В этом учебном курсе по avr я постарался описать все самое основное для начинающих программировать микроконтроллеры avr . Все примеры построены на микроконтроллере atmega8 . Это значит, что для повторения всех уроков вам понадобится всего один МК. В качестве эмулятора электронных схем используется Proteus - на мой взгляд, - лучший вариант для начинающих. Программы во всех примерах написаны на компиляторе C для avr CodeVision AVR. Почему не на каком-нибудь ассемблере? Потому что начинающий и так загружен информацией, а программа, которая умножает два числа, на ассемблере занимает около ста строк, да и в сложных жирных проектах используют С. Компилятор CodeVision AVR заточен под микроконтроллеры atmel, имеет удобный генератор кода, неплохой интерфейс и прямо с него можно прошить микроконтроллер.

В этом учебном курсе будет рассказано и показано на простых примерах как:

• Начать программировать микроконтроллеры, с чего начать, что для этого нужно.
• Какие программы использовать для написания прошивки для avr, для симуляции и отладки кода на ПК,
• Какие периферийные устройства находятся внутри МК, как ими управлять с помощью вашей программы
• Как записать готовую прошивку в микроконтроллер и как ее отладить
• Как сделать печатную плату для вашего устройства

Для того, чтобы сделать первые шаги на пути программирования МК, вам потребуются всего две программы:

• Proteus - программа-эмулятор (в ней можно разработать схему, не прибегая к реальной пайке и потом на этой схеме протестировать нашу программу). Мы все проекты сначала будем запускать в протеусе, а потом уже можно и паять реальное устройство.
• CodeVisionAVR - компилятор языка программирования С для AVR. В нем мы будем разрабатывать программы для микроконтроллера, и прямо с него же можно будет прошить реальный МК.

После установки Proteus, запускаем его
Он нам предлагает посмотреть проекты которые идут с ним, мы вежливо отказываемся. Теперь давайте создадим в ней самую простую схему. Для этого кликнем на значок визуально ничего не происходит. Теперь нужно нажать на маленькую букву Р (выбрать из библиотеки) в панели списка компонентов, откроется окно выбора компонентов
в поле маска вводим название компонента, который мы хотим найти в библиотеке. Например, нам нужно добавить микроконтроллер mega8
в списке результатов тыкаем на mega8 и нажимаем кнопку ОК . У нас в списке компонентов появляется микроконтроллер mega8
Таким образом добавляем в список компонентов еще резистор, введя в поле маска слово res и светодиод led

Чтобы разместить детали на схеме, кликаем на деталь, далее кликаем по полю схемы, выбираем место расположения компонента и еще раз кликаем. Для добавления земли или общего минуса на схему слева кликаем "Терминал" и выбираем Ground. Таким образом, добавив все компоненты и соединив их, получаем вот такую простенькую схемку
Все, теперь наша первая схема готова! Но вы, наверное, спросите, а что она может делать? А ничего. Ничего, потому что для того, чтобы микроконтроллер заработал, для него нужно написать программу. Программа - это список команд, которые будет выполнять микроконтроллер. Нам нужно, чтобы микроконтроллер устанавливал на ножке PC0 логический 0 (0 вольт) и логическую 1 (5 вольт).

Написание программы для микроконтроллера

Программу мы будем писать на языке С в компиляторе CodeVisionAVR. После запуска CV, он спрашивает нас, что мы хотим создать: Source или Project Мы выбираем последнее и нажимаем кнопку ОК. Далее нам будет предложено запустить мастер CVAVR CodeWizard (это бесценный инструмент для начинающего, потому как в нем можно генерировать основной скелет программы) выбираем Yes
Мастер запускается с активной вкладкой Chip, здесь мы можем выбрать модель нашего МК - это mega8, и частоту, на которой будет работать МК (по умолчанию mega8 выставлена на частоту 1 мегагерц), поэтому выставляем все, как показано на скриншоте выше. Переходим во вкладку Ports
У микроконтроллера atmega8 3 порта: Port C, Port D, Port B. У каждого порта 8 ножек. Ножки портов могут находиться в двух состояниях:

