Programování AVR

Po resetu obvodu jsou I/O vývody MCU nastaveny jako vstupy, přerušení a pull-up rezistory jsou zakázány. Je tedy na programátorovi, aby jednotlivé vývody nastavil do požadované konfigurace. Na začátku programu je tedy potřeba provést tuto sekvenci:

Tato nastavení lze provádět pomocí registrů daného PORTu. Každý PORTx (x zastupuje A, B, C, atd.) disponuje svou vlastní skupinou registrů, pomocí kterých ovládá svou skupinu pinů. PORTx je instancí struktury typu PORT_t, která obsahuje všechny registry a má následující definici.

Z výše uvedeného výpisu je vidět, že se vývojáři z Microchipu celkem rozvášnili a nabízejí nám vcelku široké možnosti řízení vstupů a výstupů mikrokontroleru. Bez některých registrů bychom se asi v mnoha případech obešli, protože ve finále vykonávají tu samou činnost, ale když už je máme k dispozici, tak si v následující sekci popíšeme, co jednotlivé registry dělají a kdy je použít. Jen pro úplnost ještě doplním, že každý pin portu koresponduje s odpovídajícím bitem v registru, například vývod PA2 bude řízen portem PORTA a bitem 2, vývod PB5 bude řízen portem PORTB a bitem 5, pin PC0 je ovládán portem PORTC a bitem 0 atd.

Virtuální porty VPORTx plní stejnou funkci jako klasické porty PORTx. Jejich výhodou je, že provádění instrukcí nad těmito porty je rychlejší. Virtuální porty obsahují pouze čtyři registry: DIR, OUT, IN, INTFLAGS. Význam jednotlivých bitů registrů je naprosto stejný a nemá cenu je zde popisovat. Ukážeme si jen několik příkladů, ale i práce s virtuálními porty je stejná jako s klasickými porty, jen u názvu portu přibude písmeno "V".

V tomto příkladu si ukážeme ovládání vývodů MCU. Program bude jednoduchý, každým stisknutím tlačítka SW0 inkrementujeme proměnnou. Počet stisků, tedy obsah proměnné, budeme zobrazovat na čtyřmístném sedmisegmentovém LED displeji CC56-12EWA.

Displej budeme řídit v tzv. multiplexním režimu. Schéma zapojení je na níže uvedeném obrázku.

Anody jednotlivých segmentů jsou kromě segmentu c připojeny na PORTA a katody pak na spodní bity portu C. Ze schématu je vidět, jak jsou anody zapojeny. Vždy je lepší, když jsou anody zapojeny na jeden port, ale v tomto případě máme jeden segment připojen na jiný port, s čímž si poradíme. Na pořadí jednotlivých segmentů příliš nezáleží. Vytvoříme si totiž převodní tabulku, kterou poté aplikujeme v programu.

Jelikož se jedná o displej se společnou katodou, musíme pro rozsvícení cifry na odpovídajících vývodech PORTA nastavovat logické jedničky. Vývod PA3 není využit pro řízení displeje, ale je na něj připojena interní LED0 desky Curiosity. Je tedy vždy nastaven na logickou jedničku, aby zbytečně nesvítila (LED0 je rozsvěcována logickou nulou, viz schéma zapojení desky Curiosity).

Program je velice jednoduchý. V hlavní smyčce pouze testujeme stisk tlačítka a následně inkrementujeme proměnnou pocitadlo. Poté voláme funkci zobraz(). Tato funkce už je o něco zajímavější než hlavní smyčka. Jelikož pracujeme s multiplexním řízením displeje, zobrazujeme v jeden okamžik pouze jednu cifru z čísla. Proto dělením modulo deset získáváme číselnou hodnotu jednotek a tu pak pomocí pole kod[] převedeme na kombinaci pro 7segment (položky pole musí být seřazeny, jak je uvedeno. Využíváme totiž skutečnosti, že index prvku pole se rovná zobrazovanému číslu). Zároveň musíme zkontrolovat nultý bit této binární kombinace a podle něj nastavit vývod PC4. Poté musíme přivést na odpovídající katodu logickou nulu tak, aby došlo k rozsvícení požadované 7segmentovky. V prvním cyklu pro jednotky, v druhém pro desítky, ve třetím pro stovky a v posledním pro tisíce. V každém cyklu též musíme posunout zobrazované číslo o jeden řád doprava tak, aby na pozici jednotek bylo číslo odpovídající právě zobrazovanému řádu. To provedeme jednoduše celočíselným dělením deseti.

