David Matoušek PRÁCE S MIKROKONTROLÉRY ATMEL AVR ATmega16 4. díl Praha 2006

Komerèí využití stavebích ávodù je povoleo je s písemým souhlasem autora a akladatelství. Soubory a CD ROM mající pøímo vztah ke kize, které vytvoøil sám autor (tj. obsah adresáøù PROGRAMY, SDKATM16 a SPOJE), ejsou volì šiøitelé a vztahují se a ì autorská práva. * * * Pøed edávem rovìž vyšel podrobý stavebí ávod a vývojový kit USBmegaKIT [7], který je urèe k pøipojeí a sbìrici USB, zatímco v této kize je verze pøipojitelá a sériový port poèítaèe (COM). To je hlaví vlastost, ve které se oba kity zásadì liší. Bližší iformace ajdete a stráce 16. David Matoušek PRÁCE S MIKROKONTROLÉRY ATMEL ATmega16 4. díl Bez pøedchozího písemého svoleí akladatelství esmí být kterákoli èást kopírováa ebo rozmožováa jakoukoli formou (tisk, fotokopie, mikrofilm ebo jiý postup), zadáa do iformaèího systému ebo pøeášea v jié formì èi jiými prostøedky. Autor a akladatelství epøejímají záruku za správost tištìých materiálù. Pøedkládaá zapojeí a iformace jsou zveøejìy bez ohledu a pøípadé patety tøetích osob. Nároky a odškodìí a základì zmì, chyb ebo vyecháí jsou zásadì vylouèey. Veškerá práva vyhrazea. Ig. David Matoušek, 2006 Nakladatelství BEN techická literatura, Vìšíova 5, Praha 10 David Matoušek: Práce s mikrokotroléry Atmel ATmega16 BEN techická literatura, Praha 2006 1. vydáí ISBN 80-7300-174-8

OBSAH O KNIZE... 10 ÚVOD... 11 1.1 Základí pojmy termiologie... 12 1.2 Stadardí registry a jejich výzam... 15 1.3 Døíve ež zaèete stavìt aeb porováí vývojových kitù... 16 2 ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI MIKROKONTROLÉRU ATMEGA16... 17 2.1 Mutace a pouzdra... 19 2.2 Struèý popis vývodù... 21 2.3 Systémové hodiy a volby sychroizace... 22 2.3.1 Zdroje sychroizace clk CPU... 23 2.3.2 Výchozí zdroj hodi... 23 2.3.3 Krystalový oscilátor... 23 2.3.4 Nízkofrekveèí krystalový oscilátor... 24 2.3.5 Vìjší RC oscilátor... 25 2.3.6 Kalibrovaý vitøí RC oscilátor... 26 2.3.7 Vìjší hodiy... 27 2.3.8 Oscilátor asychroího èítaèe/èasovaèe... 28 2.4 AVR architektura... 28 2.5 Programováí mikrokotroléru ATmega16... 31 2.5.1 Pamì ové zámky... 31 2.5.2 Propojky... 32 2.5.3 Sigatura... 34 2.5.4 Možé zpùsoby programováí... 34 2.5.5 Sériový dowload... 34 2.6 Charakteristické a mezí údaje... 38 2.7 Struèý pøehled dalších oviek... 39 2.7.1 JTAG a ladìí pøímo a èipu... 39 2.7.2 Boudary-sca... 40 2.7.3 Boot Loader... 40 3 SDKATM16 PROGRAMÁTOR A VÝVOJOVÝ KIT PRO ATMEGA16... 41 3.1 Myšleka platformy SDK Programátor a vývojový kit v jedom!... 42 3.2 Schéma zapojeí... 42 3.3 Plošý spoj... 44 A D. MATOUŠEK: Práce s mikrokotroléry Atmel ATmega16 3

