PK Design. EVMS-mega128. Uživatelský manuál. v1.0. Výuková deska s mikrokontrolerem ATmega128. Obr. 1 - výuková deska s LCD displejem

Transkript

1 EVMS-mega128 v1.0 Výuková deska s mikrokontrolerem ATmega128 Uživatelský manuál Obr. 1 - výuková deska s LCD displejem Obr. 2 - výuková deska bez LCD displeje

2 Obsah 1 Upozornění Úvod Vlastnosti výukové desky... 4 Vlastnosti mikrokontroleru ATmega128-16AI TQFP Použití výukové desky... 5 Podpora... 5 Stručný popis Provozní podmínky a parametry Nastavení a použití Připojení napájecího napětí Napájení z konektoru PwrIn... 8 Napájení z konektoru USB... 9 Jumper JP PWR USB rozhraní...9 Sériové rozhraní RS Konektor ADC Konektor SPI Konektor I2C...10 Konektor MISC Konektory +5V a GND Konektor ExtMem...11 Tlačítka...11 LED diody LED display LCD display Napěťová reference, jumper JP VREF...13 Piezo měnič (beeper)...13 Krystaly LED display Jumper JP LEE Hlavní krystal...13 RTC krystal Tlačítko Reset Programování mikrokontroleru přes rozhraní ISP či JTAG Programování mikrokontroleru přes rozhraní USB a bootloader Postup pro spuštění bootloaderu Postup pro nahrávání programu do mikrokontroleru Instalace ovladačů pro USB rozhraní na PC Literatura Historie verzí dokumentace... 22

3 1 Upozornění Při používání výukové desky dodržujte provozní podmínky uvedené v této kapitole a v kapitole Provozní podmínky a parametry. Nedodržení těchto doporučených provozních podmínek může vézt k poškození či zničení výukové desky, což může mít dále za následek poškození či zničení připojených modulů nebo připojeného uživatelského zařízení. Za poškození či zničení výukové desky a připojených zařízení, důsledkem porušení doporučených provozních podmínek, nenese výrobce zodpovědnost. Deska EVMS-mega128 byla navržena pro vývojové a výukové účely, nikoliv pro instalaci do konečného zařízení. Vzhledem k faktu, že k výukové desce je možné připojit velké množství rozšiřujících modulů či uživatelský hardware, není možné specifikovat výslednou velikost elektromagnetického pole, které bude tímto celkem vyzařováno. Uživatel také musí brát v úvahu, že výuková deska není proti vlivům elektromagnetického pole nikterak speciálně chráněna a její funkce může být při vysokých intenzitách tohoto pole ovlivněna. Při jakékoliv manipulaci s výukovou deskou je nutné zabezpečit, aby nemohlo dojít k elektrostatickému výboji (ESD), a proto vždy používejte ESD ochranné pomůcky (uzemňovací ESD náramek, vodivou antistatickou podložka apod.). Elektrostatický výboj může mít za následek zničení výukové desky i připojeného zařízení. Není dovoleno výukovou desku vystavovat intenzivnímu slunečnímu záření, rychlým změnám teplot, vodě či vysoké vlhkosti. Není také dovoleno ji jakkoliv mechanicky namáhat. Výuková deska není odolná proti vlivům agresivních prostředí. Při čištění nesmí být použito rozpouštědel ani saponátů. Čistěte pouze suchým antistatickým hadříkem (dodržujte ESD podmínky z minulých odstavců). 3 / 26

