Avr: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 19. November 2006, 03:25 Uhr

Beispiel eines AVR Controllers

AVR ist eine 8-Bit Microcontroller-Familie mit RISC-Architektur. Im Gegensatz zu vielen anderen Microcontroller-Architekturen hat die AVR-Architektur keine Vorgänger. Sie ist ein komplettes Neudesign, das Anfang der 90-Jahre an der Universität von Trondheim/Norwegen entwickelt und vom (bis heute einzigen) Hersteller Atmel aufgekauft wurde. Es gibt eine ganze Serie von AVR-Controllern. Sie alle werden ähnlich programmiert, haben vergleichbaren Befehlssatz und physikalische Eigenschaften, bieten jedoch unterschiedliche Features und Peripherie.

Es gibt zahlreiche und kostenlose Entwicklungssysteme in den Sprachen Basic, C/C++, Pascal und Assembler für diese Controller-Familie.

Wofür steht AVR?

"AVR" steht angeblich für Advanced Virtual RISC (in einem Paper der Entwickler des AVR-Kerns Alf Egin Bogen und Vegard Wollan). Laut Atmel bedeutet es nichts.

Hardware

AVR-Controller besitzen eine zweistufige Pipeline (fetch and execute), die es ermöglicht, die meisten Befehle innerhalb eines einzigen Prozessortaktes auszuführen. Dadurch ist ein AVR wesentlich schneller als etwa 8051-Controller, bei denen der Prozessortakt intern noch durch 12 geteilt wird.

• AVR-Kern
  • Harvard-Architektur (getrennter Befehls- und Datenspeicher)
  • 32 Register, kein Akkumulator, 3 Pointerregister
  • EEPROM-Datenspeicher
  • Watchdog, Bootloader-Support, verschiedene Stromspar-Modi, Brownout-Erkennung, Interner Oszillator
  • Lineares Speichermodell (keine Segmentierung)
  • 8-Bit Architektur ist für Hochsprachen (C) optimiert
• In-System programmierbar: die Controller können sehr einfach über ein Programmierkabel (oft ISP-Kabel genannt), das mit dem PC verbunden wird, programmiert werden – auch dann, wenn sie sich nicht in einer Schaltung befindet.
• umfangreiche Peripherie
  • 8- und 16-Bit-Timer/Counter mit PWM, Capture/Compare, externe Betaktung, asynchrone Operation
  • Kommunikation: USART, SPI, I2C (TWI)
  • Analog-Comparator, Analog-Digital-Wandler
  • unterschiedlichste externe und interne Interrupt-Quellen (UART, SPI, Timer, A/D-Wandler, Analog-Comparator, ...)
  • JTAG (Debugerinterface)
• AVR Typen (AT90 "Classic AVR", ATtiny, ATmega)
• erhältlich in unterschiedlichen Gehäusen, idR Durchsteck und als SMD
• Viele Entwicklungsboards erhältlich, z.B. das Roboternetzboard RN-Control

Einige Pinbelegungen der populärsten AVR-Controller

(in etwa nach Leistungsfähigkeit sortiert)

• AT90S2313

• Atmel Controller Mega8
• Atmel Controller Mega48 Mega88 Mega168

• Atmel Controller Mega16 und Mega32

• Atmel Controller Mega128 (SMD-Chip)

Die AVR-Pin-Bezeichnungen und deren Funktion

Die meisten Ports sind doppelt belegt und besitzen neben der normalen Port-Funktion noch eine Sonderfunktion. Die verschiedenen Pinbezeichnungen und Sonderfunktionen werden hier beschrieben:

Timer/Counter

Für Infos zu Timer und Counter siehe Artikel Timer/Counter (Avr).

Analog-Digital-Wandler

Für allgemeine Informationen zu dem Analog-Digital-Wandler siehe Artikel ADC.

Mit einem Analog-Digital-Wandler (ADC, für Analog Digital Converter) ist es mit den AVRs möglich, auf einfache Art und Weise analoge Größe in digitale Werte umzuwandeln. Dies bietet sich z.B. an, wenn man die Batteriespannung eines Roboters bestimmen möchte.