• Выход

С помощью регистра DDRx.y мы можем устанавливать ножку входом или выходом. Если в

• DDRx.y = 0 - вывод работает как ВХОД
• DDRx.y = 1 вывод работает на ВЫХОД

Когда ножка сконфигурирована как выход, мы можем выставлять на ней лог 1 (+5 вольт) и логический 0 (0 вольт). Это делается записью в регистр PORTx.y. Далее будет подробно рассказано про порты ввода-вывода. А сейчас выставляем все, как показано на скриншоте, и кликаем File->Generate, Save and Exit. Дальше CodeWizard предложит нам сохранить проект, мы его сохраняем и смотрим на код:

#include //библиотека для создания временных задержек void main(void) { PORTB=0x00; DDRB=0x00; PORTC=0x00; DDRC=0x01; // делаем ножку PC0 выходом PORTD=0x00; DDRD=0x00; // Timer/Counter 0 initialization TCCR0=0x00; TCNT0=0x00; // Timer/Counter 1 initialization TCCR1A=0x00; TCCR1B=0x00; TCNT1H=0x00; TCNT1L=0x00; ICR1H=0x00; ICR1L=0x00; OCR1AH=0x00; OCR1AL=0x00; OCR1BH=0x00; OCR1BL=0x00; // Timer/Counter 2 initialization ASSR=0x00; TCCR2=0x00; TCNT2=0x00; OCR2=0x00; // External Interrupt(s) initialization MCUCR=0x00; // Timer(s)/Counter(s) Interrupt(s) initialization TIMSK=0x00; // Analog Comparator initialization ACSR=0x80; SFIOR=0x00; while (1) { }; }

Здесь вам может показаться все страшным и незнакомым, но на самом деле все не так. Код можно упростить, выкинув инициализацию неиспользуемых нами периферийных устройств МК. После упрощения он выглядит так:

#include //библиотека для работы с микроконтроллером mega8 #include //библиотека для создания временных задержек void main(void) { DDRC=0x01; /* делаем ножку PC0 выходом запись 0x01 может показаться вам незнакомой, а это всего лишь число 1 в шестнадцатиричной форме, эта строка будет эквивалентна 0b00000001 в двоичной, далее я буду писать именно так.*/ while (1) { }; }

Всё хорошо. Но для того, чтобы светодиод замигал, нам нужно менять логический уровень на ножке PC0. Для этого в главный цикл нужно добавить несколько строк:

#include //библиотека для работы с микроконтроллером mega8 #include //библиотека для создания временных задержек void main(void) { DDRC=0x01; /* делаем ножку PC0 выходом запись 0x01 может показаться вам незнакомой, а это всего лишь число 1 в шестнадцатиричной форме, эта строка будет эквивалентна 0b00000001 в двоичной, далее я буду писать именно так.*/ while (1)//главный цикл программы {// открывается операторная скобка главного цикла программы PORTC.0=1; //выставляем на ножку 0 порта С 1 delay_ms(500); //делаем задержку в 500 милисекунд PORTC.0=0; //выставляем на ножку 0 порта С 0 delay_ms(500); //делаем задержку в 500 милисекунд };// закрывается операторная скобка главного цикла программы }

Все, теперь код готов. Кликаем на пиктограму Build all Project files, чтобы скомпилировать (перевести в инструкции процессора МК) нашу программу. В папке Exe, которая находится в нашем проекте, должен появиться файл с расширением hex, это и есть наш файл прошивки для МК. Для того, чтобы нашу прошивку скормить виртуальному микроконтроллеру в Proteus, нужно два раза кликнуть на изображении микроконтроллера в протеусе. Появится вот такое окошко
кликаем на пиктограму папки в поле Program File, выбераем hex - файл нашей прошивки и нажимаем кнопку ОК. Теперь можно запустить симуляцию нашей схемы. Для этого нажимаем кнопку "Воспроизвести" в нижнем левом углу окна Протеус.

Урок 0.

Итак, сегодня мы открываем цикл уроков программирования микроконтроллеров семейства AVR.

