Capitole utile din Datasheet ATmega324P

• 1. Pin Configurations - pag. 15
• 13. I/O-Ports - pag. 95

I: Ce facem noi aici? Unde se folosește ce învățăm? Chiar e util?

R: Ca să răspundem pe scurt: “multe”, “peste tot” și “da”; ar fi răspunsurile, dar mai bine începem cu un exemplu.

Tocmai ți-ai construit un nou PC și i-ai pus și RGB pe RAM, pe ventilatoare, pe carcasă, o grămadă. Acum vine întrebarea, cine “apasă” butoanele astfel încât culorile să iasă așa cum le pui tu în software? CPU-ul să stea el și să aibă grijă să schimbe culorile? Ar cam fi o irosire de resurse. Aici intervine un microcontroller! E un procesor mai mic, mai simplist, cu un task bine determinat în sistem. Treaba lui în cazul nostru este să controleze RGB-ul întreaga lui viață.

TLDR, un calculator într-un cip. Mai în detaliu, el este un circuit integrat ce reunește o unitate de procesare (CPU), memorii (volatile RAM, nevolatile EEPROM, Flash, ROM) și diverse periferice ce îi permite acestuia să comunice cu mediul extern.

Le găsim în diferite dispozitive precum: telefoane, electro-casnice, sateliți, avioane, în fabrici etc. Există o gamă largă de microcontrollere disponibile și acestea se aleg în funcție de aplicație, având în vedere mai ales optimizarea costului și a consumului energetic pentru dispozitivul unde µC urmează a fi folosit.

• 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.)

Perifericele reprezintă orice dispozitiv, intern sau extern, care se conectează la un sistem de calcul și îi extinde funcționalitatea de bază. În cazul microcontroller-ului, există o serie de astfel de periferice incluse direct în circuitul integrat (exemple mai sus). Deși nu seamănă cu perifericele unui PC (monitor, placă grafică, tastatură, mouse etc.), fără ele microcontroller-ul nu ar putea interacționa cu mediul exterior. Mai mult, perifericele ne ajută să conectăm alte elemente mai performante la controller și să îi putem oferi funcționalități similare unui sistem PC (conexiune la internet, linie de date USB, display grafic etc.)

Pe parcursul semestrului vom lucra cu microcontrollere din familia AVR de la Microchip. Acestea au arhitectură Harvard pe 8 biţi şi set redus de instrucţiuni (RISC).

Este un microcontroller pe 8 biți din familia megaAVR cu care vom lucra pe parcursul semestrului. Registrele şi magistrala internă de date sunt pe 8 biţi.

La acest microcontroller vom învăța să îi configurăm pinii și să interacționam cu mediul exterior din cod. Acesta are 40 de pini (prezentați mai jos), dintre care 5 sunt pentru alimentare sau funcții auxiliare, iar 32 sunt pentru I/O. microcontrollerul are patru porturi: A, B, C și D.

Placa de laborator este bazată pe microcontrolerul ATmega324P și vine cu următoarele caracteristici:

• LSM9DS0 - Senzor inerțial cu 9 axe (accelerometru, giroscop și magnetometru)
• MPL3115 - Senzor baro-altimetru
• Senzori de temperatura și lumină ambientală
• Display LCD 128×160 ST7735 color cu cititor de card SD
• RGB LED
• Display LCD cu 16×02 caractere
• LEDuri GPIO și butoane
• Conectori JTAG și ISP
• Interfață USB programabilă și interfața de date

Placa de laborator reprezintă un circuit care ne pune la dispoziție facil pinii µC-ului de pe ea și care conține circuite de alimentare, de protecție și eventual programatorul µC-ului.

LCD Displays

I2C Sensors & Bus Addresses

SD Card

RGB LED

Miscellaneous

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).

Exemplu actuatori:

• Ventilatoare;
• Indicatoare sonore - buzzere;
• Indicatoare luminoase;
• Rezistențe de încălzire.

Exemplu Senzori:

• Butoane;
• Fotorezistori - rezistența lui electrica este influențată de cantitatea de lumină;
• Termistori - rezistența lui electrica este influențată de temperatură.

