Разработка устройств на основе микроконтроллеров AVR фирмы Atmel Corporation

Вступление……………………………………………………………………………...3

Раздел 1. Разработка устройств на основе микроконтроллеров AVR фирмы Atmel Corporation……………………………………………………………………………....4

      1.1. Общий обзор микроконтроллеров AVR…………………………………...4

      1.2. Программное обеспечение…………………………………………………8

            1.2.1. AVR Studio…………………………………………………….……8

            1.2.2. Code Vision AVR…………………………………………………...9

      1.4. Обзор микроконтроллеров AVR семейства Tiny………………………..10

Раздел 2. Задание на разработку устройства на основе микроконтроллера AVR..13

2.1. Выбор элементов системы управления и разработка принципиальной схемы……………………………………………………………………………13

      2.2 Разработка алгоритма управляющей программы………………………...16

Раздел 3. Программная  реализация задачи………………………………………….18

Вывод…………………………………………………………………………………..29

Список использованной литературы………………………………………………...30 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Вступление

     Научно-технический прогресс неутомимо идет вперед, в результате не только в промышленной, но и в бытовой технике все шире используются встроенные компьютерные системы на основе микроконтроллеров. Они широко применяются в персональных компьютерах и их периферийных устройствах, стиральных машинах, музыкальных центрах и т. д. Средний импортный автомобиль имеет порядка 15 микроконтроллеров, управляющих различными системами автомобиля.

     Современную микроэлектронику трудно представить  без такой важной составляющей, как микроконтроллеры. Микроконтроллеры незаметно завоевал весь мир. В последнее время на помощь человеку пришла целая армия электронных помощников. Мы привыкли к ним, поэтому часто даже не подозреваем, что во многих таких устройствах работает микроконтроллер. Микроконтроллерные технологии очень эффективны.

     Одно  и то же устройство, которое раньше собиралось на традиционных элементах, будучи собрано с применением микроконтроллеров* становится проще, не требует регулировки и меньше по размерам* Кроме того, с применением микроконтроллеров появляются практически безграничные возможности по добавлению новых потребительских функций и возможностей к уже существующим устройствам. Достаточно просто поменять программу!

Мировая промышленность выпускает огромную номенклатуру микроконтроллеров. Специализированные контроллеры предназначенны для применения в какой-либо одной конкретной области, например:

■  контроллер для телевизора;

■  контроллер для модема;

■  контроллер для компьютерной мышки и т. п.

     Особый  же класс составляют универсальные  микроконтроллеры. Они не имеют конкретной специализации и могут применяться  в самых различных областях микроэлектроники. В частности, при желании их с успехом можно применить для создания перечисленных выше устройств. Но главное в том, что можно создать любое, может даже принципиально новое устройство.

     Одна  из самых популярных серий универсальных микроконтроллеров— это микроконтроллеры AVR выпускаемые американской фирмой Atmel. Микросхемы AVR широко используются в самых различных конструкциях.

     Можно заранее отметить, что компания Atmel, благодаря комбинации прогрессивной архитектуры RISC и программируемой флэш-памяти EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory — стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство), разработала очень эффективное решение для всех мыслимых задач внутриплатного управления и установила новые масштабы в соотношении цены и производительности.

     Современный микроконтроллер — довольно сложное  устройство, работу которого не удается описать в деталях вне связи его с дополнительными внешними устройствами. Поэтому в работе будет разработана схема и управляющая программа устройства на основе микроконтроллера. 
 

Раздел 1. Разработка устройств  на основе микроконтроллеров AVR фирмы Atmel Corporation.

      1.1. Общий обзор микроконтроллеров AVR.

     За  последние годы микроконтроллеры AVR приобрели большую популярность, привлекая разработчиков достаточно выгодным соотношением показателей «цена/быстродействие/энергопотребление», удобными режимами программирования, доступностью программно-аппаратных средств поддержки и широкой номенклатурой выпускаемых кристаллов.  Микроконтроллеры этой серии представляют собой удобный инструмент для создания современных высокопроизводительных и экономичных встраиваемых контроллеров многоцелевого назначения. В частности, они используются в автомобильной электронике, бытовой технике, сетевых картах и материнских платах компьютеров, в мобильных телефонах нового поколения и т.д.