3.4 Koektory a kabely... 46 3.4.1 Datové koektory... 46 3.4.2 Propojovací kablíky... 46 3.4.3 Propojovací kabel... 47 3.5 Oživeí... 47 3.6 Komplexí programátor SDKATM16... 48 4 PROGRAMÁTORSKÝ MODEL MIKROKONTROLÉRU ATMEGA16... 51 4.1 Rozdìleí pamì ového prostoru... 52 4.2 Úvodí popis registrù... 53 4.2.1 Registrové pole (Register File)... 53 4.2.2 Ukazatele (poitery)... 53 4.2.3 Vstupì/výstupí registry (I/O Memory)... 54 5 INSTRUKÈNÍ SOUBOR... 59 5.1 Operady istrukcí... 60 5.1.1 Základí pojmy... 60 5.1.2 Pøímé adresováí jedoho registru... 60 5.1.3 Pøímé adresováí dvou registrù... 61 5.1.4 Pøímé adresováí vstupì/výstupího registru... 61 5.1.5 Pøímé adresováí dat... 62 5.1.6 Nepøímé adresováí dat... 62 5.1.7 Nepøímé adresováí dat s posuutím... 63 5.1.8 Nepøímé adresováí dat s pre-dekremetem... 63 5.1.9 Nepøímé adresováí dat s post-ikremetem... 64 5.1.10 Adresováí kostat uložeých v pamìti programu (istrukce LPM)... 64 5.1.11 Nepøímé adresováí pamìti programu (istrukce IJMP ebo ICALL)... 65 5.1.12 Relativí adresováí pamìti programu (istrukce RJMP ebo RCALL)... 65 5.1.13 Zkráceé relativí adresováí pamìti programu (podmíìé skoky)... 66 5.2 Typy skokù... 67 5.3 Zavedeé symboly... 67 5.4 Pøesuy dat... 68 5.5 Bitové operace... 71 5.6 Skoky a pøeskoky... 73 5.7 Istrukce pro podporu podprogramù... 76 5.8 Logické operace... 77 5.9 Aritmetické operace... 78 5.10 Porovávací istrukce... 82 5.11 Zvláští istrukce... 83 4 D. MATOUŠEK: Práce s mikrokotroléry Atmel ATmega16 A

5.12 Rozšíøeý istrukèí soubor... 83 5.12.1 Nové techiky adresováí... 83 5.12.2 Nové istrukce... 84 6 AVR ASSEMBLER... 89 6.1 Základí pojmy pøi práci s AVR 3.1... 90 6.1.1 Symboly... 90 6.1.2 Návìští... 90 6.1.3 ASCII literály... 91 6.1.4 Kometáø... 91 6.1.5 Lokaèí èítaè programového segmetu (PC)... 91 6.1.6 Èísla a operátory... 92 6.2 Direktivy AVR 3.1... 94 6.2.1 Základí direktivy... 94 6.2.2 Práce s makry... 97 6.2.3 Øízeí výpisu pøekladu... 98 6.3 Co ajdete v souboru M16DEF.INC... 99 7 ZÁKLADY POUŽÍVÁNÍ VSTUPNÌ/VÝSTUPNÍCH PORTÙ... 113 7.1 Popis vstupì/výstupího portu... 114 7.1.1 Úvodí iformace... 114 7.1.2 Porty jako obecé vstupy/výstupy... 115 7.1.3 Alterativí fukce portù... 119 7.2 Pøípravek AT8LED... 119 7.2.1 Rozbor øešeí... 119 7.2.2 Plošý spoj... 120 7.2.3 Prví pøíklad: PROG_01 bìžící svìtlo (pøíklad eje pro zaèáteèíky!!!)... 121 7.3 Pøípravek ATLCDTX2... 129 7.3.1 Obecý úvod... 129 7.3.2 Popis komuikace... 129 7.3.3 Pøípravek ATLCDTX2... 132 7.3.4 Obslužé rutiy pro pøípravek ATLCDTX2... 135 7.3.5 PROG_02 Aimace textu a LCD displeji... 139 8 RESET A PØERUŠENÍ... 143 8.1 Výzaèé adresy... 144 8.2 Zdroje resetu... 145 8.2.1 Power-o Reset... 146 8.2.2 Vìjší reset... 146 8.2.3 WDT reset... 147 8.2.4 Brow-out Reset... 149 8.2.5 Registr MCUSR (MicroCotroller Uit Cotrol ad Status Register)... 150 A D. MATOUŠEK: Práce s mikrokotroléry Atmel ATmega16 5

8.3 Obsluha pøerušeí... 151 8.3.1 Registr SREG... 151 8.3.2 Vìjší vstupy pøerušeí INT0 až INT2... 152 8.3.3 Èasová odezva pøerušeí... 153 8.4 Pøíklad použití vìjšího pøerušeí INT0... 154 8.5 Popis pøípravku ATIKBD... 154 8.5.1 PROG_03 použití pøípravku ATIKBD a pøerušeí... 157 9 SÉRIOVÝ KANÁL SPI... 161 9.1 SPCR øídicí registr SPI kaálu... 164 9.2 SPSR stavový registr SPI kaálu... 165 9.3 SPDR datový registr SPI kaálu... 165 9.4 MCP4921 D/A pøevodík s SPI sbìricí... 165 9.5 Pøípravek ATSPIDAC... 167 9.6 PROG_04 Pøíklad použití SPI kaálu... 168 10 ZABUDOVANÝ A/D PØEVODNÍK... 171 10.1 Operace... 173 10.2 Start pøevodu... 174 10.3 Pøeddìlièka a èasováí pøevodu... 175 10.4 Difereèí kaály... 176 10.5 Zmìa kaálu ebo refereèího zdroje... 176 10.6 Fukce potlaèovaèe šumu... 177 10.7 Techika sížeí šumu... 177 10.8 Výsledek A/D pøevodu... 178 10.9 Øídicí registry... 179 10.10 Pøípravek ATSVORKY+... 183 10.11 PROG_05 Pøíklad použití A/D pøevodíku... 184 11 ÈÍTAÈ/ÈASOVAÈ 0... 191 11.1 Základí pojmy spojeé s èítaèi/èasovaèi... 192 11.2 Úvodí popis... 192 11.3 Pracoví režimy... 195 11.3.1 Normálí režim... 195 11.3.2 CTC Clear Timer o Compare Match... 195 11.3.3 Rychlý PWM režim... 196 11.3.4 Fázovì korigovaý PWM režim... 197 11.4 Registry èítaèe/èasovaèe 0... 198 6 D. MATOUŠEK: Práce s mikrokotroléry Atmel ATmega16 A

11.5 Pøeddìlièky pro èítaèe/èasovaèe 0 a 1... 201 11.6 Pøíklady použití èítaèe/èasovaèe 0... 202 11.6.1 PROG_06 Pøíklad použití režimu CTC... 202 11.6.2 Pøípravek ATDIPSW2... 204 11.6.3 PROG_07 Pøíklad použití režimu PWM... 205 12 ÈÍTAÈ/ÈASOVAÈ 1... 207 12.1 Úvodí popis... 209 12.2 Pracoví režimy... 212 12.2.1 Normálí režim... 212 12.2.2 CTC Clear Timer o Compare Match... 213 12.2.3 Rychlý PWM režim... 214 12.2.4 Fázovì korigovaý PWM režim... 215 12.2.5 Fázovì a kmitoètovì korigovaý PWM režim... 217 12.3 Registry èítaèe/èasovaèe 1... 219 12.4 Pøíklad PROG_08 Mìøeí kmitoètu... 224 13 ÈÍTAÈ/ÈASOVAÈ 2... 229 13.1 Úvodí popis... 230 13.2 Pracoví režimy... 233 13.2.1 Normálí režim... 233 13.2.2 CTC Clear Timer o Compare Match... 233 13.2.3 Rychlý PWM režim... 234 13.2.4 Fázovì korigovaý PWM režim... 235 13.3 Registry èítaèe/èasovaèe 2... 236 13.4 Pøeddìlièka pro èítaè/èasovaè 2... 241 14 ZABUDOVANÝ ANALOGOVÝ KOMPARÁTOR... 243 14.1 Registr SFIOR... 244 14.2 Registr ACSR... 245 14.3 Pøíklad PROG_09 Mìøeí odporu... 246 15 ROZHRANÍ TWI (I 2 C)... 253 15.1 Defiice TWI... 254 15.2 Pøeos dat a formát rámce... 256 15.3 Úvod do TWI modulu... 257 15.4 Popis registrù spojeých s TWI... 259 15.5 Použití TWI... 262 15.6 Pøeosové režimy... 264 A D. MATOUŠEK: Práce s mikrokotroléry Atmel ATmega16 7

15.7 Obvod TC1320... 265 15.8 Pøípravek ATTC1320... 267 15.9 Pøíklad PROG_10... 269 16 JEDNOTKA USART... 273 16.1 Základí vlastosti... 274 16.2 Geerátor hodi... 276 16.3 Formát rámce... 277 16.4 Iicializace jedotky USART... 278 16.5 Vysíláí dat USART vysílaè... 279 16.6 Pøijímáí dat USART pøijímaè... 281 16.7 Pøíjem asychroích dat... 284 16.8 Víceprocesorový komuikaèí režim... 286 16.9 Pøístup k registrùm UBRRH a UCSRC... 288 16.10 Popis registrù jedotky USART... 288 16.11 Pøíklady... 292 16.11.1 PROG_11 sériová komuikace s klávesicí ATIKBD... 292 16.11.2 Pøípravek ATRS232+... 294 16.11.3 PROG_12 ovládáí pøípravkù AT8LED a ATDIPSW2 z poèítaèe... 297 16.11.4 PROG_13 impulzí geerátor ovládaý poèítaèem... 299 17 ZBÝVAJÍCÍ RYSY MIKROKONTROLÉRU ATMEGA16... 305 17.1 Režimy sížeé spotøeby... 306 17.2 Miimalizace spotøeby... 308 17.3 Zabudovaá E 2 PROM... 310 17.4 Pøístup do E 2 PROM... 310 17.5 Registry pro práci s E 2 PROM... 310 17.6 Prevece poškozeí obsahu E 2 PROM... 312 17.7 PROG_14 použití režimu redukce šumu pro A/D... 312 LITERATURA... 316 NABÍDKA PØÍPRAVKÙ... 316 PØEHLED PØÍPRAVKÙ ATMEL... 317 PLOŠNÉ SPOJE... 317 8 D. MATOUŠEK: Práce s mikrokotroléry Atmel ATmega16 A

