Вы еще не программируете микроконтроллеры? Тогда мы идем к вам!
Здравствуйте, уважаемые Хабражители!
В этой статье я хочу рассказать о том, как однажды решил начать программировать микроконтроллеры, что для этого понадобилось и что в итоге получилось.
Тема микроконтроллеров меня заинтересовала очень давно, году этак в 2001. Но тогда достать программатор по месту жительства оказалось проблематично, а о покупке через Интернет и речи не было. Пришлось отложить это дело до лучших времен. И вот, в один прекрасный день я обнаружил, что лучшие времена пришли не выходя из дома можно купить все, что мне было нужно. Решил попробовать. Итак, что нам понадобится:
1. Программатор
На рынке предлагается много вариантов — от самых дешевых ISP (In-System Programming) программаторов за несколько долларов, до мощных программаторов-отладчиков за пару сотен. Не имея большого опыта в этом деле, для начала я решил попробовать один из самых простых и дешевых — USBasp. Купил в свое время на eBay за $12, сейчас можно найти даже за $3-4. На самом деле это китайская версия программатора от Thomas Fischl. Что могу сказать про него? Только одно — он работает. К тому же поддерживает достаточно много AVR контроллеров серий ATmega и ATtiny. Под Linux не требует драйвера.
Для прошивки надо соединить выходы программатора VCC, GND, RESET, SCK, MOSI, MISO с соответствующими выходами микроконтроллера. Для простоты я собрал вспомогательную схему прямо на макетной плате:
Слева на плате — тот самый микроконтроллер, который мы собираемся прошивать.
2. Микроконтроллер
С выбором микроконтроллера я особо не заморачивался и взял ATmega8 от Atmel — 23 пина ввода/вывода, два 8-битных таймера, один 16-битный, частота — до 16 Мгц, маленькое потребление (1-3.6 мА), дешевый ($2). В общем, для начала — более чем достаточно.
Под Linux для компиляции и загрузки прошивки на контроллер отлично работает связка avr-gcc + avrdude. Установка тривиальная. Следуя инструкции, можно за несколько минут установить все необходимое ПО. Единственный ньюанс, на который следует обратить внимание — avrdude (ПО для записи на контроллер) может потребовать права супер-пользователя для доступа к программатору. Выход — запустить через sudo (не очень хорошая идея), либо прописать специальные udev права. Синтаксис может отличаться в разных версиях ОС, но в моем случае (Linux Mint 15) сработало добавление следующего правила в файл /etc/udev/rules.d/41-atmega.rules :
# USBasp programmer SUBSYSTEM=="usb", ATTR=="16c0", ATTR=="05dc", GROUP="plugdev", MODE="0666" После этого, естественно, необходим перезапуск сервиса
Компилировать и прошивать без проблем можно прямо из командной строки (кто бы сомневался), но если проектов много, то удобнее поставить плагин AVR Eclipse и делать все прямо из среды Eclipse.
Под Windows придется поставить драйвер. В остальном проблем нет. Ради научного интереса попробовал связку AVR Studio + eXtreme Burner в Windows. Опять-таки, все работает на ура.
Начинаем программировать
Программировать AVR контроллеры можно как на ассемблере (AVR assembler), так и на Си. Тут, думаю, каждый должен сделать свой выбор сам в зависимости от конкретной задачи и своих предпочтений. Лично я в первую очередь начал ковырять ассемблер. При программировании на ассемблере архитектура устройства становится понятнее и появляется ощущение, что копаешься непосредственно во внутренностях контроллера. К тому же полагаю, что в особенно критических по размеру и производительности программах знание ассемблера может очень пригодиться. После ознакомления с AVR ассемблером я переполз на Си.
После знакомства с архитектурой и основными принципами, решил собрать что-то полезное и интересное. Тут мне помогла дочурка, она занимается шахматами и в один прекрасный вечер заявила, что хочет иметь часы-таймер для партий на время. БАЦ! Вот она — идея первого проекта! Можно было конечно заказать их на том же eBay, но захотелось сделать свои собственные часы, с блэк… эээ… с индикаторами и кнопочками. Сказано — сделано!
