Capitole utile din Datasheet ATmega324

• 1. Pin Configurations - pag. 2
• 14. I/O-Ports - pag. 72

• Planificare și orar
• Reguli generale și de notare

Un microcontroller(µC) este o componentă electronică care integrează un microprocesor şi dispozitive periferice, punându-se accent pe un cost de producție mic și un consum energetic redus, altfel spus pe optimizarea aplicației. Principala diferenţă dintre un microcontroller (µC) şi un microprocesor (µP) o constituie faptul că un µC integrează atât unitatea de procesare cât și memorie de program, memorie de date, interfeţe de intrare-ieşire și periferice.

Un µC operează la frecvenţe reduse, în general la zeci sau sute de MHz. Cu toate acestea, microcontroller-ele sunt utilizate într-o gamă largă de aplicaţii în diverse domenii. Dispozitivele unde µC sunt utilizate pot fi produse de uz general (mașini de spălat, frigidere, automate de cafea), sisteme industriale dedicate (relee de protecție, controllere industriale, sisteme de tip interfață om-mașină - HMI ), sisteme din industria aerospaţială și multe altele.

În funcție de tipul aplicațiilor pentru care sunt dedicate acestea, majoritatea µC nu au o magistrală externă de adrese sau date deoarece toate memoriile utilizate (volatile și nevolatile) sunt interne, ducând la integrarea acestora în capsule cu un număr mic de pini şi reduse ca dimensiuni, ceea ce reduce costurile de producţie și consumul energetic. Există desigur și microcontrollere care furnizează magistrale externe pentru date și adrese (multiplexate în timp sau magistrale dedicate) în scopul interfațării memoriilor externe (RAM, FLASH, ROM).

Cele mai întâlnite structuri din circuitul integrat al unui µC sunt următoarele:

• Unitatea centrală de procesare (µP core) cu o arhitectură care poate fi pe 8, 16, 32 sau 64 de biţi.
• Memorie de date volatilă (RAM) și/sau non-volatilă (Flash sau EEPROM)
• Memorie de program non-volatilă (Flash sau EEPROM)
• Porturi digitale de intrare-ieşire de uz general (GPIO - General Purpose Input Output)
• Interfeţe seriale de comunicație (USART, SPI, I2C, PCM, USB, SDIO etc.)
• Interfețe ethernet
• Interfețe pentru afișaj grafic (LVDS, HDMI sau alte protocoale dedicate controlului afișajelor LCD)
• Timere (cu rol intern, sau utilizate în generarea semnalelor periodice -ex: PWM-, sau ca watchdog)
• Convertoare analog-digitale și digital-analogice, front-end-uri analogice și alte circuite dedicate semnalelor analogice
• Sursă de tensiune integrată
• Interfață pentru programare şi debugging

Costul unui µC depinde în mare măsură de numărul de periferice integrate, frecvența de lucru a procesorului, cantitatea de memorie și alți parametri amintiți mai sus. Cu cât caracteristicile acestuia sunt mai avansate, cu atât crește prețul de producție. Arhitecturile de µC pe piaţă la ora actuală variază în limite largi, de la chip-uri cu doar 2 pini de I/O până la procesoare digitale de semnal (DSP) sau procesoare cu arhitecturi avansate pe 32 sau chiar 64 de biţi (ex: ARM, PIC32, STM32 sau AVR32).

• [1] - Turn signal biking jacket
• [2, 3] - Bird tracking
• [4] - The word clock
• [5] - Palm size quad-copter
• [6] - Robot microsumo (RoboWarrior)
• [7] - Robot line follower (Tare N' Bară)
• [8] - Robot ce joacă fotbal (IronFoot)
• [9] - Robot submarin (R0X1)
• [10] - Robot vânător de mamuți (Many the mammoth hunter)
• [11] - Self-balancing skateboard
• [12] - Nod senzorial (Sparrow)

Pentru alte exemple, puteți începe căutarea de aici: https://www.hackster.io/projects/tags/microcontroller

Famila AVR de la Microchip este formată din microcontrollere cu arhitectură Harvard pe 8 biţi şi set redus de instrucţiuni (RISC).