CO NAJDETE NA DOPROVODNÉM CD-ROM Doprovodé CD-ROM obsahuje všechy iformace potøebé pro sadou práci s kihou. Tyto iformace lze rozdìlit do logických celkù, které se acházejí v oddìleých adresáøích: adresáø ATMEL obsahuje ásledující programy, které byly stažey ze stráek firmy Atmel (http://www.atmel.com/dy/products/tools_card.asp?tool_id=2725): AVR LCD Visualizer (2/2004), cca 1 MB AVR studio v. 3.56 (starší verze), cca 7,5 MB AVR studio v. 4.12 (build 460, 11/2005), cca 50 MB, AVR studio v. 4.12 service pack 1 (1/2006), cca 10 MB, doprovodá dokumetace v PDF (aglicky) adresáø BEN obsahuje pøehled vydaých kih a CD akladatelství BEN techická literatura (aktualizováo k poèátku úora 2006), jejichž souèástí je poèítaèová verze tištìého katalogu Edièího pláu zima 2005/2006, adresáø DATASHEET obsahuje ezbytou origiálí dokumetaci ve formátu PDF. Najdete zde též samorozbalitelý archiv programu Adobe Acrobat Reader v ìkolika verzích, který slouží k prohlížeí PDF souborù, adresáø FOTO obsahuje, jak sám ázev apovídá, fotografie hotových pøípravkù. Každý byl afoce z ìkolika pohledù, aby byla lépe dokumetováa jejich možá stavba, Do shodého adresáøe jsme umístili trial verzi prohlížeèe ACDSee stažeou z Iteretu (http://www.acdsystems.com): ACDSee Classic (velikost istalaèího souboru cca 1,6 MB, miimálí požadavky Widows 95/98/Me/NT4/2000/XP, PC 486DX s 32 MB RAM, režim grafického adaptéru s 256 barvami, 4 MB volého místa a pevém disku, vhodý Iteret Explorer 4.0 ebo pozdìjší). Tip: pokud se vám fotografie zdají pøíliš tmavé, aktivujte ve vašem prohlížeèi Gamma korekci a hodotu apø. 1.50 (optimálí hodota závisí a astaveí vašeho grafického subsystému). adresáø PROGRAMY obsahuje zdrojové i pøeložeé formy všech programù realizovaých v kize. Programy ejsou volì šiøitelé, adresáø SDKATM16 obsahuje pøedevším ovládací aplikaci programátoru obvodù ATmega16 (SDKATM16.EXE) a také program pro oživeí programátoru (RSDEBUG.EXE), adresáø SPOJE obsahuje klišé plošých spojù všech pøípravkù popsaých v kize ve formátu TIF a avíc ve zdrojovém formátu BRD programu EAGLE v. 2.61, aby si èteáøi pøípadì mohli plošé spoje upravit podle vlastích pøedstav. Nìkteré spoje jsme ještì v redakci dodateèì upravovali (úprava kritických vzdáleostí, ), takže fiálí verze je uložea pouze ve formátu TIF (je shodá s klišé otištìými v kize), Programy ejsou volì šiøitelé. A D. MATOUŠEK: Práce s mikrokotroléry Atmel ATmega16 9