В рамках единой базовой архитектуры AVR-микроконтроллеры подразделяются на три семейства:

- Classic AVR — базовая линия микроконтроллеров;

- Mega AVR — микроконтроллеры для сложных приложений, требующих большого объема памяти программ и данных;

- Tiny AVR — низкостоимостные микроконтроллеры в 8-выводном исполнении.

     Фирма Atmel не стоит на месте. Микросхемы этой серии достаточно распространены и популярны во всем мире.

     Устаревшее  семейство «Classic» в настоящее время уже не используется. Основу серии составляет семейство «Tiny» и семейство «Mega», Семейство микроконтроллеров «Tiny» — это микроконтроллеры минимальной конфигурации и, преимущественно, небольших габаритов, предназначенные для простых недорогих и миниатюрных электронных устройств управления. Они имеют минимальный набор возможностей и невысокую цену.

     Микроконтроллеры  семейства «Mega», напротив, имеют  развитую архитектуру и предназначены для более мощных микропроцессорных систем. Кроме того, фирма Atmel выпускает еще несколько видов микроконтроллеров, которые она также относит к серии AVR. Полный состав этой серии приведен далее в табл. 3.1.

     В данной главе мы рассмотрим основные возможности и особенности построения всей серии микроконтроллеров AVR. Таким образом, мы перейдем от теоретических рассуждений к практическим вопросам конкретного устройства микросхем. Все микросхемы AVR строятся по единому принципу и имеют единую систему команд, которая для разных моделей микроконтроллеров может отличаться лишь в наличии либо отсутствии нескольких непринципиальных команд. Поэтому целесообразно изучать всю серию микросхем как единое целое.

     Если  попытаться сравнить микросхемы AVR с  предыдущей серией микросхем (серия АТ89), то мы обнаружим очень много отличий. Разрабатывая новую серию, компания Atmel решила не привязываться к старым своим разработкам и кардинально изменила как внутреннюю архитектуру новых микроконтроллеров, так и систему команд.

     Итак, что же представляют собой микроконтроллеры серии AVR Семейство AVR включает в себя микроконтроллеры самой разной конфигурации, с разным объемом памяти и разным количеством встроенных портов ввода-вывода и других дополнительных устройств.

     Конструктивное  исполнение микроконтроллеров также очень разнообразно. Применяется несколько типов корпусов (см. рис, ЗЛ). Это традиционные корпуса типа PDIP с количеством ножек от 8 до 40. Корпуса типа SOIC с количеством выводов от 8 до 20. А вот большинство микроконтроллеров семейства Mega AVR выполнятся либо в сорокавыводных PDIP-корпусах, либо в современных многовыводных корпусах типа TQFP или MLF (до 64 выводов).

     Микроконтроллеры  серии AVR относятся к классу восьмиразрядных микроконтроллеров. Это значит, что подавляющее большинство операций процессоры производят с восьмиразрядными двоичными числами. По этой причине встроенная шина данных у этих контроллеров тоже восьмиразрядная. Все ячейки памяти и большинство регистров микроконтроллера также восьмиразрядные.

Для обработки  шестнадцатиразрядных чисел некоторые  внутренние регистры могут объединяться попарно. Каждая такая пара может работать как один шестнадцатиразрядный регистр. Исключение составляет память программ. Она целиком состоит из шестнадцатиразрядных ячеек.

     Микроконтроллеры AVR изготавливаются по КМОП-технологии, благодаря которой они имеют достаточно высокое быстродействие и низкий ток потребления. Большинство команд микроконтроллера выполняется за один такт. Поэтом)⁷ быстродействие контроллеров может достигать 1 миллиона операций в секунду при тактовой частоте 1 МГц.