Memoriile Flash, EEPROM, şi SRAM sunt integrate în acelaşi chip, înlăturând nevoia de memorie externă. Programul este format din instrucţiuni de 16 biţi lungime care sunt stocate în memoria Flash non-volatilă. Mărimea memoriei de program este indicată de numele componentei respective. De exemplu, ATmega128 are 128kB de memorie Flash. Spaţiul de adresa este format din registrele generale, registrele de I/O şi memoria SRAM. Sunt în total 32 de registre generale a câte 8 biţi.

AVR au o unitate de execuţie în bandă de asamblare cu două niveluri, acest lucru permiţând că următoarea instrucţiune să fie adusă din memorie (fetch) în timp ce instrucţiunea curentă este în execuţie. Majoritatea instrucţiunilor se execută într-un singur ciclu de instrucţiune, acest lucru permiţând atingerea unui throughput de 1MIPS pe MHz.

În cadrul laboratoarelor și a proiectului de PM, veți utiliza ATmega324, un microcontroller pe 8 biți din familia megaAVR. Registrele şi magistrala internă de date sunt pe 8 biţi.

• 32 KB Flash (determină dimensiunea maximă a programului care poate fi executat)
• 1 KB EEPROM
• 2 KB RAM
• 20 MHz frecvența maximă de lucru
• Tensiune de alimentare între 1.8V și 5.5 V
• 6 canale de PWM
• 8 canale de ADC, cu rezoluție de 10 biți
• 4 porturi digitale de I/O (GPIO - General Purpose I/O) , fiecare cu 8 pini, în total 32 de pini de I/O
• 3 timere (două pe 8 biți și unul pe 16 biți)
• Interfeţe de comunicație seriale: USART, SPI, TWI
• Interfaţe de programare ISP și debug JTAG

Perifericele interne chip-ului pot fi accesate din exterior prin intermediul pinilor. Capsula microcontroller-ului are 40 de pini (prezentați mai jos), dintre care 8 sunt pentru alimentare sau funcții auxiliare, iar 32 sunt pentru I/O. GPIO-urile sunt împărțite în patru porturi (A, B, C și D) a câte 8 pini fiecare.

Pentru mai multe detalii, consultați datasheet-ul (documentația tehnică sumarizată) a microcontrollerului.

Pentru dezvoltarea programelor putem folosi orice editor de text (vim, emacs, Notepad++, Programmer's Notepad, etc). Putem utiliza de asemenea şi IDE-ul Atmel Studio, oferit de Microchip.

În cadrul laboratoarelor vom scrie cod C, nu şi assembly (AVRASM), compilatorul fiind avr-gcc. Acesta poate fi folosit atât pe sisteme Linux/Unix cât şi pe sisteme Windows (WinAVR). WinAVR include şi biblioteca de C, avr-libc, pe sistemele Linux/Unix ea trebuie instalată separat.

Deși microcontroller-ul nostru este pe 8 biți, în codul C putem folosi variabile întregi pe 16/32/64 de biţi şi chiar și în virgulă mobilă. Compilatorul este cel care se va ocupa de translatarea instrucţiunilor în cod asamblare ce lucrează pe 8 biţi.

Pentru programarea unui microcontroller putem folosi diverse metode, cum ar fi programarea pe interfaţă serială, folosirea unui programator ISP (In-System Programming) ce foloseşte interfaţa serială SPI sau folosirea unui bootloader.

În cadrul acestui laborator vom folosi ultima variantă, un bootloader fiind un program încărcat (folosind, spre exemplu, un programator ISP) la sfârşitul memoriei de program a microcontroller-ului. Execuţia codului încărcat astfel va începe din zona de boot. Dezavantajul acestei metode este spaţiul ocupat de bootloader în memoria de program.

Folosirea bootloader-ului presupune îndeplinirea unei condiții la pornirea microcontroller-ului. Pe plăcile de laborator acesta este rulat la fiecare RESET, însă putem pune orice condiție pe care o poate deduce procesorul (spre exemplu, dacă un buton este apăsat sau nu). Unele microcontrollere au o memorie ROM dedicată bootloader-ului, cu care acestea sunt prevăzute din fabrică (ex: STM32).