4 2 Úvod Vlastnosti výukové desky Obsahuje RISC-ový mikrokontroler Atmel ATmega128-16AI TQFP64 Pro vytváření programového kódu je možné použít volně dostupný vývojový software Atmel AVR Studio či WinAVR-GCC Napájení: Power konektor (např. z wall adapteru) USB (chráněno SMD tavnou vyměnitelnou pojistkou) Možnosti programování mikrokontroleru: ISP či JTAG programovací rozhraní (JTAG umožňuje i ladění kódu) USB komunikační rozhraní (pomocí bootloader-u v mikrokontroleru) Uživatelská rozhraní: 4 LED diody 8 tlačítek Multiplexovaný sedmisegmentový LED display (4 digity) LCD display (2x 16 znaků, podsvětlený, odnímatelný - překrývající LED display) Komunikační rozhraní: RS-232 (canon 9 konektor) USB (konektor typu B) SPI (pinová lišta) I2C (pinová lišta) Ostatní rozhraní: 7 univerzálních vstupů/výstupů (pinová lišta) 2 ADC vstupy včetně výstupu referenčního napětí (pinová lišta) Rozhraní pro připojení externí paměti (např. async. SRAM) Piny umožňující napájení připojených modulů napětím +5V Deska dále obsahuje: 5V napěťový regulátor Nastavitelnou napěťovou referenci pro interní AD převodník mikrokontroleru Krystal MHz v patici sloužící jako hlavní zdroj hodinového signálu Krystal kHz pro RTC Piezoměnič bez vlastního budiče (beeper) Trimr pro nastavení kontrastu LCD displeje Resetovací tlačítko Rozměry plošného spoje (v x š x d) : 25.0mm x 146.4mm x 68.0mm Vlastnosti mikrokontroleru ATmega128-16AI TQFP64 8-bitový RISC mikrokontroler. Výkon - 16 MIPS / 16 MHz - 12x rychlejší než standardní x51 na stejné taktovací frekvenci. Plně statická funkce. Interní kalibrovaný RC oscilátor. Dvou-cyklová násobička na čipu. 133 výkonných instrukcí, většinou jedno-cyklových. 32 osmibitových registrů pro obecné použití. 128kB programová FLASH paměť, programovatelná přímo v aplikaci s možností uzamknutí, zápisových/mazacích cyklů s volitelnou velikostí bootloader sekce s nezávislým uzamykáním. 4kB EEPROM paměť, zápisových/mazacích cyklů. 4kB interní SRAM paměť. JTAG (IEEE std ) rozhraní s možností programování a ladění. 8-kanálový 10-bitový A/D převodník, analogový komparátor. Bytově orientované sériové rozhraní (TWI). Dvě programovatelné USART komunikační rozhraní. Master/slave SPI sériové rozhraní. Dva 8-bitové čítače a dva 16-bitové čítače, každý s vlastní před-děličkou. Dva 8-bitové PWM kanály. 6 PWM kanálů s programovatelným rozlišením 2-16 bitů. Programovatelný Watch-dog časovač s vestavěným oscilátorem na čipu. Čítač reálného času RTC s odděleným oscilátorem. 6 režimů snížené spotřeby. 53 programovatelných I/O vývodů. Napájecí napětí V. 4 / 26

5 Použití výukové desky Seznámení se či prohloubení znalostí a zkušeností s mikrokontrolery Atmel AVR. Ve výuce předmětu: Mikroprocesorová technika Vestavěné řídící systémy Měření, řízení a regulace Komunikační systémy Podpora K výukové desce byly vytvořeny výukové příklady ke všem základním periferiím umístěným na desce. Pro vývoj aplikací lze použít nejrůznější vývojová prostředí různých výrobců, např. volně dostupný vývojový systém Atmel AVR Studio (obsahuje kompilátor assembleru, simulátor, debugger), dále pak volně dostupný systém WinAVR (obsahuje kompilátor GCC bez omezení velikosti kódu, programátorský editor a jako debugger lze použít AVR Studio) a další. Programování lze provádět přes rozhraní ISP (např. volně dostupným softwarem PKDesign Atmel AVR ISP Programmer), přes rozhraní JTAG, které umožňuje i ladění (pomocí Atmel AVR Studia) a nebo přes USB rozhraní s využitím bootloader-u (který je v mikrokontroleru od výroby naprogramován). Stručný popis Výuková deska EVMS-mega128 obsahuje RISC-ový mikrokontroler řady AVR firmy Atmel s označením Atmega128-16AI a je především určena k výukovým účelům v oblasti 8-bitových RISC-ových mikrokontrolerů. Při návrhu byl kladen důraz na pokrytí co největšího počtu výukových příkladů a tím co největší efektivnost výuky. Deska obsahuje uživatelská rozhraní (8 tlačítek, LED diody, multiplexovaný LED display, LCD display), komunikační rozhraní (RS-232, USB, I2C, SPI) a dále obecné rozhraní (ADC, digitální vstupy/výstupy, rozhraní pro externí paměť). Kromě mikrokontroleru jsou na desce umístěny krystaly (hlavní a pro RTC), nastavitelná napěťová reference, piezo měnič, resetovací tlačítko a trimr pro nastavení kontrastu LCD displeje. Obr. 3 - Blokové schéma výukové desky 5 / 26

6 3 Provozní podmínky a parametry Maximální napájecí napětí VINMAX... 12V stejnosměrných Provozní napájecí napětí VIN...7.0V 9.0V stejnosměrných Maximální proudový odběr z napájecího konektoru ITOT A Maximální proudový odběr z USB ITOT_USB A Maximální ztrátový výkon na hlavním napěťovém stabilizátoru PTOT W Klidový proudový odběr základové desky bez připojených modulů... 60mA typ. Povolené vstupní napětí I/O vývodů v až VCC + 0.5V stejnosměrných Maximální odebíraný proud z I/O vývodu mikrokontroleru... 20mA Maximální odebíraný proud ze všech I/O vývodů mikrokontroleru současně...200ma Skladovací teplota okolí C až +50 C Provozní teplota okolí C až +40 C Kromě výše zmíněných provozních podmínek dodržujte také podmínky pro mikrokontroler a SRAM paměť ze sekce Absolute Maximum Ratings a DC charackeristics katalogových listů příslušného výrobce. Při nedodržení provozních podmínek hrozí zničení obvodů základové desky i připojeného hardware! Tímto parametrem je myšlen celkový max. proudový odběr ze zdroje připojeného přes power konektor. Výpočet je uveden v kapitole Nastavení a použití. Tímto parametrem je myšlen celkový max. proudový odběr z USB. Výpočet je uveden v kapitole Nastavení a použití. Výpočet ztrátového výkonu je uveden v kapitole Nastavení a použití. 6 / 26

