Главная
Программы
STM32 — это очень просто. Быстрое освоение микроконтроллеров STM32 Тут у нас возникает два противоречия

STM32 — это очень просто. Быстрое освоение микроконтроллеров STM32 Тут у нас возникает два противоречия

В последнее время на хабре появилось много статей по STM32 (). В комментариях неоднократно упоминается сложность STM32 по сравнению с AVR. Эта тема особенно влияет на новичков, которые хотят начать изучение микроконтроллеров, и, видя такое мнение, выбирают для изучения AVR. Давайте разберемся, так ли сложен этот зверь - STM32?

Для этого выберем недорогой вариант платы и напишем прошивку в десяток-другой байт (да-да, мигание светодиодом в 2 килобайта сродни «Hello world» в сотни килобайт x86 для неумех). Также научимся писать программы на любом языке программирования для STM32.

Вступление

Какой тип микроконтроллеров изучать? Этот вопрос, по-моему, аналогичен вопросам типа «Какой язык программирования изучать?», «Какой иностранный язык учить?». ИМХО, изучать нужно тот, который нужнее в данную минуту, для данной задачи. Когда знаешь что-то одно, изучение второго дастся намного легче, а на счет третьего и не задумаешься.

Итак, в чем же сложность STM32? Наиболее часто звучит мнение о сложности программирования его периферии. Количество и тип периферии STM32 и AVR примерно одинаков. Конфигурирование ее также не сильно отличается. Так в чем же сложность? В микроконтроллерах STM32 всю периферию нужно предварительно включать. Вот и вся сложность.

Я сравниваю AVR с общественными зданиями: все двери нараспашку, везде мониторы сверкают рекламой и свет горит, а STM32 с личным домом: хочешь телевизор посмотреть - включи сначала, потом переключай каналы, захотел пи-пи - открой дверь и включи там свет, руки помыть - открой воду, и так далее. Не верите? Убедимся вместе.

Обзор платы

Я выбрал самую дешевую плату из предложенных на aliexpress (рисунок выше). Чуть дороже $2, 180 рублей в декабре 2015. На борту минимальная обвязка: два кварцевых резонатора - высокочастотный на 8МГц и часовой на 32.768Гц, кнопка «сброс», два джампера выбора режима загрузки, пара светодиодов - на питание и на ножке PC13 и набор разъемов: microUSB, отладочный, две гребенки для всех выводов микроконтроллера.

Дешевле только купить все детали, сделать самому плату и спаять. Чем шить и отлаживать? Если есть ST-LINK, то лучше им, нет - не беда, есть еще несколько вариантов, например через USB-USART переходник, нет и его - можно напрямую через USB, правда нужно самому написать драйвер для такого случая, никто пока не озаботился. ST-LINK достаточно дешев, да и входит во все платы серии DISCOVERY. Вот и я воспользовался таким.

Подключаем питание, светодиод весело мигает, плата исправна. Скачиваем и устанавливаем программу-программатор (масло-масляное) «STM32 ST-LINK Utility» (все программы и документы берем на сайте производителя). Пытаемся считать прошивку… Программа защищена от чтения. Видимо, недаром все говорят о сложности написания программ для STM32, даже китайцы защитили эту сверхсложную программу от взлома. Или там спрятана закладка-вирус? Разбираться не будем, снимаем защиту и получаем девственно чистый микроконтроллер STM32F103C8T6.

Первая программа

Давайте тоже помигаем светодиодом, сделаем, так сказать, реверс-инжиниринг в уме родной прошивки. Чем? Чтобы не городить споры по выбору среды разработки, я это сделаю в родной Visual Studio Community. Мне кажется, для Windows лучше для мужчины нет.

Как там программа мигания для ардуины? Конфигурируем ножку на выход и в цикле переключаем ее с нуля на единицу и обратно.
А как будет выглядеть она же для STM32? Намного сложнее. Сначала включим свет в комнате конфигурации ножек микроконтроллера, а затем «Конфигурируем ножку на выход и в цикле переключаем ее с нуля на единицу и обратно». Я понимаю, сложно… Но мы справимся.

В документе «RM0008. Reference Manual» на наш микроконтроллер посмотрим карту памяти для нужных нам регистров.

- Пойдем простым и логическим ходом.
- Пойдем вместе.

1. Включим тактирование порта C (наш светодиод висит на ножке 13 порта C). Смотрим документ. Нужный нам регистр RCC_ABP2ENR (переводим: регистр сброса и тактирования - вторая низкоскоростная шина периферии). Адрес порта - 0x40021018, нужный бит IOPCEN (порт ввода-вывода C - бит разрешения) четвертый - 0x00000010.

Отступление

У микроконтроллеров все как у взрослых процессоров. Есть высокоскоростная шина AHB aka «Северный мост» и низкоскоростная APB aka «Южный мост». Сам процессор микроконтроллера умеет все для ускорения работы: имеет предвыборку команд, конвейер выполнения команд. Нет кеша, но процессор не намного быстрее памяти, и чтение-запись в память успевает выполняться за один такт. Так что, можно сказать, вся память микроконтроллера - это один большой кеш. Ладно-ладно, не один и не большой. Два маленьких кеша.
Вся периферия отображена (маппирована) на адресное пространство. По сравнению с x86 нет команд in-out, но и Intel оставил их только для совместимости, сейчас они практически не используются.


2. Сконфигурируем ножку на вывод. Смотрим документ. Нужный нам регистр GPIOC_CRH (переводим: регистр порта ввода-вывода C - конфигурационный регистр для старшей половины ножек). Адрес порта - 0x40011004, за конфигурацию каждой ножки отвечают 4 бита, значение для переключения ножки на выход - 0001b, для ножки 13 значение - 0x00100000.