Nesmíme taktéž zapomenout na časovou prodlevu po rozsvícení segmentovky tak, abychom něco viděli. Dobu rozsvícení určíme experimentálně nebo můžeme vycházet z úvahy, že lidské oko vnímá blikání světla o frekvenci vyšší než cca 40 Hz už jako trvalý svit. V programu jsem sice použil 4 ms, ale můžete si sami vyzkoušet, co se bude dít, když tento čas hodně prodloužíte, nebo naopak zkrátíte.

Abychom si procvičili práci se vstupy mikrokontroléru, rozšíříme předcházející příklad o maticovou klávesnici. Maticová klávesnice funguje na principu propojení všech řádků a sloupců tlačítek na společný vývod. Při stisku klávesy (tlačítka) dojde k propojení odpovídajícího sloupce a řádku. Například pokud stiskneme klávesu s číslem "7" dojde k propojení druhého sloupce a třetího řádku. Pomocí této konfigurace můžeme připojit na osm vývodů MCU až 16 tlačítek.

Pro jednotlivé klávesy opět vytvoříme převodní tabulku, která bude obsahovat binární kombinace pro rozsvícení příslušných segmentů zobrazovače. Tuto tabulku použijeme ve zdrojovém kódu implementovanou jako pole kod[]. Indexy prvků pole budou odpovídat pozici klávesy, která je počítána po řádcích klávesnice.

Nyní zbývá vyřešit, jak zjistit, že došlo k propojení řádku a sloupce při stisknutí klávesy. Řešení je vcelku jednoduché. Sloupce a řádky klávesnice připojíme na piny mikrokontroléru a postupně budeme přivádět na jednotlivé řádky logickou nulu. Poté budeme kontrolovat, zda-li se tato logická úroveň objeví i na některém ze sloupců. Pokud ano, je klávesa v daném řádku a sloupci stisknuta.

Aby vše fungovalo, musí být piny, na které jsou připojeny řádky, konfigurovány jako výstupy a sloupce naopak jako vstupy, abychom mohli číst logické úrovně. Z toho též vyplývá, že na vstupech, na kterých jsou připojeny sloupce klávesnice, musí být definována hodnota pokud není tlačítko stisknuto. To zařídíme pomocí pull-up rezistorů, které nastaví vstupy na logickou jedničku.

Poté už je to jen hraní si s bity, v našem případě registru PORTB.IN`a `PORTB.OUT. V nekonečné smyčce přivádíme postupně na spodní čtyři bity portu logickou úroveň nula a následně čteme horní polovinu bitů portu. Pokud zjistíme logickou nulu na některém z bitů horní poloviny jednoduše určíme, která klávesa byla stisknu a zavoláme funkci dekoduj(), která pomocí proměnné kod[] převede pozici klávesy na binární hodnotu potřebnou pro rozsvícení správných segmentů zobrazovače a uloží ji do pole znaky[]. Displej LED opět pracuje v multiplexním režimu, což zajišťuje funkce zobraz().

A to je vše. Popis programu je trochu delší, ale funkcionalita je opravdu jednoduchá. Prozkoumejte níže uvedený kód a zjistíte, jak jednoduché to je. Ještě doplním informaci, že program funguje tak, že zobrazuje čtyři naposledy stisknuté klávesy. Poslední stisknutá klávesa je zobrazena na pozici vpravo a předcházející tři jsou posunuty o jednu pozici vlevo. Klávesa se symbolem '#' je zobrazována jako znak 'E' a klávesa '*' jako písmeno 'F'.

V příštím díle se podíváme na alternativní funkce vývodů MCU a přerušení, abychom mohli využívat všechny funkce mikrokontroléru.