7 4 Nastavení a použití V této sekci je popsáno jak výukovou desku nastavovat a používat. Je zde uveden způsob připojení ke zdroji napájecího napětí, zapojení konektorů, popis periférií umístěných na desce a připojení programovacích kabelů. Dále je zde popsán význam jednotlivých propojek (jumperů), které se používají pro nastavování výukové desky. Umístění všech základních částí je zobrazeno na následujících obrázcích. CON +5V CON USB JP PWR CON JTAG CON ISP JP UART1 JP LEE CON GND CON MISC JP VREF CON SPI CON I2C CON ADC CON ExtMem CON RS-232 CON PwrIn CON LCD Obr. 4 - umístění konektorů a propojek na výukové desce Legenda: CON PwrIn CON JTAG CON ISP CON USB CON RS-232 CON LCD CON MISC CON SPI CON I2C CON ADC CON ExtMem CON +5V CON GND napájecí konektor (power jack 2.5mm zásuvka) JTAG programovací a ladící konektor (MLW10) ISP programovací konektor (MLW10) konektor pro připojení USB rozhraní - UART-0 (USB-B zásuvka) konektor pro připojení RS-232 rozhraní - UART-1 (canon 9 vidlice) konektor pro připojení LCD displeje (16pin jumper zásuvka) konektor s různými vývody MCU (2x5pin jumper lišta) konektor s SPI vývody MCU (2x3pin jumper lišta) konektor s I2C vývody MCU (1x4pin jumper lišta) konektor s ADC vývody MCU (1x5pin jumper lišta) konektor pro připojení modulu s externí pamětí (2x11pin jumper lišta) konektory +5V slouží pro napájení externího hardware (2x2pin jumper lišta) konektory GND slouží pro napájení externího hardware (2x2pin jumper lišta) JP PWR JP LEE JP UART1 JP VREF volba typu zdroje napájecího napětí: napěťový regulátor / USB volba povolení funkce LED displeje (LEd display Enable) připojení vývodů MCU rozhraní UART1 k obvodu MAX232 volba velikosti referenčního napětí Vref: 1.25V / 2.5V / 4.096V 7 / 26

8 LED dioda +5V Beeper USB Zdroj ref. interface napětí Tlačítko reset Krystal MHz RS-232 interface Krystal kHz AVR MCU ATmega128 4 LED diody Napěťový regulátor 8 tlačítek LCD display Trimr LCD kontrast LED display Obr. 5 - umístění periferií na vývojové desce 4.1 Připojení napájecího napětí Napájení z konektoru PwrIn Velikost napájecího napětí výukové desky při napájení z PwrIn konektoru je nutné volit v rozmezí 7.0V 9.0V. Při volbě jeho velikosti je nutné brát v úvahu maximální ztrátový výkon PTOT hlavního napěťového regulátoru. Při použití příliš velkého napájecího napětí může být hodnota ztrátového výkonu na vstupním regulátoru napětí vyšší než je její maximální dovolená hodnota pro dané chlazení (1.6W), což může mít za následek zničení regulátoru překročením maximálního dovoleného ztrátového výkonu či maximální dovolené provozní teploty. Ztrátový výkon je závislý na velikosti vstupního napájecího napětí VIN a také na celkovém odebíraném proudu ITOT, který je dán součtem proudu odebíraného mikrokontrolerem a periferními obvody výukové desky IMP a proudu odebíraného připojenými moduly k Pwr konektoru (+5V) I+5V. Velikost ztrátového výkonu vstupního regulátoru napětí se vypočte z následujících rovnic: ITOT = IMP + I+5V PTOT = (VIN 5) ITOT [A; A, A] [W; V, A] rovnice 1 rovnice 2 Zničení napěťového regulátoru může vézt k poškození či dokonce ke zničení celé výukové desky i připojených modulů, a proto volbě vstupního napájecího napětí věnujte dostatečnou pozornost! Je také nutné zabezpečit, aby celkový odběr výukové desky včetně připojených modulů nepřekročil hodnotu ITOT = 1.0A. Při nedodržení tohoto limitu hrozí opět zničení napěťového regulátoru a z toho vyplývající následky. Napájecí zdroj musí být dostatečně proudově dimenzován, aby pokryl proudový odběr základové desky i všech připojených rozšiřujících modulů. Nedoporučuje se proto systém napájet z baterií. Proudový odběr z napájecího zdroje je závislý na použitých rozšiřujících modulech či připojeném uživatelském hardwaru, a proto nelze definovat jeho velikost. Napájecí napětí se připojuje pomocí konektoru PwrIn, což je standardní napájecí konektor s průměrem středového trnu 2,5mm. Kladný pól (VIN) je připojen na vnitřní část konektoru (trn), záporný pól (nulový potenciál GND) na vnější část (obal). Obrázek 6 zobrazuje opačný typ konektoru, který je možné do PwrIn konektoru zapojit. Obr. 6 - zapojení napájecího konektoru Připojení napájecího napětí je indikováno zelenou LED diodou umístěnou na základové desce. 8 / 26