3. Как переключить логическое значение на ножке. Смотрим документ. Нужный нам регистр GPIOC_ODR (переводим: регистр порта ввода-вывода C - регистр вывода данных). Адрес порта - 0x4001100С, его значение напрямую выводится в ножки микроконтроллера, для ножки 13 значение - 0x00002000. Все готово для написания программы (не забыть выложить проект на github):

Int main(void) { *((int*)0x40021018) = 0x00000010; // RCC_APB2ENR = RCC_APB2ENR_IOPCEN *((int*)0x40011004) = 0x00100000; // GPIOC_CRH = MODER_OUTPUT_13 while(1) { *((volatile int*)0x4001100C) ^= 0x00002000; // GPIOC_ODR ^= BIT_13 int i; for (i=1000000; i>0; i--) ; } } extern int _eram; __attribute__ ((section(".isr_vector"))) int g_pfnVectors = { (int)&_eram, // начальное значение стека (int)main // Reset Handler };
С векторами прерываний, надеюсь все понятно? Мы используем только два из них, поэтому незачем занимать память пустышками. Все остальные прерывания включаются программно, не включали - значит они никогда не сработают. Исключение - третий вектор HardFault, если случилось - микроконтроллер неисправен или сбоит, для простых проектов (не космос-авиация, не медицина) можно не обрабатывать.

Это учебный проект, конечно следует оформить все адреса как символические константы в отдельный h-файл с большим количеством дефайнов, как это сделано в CMSIS. Можно взять их и приспособить для своих нужд. Для компиляции использую gcc, прошивка с помощью «STM32 ST-LINK Utility». Прошивка заняла 56 байт (привет, ассемблер).

Еще отступление

Еще одно утверждение о сложности STM32 - мало документации на русском языке. Спорно. Необходимы только два документа - Datasheet и Reference Manual на нужный микроконтроллер. Язык на котором он написан сложно назвать английским. Я изучал язык по непереведенным игрушкам, уровень английского остался на том же уровне, но даташиты я читаю без проблем, незнакомые термины понятны из контекста.



Вроде много получилось, тогда на сегодня все.

Во второй половине расскажу о программировании STM32 на любом языке программирования.

Теги: STM32, микроконтроллеры-это-просто, ардуино-не-надо

Решил написать книгу …
… про реальную разработку устройств на stm32. Поэтому думаю обновления если и будут, то нерегулярным и в основном в виде кусочков из книги.
Что бы не было скучно, вот вам малюсенький кусочек, можно сказать бета-версия про кварцевые резонаторы и вообще частоты.

Сами по себе микроконтроллеры работать не умеют. Им нужны всякие сопутствующие элементы. Вот к примеру, STM32L05 умеет работать с USB без всяких внешних кварцевых резонаторов, а STM32L152 - нет. Если мы планируем использовать более-менее точное время в наших проектах, то нам жизненно необходим внешний часовой кварцевый резонатор. Без него уход времени на 5-10 минут в сутки станет совершенно нормальным. И более того, он будет не постоянным и зависеть от температуры, напряжения питания и кучи других вещей.

Но просто так читать даташиты смысла особого нет, ибо ничего в голове не откладывается. Я обычно начинаю рисовать схему, консультируясь с даташитами на предмет уровней и прочего, а с кубом - на предмет возможного назначения ножек и вообще конфигурации кристалла. Кстати о конфигурации.

Клоки, тайминги и шины

Одна из самых распространенных причин неработоспособности чего-либо - неправильная конфигурация частот и всего, что с этим связано. Наступило время раскрытия еще одной вкладки в кубе - Clock configuration. Я открыл новый проект, взял выбранный микроконтроллер, и включил rtc, usb и пару uart. Просто для примера. Открываем вкладку и видим примерно следующее

Слева «источники» тактовых сигналов, а справа - их «получатели». Пока сигнал дойдет с одного края до другого, он может пройти через умножители и делители, а может и напрямую. Для удобства красным подсвечивается то, что куб считает неправильным. Нет, вы можете нажать кнопку «сгенерировать код», скомпилировать полученное и залить (программист всегда прав!), но контроллер работать не будет.

Давайте начнем слева. У stm32 могут быть источники тактовых сигналов высокой (HS) и низкой (LS) частоты. Они могут быть внутренними (I) или внешними (E). Те, что сейчас в работе - подсвечиваются синим. Например, сейчас используется два источника - на 37 килогерц и на 16 мегагерц.

Теперь ваша задача пройти лабиринт, выставив все в нужных положениях. Задача осложняется тем, что можно выставить все в § «зеленое», но потом обнаружить, что частоту uart нельзя будет поднять больше 300бод. В общем, у программистов ST получилась этакая игрушка для взрослых. А теперь представьте, что раньше все это надо было рассчитывать руками, после неоднократного чтения документации и выяснить, будет ли это работать можно было только экспериментально.

В нашем случае все просто: изменив пару параметров в PLL (программируемый множитель), я легко добился исчезновения «красного». Почти.

Данной красной точкой авторы куба отсылают нас к документации, которая однозначно говорит, что без внешнего кварцевого резонатора не видать нам USB как своих ушей. Слишком «плавает» внутренний генератор, а использовать тактирование со стороны USB этот микроконтроллер не умеет.

Ок, идем на первую вкладку и около RCC видим такую картину

Disable - это понятно, выключено. Bypass - это прием тактового сигнала с внешнего источника. Ведь с stm можно сделать так, что бы куча микроконтроллеров работала в одном ритме, ибо это очень сильно облегчает вопросы взаимодействия чипов между собой. Например, так сделано на всех discovery платах, что я видел. Там в «программаторской» части стоит кварцевый резонатор, который «питает» чип программатора, а тот в свою очередь отдает тактовый сигнал чипу на плате. И ну последний пункт - это свой, так сказать, персональный кварцевый резонатор.