     Внутренняя  память

     Микроконтроллеры AVU имеют в своем составе три вида памяти. Во-первых,

это ОЗУ (оперативная память для данных). В документации фирмы Atmel эта память называется SRAM. Объем ОЗУ для разных контроллеров варьируется от полного ее отсутствия (в микросхеме AT90S1200) до 2 Кбайт. Подробнее смотрите графу «SRAM» в табл. 3.1.

     Второй  вид памяти—это память программ. Она выполнена по Flash-технологии и предназначена для хранения управляющей профаммы. В фирменной документации она так и называется—Flash-память. Объем программной памяти в разных микросхемах этой серии составляет от 1 до 64 Кбайт. Подробнее смотрите графу «Flash» табл. 3.1. Программная память допускает стирание записанной туда информации и повторную запись. Однако количество циклов записи/стирания ограничено.

Программная память микроконтроллеров AVR допускает  до 1000 циклов записи/стирания. Запись информации в память программ производится при

помощи  специальных устройств (программаторов). Последние модели микроконтроллеров AVR имеют режим автоперезаписи памяти программ. То есть управляющая программа самого микроконтроллера способна сама себя переписывать.

     Третий  вид памяти —  это энергонезависимая память для данных. Она также выполнена по Flash-технологии, но в технической документации она называется EEPROM. Основное назначение этого вида памяти — долговременное хранение данных. Данные, записанные в эту память, не теряются даже при выключенном источнике питания.

     Управляющая программа микроконтроллера может  в любой момент записать данные в EEPROM или прочитать их оттуда. Память EEPROM допускает до 100000 циклов записи/стирания. Количество циклов чтения из EEPROM неограниченно. Объем памяти EEPROM сравнительно небольшой. Дня разных микросхем он составляет от 64 байт до 2 Кбайт. Для большинства задач этого вполне достаточно. Объем EEPROM для разных микросхем вы можете узнать из соответствующей колонки табл. 3.1.

     Записывать  информацию в EEPROM можно также при  помощи программатора. Причем для записи информации в память программ и в EEPROM используется один и тот же программатор. Такой порядок доступа к памяти позволяет при необходимости отказаться от программной перезаписи EEPROM и использовать эту память для хранения любых неизменяемых констант. Это увеличивает гибкость системы.

     Способы программирования Flash- и EEPROM-памяти

Микроконтроллеры AVR допускают несколько способов программирования Flash- и EEPROM-памяти. Основные способы такие:

■  параллельное программирование (Self-Prog);

     ■  последовательное программирование с  использованием SPI-интерфейса.

     При параллельном программировании программатор передает в микросхему

записываемые  данные побайтно, параллельным способом. То есть при помощи восьмипроводной  шины.

     При последовательном программировании используется специальный последовательный интерфейс, получивший название SPI. Посредством этого интерфейса данные передаются в микросхему последовательно, бит за битом, с использованием всего трех проводников. Последовательный способ гораздо медленнее, чем параллельный. Зато он более универсален и допускает программирование микросхемы без извлечения ИМС из схемы. В табл. 3.1 в графе «ISP (I), Self-Prog (S)» для каждой микросхемы показаны поддерживаемые способы программирования. Буква I означает наличие ISP, а буква S — наличие режима Self-Prog.

     Порты ввода—вывода

     Порты ввода—вывода — это обязательный атрибут любого микроконтроллера. Их количество для каждой конкретной микросхемы разное. Все порты микроконтроллеров AVR восьмиразрядные, но в некоторых случаях отдельные разряды не используются. Это связано с ограниченным количеством выводов (ножек) у микросхемы. У одних портов используются все восемь его линий. У других семь, шесть или даже три. Но для процессора порты остаются восьмиразрядными. Процессор всегда пишет в такие порты и читает из них полноценный байт информации. Неиспользуемые биты при записи просто теряются. При чтении байта из порта неиспользуемые разряды равны нулю.