LED-urile - Light Emitting Diode - numite și diode electroluminesciente - emit lumină când ele sunt polarizate direct. A nu se confunda cu becurile deoarece au metode de funcționare radical diferite.

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.

Un LED este proiectat să opereze la un curent nominal (ex: 10mA). Căderea de tensiune la acest curent pe LED-urile indicatoare, de mică putere, este dată de chimia LED-ului (aceasta dă și culoarea LED-ului). În cadrul laboratorului, deoarece folosim un LED de un curent atât de mic, putem să îl alimentăm direct de pe pinii logici ai µC-ului.

Schema utilizată este următoarea:

Soluție: 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 în acest laborator este descris 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. În practică, dacă am citi acum valoarea pinului, se 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 timp butonul nu este apăsat.

La laborator: Pentru a economisi spațiu exterior, în µC-ul ATmega328P, aceste rezistențe au fost incluse în interiorul circuitului integrat. Inițial ele sunt dezactivate iar activarea acestora se poate face prin software.

Acesta poate fi considerat cel mai important pas atunci când dorim să folosim un µC. Trebuie să învățăm cum să configurăm intern µC-ul pentru ca acesta să îndeplinească funcțiile dorite de noi. În acest laborator vom configura pinii pentru a fi de I/O: unii pini să citească dacă se află tensiune pe ei (input) sau alții să dea 0 volți sau 5 volți în funcție de comenzile noastre din software (output).

Pentru a clarifica terminologia: acum când spunem că setăm un registru sau scriem într-un registru, nu ne referim la registrele de uz general din procesor cu care ați lucrat la IOCLA. Ne referim la adrese de memorie rezervate în µC. Vom repeta iarăși împreună: “Prin registru ne referim la o adresă de memorie”. Practic cum merg lucrurile “under the hood”, la acești bytes sunt legături fizice și dacă scriem un bit de 1 sau de 0 în anumite poziții, activăm sau dezactivăm elemente din µC.

Mereu pentru a afla cum să configurați un periferic, datasheet-ul µC-ului este cea mai bună locație să aflați exact fiecare configurare unde se află și ce face. Deoarece nu este deloc plăcut sa scrii în cod *(0x04) = 0b0000 0001, producătorii de µC oferă biblioteci ( avr-libc) pentru a da nume acestor adrese. Următorul cheatsheet vă arată cum sa configurați un anumit bit de la o anumită adresă folosind macrouri (care sunt considerate și best practice).

 macro |= (1 << bit_index) 

 macro &= ~(1 << bit_index) 

 macro ^= (1 << bit_index) 

 macro & (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.

Nu vă temeți, vom avea destule laboratoare în care să vă obișnuiți cu lucrul cu registre și configurarea µC-ului. Vă încurajăm să depuneți, acum, la început niște efort pentru un drum ușor în acest semestru.

Pentru acest laborator v-am scutit de căutarea în datasheet, lucru ce poate părea complicat la început și am sintetizat, pentru voi, ce adrese de memorie (registre) trebuie să modificați pentru lucrul în acest laborator.

Microntroller-ul ATmega324 oferă 4 porturi I/O a câte 8 pini, iar intern, fiecare port are asociate 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
  • daca pinul este de input, putem citi date de pe portul respectiv
    • dacă pinul x are valoarea LOW atunci bitul x va avea valoarea 0
    • dacă pinul x are valoarea HIGH atunci bitul x va avea valoarea 1
  • dacă pinul este de output, putem face toggle automat
    • dacă scriem la bitul x valoarea 1, bitul echivalent din PORTn se va nega automat (adică facem toggle la starea pinului automat)

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.

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
  • DDRB |= (1 « PB1);
• Pentru a aprinde LED-ul trebuie ca pinul PB1 să ia valoarea HIGH
  • Bitul 1 (PB1) din registrul PORTB va fi 1
  • PORTB |= (1 « PB1);
• Pentru a stinge LED-ul trebuie ca pinul PB1 să ia valoarea LOW
  • Bitul 1 (PB1) din registrul PORTB va fi 0
  • PORTB &= ~(1 « PB1);

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
  • DDRD &= ~(1 « PD4);
• 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
  • char val = PIND & (1 « PD4);

Pentru dezvoltarea programelor putem folosi orice editor de text.