9 4.1.2 Napájení z konektoru USB Při napájení z USB je nutné brát v úvahu, že jako ochrana proti zkratu je použita SMD pojistka o hodnotě F0.25A. Je tedy nutné, aby celkový odebíraný proud z USB ITOT_USB byl menší než 0.25A. Tento proud je dán součtem proudu odebíraného mikrokontrolerem a periferními obvody výukové desky IMP a proudu odebíraného připojenými moduly k Pwr konektoru (+5V) I+5V., viz. následující rovnice. ITOT_USB = IMP + I+5V [A; A, A] Při překročení tohoto proudu nastane zničení pojistky a bude nutné ji vyměnit Jumper JP PWR Tento jumper souží ke zvolení zdroje napájecího napětí - PwrIn konektor nebo USB. JP PWR Zobrazení Funkce 1 2 Zvoleno napájení z USB 2 3 Zvoleno napájení z PwrIn konektoru Tabulka 1 - jumper JP PWR 4.2 USB rozhraní USB rozhraní je založeno na obvodu FT232R a umožňuje propojení mikrokontroleru s PC. Tento obvod vyžaduje v PC nainstalování příslušných driverů, viz. kapitola Instalace ovladačů pro USB rozhraní na PC. Po jejich instalaci vznikne v PC nový COM port (virtuální), přes který je možné velmi jednoduše s mikrokontrolerem komunikovat (jako přes standardní COM port). Na straně mikrokontroleru se obvod FT232 chová jako obyčejný UART interface (např. jako MAX232), takže komunikace je opět velmi jednoduchá (probíhá pouze přes signály RxD a TxD UARTu-0). USB rozhraní kromě komunikace samotné umožňuje také napájení celé výukové desky, viz. kapitola Připojení napájecího napětí. 4.3 Sériové rozhraní RS-232 Sériové rozhraní RS-232, zakončené konektorem canon 9 vidlice, je přes obvod typu MAX232 připojené k vývodům RxD a TxD bloku UART-1 mikrokontroleru přes jumper JP UART-1. Tento jumper umožňuje odpojení vývodů mikrokontroleru od obvodu MAX232 a jejich následné použijí jako UART signálů v TTL úrovních (např. pro připojení jiného mikrokontroleru). Ve výchozím stavu jsou vývody TxD a RxD vzájemně propojeny, jak je možné vidět na obrázku 7. Obr. 7 - význam vývodů jumperu JP UART-1 Propojení výukové desky s PC se provádí pomocí kříženého sériového kabelu (RxD PC je propojen s TxD výukové desky, TxD PC s RxD výukové desky, GND signály jsou spojeny). Konektor RS-232 (UART-1) obsahuje signály RxD, TxD a GND a jejich rozložení popisuje tabulka 2. Vývod konektoru RS-232 Význam vývodu 2 RxD-1 3 TxD-1 5 GND 7, 8 Spojeno 1, 4, 6, 9 Nezapojeno Tabulka 2 - význam vývodů konektoru RS-232 (UART-1) 9 / 26

10 4.4 Konektor ADC Konektor ADC slouží pro připojení vnějších signálů na vývody analogově-digitálního převodníku mikrokontroleru. Následující obrázek popisuje vzájemné propojení signálů konektoru a mikrokontroleru. 4.5 Konektor SPI Konektor SPI slouží pro připojení vnějších signálů na vývody sériové linky SPI mikrokontroleru. Následující obrázek popisuje vzájemné propojení signálů konektoru a mikrokontroleru. 4.6 Konektor I2C Konektor I2C slouží pro připojení vnějších signálů na vývody sériové linky I2C mikrokontroleru. Následující obrázek popisuje vzájemné propojení signálů konektoru a mikrokontroleru. 4.7 Konektor MISC Konektor MISC slouží pro připojení vnějších signálů na univerzální vstupně/výstupní vývody mikrokontroleru. Následující obrázek popisuje vzájemné propojení signálů konektoru a mikrokontroleru. 4.8 Konektory +5V a GND Konektory +5V a GND slouží pro napájení přídavného hardware a nebo pro pokusné definování logických úrovní vstupů mikrokontroleru. Na propojení je potřeba použít vodiče zakončené konektorem SPK. Následující obrázky zobrazují oba konektory. 10 / 26

