Mikrokontrolery

Mikrokontroler ATmega640/1280/1281/2560/2561 jest 8-bitowym mikrokontrolerem CMOS o niskim poborze prądu opartym na rozszerzonej architekturze AVR RISC. Przez wykonywanie mocnych instrukcji w pojedynczym takcie zegarowym ATmega640/1280/1281/2560/2561 osiąga wydajność bliską 1 MIPS (1 miliona instrukcji na sekundę) na MHz, co pozwala projektantowi systemu zoptymalizować pobór energii w funkcji prędkości przetwarzania.

Moduły pokolorowane na beżowo są obecne tylko w obudowach 100-nóżkowych.
Przetwornik A/C oraz timery/liczniki 4 i 5 posiadają pełną funkcjonalność tylko w wersjach mikrokontrolera w obudowach 100-nóżkowych.

Rdzeń AVR® łączy bogaty zbiór instrukcji z 32 rejestrami roboczymi ogólnego przeznaczenia. Wszystkie te 32 rejestry są bezpośrednio połączone z jednostką arytmetyczno-logiczną (ang. Arithmetic Logic Unit, ALU), pozwalając na dostęp do dwóch niezależnych rejestrów w pojedynczej instrukcji wykonywanej e jednym takcie zegara. Wynikowa architektura jest bardziej efektywna dla kodu, dając jednocześnie wydajność do dziesięć razy wyższą od konwencjonalnych mikrokontrolerów CISC.

Mikrokontrolery ATmega640/1280/1281/2560/2561 udostępniają następujące cechy: 64KB/128KB/256KB programowalnej w systemie pamięci FLASH z możliwością odczytu w czasie zapisu (ang. Read-While-Write), 4KB EEPROM, 8KB SRAM, 54/86 linie we/wy ogólnego przeznaczenia, 32 rejestry robocze ogólnego zastosowania, licznik czasu rzeczywistego (ang. Real Time Counter, RTC), sześć elastycznych timerów/liczników z trybami Compare i PWM, cztery moduły USART, zorientowany na bajty 2-przewodowy interfejs szeregowy, 16-kanałowy, 10-bitowy przetwornik analogowo/cyfrowy z opcjonalnym różnicowym stopniem wejściowym o programowanym wzmocnieniu, programowany licznik zegarowy z wewnętrznym oscylatorem, port szeregowy SPI, interfejs testowy JTAG zgodny ze standardem 1149.1 IEEE® , używanym również przy dostępie do wewnętrznego systemu debugowania oraz przy programowaniu i sześć wybieranych programowo trybów oszczędzania energii.Tryb bezczynny (ang. Idle Mode) zatrzymuje mikroprocesor, pozwalając jednak na pracę pamięci SRAM, timerów/liczników, modułu USART, portu SPI, przetwornika A/C i systemu przerwań. Tryb wyłączenia zasilania (ang. Power-down Mode) zachowuje zawartość rejestrów i zatrzymuje oscylator, wyłączając wszystkie funkcje układu aż do momentu następnego przerwania lub sprzętowego resetu. W trybie oszczędzania energii (ang. Power-save Mode) asynchroniczny timer kontynuuje pracę, pozwalając użytkownikowi utrzymać podstawę timera, natomiast reszta mikrokontrolera jest uśpiona. Tryb zmniejszania zakłóceń dla przetwornika A/C (ang. ADC Noise Reduction Mode) zatrzymuje mikroprocesor i wszystkie moduły we/wy za wyjątkiem asynchronicznego timera i przetwornika A/C w celu zminimalizowania szumu od przełączeń w sieciach logicznych mikrokontrolera podczas przetwarzania napięć wejściowych w przetworniku A/C. W trybie gotowości/czuwania (ang. Standby Mode) oscylator kwarcowy/rezonatorowy pracuje, natomiast reszta mikrokontrolera jest uśpiona. Pozwala to na szybkie uruchomienie w połączeniu z niskim poborem prądu. W rozszerzonym trybie gotowości/czuwania (ang. Extended Standby Mode) pracują zarówno główny oscylator jak i timer asynchroniczny.