Pentru a încărca programul pe controller trebuie să folosim un utilitar de pe calculator. Un exemplu de folosire a utilitarului avrdude pe Linux si pe Windows găsiți mai jos.

$ avrdude -c arduino -P /dev/ttyUSB0 -b 57600 -p atmega324p -U flash:w:lab0.hex:a

C:/> avrdude -c arduino -P COM12 -b 57600 -p atmega324p -U flash:w:lab0.hex:a

Pentru a putea intefața cu mediul exterior, sunt utilizate diferite componente electronice care au rol fie de actuator (modifică starea mediului exterior) sau de traductor/senzor (sunt influențate de mediul exterior și oferă informații microcontroller-ului despre diverși parametri).

Actuatorii sunt acele elemente care influențează mediul exterior. Putem spune că actuatorii sunt elementele ce pot fi comandate și care pot interacționadirect cu mediul pentru a influența diferiți parametri (ventilatoare, indicatoare sonore - buzzere , indicatoare luminoase, rezistențe de încălzire, etc). Uneori pentru a putea activa un actuator, este nevoie de un element de acționare. De exemplu, pentru a putea porni un motor(actuator) prin comanda dată de microcontroller, trebuie să folosim un element de acționare (care pornește ventilatorul) intermediar care să poată comanda curenți mari (prin ventilator) folosind curenți foarte mici de comandă (ieșirea microcontrollerului). În acest exemplu, soluția ar fi utilizarea unui tranzistor.

Traductoarele (sau traductorii) sunt acele elemente care iși modifică proprietățile electrice în funcție de parametrii mediului exterior și oferă microcontroller-ului informații despre mediul exterior. De exemplu: un fotorezistor va avea rezistența electrică mult mai mare în lipsa luminii, iar când aceasta este iluminată va avea o rezistență electrică de zeci sau chiar sute de ori mai mică. Un alt exemplu de traductor este butonul simplu normal deschis: când este apăsat el închide un contact, când nu este apăsat, contactul din interior este deschis. În funcție de tipul traductoarelor, acestea pot avea nevoie de prelucrarea semnalului înainte ca acesta să fie preluat de microcontroller (signal conditioning) - de exemplu fotorezistorul trebuie folosit într-un montaj cu divizor de tensiune sau cu sursă de curent -, sau pot fi conectate direct la microcontroller - de exemplu butonul.

În cadrul acestui laborator veți utiliza LED-uri pe post de indicator luminos de semnalizare a stării unui pin și butoane pentru a transmite informație către microcontroller.

LED-urile - Light Emitting Diode - numite și diode electroluminesciente emit lumină când ele sunt polarizate direct. În funcție de semiconductorii care sunt utilizați în construcție, și de plasticul ce are rol de lentilă de dispersie și filtru optic, LED-urile pot emite lumină în diferite culori. Nu confundați LED-urile cu becurile! În timp ce becurile emit lumina prin încalzirea unui filament de tungsten la temperaturi foarte mari, LED-urile emit lumina trecând un curent printr-un material semiconductor (joncțiune p-n). Spre deosebire de becuri, al căror randament este de sub 5% - majoritatea energiei primite de ele se pierde prin efect caloric -, LED-urile au un randament de transformare a energiei electrice în energie luminoasă mult mai mare.

LED-urile pot fi utilizate pe post de indicator luminos (adesea utilizate în diferite aparate pentru a semnaliza faptul că aparatul este pornit și realizează un anumit lucru), sau pentru iluminare, caz în care sunt utilizate LED-uri de putere.

În cadrul laboratorului LED-urile sunt utilizate pentru a indica starea unui pin.

Calculul rezistenței de limitare a curentului:

Un LED este proiectat să opereze la un curent nominal (ex: 10mA). Căderea de tensiune pe LED urile indicatoare, de mică putere, la acest curent, este dată de culoarea LED-ului, puterea acestuia și de temperatură. Ea poate varia de la 1.7V în cazul LED-urilor roșii, 2-2.3V pentru cele Orange, galbene și verzi și ajunge la 3.2-3.5V în cazul LED-urilor albastre și albe.