Kanäle

Ein AVR hat normalerweise nur einen ADC integriert. Öfters muss man aber mehrere analoge Größen von verschiedenen Quellen wandeln, deswegen besitzen die AVRs Kanäle (ein ATmega32 z.B. besitzt acht Kanäle auf Port A). Diese Kanäle werden dann mithilfe eines Multiplexer auf den ADC geschalten werden, der dann die anliegenden analoge Spannung in einen digitalten Wert wandelt.

Betriebsmodi

Der ADC bietet verschiedene Betriebsmodi. Diese wären:

• Single Conversation: Der ADC wandelt eine analoge Größe um und gibt diese zurück.
• Free Running: Der ADC wandelt wie in einer Endlosschleife ständig die anliegenden analogen Größen in digitale Werte um und gibt diese zurück.

Teilungsfaktor

Zum Wandeln benötigt der ADC einen eigenen Takt, der auf der Taktfrequenz des Mikrocontrollers basiert. Allerdings ist die Taktfrequenz des Mikrocontrollers zu schnell und deswegen wird diese durch den Vorteiler verkleinert. Der resultierende Takt muss zwischen 50kHz und 200kHz liegen. Folgende Teilungsfaktoren sind verfügbar:

Um zu bestimmen welcher Teilungsfaktor geeignet ist, kann man folgende Formel verwenden.
[math]Tacktfrequenz = 8 MHz[/math]
[math]Teilungsfaktor_{min} = {Tacktfrequenz \over {200 kHz}} = {{8000000 Hz} \over {200000 Hz}} = 40[/math]
[math]Teilungsfaktor_{max} = {Tacktfrequenz \over {50 kHz}} = {{8000000 Hz} \over {50000 Hz}} = 160[/math]
Deswegen kann man nun zwischen einem der folgenden Teilungsfaktor wählen: 64 und 128. Im Interesse der Geschwindigkeit sollte 64 gewählt werden.
Siehe bitte die Registerübersicht weiter unten. Dort wird gezeigt, welches Register entsprechend eingestellt werden muss, damit man einen der oben aufgelisteten Teilungsfaktoren auswählen kann.

Referenzspannung

Das Ergebnis der Wandlung des ADC bezieht sich auf eine bestimmt Referenzspannung. Diese Referenzspannung lässt sich bestimmen. Je nach gewählter Referenzspannung darf man nur eine zu messende Spannung an den Port anlegen, die nicht höher liegt als die Referenzspannung. Sonst würde dieser zerstört werden. Die Referenzspannung ist also gleich der maximal zu messenden Spannung. Um einzustellen welche Referenzspannung verwendet werden soll, gibt es den Register ADMUX. Folgende Quellen sind als Referenzspannung möglich:

Siehe bitte die Registerübersicht. Dort steht genauer wie man den Register einzustellen hat.
Man benötigt die Referenzspannung auch (oder besserer deren analoge Größe) um den Wert den der ADC zurückgibt in V umzurechnen. Um den zurückgegebenen Wert des ADC umzuwandel geht man so vor:

1. Bestimmen der Auflösung des ADC. Bei den ATMegas normalerweiße 10 Bit. 10 Bit entsprechen einer Stufung von 1024.
2. Ermitteln des digitalen Werts der analogen Größe. In der Beispielrechnung verwende ich den Wert 592.
3. Größe der Referenzspannung. In der Beispielrechnung wird 5V verwendet.

Mit diesen Werten kann folgende Berechnung ausführen.
[math]V = 592 * 5V[/math]
[math]V = 2960 / 2 ^{Bit} = 2960 / 2 ^{10} = \underline {\underline { 2{,}9V }}[/math]

Programmbeispiele

C/C++
Dieses Beispiel ist für die Atmel Controller Mega16 und Mega32 gedacht, die mit einer Taktfrequenz von 8 MHz laufen. Es ist unbedingt darauf zu achten nicht die Referenzspannung von 2,56V zu überschreiten! Sonst stirbt der Port. Je nach Einsatzart muss man das Beispielprogramm entsprechend abändern (also diese Zeile mit ADMUX |= (1<<REFS1) | (1<<REFS0);).