Сегодня будут рассмотрены следующие вопросы:

1. Что такое микроконтроллер?
2. Где применяются микроконтроллеры?

Вступление.

Микроконтроллеры везде. В телефонах, стиральных машинах, «умных домах»,станках на заводе а так же ещё в бесчисленном множестве технических устройств. Их повсеместное применение позволяет заменить сложные аналоговые схемы, более сжатыми цифровыми.

Так что же такое, микроконтроллер?

Микроконтроллер (Micro Controller Unit, MCU ) - микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами.Можно представить его в виде простейшего компьютера, способного взаимодействовать с внешними устройствами.Например, открывать и закрывать транзисторы, получать данные с датчиков температуры, выводить данные на lcd экраны и т. д. . К тому же, микроконтроллер может производить различную обработку входных данных, как и Ваш персональный компьютер.

То есть, микроконтроллеры открывают нам практически безграничные возможности управления какими либо устройствами, благодаря наличию портов I/0(портов ввода(input)/вывода(output)), а так же возможности их программирования.

Где используются микроконтроллеры?

1. Бытовая техника(Стиральные машины, микроволновые печи и.т.д.).
2. Мобильная техника(Роботы, робототехнические системы, средства связи и др.).
3. Промышленное оборудование(Системы управления станками).
4. Вычислительная техника(Материнские платы,системы управления периферийными устройствами).
5. Развлекательная техника(Детские игрушки, украшения).
6. Транспорт(Системы управления двигателем автомобиля, системы безопасности)

Это далеко не полный список сфер применения микроконтроллеров. Часто, очень выгодно заменить набор управляющих микросхем одним микроконтроллером, ввиду упрощения производства, снижения энергопотребления.

Начало знакомства с AVR

AVR — семейство микроконтроллеров фирмы Atmel.Обладают достаточной производительностью для большинства любительских устройств. Так же находят широкое применение в промышленности.

Для микроконтроллеров AVR существуют различные языки программирования, но, пожалуй, наиболее подходящими являются ассемблер и Си, поскольку в этих языках в наилучшей степени реализованы все необходимые возможности по управлению аппаратными средствами микроконтроллеров.

Ассемблер - это низкоуровневый язык программирования, использующий непосредственный набор инструкций микроконтроллера. Создание программы на этом языке требует хорошего знания системы команд программируемого чипа и достаточного времени на разработку программы. Ассемблер проигрывает Си в скорости и удобстве разработки программ, но имеет заметные преимущества в размере конечного исполняемого кода, а соответственно, и скорости его выполнения.

Си позволяет создавать программы с гораздо большим комфортом, предоставляя разработчику все преимущества языка высокого уровня.
Следует еще раз отметить, что архитектура и система команд AVR создавалась при непосредственном участии разработчиков компилятора языка Си и в ней учтены особенности этого языка. Компиляция исходных текстов, написанных на Си, осуществляется быстро и дает компактный, эффективный код.

Основные преимущества Си перед ассемблером: высокая скорость разработки программ; универсальность, не требующая досконального изучения архитектуры микроконтроллера; лучшая документируемость и читаемость алгоритма; наличие библиотек функций; поддержка вычислений с плавающей точкой.

В языке Си гармонично сочетаются возможности программирования низкого уровня со свойствами языка высокого уровня. Возможность низкоуровневого программирования позволяет легко оперировать непосредственно аппаратными средствами, а свойства языка высокого уровня позволяют создавать легко читаемый и модифицируемый программный код. Кроме того, практически все компиляторы Си имеют возможность использовать ассемблерные вставки для написания критичных по времени выполнения и занимаемым ресурсам участков программы.

Одним словом, Си - наиболее удобный язык как для начинающих знакомиться с микроконтроллерами AVR, так и для серьезных разработчиков.

Чтобы преобразовать исходный текст программы в файл прошивки микроконтроллера, применяют компиляторы.

Фирма Atmel поставляет мощный компилятор ассемблера, который входит в среду разработки Atmel Studio, работающую под Windows. Наряду с компилятором, среда разработки содержит отладчик и эмулятор.
Atmel Studio совершенно бесплатна и доступна на сайте Atmel .

