Mikrokontrolery AVR

Mikrokontroler jest kompletnym komputerem, który został umieszczony wewnątrz pojedynczego układu scalonego. Na rynku elektronicznym spotkamy ogromną ilość różnych mikrokontrolerów, głównie rodziny PIC i AVR. My jednak ograniczymy się do produktów firmy Atmel z serii AVR (układy są tanie, łatwe w programowaniu i posiadają mnóstwo zastosowań – to samo można powiedzieć o mikrokontrolerach PIC, ale nie chciałbym tutaj rozpoczynać wojny pomiędzy zwolennikami obu rodzin). Zewnętrznie mikrokontroler wygląda jak zwykły układ scalony:

Wewnątrz układu scalonego kontrolera znajduje się mikroprocesor, pamięć oraz różne urządzenia wejścia/wyjścia. Mikroprocesor jest programowany przez użytkownika za pośrednictwem komputera IBM (lub dowolnego innego, na którym da się uruchomić środowisko programowania oraz do którego da się podłączyć programator), odpowiedniego oprogramowania oraz urządzenia zwanego programatorem. Zanim przejdziemy do tych zagadnień, dowiedzmy się coś na temat mikroprocesorów stosowanych w mikrokontrolerach.

Sieć logiczna budowana jest z bramek oraz przerzutników. Sposób jej działania jest ściśle określony przez wzajemne połączenia tych elementów. Mówimy, że sieć jest zaprogramowana sprzętowo i może realizować określone funkcje logiczne (historyczny komputer ENIAC również był programowany sprzętowo za pomocą łączenia ze sobą różnych modułów obliczeniowych). Mikroprocesor również jest siecią logiczną zbudowaną z bramek i przerzutników. Różnica leży w stopniu złożoności. W mikroprocesorze znajduje się zwykle wiele tysięcy elementów logicznych (nawet wiele milionów, jak w przypadku procesorów używanych przez duże komputery). Dzięki temu działanie tej sieci jest bardzo złożone i może być programowane przez użytkownika. Mikroprocesor ściśle współpracuje z dwoma dodatkowymi elementami systemu: z pamięcią oraz z urządzeniami wejścia/wyjścia.

Pamięć przechowuje program oraz przetwarzane dane. Urządzenia wejścia/wyjścia umożliwiają wymianę informacji z otoczeniem. Sam mikroprocesor jest centralnym elementem wykonawczym.

Pamięć zbudowana jest z ciągu komórek (rejestrów), które przechowują informację w postaci porcji bitów (najczęściej 8 bitów). Każda komórka pamięci posiada swój numer zwany adresem komórki. Liczba komórek określa pojemność pamięci. Im ich więcej, tym więcej informacji można przechowywać w pamięci.

Program dla mikroprocesora określa operacje, które ma on wykonywać. Program składa się z ciągu kodów instrukcji, które są umieszczone w komórkach pamięci. Oczywiście, wszystko ma postać binarną, ponieważ tylko w takiej postaci jest zrozumiałe dla mikroprocesora. Wykonując program, mikroprocesor pobiera sobie kody instrukcji z pamięci, następnie analizuje je, rozpoznaje operację i wykonuje ją. Po wykonaniu jednej instrukcji mikroprocesor pobiera z pamięci następną i cykl się powtarza (w rzeczywistości nowa instrukcja jest pobierana w trakcie wykonywania poprzedniej, dzięki czemu program wykonywany jest o wiele szybciej). W programie występują instrukcje arytmetyczne, logiczne oraz takie, które zmieniają adres następnej instrukcji do wykonania (mikroprocesor wykonuje instrukcje z kolejnych komórek pamięci, dopóki nie napotka instrukcji nakazującej mu wykonywanie programu z innego miejsca w pamięci).

