Katedra Metrologii i Optoelektroniki Wydział Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki Politechnika Gdańska LABORATORIUM MIKROKONTROLERY I MIKROSYSTEMY Stanowisko laboratoryjne dla mikrokontrolera ATXmega32A4 firmy Atmel opracowane przez: dr hab. inż. Zbigniew Czaja inż. Krzysztof Burek Gdańsk 2014
I. Opis stanowiska laboratoryjnego mikrokontrolera ATXmega32A4 Płytka laboratoryjna składa się z bloków pokazanych na rys. 1. Głównym elementem jest moduł mikrokontrolera ATXmega32A4 pokazany na rys. 2. Rys. 1. Schemat blokowy zestawu uruchomieniowego Na module tym poza mikrokontrolerem ATXmega32A4 zamontowano niezbędne elementy bierne wymagane do prawidłowego funkcjonowania mikrokontrolera (rys. 2). Do tych elementów należy zaliczyć: kondensatory odprzęgające o pojemności 100 nf pomiędzy każdym wyprowadzeniem zasilania i masy, układ LC składający się z cewki o indukcyjności 10 µh i kondensatora o wartości 1 µf służącego, jako filtr napięcia referencyjnego oraz zewnętrzny oscylator kwarcowy o częstotliwości 16 MHz wraz z dwoma kondensatorami pomagającymi go wzbudzić o pojemności 22 pf każdy. Całość została umieszczona na dwóch męskich złączach typu gold pin 2x13, do których zostały podłączone wszystkie wyprowadzenia mikrokontrolera (8 nieużywanych linii pozostawiono w stanie wysokiej impedancji). 2
Rys. 2. Schemat ideowy modułu z mikrokontrolerem ATxmega32 W zestawie uruchomieniowym do komunikacji mikrokontrolera z komputerem PC wykorzystano moduł MMusb232 firmy Propox oparty na kontrolera FT8U232BM firmy FTDI (rys.3.). Moduł ten pośredniczy w komunikacji między interfejsem USART mikrokontrolera a interfejsem USB komputera PC. Rys 3. Uproszczony schemat blokowy modułu MMusb232 firmy Propox [3] Schemat instalacji modułu na zestawie uruchomieniowym powstał na bazie dokumentacji dostarczanej przez firmę Propox. Wykorzystano tryb pracy z zasilaniem bezpośrednio z przewodu USB oraz komunikację z komputerem PC jedynie za pomocą wyprowadzeń TxD oraz RxD (rys. 4). 3
Rys. 4. Schemat ideowy instalacji modułu MMusb232 firmy Propox W zestawie uruchomieniowym zainstalowano wyświetlacz alfanumeryczny. Użyty wyświetlacz posiada wbudowany sterownik HD44780 firmy Hitachi, posiadający dwie linie wyświetlania po szesnaście znaków każda, gdzie każdy znak zapisywany jest za pomocą 5x7 pikseli. Sterownik ma możliwość komunikacji z mikrokontrolerem za pomocą ośmio, bądź czterobitowej magistrali danych oraz trzech sygnałów sterujących. Zastosowano czterobitową magistralę, ze względu na ograniczoną ilość wyprowadzeń mikrokontrolera, niestety kosztem złożoności kodu obsługującego wyświetlacz. Użyty wyświetlacz posiada łącznie szesnaście wyprowadzeń. Dwanaście z nich służy do komunikacji ze sterownikiem, natomiast pozostałe cztery są wykorzystywane jako wejścia źródła zasilania oraz wyjścia masy dla samego sterownika oraz podświetlenia wyświetlacza. W celach multipleksacji, do wejść sterujących podłączono układ 74HC573D. Sterowanie wyświetlaczem odbywa się za pomocą wyprowadzeń portu C mikrokontrolera oraz stanu wysokiego na wyprowadzeniu PA4. Kolejność wyprowadzeń oraz sposób podłączenia tego typu wyświetlaczy zostały pokazane na rys. 5: Linie D0-D7 pełnią funkcję dwukierunkowej magistrali