Laboratorium 1 – Wojciech Tarnawski

Zakres laboratorium:

Zapoznanie z płytką EduTar
Typy zmiennych dla mikrokontrolerów AVR
Operacje bitowe
Rejestry DDRx, PORTx, PINx – sterowanie portami
Odczytywanie stanu pinu – obsługa przycisków, drgania styków

Przykładowy schemat z laboratorium wstępnego:

1. Zapoznanie z płytką EduTar

Strona płytki EduTar: link

Dane techniczne mikrokontrolera ATmega328P:

Rodzina: AVR
Organizacja pamięci Flash: 32kb
Pamięć EEPROM: 1024B
Pamięć SRAM: 2048B
Częstotliwość maksymalna: 20MHz
Napięcie pracy: 1,8 – 5,5V
Liczba wejść/wyjść: 23
Liczba kanałów PWM: 4
Obudowa: TQFP32

Moduł Arduino nano:

Atmega328P
programowanie/ komunikacja z komputerem: UART
częstotliwość taktowania przy wykorzystaniu zewnętrznego kwarcu: 16MHz
pinout zgodny z rysunkiem: link

2. Typy zmiennych dla mikrokontrolerów AVR

Mikrokontrolery AVR np. ATmega328P są mikrokontrolerami 8-biotowymi (wszystkie rejestry mają pojemność 8 bitów). Oznacza to, że potrafią wykonywać proste operacje tylko na liczbach 8-biotowych, w celu wykonania operacji na większych liczbach mikrokontroler musi wykonać kilka instrukcji, co wpływa na wydajność programu. Dlatego lepiej jest korzystać z mniejszych zmiennych niż 32 bitowe, które zostały zdefiniowane w bibliotece (stdint.h).

Typy zmiennych dla liczb dodatnich (bez znaku) i całkowitoliczbowych:

uint8_t – 0 – 255
uint16_t – 0 – 65535
uint32_t – 0 – 4294967295
uint64_t – 0 – 18446744073709551615

Zmienne z znakiem i całkowitoliczbowe:

int8_t – -128 – 127
int16_t – -32768 – 32767
int32_t – -2147483648 – 2147483647
int64_t – -9223372036854775808 – 9223372036854775807

Zmienne dla liczb zmiennopozycyjnych (liczba z przecinkiem) – typy zajmujące dużo pamięci:

float (4 bajty)
double (8 bajty, w Arduino 4 bajty)

Zmienne inne:

char – zmienna 8 bitowa do przechowywania znaków
bool – true/false – przechowuje wartość na pierwszej pozycji bajtu (0b00000001/0b00000000) ale i tak zajmuje 8 bitów.

Zadanie 2.1

wyniki zapisywać na kartce w celu pokazania prowadzącemu
przygotować i skompilować poniższy program

C++

#include <avr/io.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <util/delay.h>
 
#ifndef _BV
#define _BV(bit)        (1<<(bit))
#endif
#ifndef sbi
#define sbi(reg,bit)    reg |= (_BV(bit))
#endif
 
#ifndef cbi
#define cbi(reg,bit)    reg &= ~(_BV(bit))
#endif

#ifndef tbi
#define tbi(reg,bit)    reg ^= (_BV(bit))
#endif


volatile uint8_t tab[100];

 
int main() {
 
  
  int i=0;
 
  while (1) {
    tab[1]=i++;   
    _delay_ms(1000);
 
  }
}

#include <avr/io.h>

#include <stdlib.h>

#include <string.h>

#include <util/delay.h>

#ifndef _BV

#define _BV(bit) (1<<(bit))

#endif

#ifndef sbi

#define sbi(reg,bit) reg |= (_BV(bit))

#endif

#ifndef cbi

#define cbi(reg,bit) reg &= ~(_BV(bit))

#endif

#ifndef tbi

#define tbi(reg,bit) reg ^= (_BV(bit))

#endif

volatile uint8_t tab[100];

int main() {

int i=0;

while (1) {

tab[1]=i++;

_delay_ms(1000);

}

ile pamięci zajmuje program przy rozmiarze tablicy 10?
zmienić rozmiary tablicy na 100,1000,2000
zanotować informacje o wykorzystanej ilości pamięci
zmienić typ uin8_t na int i przeprowadzić takie same testy

Zadanie 2.2

skompilować poniższy program:

C++

#include <avr/io.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <util/delay.h>
 
#ifndef _BV
#define _BV(bit)        (1<<(bit))
#endif
#ifndef sbi
#define sbi(reg,bit)    reg |= (_BV(bit))
#endif
 
#ifndef cbi
#define cbi(reg,bit)    reg &= ~(_BV(bit))
#endif

#ifndef tbi
#define tbi(reg,bit)    reg ^= (_BV(bit))
#endif


volatile float zmienna;

 
int main() {
 

zmienna=5;
//zmienna+=41; //a jak zmieni się rozmiar programu po wykonaniu operacji

while (1) {
     _delay_ms(1000);
 