CPU

Mikrokontroler posiada odpowiednio zaprojektowany mikroprocesor 8-bitowy, który jest zbudowany wg tzw. architektury harwardzkiej (AVR – oznacza kontroler jednoukładowy RISC ze zmodyfikowaną architekturą harwardzką). W architekturze tej pamięć programu jest oddzielona od pamięci danych. Mikroprocesor jest układem RISC  (ang. Reduced Instruction Set Computer – komputer o zredukowanym zestawie rozkazów), czyli posiada zubożony zestaw rozkazów w porównaniu do mikroprocesorów CISC (ang. Complex Instruction Set Computer – komputer o złożonym zestawie rozkazów), lecz za to są one wykonywane bardzo szybko. Okazuje się, że komputery RISC są wydajniejsze od komputerów CISC. Zubożenie listy rozkazów upraszcza budowę mikroprocesora, dzięki czemu może on wykonywać szybciej podstawowe operacje. Rozkazy skomplikowane zawsze da się wykonać za pomocą ciągu prostszych rozkazów. Nie jest to zatem jakieś zubożenie funkcjonalności procesora. Raczej potraktuj to jako odchudzenie grubasa, dzięki czemu staje się on szybszym biegaczem, bo nie musi taszczyć ze sobą swojego brzuszyska.

Pamięć FLASH

Do przechowywania programu dla mikroprocesora służy pamięć FLASH (taka sama jak w popularnych pendrive'ach). Pamięć FLASH można wielokrotnie zapisywać nową informacją (tutaj gwarantowane jest zwykle 10.000 cykli zapisu). Jej cechą charakterystyczną jest to, że zapisane dane nie są tracone po zaniku napięcia zasilającego. Dlatego program raz zapisany w tej pamięci jest od razu dostępny dla mikroprocesora po włączeniu zasilania (w komputerze PC program musi być wczytany z zewnętrznego nośnika, co zajmuje czas przy starcie systemu). Ilość pamięci FLASH wpływa na wielkość programu, który możemy umieścić w kontrolerze, a to z kolei określa złożoność funkcji, które ten kontroler może pełnić. Jeden z najmniejszych mikrokontrolerów ATTINY13 ma tej pamięci 1KB (1024 komórki 8-bitowe), co wystarcza w zupełności do prostych zastosowań. Starsi bracia posiadają odpowiednio więcej pamięci FLASH, zatem mogą wykonywać większe programy (czyli mogą pełnić bardziej skomplikowane funkcje).

Pamięć RAM

Dane przechowywane są w pamięci RAM. Pamięć ta po zaniku zasilania traci informację. Ilość pamięci RAM również określa funkcjonalność mikrokontrolera. Im jest jej więcej, tym więcej danych jest on w stanie przetwarzać. W pchełce ATTINY13 jest zaledwie 64 bajty pamięci RAM. Nie martw się, tyle zwykle wystarczy dla tego mikrokontrolera.

Pamięć EEPROM

Do przechowywania danych, które mają przetrwać wyłączenie zasilania (np. jakieś parametry konfiguracyjne lub dane startowe), służy pamięć EEPROM. Pamięć ta pozwala mikroprocesorowi wymazywać oraz zapisywać dane. Trwa to dłużej niż w przypadku RAM i dostęp jest bardziej skomplikowany. Dodatkowo liczba zapisów jest ograniczona do około 100 tysięcy (tyle gwarantuje firma ATMEL, lecz jeden z użytkowników męczył swój mikrokontroler zapisami do pamięci EEPROM i osiągnął liczbę ponad 4 milionów zapisów, zanim pamięć odmówiła dalszej współpracy). Z pamięci EEPROM na początku nie będziemy korzystać.