В настоящее время представлено достаточно много компиляторов Си для AVR. Самым мощным из них считается компилятор фирмы IAR Systems из Стокгольма. Именно ее сотрудники в середине 90-х годов участвовали в разработке системы команд AVR. IAR C Compiler имеет широкие возможности по оптимизации кода и поставляется в составе интегрированной среды разработки IAR Embedded Workbench (EWB), включающей в себя также компилятор ассемблера, линкер, менеджер проектов и библиотек, а также отладчик. Цена полной версии пакета составляет 2820 EUR. На сайте компании можно бесплатно скачать оценочную версию на 30 дней или бессрочную с ограничением размера кода в 4 Кбайта.

Американской фирмой Image Craft из калифорнийского Пало-Альто выпускается компилятор языка Си, получивший достаточно широкую популярность. JumpStart C for AVR имеет приемлемую оптимизацию кода и не слишком высокую цену (от $50 до $499 в зависимости от версии). Демо-версия JumpStart C for AVR полностью функциональна в течение 45 дней.

Не меньшую популярность завоевал румынский Code Vision AVR C Compiler , цена полной версии этого компилятора относительно невысока и составляет 150 EUR. Компилятор поставляется вместе с интегрированной средой разработки, в которую, помимо стандартных возможностей, включена достаточно интересная функция - CodeWizardAVR Automatic Program Generator. Наличие в среде разработки последовательного терминала позволяет производить отладку программ с использованием последовательного порта микроконтроллера. У разработчиков можно скачать бесплатную оценочную версию с ограничением размера кода в 4 Кбайта и отключенным сохранением сгенерированного исходного кода на Си.

Компанией MikroElektronika , расположенной в сербском городе Белграде, выпускается целое семейство компиляторов для AVR-микроконтроллеров. Компилятор для языка Си под названием mikroC PRO for AVR стоит $249. Есть также mikroBasic и mikroPascal за ту же цену. На сайте разработчиков имеются демоверсии с ограничением размера кода в 4096 bytes. Плюсом этого семейства компиляторов является единая платформа и единая идеология, что может обеспечивать легкий переход не только между языками, но и между микроконтроллерами (есть версии компиляторов для PIC, STM32, 8051 ...).

Поистине культовой стала интегрированная среда разработки . Она включает мощные компиляторы Си и ассемблера, программатор AVRDUDE, отладчик, симулятор и множество других вспомогательных программ и утилит. WinAVR прекрасно интегрируется со средой разработки AVR Studio от Atmel. Ассемблер идентичен по входному коду ассемблеру AVR Studio. Компиляторы Си и ассемблера имеют возможность создания отладочных файлов в формате COFF, что позволяет применять не только встроенные средства, но и использовать мощный симулятор AVR Studio. Еще одним немаловажным плюсом является то, что WinAVR распространяется бесплатно без ограничений (производители поддерживают GNU General Public License).

В качестве резюме стоит сказать, что WinAVR является идеальным выбором для тех, кто начинает осваивать микроконтроллеры AVR. Именно эта среда разработки и рассматривается в качестве основной в данном курсе.

Микроконтроллеры (далее МК) прочно вошли в нашу жизнь, на просторах интернета можно встретить очень много интересных схем, которые исполнены на МК. Чего только нельзя собрать на МК: различные индикаторы, вольтметры, приборы для дома (устройства защиты, коммутации, термометры…), металлоискатели, разные игрушки, роботы и т.д. перечислять можно очень долго. Первую схему на микроконтроллере я увидел лет 5-6 назад в журнале радио, и практически сразу же перелистнул страницу, подумав про себя "все равно не смогу собрать". Действительно, в то время МК для меня были чем то очень сложным и непонятым устройством, я не представлял как они работают, как их прошивать, и что делать с ними в случае неправильной прошивки. Но около года назад, я впервые собрал свою первую схему на МК, это была схема цифрового вольтметра на 7 сегментных индикаторах, и микроконтроллере ATmega8. Так получилось, что микроконтроллер я купил случайно, когда стоял в отделе радиодеталей, парень передо мной покупал МК, и я тоже решил купить, и попробовать собрать что-нибудь. В своих статьях я расскажу вам про микроконтроллеры AVR , научу вас работать с ними, рассмотрим программы для прошивки, изготовим простой и надежный программатор, рассмотрим процесс прошивки и самое главное проблемы, которые могут возникнуть и не только у новичков.