  }
}

#include <avr/io.h>

#include <stdlib.h>

#include <string.h>

#include <util/delay.h>

#ifndef _BV

#define _BV(bit) (1<<(bit))

#endif

#ifndef sbi

#define sbi(reg,bit) reg |= (_BV(bit))

#endif

#ifndef cbi

#define cbi(reg,bit) reg &= ~(_BV(bit))

#endif

#ifndef tbi

#define tbi(reg,bit) reg ^= (_BV(bit))

#endif

volatile float zmienna;

int main() {

zmienna=5;

//zmienna+=41; //a jak zmieni się rozmiar programu po wykonaniu operacji

while (1) {

_delay_ms(1000);

}

ile pamięci zajmuje program, którzy wykorzystuje liczby zmiennoprzecinkowe
zmienić typ liczby “zmienna” z float na uint8_t
ile pamięci teraz zajmuje program, ile pamięci dodatkowo musi wykorzystać kompilator aby móc obsługiwać liczby zmiennoprzecinkowe?

Jakie wnioski można wysunąć? Przemyśleć i zaprezentować prowadzącemu wyniki i przedstawić wnioski.

3. Operacje bitowe

Zaprzeczenie NOT: ~
Iloczyn AND: &
Suma OR: |
Suma wyłaczająca XOR: ^
Przesunięcie w prawo: >>
Przesunięcie w lewo: <<

#define _BV(bit)        (1<<(bit))

#define sbi(reg,bit)    reg |= (_BV(bit))
czyli:
reg|= (1<<bit)


#define cbi(reg,bit)    reg &= ~(_BV(bit))
reg &= ~ (1<<bit)

#define _BV(bit) (1<<(bit))

#define sbi(reg,bit) reg |= (_BV(bit))

czyli:

reg|= (1<<bit)

#define cbi(reg,bit) reg &= ~(_BV(bit))

reg &= ~ (1<<bit)

Bity, bajty itd. – o co w tym chodzi???

uint8_t liczba= 209; uint8_t liczba= 0b11010001; uint8_t liczba= 0xD1;

bajt_01_small — Bajt interpretowany jako liczba bez znaku. Źródło*

int8_t liczba= -47; int8_t liczba= -0b11010001; int8_t liczba= -0xD1;

bajt_02_small — Bajt o tej samej zawartości, teraz interpretowany jako liczba ze znakiem. Źródło*

uint16_t liczba= 37585; uint16_t liczba= 0b1001001011010001; uint8_t liczba= 0x92D1;

dwa_bajty_01_small — Dwa bajty interpretowane jako liczba bez znaku. Źródło*

4. Rejestry DDRx, PORTx, PINx – sterowanie portami

Wyprowadzenia mikrokontrolera Atmega328P

Wyprowadzenia mikrokontrolera – sterowanie:

Port B – PB0-PB7 – DDRB, PORTB, PINB
Port C – PC0-PC6 – DDRC, PORTC, PINC
Port D – PD0-PD7 – DDRD, PORTD, PIND

Rejestry – a o co chodzi?

Rejestr DDRx – rejestr kierunku:

0 – ustawia wyprowadzenie jako wejście
1 – ustawia wyprowadzenie jako wyjście

Rejestr PORTx – rejestr wyjściowy – gdy DDRx ==1:

0 – ustawia wyprowadzenie w stan niski
1 – ustawia wyprowadzenie w stan wysoki

Rejestr PORTx – rejestr wyjściowy – gdy DDRx ==0:

0 – nic nie robi (stan wysokiej impedancji)
1 – pull-UP – podciągnięcie wyprowadzenia do VCC przez rezystor 10k (zapobiega pojawianiu się nieokreślonych stanów na wyprowadzeniu)

Rejestr PINx – rejestr wejściowy – tylko do odczytu:

0 – oznacza stan niski na wyprowadzeniu
1 – oznacza stan wysoki na wyprowadzeniu

Podsumowując:

	DDRx	PORTx	PINx*
Wyjście stan niski	1	0
Wyjście stan wysoki	1	1
Wejście wysoka impedancja	0	0
Wejście PULL-UP	0	1
Odczyt wejścia – stan wysoki	0	x	1
Odczyt wejścia – stan niski	0	x	0

*-tylko do odczytu

W celu ustawienia wyprowadzenie PD6 jako wyjście w stanie wysokim należy:

C++

sbi(DDRD,PD6); //Ustawia wyprowadzenie PD6 do pracy jako wyjście
sbi(PORTD,PD6); //Ustawia stan wysoki na wyprowadzeniu PD6

1 2	sbi(DDRD,PD6); //Ustawia wyprowadzenie PD6 do pracy jako wyjście sbi(PORTD,PD6); //Ustawia stan wysoki na wyprowadzeniu PD6

