Einführung in die Programmierung von Mikrocontrollern mit C/C++

Transkript

1 Einführung in die Programmierung von Mikrocontrollern mit C/C++ Vorlesung Prof. Dr.-Ing. habil. G.-P. Ostermeyer

2 Rechenleistung/Speicher Systemintegration Grundlagen der Mikrocontrollertechnik (Wiederholung) Single-Chip-Computer Prozessor (kurz CPU) Programm- und Datenspeicher Peripheriekomponenten Technische Daten Takt: bis 6 MHz Flash: 8 kbyte SRAM: kbyte EEPROM: 52 Byte I/O-Ports: 23 Timer/Counter: 3 Interrupts: 9 usw. Mikrocontroller 8-Bit Embedded-Systems 6- bzw. 32-bit Desktop Computer 32- bzw. 64-bit Atmega 8 der Firma Atmel 2

3 Grundlagen der Mikrocontrollertechnik (Wiederholung) Mehrfachbelegung von Pins und Peripheriekomponenten Pins für die Minimalbeschaltung Spannungsversorgung Referenzspannung Taktgeber Reset Primärfunktion eines Pins Ein- bzw. Ausgang Sekundärfunktion des Pins A/D-Wandlereingang Ext. Interrupt PBM-Ausgang usw. Atmega 8 der Firma Atmel 3

4 Grundlagen der Mikrocontrollertechnik (Wiederholung) Aufteilung des Speichers (Harvard-Architektur) Atmega 8 der Firma Atmel Konfiguration der Peripheriekomponenten 4

5 Grundlagen der Mikrocontrollertechnik Konfiguration der Peripheriekomponenten im Registerfeld Manual Seite 287ff Register-Bezeichnung Register: x7 Bit 5 Bit-Bezeichnung Register: DDRB Bit: PINB5 Einbinden der erforderlichen Bibliothek mit #include <avr/io.h> 5

6 Grundlagen der Mikrocontrollerprogrammierung Bitmanipulation zur Konfiguration der Peripheriekomponenten im Registerfeld Operationen erfolgen auf Basis der booleschen Algebra (UND, ODER, XODER, NICHT) und Bitverschiebungen Vorgehen:. Erzeugen einer Bitmaske ((<<2) (<<4)) = b 2. Verändern des/der markierten Bits Var = b a. Setzen: Var = ((<<2) (<<4)) Var = b b. Löschen: Var &= ~((<<2) (<<4)) Var = b c. Wechseln: Var ^= ((<<2) (<<4)) Var = b 3. Auslesen eines Bits in einem Register Reg = b Auslesen: Erg = Reg & (<<2) Erg = b Auslesen: Erg2 = Reg & (<<5) Erg2 = b 6

7 Grundlagen der Mikrocontrollerprogrammierung Konfiguration von Ein- und Ausgängen Port B Port C Port D Register Bedeutung Zustände DDRx Datenrichtungsregister Pin ist Eingang (default) Pin ist Ausgang PINx Einleseregister Eingang liegt auf Low-Pegel (wenn Pin eine Eingang ist) Eingang liegt auf High-Pegel PORTx Ausgangsregister Wenn Pin Ausgang: (Funktion abhängig davon Ausgang auf Low-Pegel setzen (default) ob der Pin ein Ein- oder Ausgang auf High-Pegel setzen Ausgang ist) Wenn Pin Eingang: ohne Pull-Up Wiederstand (default) mit Pull-Up Wiederstand 7

8 Grundlagen der Mikrocontrollerprogrammierung Konfigurationsbeispiel von Ein- und Ausgängen Ausgang: //Pin 3 und 6 an Port B als Ausgang definieren DDRB = ((<<DDB3) (<<DDB6)); PORTB = (<<PORTB3); // Pin B3 auf High-Pegel PORTB &= ~(<<PORTB6); // Pin B6 auf Low-Pegel Eingang: //Pin und 5 an Port D als Eingangdefinieren DDRD &= ~((<<DDD) (<<DDD5)); PORTD = (<<PORTD); // Pull-Up Widerstand zuschalten PORTD &= ~(<<PORTD5); // Pull-Up Widerstand abschalten // Auslesen des Zustands von Pin bzw. 5 Erg = PIND & (<<PIND); Erg2 = PIND & (<<PIND5); 8

9 Grundlagen der Mikrocontrollerprogrammierung Gängige Datentypen auf der Basis von 8 Bit ( Byte) Typ Vorzeichen Alternative Bezeichnung Größe in Bit Wertebereich char signed unsigned int8_t uint8_t bis 27 bis 255 short signed unsigned int6_t uint6_t bis bis long signed unsigned int32_t uint32_t bis bis long long signed unsigned int64_t uint64_t bis bis Darstellung von Werten im Quellcode Dezimalschreibweise: Binärschreibweise: b b Hexadezimalschreibweise: x3 7 x 5 D ASCII-Zeichen: 7 9