Microchip oferuje bibliotekę QTouch^® do obsługiwania pojemnościowych przycisków dotykowych, suwaków i potencjometrów. Opatentowana technologia pobierania sygnałów z ładunków elektrostatycznych oferuje wydajne czujniki dotykowe oraz zawiera procedury raportowania o dotyku klawiszy z tłumieniem klawiszy sąsiednich (ang. Adjacent Key Suppression^®, AKS™) w celu jednoznaczności wykrywania dotyku. Łatwy w użyciu zestaw procedur narzędziowych QTouch Suite pozwala na badanie, rozwijanie i debugowanie własnych aplikacji opartych na dotyku.

Układ mikrokontrolera jest wytwarzany z wykorzystaniem technologii wysokiej gęstości pamięci nieulotnej, którą opracowała firma ATMEL. Wewnętrzna, programowalna poprzez ISP pamięć FLASH pozwala na zaprogramowanie w systemie za pomocą zwykłego programatora pamięci nieulotnych lub za pomocą wbudowanego kodu startowego uruchomionego na rdzeniu AVR. Kod lądujący (ang. boot-loader) może korzystać z dowolnego interfejsu do załadowania programu aplikacji do pamięci FLASH programu. Oprogramowanie w sekcji chronionej FLASH (ang. Boot FLASH Section) może normalnie pracować podczas programowania sekcji kodu aplikacji (ang. Application FLASH Section), cecha ta nosi nazwę Read-While-Write (odczyt podczas zapisu). Przez połączenie 8-bitowego mikroprocesora RISC z samoprogramowalną w systemie pamięcią FLASH w monolitycznym układzie scalonym mikrokontroler ATmega128 staje się potężnym mikrokontrolerem dostarczającym wysoko elastycznego i efektywnego kosztowo rozwiązania dla wielu wbudowanych w urządzenia aplikacji sterujących.

Mikrokontrolery ATmega640/1280/1281/2560/2561 AVR są wspierane przez komplet narzędzi do tworzenia systemów oraz ich oprogramowywania, łącznie z makroasemblerami, kompilatorami języka C oraz zestawami uruchomieniowymi.

Mikrokontrolery w rodzinie ATmega640/1280/1281/2560/2561 różnią się od siebie tylko rozmiarem pamięci FLASH dla programu oraz liczbą końcówek. Mikrokontrolery ATmega640/1280/2560 można potraktować jako pełne wersje w obudowach 100-nóżkowych. Mikrokontrolery ATmega1281/2561 są wersjami uproszczonymi w obudowach 64-nóżkowych. Poniższa tabelka podsumowuje różne konfiguracje tych pięciu typów mikrokontrolerów.

VCC

Napięcie zasilania modułów cyfrowych.

GND

Masa układu.

Port A (PA7..PA0)

Port A jest 8-bitowym, dwukierunkowym portem we/wy z wewnętrznymi opornikami podciągającymi (wybieranymi dla każdego bitu). Bufory wyjściowe portu A posiadają symetryczne parametry obciążeniowe dla prądów wpływających i wypływających. Gdy końcówki portu A używane są jako wejścia i zostały zewnętrznie wysterowane stanem niskim, to będą wyprowadzały prąd po aktywacji wewnętrznych oporników podciągających. Końcówki portu A przechodzą w stan wysokiej impedancji po uaktywnieniu stanu resetu, nawet gdy zegar nie pracuje.

Port A udostępnia również funkcje różnych specjalnych cech mikrokontrolera ATmega640/1280/1281/2560/2561.

Port B (PB7..PB0)

Port B jest 8-bitowym, dwukierunkowym portem we/wy z wewnętrznymi opornikami podciągającymi (wybieranymi dla każdego bitu). Bufory wyjściowe portu B posiadają symetryczne parametry obciążeniowe dla prądów wpływających i wypływających. Gdy końcówki portu B używane są jako wejścia i zostały zewnętrznie wysterowane stanem niskim, to będą wyprowadzały prąd po aktywacji wewnętrznych oporników podciągających. Końcówki portu B przechodzą w stan wysokiej impedancji po uaktywnieniu stanu resetu, nawet gdy zegar nie pracuje.