В качестве дисплея решено было использовать два 7-сегментных диодных индикатора. Для управления достаточно было 5 кнопок — “Игрок 1” , “Игрок 2” , “Сброс” , “Настройка” и “Пауза” . Ну и не забываем про звуковую индикацию окончания игры. Вроде все. На рисунке ниже представлена общая схема подключения микроконтроллера к индикаторам и кнопкам. Она понадобится нам при разборе исходного кода программы:
Разбор полета
Начнем, как и положено, с точки входа программы — функции main . На самом деле ничего примечательного в ней нет — настройка портов, инициализация данных и бесконечный цикл обработки нажатий кнопок. Ну и вызов sei() — разрешение обработки прерываний, о них немного позже.
Рассмотрим каждую функцию в отдельности.
Настройка портов ввода/вывода происходит очень просто — в регистр DDRx (где x — буква, обозначающая порт) записивается число, каждый бит которого означает, будет ли соответствующий пин устройством ввода (соответствует 0) либо вывода (соответствует 1). Таким образом, заслав в DDRB и DDRD число 0xFF, мы сделали B и D портами вывода. Соответственно, команда DDRC = 0b11100000; превращает первые 5 пинов порта C во входные пины, а оставшиеся — в выходные. Команда PORTC |= 0b00011111; включает внутренние подтягивающие резисторы на 5 входах контроллера. Согласно схеме, к этим входам подключены кнопки, которые при нажатии замкнут их на землю. Таким образом контроллер понимает, что кнопка нажата.
Далее следует настройка двух таймеров, Timer0 и Timer1. Первый мы используем для обновления индикаторов, а второй — для обратного отсчета времени, предварительно настроив его на срабатывание каждую секунду. Подробное описание всех констант и метода настройки таймера на определенноый интервал можно найти в документации к ATmega8.
ISR (TIMER0_OVF_vect) < display(); if (_buzzer >0) < _buzzer--; if (_buzzer == 0) sound_off(); >> ISR(TIMER1_COMPA_vect) < if (ActiveTimer == 1 && Timer1 >0) < Timer1--; if (Timer1 == 0) process_timeoff(); >if (ActiveTimer == 2 && Timer2 > 0) < Timer2--; if (Timer2 == 0) process_timeoff(); >> При срабатывании таймера управление передается соответствующему обработчику прерывания. В нашем случае это обработчик TIMER0_OVF_vect, который вызывает процедуру вывода времени на индикаторы, и TIMER1_COMPA_vect, который обрабатывает обратный отсчет.
void display() < display_number((Timer1/60)/10, 0b00001000); _delay_ms(0.25); display_number((Timer1/60)%10, 0b00000100); _delay_ms(0.25); display_number((Timer1%60)/10, 0b00000010); _delay_ms(0.25); display_number((Timer1%60)%10, 0b00000001); _delay_ms(0.25); display_number((Timer2/60)/10, 0b10000000); _delay_ms(0.25); display_number((Timer2/60)%10, 0b01000000); _delay_ms(0.25); display_number((Timer2%60)/10, 0b00100000); _delay_ms(0.25); display_number((Timer2%60)%10, 0b00010000); _delay_ms(0.25); PORTD = 0; >void display_number(int number, int mask)
Функция display использует метод динамической индикации. Дело в том, что каждый отдельно взятый индикатор имеет 9 контактов (7 для управления сегментами, 1 для точки и 1 для питания). Для управления 4 цифрами понадобилось бы 36 контактов. Слишком расточительно. Поэтому вывод разрядов на индикатор с несколькими цифрами организован по следующему принципу:
Напряжение поочередно подается на каждый из общих контактов, что позволяет высветить на соответствующем индикаторе нужную цифру при помощи одних и тех же 8 управляющих контактов. При достаточно высокой частоте вывода это выглядит для глаза как статическая картинка. Именно поэтому все 8 питающих контактов обоих индикаторов на схеме подключены к 8 выходам порта D, а 16 управляющих сегментами контактов соединены попарно и подключены к 8 выходам порта B. Таким образом, функция display с задержкой в 0.25 мс попеременно выводит нужную цифру на каждый из индикаторов. Под конец отключаются все выходы, подающие напряжение на индикаторы (команда PORTD = 0; ). Если этого не сделать, то последняя выводимая цифра будет продолжать гореть до следующего вызова функции display, что приведет к ее более яркому свечению по сравнению с остальными.