danych. W trybie ośmiobitowym wykorzystywane jest wszystkie osiem wyprowadzeń, natomiast w trybie czterobitowym używane są linie D4-D7. Wejście R/W jest sygnałem mówiącym o kierunku transmisji. Stan niski oznacza transmisję danych do wyświetlacza, natomiast stan wysoki odwrotnie. Wejście RS decyduje o tym, czy stany wystawione na magistralę danych posłużą, jako dane do wyświetlenia (stan wysoki), czy jako instrukcje (stan niski). Sygnał E jest sygnałem zatwierdzającym (zbocze opadające) poziomy logiczne, wystawionym na wyprowadzenia, i zezwalającym na zapisanie danych do pamięci. Na wejściu CONTR za pomocą zmiany rezystancji podłączonej do masy można regulować kontrast wyświetlacza. W przyjętym rozwiązaniu zastosowano rezystor o stałej wartości 1 kω, zamiast potencjometru, w celu eliminacji dodatkowego czynnika, który trzeba brać pod uwagę obsługując wyświetlacz. LED+ jest wejściem zasilania podświetlenia, podpiętym do napięcia 5 V i zabezpieczonym rezystorem o wartości 470 Ω. Wyprowadzenie VDD jest wejściem zasilania sterownika HD44780 i zostało podpięte do wymaganego przez sterownik napięcia 5 V. 4
LED- oraz VSS są wyprowadzeniami masy, odpowiednio zasilania podświetlenia i sterownika. Rys. 5. Schemat ideowy podłączenia wyświetlacza wraz z układem buforów Sterownik HD44780 posiada wbudowane trzy niezależne obszary pamięci, które spełniają dodatkowe funkcje, bądź przechowują dane potrzebne do wyświetlenia znaku na pojedynczej komórce: Pamięć CG-ROM (Character Generator ROM) pamięć, która zawiera definicje standardowych, możliwych do wyświetlenia znaków. Kody znaków zapisanych w pamięci zostały zapisane przy pomocy standardowej tablicy ASCII. Pamięć CG-RAM (Character Generator RAM) pamięć pozwalająca zdefiniować do ośmiu dowolnych znaków nieprzekraczających rozmiaru pojedynczej komórki (5x7 pikseli). Po zapisaniu znaków przydzielane są im kody od 0 do 7, a ich wyświetlanie odbywa się tak samo jak dla znaków standardowych. Pamięć DD-RAM (Display Data RAM) pamięć o pojemności 80 bajtów, zawierająca kody znaków przeznaczonych do wyświetlenia na wyświetlaczu. Wyświetlacz oparty na sterowniku HD44780 posiada również zestaw instrukcji służących do jego obsługi, takich jak: Czyszczenie wyświetlacza. Ustawienie kursora na pozycję początkową. Tryb wyprowadzeń. Włącz/wyłącz wyświetlacz. Wszystkie bloki ekspozycji (diody LED i wyświetlacze 7-segmentowe) zaopatrzono w układy 74HC573D w celu multipleksacji linii portu PORTC mikrokontrolera. Linie te zabezpieczono rezystorami o wartości 220 Ω ograniczającymi maksymalny prąd wyprowadzeń do 15 ma. Zastosowano układy w wersji HC w celu sterowania obniżonym, jak na standard TTL, napięciem 3.3 V. 5
W zestawie uruchomieniowym umieszczono osiem jednokolorowych diod LED wraz z rezystorami o wartości 470 Ω przy każdej z nich (rys. 6). Głównym tego celem było ograniczenie pobieranego prądu jak i jasności ich świecenia. Wykorzystano dodatkowy bufor w postaci układu 74HC573D (osiem przerzutników typu D), w celu multipleksacji bloków ekspozycji. Wyjście układu uaktywniane jest poprzez podanie stanu wysokiego na linię PA6. Rys. 6. Schemat ideowy bloku ekspozycji zbudowanego z diod LED Kolejnym blokiem, wykorzystanym w celu zwiększenia możliwości