Port B posiada lepsze możliwości sterowania od pozostałych portów.

Port B udostępnia również funkcje różnych specjalnych cech mikrokontrolera ATmega640/1280/1281/2560/2561.

Port C (PC7..PC0)

Port C jest 8-bitowym, dwukierunkowym portem we/wy z wewnętrznymi opornikami podciągającymi (wybieranymi dla każdego bitu). Bufory wyjściowe portu C posiadają symetryczne parametry obciążeniowe dla prądów wpływających i wypływających. Gdy końcówki portu C używane są jako wejścia i zostały zewnętrznie wysterowane stanem niskim, to będą wyprowadzały prąd po aktywacji wewnętrznych oporników podciągających. Końcówki portu C przechodzą w stan wysokiej impedancji po uaktywnieniu stanu resetu, nawet gdy zegar nie pracuje.

Port C udostępnia również funkcje różnych specjalnych cech mikrokontrolera ATmega640/1280/1281/2560/2561.

Port D (PD7..PD0)

Port D jest 8-bitowym, dwukierunkowym portem we/wy z wewnętrznymi opornikami podciągającymi (wybieranymi dla każdego bitu). Bufory wyjściowe portu D posiadają symetryczne parametry obciążeniowe dla prądów wpływających i wypływających. Gdy końcówki portu D używane są jako wejścia i zostały zewnętrznie wysterowane stanem niskim, to będą wyprowadzały prąd po aktywacji wewnętrznych oporników podciągających. Końcówki portu D przechodzą w stan wysokiej impedancji po uaktywnieniu stanu resetu, nawet gdy zegar nie pracuje.

Port D udostępnia również funkcje różnych specjalnych cech mikrokontrolera ATmega640/1280/1281/2560/2561.

Port E (PE7..PE0)

Port E jest 8-bitowym, dwukierunkowym portem we/wy z wewnętrznymi opornikami podciągającymi (wybieranymi dla każdego bitu). Bufory wyjściowe portu E posiadają symetryczne parametry obciążeniowe dla prądów wpływających i wypływających. Gdy końcówki portu E używane są jako wejścia i zostały zewnętrznie wysterowane stanem niskim, to będą wyprowadzały prąd po aktywacji wewnętrznych oporników podciągających. Końcówki portu E przechodzą w stan wysokiej impedancji po uaktywnieniu stanu resetu, nawet gdy zegar nie pracuje.

Port E udostępnia również funkcje różnych specjalnych cech mikrokontrolera ATmega640/1280/1281/2560/2561.

Port F (PF7..PF0)

Port F służy jako analogowe wejścia dla przetwornika A/C.

Służy on również jako 8-bitowy, dwukierunkowy port we/wy, jeśli przetwornik A/C nie jest używany. Końcówki portu są zaopatrzone w oporniki podciągające (włączane dla każdego bitu). Bufory wyjściowe portu F mają symetryczne parametry dla prądu wpływającego i wypływającego. Jako wejścia końcówki portu F wysterowane zewnętrznie stanem niskim będą pochłaniały prąd, jeśli zostały aktywowane oporniki podciągające. W czasie resetu końcówki portu F przechodzą w stan wysokiej impedancji, nawet jeśli zegar nie pracuje. Jeśli został włączony interfejs JTAG, to oporniki podciągające na końcówkach PF7(TDI), PF5(TMS) i PF4(TCK) zostaną aktywowane, nawet przy wystąpieniu resetu.

Port F służy również funkcjom interfejsu JTAG.