void handle_buttons() < handle_button(KEY_SETUP); handle_button(KEY_RESET); handle_button(KEY_PAUSE); handle_button(KEY_PLAYER1); handle_button(KEY_PLAYER2); >void handle_button(int key) < int bit; switch (key) < case KEY_SETUP: bit = SETUP_BIT; break; case KEY_RESET: bit = RESET_BIT; break; case KEY_PAUSE: bit = PAUSE_BIT; break; case KEY_PLAYER1: bit = PLAYER1_BIT; break; case KEY_PLAYER2: bit = PLAYER2_BIT; break; default: return; >if (bit_is_clear(BUTTON_PIN, bit)) < if (_pressed == 0) < _delay_ms(DEBOUNCE_TIME); if (bit_is_clear(BUTTON_PIN, bit)) < _pressed |= key; // key action switch (key) < case KEY_SETUP: process_setup(); break; case KEY_RESET: process_reset(); break; case KEY_PAUSE: process_pause(); break; case KEY_PLAYER1: process_player1(); break; case KEY_PLAYER2: process_player2(); break; >sound_on(15); > > > else < _pressed &= ~key; >> Эта функция по очереди опрашивает все 5 кнопок и обрабатывает нажатие, если таковое случилось. Нажатие регистрируется проверкой bit_is_clear(BUTTON_PIN, bit) , т.е. кнопка нажата в том случае, если соответствующий ей вход соединен с землей, что и произойдет, согласно схеме, при нажатии кнопки. Задержка длительностью DEBOUNCE_TIME и повторная проверка нужна во избежание множественных лишних срабатываний из-за дребезга контактов. Сохранение статуса нажатия в соответствующих битах переменной _pressed используется для исключения повторного срабатывания при длительном нажатии на кнопку.
Функции обработки нажатий достаточно тривиальны и полагаю, что в дополнительных комментариях не нуждаются.
#define F_CPU 4000000UL #include #include #include #define DEBOUNCE_TIME 20 #define BUTTON_PIN PINC #define SETUP_BIT PC0 #define RESET_BIT PC1 #define PAUSE_BIT PC2 #define PLAYER1_BIT PC3 #define PLAYER2_BIT PC4 #define KEY_SETUP 0b00000001 #define KEY_RESET 0b00000010 #define KEY_PAUSE 0b00000100 #define KEY_PLAYER1 0b00001000 #define KEY_PLAYER2 0b00010000 volatile int ActiveTimer = 0; volatile int Timer1 = 0; volatile int Timer2 = 0; volatile int _buzzer = 0; volatile int _pressed = 0; // function declarations void init_io(); void init_data(); int number_mask(int num); void handle_buttons(); void handle_button(int key); void process_setup(); void process_reset(); void process_pause(); void process_timeoff(); void process_player1(); void process_player2(); void display(); void display_number(int mask, int number); void sound_on(int interval); void sound_off(); // interrupts ISR (TIMER0_OVF_vect) < display(); if (_buzzer >0) < _buzzer--; if (_buzzer == 0) sound_off(); >> ISR(TIMER1_COMPA_vect) < if (ActiveTimer == 1 && Timer1 >0) < Timer1--; if (Timer1 == 0) process_timeoff(); >if (ActiveTimer == 2 && Timer2 > 0) < Timer2--; if (Timer2 == 0) process_timeoff(); >> int main(void) < init_io(); init_data(); sound_off(); sei(); while(1) < handle_buttons(); >return 0; > void init_io() < // set output DDRB = 0xFF; DDRD = 0xFF; // set input DDRC = 0b11100000; // pull-up resistors PORTC |= 0b00011111; // timer interrupts TIMSK = (1<void init_data() < Timer1 = 0; Timer2 = 0; ActiveTimer = 0; >int