Так как у нас тестовый проект «на побаловаться», включаем оба на «резонатор» и смотрим, что получилось.

Как видно, частоту «часового» резонатора нам менять не дают, а вот частоту «быстрого» - сколько влезет. Опять придется идти в магазин и смотреть, какие есть, почем дают и подойдут ли нам.

Открываем даташит (я его на всякий случай положил в 02_switch) и ищем требования к кварцам. У кварцевых резонаторов, кроме частоты, есть еще два параметра – емкость и частота увода. Емкость в pF, нужна для расчета «запускающих» конденсаторов, а с ppm немного сложнее

Аббревиатура ppm означает parts per million или количество миллионных частей от основной частоты. Говоря иначе, погрешность 100 ppm для 100 МГц означает уход частоты на 100/1000000 часть от 100 МГц. Таким образом, частота может уйти на 100000000 * 100 / 1000000 = 10000 Гц (10 кГц, или 0.01 МГц), то есть финальная частота может быть любой в диапазоне 99.99 ... 100.01 МГц. Или говоря другими словами чем меньше ppm, тем лучше. Итак, смотрим в даташит и находим следующую табличку

Согласно ей у нас «высокоскоростной» кварц может быть от 0 до 32 мегагерц. Куб считает, что только до 24 можно (да и в других местах тоже идет речь про максимальную частоту в 24 мегагерца). Но я искренне рекомендую использовать параметры из Typ(ical) или «типичного» столбца. Как показывает моя практика, это наиболее беспроблемные цифры.

Говоря же про кварцы, то можно поиграться «соседними» по степени двойки частотами. То есть посмотреть на 2, 4, 8 и 16 мегагерц. Поиск осуществляем по уже описанной методике: дешевле, лучше и можно запаять руками.

Нашли? А теперь смотрим уже в даташит на кварцевый резонатор и ищем там параметр нагрузочная емкость. А потом снова в даташит, но уже процессора.

Как видно, там нужны с нагрузочной емкостью 20pF. А вот мне попадались либо 16, либо 32. Чего делать? Как обычно, читать даташит и смотреть на строчку «AN2867 "Oscillator design guide for ST microcontrollers"» (можно взять там же, где и остальные дополнительные файлы к книге).

Если кратко, то там есть следующая схема

и вот такая вот сложная формула

Воспользовавшись знаниями математики за 5 класс среднеобразовательной школы (хотя могу и ошибаться), решим это сложнейшее уравнение:
16 = (Х*X)/(X+X)+3
16-3=X*X/2*X
13=X/2
X=26
Итак, ответ ответ – конденсаторы CL1/2 должны быть 26pf. Таких в природе нет, зато есть 27pF, что нам более чем подходит.
Теперь надо подсчитать, запустится ли генератор. Там чуть дальше есть формула

Считаем
G=4*60*(2*3.14*(8*(10^6))^2*((7+16)*10^(-12))^2)
Возведение в степень я обозначил как ^, её же использует и excel.
Запутаться очень легко, поэтому я сделал простую считалку в excel (файл называется resonator)

Туда подставляем найденные значения и смотрим на значение в ячейке Gain. Согласно документации, оно должно быть больше 5. И чем больше, тем лучше. У меня вот получилось. Хотя если брать резонатор с нагрузочной в 32pF, то будет меньше. Аналогичную процедуру надо будет проделать и с «часовым» кварцем. Возвращаемся к кубу и выставляем значения, попутно щелкая переключателями, что бы нигде красного не было.

Как видим, везде все стало хорошо и микроконтроллер будет работать на максимальной для него частоте - 32 мегагерца.

А проверить?

Но вот гложет меня, правильно ли я подсчитал все. Надо провериться. Достаю описание на stm32l-discovery и открываю там схему. Нахожу часть с резонатором

Да и вообще, рассматривание схем чужих, гарантированно рабочих и предназначенных для огромных тиражей плат способно сильно продвинуть в решении вопросов «как это сделано».

Продолжение следует...

Программатор

Для заливки прошивки в память микроконтроллера и отладки программы используется интерфейс SWD, который требует вывода 4 линий:

  • GND - нужно объединить земли устройства и программатора;
  • SWDIO - линия, по которой передается побитово прошивка и осуществляется отладка;
  • SWSCK - синхронизирующий сигнал, необходим для отправки прошивки;
  • RESET - необходимо перезагрузить МК после заливки прошивки.

Ножки данных линий вы также можете найти в в соответствующем разделе.

Причиной перезагрузки МК могут служить следующие причины:

  • сброс;
  • низкий уровень NRST;
  • не хватка напряжения питания.

Обычно для внешней цепи сброса требуется подтягивающий резистор, однако МК STM32F1xx не нуждается во внешнем подтягивающем резисторе для сброса (ножка NRST). Рекомендуемая величина времязадающего конденсатора - 100 нФ.

Теперь, когда мы рассмотрели все вопросы, связанные с схемотехникой, пора перейти к вопросу разводки печатной платы.

О том, как прикрутить к микроконтроллеру ёмкостный сенсор прикосновения. Эта идея показалась мне довольно перспективной, некоторым приборам сенсорные клавиши подошли бы куда лучше механических. В этой статье я расскажу о своей реализации этой полезной технологии на основе отладочной платы STM32 Discovery.

