datelor pe liniile RX și TX.

Ambele părți implicate în comunicație trebuie să aibă aceeași configurație! De exemplu, în terminalul serial folosit pe calculator, trebuie configurat același baud rate și același format al cadrului ca cel din codul de pe microcontroller.

RXB și TXB sunt buffer-ele de recepție, respectiv transmisie. Ele folosesc aceeași adresă de I/O. Deci RXB este accesat citind din UDRn, TXB scriind în UDRn. Buffer-ul de transmisie poate fi scris numai atunci când bitul UDRE (USART Data Register Empty) din portul UCSRnA este 1. În caz contrar, scrierile vor fi ignorate.

UCSRnA este registrul de stare al controller-ului de comunicație. Biții cei mai importanți sunt:

• RXCn – Receive Complete – devine 1 când există date primite și necitite. Când buffer-ul de recepție este gol, bitul este resetat automat
• TXCn – Transmit Complete – devine 1 când buffer-ul de transmisie devine gol
• UDREn – Data Register Empty – devine 1 când buffer-ul de transmisie poate accepta noi date

UCSRnB este un registru de control. Biții importanți:

• RXCIEn – Receive Complete Interrupt Enable – când este 1, controller-ul de comunicație va genera o întrerupere când au fost primite date
• TXCIEn – Transmit Complete Interrupt Enable – când este 1, controller-ul de comunicatie va genera o întrerupere când buffer-ul de transmisie devine gol
• UDRIEn – Data Register Empty Interrupt Enable – când este 1, controller-ul de comunicație va genera o întrerupere când buffer-ul de transmisie mai poate accepta date
• RXENn – Receiver Enable – dacă este 0, nu se pot recepta date
• TXENn – Transmitter Enabler – dacă este 0, nu se pot transmite date
• UCSZn2 – împreună cu UCSZ1 și UCSZ0 din portul UCSRC, selectează dimensiunea unui cuvânt de date

UCSRnC este tot un registru de control. Biții importanți:

• UMSELn – Mode Select – 0 pentru funcționare asincronă, 1 pentru funcționare sincronă
• UPMn1, UPMn0 – Parity Mode - Fiind vorba de doi biți, împreună pot avea 4 valori posibile, detaliate în tabelul ce urmează:

• USBSn – Stop Bit Select – 0 pentru un bit de stop, 1 pentru doi biți de stop

• UCSZn1, UCSZn0 – împreună cu UCSZn2 din portul UCSRnB, selectează dimensiunea cuvântului de date

UBRRn este registrul care selectează baud rate-ul. Are 12 biți. Primii 4 se află în UBRRnH, ceilalți 8 în UBRRnL. Valoarea pe care o scriem în UBRRn depinde de frecvența procesorului și de baud rate-ul dorit. În tabelul următor găsiți valorile pentru frecvența de 16 Mhz.

void USART0_init(unsigned int baud) {
    /* setează baud rate */
    UBRR0 = baud;
    /* UBRR0 este un registru pe 16 biți, la nivel de compilator se vor face doua scrieri de 8 biti */
 
    /* pornește transmițătorul */
    UCSR0B = (1<<TXEN0);
 
    /* setează formatul frame-ului: 8 biți de date, 2 biți de stop, fără paritate */
    UCSR0C = (1<<USBS0)|(3<<UCSZ00);
}
 
void USART0_transmit(unsigned char data) {
    /* așteaptă până când buffer-ul e gol */
    while(!(UCSR0A & (1<<UDRE0)));
 
    /* pune datele în buffer; transmisia va porni automat în urma scrierii */
    UDR0 = data;
}

Display-urile, și în principal cele care folosesc cristale lichide (eng. LCD - liquid crystal display), reprezintă una din cele mai folosite moduri de a prezenta informații utilizatorului sau de a oferi un aspect profesional unui dispozitiv. O altă utilizare importantă a display-urilor este de a ușura procesul de debugging pe un sistem embedded.

De obicei, un LCD conține pe lângă afisaj și un controller integrat care simplifică folosirea display-ului. Un controller LCD text uzual este Hitachi 44780, ce oferă o modalitate simplă de interfațare între un microcontroller și afișajulul LCD-ului. Din punct de vedere al costului, display-urile care se bazează pe controller-ul Hitachi 44780 sunt de obicei relativ ieftine și răspândite, putând fi ușor recuperate din dispozitive mai vechi și refolosite.