Schema utilizată este următoarea:

Întrucât microcontroller-ul are ieșirile comandate folosind stâlp Push-Pull CMOS, tensiunea Upin în starea de 1 logic va fi apropiată de tensiunea de alimentare a microcontroller-ului.

Exemplu:Dacă alimentarea microcontroller-ului este de 5V pentru un LED roșu ce dorim să îl folosim la 10mA, specificat de producător cu o cădere de tensiune de 1.7V, trebuie să folosim o rezistență de 330 de ohmi.

Cel mai simplu mod de interacțiune al utilizatorului cu un microcontroller îl constituie folosirea butoanelor. Modul de conectare al unui push-button este dat în figura de mai jos:

a) arată un buton conectat la pinul PD0 al µC. La apăsarea butonului, intrarea PD0 va fi legată la GND, deci va fi în starea logică “0”. Acest mod de legare este incorect deoarece atunci când butonul nu este apăsat intrarea se află într-o stare nedefinită (ca și cum ar fi lăsată în aer), ea nefiind conectată nici la GND, nici la Vcc. Această stare se numește stare de impedanță mărită și nu poate fi citită de către circuitele interne ale µC deoarece un bit dintr-un registru poate să ia doar valorile 0 sau 1. În practică, citirea unei intrări în stare de impedanță mărită va produce un rezultat de 1 sau 0 în funcție de condițiile de mediu. Spre exemplu, dacă apropiem degetul de acea intrare, citirea va fi 1, iar, daca îndepărtăm degetul, citirea va fi 0.

b) arată modul corect de conectare al butonului, folosind o rezistență de pull-up între pinul de intrare și Vcc. Această rezistență are rolul de a aduce intrarea în starea “1” logic atunci când butonul este liber prin “ridicarea” potențialului liniei la Vcc. Alternativ, se poate folosi o rezistență de pull-down (conectată la GND), caz în care intrarea este ținută in starea logică “0” cât timpul butonul nu este apăsat.

Pentru a economisi spațiu exterior, în µC ATmega324, aceste rezistențe au fost incluse în interiorul circuitului integrat. Inițial ele sunt dezactivate iar activarea acestora se poate face prin software scriind o valoare în registrul de ieșire (PORTn) al unui port care a fost configurat drept intrare. Bitul PUD din registrul SFIOR este setat inițial pe 0, adică atunci când se scrie în PORTn se activează rezistențele de pull-up.

Un indicator sonor de tip buzzer/speakereste un dispozitiv electronic, capabil să producă sunet. Acesta poate fi mecanic, electromecanic sau piezoelectric. Se folosesc de regulă în sisteme de alarmă, ceasuri sau ca feedback sonor pentru anumite acțiuni.

Buzzerele sunt indicatoare sonore care folosesc semnale electric periodic pentru a genera sunetul. Buzzerele pasive sunt buzzerele care trebuie alimentate folosind impulsuri/semnal variabil. Există și buzzere, denumite active, care conțin circuitul oscilator, și pot fi alimentate în curent continuu. Acestea genereaza un sunet cât timp primesc alimentare.

Buzzerul utilizat în cadrul laboratorului este un buzzer pasiv, care este cuplat în alternativ prin înserierea cu o capacitate. Acest buzzer, pentru a funcționa trebuie să primească un semnal electric variabil, sunetul fiind emis în frecvența semnalului cu care acesta este atacat.

Microntroller-ul ATmega324 oferă 4 porturi I/O a câte 8 pini, iar intern, fiecare port are asociat trei registre a câte 8 biți prin care utilizatorul poate controla la nivel de pin fluxul datelor: poate scrie/citi date în/din portul respectiv. Aceste trei registre sunt:

• DDRn - Data Direction Register
  • stabilește direcţia pinilor portului
  • dacă bitul x are valoarea 0 atunci pinul x este de intrare
  • dacă bitul x are valoarea 1 atunci pinul x este de ieșire
• PORTn - Data Register
  • stabilește valorile de ieşire ale pinilor sau activează/dezactivează rezistenţele de pull-up
  • dacă bitul x are valoarea 0 atunci
    • dacă pinul x este de ieșire el va avea valoarea LOW
    • daca pinul x este de intrare rezistența de pull-up va fi dezactivată
  • data bitul x are valoarea 1 atunci
    • daca pinul x este de ieșire el va avea valoarea HIGH
    • dacă pinul x este de intrare rezistența de pull-up va fi activată
• PINn - Input Pins Address
  • putem citi date de pe portul respectiv
  • dacă pinul x are valoarea LOW atunci bitul x va avea valoarea 0
  • daca pinul x are valoarea HIGH atunci bitul x va avea valoarea 1

n poate să fie A, B, C sau D în funcţie de portul selectat. x poate să fie între 0 și 7.