ekspozycji informacji, jest wyświetlacz siedmiosegmentowy zbudowany na bazie diod LED (rys. 7). Został użyty wyświetlacz ze wspólną anodą. Do każdego wejścia uaktywniania segmentów został dołączony rezystor o wartości 470 Ω. Użyto również układu 74HC573D. Wejście układu uaktywniane jest poprzez podanie stanu wysokiego na linię PA5. Rys. 7. Schemat ideowy podłączenia wyświetlacza siedmiosegmentowego Jako ośmiobitowy przełącznik (rys. 8) do ustawiania dowolnej wartości bajtowej wykorzystano popularny przełącznik typu dip w wersji przewlekanej. Wykorzystano rezystory podciągające do zasilania o wartości 10 kω do niwelacji stanów nieokreślonych na wejściach układu 74HC245, pełniącego funkcję bufora. Wejście układu uaktywniane jest poprzez podanie stanu wysokiego na linię PA7. 6
Rys. 8. Schemat ideowy podłączenia ośmiobitowego przełącznika typu dip Na płytce umieszczono cztery przyciski typu switch (rys. 9), podłączone przez rezystory o wartości 220 Ω do wyprowadzeń mikrokontrolera (PD0-PD3). Wszystkie przyciski mogą obsługiwać przerwania w sposób synchroniczny. Przyciski dodatkowo wyposażono w kondensatory o pojemności 100 nf niwelujące efekt drgań styków oraz rezystory podciągające linie PD0-PD3 do zasilania o wartości 10 kω. Rys. 9. Schemat ideowy podłączenia czterech przycisków stykowych Potencjometry symulują zmiany napięcia przetwornika analogowo/cyfrowego, oraz komparatora (rys. 10). Ich zakres regulacji mieści się w przedziale od 0 do 10 kω, pomiędzy masą zestawu uruchomieniowego (0 V) a napięciem zasilania (3.3 V). Zostały one podłączone do portów PA2 i PA3, oraz wyposażone w rezystor zabezpieczający wyprowadzenia mikrokontrolera o wartości 220 Ω. 7
Rys. 10. Schemat ideowy podłączenia potencjometrów Dodatkowe wyprowadzenia na złączach męskich typu gold pin:. Interfejs I2C - Wyprowadzono dwie linie interfejsu I2C, oraz zainstalowano dwa rezystory podciągające do zasilania o wartości 10 kω. Użyto następujących wyprowadzeń mikrokontrolera: PE0 (SDA), PE1 (SCL). Interfejs SPI - Wyprowadzono cztery linie interfejsu SPI. Użyto następujących wyprowadzeń mikrokontrolera: PD4 (SS), PD5(MOSI), PD6(MISO), PD7(SCK). Wyjścia przetworników cyfrowo/analogowych - Wyprowadzono dwa wyjścia przetworników cyfrowo/analogowych oraz umieszczono tuż obok wyprowadzenie napięcia odniesienia (masy). Użyto następujących wyprowadzeń mikrokontrolera: PB2 oraz PB3. Ośmiobitowe wyjście cyfrowe ogólnego przeznaczenia - Dodatkowo wykorzystano wyprowadzenia ośmiobitowego portu C mikrokontrolera; zastosowano multipleksację poprzez układ 74HC573D (rys3.13). Wyjście wybierane jest poprzez podanie stanu wysokiego na linię PA1. 8
Wyprowadzenia 3.3 oraz 5 V Przycisk zewnętrznego resetu Moduł z mikrokontrolerem ATxmega32 Konweter USART/USB Blok zasilania Zestaw dodatkowych wyprowadzeń Zestaw ośmiu niebieskich diod LED Wyświetlacz siedmiosegmentowy Zestaw potencjometrów Ośmiobitowy przełącznik Zestaw czterech przycisków Rys. 11. Rozmieszczenie elementów na zestawie uruchomieniowym 9
Rys. 12. Moduł z mikrokontrolerem ATxmega32 Rys. 13. Warstwa TOP wykonanego obwodu drukowanego Rys. 14. Warstwa BOTTOM wykonanego obwodu drukowanego 10
Rys. 15. Schemat ideowy płytki laboratoryjnej mikrokontrolera ATXmega32A4 11