Porty we/wy

Ze światem zewnętrznym mikrokontroler komunikuje się za pomocą portów. Porty są wyprowadzone na nóżki układu scalonego. Do portów tych podłączamy różne urządzenia zewnętrzne. Porty mogą pracować dwukierunkowo, tzn. mogą wyprowadzać informację wpisaną do nich przez mikroprocesor, albo mogą odczytywać dane, które pojawiają się na linii portu z zewnątrz (np. naciśnięcie przycisku może zwierać linię portu wejściowego do masy i wymuszać na niej stan logiczny 0). Opanowanie programowania portów zapewni ci sukces w efektywnym stosowaniu mikrokontrolera. Im więcej linii portów, tym łatwiej podłączać do mikrokontrolera różne urządzenia bez dodatkowych układów scalonych. Pchełka ATTINY13 ma 8 nóżek, z których dwie są przeznaczone dla zasilania układu +5V oraz GND. Pozostałe 6 nóżek to właśnie linie portów. Linie portów mogą pełnić różne funkcje dodatkowe, o czym pomówimy w dalszej części kursu.

ISP

Układ programowania ISP (ang. In System Programming) pozwala programować mikrokontroler bez wyjmowania go z układu aplikacyjnego, czyli bezpośrednio na płytce PCB. Jest to bardzo wygodne rozwiązanie. Starsze mikrokontrolery wymagały wyjęcia mikrokontrolera z urządzenia i programowania go w specjalnych programatorach zewnętrznych (również drogich). Dzisiaj, dzięki ISP, jest to banalnie proste. Bezpośrednio w układzie podłączasz do odpowiednich nóżek mikrokontrolera sygnały z programatora i programujesz mikrokontroler. Gdy proces się zakończy, mikrokontroler zostaje zresetowany i rozpoczyna wykonywanie programu, który został zapisany w jego pamięci FLASH. Programator umożliwia również zapis do pamięci EEPROM oraz ustawienie różnych funkcji dodatkowych mikrokontrolera.

Układy dodatkowe

Tutaj różne rodziny są wyposażane w przeróżne dodatki: liczniki, komparatory, moduły transmisyjne. Zajmiemy się nimi w miarę potrzeb.

Programowanie mikroprocesora bezpośrednio za pomocą rozpoznawanych przez niego instrukcji (czyli w asemblerze) jest niestety trudne i tym tutaj nie będziemy się zajmować. Na szczęście opracowano tzw. języki wysokiego poziomu, które posiadają składnię zbliżoną do języka ludzkiego. Dla mikrokontrolerów AVR standardowo będzie to język C, bardzo szybki i bardzo efektywny.

Aby efektywnie zaprogramować mikrokontroler AVR potrzebujesz następujących elementów:

Programator AVR

Jest to urządzenie elektroniczne, które pozwoli ci przesłać do mikrokontrolera program (zostanie on przez programator zapisany w pamięci FLASH mikrokontrolera, czyli w pamięci programu). Na rynku spotkasz całe mnóstwo różnych programatorów. Na początek nie musi to być urządzenie profesjonalne za kilkaset złotych. W zupełności wystarczy ci prosty programator USBasp za około 12...16zł (do kupienia w serwisie Allegro lub w firmach wysyłkowych). W przyszłości programator zrobisz sobie sam.

Programator jest podłączany do portu USB komputera PC (dawniej używano portów drukarki lub RS-232, lecz coraz częściej producenci pomijają je w nowym sprzęcie komputerowym). Na drugim końcu posiada złącze typu Kanda, które służy do sprzęgania programatora z mikrokontrolerem. Złącze zawiera dziesięć wtyków (istnieją wersje z 6 wtykami) o następujących oznaczeniach:

Sygnały MOSI, RST, SCK i MISO należy dołączyć do odpowiednich końcówek mikrokontrolera AVR. V_CC oznacza napięcie zasilające, GND to masa. Programator może zasilać niewielkie układy prądem do 500mA (ponieważ tyle da się wycisnąć ze zwykłego portu USB komputera).