O KNIZE Kiha je zamìøea a popis mikrokotroléru ATmega16 vèetì ètrácti zajímavých aplikací. Øada iformací je použitelá i pro jié mikrokotroléry typu AVR. V úvodu jsou krátce vysvìtley základí pojmy mikroprocesorové techiky. Následuje druhá kapitola, která uvádí základí vlastosti mikrokotroléru ATmega16 vèetì popisu sériového dowloadu (programováí pøímo v avrhovaém systému). Tyto pozatky jsou zužitkováy ve tøetí kapitole, která popisuje kostrukci programátoru spojeého s vývojovým kitem (pro programováí a testováí postaèí jediá deska plošých spojù). Souèástí kihy je i oživovací program tohoto programátoru. Takže oživeí zvláde i zaèáteèík! Ètvrtá kapitola vysvìtluje pojmy spojeé s pamìtí programu resp. dat a popisuje základí registry mikrokotroléru. Pátá kapitola uvádí istrukèí soubor a šestá kapitola uvádí možosti assembleru. Sedmá kapitola popisuje chováí portù PA až PD a uvádí základí aplikace (pøipojeí osmi LED, pøipojeí LCD displeje). Osmá kapitola popisuje pøerušovací systém mikrokotroléru. Jeho použití je ukázáo a komuikaci modulu ATIKBD (iteligetí maticová klávesice 4 4 s geerací pøerušeí, kód klávesy vystavuje a paralelí sbìrici a také vysílá sériovou likou). Devátá kapitola je vìováa obvodùm se sbìricí SPI. Pro popis byl vybrá obvod MCP4921 (12bitový D/A pøevodík). Desátá kapitola je vìováa popisu zabudovaého A/D pøevodíku ve spojitosti s LCD displejem (LCD displej zobrazuje pøevedeý údaj). Kapitoly 11 až 13 uvádí vlastosti èítaèù/èasovaèù 0 až 2 a doplòují základí pøíklady jejich použití (odmìøeí itervalu, PWM regulace, mìøeí vìjšího kmitoètu). Ètráctá kapitola ukazuje použití zabudovaého aalogového komparátoru pro mìøeí odporu. Patáctá kapitola je vìováa obvodùm se sbìricí TWI (I 2 C). Pro popis byl vybrá obvod TC1320 (8bitový D/A pøevodík). Šestáctá kapitola se vìuje použití zabudovaého sériového portu. Je uvedeo pøipojeí mikrokotroléru k sériovému portu poèítaèe. Je ukázáa komuikace pøípravku ATIKBD po sériové lice a dva pøíklady øízeí mikrokotroléru programem, který bìží a PC. Sedmáctá kapitola uvádí pokroèilé schoposti mikrokotroléru ATmega16 jako jsou: øízeí spotøeby a ovládáí zabudovaé pamìti EEPROM. Je ukázáo použití A/D pøevodíku v režimu redukce šumu. Kiha rovìž obsahuje popis kostrukce pøípravkù (vèetì desek plošých spojù) všech publikovaých pøíkladù. Doprovodý CD ROM obsahuje klišé plošých spojù pøípravkù, ezbyté datasheety (katalogové listy), zkompilovaé a zdrojové kódy všech publikovaých pøíkladù. 10 D. MATOUŠEK: Práce s mikrokotroléry Atmel ATmega16 A

1.3 DØÍVE NEŽ ZAÈNETE STAVÌT ANEB POROVNÁNÍ VÝVOJOVÝCH KITÙ Porováí vývojových kitù SDKATM16 a USBmegaKIT Pro programováí mikrokotrolérù ATmega16 byly vytvoøey dva vývojové kity. Každý z kitù má jié vlastosti, pro které byl kostruová. Oba vývojové kity používají k ovládáí podobì sestaveé programy (programovací soubory v geerickém ebo Itel Hex formátu; možost astaveí propojek a programováí E 2 PROM). Základí vlastosti SDKATM16: pøipojeí k sériovému portu (použitelé pro poèítaèe s operaèím systémem poèíaje Widows 95), jedoduchá a levá kostrukce, sadé oživeí bìžì dostupými mìøicími pøístroji, apájeí z vìjšího zdroje 9 V (a jedé straì utost použít vìjší zdroj; a druhé straì eí odbìr limitová poèítaèem), ovládací program SDKATM16.EXE. Základí vlastosti USBmegaKIT: pøipojeí k USB (použitelé pro poèítaèe s operaèím systémem poèíaje Widows 98, které dispoují USB porty), komplikovaìjší a dražší kostrukce, komplikovaìjší oživeí (lze ale vystaèit s bìžì dostupými mìøicími pøístroji), apájeí pøímo z poèítaèe pøes USB (a jedé straì vystaèíme s jediým kabelem pro øízeí i apájeí flexibilí použití, jedoduché pøipojeí k poèítaèi; a druhé straì je odbìr limitová maximálí hodotou 500 ma pro vìtšiu pøípravkù postaèí), ovládací program USBmegaKIT.EXE. Z uvedeých vlastostí vyplývá, že vývojový kit SDKATM16 je vhodý pøedevším pro zaèáteèíky (jedodušší a levìjší kostrukce). Vývojový kit USBmegaKIT je urèe pro pokroèilejší použití (promyšleìjší a tedy i komplikovaìjší a dražší kostrukce). 16 D. MATOUŠEK: Práce s mikrokotroléry Atmel ATmega16 A