Laboratorium Ćwiczenie 1 Podstawy programowania, stany uśpienia Program ćwiczenia: zapoznanie z regulaminem laboratorium i zasadami zaliczenia, zapoznanie ze sprzętem laboratoryjnym i oprogramowaniem, obsługa portów wejścia/wyjścia mikrokontrolera, obsługa przerwań sprzętowych mikrokontrolera, obsługa stanów uśpienia mikrokontrolera. Zagadnienia do przygotowania: podstawy programowania mikrokontrolerów w języku C, obsługa portów wejścia/wyjścia mikrokontrolera, zjawisko drgań styków przycisków wpływ na pracę mikrokontrolera, sposoby eliminacji, przerwania sprzętowe mikrokontrolera (zewnętrzne oraz licznika T/C1) uruchamianie, obsługa, licznik T/C1 w trybie pracy normalnym obsługa, stany uśpienia mikrokontrolera konfiguracja, aktywacja, wybudzanie. Literatura: [1] Wykład [2] Dokumentacja mikrokontrolera ATmega8535, www.atmel.com. [3] Mikrokontrolery AVR ATmega w praktyce, R. Baranowski, BTC 2005. [4] AVR i ARM7. Programowanie mikrokontrolerów dla każdego, P. Borkowski, Helion 2010. [5] Mikrokontrolery AVR Język C. Podstawy programowania, M. Kardaś, Atnel 2011. Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki dr inż. Piotr Markowski 2015
Zawartość instrukcji 1. Podstawy programowania AVR w języku C... 1 2. Licznik T/C1... 3 3. Przerwania sprzętowe... 4 4. Stany uśpienia... 5 5. Przykładowe zadania... 6 UWAGA! Do poprawnej obsługi mikrokontrolera niezbędne jest korzystanie z jego dokumentacji. Instrukcja zawiera pewne uproszczenia w stosunku do rzeczywistych możliwości mikrokontrolera oraz języka C. 1. Podstawy programowania AVR w języku C W trakcie zajęć laboratoryjnych programowanie mikrokontrolerów będzie się odbywało przy wykorzystaniu darmowego środowiska programistycznego AVR Studio 4 oraz darmowego kompilatora WinAVR. Ten zestaw umożliwia kompilowanie i asemblację programów napisanych w języku C oraz symulację ich działania w mikrokontrolerze. Trzecią aplikacją wykorzystywaną na zajęciach będzie PonyProg2000, który umożliwia zapisywanie programu w pamięci mikrokontrolera. Wprowadzenie do obsługi wymienionych aplikacji odbędzie się na pierwszych zajęciach. Po utworzeniu nowego projektu AVR GCC w programie AVR Studio 4, należy napisać odpowiedni kod, który będzie sterował pracą mikrokontrolera. Uwaga: proszę sprawdzić, czy w menu Project -> Configuration Options -> Custom Options ustawiono odpowiednie ścieżki dostępu:...\winavr\bin\avr-gcc.exe oraz... \WinAVR\utils\bin\make.exe Do projektu każdorazowo należy dołączyć bibliotekę io.h dostarczoną z programem WinAVR. Zawarto w niej m.in. definicję rejestrów specjalnych oraz instrukcji mikrokontrolera. Funkcja główna programu zawsze musi nazywać się main(). Na listingu 1 przedstawiono uniwersalny szkielet programu. int main(void) List. 1. Uniwersalny szkielet programu. 1 dr inż. Piotr Markowski 2015
Zmienne można deklarować jako typy standardowe dla języka C lub typy specjalnie przeznaczone dla mikrokontrolerów (z punktu widzenia mikrokontrolerów wygodniejsze jest stosowanie zmiennych 8 czy 16-bitowych), np: int8_t liczba całkowita 8-bitowa ze znakiem (zakres -128...127), uint8_t liczba całkowita 8-bitowa bez znaku (zakres 0...255), int16_t liczba całkowita 16-bitowa ze znakiem (zakres -32768...32767), uint16_t liczba całkowita 16-bitowa bez znaku (zakres 0...65535). Ustalanie wartości rejestrów sterujących pracą mikrokontrolera wykonuje się np. w następujący sposób: DDRA = 0b10101010; //przypisanie wartości w kodzie NKB DDRB = 0xaa; //przypisanie wartości w kodzie szesnastkowo-dziesiętnym DDRC = 170; //przypisanie wartości w kodzie dziesiętnym PORTD = (1<<PD2); //ustawienie bitu PD2 na 1 z zachowaniem wartości pozostałych bitów PORTD = ((1<<2) (1<<PD1)); //ustawienie bitu nr 2 (PD2) oraz PD1 (nr 1 ) na 1 z zachowaniem... PORTD &= ~(1<<PD3)&~(1<<PD2); //wyzerowanie bitu nr 2 (PD2) oraz nr 3 (PD3) z zachowaniem... PORTA ^= 0xff; //zanegowanie wszystkich bitów rejestru PORTA (XOR bitów z wartością 1 ) TCNT1 += 1; //zwiększenie stany rejestru o 1; PORTB = TCNT0; //przepisanie zawartości rejestru specjalnego do innego; uint8_t zmienna = OCR0; //przepisanie zawartości rejestru do zmiennej zmienna Należy pamiętać, że nazwy rejestrów specjalnych muszą być wpisywane wielkimi literami. Sprawdzenie aktualnego stanu bitu w rejestrze można wykonać np. w taki sposób: if (PIND & (1<<PD0)) //warunek prawdziwy gdy na bicie PD0 w rejestrze PIND jest 1 if (!(PIND & (1<<PD0))) //warunek prawdziwy gdy na bicie PD0 w rejestrze PIND jest 0 Część programu mającą się wykonywać wielokrotnie można umieścić np. w pętli nieskończonej for() lub while(), jednak w przypadku pętli for() występują problemy przy symulacji w AVR Studio 4. while (1) for (;;) Opóźnienie wykonywania programu można spowodować wywołując funkcję _delay_us() lub _delay_ms(). Pierwsza powoduje opóźnienie w mikrosekundach (czas trwanie podajemy w nawiasie), druga w milisekundach. Aby funkcje działały należy w nagłówku projektu dodać wpisy: #define F_CPU 1000000L #include <util/delay.h> //1000000L to przykładowa częstotliwość zegara taktującego nasz mikrokontroler Biblioteka delay.h zawiera definicje przedstawionych funkcji, ale do prawidłowego działania wymaga wcześniejszego zdefiniowania stałej F_CPU. Na listingu 2 przedstawiono kod przy kładowego programu. Załóżmy, że do nóżek wejściowych PD0 oraz PD1 mikrokontrolera podpięto przyciski, łączące nóżki z masą. Do portu A podłączono 8 LED. 2 dr inż. Piotr Markowski 2015
1 2 3 #define F_CPU 1000000UL #include <util/delay.h> //dołaczenie biblioteki //ustalenie częstotliowści dla delay.h //dołaczenie biblioteki 4 5 6 7 int ustaw(void) DDRD &= ~((1<<PD0) (1<<PD1)); PORTD = (1<<PD0) (1<<PD1); DDRA = 0xff; //PD0 oraz PD1 jako wejścia ('0') //pull-up na PD0 oraz PD1 //cały port A jako wyjścia ('1') 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 int main(void) uint8_t a = 0xaa; //zmienna 'a' - stan początkowy 0b10101010 ustaw(); //wywołanie funkcji 'ustaw()' while (1) //pętla nieskończona _delay_ms(500); if (!(PIND & (1<<PD0))) //czy bit PD0 = 0? (czy przycisk wciśnięty?) PORTA ^= a; //wyświetl na porcie A: (PORTA xor a) => migają diody nr. 1,3,5,7 else if (!(PIND & (1<<PD1))) //czy bit PD1 = 0? (czy przycisk wciśnięty?) PORTA ^= ~a; //wyświetl na porcie A: (PORTA xor ~a) => migają diody nr. 0,2,4,6 else PORTA = a; //wyświetl na porcie A: a List. 2. Kod przykładowego programu. W pierwszej kolejności definiowana jest zmienna a i przypisywana jest jej wartość początkowa 0b10101010. Następnie wywoływana jest funkcja ustaw(), w której ustawiany jest pull-up dla wejść PD0 oraz PD1, port A definiowany jest jako wyjściowy. W pętli nieskończonej while realizowane jest opóźnienie 500 ms oraz sprawdzany jest aktualny stan bitów PD0 oraz PD1 w rejestrze PIND. Jeżeli nie jest wciśnięty żaden przycisk wykonuje się warunek z linii 18 wyświetlenie na LED wartości zmiennej a. Jeżeli zostanie naciśnięty i przytrzymany przycisk PD0 na LED wyświetli się wartość 0b10101010. Pętla while wykona się kolejny raz, zatem po 500 ms stan na LED zmieni się na 0b00000000, itd. Jeżeli przycisk PD0 zostanie zwolniony, a wciśnięty zostanie przycisk PD1 na LED wyświetli się wartość zanegowane a 0b01010101, która po 500 ms zmieni się na 0b00000000, itd. Zatem wciśnięcie jednego z przycisków powoduje miganie LED. W ramach przygotowania do zajęć proszę przetestować działanie programu w symulatorze AVR Studio 4. 