Модуль АЦП-8бит на МК ATmega8535. Часть 2 – Прошивка микроконтроллера

Продолжаем проект по созданию измерительного устройства АЦП модуля на микроконтроллере AVR. После того как была спроектирована принципиальная электрическая схема и печатная плата, требуется написать прошивку (микропрограмму) для микроконтроллера. Этим и займемся в данной статье.

Итак, в качестве редактора и компилятора я выбрал студию CodeVisionAVR за её многофункциональность, большое количество встроенных библиотек и присутствие генератора кода.

Создаем новый проект, и на предложение воспользоваться генератором кода, отвечаем согласием. Появилось окно с многочисленными вкладками (рисунок 1).

Первым делом укажем желаемый чип. В нашем случае это ATmega8535 (выбор данного микроконтроллера был обоснован в первой части статьи).

Затем переходим на вкладку «Timers». Здесь нас интересует инициализация таймера под номером 0. Выставляем значение частоты, то есть параметр «Clock Value» = 125 кГц (рисунок 2). Данное число берется не с потолка, а по рекомендациям из документации на МК. Производитель утверждает, что наибольшая точность преобразования достигается, если тактовая частота модуля АЦП находится в диапазоне 50…200 кГц.

Рисунок 2 – Окно CodeWizardAVR.
Инициализация таймера.

Еще нам понадобится прерывание по переполнению таймера, поэтому ставим галочку «Overflow Interrupt». Параметр «Timer Value» пока не заполняем, его будем реинициализировать позже.

Переходим во вкладку «ADC – Analog to Digit Converter» (рисунок 3). Ставим галочки напротив «ADC Enabled» и «Interrupt». Выбираем частоту АЦП модуля равную частоте таймера (125 кГц), инициализацию которого выполнили раньше.

И, выставляем значение параметра «Volt. Ref» - внутренний источник опорного напряжения с внешним конденсатором на ножке AREF. На данном этапе по инициализации АЦП модуля микроконтроллера это все. Позже вручную допишем еще несколько параметров (состояний регистров).

Теперь настроим LCD-дисплей. Его инициализации представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 – Окно CodeWizardAVR.
Инициализация LCD-дисплея.

На рисунке 4 видим, что программа автоматически в соответствие с кодом ее библиотеки, выдала нам требуемую «распиновку» для порта «С». Не забываем указать число символов в применяемом LCD-дисплее – это 8 символов в строке.

Следующим шагом настроим шину 1-Wire, используемую для подключения датчика температуры окружающей среды DS1820 (рисунок 5). Здесь требуется лишь указать используемый порт и номер ножки этого порта.

Рисунок 5 – Окно CodeWizardAVR.
Инициализация шины 1-Wire.

И, в завершение инициализации, необходимо произвести настройку универсального синхро-асинхронного передатчика, коротко называемого USART (в нашем случае это всего лишь UART, так как синхронизация не используется, полагаемся на точность работы кварцевого резонатора). Он необходим для передачи произведенных аналогово-цифровых преобразований на ПК. Смотрим рисунок 6.

Активируем галочки «Receiver» и «Transmitter» для возможности пользоваться и приемником и передатчиком. Чтобы посланные модулю команды с ПК не потерялись, активируем «Rx Interrupt» (прерывание по приему) с размером буфера в 8 символов.

Вроде все. Остальные настройки подправим ручками. Теперь сохраняем настройки и генерируем код (рисунок 7).

Рисунок 7 – Окно CodeWizardAVR.
Сохраняем настройки и генерируем программный код.

Перед тем как перейти к комментированию получившегося программного кода сгенерированного CodeWizardAVR и дальнейшему написание остальной части микропрограммы для разрабатываемого модуля, рассмотрим составленный алгоритм «прошивки», представленный на рисунке 8.

Рисунок 8 – Алгоритм микропрограммы («прошивки» МК).

Представленный алгоритм описывать не буду, так как он достаточно прост. Если вдруг у Вас появятся вопросы, Вы всегда сможете задать их в своих комментариях.

Продолжаем написание «прошивки». Ниже будут представлены фрагменты получившегося кода с комментариями.

Первым делом функцией #include подключаем библиотеку «mega8535.h», которая описывает архитектуру МК. И, перед тем как подключить библиотеку шины 1-wire, необходимо определить на каком порту, и на каком бите будет находиться датчик dallas. Затем подключаем библиотеку «stdio.h», необходимую для использования таких простых функций как putchar, getchar и т. д. Все это делаем в следующих строках, точнее сделал за нас генератор CodeVision:

#include <mega8535.h>
//1 Wire Bus functions
#asm
.equ __w1_port=0x18 ;PORTB
.equ __w1_bit=4
#endasm
#include <1wire.h>
#include <ds18b20.h>
#include <delay.h>
#include <stdio.h>

Аналогичным образом как определяли шину 1-wire, инициализируем LCD-дисплей на порт «С» микроконтроллера через ассемблеровскую вставку, после чего подключаем библиотеку «lcd.h»:

//Алфавитно-цифровые функции LCD модуля
#asm
.equ __lcd_port=0x15 ;PORTC
#endasm
#include <lcd.h>

Далее идем программный код, который сгенерировал целиком CodeVisionAVR. Этот фрагмент кода относится к UART. Если кто хочет полностью разобраться в сгенерированном коде, у него есть такая возможность прочитать задание №5 на сайте: http://www.123avr.com. Лично я так и поступил.

#define RXB8 1
#define TXB8 0
#define UPE 2
#define OVR 3
#define FE 4
#define UDRE 5
#define RXC 7
#define FRAMING_ERROR (1<<FE)
#define PARITY_ERROR (1<<UPE)
#define DATA_OVERRUN (1<<OVR)
#define DATA_REGISTER_EMPTY (1<<UDRE)
#define RX_COMPLETE (1<<RXC)
//Буфер приемника UART
#define RX_BUFFER_SIZE 32
char rx_buffer[RX_BUFFER_SIZE];
#if RX_BUFFER_SIZE<256
unsigned char rx_wr_index,rx_rd_index,rx_counter;
#else
unsigned int rx_wr_index,rx_rd_index,rx_counter;
#endif

Для результата полученной выборки аналогово-цифрового преобразования определяем переменную «adc_data», а переменная «temp» для значений температуры окружающей среды.

//флаг переполнения буфера приемника UART
#bit rx_buffer_overflow;
//двухбайтовая переменная для результата АЦП
unsigned char adc_data;
//переменная для отправки температуры
int temp;
// переменная частоты выборки АЦП (500Гц - по умолчанию)
unsigned char TCNT0_value = 0x6;

Чтобы на LCD-дисплей можно было выводить русские символы, потребовалось определить массив и воспользоваться им в созданной функции «lcd_putsf_rus()», аргументом которой может быть русско-символьная строка.

//массив во флэш-памяти для русских символов
flash char Decode2Rus[255-192+1]= {
0x41,0xA0,0x42,0xA1,0xE0,0x45,0xA3,0xA4,
0xA5,0xA6,0x4B,0xA7,0x4D,0x48,0x4F,0xA8,
0x50,0x43,0x54,0xA9,0xAA,0x58,0xE1,0xAB,
0xAC,0xE2,0xAD,0xAE,0xAD,0xAF,0xB0,0xB1,
0x61,0xB2,0xB3,0xB4,0xE3,0x65,0xB6,0xB7,
0xB8,0xB9,0xBA,0xBB,0xBC,0xBD,0x6F,0xBE,
0x70,0x63,0xBF,0x79,0xE4,0x78,0xE5,0xC0,
0xC1,0xE6,0xC2,0xC3,0xC4,0xC5,0xC6,0xC7};
//функция вывода на LCD русско-символьной строки
void lcd_putsf_rus(flash unsigned char *string)
{
char c;
while (c=*string++)
{
if(c>=192) lcd_putchar(Decode2Rus[c-192]);
else lcd_putchar(c);
}
}

Для того чтобы получилась некое подобие интерфейса человек-электроника, создадим служебные функции, которые будут выводить на дисплей информацию о готовности модуля и его работе.

//печать на LCD "идет передача"
void transfer()
{
lcd_clear();
lcd_gotoxy(2,0);
lcd_putsf_rus("идет");
lcd_gotoxy(0,1);
lcd_putsf_rus("передача");
}
//печать на LCD "ожидание команд"
void expectation()
{
lcd_clear();
lcd_gotoxy(0,0);
lcd_putsf_rus("ожидание");
lcd_gotoxy(1,1);
lcd_putsf_rus("команд");
}
//Функция заставки при включении питания
void expectation()
{
lcd_clear();
lcd_gotoxy(1,0);
lcd_putsf_rus("МОДУЛЬ");
lcd_gotoxy(0,1);
lcd_putsf_rus("АЦП-8бит");
delay_ms(1500);
lcd_clear();
lcd_gotoxy(0,0);
lcd_putsf("made by");
lcd_gotoxy(1,1);
lcd_putsf("GrigaN");
delay_ms(1500);
expectation();
}

Значение температуры окружающей среды получаем по требованию с ПК. Определим для этого отдельную самостоятельную функцию get_send_temp(), которая поcле получения с датчика dallas значения температуры будет отправлять его посредством UART.

//Функция чтения и отправки температуры
void get_send_temp()
{
//распознавательный символ
putchar(253);
temp = 10*(ds18b20_temperature(0));
putchar((char)(temp>>8));
putchar((char)(temp));
}

Далее я пропускаю кусок кода, отвечающий за обработку прерывания от приёмника UART.Читаем на странице сайта: http://www.123avr.com. задание №5.