Port G (PG5..PG0)

Port G jest 6-bitowym, dwukierunkowym portem we/wy z wewnętrznymi opornikami podciągającymi (wybieranymi dla każdego bitu). Bufory wyjściowe portu G mają symetryczne parametry dla prądu wpływającego i wypływającego. Jako wejścia końcówki portu G wysterowane zewnętrznie stanem niskim będą pochłaniały prąd, jeśli zostały aktywowane oporniki podciągające. W czasie resetu końcówki portu G przechodzą w stan wysokiej impedancji, nawet jeśli zegar nie pracuje.

Port G udostępnia również funkcje różnych specjalnych cech mikrokontrolera ATmega640/1280/1281/2560/2561.

Port H (PH7..PH0)

Port H jest 8-bitowym, dwukierunkowym portem we/wy z wewnętrznymi opornikami podciągającymi (wybieranymi dla każdego bitu). Bufory wyjściowe portu H posiadają symetryczne parametry obciążeniowe dla prądów wpływających i wypływających. Gdy końcówki portu H używane są jako wejścia i zostały zewnętrznie wysterowane stanem niskim, to będą wyprowadzały prąd po aktywacji wewnętrznych oporników podciągających. Końcówki portu H przechodzą w stan wysokiej impedancji po uaktywnieniu stanu resetu, nawet gdy zegar nie pracuje.

Port H udostępnia również funkcje różnych specjalnych cech mikrokontrolera ATmega640/1280/2560.

Port J (PJ7..PJ0)

Port J jest 8-bitowym, dwukierunkowym portem we/wy z wewnętrznymi opornikami podciągającymi (wybieranymi dla każdego bitu). Bufory wyjściowe portu J posiadają symetryczne parametry obciążeniowe dla prądów wpływających i wypływających. Gdy końcówki portu J używane są jako wejścia i zostały zewnętrznie wysterowane stanem niskim, to będą wyprowadzały prąd po aktywacji wewnętrznych oporników podciągających. Końcówki portu J przechodzą w stan wysokiej impedancji po uaktywnieniu stanu resetu, nawet gdy zegar nie pracuje.

Port J udostępnia również funkcje różnych specjalnych cech mikrokontrolera ATmega640/1280/2560.

Port K (PK7..PK0)

Port K służy jako analogowe wejścia dla przetwornika A/C.

Port K jest 8-bitowym, dwukierunkowym portem we/wy z wewnętrznymi opornikami podciągającymi (wybieranymi dla każdego bitu). Bufory wyjściowe portu K posiadają symetryczne parametry obciążeniowe dla prądów wpływających i wypływających. Gdy końcówki portu K używane są jako wejścia i zostały zewnętrznie wysterowane stanem niskim, to będą wyprowadzały prąd po aktywacji wewnętrznych oporników podciągających. Końcówki portu K przechodzą w stan wysokiej impedancji po uaktywnieniu stanu resetu, nawet gdy zegar nie pracuje.

Port K udostępnia również funkcje różnych specjalnych cech mikrokontrolera ATmega640/1280/2560.

Port L (PL7..PL0)

Port L jest 8-bitowym, dwukierunkowym portem we/wy z wewnętrznymi opornikami podciągającymi (wybieranymi dla każdego bitu). Bufory wyjściowe portu L posiadają symetryczne parametry obciążeniowe dla prądów wpływających i wypływających. Gdy końcówki portu L używane są jako wejścia i zostały zewnętrznie wysterowane stanem niskim, to będą wyprowadzały prąd po aktywacji wewnętrznych oporników podciągających. Końcówki portu L przechodzą w stan wysokiej impedancji po uaktywnieniu stanu resetu, nawet gdy zegar nie pracuje.

Port L udostępnia również funkcje różnych specjalnych cech mikrokontrolera ATmega640/1280/2560.

RESET

Wejście Resetu. Niski poziom na tej końcówce przez czas dłuższy od minimalnej długości impulsu wygeneruje reset, nawet jeśli zegar nie pracuje. Minimalna długość impulsu reset wynosi  2,5 μs. Impulsy krótsze nie gwarantują generacji resetu.