Jeśli twój komputer pracuje pod kontrolą systemu Windows 7/8/10, to poprawną pracę programatora USBasp uzyskasz po zainstalowaniu odpowiednich sterowników. Dokładny proces instalacji jest opisany szczegółowo pod poniższym adresem (uwaga: na czas instalacji sterownika będziesz musiał wyłączyć ochronę antywirusową, inaczej proces instalacji się nie powiedzie):

 

http://mirekk36.blogspot.com/2013/03/usbasp-win8-instalacja.html

 

W systemie Linux (wszystkie opisy dotyczą dystrybucji Ubuntu i pochodnych) dostęp do portu USB wymaga odpowiednich uprawnień. W tym celu należy wpisać następujące polecenia:

 

su root
sudo adduser konto_użytkownika plugdev

 

Zamiast konto_użytkownika wpisujemy w powyższym poleceniu nazwę konta, na którym będziemy pracować.

Tworzymy plik reguł dostępu do portów USB. Najpierw uruchamiamy edytor nano z odpowiednią nazwą pliku:

 

sudo nano /etc/udev/rules.d/81-avr-programator.rules

 

Zostanie otwarty pusty plik. Wklejamy do niego poniższy tekst (uwaga: dotyczy tylko programatorów USBasp!!!):

 

ATTRS{idVendor}=="16c0", ATTRS{idProduct}=="05dc", MODE="0666", GROUP="plugdev"

 

Wpis ten określa regułę dostępu do urządzenia USB, którym jest nasz programator. Plik zapisujemy, naciskając kombinację klawiszy Ctrl+O, po czym wychodzimy z edytora nano kombinacją Ctrl+X.

Teraz musimy zrestartować podsystem USB oraz reguły dostępu, aby nasz plik został uwzględniony (można również zrestartować komputer). Wydajemy polecenia:

 

sudo service udev restart
sudo udevadm control --reload-rules
exit

 

Po wykonaniu tych poleceń programator stanie się widoczny dla oprogramowania.

AVRDUDE

Narzędzia do kompilacji

su root
sudo apt-get install gcc-avr binutils-avr gdb-avr avr-libc
exit

Środowisko Eclipse

su root
sudo apt-get install eclipse-cdt
exit

Mikrokontroler ATTiny13 jest produkowany w różnych obudowach. Spotkasz wersję przewlekaną i SMD. Na początek zajmiemy się wersją przewlekaną, ponieważ łatwo ją wstawić w płytkę stykową i w podstawkę. Mikrokontroler ATTiny13 wyposażony jest w 8 końcówek o następujących oznaczeniach (oznaczenia odzwierciedlają funkcje spełniane przez końcówki, a tych jest kilka w zależności od trybu pracy mikrokontrolera; funkcje dodatkowe są oznaczone na czerwono):

Wyprowadzenia nr 4 i 8 służą do podpięcia odpowiednio masy (GND) i plusa zasilania (V_CC). Pozostałe wyprowadzenia są bitami portu B. Port jest specjalnym rejestrem wewnątrz mikrokontrolera, poprzez który mikrokontroler komunikuje się ze światem zewnętrznym. Poszczególne bity tego rejestru są wyprowadzone na nóżki mikrokontrolera o numerach 1...3 i 5...7. Każdy bit portu B posiada oznaczenie PBn, gdzie n jest numerem tego bitu od 0 do 5 (port B w ATTiny jest 6-cio bitowy). Bity PBn wyprowadzone na nóżki zewnętrzne mikrokontrolera będziemy nazywać liniami portu B. Specjalną funkcję pełni linia PB5, ponieważ posiada ona funkcję zerowania stanu mikrokontrolera, gdy zostanie wprowadzona w stan niski. Również wykorzystywana jest przez interfejs ISP. Z tego powodu jej użycie jest dosyć ograniczone. Pozostałe linie PB0...PB4 są do twojej dyspozycji i możesz z nimi robić co ci się podoba. Musimy tutaj wyjaśnić jedną rzecz. Każda linia portu B może pracować jako wejście lub wyjście. W przypadku pracy jako wyjście mikrokontroler może ustawić na niej stan logiczny 0 lub 1 wpisując 0 lub 1 do odpowiedniego bitu portu B, co z kolei można wykorzystać do sterowania jakimś urządzeniem, np. diodą LED, silniczkiem, itp. Jeśli linia portu pracuje jako wejście, to urządzenie zewnętrzne może na niej ustawiać stan logiczny 0 lub 1, a mikrokontroler posiada możliwość odczytu tego stanu przez odczyt odpowiedniego bitu w rejestrze portu B. O trybie pracy linii portu decyduje program, co dokładnie opiszemy w dalszych rozdziałach kursu.