11 4.9 Konektor ExtMem Konektor ExtMem slouží pro připojení externí async. SRAM či FLASH paměti a nebo jiného hardware, který je možné připojit adresovou a datovou sběrnicí. Následující obrázek popisuje vzájemné propojení signálů konektoru a mikrokontroleru Tlačítka Výuková deska obsahuje 8 tlačítek. Aby bylo možné připojit k mikrokontroleru co nejvíce periferií, bylo nutné zapojení optimalizovat a tak tlačítka byla zapojena na společnou sběrnici s externí pamětí - A[8..15] (PC[0..7]). Vyčítání stavu tlačítek probíhá tak, že se na tuto sběrnici zapíší data, kdy všechny bity kromě jednoho jsou ve stavu log. 1. Bit se stavem log. 0 se postupně rotuje a vždy se a vyčte stav signálu BTN_OUT. Pokud je výsledek log. 0, tak je tlačítko na pozici, kde se aktuálně nachází log. 0, stisknuto. Pokud je ve stavu log. 1, tak stisknuto není. Následující tabulka popisuje logickou vazbu mezi tlačítky a mikrokontrolerem. Tlačítko Signál MCU port Popis Btn-1 A8 PC0 (out) Signál budící tlačítko 1 Btn-2 A9 PC1 (out) Signál budící tlačítko 2 Btn-3 A10 PC2 (out) Signál budící tlačítko 3 Btn-4 A11 PC3 (out) Signál budící tlačítko 4 Btn-5 A12 PC4 (out) Signál budící tlačítko 5 Btn-6 A13 PC5 (out) Signál budící tlačítko 6 Btn-7 A14 PC6 (out) Signál budící tlačítko 7 Btn-8 A15 PC7 (out) Signál budící tlačítko 8 Všechny BTN_OUT PF3 (in) Výstupní signál tlačítek Slouží pro vyčtení stavu mikrokontrolerem Tabulka 3 - logická vazba mezi tlačítky a mikrokontrolerem 4.11 LED diody Výuková deska obsahuje 4 červené LED diody. LED dioda svítí tehdy, když je její řídící signál ve stavu log. 0 (inverzně). Následující tabulka popisuje propojení LED diod s mikrokontrolerem. LED Signál MCU port 1 LED1 PD4 (out) 2 LED2 PD5 (out) 3 LED3 PD6 (out) 4 LED4 PD7 (out) Tabulka 4 - propojení LED diod s mikrokontroleru 11 / 26

12 4.12 LED display LED display Sedmisegmentový LED display je zapojen v multiplexovaném režimu, tzn. že v daný časový okamžik svítí pouze jedna pozice (jeden digit). Dekódování pozice provádí integrovaný obvod 74HC138 (dekodér 1 z 8) a pomocí tranzistorů řídí anody LED displeje. Katody jsou ovládány budiče 74ACT245, který výkonově posiluje výstupy D-latch registru 74ACT574, jehož vstupy jsou zapojeny na adresově/datovou sběrnici mikrokontroleru - AD[0..7] (PA[0..7]). D-latch je ovládán signálem LED_LE (LED display Latch Enable). D-latch obvod umožňuje použití LED displeje současně s externí pamětí. Logické vazby mezi signály LED displeje a vývody mikrokontroleru popisují následující obrázek a tabulky. LED segment Signál MCU port Popis A AD0 PA0 (out) Datový signál - segment A B AD1 PA1 (out) Datový signál - segment B C AD2 PA2 (out) Datový signál - segment C D AD3 PA3 (out) Datový signál - segment D E AD4 PA4 (out) Datový signál - segment E F AD5 PA5 (out) Datový signál - segment F G AD6 PA6 (out) Datový signál - segment G H AD7 PA7 (out) Datový signál - segment H Obr. 8 - rozložení segmentů LED displeje Tabulka 5 - logické propojení datových signálů LED displeje a mikrokontroleru Signál MCU port Popis LED_A (LCD_RS) PE4 (out) Řídící signál - pozice (digit) - bit0 LED_B (LCD_EN) PE5 (out) Řídící signál - pozice (digit) - bit1 LED_LE PF2 (out) Signál povolující D-latch obvod a tím i změnu zobrazovaných dat Tabulka 6 - logické propojení řídících signálů LED displeje a mikrokontroleru Jak již bylo popsáno výše, volba pozice (digitu), který má být v daný okamžik aktivní, se provádí signály LED_A a LED_B. Vztah mezi těmito signály a zvoleným digitem popisuje následující tabulka. LED_B (PE5) LED_A (PE4) Zvolená pozice (digit) 0 0 DISP DISP DISP DISP-4 Tabulka 7 - vztah mezi řídícími signály a pozicí LED displeje Jumper JP LEE Tento jumper povoluje/zakazuje celý LED displej. Této funkce lze využít např. v případě, že se zamýšlí používat LCD display, který má některé signály společné s LED displejem. 12 / 26