10 Grundlagen der Mikrocontrollerprogrammierung Grundstruktur eines Mikrocontrollerprogramms #define F_CPU 36864UL Allgemeine Definitionen #include <avr/io.h> Einbinden von Bibliotheken // Das Hauptprogramm int main(void){ //-> Einmalige Anweisungen // Endlosschleife while(){ Hauptprogramm Anweisungen die einmalig zu Beginn des Programmablaufs ausgeführt werden } //-> Sich wiederholende // Anweisungen } // Rückgabewert return ; Anweisungen die zyklisch abzuarbeiten sind Durch die Definition des ANSI-C Standard notwendige Anweisung (keine Funktion)

11 Überblick der Peripheriekomponenten Peripheriekomponenten I/O-Ports Primärfunktion der Pins (Ein- und Ausgänge) A/D-Wandler (Einlesen von analogen Spannungen) Timer/Counter (Zeitintervall-/PBM-Generator) Interrupts (Programmunterbrechungsroutinen) USART, I2C/TWI und SPI (Kommunikationsschnittstellen) Watch-Dog (Absicherung gegen Systemfehler) ISP (Schnittstelle zum Übertragen des kompilierten Programms) Atmega 8 der Firma Atmel

12 Peripheriekomponenten Interrupt Implementieren einer Interruptroutine (kurz ISR) Ein IRQ (Interrupt Request) meldet ein Ereignis und führt, wenn vorhanden, die zugehörige ISR (Interrupt Service Routine) aus. Hauptprogramm Ereignis (kurz IRQ) Interruptroutine Mögliche quellen eines Ereignisses: Ein entsprechender Eingang wechselt den Zustand (z.b. Schalter) Eine Zählervariable läuft über (z.b. Timer/Counter Variable) Der Analog/Digital-Wandler hat eine Messung abgeschlossen usw. Liste aller Interruptquellen im Manual Seite 46 2

13 Peripheriekomponenten Interrupt Externe Ereignisse werden über eine Pegeländerung an speziellen Eingängen erfasst. Erfassbare Zustände:. Low Pegel 2. steigende Flanke 3. fallende Flanke 4. beide Flanken Atmega 8 der Firma Atmel 3

14 Peripheriekomponenten Interrupt Externe Ereignisse werden über eine Pegeländerung an speziellen Eingängen erfasst. Atmega 68 der Firma Atmel Atmega 8 der Firma Atmel Erfassbare Zustände:. Low Pegel 2. steigende Flanke 3. fallende Flanke 4. beide Flanken 4

15 Peripheriekomponenten Interrupt Konfiguration eines externen Interrupts Register Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit Bit MCUCR GICR SE INT SM2 INT SM - SM - ISC - INT ISC - ISC INT ISC IVSEL IVCE MCUCR Konfiguration des Auslösers eines Interrupts (x = [,]) ISCx ISCx Beschreibung Wenn Pegel auf Low Bei einer beliebige Pegeländerung Bei einer fallenden Flanke Bei einer steigenden Flanke GICR Aktivieren des externen Interrupts INTx 5

16 Peripheriekomponenten Interrupt Konfigurationsbeispiel eines externen Interrupts #include <avr/interrupt.h> DDRD &= ~(<<DDB3); // Pin 3 Port D als Eingang definieren PORTD = (<<PORTD3); // Pull-Up Widerstand zuschalten MCUCR = (<<ISC); // Interrupt reagiert auf MCUCR &= ~(<<ISC); // eine fallende Flanke GICR = (<<INT); sei(); // aktiviert den Interrept // globaler Schalter für // alle Interrupts // Interrupt-Routine (ISR) von INT ISR(INT_vect){ } //-> Anweisungen 6

17 TCNTx Peripheriekomponenten Timer/Counter Zählervariable (Counter) TCNTx-Register Zähler max Timer Overflow IRQ (TIMERx_OVF_vect) t overflow Zeit 8 Bit Timer/Counter c max = Bit Timer/Counter c max = Der Zähler wird automatisch vom Prozessor inkrementiert Zeitintervall: t f CPU t overflow f CPU c max bei f cpu = MHz 8 Bit t overflow = 7µsec 6 Bit t overflow = 8msec 7