2. Licznik T/C1 Dokładne informacje na temat pracy liczników zawiera dokumentacja mikrokontrolera [2] oraz materiały z wykładu [1]. Na zajęciach laboratoryjnych wykorzystywany będzie tryb pracy normalny lub CTC licznika T/C1. Licznik będzie pracował w trybie zliczania impulsów/odliczania czasu (nie w trybie generowania przebiegu prostokątnego). W związku z tym w ustawieniach rejestrów sterujących pracą licznika (TCCR1A, TCCR1B s. 110 [2]) na bitach COM1xx, FOC1x, ICNC1 oraz ICES1 należy wpisać 0. Bity WGM1x należy ustawić adekwatnie do wybranego trybu pracy. W trakcie laboratorium będzie konieczna znajomość funkcji i sposobu użycia rejestru zliczającego TCNT1 oraz rejestrów porównawczych OCR1A i OCR1B, a także rejestru odblokowującego przerwania liczników (TIMSK). Wyczerpujące informację o wymienionych rejestrach można znaleźć w literaturze do laboratorium [1-5]. Zagadnienie przerwań sprzętowych licznika T/C1 zostanie poruszone w punkcie 3. 3 dr inż. Piotr Markowski 2015
3. Przerwania sprzętowe Mikrokontroler Atmega8535 stosowany na zajęciach laboratoryjnych posiada 21 przerwań sprzętowych omówionych na stronie 46 dokumentacji [2]. W trakcie zajęć będą wykorzystywane przerwania zewnętrzne INT0, INT1, INT2 oraz przerwania liczników. W celu odblokowania wybranego przerwania należy: 1. ustalić jakie zdarzenie ma wywołać przerwanie (rejestry MCUCR, MCUCSR); 2. wpisać wartość 1 na odpowiednim bicie w odpowiednim rejestrze kontrolnym (GICR, TIMSK) 3. odblokować przerwania globalnie (SREG, flaga I) Krok (1) wykonuje się jedynie dla przerwań zewnętrznych. Zgodnie z tab. 35 oraz 36 na stronie 68 dokumentacji [2] wybieramy sposób aktywacji przerwania zewnętrznego: poziomem niskim na nóżce; dowolnym zboczem (narastającym lub opadającym); zboczem opadającym; zboczem narastającym. Krok (2) to ustawienie bitów w rejestrze GICR dla przerwań zewnętrznych (s. 69 dokumentacji [2]) lub w rejestrze TIMSK dla liczników (s. 85, 115, 133 dokumentacji [2]). Krok (3) wykonujemy wywołując funkcję sei(). Aby obsługiwać przerwania w AVR GCC należy do projektu dołączyć bibliotekę interrupt.h. Zdefiniowano w niej wektory przerwań sprzętowych mikrokontrolerów AVR i przypisano im ustandaryzowane nazwy. W tab. 1 zebrano nazwy wektorów dla przerwań zewnętrznych oraz liczników mikrokontrolera ATmega8535. Pełną listę wektorów można znaleźć np. w internecie (np. http://www.atmel.com/webdoc/avrlibcreferencemanual/group avr interrupts.html). Obsługa przerwań sprowadza się do ich skonfigurowania i uruchomienia (jak opisano powyżej) oraz do napisania funkcji obsługującej dla każdego. Funkcja ta musi nosić nazwę: ISR(xxx) przy czym zamiast xxx wpisujemy nazwę wektora z tabeli 1. Tab. 1. Nazwy wybranych wektorów przerwań Wektor Opis INT0_vect przerwanie zewnętrzne INT0 INT1_vect przerwanie zewnętrzne INT1 INT2_vect przerwanie zewnętrzne INT2 TIMER0_OVF_vect przepełnienie licznika T/C0 TIMER0_COMP_vect zrównanie licznika T/C0 (TCNT0 = OCR0) TIMER1_OVF_vect przepełnienie licznika T/C1 TIMER1_COMPA_vect zrównanie licznika T/C1 (TCNT1 = OCR1A) TIMER1_COMPB_vect zrównanie licznika T/C1 (TCNT1 = OCR1B) TIMER2_OVF_vect przepełnienie licznika T/C2 TIMER2_COMP_vect zrównanie licznika T/C2 (TCNT2 = OCR2) Na listingu 3 przedstawiono szkielet programu zawierającego obsługę przerwania od przepełnienia licznika T/C0 oraz przerwania zewnętrznego INT0. 4 dr inż. Piotr Markowski 2015