Сердцем программы является ниже представленный листинг кода. Здесь в обработчике прерывания таймер сам себя реинициализирует из константы TCNT0_value и запускает одиночное аналого-цифровое преобразование.

//Функция обработки прерывания от Таймера 0
interrupt [TIM0_OVF] void timer0_ovf_isr(void)
{
//Реинициализация состояния Таймера 0
//Получаем значение частоты из приемника UART
TCNT0=TCNT0_value;
//Запуск одиночного преобразования
ADCSRA.6=1;
}

После того как был получен результат преобразования, генерируется прерывание, в обработчике которого фильтруем полученное измерение и отправляем его по UART функцией putchar().

//Функция обработки прерывания от АЦП
interrupt [ADC_INT] void adc_isr(void)
{
//исключаем помехи АЦП
if (ADCW<200)
{
adc_data=ADCW;
putchar(254);
putchar(adc_data);
}
}

Переходим к инициализации основных элементов МК. Особое внимание следует уделить инициализации UART и ADC. Если Вы помните из рисунка 6 CodeWizardAVR не позволил указать нужную скорость передачи в 500000 Bp. Правим регистр UBRR согласно таблице 13.10 в главе 13 источника [1].

//Инициализация UART
//Communication Parameters: 8 Data, 1 Stop, No Parity
//USART Receiver: On
//USART Transmitter: On
//USART Mode: Asynchronous
//USART Baud Rate: 500000
UCSRA=0x00;
UCSRB=0x98;
UCSRC=0x86;
UBRRH=0x00;
UBRRL=0x00;

В инициализацию АЦП требуется добавить назначение регистра ADMUX, значением которого устанавливаются используемые «ноги» микроконтроллера непосредственно к которым подключается термопара. Также советую почитать задание №9 на сайте http://www.123avr.com. Автор доступным языком объяснил все тонкости.

//Инициализация АЦП
//ADC Clock frequency: 125,000 kHz
//ADC Voltage Reference: Int., cap. on AREF
//ADC High Speed Mode: Off
//ADC Auto Trigger Source: None
//порты: ADC1 - плюс, ADC0 - минус
ADMUX=0xC9;
//ИОН: Vref 2.56V внутренний/p>
//выравнивание регистра ADCW, вправо
//ADEN=0, АЦП запрешено;
ADCSRA=0xE;
SFIOR&=0xEF;

Переходим к главной функции main(). Согласно алгоритма представленного на рисунке 8, после инициализации выводим заставку на LCD-дисплей, то есть вызываем функцию prompt(). Затем микроконтроллер должен в бесконечном цикле проверять буфер приемника USART и при обнаружении в нём команды типа «символ» выполняется соответствующее действие. Смотрим листинг кода:

void main(void)
{
//инициализация микроконтроллера
init_avr();
//глобальное прерывания разрешены
#asm("sei")
//вывод заставки
prompt();
//опрос буфера приёмника UART
while (1)
{
switch (getchar())
//инициализация модуля
case 'i':
putchar(252);
//пускаем заставку
expectation();
break;
case 'p':
//ADEN=1, АЦП разрещено
ADCSRA=0x8E;
//включаем таймер
TCCR0=0x03;
//пускаем заставку
transfer();
break;
case 's':
//выключаем таймер
TCCR0=0x00;
//ADEN=0, АЦП запрещено
ADCSRA=0xE;
//пускаем заставку
expectation();
break;
case 'l':
//выключаем таймер
TCCR0=0x00;
//ADEN=0, АЦП запрещено
ADCSRA=0xE;
//частота 500 Гц;
TCNT0_value = 0x6;
break;
case 'n':
//выключаем таймер
TCCR0=0x00;
//ADEN=0, АЦП запрещено
ADCSRA=0xE;
//частота 1000 Гц
TCNT0_value = 0x83;
break;
case 'f':
//выключаем таймер
TCCR0=0x00;
//ADEN=0, АЦП запрещено
ADCSRA=0xE;
//частота 2500 Гц;
TCNT0_value = 0xCE;
break;
case 't':
if (ADCSRA==0x8E)
{
//выключаем таймер
TCCR0=0x00;
//ADEN=0, АЦП запрешено
ADCSRA=0xE;
//отправка температуры побайтно
get_send_temp();
//ADEN=1, АЦП разрешено
ADCSRA=0x8E;
//включаем таймер
TCCR0=0x03;
}
else
{
//oтправка температуры побайтно
get_send_temp();
}
break;
}
}

На этом все. Компилируем код, заливаем hex в микроконтроллер, предварительно выставив fuse-биты на тактирование от внешнего кварцевого резонатора на частоте 8 МГц.

P.S. В следующей части рассмотрим написание управляющей и анализирующей программы для ПК, написанной в среде MS Visual Studio на языке С#.