W celu ustawienia wyprowadzenie PD6 jako wyjście w stanie niskim należy:

C++

sbi(DDRD,PD6); //Ustawia wyprowadzenie PD6 do pracy jako wyjście
cbi(PORTD,PD6); //Ustawia stan niski na wyprowadzeniu PD6

1 2	sbi(DDRD,PD6); //Ustawia wyprowadzenie PD6 do pracy jako wyjście cbi(PORTD,PD6); //Ustawia stan niski na wyprowadzeniu PD6

Program realizujący miganie diodą:

C++

int main() {
    sbi(DDRD, PD6);

    while (1) {
        sbi(PORTD, PD6);
        _delay_ms(500);
        cbi(PORTD, PD6);
        _delay_ms(500);

    }
}

int main() {

sbi(DDRD, PD6);

while (1) {

sbi(PORTD, PD6);

_delay_ms(500);

cbi(PORTD, PD6);

_delay_ms(500);

}

Można też krócej:

C++

int main() {
	sbi(DDRD, PD6);

	while (1) {
		tbi(PORTD, PD6);
		_delay_ms(500);
	}
}

int main() {

sbi(DDRD, PD6);

while (1) {

tbi(PORTD, PD6);

_delay_ms(500);

}

Rejestry są zmiennymi do których można zapisywać wartość, więc są różne sposoby ich modyfikacji:

DDRD=0xFF;
DDRD |= (1<<PD0) | … | (1<<PD7)
sbi(DDRD, PD0) … sbi(DDRD, PD7)

Sterowanie wyprowadzeniami mikrokontrolera jako wyjścia.

Zadanie 4.1

podłączyć diody:
- LED1 do PD0, …………., LED8 do PD7
włączyć wszystkie diody LED – jak można to zrobić, przetestować 3 sposoby
napisać funkcję, która będzie mrugała wszystkimi diodami z częstotliwością 1s

Zadanie 4.2

podłączyć diody jak w poprzednim zadaniu
przygotować funkcje, która będzie realizowała zadanie “biegający punkt”. Jedna dioda na linijce diodowej jest włączona i porusza się w lewo lub w prawo – w zależności gdzie świecący punkt był wcześniej.

5. Odczytywanie stanu pinu – obsługa przycisków, drgania styków

Sterowanie wyprowadzeniami mikrokontrolera jako wejścia.

W pliku nagłówkowym <avr/sfr_defs.h> zdefiniowano makra “bit_is_set(reg,bit)” i “bit_is_clear(reg,bit)”

Zadanie 5.1

podłączyć diody jak w poprzednim zadaniu
podłączyć przewód do PB0
stworzyć funkcję: przyciśnięcie przycisku (przewód podłączony do GND) – wszystkie diody świecą się. Przycisk puszczony (przewód odłączone od GND) – wszystkie diody są wyłączone
jak działa program? czy jest jakiś problem? jak go rozwiązać?

Zadanie 5.2

podłączyć diody jak w poprzednim zadaniu
podłączyć przewód do PB1
napisać program przycisku bistabilnego – przyciśnięcie przycisku (przewód podłączony do GND i odłączony) – diody świecą. Drugi raz przyciśnięcie przycisku (przewód podłączony do GND i odłączony) – wszystkie diody są wyłączone
jak działa program? czy jest jakiś problem? jak go rozwiązać?

Zadanie 5.3

podłączyć diody jak w poprzednim zadaniu
podłączyć przycisk SW_1 do PB0
podłączyć przycisk SW_2 do PB1
zapoznać się jak elektronicznie są podłączone przyciski – narysować schemat podłączenia na kartce
napisać program przycisku monostabilnego – jeśli przycisk SW_1 wciśnięty to LED1 świeci. Jeśli przycisk SW_1 niewciśnięty to LED1 nie świeci
napisać program przycisku bistabilnego – jedno wciśnięcie przycisku SW_2 powoduje uruchomienie LED2-świeci, drugie wciśnięcie przycisku SW_2 powoduje wyłączenie LED2 – nie świeci
powyższe funkcje działają w jednym programie
jak działa program? czy jest jakiś problem? jak go rozwiązać?

Zadanie 6.1

podłączyć diody jak w poprzednim zadaniu
podłączyć przycisk SW_1 do PB0, …………, SW_4 do PB3
napisać program:
- przyciskanie przycisku SW_2 powoduje zwiększania liczby świecących diod LED
- przyciskanie przycisku SW_1 powoduje zmniejszanie liczby świecących diod LED
- przyciśnięcie przycisku SW_3 powoduje wyłączenie wszystkich diod LED
- przyciśnięcie przycisku SW_4 powoduje włączenie wszystkich diod LED
- trzymanie wciśniętego przycisku nie powoduje zmiany