18 TCNTx Peripheriekomponenten Timer/Counter Reduktion des Zählintervalls durch einen Vorteiler Zähler max f count f CPU Prescaler mögliche Prescaler:, 8, (32), 64, (28), 256, 24 t overflow Zeit Reduktion der Zählfrequenz t durch einen Vorteiler Zeitintervall: t Prescaler f CPU t overflow Prescaler f CPU c max bei f cpu = MHz und Prescaler = 24 8 Bit t overflow = 7msec 6 Bit t overflow = 8sec 8

19 TCNTx Peripheriekomponenten Timer/Counter Zählervariable manuell einen Wert zuweisen Zähler max 8 Bit Timer/Counter [, 255] TCNTx = Preloadvalue_8Bit t overflow Preload Zeit 6 BitTimer/Counter [, 65535] TCNTxH = Preloadvalue_8Bit TCNTxL = Preloadvalue_8Bit oder TCNTx = Preloadvalue_6Bit Einstellen der Dauer t overflow bis zum Überlauf Zeitintervall: t Prescaler f CPU t overflow Prescaler f CPU c max - Preloadvalue 9

20 Peripheriekomponenten Timer/Counter Konfigurationsparameter (nicht vollständig) Ein Vorteiler (Prescaler) kann die von der CPU kommende Taktfrequenz f CPU um die Faktoren, 8, (32), 64, (28), 256 und 24 reduzieren. Berechnung der Zeit bis zu Überlauf (Overflow) in Abhängigkeit von CPU-Takt f CPU, Prescaler und Preloadvalue. t overflow Prescaler f CPU c max - Preloadvalue Zähler max Counter Overflow Preloadvalue t overflow Zeit 2

21 Peripheriekomponenten Timer/Counter Basiskonfiguration am Beispiel des 8 Bit Timer/Counter Register Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit Bit TCCR CS2 CS CS TIMSK OCIE2 TOIE2 TICIE OCIEA OCIEB TOIE - TOIE TCCR Konfiguration des Vorteilers (Prescaler) CS2 CS CS Beschreibung Timer/Counter stopped CPU-Takt / CPU-Takt / 8 CPU-Takt / 64 CPU-Takt / 256 CPU-Takt / 24 TIMSK Aktivieren des Timer-Overflow Interrupts 2

22 Peripheriekomponenten Timer/Counter Konfigurationsbeispiel eines Timer/Counter #include <avr/interrupt.h> //- Prescaler auf /8 TCCR = (<<CS); //- Interrupt bei Zählerüberlauf aktivieren TIMSK = (<<TOIE); sei(); // globaler Schalter für alle Interrupts // Interrupt-Routine (ISR) bei einem Timer Overflow ISR(TIMER_OVF_vect){ } // z.b. Counter vorladen (Preloadvalue) TCNT = ; //-> weitere Anweisungen 22

23 Peripheriekomponenten Timer/Counter Weiter Funktionen der Timer/Counter Zusätzliche Interruptquellen Compare Match Interrupts Compare Match IRQ (TIMERx_COMPA_vect) (TIMERx_COMPB_vect) Zähler max OCRxA OCRxB Input Capture Interrupt Externe Ereignisse mit Zeitstempel Versehen Automatisches Erzeugen unterschiedlicher PBM-Signale Fast PBM, Phase Correct PBM, Phase and Frequency Correct PBM Zeit CTC-Mode Clear Timer on Compare Match 23

24 Peripheriekomponenten Timer/Counter Ansteuern eines Piezosummers mittels PBM-Signals Das Piezoelement verformt sich beim Anlegen einer Spannung und kehrt nach Abschalten der Spannung wieder in den Ausgangszustand zurück. Spannung: V Piezoelement Gehäuse Ansteuern des Summers Erzeugen eines Rechtecksignales mit der für die Tonerzeugung erforderlichen Frequenz High Low Frequenz 24

25 Peripheriekomponenten Timer/Counter Ansteuern eines Piezosummers mittels PBM-Signals Das Piezoelement verformt sich beim Anlegen einer Spannung und kehrt nach Abschalten der Spannung wieder in den Ausgangszustand zurück. Spannung: 5V Piezoelement Gehäuse Ansteuern des Summers Erzeugen eines Rechtecksignales mit der für die Tonerzeugung erforderlichen Frequenz High Low Frequenz 25

26 Einführung in die Mikrocontrollerprogrammierung mit C/C++ Aufgabe für die Übung:. Verwenden Sie das in der letzten Übung geschriebene Programm für eine Ampelschaltung. Modifizieren Sie die Auswertung des Tasters so, dass ein Schaltvorgang durch einen externen Interrupt detektiert wird. 2. Erzeugen Sie unter Verwendung von Timer/Counter ein Rechtecksignal mit der für den Piezosummer erforderlichen Frequenz. Der Ton soll nur bei einem roten Ampelsignal ertönen. 26