13 4.13 LCD display LCD display není zapájen ve výukové desce, ale zapojuje se do konektoru CON LCD. Po zapojení fyzicky překrývá LED displej, takže není možné jejich současné používání. S LED displejem také sdílí datové signály - AD[0..7] (PA[0..7]) a řídící signály LCD_RS (LED_A) a LCD_EN (LED_B). Vstupní signál LCD displeje R/W\ je připojen na GND, takže z displeje není možné data vyčítat (to však není nutné). Propojení signálů LCD displeje a vývodů mikrokontroleru popisuje následující tabulka. LCD vývod Signál MCU port Popis D0 AD0 PA0 (out) Datový signál 0 D1 AD1 PA1 (out) Datový signál 1 D2 AD2 PA2 (out) Datový signál 2 D3 AD3 PA3 (out) Datový signál 3 D4 AD4 PA4 (out) Datový signál 4 D5 AD5 PA5 (out) Datový signál 5 D6 AD6 PA6 (out) Datový signál 6 D7 AD7 PA7 (out) Datový signál 7 RS LCD_RS (LED_A) PE4 (out) Řídící signál RS E LCD_EN (LED_B) PE5 (out) Řídící signál E Tabulka 8 - propojení signálů LCD displeje a vývodů mikrokontroleru Kontrast LCD displeje se nastavuje trimrem označeným Contr. Řízení LCD displeje je popsáno v katalogovém listu výrobce řadiče displeje Napěťová reference, jumper JP VREF Velikost výstupního napětí referenčního zdroje, založeného na integrovaném obvodu TLV431, je možné nastavit na tři různé hodnoty pomocí jumperu JP VREF, viz. následující tabulka. Přesnost napětí je dána typem použitých rezistorů (5%). JP VREF Zobrazení Velikost referenčního napětí VREF V V V Tabulka 9 - jumper JP VREF 4.15 Piezo měnič (beeper) Použitý piezo měnič je bez vlastního generátoru a je tedy nutné elektrický signál generovat mikrokontrolerem. To umožňuje produkovat tóny o libovolné frekvenci, kterou měnič dokáže přenést. Měnič je připojen na vývod PB4 mikrokontroleru Krystaly Hlavní krystal Hlavní krystal o velikosti MHz je umístěn v patici, aby jej bylo možné v případě potřeby vyměnit za krystal s jinou frekvencí. 13 / 26

14 RTC krystal Výuková deska obsahuje krystal o velikosti kHz pro použití jako zdroj hodinového signálu interního RTC (real time clock) obvodu mikrokontroleru. Krystal je přímo připojen na vývody TOSC1 a TOSC Tlačítko Reset Tlačítko RESET umožňuje resetování mikrokontroleru Programování mikrokontroleru přes rozhraní ISP či JTAG Mikrokontrolery Atmel řady AVR obsahují FLASH paměť programu a EEPROM paměť dat programovatelné přímo v aplikaci (obvod je možné programovat bez nutnosti jeho vypojení z aplikace a umístění do programátoru). Výuková deska umožňuje sériové programování (low voltage serial downloading, viz. [1]) přes rozhraní ISP a také programování a ladění přes rozhraní JTAG osobním počítačem. Na propojení PC se základovou deskou je nutné použít příslušný programovací kabel. Pro programování přes ISP rozhraní může být použit např. UniProg-USB či Xilinx FPGA, CPLD & Atmel AVR programovací kabel spolu s volně dotupným programem Atmel AVR ISP Programmer, bližší informace na stránkách PKDesign. Pro programování a ladění přes rozhraní JTAG je možné použít např. UniProg-USB (programátor PKDesign) či AVR JTAG ICE (emulátor Atmel) či některý jiný kompatibilní JTAG programátor. Pozor! ISP rozhraní využívá univerzální I/O vývod PB1 (SCK) mikrokontroleru jako řídící signál. Pokud je tento signál používán i na SPI konektoru externím hardwarem, tak je nutné zajistit, aby během programování (a nebo soustavně) byl tento signál používán jako vstup pro externí hardware nikoliv jako výstup z ext. hardware - aby se výstupy nepřetlačovaly. Označení jednotlivých vývodů konektorů programovacího rozhraní ISP a JTAG uvádí tabulky 10 a 11. Zobrazení Vývody ISP Funkce 3 +5V Napájecí napětí pro programovací kabel (+5V) 4 GND Nulový potenciál GND 5 SCK Vstup hodinového signálu 6 MISO Sériový datový výstup 7 MOSI Sériový datový vstup 8 RST\ Resetovací signál 1,2,9, Nezapojeno Tabulka 10 - označení vývodů programovacího rozhraní ISP Zobrazení Vývody JTAG Funkce 4, 7 +5V Napájecí napětí pro programovací kabel (+5V) 2, 10 GND Nulový potenciál GND 1 TCK Vstup hodinového signálu 3 TDO Sériový datový výstup 9 TDI Sériový datový vstup 5 TMS Řídící signál 6 RST\ Resetovací signál Tabulka 11 - označení vývodů programovacího rozhraní JTAG Bližší popis programování pomocí ISP a JTAG lze nalézt v [1]. 14 / 26