Итак, только начав осваивать STM32, я решил в качестве упражнения добавить устройству способность определять прикосновения. Начав разбираться с теорией и практикой по вышеупомянутой статье, я повторил схему товарища "a. Она работала идеально, но мне, любителю минимализма, захотелось её упростить, избавившись от лишних элементов. Лишними на мой взгляд оказались внешний резистор и дорожка к питанию. Всё это уже есть в большинстве микроконтроллеров, в том числе в AVR и в STM32. Я имею в виду подтягивающие резисторы портов ввода/вывода. Почему бы не заряжать пластинку и наши пальцы через них? В ожидании подвоха я собрал на макетке схему, которая, к моему удивлению, заработала с первого же раза. Собственно говоря, схемой это называть даже смешно, ведь всё что нам нужно - это просто подсоединить контактную пластинку к ножке отладочной платы. Всю работу на себя возьмёт микроконтроллер.

Что же из себя представляет программа? Во первых две функции:
Первая выводит на ножку сенсора (нулевой пин регистра C) логический «0»

Void Sensor_Ground (void) { GPIOC->CRL = 0x1; GPIOC->BRR |= 0x1; }

Вторая настраивает тот же вывод на вход, с подтяжкой к питанию.

Void Sensor_InPullUp (void) { GPIOC->CRL = 0x8; GPIOC->BSRR |= 0x1; }

Теперь в начале цикла опроса вызовем Sensor_Ground(), и подождём некоторое время чтобы разрядить на землю весь остаточный заряд на сенсоре. Затем обнулим переменную count, которой будем считать время зарядки сенсора и вызовем Sensor_InPullUp().

Sensor_Ground(); Delay(0xFF); //простой пустой счётчик count = 0; Sensor_InPullUp();

Теперь сенсор начинает заряжаться через внутренний подтягивающий резистор номиналом порядка десятков КОм (30..50КОм у STM32). Постоянная времени такой цепи будет равняться считанным тактам, поэтому я поменял кварцевый резонатор на отладочной плате на более быстрый, 20МГц (кстати, я не сразу заметил, что оказывается на STM32 Discovery кварц меняется без пайки). Итак считаем такты процессора, пока на входе не появится логическая единица:

While(!(GPIOC->IDR & 0x1)) { count++; }

После выхода из этого цикла в переменной count будет храниться число, пропорциональное ёмкости сенсорной пластинки. В моём случае с чипом на 20МГц значение count равняется 1 при отсутствии нажатия, 7-10 при самом лёгком касании, 15-20 при нормальном прикосновении. Остаётся лишь сравнить её с пороговым значением и не забыть снова вызвать Sensor_Ground(), чтобы к следующему циклу опроса сенсор уже был разряжен.
Полученной чувствительности хватает для уверенного определения прикосновений к голым металлическим площадкам. При прикрытии сенсора листом бумаги или пластика чувствительность падает в три - четыре раза, хорошо определяются только уверенные нажатия. Чтобы увеличить чувствительность в случае, когда сенсор необходимо прикрыть защитным материалом, можно повысить тактовую частоту микроконтроллера. С чипом серии STM32F103, способном работать на частотах до 72МГц, помехой не будут и миллиметровые преграды между пальцем и сенсором.
По сравнению с реализацией "a, мой подход работает гораздо быстрее (порядка десятка тактов на опрос одного сенсора), поэтому я не стал усложнять программу, настраивая прерывания по таймеру.

Напоследок видео с демонстрацией работы сенсора.

Main.c тестовой программы.

На микроконтроллер

Cпасибо пользователю за очень полезную статью ARM-микроконтроллеры STM32F. Быстрый старт c STM32-Discovery , пользователю за идею и доходчивое теоретическое описание.

UPD. После комментариев "a я решил разобраться с тактированием и обнаружил, что по умолчанию STM32 Discovery настроен на тактовую частоту
(HSE / 2) * 6 = 24 MHz, где HSE - частота внешнего кварца. Соответственно поменяв кварц с 8 на 20 МГц, я заставил бедную STM"ку работать на 60 МГц. Так что во-первых, некоторые из выводов очевидно не совсем верны, во-вторых то чем я занимался может привести к сбоям чипа. На случай таких сбоев в микроконтроллере есть HardFault прерывание, воспользовавшись им, я проверил более высокие частоты. Так вот, сбоить чип начинает только на 70 МГц. Но хотя эту конкретную программу контроллер переваривает на 60МГц, при использовании периферии или работе с Flash памятью он может повести себя непредсказуемо. Вывод: относитесь к данному топику как к эксперименту, повторяйте только на свой страх и риск.

Казалось бы простая тема, а однако в комментах меня завалили вопросами как подключить микроконтроллер. Как подключить к нему светодиод, кнопку, питание. Что делать с AGND или AREF . Зачем нужен AVCC и все в таком духе. Итак, раз есть вопросы, значит тема не понятна и надо дать по возможности исчерпывающий ответ. Все описываю для контроллеров AVR, но для каких нибудь PIC все очень и очень похоже. Т.к. принципы тут едины.

Питание
Для работы микроконтроллеру нужна энергия — электричество. Для этого на него естественно нужно завести питалово. Напряжение питание у МК Atmel AVR разнится от 1.8 до 5 вольт, в зависимости от серии и модели. Все AVR могут работать от 5 вольт (если есть чисто низковольтные серии, то просьба уточнить в комментах, т.к. я таких не встречал). Так что будем считать что напряжение питания контроллера у нас всегда 5 вольт или около того. Плюс напряжения питания обычно обозначается как Vcc . Нулевой вывод (а также Земля, Корпус, да как только его не называют) обозначают GND . Если взять за пример комповый блок питания. То черный провод это GND (кстати, земляной провод традиционно окрашивают в черный цвет), а красный это +5, будет нашим Vcc . Если ты собираешься запитать микроконтроллер от батареек, то минус батареек примем за GND , а плюс за Vcc (главное чтобы напряжение питания с батарей было в заданных пределах для данного МК, позырь в даташите. Параметр обычно написан на первой странице в общем описании фич:

Operating Voltages
–1.8 — 5.5V (ATtiny2313V)
–2.7 — 5.5V (ATtiny2313)
Speed Grades
–ATtiny2313V: 0 — 4 MHz @ 1.8 — 5.5V, 0 — 10 MHz @ 2.7 — 5.5V
–ATtiny2313: 0 — 10 MHz @ 2.7 — 5.5V, 0 — 20 MHz @ 4.5 — 5.5V

Обрати внимание, что есть особые низковольтные серии (например 2313V низковльтная) у которых нижня граница напряжения питания сильно меньше. Также стоит обратить внимание на следующий пункт, про частоты. Тут показана зависимость максимальной частоты от напряжения питания. Видно, что на низком напряжении предельные частоты ниже. А низковольтные серии раза в два медленней своих высоковольтных коллег. Впрочем, разгону все процессоры покорны;)))))

Для работы контроллерам серии AVR достаточно только питания. На все входы Vcc надо подать наши 5 (или сколько там у тебя) вольт, а все входы GND надо посадить на землю. У микроконтроллера может быть много входов Vcc и много входов GND (особенно если он в квадратном TQFP корпусе. У которого питалово со всех сторон торчит). Много выводов сделано не для удобства монтажа, а с целью равномерной запитки кристалла со всех сторон, чтобы внутренние цепи питания не перегружались. А то представь, что подключил ты питалово только с одной стороны, а с другой стороны чипа навесил на каждую линию порта по светодиоду, да разом их зажег. Внутренняя тонкопленочная шина питания, офигев от такой токовой нагрузки, испарилась и проц взял ВНЕЗАПНО и без видимых, казалось бы, причин отбросил копыта. Так что ПОДКЛЮЧАТЬ НАДО ВСЕ ВЫВОДЫ Vcc и GND . Соединить их соответственно и запитать.

Отдельные вопросы вызвают AGND и AVCC — это аналоговая земля и питание для Аналого-Цифрового Преобразователя. АЦП это очень точный измеритель напряжения, поэтому его желательно запитать через дополнительные фильтры, чтобы помехи, которые не редки в обычной питающей цепи, не влияли на качество измерения. С этой целью в точных схемах проводят разделение земли на цифровую и аналоговую (они соединены должны быть только в одной точке), а на AVCC подается напряжение через фильтрующий дроссель. Если ты не планируешь использовать АЦП или не собираешься делать точные измерения, то вполне допустимо на AVCC подать те же 5 вольт, что и на Vcc , а AGND посадить на ту же землю что и все. Но подключать их надо обязательно!!! ЕМНИП от AVCC питается также порт А.

Warning!!!

В чипе Mega8 похоже есть ошибка на уровне топологии чипа — Vcc и AVcc связаны между собой внутри кристалла. Между ними сопротивление около (!!!) 5Ом Для сравнения, в ATmega16 и ATmega168 между Vcc и AVcc сопротивление в десятки МЕГА ом! В даташите на этот счет никаких указаний нет до сих пор, но в одном из топиков за 2004 год на AVRFreaks сказано, что люди бодались с цифровым шумом АЦП, потом написали в поддержку Atmel мол WTF??? А те, дескать, да в чипе есть бага и Vcc и AVcc соединены внутри кристалла. В свете этой инфы, думаю что ставить дроссель на AVcc для Mega8 практически бесполезно. Но AVcc запитывать надо в любом случае — кто знает насколько мощная эта внутренняя связь?

Простейшая схема подключения Микроконтроллера AVR приведена ниже:

Как видишь, добавился дроссель в цепь питания AVCC , а также конденсаторы. Хорошим тоном является ставить керамический конденсатор на сотню нанофарад между Vcc и GND у каждой микросхемы (а если у микрухи много вход питания и земель, то между каждым питанием и каждой землей) как можно ближе к выводам питания — он сгладит краткие импульсные помехи в шине питания вызыванные работой цифровых схем. Конденсатор на 47мКФ в цепи питания сгладит более глубокие броски напряжения. Кондесатор между AVcc и GND дополнительно успокоит питание на АЦП .

Вход AREF это вход опорного напряжения АЦП . Туда вообще можно подать напряжение относительно которого будет считать АЦП , но обычно используется либо внутренний источник опорного напряжения на 2.56 вольта, либо напряжение на AVCC , поэтому на AREF рекомендуется вешать конденсатор, что немного улучшит качество опорного напряжения АЦП (а от качества опоры зависит адекватность показаний на выходе АЦП ).

Схема сброса
Резистор на RESET . Вообще в AVR есть своя внутренняя схема сброса, а сигнал RESET изнутри уже подтянут резистором в 100кОм к Vcc . НО! Подтяжка это настолько дохлая, что микроконтроллер ловит сброс от каждого чиха. Например, от касания пальцем ножки RST , а то и просто от задевания пальцем за плату. Поэтому крайне рекомендуется RST подтянуть до питания резистором в 10к. Меньше не стоит, т.к. тогда есть вероятность, что внутрисхемный программатор не сможет эту подтяжку пересилить и прошить МК внутри схемы не удасться. 10к в самый раз.

Есть еще вот такая схема сброса:

Она замечательна чем — при включении схемы конденсатор разряжен и напряжение на RST близко к нулю — микроконтроллер не стартует, т.к. ему непрерывный сброс. Но со временем, через резистор, конденсатор зарядится и напряжение на RST достигнет лог1 — МК запустится. Ну, а кнопка позволяет принудительно сделать сброс если надо.