Conectorul folosit în laborator pentru LCD-ul text are 14 pini, dispuși pe o linie, cu distanță de 0.1” (inch) între pini, semnificația lor fiind cea descrisă în tabelul de mai jos.

Interfața de comunicație este una paralelă, permițând astfel să se efectueze scrieri sau citiri de date într-un mod simplu și rapid. Controller-ul Hitachi 44780 suportă 2 moduri de comunicație:

• extins - pe 8 biți
• restrâns - pe 4 biți.

Funcționarea unui LCD text bazat pe controller-ul Hitachi 44780 este bazată pe modificarea valorilor din memoriile interne ale controller-ului. Modificarea acestor valori se face prin transmiterea de instrucțiuni către controller folosind pinii de control și de date, conform protocolului înțeles de către controller.

Memoriile controller-ului Hitachi 44780 sunt:

• DDRAM - Display Data RAM
  • stochează caracterele afișate pe display
  • capacitate de 80 x 8 biți
  • DDRAM address corespunde poziției cursorului și reprezintă locația care va fi modificată de o instrucțiune de scriere
  • adresa 0x00 corespunde primului caracter de pe prima linie a display-ului (colț stânga-sus)
  • fiecare byte reprezintă codul caracterului afișat la poziția respectivă
• CGRAM - Character Generator RAM

• conține pattern-urile de pixeli (8 linii, 5 coloane) afișați pentru caracterele predefinite
• anumite locații pot fi rescrise pentru a crea pattern-uri pentru caractere noi (custom)
• organizată pe cuvinte de câte 8 biți
• începând cu adresa 0x00, fiecare byte reprezintă o linie dintr-un caracter, 8 linii fiind grupate pentru a forma pattern-ul unui caracter (ex: primul caracter custom începe la adresa 0x00 și se sfârșește la 0x07)
• sunt folosiți efectiv doar cei mai puțin semnificativi 5 biți ai unui byte deoarece pattern-ul unui caracter conține 5 coloane

Comunicarea dintre microcontroller și controller-ul LCD-ului se realizează printr-o serie de instrucțiuni, descrise în tabelul de mai jos.

Biții din tabel au următoarea semnificație:

• Setarea direcției de deplasare a cursorului:
  • I/D – Incrementează (1) / Decrementează (0) cursorul după fiecare byte scris
  • S – Shiftează (1) display-ul atunci când este scris un caracter
• Activarea display-ului / cursorului
  • D – Activează display-ul on (1) / off (0)
  • C – Activează cursorul on (1) / off (0)
  • B – Setează cursorul pe blink on (1) / off (0)
• Mutarea cursorului / Shiftarea display-ului
  • S/C – Activează shiftarea display-ului on (1) / off (0)
  • R/L – Setează direcția de shiftare right (1) / left (0)
• Setarea lățimii interfeței
  • DL – Lățimea interfeței de conectare este 8 biți (1) / 4 biți (0)
  • N – Numărul de linii afișate pe display 1 linie (0) / 2 linii (1)
  • F – Fontul caracterelor afișate 5×10 dots (1) / 5×8 dots (0)
• Citirea stării controller-ului
  • BF – 1 - controller-ul procesează informațiile primite și nu poate primi alte instrucțiuni, 0 - controller-ul poate accepta instrucțiuni

Mai multe informații referitoare la structura controller-ului (mod de funcționare, registre etc.) pot fi găsite în datasheet-ul său.

Pentru a comunica cu controller-ul Hitachi 44780 un microcontroller trebuie să respecte protocolul impus de către controller. Acesta constă în anumite restricții asupra ordinii și duratelor minime ale semnalelor care sunt transmise pe pinii de control/date. Mai jos este descris pe scurt acest protocol, el fiind prezentat în întregime în datasheet. Mai multe informatii gasiti in link-ul urmator