number_mask(int num) < switch (num) < case 0 : return 0xC0; case 1 : return 0xF9; case 2 : return 0xA4; case 3 : return 0xB0; case 4 : return 0x99; case 5 : return 0x92; case 6 : return 0x82; case 7 : return 0xF8; case 8 : return 0x80; case 9 : return 0x90; >; return 0; > void process_setup() < Timer1 += 60; Timer2 += 60; // overflow check (5940 seconds == 99 minutes) if (Timer1 >5940 || Timer2 > 5940) < Timer1 = 0; Timer2 = 0; >> void process_reset() < init_data(); >void process_timeoff() < init_data(); sound_on(30); >void process_pause() < ActiveTimer = 0; >void process_player1() < ActiveTimer = 2; >void process_player2() < ActiveTimer = 1; >void handle_button(int key) < int bit; switch (key) < case KEY_SETUP: bit = SETUP_BIT; break; case KEY_RESET: bit = RESET_BIT; break; case KEY_PAUSE: bit = PAUSE_BIT; break; case KEY_PLAYER1: bit = PLAYER1_BIT; break; case KEY_PLAYER2: bit = PLAYER2_BIT; break; default: return; >if (bit_is_clear(BUTTON_PIN, bit)) < if (_pressed == 0) < _delay_ms(DEBOUNCE_TIME); if (bit_is_clear(BUTTON_PIN, bit)) < _pressed |= key; // key action switch (key) < case KEY_SETUP: process_setup(); break; case KEY_RESET: process_reset(); break; case KEY_PAUSE: process_pause(); break; case KEY_PLAYER1: process_player1(); break; case KEY_PLAYER2: process_player2(); break; >sound_on(15); > > > else < _pressed &= ~key; >> void handle_buttons() < handle_button(KEY_SETUP); handle_button(KEY_RESET); handle_button(KEY_PAUSE); handle_button(KEY_PLAYER1); handle_button(KEY_PLAYER2); >void display() < display_number((Timer1/60)/10, 0b00001000); _delay_ms(0.25); display_number((Timer1/60)%10, 0b00000100); _delay_ms(0.25); display_number((Timer1%60)/10, 0b00000010); _delay_ms(0.25); display_number((Timer1%60)%10, 0b00000001); _delay_ms(0.25); display_number((Timer2/60)/10, 0b10000000); _delay_ms(0.25); display_number((Timer2/60)%10, 0b01000000); _delay_ms(0.25); display_number((Timer2%60)/10, 0b00100000); _delay_ms(0.25); display_number((Timer2%60)%10, 0b00010000); _delay_ms(0.25); PORTD = 0; >void display_number(int number, int mask) < PORTB = number_mask(number); PORTD = mask; >void sound_on(int interval) < _buzzer = interval; // put buzzer pin high PORTC |= 0b00100000; >void sound_off() < // put buzzer pin low PORTC &= ~0b00100000; > Прототип был собран на макетной плате:
После тестирования прототипа пришло время все это добро разместить в корпусе, обеспечить питание и т.д.
Ниже показан окончательный вид устройства. Часы питаются от 9-вольтовой батарейки типа “Крона”. Потребление тока — 55 мА.
Заключение
Потратив $20-25 на оборудование и пару вечеров на начальное ознакомление с архитектурой микроконтроллера и основными принципами работы, можно начать делать интересные DIY проекты. Статья посвящается тем, кто, как и я в свое время, думает, что начать программировать микроконтроллеры — это сложно, долго или дорого. Поверьте, начать намного проще, чем может показаться. Если есть интерес и желание — пробуйте, не пожалете!
Удачного всем программирования!
P.S. Ну и напоследок, небольшая видео-демонстрация прототипа: