Управление синтезатором частот с помощью микпроцессора

Для каждого события может быть установлен приоритет. Понятие приоритет означает, что выполняемая подпрограмма прерывания может быть прервана другим событием только при условии, что оно имеет более высокий приоритет, чем текущее. В противном случае центральный процессор перейдет к обработке нового события только после окончания обработки предыдущего.

Таймеры/счетчики. Микроконтроллеры AVR имеют в своем составе от 1 до 4 таймеров/счетчиков с разрядностью 8 или 16 бит, которые могут работать и как таймеры от внутреннего источника тактовой частоты, и как счетчики внешних событий.

Их можно использовать для точного формирования временных интервалов, подсчета импульсов на выводах микроконтроллера, формирования последовательности импульсов, тактирования приемопередатчика последовательного канала связи. В режиме PWM таймер/счетчик может представлять собой широтно-импульсный модулятор и используется для генерирования сигнала с программируемыми частотой и скважностью. Таймеры/счетчики способны вырабатывать запросы прерываний, переключая процессор на их обслуживание по событиям и освобождая его от необходимости периодического опроса состояния таймеров. Поскольку основное применение микроконтроллеры находят в системах реального времени, таймеры/счетчики являются одним из наиболее важных элементов.

Сторожевой таймер (WDT). Сторожевой таймер (watchdogtimer) предназначен для предотвращения катастрофических последствий от случайных сбоев программы. Он имеет свой собственный RC-генератор, работающий на частоте 1 МГц. Как и для основного внутреннего RC-генератора, значение 1 МГц является приближенным и зависит, прежде всего, от величины напряжения питания микроконтроллера и от температуры.

Идея использования сторожевого таймера предельно проста и состоит в регулярном его сбрасывании под управлением программы или внешнего воздействия до того, как закончится его выдержка времени и не произойдёт сброс процессора. Если программа работает нормально, то команда сброса сторожевого таймера должна регулярно выполняться, предохраняя процессор от сброса. Если же микропроцессор случайно вышел за пределы программы (например, от сильной помехи по цепи питания) либо зациклился на каком-либо участке программы, команда сброса сторожевого таймера, скорее всего не будет выполнена в течение достаточного времени и произойдёт полный сброс процессора, инициализирующей все регистры и приводящий систему в рабочее состояние.

Аналоговый компаратор (АС). Аналоговый компаратор (analog comparator) сравнивает напряжения на двух выводах микроконтроллера. Результатом сравнения будет логическое значение, которое может быть прочитано из программы.

Выход аналогового компаратора можно включить на прерывание от аналогового компаратора. Пользователь может установить срабатывание прерывания по нарастающему или спадающему фронту или по переключению. [2, С.63-65]

Аналого-цифровой преобразователь. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) служит для получения числового значения напряжения, поданного на его вход. Этот результат сохраняется в регистре данных АЦП. Какой из выводов микроконтроллера будет являться входом АЦП, определяется числом, занесенным в соответствующий регистр.

Универсальный последовательный приемопередатчик (UART или USART).Универсальный асинхронный или универсальный синхронно/асинхронный приемопередатчик (universal synchronous/ asynchronous receiverand transmitter - UART или USART) - удобный и простой последовательный интерфейс для организации информационного канала обмена микроконтроллера с внешним миром. Способен работать в дуплексном режиме (одновременная передача и прием данных). Он поддерживает протокол стандарта RS-232, что обеспечивает возможность организации связи с персональным компьютером. Для стыковки МК и компьютера обязательно понадобится схема сопряжения уровней сигналов.

Последовательный периферийный интерфейс SPI.Последовательный периферийный трехпроводный интерфейс SPI предназначен для организации обмена данными между двумя устройствами. С его помощью может осуществляться обмен данными между микроконтроллером и различными устройствами, такими, как цифровые потенциометры, ЦАП/АЦП, FLASH-ПЗУ и др. С помощью этого интерфейса удобно производить обмен данными между несколькими микроконтроллерами AVR.

Кроме того, через интерфейс SPI может осуществляться программирование микроконтроллера.

Двухпроводной последовательный интерфейс TWI.Двухпроводной последовательный интерфейс TWI (Two-wireserialinterface) является полным аналогом базовой версии интерфейса I2C (двухпроводная двунаправленная шина). Этот интерфейс позволяет объединить вместе до 128 различных устройств с помощью двунаправленной шины, состоящей из линии тактового сигнала и линии данных.

Интерфейс JTAG. Интерфейс JTAG был разработан группой ведущих специалистов по проблемам тестирования электронных компонентов (jointtestactiongroup) и был зарегистрирован в качестве промышленного стандарта. Четырехпроводной интерфейс JTAG используется для тестирования печатных плат, внутрисхемной отладки, программирования микроконтроллеров.

Многие микроконтроллеры семейства Mega имеют совместимый интерфейс JTAG для встроенной отладки. Кроме того, все микроконтроллеры Mega с флэш-памятью емкостью 16 кбайт и более могут программироваться через интерфейс JTAG.

Тактовый генератор. Тактовый генератор вырабатывает импульсы для синхронизации работы всех узлов микроконтроллера. Внутренний тактовый генератор AVR может запускаться от нескольких источников опорной частоты (внешний генератор, внешний кварцевый резонатор, внутренняя или внешняя RC-цепочка). Минимальная допустимая частота ничем не ограничена (вплоть до пошагового режима). Максимальная рабочая частота определяется конкретным типом микроконтроллера и указывается Atmel в его характеристиках, хотя практически любой AVR-микроконтроллер с заявленной рабочей частотой, например, в 10 МГц при комнатной температуре легко может быть «разогнан» до 12 МГц и выше. [1, С.68-78]

Система реального времени (RTC).RTC реализована во всех микроконтроллерах Mega и в двух кристаллах «classic». Таймер/счетчик RTC имеет отдельный предохранитель, который может быть программным способом подключен или к источнику основной тактовой частоты, или к дополнительному асинхронному источнику опорной частоты (кварцевый резонатор или внешний синхросигнал). Для этой цели зарезервированы два вывода микросхемы. Внутренний осциллятор оптимизирован для работы с внешним «часовым» кварцевым резонатором 32,768 кГц.

AVR функционируют при напряжениях питания от 1,8 до 6,0 вольт. Ток потребления в активном режиме зависит от величины напряжения питания и частоты, на которой работает микроконтроллер.

AVR могут быть переведены программным путем в один из трех режимов пониженного энергопотребления:

- режим холостого хода. Прекращает работу только процессор и фиксируется содержимое памяти данных, а внутренний генератор синхросигналов, таймеры, система прерываний и сторожевой таймер продолжают функционировать. Ток потребления не превышает 2,5 на частоте 12 МГц;

- стоповый режим. Сохраняется содержимое регистрового файла, но останавливается внутренний генератор синхросигналов, и, следовательно, останавливаются все функции, пока не поступит сигнал внешнего прерывания или аппаратного сброса. При включенном сторожевом таймере ток потребления в этом режиме составляет около 80 мкА, а при выключенном - менее 1 мкА. (Все приведенные значения справедливы для напряжения питания 5 В);

- экономичный режим. Продолжает работать только генератор таймера, что обеспечивает сохранность временной базы. Все остальные функции отключены.

Atmega8, Atmega8l. 8-разрядные микроконтроллеры с 8 Кбайтвнутрисистемно программируемой Flash памяти.

Отличительные особенности:

1) 8-разрядный высокопроизводительный AVR микроконтроллер с малым потреблением;

2) прогрессивная RISC архитектура:

- 130 высокопроизводительных команд, большинство команд выполняется за один тактовый цикл;

- 32 8-разрядных рабочих регистра общего назначения. Полностью статическая работа;

- приближающаяся к 16 MIPS (при тактовой частоте 16 МГц) производительность;

- встроенный 2-цикловый перемножитель;

3) энергонезависимая память программ и данных:

- 8 Кбайт внутрисистемно программируемой Flash памяти;

- обеспечивает 1000 циклов стирания/записи;

- дополнительный сектор загрузочных кодов с независимыми битами блокировки;

- обеспечен режим одновременного чтения/записи;

- 512 байт EEPROM;

- обеспечивает 100000 циклов стирания/записи;

- 1 Кбайт встроенной SRAM;

- программируемая блокировка, обеспечивающая защиту программных средств пользователя;

4) встроенная периферия:

- два 8-разрядных таймера/счетчика с отдельным предварительным делителем, один с режимом сравнения;

- один 16-разрядный таймер/счетчик с отдельным предварительным делителем и режимами захвата и сравнения;

- счетчик реального времени с отдельным генератором;

- 8-канальный аналого-цифровой преобразователь;

- 6 каналов с 10-разрядной точностью;

- 2 канала с 8-разрядной точностью;

- 6-канальный аналого-цифровой преобразователь;

- 4 канала с 10-разрядной точностью;

- 2 канала с 8-разрядной точностью;

- байт-ориентированный 2-проводный последовательный интерфейс;

- последовательный интерфейс SPI (ведущий/ведомый);

- программируемый сторожевой таймер с отдельным встроенным генератором;

- встроенный аналоговый компаратор;

5) специальные микроконтроллерные функции:

- сброс по подаче питания и программируемый детектор кратковременного снижения напряжения питания;

- встроенный калиброванный RC-генератор;

- внутренние и внешние источники прерываний;

6) рабочие напряжения:

- 2,7..5,5 вольт (atmega8l);

- 4,5..5,5 вольт (atmega8);

7) рабочая частота:

- 0..8 МГц (atmega8l);

- 0..16 МГц (atmega8).

Описание выводов.

VCC - вывод источников питания

GND - общий провод «земля»

PortB (BP7..BP0) - порт В является 8-ми битовым двунаправленным параллельным портом ввода-вывода с встроенными подтягивающими резисторами. У выводов порта предусмотрены внутренние подтягивающие резисторы. Выводы РВО и РВ1 также являются положительным и отрицательным входами встроенного аналогового компаратора.



Выходные буферы порта В могут поглощать ток до 20 мА и непосредственно управлять светодиодными индикаторами. Это означает, что микроконтроллер способен управлять нагрузкой до 20 мА при состоянии логического 0 на выходе порта. Таким образом, для управления светодиодом его следует подсоединить одним выводом к выводу порта микроконтроллера, а другим - к напряжению питания +Vcc. Соответственно светиться светодиод (а значит, и потреблять ток) будет при значении 0 на соответствующей линии порта. Если выводы РВ0...РВ7 используются как входы и извне устанавливаются в низкое состояние, они являются источниками тока, если включены внутренние подтягивающие резисторы.

PORTD (PD6...PD0) - порт D является 7-битовым двунаправленным параллельным портом ввода/вывода с встроенными подтягивающими резисторами. Выходные буферы порта D также могут поглощать ток до 20 мА. Как входы, установленные в низкое состояние, выводы порта D являются источниками тока, если задействованы подтягивающие резисторы.

RESET- вход сброса. Удержание на входе низкого уровня в течение двух машинных циклов, перезапускает микроконтроллер.

XTAL1 - вход инвертирующего усилителя генератора и вход внешнего тактового сигнала.

XTAL2 - выход инвертирующего усилителя генератора. [2, С.15-17]

2. ПРОГРАММИРОВАНИЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА

2.1 Способы программирования микроконтроллеров AVR

Программирование микроконтроллера включает следующие этапы:

- выбор конкретного микроконтроллера и составление блок-схемы, программы;

- написание программы (с помощью Блокнота, AVRStudioили любой другой подходящей программы);

- ассемблирование программы (преобразует написанный текст в форму, понятную микроконтроллеру);

- симуляция илиэмуляция программы, чтобы убедиться в ее работоспособности (или неработоспособности);

- программированиеAVR. На этом этапе написанное заносится в реальный микроконтроллер.

В микроконтроллерах, поступающих в продажу, во всех ячейках FlashROM записан код SFFFF, во всех ячейках EEPROM- код $FF, биты защиты имеют единичное значение, а установочные биты могут иметь разные значения. Кроме того, в трех специальных ячейках памяти записаны байты, определяющие тип микроконтроллера.

Коды, записанные в FlashRom и EEPROM, байты и значения установочных битов и битов защиты могут быть просчитаны для контроля правильности записи и определения типа и состояния микроконтроллера.

В микроконтроллерах семейства AVR имеются два защитных бита - LB1 и LB2. При единичном значении обоих битов возможны и запись, и чтение кодов. После программирования бита LB1 дальнейшая запись кодов в FlashRom и EEPROM и изменение значения установочных битов невозможны. После программирования бита LB2 невозможно также чтение кодов и значений установочных битов.

При перепрограммировании микроконтроллера (программировании микроконтроллера, ранее прошедшего программирование) необходимо предварительно «стереть» прежнюю запись.

При стирании во всех ячейках FlashROMи EEPROMвосстанавливаются коды SFFFFи SFFсоответственно, биты защиты принимают единичное значение, а установочные биты и сигнатурные байты остаются без изменения. Допускается выполнить до 1000 циклов «стирание-запись» для ячеек FlashROMи до 100000 циклов для ячеек EEPROM.

Запись и чтение кодов при программировании выполняются побайтно. Ввод и вывод битов в байте могут выполняться параллельно или последовательно.

В микроконтроллерах семейства AVRреализуются следующие способы программирования:

- параллельное программирование с использованием дополнительного источника напряжения +12 В (High - Voltage Parallel Programming, HVPP);

- последовательное программирование с использованием дополнительного источника напряжения +12 В (High-Voltage Serial Programming, HVSP);

- последовательное программирование без использования дополнительного источника напряжения (Low - Voltage Serial Programming, LVSP);

- самопрограммирование (Self-Programming, SLFP).

Программирование с использованием дополнительного источника напряжения (HVPPи HVSP) выполняется с помощью программатора до установки микроконтроллера в аппаратуре, где ему предстоит работать. Последовательное программирование без использования дополнительного источника напряжения может выполняться послеустановки микроконтроллера в аппаратуре.

При программировании по способу LVSPв микроконтроллере могут выполняться следующие операции:

- разрешение LVSP (Programming Enable);

- стирание записи Chip Erase;

- запись байта в FlashROM (Write Program Memory);

- запись байта в буферные запоминающие устройства (Load Flash Page);

- перепись из буферного запоминающие устройства в FlashROM (Write Flash Page);

- чтение байта из FlashROM (Read Program Memory);

- запись байта в EEPROM (Write EEPROM);

- чтение байта из EEPROM (Read EEPROM);

- запись битов защиты (Write Lock Bits);

- чтение битов защиты (Read Lock Bits);

- запись установочных битов (Write Fuse Bits);

- чтение установочных битов (Read Fuse Bits);

- чтение сигнатурного байта (Read Signature Byte);

-чтение калибровочного банта (Read Calibration Byte).

Операции №№10 и 12 у микроконтроллеров некоторых типов объединены в одну операцию. При выполнении операции «Запись байта в EEPROM» автоматически перед записью выполняется стирание соответствующей ячейки EEPROM.

Если операция «запись установочных битов» в микроконтроллере не выполняется, а значения этих битов перед программированием (перепрограммированием) отличаются от требуемых, необходимо до установки микроконтроллера в аппаратуре выполнить запись требуемых значений установочных битов с помощью программатора.

Для выполнения любой операции в микроконтроллер через вход вводится последовательность из четырех байтов, в которую входят один или два байта, определяющие тип операции, и байты, используемые при выполнении операции (адресный байт, записываемый байт, байт, содержащий значения установочных битов и битов защиты, холостой байт).

При выполнении операции чтения одновременно с вводом одного из байтов выводится считанный байт через выход. Байты вводятся и выводятся, начиная со старшего бита. Частота следования импульсов на входе должна быть не более 1/4 частоты тактового сигнала микроконтроллера. Сигнал на входе при отсутствии импульсов должен иметь низкий уровень.