Descrierea detaliată a porturilor şi registrelor corespunzătoare acestora se găseşte în datasheet-ul ATmega324, în capitolul I/O Ports.

Registrele DDRn, PORTn, PINn, precum şi registrele perifericelor nu fac parte din cele 32 de registre de uz general. Ele nu sunt folosite pentru stocarea datelor, ci au ca rol comunicarea cu perifericul corespunzător. Pentru a face accesul la acestea mai simplu, ele sunt mapate în memorie. Astfel, pentru a scrie o valoare într-un registru este necesar să se scrie valoarea la adresa de memorie corespunzătoare registrului. Adresele lor se pot vedea în datasheet, în capitolul Register Summary, iar în avr-libc sunt definite macro-uri pentru fiecare dintre aceste adrese.

 register |= (1 << bit_index) 

 register &= ~(1 << bit_index) 

 register ^= (1 << bit_index) 

 register & (1 << bit_index) 

DDRB = 8;               // AȘA NU.
DDRB = (1 << 3);        // Nici așa, este hardcodat indexul pinului.
DDRB |= (1 << PB3);     // AȘA DA.
DDRB |= _BV(PB3);       // AȘA DA.

Să presupunem că avem un LED legat la pinul 1 al portului B (numit PORTB1 sau PB1). Pentru a aprinde sau stinge LED-ul trebuie să urmăm următorii pași:

• Pinul PB1 trebuie configurat ca ieșire
  • Bitul 1 (PB1) din registrul DDRB va fi 1
• Pentru a aprinde LED-ul trebuie ca pinul PB1 sa ia valoarea HIGH
  • Bitul 1 (PB1) din registrul PORTB va fi 1
• Pentru a stinge LED-ul trebuie ca pinul PB1 sa ia valoarea LOW
  • Bitul 1 (PB1) din registrul PORTB va fi 0

Să presupunem ca avem un buton legat la pinul 4 al portului D (numit PORTD4 sau PD4), din cazul b) prezentat anterior. Pentru a determina starea butonului (apăsat sau liber) trebuie să urmăm următorii pași:

• Pinul PD4 trebuie configurat ca intrare
  • Bitul 4 (PD4) din registrul DDRD va fi 0
• Pentru a determina starea de apăsare a butonului trebuie să citim valoarea pinului la care este atașat. Acesta va fi 1 atunci când butonul este liber și 0 atunci când butonul este apăsat
  • Citim valoarea bitului 4 (PD4) din registrul PIND

Vom scrie un program care stinge și aprinde un LED la intervale de 500 ms. Acest lucru se face modificând tensiunea unuia dintre pinii microcontroller-ului, în cazul nostru pinul 0 din portul C (PC0).

lab0.c

#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>
 
int main() {
	/* Setăm pinul 0 al portului C ca pin de ieșire. */
	DDRC |= (1 << PC0);
 
	while(1) {
                /* Inversăm starea pinului. */
		PORTC ^= (1 << PC0);
 
                _delay_ms(500);
	}
 
	return 0;
}

Pentru compilare folosim următorul Makefile:

Makefile

# Linux
PORT ?= /dev/ttyUSB0
# Windows
# PORT ?= COM1
 
all: lab0.hex
 
lab0.hex: lab0.elf
	avr-objcopy  -j .text -j .data -O ihex $^ $@
	avr-size lab0.elf
 
lab0.elf: lab0.c
	avr-g++ -mmcu=atmega324p -DF_CPU=12000000 -Os -Wall -o $@ $^
 
upload: lab0.hex
	avrdude -c arduino -P $(PORT) -b 57600 -p atmega324p -U flash:w:$<:a
 
clean:
	rm -rf lab0.elf lab0.hex

Rezultatul compilării este fișierul lab0.hex. Acesta urmează a fi încărcat în microcontroller folosind regula upload.