#include <avr/io.h>
#include <inttypes.h>

uint16_t readADC(uint8_t channel) {
	uint8_t i;
	uint16_t result = 0;
	
	// Den ADC aktivieren und Teilungsfaktor auf 64 stellen
	ADCSRA = (1<<ADEN) | (1<<ADPS2) | (1<<ADPS1);

	// Kanal des Multiplexers waehlen
	ADMUX = channel;
	// Interne Referenzspannung verwenden (also 2,56 V)
	ADMUX |= (1<<REFS1) | (1<<REFS0);
	
	// Den ADC initialisieren und einen sog. Dummyreadout machen
	ADCSRA |= (1<<ADSC);
	while(ADCSRA & (1<<ADSC));
	
	// Jetzt 3x die analoge Spannung and Kanal channel auslesen
	// und dann Durchschnittswert ausrechnen.
	for(i=0; i<3; i++) {
		// Eine Wandlung
		ADCSRA |= (1<<ADSC);
		// Auf Ergebnis warten...
		while(ADCSRA & (1<<ADSC));
		
		result += ADCW;
	}
	
	// ADC wieder deaktivieren
	ADCSRA &= ~(1<<ADEN);
	
	result /= 3;
	
	return result;
}

int main(void) {
	uint16_t result = readADC(0);	//Auslesen der analogen Spannungen an Pin 0,
					// also ADC0. In result steht das Ergebnis.
	return 0;
}

Bascom
Dieses Programmbeispiel ist für den Atmel Controller Mega32 gedacht. Es gibt nacheinander die Spannungen der einzelnen Kanäle (ADC0..7) aus. Dazwischen macht es immer 800 ms pause.

' Die gemessene Spannung wird in der Variablen W gespeichert.
' Channel ist der Pin, an dem die Spannung gemessen werden soll.

$baud = 9600
$crystal = 1000000
$regfile "m32def.dat"
Config Adc = Single , Prescaler = Auto
Start Adc
Dim W As Word , Channel As Byte
Channel = 0
Do
  W = Getadc(channel)
  Print "ADC-Pin " ; Channel ; ": Wert " ; W
  Incr Channel
  If Channel > 7 Then Channel = 0
  Waitms 800
Loop
End

Registerübersicht

Hinweis: Diese Registertabellen wurden für den aktuellen Atmel Controller Mega16 und Mega32 erstellt. Wenn Sie ein anderes Modell verwenden kann es sein, dass ein oder mehrere Register nicht existieren, oder sie eine andere Bezeichnung haben.

Des Weiteren gibt es noch den Register ADCL/ADCH in dem das Ergebnis einer Wandlung steht. Man liest den Wert folgendermaßen aus:

uint16_t x = ADCL;
x += (ADCH<<8);
// oder
x = ADCW;

Analog-Komparator

Für eine allgemeine Beschreibung des Komparators siehe Artikel Analog-Komparator.

Die meisten AVRs haben einen Komparator integriert. Dieser Komparator besitzt zwei Eingänge – einen normalen und einen invertierten. Wie in Analog Komparator beschrieben vergleicht der Komparator zwei Spannungen und gibt dann aus welche größer ist. Der Komparator der AVRs lässt sich weiter konfigurieren, siehe dazu die Registerübersicht.

Funktionsweise

Der Analoge-Komparator vergleicht die Eingangsspannungen der Pins AIN0 (+, Eingang für nicht invertierte Spannung) und AIN1 (-, Eingang für invertierte Spannung). Ist die Spannung an AIN0 höher ist als an AIN1 wird ACO gesetzt. Dieses Verhalten lässt sich natürlich verändern, so dass ACO z.B. auch gesetzt wird, wenn AIN1 höher als AIN0 ist. Siehe dazu die Registerübersicht

Kanäle

Muss man mehrere Größen „gleichzeitig“ (ich schreibe das in Anführungszeichen, weil ein Controller Aufgaben nicht parallel verarbeiten kann wohl aber sehr schnell hintereinander) vergleichen, gibt es (wie beim Analog-Digital-Wandler, kurz ADC) einen Multiplexer mit dessen Hilfe man die Kanäle des Multiplexers auf den Komparator schalten kann. Man kann (natürlich abhängig vom Modell, ich orientiere mich an einem ATmega32) die Pins ADC0..7 über dem Multiplexer mit dem Komparator verbinden und zwar mit dem invertierten Eingang des Komparators. Verwendet man den Multiplexer, muss der ADC allerdings deaktiviert sein. Folgende Pins sind als Eingänge wählbar.