Основные параметры некоторых микроконтроллеров семейства AVR:

Микроконтроллер	Память FLASH	Память ОЗУ	Память EEPROM	Порты ввода/вывода	U питания

Дополнительные параметры МК AVR mega:

Рабочая температура: -55…+125*С
Температура хранения: -65…+150*С
Напряжение на выводе RESET относительно GND: max 13В
Максимальное напряжение питания: 6.0В
Максимальный ток линии ввода/вывода: 40мА
Максимальный ток по линии питания VCC и GND: 200мА

Расположение выводов моделей ATmega 8X

Расположение выводов моделей ATmega48x, 88x, 168x

Расположение выводов у моделей ATmega8515x

Расположение выводов у моделей ATmega8535x

Расположение выводов у моделей ATmega16, 32x

Расположение выводов у моделей ATtiny2313

В конце статьи прикреплён архив с даташитами на некоторые микроконтроллеры

Установочные FUSE биты MK AVR

Запомните, запрограммированный фьюз – это 0, не запрограммированный – 1. Осторожно стоит относиться к выставлению фьюзов, ошибочно запрограммированный фьюз может заблокировать микроконтроллер. Если вы не уверены какой именно фьюз нужно запрограммировать, лучше на первый раз прошейте МК без фьюзов.

Самыми популярными микроконтроллерами у радиолюбителей являются ATmega8, затем идут ATmega48, 16, 32, ATtiny2313 и другие. Микроконтроллеры продаются в TQFP корпусах и DIP, новичкам рекомендую покупать в DIP. Если купите TQFP, будет проблематичнее их прошить, придется купить или и паять плату т.к. у них ножки располагаются очень близко друг от друга. Советую микроконтроллеры в DIP корпусах, ставить на специальные панельки, это удобно и практично, не придется выпаивать МК если приспичит перепрошить, или использовать его для другой конструкции.

Почти все современные МК имеют возможность внутрисхемного программирования ISP, т.е. если ваш микроконтроллер запаян на плату, то для того чтобы сменить прошивку нам не придется выпаивать его с платы.

Для программирования используется 6 выводов:
RESET - Вход МК
VCC - Плюс питания, 3-5В, зависит от МК
GND - Общий провод, минус питания.
MOSI - Вход МК (информационный сигнал в МК)
MISO - Выход МК (информационный сигнал из МК)
SCK - Вход МК (тактовый сигнал в МК)

Иногда еще используют вывода XTAL 1 и XTAL2, на эти вывода цепляется кварц, если МК будет работать от внешнего генератора, в ATmega 64 и 128 вывода MOSI и MISO не применяются для ISP программирования, вместо них вывода MOSI подключают к ножке PE0, a MISO к PE1. При соединении микроконтроллера с программатором, соединяющие провода должны быть как можно короче, а кабель идущий от программатора на порт LPT так-же не должен быть слишком длинным.

В маркировке микроконтроллера могут присутствовать непонятные буквы с цифрами, например Atmega 8L 16PU, 8 16AU, 8A PU и пр. Буква L означает, что МК работает от более низкого напряжения, чем МК без буквы L, обычно это 2.7В. Цифры после дефиса или пробела 16PU или 8AU говорят о внутренней частоте генератора, который есть в МК. Если фьюзы выставлены на работу от внешнего кварца, кварц должен быть установлен на частоту, не превышающей максимальную по даташиту, это 20МГц для ATmega48/88/168, и 16МГц для остальных атмег.

Как-то сразу потянуло давать советы по поводу выбора среды программирования для AVR контроллеров. Только не надо кидать в меня тапками. Я совсем чуть-чуть 🙂

Языков программирования для микроконтроллеров много. Сред программирования так же не мало и сравнивать их между собой некорректно. Лучших языков программирования не существует. Значит, придется выбрать наиболее подходящие для Вас язык и среду программирования.

Если Вы, в данный момент, стоите перед выбором, на чем начать работать, то вот Вам несколько рекомендаций.

Прежний опыт программирования. Не стоит пренебрегать прежним опытом в программировании. Даже если это был Бейсик. Даже если это было давно в школе. Программирование как езда на велосипеде – стоит только начать и быстро вспоминаешь все забытое. Начните с Бейсика – освойтесть – позже будет проще выбрать что-то более подходящее для Ваших целей.

Помощь окружения. Ваши друзья пишут на Паскале? Для Вас вопрос решен – пишите на Паскале! Вам всегда помогут советом, подкинут библиотек, дадут на изучение готовые проекты. Вобщем рады будут принять в свое сообщество. Если поступите наоборот — получите обратный результат. Друзья сишники заклюют Вас, решившего изучать Ассемблер. Помощи не ждите.

Хорошая книга по программированию AVR очень здорово поможет. К сожалению их очень мало. Если Вам в руки попалась книга, и вы считаете что в ней очень доступно все расписано – попробуйте. Не советую учиться по электронным книгам, в крайнем случае, распечатайте. Очень неудобно переключаться между средой и текстом файла книги. Гораздо приятнее читая книгу тут же пробовать, не отвлекаясь на переключения, кроме того, на полях можно делать пометки, записывать возникшие идеи.

Среда программирования попроще. Если есть на выбор несколько сред программирования Вашего языка – не сомневайтесь, выбирайте ту, что проще. Пусть она менее функциональна. Пусть она компилирует страшно раздутый код. Главное чтобы было просто начать работать. После того как Вы освоитесь в простой среде вы с легкостью перейдете на более продвинутую и «правильную» среду. И не слушайте тех, кто говорит, что вы потеряете больше времени – они не правы. Ученикам младших классов не задают читать «Войну и мир» им дают книги попроще – с картинками.

Библиотеки. Наличие библиотек спорно для изучения языка. Конечно, позже они очень облегчат жизнь, но поначалу «Черные ящики»-библиотеки непонятны и не очень способствуют пониманию языка. С другой стороны облегчают чтение программы и позволяют новичку, не особо напрягаясь, строить сложные программы. Так что, их наличием особо не заморачивайтесь. По крайней мере, по началу.

Эффективный код. Выбор среды программирования для изучения программирования только по тому, насколько эффективный код та компилит – плохая идея. Вам главное комфортно начать изучение – что там получается «на выходе» дело десятое. Конечно, позже можно над этим и поработать.

Визарды. Любое устройство на борту кристалла нуждается в настройке при помощи портов. Процедура довольно муторная и даташиты обязательны. Кроме того, есть нюансы, в которые новичку не просто вкурить. Поэтому в среде очень желательно наличие визардов. Вызарды это автоматические настройщики SPI, I2C, USART и т.д. Чем больше устройств поддерживается, тем лучше. Выставляешь необходимые параметры периферии, а визард сам генерирует код, который обеспечит заданные параметры. Очень упрощает жизнь.

Общие рекомендации такие – программирование на начальном этапе должно быть максимально простым (пусть даже примитивным). Среда программирования должна быть легка в освоении (так как Вам надо, для начала, освоить программирование а не тратить время на ковыряние в настройках). Желательно русифицирована. Также не помешает русский мануал и примеры программ. Желательна возможность прошивки кристалла из среды. Далее при освоении основ программирования можно переходить и на более сложные оболочки.

Еще одна рекомендация, напоследок – работайте с реальным кристаллом. Не бойтесь его спалить. Нарабатывайте практический опыт. Работа с эмуляторами (например Proteus) хоть и освободит от возни с паяльником, но никогда не сможет дать то удовлетворение которое Вы получите от заработавшей программы, первых помигиваний светодиодом! Понимание того, что вы сделали своими руками реальную рабочую схему вселяет уверенность и стимул двигаться дальше!

(Visited 7 377 times, 1 visits today)