15 4.19 Programování mikrokontroleru přes rozhraní USB a bootloader Při programování přes USB rozhraní se využívá tzv. bootloaderu, což je speciální programový kód pro mikrokontroler, umožňující 2 základní funkce: komunikaci s nadřazeným systémem programování vnitřní FLASH a EEPROM paměti Bootloader se obecně umísťuje do speciální části programové paměti, aby při programování nedošlo k jeho poškození přepisem. Z tohoto důvodu mají mikrokontrolery Atmel AVR programovou FLASH paměť rozdělenou na 2 části: aplikační sekce bootloader sekce - zde se ukládá výše zmíněný bootloader Výuková deska je dodávána s naprogramovaným bootloaderem a nastavenými FUSE bity tak, aby uživatel mohl bez jakýchkoliv operací tuto funkci používat. Bootloader pracuje tak, že po resetu mikrokontroleru testuje stav tlačítka č. 1 a pokud je zmáčknuto, je funkce bootloaderu spuštěna, pokud tlačítko není zmáčknuto, začne se provádět aplikační kód od adresy 0x0000 (jako by bootloader nebyl v mikrokontroleru použit). Nahrávání programu do mikrokontroleru se provádí programem Atmel AVR PROG. Tento program je dostupný přímo v balíku Atmel AVR studio a nebo na [2]. Pro správnou funkci programování přes USB je nutné, aby na PC byl nainstalován příslušný ovladač pro obvod FT232, viz. kapitola Instalace ovladačů pro USB rozhraní na PC Postup pro spuštění bootloaderu Zmáčknout a držet tlačítko č. 1. Zmáčknout a uvolnit tlačítko reset. Uvolnit tlačítko č. 1. Pokud je bootloader aktivován, střídavě blikají LED diody 1 a Postup pro nahrávání programu do mikrokontroleru 1) Připojte napájecí napětí výukové desky (přes PwrIn konektor a nebo USB) a propojte desku s PC USB kabelem. 2) Spusťte bootloader (viz. předešlý odstavec). 3) Zkontrolujte, že LED diody 1 a 4 střídavě a rychle blikají. 4) V případě, že jste připojili výukovou desku k PC poprvé, nainstalujte potřebné USB drivery a zkontrolujte, na který COM port byl virtual COM port driver (VCP) nainstalován (vše viz. kapitola Instalace ovladačů pro USB rozhraní na PC ). 5) Spusťte program AVR PROG - ten je možné najít např. v adresáři AVR Studia (.\AVR Tools\AvrProg\AvrProg.exe) a nebo jej spustit z menu AVR Studia (Tools AVR Prog...). 6) Pokud se zobrazí chybová hláška (viz. následující obrázek), tak je pravděpodobně virtual COM port, přes který se výuková deska připojuje, nastaven na hodnotu větší než 4 (AVR PROG umožňuje komunikaci pouze s porty COM1-COM4). Ověření a nastavení jiného COM portu je popsána v kapitole Instalace ovladačů pro USB rozhraní na PC. 15 / 26

16 7) V případě, že je vše v pořádku, zobrazí se okno AVR PROGu. Tlačítkem Browse zvolte soubor s programem, který chcete do výukové desky zapsat. 8) V tuto chvíli je již vše připravené k naprogramování zvoleného programu do výukové desky. Zmáčkněte tlačítko Program v sekci Flash. 9) V případě, že během programování nenastala žádná chyba, zobrazí se nad pruhem indikujícím průběh programování hláška Erasing Device... Programming... Verifying... OK (na obrázku znázorněno modře). 10) Po dokončení programování je možné program v mikrokontroleru spustit buďto zmáčknutím tlačítka Exit v programu AVR PROG a nebo zmáčknutím tlačítka Reset na výukové desce. Spuštění tlačítkem Reset je výhodnější, protože AVR PROG zůstane v pohotovostním stavu - při dalším programování stačí jen zmáčknout tlačítko Program. 16 / 26