XTAL1

Wejście odwracającego wzmacniacza oscylatora oraz wejście do wewnętrznego obwodu zegara.

XTAL2

Wyjście z odwracającego wzmacniacza oscylatora.

AVCC

AVCC jest końcówką napięcia zasilania dla portu F i przetwornika A/C. Powinno być zewnętrznie połączone z VCC, nawet jeśli przetwornik A/C nie jest używany. Jeśli przetwornik A/C jest wykorzystywany, to powinno być połączone z VCC poprzez filtr dolnoprzepustowy.

AREF

AREF jest końcówką analogowego napięcia odniesienia dla przetwornika A/C.

Firma Atmel, oryginalny producent mikrokontrolerów AVR, została wykupiona w roku 2016 przez Microchip Technology, producenta mikrokontrolerów PIC. Pomimo przejęcia mikrokontrolery AVR są wciąż produkowane i dostępne w handlu. Oryginalne zasoby internetowe Atmela są teraz dostępne w witrynie firmy Microchip:

https://www.microchip.com

Do programowania mikrokontrolerów AVR stosowane jest kilka pakietów IDE. Szczególnie polecam Atmel Studio 7, które umożliwia programowanie w języku C oraz w asemblerze. Opis instalacji tego środowiska znajdziesz w tym rozdziale:

Instalacja Atmel Studio 7

Równie popularnym środowiskiem programowania jest Eclipse z uwagi na to, iż może pracować w systemie Linux. Zaletą tego rozwiązania jest to, iż Eclipse pozwala na wykorzystanie tanich programatorów USBasp:

Instalacja Eclipse z AVRDude

Również środowisko MPLAB X firmy Microchip posiada możliwość programowania mikrokontrolerów AVR:

https://www.microchip.com/mplab/mplab-x-ide/avr-support

Ta dokumentacja zawiera proste przykłady kodów programów, które krótko pokazują sposób użycia różnych elementów mikrokontrolera. W przykładach tych zakłada się, iż do programu zostały dołączone odpowiednie pliki nagłówkowe przed kompilacją. Bądź jednak świadomy faktu, iż nie wszyscy producenci kompilatorów języka C dołączają definicje bitów w plikach nagłówkowych, a obsługa przerwań zależy od wybranego kompilatora C. Więcej szczegółów znajdziesz w dokumentacji swojego kompilatora.

Dla rejestrów we/wy znajdujących się w rozszerzonej pamięci we/wy należy zastąpić instrukcje IN, OUT, SBIS, SBIC, CBI i SBI instrukcjami, które umożliwiają dostęp do rozszerzonej pamięci we/wy. Zwykle oznacza to instrukcje LDS i STS połączone z SBRS, SBRC, SBR i CBR.

Wyniki badania niezawodności pokazują, że dane są tracone z częstotliwością dużo mniejszą od 1 PPM (ang. parts per million – części na milion) przez 20 lat w temperaturze 85°C lub przez 100 lat w temperaturze 25°C.

Biblioteka QTouch opracowana przez ATMEL'a udostępnia łatwe w użyciu rozwiązanie dla interfejsów dotykowych na mikrokontrolerach Atmel AVR. Biblioteka ta zawiera wsparcie dla metod pobierania danych QTouch® i QMatrix®.

Wykrywanie dotyku (ang. touch sensing) można w prosty sposób dołączyć do dowolnej aplikacji przez połączenie z jej kodem biblioteki QTouch i użycie funkcji interfejsu API udostępnianego przez tę bibliotekę w celu zdefiniowania kanałów dotykowych i czujników dotyku. Aplikacja następnie wywołuje funkcje API do pobrania informacji z kanałów i określania stanu czujnika dotyku.

Biblioteka QTouch jest bezpłatna i można ją pobrać z witryny Microchip'a (w 2016 firma Microchip przejęła swojego konkurenta Atmel i obecnie udostępnia wszystkie materiały pierwotnie udostępniane w sieci przez Atmela), na której znajdziesz również dokumentację oraz przewodniki dla użytkownika.