Задержка будет примерно T=R*C для данного примера — около секунды. Зачем эта задержка? Да хотя бы для того, чтобы МК не стартовал раньше чем все девайсы платы запитаются и выйдут на установившийся режим. В старых МК (АТ89С51 , например) без такой цепочки, обеспечивающей начальный сброс, МК мог вообще не стартануть.

В принципе, в AVR задержку старта, если нужно, можно сделать программно — потупить с пол секунды прежде чем приступать к активным действиям. Так что кондер можно выкинуть нафиг. А кнопку… как хочешь. Нужен тебе внешний RESET ? Тогда оставь. Я обычно оставляю.

Источник тактового сигнала
Тактовый генератор это сердце микроконтроллера. По каждому импульсу происходит какая нибудь операция внутри контроллера — гоняют данные по регистрам и шинам, переключаются выводы портов, щелкают таймеры. Чем быстрей тактовая частота тем шустрей МК выполняет свои действия и больше жрет энергии (на переключения логических вентилей нужна энергия, чем чаще они переключаются тем больше энергии надо).

Импульсы задаются тактовым генератором встроенным в микроконтроллер. Впрочем может быть и внешний генератор, все очень гибко конфигурируется! Скорость с которой тикает внутренний генератор зависит от настроек микроконтроллера и обвязки.


Генератор может быть:

  • Внутренним с внутренней задающей RC цепочкой.
    В таком случае никакой обвязки не требуется вообще! А выводы XTAL1 и XTAL2 можно не подключать вовсе, либо использовать их как обычные порты ввода вывода (если МК это позволяет). Обычно можно выбрать одно из 4х значений внутренней частоты. Этот режим установлен по дефолту .
  • Внутренним с внешней задающей RC цепочкой.
    Тут потребуется подключить снаружи микроконтроллера конденсатор и резистор. Позволяет менять на ходу тактовую частоту, просто подстраивая значение резистора.
  • Внутренним с внешним задающим кварцем.
    Снаружи ставится кварцевый резонатор и пара конденсаторов. Если кварц взят низкочастотный (до 1МГц) то конденсаторы не ставят.
  • Внешним.
    С какого либо другого устройства идет прямоугольный сигнал на вход МК, который и задает такты. Полезен этот режим, например, если надо чтобы у нас несколько микроконтроллеров работали в жестком синхронизме от одного генератора.

У разных схем есть разные достоинства:
В случае внутренней RC цепи мы экономим место на плате, нам не нужно дополнительных деталек, но мы не можем развить максимальную частоту и частота немного зависит от температуры, может плавать.

У внешнего кварца отличные показатели точности, но он стоит лишних 15 рублей и требует дополнительных деталей и, что самое обидное, часто съедает пару ног I/O. Также на внешнем же кварце можно добиться максимальной производительности от МК. Частота МК определяется частотой на которую заточен выбранный кварц. Внешная RC цепь позволяет тикать генератору МК быстрей чем от внутренней, стоит дешевле кварца, но имеет те же проблемы со стабильностью частоты, что и внутренняя RC цепь.

Способы тактования МК описаны в даташите в разделе System Clock and Clock Options и всецело определяются конфигурацией Fuse Bit’s . Пока же я настоятельно рекомендую НЕ ТРОГАТЬ FUSE пока ты не будешь твердо знать что ты делаешь и зачем. Т.к. выставив что нибудь не то, можно очень быстро превратить МК в кусок бесполезного кремния, вернуть к жизни который будет уже очень непросто (но возможно!)

Подключение к микроконтроллеру светодиода и кнопки
Сам по себе, без взаимодействия с внешним миром, микроконтроллер не интересен — кому интересно что он там внутри себя тикает? А вот если можно как то это отобразить или на это повлиять…

Итак, кнопка и светодиод подключаются следующим образом:

Для кнопки надо выбраную ножку I/O подключить через кнопку на землю. Сам же вывод надо сконфигурировать как вход с подтяжкой (DDRxy=0 PORTxy=1). Тогда, когда кнопка не нажата, через подтягивающий резистор, на входе будет высокий уровень напряжения, а из бит PINху будет при чтении отдавать 1. Если кнопку нажать, то вход будет положен на землю, а напряжение на нем упадет до нуля, а значит из PINxy будет читаться 0. По нулям в битах регистра PINх мы узнаем что кнопки нажаты.

Пунктиром показан дополнительный подтягивающий резистор. Несмотря на то, что внутри AVR на порт можно подключить подтяжку, она слабоватая — 100кОм. А значит ее легко придавить к земле помехой или наводкой, что вызовет ложное срабатывание. А еще эти внутренние подтягивающие резисторы очень любят гореть от наводок. У меня уже с десяток микроконтроллеров с убитыми PullUp резисторами. Все работает, но только нет подтяжки — сгорела. Вешаешь снаружи резистор и работает как ни в чем ни бывало. Поэтому, для ответственных схем я настоятельно рекомендую добавить внешнюю подтяжку на 10кОм — даже если внутреннюю накроет, внешняя послужит. В процессе обучения на это можно забить.

Светодиод подключается на порт двумя способами. По схеме Порт-земля или Порт-Питание . В первом случае для зажигания диода надо выдать в порт лог1 — высокий уровень (примерно равен Vcc). Во втором случае для зажжения диода требуется выдать в порт лог0 — низкий уровень (около нуля). Для AVR разницы вроде бы нет, а вот многие старые серии микроконтроллеров вниз тянули куда лучше чем вверх, так что схема Порт-Питание распространена чаще. Я применяю и ту и другую схему исходя из удобства разводки печатной платы. Ну, а на программном уровне разницы особой нет.
Вывод порта для работы со светодиодом надо сконфигурировать на выход (DDRxy=1) и тогда в зависимости от значения в PORTxy на ножке будет либо высокий либо низкий уровень напряжения.