17 4.20 Instalace ovladačů pro USB rozhraní na PC Kapitola popisuje instalaci ovladačů (drivers) pouze pro operační systém Windows XP, pro ostatní operační systémy je postup obdobný. Originální postupy v angličtině pro instalaci ovladačů pro všechny operační systémy Windows, ale i Linux je možné najít na stránkách firmy FTDI - Před samotnou instalací je nutné ovladače stáhnout a to buď z [2] a nebo přímo z internetové stránky firmy FTDI Při prvním připojení výukové desky přes USB k PC je nutné nainstalovat příslušné ovladače do operačního systému. Po instalaci je vhodné zkontrolovat, na kterém virtuálním COM portu (VCP) bude výuková deska přístupná, protože program Atmel AVR PROG, který se pro programování používá, pracuje pouze s COM porty 1 až 4. Postup instalace a nastavení je následující: 1) Připojte EVMS-mega128 k PC kabelem USB. Po chvíli operační systém Windows XP detekuje nově připojené zařízení a zobrazí v hlášku Nalezen nový hardware. 2) Po chvíli se zobrazí okno Průvodce nově rozpoznaným hardwarem. Zde zvolte Ne, nyní ne a zmáčkněte tlačítko Další. 3) V dalším okně zvolte Instalovat ze seznamu či daného umístění (pro zkušené uživatele) a zmáčkněte tlačítko Další. 17 / 26

18 4) V dalším okně zvolte zaškrtávací políčka podle obrázku (vyznačeno červeně) a zvolte pomocí tlačítka Procházet (označeno modře) adresář, ve kterém máte připravené ovladače (označen zeleně). 5) Poté dojde k nainstalování první části ovladačů ovladače k zařízení USB Serial Converter. Zmáčkněte tlačítko Dokončit. 6) Po chvíli Windows XP z detekuje druhou část připojeného zařízení a zobrazí v hlášku Nalezen nový hardware. 7) Za okamžik se zobrazí okno Průvodce nově rozpoznaným hardwarem. Zde zvolte Ne, nyní ne a zmáčkněte tlačítko Další. 18 / 26

19 8) V dalším okně zvolte Instalovat ze seznamu či daného umístění (pro zkušené uživatele) a zmáčkněte tlačítko Další. 9) V dalším okně zkontrolujte, že adresář je stejný jako při instalaci první části ovladačů a zmáčkněte tlačítko Další. 10) Poté dojde k nainstalování druhé části ovladačů ovladače k zařízení USB Serial Port virtuální COM port. Zmáčkněte tlačítko Dokončit. 11) Po chvíli Windows XP oznámí, že ovladače byly v pořádku nainstalovány a zobrazí v hlášku Nalezen nový hardware Nový hardware je nainstalován a připraven k použití. 19 / 26

20 12) Tímto byla instalace ukončena a teď je možné zkontrolovat, na kterém virtuálním COM portu (VCP) bude výuková deska přístupná. Klikněte pravým tlačítkem myši na ikonu Tento počítač (zobrazeno na levém obrázku) a zvolte Vlastnosti (zobrazeno na pravém obrázku). 13) Zobrazí se okno Vlastnosti systému, klikněte na záložku Hardware a pak na tlačítko Správce zařízení. 14) Zobrazí se okno Správce zařízení, zde vidíte po rozbalení položky Porty (COM a LPT) číslo COM portu, na kterém je výuková deska přístupná jedná se o položku USB Serial Port (COMx). Pokud je číslo COM portu vyšší než 4, dvoj-klikněte na položku USB Serial Port (COMx) a postupujte podle dalších bodů. V jiném případě již pokračovat není potřeba. 15) Po zobrazení okna USB Serial Port (COMx) vlastnosti klikněte na záložku Port Settings a pak na tlačítko Advanced. 20 / 26

21 16) V okně Advanced Settings for COMx změňte COM port na hodnotu 1 4 (vyznačeno červeně). Při výběru mějte na paměti, že se zvolená hodnota nesmí být shodná s jiným zařízením. Je také možné změnit Latency time pro mírné zrychlení komunikace (vyznačeno zeleně). Změny potvrďte tlačítkem OK. 17) Změny se projeví teprve až po odpojení a následném připojení výukové desky k PC a můžete je opět zkontrolovat v okně Správce zařízení. Tím je kontrola a nastavení virtuálního COM portu ukončena. 21 / 26

22 5 Literatura [1]... Atmel, technická dokumentace ATmega128-8-bit AVR microcontroller, dostupná na [2]... PKDesign, 6 Historie verzí dokumentace Verze dokumentu / datum v1.0 / Změny Vytvoření výchozí verze dokumentace 22 / 26

23 Přílohy Schéma zapojení Rozměry plošného spoje 23 / 26

24 24 / 26

25 25 / 26

26 EVMS-mega128 v1.0 Výuková deska s mikrokontrolerem ATmega128 Uživatelský manuál (verze dokumentace v1.0) pkdesign@seznam.cz / 26