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 #include <avr/interrupt.h> int main(void) DDRD &= ~(1<<PD2); PORTD = (1<<PD2); MCUCR = (1<<ISC00); GICR = (1<<INT0); TIMSK = (1<<TOIE0); sei(); TCCR0 = (1<<CS00); //PD2 jako wejście //pull-up na PD2 //reakcja INT0 na dowolne zbocze //odblokowanie przerwania INT0 //odblokowanie przerwania od przepełnienia T/C0 //globalne odblokowanie przerwań //uruchomienie licznika T/C0 11 while(1) 12 13 14 15 ISR(INT0_vect) PORTA=0x81; ISR(TIMER0_OVF_vect) PORTA=0x18; //podprogram obsługi INT0 //zrób coś //zrób coś innego List. 3. Kod przykładowego programu. 4. Stany uśpienia Uśpienie mikrokontrolera przede wszystkim umożliwia zmniejszenie ilości energii pobieranej przez system. Jest to możliwie dzięki odcięciu taktowania od części układów peryferyjnych. W rezultacie przestają one pracować, a co za tym idzie, pobierać energię. W pewnych sytuacjach zasadne jest też uśpienie mikrokontrolera, aby zminimalizować szum elektromagnetyczny przez niego wytwarzany (np. konwersja analog.-cyfr. lub cyfr.-analog.). Na procedurę obsługi stanów uśpienia składa się: wybór odpowiedniego stanu uśpienia (np. w Atmega8535 mamy 6 dostępnych opcji); odblokowanie opcji uśpienia mikrokontrolera; uśpienie mikrokontrolera; wybudzenie mikrokontrolera. W tabeli 2 zamieszczono wybrane stany uśpienia mikrokontrolera ATmega8535. Podano także wykaz sygnałów, które mogę układ wybudzić. Należy podkreślić, że tylko ściśle określone zdarzenia są do tego zdolne wybrane przerwania sprzętowe. Przed uśpieniem mikrokontrolera należy sprawdzić, czy aktywowano te przerwanie/przerwania. Inaczej konieczny będzie reset mikrokontrolera. Do wyboru określonego trybu uśpienia, a także do jego aktywowania służą odpowiednio funkcje set_sleep_mode(xxx) (zamiast xxx należy wpisać wektor stanu uśpienia z tabeli 2) oraz sleep_mode() dostępne w bibliotece sleep.h. Na listingu 4 przedstawiono przykładowy kod wprowadzający mikrokontroler w stan uśpienia i wybudzający go przy pomocy przerwania INT0. 5 dr inż. Piotr Markowski 2015
Tab. 1. Nazwy wybranych wektorów przerwań Tryb uśpienia Nazwa wektora Sygnał wybudzający Idle SLEEP_MODE_IDLE dowolne przerwanie ADC redukcja szumów Power down SLEEP_MODE_ADC - przerw. zewn. aktywowane poziomem niskim, - rozpoznanie adresu TWI (I2C), - przerwania licznika T/C2, - EEPROM gotowy, - zakończenie konwersji ADC. SLEEP_MODE_PWR_ DOWN - przerw. zewn. aktywowane poziomem niskim, - rozpoznanie adresu TWI (I2C). Power save SLEEP_MODE_PWR_ SAVE - przerw. zewn. aktywowane poziomem niskim, - rozpoznanie adresu TWI (I2C), - przerwania asynchroniczne licznika T/C2. 1 2 3 #include <avr/interrupt.h> #include <avr/sleep.h> //biblioteka trybów uśpienia 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 int main (void) DDRD=0; PORTD=0xFF; MCUCR=0; //przerwanie INT0 aktywowane poziomem niskim GICR =(1<<INT0); set_sleep_mode(sleep_mode_idle); //wybór trybu uśpienia sei(); sleep_mode(); //uśpienie mikrokontrolera while (1) ISR(INT0_vect) List. 4. Kod przykładowego programu. 5. Przykładowe zadania a) napisz program wykonujący różne operacje arytmetyczne (+, -, *, /) oraz logiczne (AND, OR, XOR, <<, ~) na liczbach 8-bitowych oraz wysyłaj wyniki na nóżki portu A; b) napisz program wysyłający różne kombinacje bitowe na port B, w zależności od stanu 4 nóżek wejściowych na porcie D (zakładamy 8 LED podpięte do portu A i 4 przyciski podpięte do portu D); c) przy pomocy licznika T/C0 odlicz 50 impulsów zewnętrznych, doprowadzanych przez wejście T0; d) przy pomocy licznika T/C1 odlicz czas 1 min; e) przy pomocy licznika T/C1 odliczaj czas 1 min; co 60s zwiększaj liczbę wysyłaną na port wyjściowy A (domyślnie 8 LED); wykorzystaj przerwanie od doliczenia do zadanej wartości (OCIE1A lub OCIE1B); f) napisz program obsługujący przerwania zewnętrzne INT0 oraz INT1, wysyłający różne kombinacje bitowe na port B, w zależności od tego, które przerwanie zostało wywołane; g) wprowadź mikrokontroler w stan uśpienia IDLE, następnie wybudź go przy użyciu przerwania zewnętrznego. 6 dr inż. Piotr Markowski 2015