Светодиод надо подключать через резистор . Дело в том, что прямое сопротивление светодиода очень мало. И если не ограничивать ток через него, то он просто напросто может сгореть нафиг. Либо, что вероятней, пожечь вывод микроконтроллера, который, к слову, может тянуть что то около 20-30мА. А для нормального свечения обычному светодиоду (всякие мы не рассматриваем сейчас, эти монстры могут и ампер сожрать) надо около 3…15мА.

Так что, на вскидку, считаем:

  • Напряжение на выходе ноги МК около 5 вольт, падение напряжени на светодиоде обычно около 2.5 вольт (выше нельзя, иначе диод сожрет тока больше чем надо и подавится, испустив красивый дым)
  • Таким образом, напряжение которое должен взять на себя ограничительный резистор будет 5-2.5 = 2.5В.
  • Ток нам нужен 5мА — нефига светодиод зря кормить, нам индикация нужна, а не освещение:)
  • R=U/I= 2.5/5E-3 = 500Ом. Ближайший по ряду это 510 Ом. Вот его и возьмем. В принципе, можно ставить от 220 Ом до 680 Ом что под руку попадется — гореть будет нормально.

Если надо подключить много светодиодов, то на каждый мы вешаем по собственному резистору. Конечно, можно пожадничать и поставить на всех один резистор. Но тут будет западло — резистор то один, а диодов много! Соответственно чем больше диодов мы запалим тем меньше тока получит каждый — ток от одного резистора разделится между четырьмя. А поставить резистор поменьше нельзя — т.к. при зажигании одного диода он получит порцию тока на четверых и склеит ласты (либо пожгет порт).

Немного схемотехнических извратов или пара слов о экономии выводов

То что не удается запаять приходится программировать. (С) народная мудрость.

Очень часто бывает так, что вроде бы и памяти контроллера под задачу хватает с лихвой, и быстродействия через край, а ножек не хватает. Вот и приходится ставить избыточный и более дорогой микроконтроллер только потому, что у него банально больше выводов. Покажу парочку примеров как можно за счет усложнения программного кода сэкономить на железе.

Во главу угла такой экономии обычно ставится принцип динамического разделения назначения выводов во времени. То есть, например, вывод может работать на какую-либо шину, а когда шина не активна, то через этот же вывод можно проверить состояние кнопки, или что нибудь передать по другой шине. Быстро (десятки или даже тысячи раз в секунду) переключаясь между двумя разными назначениями можно добиться эффекта «одновременной работы».

Главное, тут следовать двум правилам:

  • Два разных применения не должны мешать друг другу т.е. разделение во времени должно быть построено таким образом, чтобы смежная функция не искажала результат работы проверяемой функции.
  • Ни в коем случае нельзя допускать конфликта уровней напряжений.

Приведу пример:

  • У есть у нас вывод на который повешан выход с некого датчика и кнопка. Выход с датчика может быть 0, 1 в активном режиме и Hi-Z когда на датчик не приходит сигнал Enable.
  • Кнопка же дает на линию жесткий 0, путем короткого замыкания.

Как это должно работать:
Скажем, основную часть времени у нас ввод микроконтроллера настроен на вход Hi-Z и мы снимаем показания с датчика на который подан еще и сигнал Enable. Когда нам надо опросить кнопку, то мы отбираем у датчика Enable и его выходы становятся в режим Hi-Z и нам не мешают. Вывод микроконтроллера мы переводим в режим Pull-Up и проверяем нет ли на входе нуля — сигнал нажатой кнопки. Проверили? Переводим вход МК в Hi-Z вход и подаем Enable на датчик снова. И так много раз в секунду.

Тут у нас возникает два противоречия:

  • Логическое противоречие
    0 на линии может быть в двух случаях от датчика или от кнопки. Но в этом случае, пользуясь здравым смыслом и требуемым функционалом, мы логическое противоречие можем не брать во внимание.

    Просто будем знать, что нажатие кнопки искажает показания датчика, а значит когда датчик работает — мы кнопку жать не будем. А чтобы показания датчика не принять за нажатие кнопки мы, в тот момент когда ждем данные с датчика, просто не опрашиваем кнопку. От тупых действий, конечно, это не защитит. Но для упрощения примера защиту от дурака я сейчас во внимания не беру.

  • Электрическое противоречие
    Если датчик выставит 1, а мы нажмем кнопку, то очевидно, что GND с Vcc в одном проводе не уживутся и кто нибудь умрет. В данном случае умрет выход датчика, как более слабый — куда там хилому транзистору тягаться с медной кнопкой.

    Организационными методами такое противоречие не решить — на глаз нельзя определить напряжение на линии и решить можно жать кнопку или нет. Да и в каком месте сейчас программа можно тоже только догадываться. Поэтому решать будем схемотехнически.
    Добавим резистор в цепь кнопки, резистор небольшой, рассчитывается исходя из максимального тока самого слабого вывода линии.

    Если у нас, например, вывод датчика может дать не более 10мА, то резистор нужен такой, чтобы ток через него от Vcc до GND не превышал этой величины. При питании 5 вольт это будет 510Ом. Теперь, даже если на линии со стороны датчика будет лог1, высокий уровень, то нажатие на кнопку не вызовет даже искажения логического уровня т.к. резистор рассчитан с учетом максимальной нагрузки порта

Пример получился немного сумбурный, но суть думаю понятна. Я хочу чтобы ты увидел и понял не только как делается, но и зачем это делается:)

Ну и несколько примеров нескольких функций на одной ноге:
Во-первых, ISP разьем . Я уже давным давно забыл что такое тыкать микроконтроллер вначале в колодку программатора, потом в плату, потом обратно и так по многу раз, пока прогу не отладишь. У меня на плате торчат 6 выводов ISP разьема и при отладке программатор вечно воткнут в плату, а программу я перешиваю порой по нескольку раз в 10 минут. Прошил — проверил. Не работает? Подправил, перепрошил еще раз… И так до тех пор пока не заработает. Ресурс у МК на перепрошивку исчисляется тысячами раз. Но ISP разьем сжирает выводы. Целых 3 штуки — MOSI, MISO, SCK.