Capitole utile din Datasheet ATmega324

• 1. Pin Configurations - pag. 2
• 14. I/O-Ports - pag. 72

Task 0 (2p). Rulați exemplul din scheletul de laborator.

Task 1 (4p). Implementați, folosind cele 8 LED-uri de pe placa de laborator, o secvență simplă și o secvență avansată de aprindere dintre cele de mai jos. Selecția secvenței se face prin intermediul a două butoane conectate la uC pe pinii PB2 și PD6 (PB2 selectează secvența simplă, PD6 selectează secvența avansată).

       Simplu1          Simplu2          Simplu3 
  t00  *-------         *-------         *------*
  t01  -*------         **------         -*----*-
  t02  --*-----         ***-----         --*--*--
  t03  ---*----         ****----         ---**---
  t04  ----*---         *****---         ---**---
  t05  -----*--         ******--         --*--*--
  t06  ------*-         *******-         -*----*-
  t07  -------*         ********         *------*
       mergi la t00     mergi la t00     mergi la t00
  
  
       Avansat1         Avansat2         Avansat3
  t00  *-------         *-------         *-------
  t01  -*------         **------         -*------
  t02  --*-----         ***-----         --*-----
  t03  ---*----         ****----         *--*----
  t04  ----*---         *****---         -*--*---
  t05  -----*--         ******--         --*--*--
  t06  ------*-         *******-         *--*--*-
  t07  -------*         ********         -*--*--*
  t08  ------*-         -*******         --*--*--
  t09  -----*--         --******         mergi la t06
  t10  ----*---         ---*****         
  t11  ---*----         ----****         
  t12  --*-----         -----***         
  t13  -*------         ------**         
  t14  *-------         -------*      
       mergi la t00     mergi la t00                  
  

Task 2 (4p). Implemenţati codul Morse folosind speaker-ul. Veţi implementa 2 tonuri, unul scurt cu durata de 50 ms şi unul lung cu durata de 150 ms, cu pauză de 50 ms între 2 tonuri consecutive. Selecţia între tonuri se va face folosind cele 2 butoane de pe PB2 (produce un ton scurt) şi PD6 (produce un ton lung). Speaker-ul este conectat la PD4.

Task 3 (Bonus 2p). Scrieți un program care produce 8 note diferite folosind speaker-ul. Inițial speaker-ul va fi oprit. La apăsarea butonului de pe PD6 programul va trece la nota superioară. Dacă era la cea mai înaltă notă (a 8-a), programul nu va face nimic. La apăsarea butonului de pe PB2 programul va trece la nota inferioară. Dacă era la cea mai joasă notă notă (prima), programul va opri speaker-ul. Nota curentă va fi afișată prin intermediul celor 8 LED-uri, aprinzând LED-ul corespunzător notei produse (LED-ul 1 va fi aprins pentru nota 1, LED-ul 2 pentru nota 2, etc. Când speaker-ul este oprit niciun LED nu va fi aprins). Mai jos aveți funcționarea programului exemplificată în pseudocod.

frecventa_nota[8] = {262, 294, 320, 349, 392, 440, 494, 523};
 
init:
    nota_curenta = -1
    butoane.init()
    speaker.init()
    led.init()
 
bucla_principala:
    if (butoane.apasat(PD6) && nota_curenta < 7)
        ++nota_curenta;
 
    if (butoane.apasat(PB2) && nota_curenta > -1)
        --nota_curenta;
 
    if (nota_curenta != -1)
        speaker.reda(nota_curenta)
        led.aprinde(nota_curenta)
    else
        speaker.opreste()
        led.opreste()
 
    goto bucla_principala

• Schelet de cod
• Soluție laborator - disponibilă începând de săptămâna viitoare

• Datasheet ATmega324
• Responsabili: Marius Andrei

• AVR freaks
• AVR libc
• AVR GCC
• Detalii introductive despre programarea pe AVR (blog)
• Cum funcționează LED-urile