Registerübersicht

Hinweis: Diese Registertabellen wurden für den aktuellen Atmel Controller Mega16 und Mega32 erstellt. Wenn Sie ein anderes Modell verwenden kann es sein, dass ein oder mehrere Register nicht existieren, oder sie eine andere Bezeichnung haben.

TWI/I2C

Für Details über das Two-wire Serial Interface (kurz TWI) siehe Artikel TWI.

UART/USART

Für Details über den UART/USART siehe Artikel UART.

SPI - Serial Peripheral Interface

Für Details über SPI siehe Artikel SPI.

Näheres zu SPI beim AVR siehe SPI (AVR).

USI - Universal Serial Interface

Für Infos zu USI (Universal Serial Interface) siehe Artikel USI (Avr).

Die Fusebits

Fusebits nennt man bestimmte Bits zur Konfigurierung eines AVR-Controllers. Bei der Auslieferung neuer AVR Controller sind die Fusebits bereits vorkonfiguriert. In vielen Fällen kann man die Konfiguration unverändert belassen, je nach Controllertyp. Bei den Typen Mega xxx bestimmen einige Fusebits beispielsweise, dass der interne Taktgeber aktiviert ist. Möchte man dagegen einen externen Quarz anschließen oder die Taktfrequenz ändern, so müssen auch die Fusebits geändert werden. Auch das Deaktivieren des "On Chip Debugging" Modus ist oft notwendig, wenn man alle Ports ausnutzen möchte.

Die Fusebits werden in der Regel über die Software eingestellt, welche auch für das Übertragen des Programmcodes zuständig ist. Besonders einfach geht dies beispielsweise mit der Entwicklungsumgebung Bascom. Aber auch andere Programme wie PonyProg können für die Umstellung der Fusebits genutzt werden. Einmal eingestellte Fusebits bleiben bis zur erneuten Fusebit-Änderung erhalten. Der normale Programmiermodus verändert die Fusebits nicht.

Je nach AVR Controllertyp sind unterschiedliche Fusebits (Einstellungen) vorhanden. Die genaue Beschreibung findet man im jeweiligen Datenblatt. Da aber falsch gesetzte Fusebit-Einstellungen zu den häufigsten Problemen gehören, liste ich hier die Funktion der üblichen Fusebits nochmals genauer auf:

Wie man die Fusebits mit Bascom einstellt, wird im Beitrag Bascom - Erstes Programm in den AVR Controller übertragen erläutert.

Autoren des Artikels: Frank, Luma

Siehe auch

• AVR-Einstieg leicht gemacht

Entwicklungsumgebungen

• Bascom - Basic-Entwicklungssystem
• Bascom - Erstes Programm in den AVR Controller übertragen
• avr-gcc - Leistungsfähiger AVR-Port des freien Compilers GCC
• WinAVR - Freies, kostenloses Werkzeugpaket mit avr-gcc, binutils, tools (make, Programmer's Notepad, avrdude, etc.) für MS-Windows.
• AVR Assembler Einführung (AvrStudio)

Hardware

• AVR-ISP Programmierkabel - Bauanleitung für die AVR Controller Programmierkabel
• RN-Control - Eines der beliebtestet AVR-Boards im Roboternetz
• RNBFRA-Board - Größeres Board mit zwei Atmel Controllern

Sonstiges

• Atmel
• HEX Beispiel-Dateien für AVR
• Bootloader
• On Chip Debugging

Weblinks

• Aktuelle AVR Vergleichstabelle
• Die Datenblätter zu Atmel Controllern
• Java Applet Timer Berechnung
• AvrTimer Windows Berechnungstool (für Bascom, nur nach Anmeldung)
• AVR-Baudraten-Rechner (JavaScript)