В принципе, на эти выводы можно еще повесить и кнопки. В таком случае никто никому мешать не будет, главное во время прошивки не жать на эти кнопки. Также можно повесить и светодиоды (правда в этом случае простейший может дать сбой, а вот молодцом!) тогда при прошивке они будут очень жизнерадостно мерцать:)))

На линии под ISP можно повесить и что нибудь другое, главное, чтобы при прошивке это ЧТОТО не начало ВНЕЗАПНО чудить . Например, управление стокилограммовым манипулятором висит на линии ISP и во время прошивки на него пошла куча бредовых данных — так он может свихнуться и кому нибудь бошку разнести. Думать надо, в общем. А вот с каким нибудь , который работает по шинному интерфейсу прокатит такая схема:

Переключаем выход с 0 на 1 и зажигаем то верхний то нижний диод. Если надо зажечь оба, то мы просто переводим вывод микроконтроллера в режим Hi-Z и словно нет его, а диоды будут гореть сквозным током. Либо быстро быстро переключать диоды между собой, в этом случае на глаз они будут оба гореть. Недостаток схемы очевиден — диоды нельзя погасить. Но если по задумке хотя бы один должен гореть, то почему бы и нет? UPD: Тут подумал, а ведь можно подобрать светодиоды и резисторы так, чтобы их суммарное падение напряжения было на уровне напряжения питания, а суммарные резисторы в таком случае загонят ток в такой мизер, что когда нога в Hi-Z то диоды вообще гореть не будут. По крайней мере на глаз это будет не заметно совсем. Разве что в кромешной тьме.

Следующий вариант он не дает экономию ножек, зато позволяет упростить разводку печатной платы, не таща к двум диодам еще и шину питания или земли:

А применив сходную тактику к кнопкам можно либо упростить разводку, либо по трем ножкам развести 6 кнопок.
Тут тоже все просто — одна нога дает подтяг, вторая косит под землю. Нажатие кнопки дает просадку напряжения на подтягивающей ножке. Это чует программа, поочередно опрашивающая каждую кнопку. Потом роли ножек меняются и опрашивается следующая кнопка.

В шестикнопочном режиме ситуация схожая — одна ножка дает подтяг, другая землю, а третья прикидывается ветошью Hi-Z и не отсвечивает. Но тут есть один побочный эффект. Например, опрашиваем мы кнопку «В». Для этого у нас верхняя линия встает на вход с подтяжкой (PORTxy=1, DDRxy=0), средня дает низкий уровень на выходе (PORTxy=0, DDRxy=1), нижняя не участвует в процессе ибо стоит в Hi-Z (PORTxy=0, DDRxy=0). Если мы нажмем кнопку «В» то верхняя линия в этот момент просядет и программа поймет что нажата кнопка «В», но если мы не будем жать «В», а нажмем одновременно «Е» и «Б» то верхняя линия также просядет, а программа подумает что нажата «В», хотя она там и рядом не валялась. Минусы такой схемы — возможна неправильная обработка нажатий. Так что если девайсом будут пользоваться быдло-операторы, жмущие на все подряд без разбора, то от такой схемы лучше отказаться.

Ну и, напоследок, схема показывающая как можно обьединить кнопку и светодиод:

Работает тоже исключительно в динамике. То есть все время мы отображаем состояние светодиода — то есть выдаем в порт либо 0 (диод горит) либо Hi-Z (диод не горит). А когда надо опросить кнопку, то мы временно (на считанные микросекунды) переводим вывод в режим вход с подтягом (DDRxy=0 PORTxy=1) и слушаем кнопку. Режим когда на выводе сильный высокий уровень (DDRxy=1 PORTxy=1) включать ни в коем случае нельзя, т.к. при нажатии на кнопку можно пожечь порт.

Минусы — при нажатии на кнопку зажигается светодиод как ни крути. Впрочем, это может быть не багой, а фичей:)

Вот такие пироги. А теперь представьте себе прогу в которой реализованы все эти динамические фичи + куча своего алгоритма. Выходит либо бесконечная череда опросов, либо легион всяких флагов. В таких случаях простейшая диспетчеризация или кооперативная это то что доктор прописал — каждый опрос гонишь по циклу своей задачи и не паришься. Зато юзаешь везде какую-нибудь ATTiny2313 и ехидно глядишь на тех кто в ту же задачу пихает Mega8 или что пожирней:)

Я ничего не знаю и боюсь что либо сжечь, что мне делать???

Не бояться и делать. В конце концов, микроконтроллер не такая уж дорогая вещь чтобы сокрушаться по поводу его смерти. Выкинул в помойку и достал из пакетика новый. На худой конец, если совсем уж страшно, то можно купить готовую демоплату на которой все уже спаяно и разведено как надо. Тебе останется только программировать и смотреть результат.

А потом, на примере того как сделана демоплата, попробовать сделать что то свое. Сама же демоплата представляет собой микроконтроллер + немного стартовой периферии, которой хватит на ряд несложных опытов и которая может облегчить подключение и исследование других устройств. Демоплаты есть разные, например фирменные комплексы вроде STK500 или AVR Butterfly или моя которая была спроектированна исходя из моего опыта и на которой будет строится весь дальнейший учебный курс.

Разделы