Pentru a facilita lucrul cu LCD-ul, vom defini (implementa) o bibliotecă de funcții pentru interacțiunea cu controller-ul Hitachi 44780. Un API minimal pentru această bibliotecă conține:

void LCD_init(void);                                // Initializare LCD considerand o interfatare cu 4 pini de date.
uint8_t LCD_read(void);                             // Executa secventa de citire a unui octet de date de la LCD.
uint8_t LCD_readStatus(void);                       // Citeste starea LCD-ului (contine busy flag).
uint8_t LCD_readData(void);                         // Citeste un octet din ultima memorie folosita (DDRAM sau CGRAM).
uint8_t LCD_isBusy(void);                           // Returneaza starea LCD-ului: 1 - busy, 0 - available
void LCD_waitNotBusy(void);                         // Asteapta pana cand LCD-ul devine disponibil pentru o noua comanda.
void LCD_write(uint8_t data);                       // Executa secventa de trimitere a unui octet de date catre LCD.
void LCD_writeInstr(uint8_t instr);                 // Trimite o instructiune de control catre LCD.
void LCD_writeData(uint8_t data);                   // Trimite o instructiune de scriere date catre LCD.
void LCD_putChar(char c);                           // Afiseaza caracterul pe LCD la adresa curenta.
void LCD_putCharAt(uint8_t addr, char c);           // Afiseaza caracterul pe LCD la adresa primita.
void LCD_print(const char* msg);                    // Afiseaza string-ul pe LCD incepand de la adresa curenta.
void LCD_printAt(uint8_t addr, const char* msg);    // Afiseaza string-ul pe LCD incepand de la adresa primita.

Capitole utile din Datasheet ATmega324

• 1. Pin Configurations - pag. 2
• 19. USART - pag. 174
  • secțiunile 19.1 - 19.3 pentru overview
  • secțiunea 19.4.1 pentru generarea ceasului
  • secțiunile 19.5 - 19.8 pentru formatul frame-ului, modul de a programa inițializarea și funcționarea
  • secțiunea 19.11 este referința pentru registrele I/O

Task 0 (1p) Rulați exemplul pentru USART. Pentru configurările serialei, vedeți fisierul usart.c din schelet.

Task 1 (3p) Configurați USART0 cu următorii parametri: baud rate 19200, 8 biți de date, 2 bit de stop, fara paritate. Transmiteți către PC câte un mesaj pentru fiecare eveniment de apăsare/lăsare a unui buton (ex: se apasă PD6, se transmite “PD6 apăsat”, se lasă PD6, se transmite “PD6 lăsat”, câte o singură dată pe apăsare).

Task 2 (2p) Comandați prin serială generarea in cod Morse a numelui vostru, folosind buzzer-ul.

Task 3 (1p) Rulați exemplul pentru LCD.

Task 4 (3p) Implementați funcțiile din bibliotecă:

• LCD_putCharAt
• LCD_printAt

Puteți folosi funcțiile LCD_writeInstr și LCD_writeData.

1. Utilizați funcțiile implementate pentru a afișa un mesaj pe prima linie a LCD-ului.
2. Folositi implementarea anterioara pentru a afisa un mesaj trimis pe USART.

Task 5: Bonus USART (1p) Configurați printf astfel încât să printeze direct pe USART0. Refaceți exercițiul 1 folosind printf.

Tips pentru printf (click to show)

struct __file {
	char	*buf;		/* buffer pointer */
	unsigned char unget;	/* ungetc() buffer */
	uint8_t	flags;		/* flags, see below */
#define __SRD	 0x0001		/* OK to read */
#define __SWR	 0x0002		/* OK to write */
#define __SSTR 	0x0004		/* this is an sprintf/snprintf string */
#define __SPGM	 0x0008		/* fmt string is in progmem */
#define __SERR	 0x0010		/* found error */
#define __SEOF	 0x0020		/* found EOF */
#define __SUNGET 0x040		/* ungetc() happened */
#define __SMALLOC 0x80		/* handle is malloc()ed */
	int	size;		/* size of buffer */
	int	len;		/* characters read or written so far */
	int	(*put)(char, struct __file *);	/* function to write one char to device */
	int	(*get)(struct __file *);	/* function to read one char from device */
	void	*udata;		/* User defined and accessible data. */
};

#typedef struct __file FILE

• Schelet laborator

• Datasheet Hitachi 44780
• Datasheet ATmega324
• AVR Baud Rate Tables

• Responsabili: Dorin Ionita Ana Dragan