Na płytce stykowej zmontuj następujący układ (widoczne na schemacie montażowym gniazdko Kanda należy do programatora AVR – łączysz jego bolce z płytką stykową za pomocą przewodów wyposażonych w złącza męskie i żeńskie. Poniżej schematu montażowego umieszczone zostały rysunki wyprowadzeń w złączu Kanda zarówno dla gniazdka w programatorze jak i dla wtyczki na końcu taśmy, w którą powinien być wyposażony programator AVR):

Spis elementów Element Ilość Opis Programator AVR 1   płytka stykowa + kable 1   ATTiny13 1 Mikrokontroler AVR opornik 4,7kΩ/0,125W 1 –(                )– opornik 270Ω/0,125W 1 –(                )– czerwona dioda LED 1 do sygnalizacji stanu 1
	żółty zielony biały pomarańczowy niebieski czerwony	– MOSI – RESET – SCK – MISO – GND – +5V

Mikrokontroler będzie sterował świeceniem diody LED podłączonej do linii PB0. Opornik 4,7kΩ wymusza na wejściu RESET stan wysoki. Zwykle nie jest potrzebny, lecz jego zastosowanie polepsza odporność układu na zakłócenia.

Poniżej opisujemy krok po kroku procedurę tworzenia programu dla mikrokontrolera. Postaraj się dokładnie wykonać podane tu polecenia, gdyż od tego zależy sukces całej operacji.

#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>

int main(void)
{
    DDRB = 1;
    while(1)
    {
        PORTB = 0;
        _delay_ms(100);
        PORTB = 1;
        _delay_ms(1000);
    }
}

Podsumowanie

ATTINY13

Jest to jeden z najmniejszych mikrokontrolerów, który nadaje się do prostych zastosowań. Układ posiada 8 wyprowadzeń, z których 6 pełni funkcję portów wejścia/wyjścia. Zawiera wydajny, 8-bitowy procesor RISC, który może wykonywać do 20 milionów operacji na sekundę przy taktowaniu 20MHz. Oprócz wersji podstawowej produkowane są układy o powiększonych możliwościach.

ATTINY24

Mikrokontroler ATTINY24 posiada większe możliwości od opisanego wyżej ATTINY13. Dostępnych jest więcej linii portów (12 zamiast 6), co pozwala w prosty sposób sterować większą liczbą urządzeń lub urządzeniami, które wymagają kilku linii sterujących. Posiada również więcej pamięci programu i danych.

ATTINY2313

Mikrokontroler ATTINY2313 jest najchętniej stosowanym mikrokontrolerem przez hobbystów. Powodem jest niska cena (około 4...6zł za sztukę) oraz względnie duża liczba wyprowadzeń, co umożliwia mu sterowanie nawet skomplikowanymi urządzeniami. Również powiększona pamięć Flash dla programu pozwala pomieścić bardziej złożone programy.

ATMEGA8

Mikrokontroler ATMEGA8 posiada bardzo duże możliwości i jest stosowany tam, gdzie trzeba sterować skomplikowanymi urządzeniami lub program musi być bardzo złożony. Występuje również w kilku wersjach o różnych możliwościach. Do programowania ATMEGA8 potrzebny jest profesjonalny programator, ponieważ programowanie zwykłym programatorem USBasp zajmuje mnóstwo czasu (chyba że masz dużo cierpliwości).