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.

brew install avrdude
xcode-select --install
brew tap osx-cross/avr
brew install avr-gcc

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, deoarece astfel nu avem nevoie de nici-o altă componentă externa pentru a încarca fișierul hex. Un bootloader este 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 și 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

Pentu o soluție care înglobează tot toolchain-ul și IDE-ul, instalați-vă direct PlatformIO. După instalarea extensiei PlatformIO în VSCode, creați un nou proiect cu target ATmega324P ca platformă/microcontroler și adăugați în platformio.ini linia:

 upload_protocol = urclock 

OK, sunteți software developers hardcore și vreți să instalați direct toolchain-ul cu IDE-ul vostru preferat (pe cine păcălesc eu aici, lucrați direct în vim), aveți și opțiunea asta, dar cu câteva dureri de cap incluse. Dacă vreți să vă instalați doar toolchain-ul, fără IDE, aveți nevoie de avr-gcc, make și avrdude pentru a compila și programa placa de laborator. Vă recomandăm următoarele ghiduri de instalare:

• Linux
• Windows
• Mac

De asemenea, vă recomandăm să folosiți un IDE pentru dezvoltarea de cod. Dacă preferați VSCode (fără extensia PlatformIO) există acest tutorial.

Vom scrie un program care stinge și aprinde un LED la intervale de 500 ms. LED-ul vizat este cel verde de pe placa de laborator. Acest lucru se face modificând tensiunea unuia dintre pinii microcontroller-ului, în cazul nostru pinul 7 din portul D (PD7).

main.c

#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>
 
int main() {
	/* Setăm pinul 7 al portului D ca pin de ieșire. */
	DDRD |= (1 << PD7);
 
	while(1) {
                /* Inversăm starea pinului. */
		PORTD ^= (1 << PD7);
                _delay_ms(500);
	}
 
	return 0;
}

Pentru compilare cu PlatformIO apăsați Ctrl+Alt+B apoi Ctrl+Alt+U pentru upload.

Dacă v-ați instalat toolchain-ul separat, trebuie să apelați la următorul Makefile:

Makefile

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

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

Task 0 Începem prin a verifica setup-ul.

• Instalați IDE-ul dorit/folosit și rulați exemplul Hello Word pe placa de dezvoltare din laborator.

Task 1

• Modificați exemplul Hello World încât LED-ul aprins să fie cel de culoare roșie. Hint: căutați pinul și portul la care e legat acest LED (parte a LED-ului RGB) în schema plăcii / documentația plăcii pe GitHub. Atenție: LED-ul RGB are anodul comun, așa că scrierea unui 1 logic pe pinul de GPIO corespunzător o să stingă LED-ul.

Task 2

• Modificați exemplul Hello World încât LED-ul să își schimbe culoarea la apăsarea butonului BTN 1 (PB2).
  • Mențineți LED-ul verde aprins
  • Configurați registrele pentru a face pinul PB2 de input
  • Configurați LED-ul să adauge și altă culoare (roșu/albastru) atunci când butonul este apăsat. (nu uitați să activați rezistența de pull-up internă a µC-ului pentru PB2)

Task 3

• Plecând de la aplicația rezultată la Task 2, schimbați utilitatea butonului BTN1 pentru a schimba culoarea LED-ului prin apăsare succesivă (prima apăsare - roșu, a doua apăsare - verde, a treia apăsare - albastru șamd.).
• Cu ajutorul BTN2 stabiliți un comportament de clipire (blink) al LED-ului sau de luminozitate deplină (o apăsare - blink, a doua apăsare - aprins continuu, următoarea apăsare - blink șamd.).

• AVR freaks
• AVR libc
• AVR GCC
• Detalii introductive despre programarea pe AVR (blog)
• Cum funcționează LED-urile
• Schemă electronică placă dezvoltare PM

• Cristian Contasel
• Alex Radovici