Самопрограммирование микроконтроллера осуществляется в процессе его работы. В микроконтроллере FlashROM разделена на две секции. Одна секция (Application Section, APS) предназначена для рабочей программы. В другой секции (Boot Loader Section, BLS) размещается программирующая программа, введенная ранее в FlashROM.

Пуск микроконтроллера происходит при подаче напряжения питания на его выводы. Перезапуск в процессе работы выполняется при появлении на выводе RESETнулевого уровня сигнала с последующим возвращением к высокому уровню (ExternalReset, EXR) и при переполнении сторожевого таймера (Watchdog Reset, WDTR). В микроконтроллерах типа tl2, 115, 4433 и ml63 перезапуск происходит также при понижении напряжения питания на выводе VCCниже определенного уровня с последующим возвращением к рабочему уровню (Brown-OutReset,BOR).

При пуске и перезапуске принимает активное значение внутренний сигнал,который сохраняет это значение в течение определенного интервала времени (Start-UpTime).При активном значении сигнала все регистры ввода-вывода переводятся в исходное состояние, и в счетчик команд записывается код числа 0.

По истечении интервалаStait-UpTime микроконтроллер приступает к выполнению программы, начиная с команды, записанной в Flashrom по нулевому адресу.

В исходном состоянии регистров ввода-вывода все разряды находятся в нулевом состоянии.

В качестве сигнала, подаваемого на счетный вход счетчика,могут использоваться сигнал генератора сторожевого таймера или тактовый сигнал микроконтроллера. Выбор источника сигнала выполняется с помощью схемы управления путем изменения значений установочных битов. Величина задержки может изменяться от нескольких десятков микросекунд до нескольких сотен миллисекунд.

Микроконтроллеры семейства AVR могут быть переведены в энергосберегающие режимы работы. У микроконтроллеров всех типов возможны два энергосберегающих режима - режим холостого хода (IdleMode, IM) и режим пониженного энергопотребления (Power-DownMode, PDM). Микроконтроллеры, имеющие таймеры-счетчики с режимом счета реального времени, кроме того, могут быть переведены в режим энергосохранения. Микроконтроллеры, имеющие аналого-цифровой преобразователь, кроме того, могут переводиться в режим подавления помех работе АЦП (ADCNoiseReductionMode,ANRM).

Переход в энергосберегающий режим происходит в ходе программы при выполнении команды с мнемокодом SLEEP, если разряд регистра установлен в единичное состояние.

Выбор режима в микроконтроллерах, которые могут находиться в двух энергосберегающих режимах, определяется состоянием разряда регистра. При 0 устанавливается режим холостого хода, при 1 - режим пониженного энергопотребления. В микроконтроллерах, которые могут находиться в трех и четырех энергосберегающих режимах, выбор режима определяется комбинацией состояний разрядов регистра.

В режиме холостого хода процессор остановлен, периферийные устройства продолжают работать, коды в регистрах общего назначения, ячейках и регистрах ввода-вывода, расположенных в пассивных периферийных устройствах, сохраняются неизменными. Ток потребления у микроконтроллеров разных типов уменьшается в 2-4 раза. Если аналоговый компаратор не используется для выхода из режима, разряд в регистре для уменьшения тока потребления должен быть установлен в единичное состояние.

В режиме пониженного энергопотребления остановлен процессор и генератор тактового сигнала. Периферийные устройства, кроме сторожевого таймера и блока прерываний, не работают. Коды в регистрах общего назначения, ячейках и регистрах ввода-вывода сохраняются неизменными. Ток потребления у микроконтроллеров разных типов имеет величину от нескольких единиц до нескольких десятков мкА. Напряжение питания может быть снижено до величины 2 В.

Выход из режима возможен при перезапуске микроконтроллера и по разрешенному запросу прерывания из внешнего источника при представлении запроса уровнем сигнала. Сигнал должен сохранять низкий уровень в течение некоторого времени, пока генератор тактового сигнала входит в установившийся режим. В микроконтроллере выход из режима возможен также по запросу прерывания при опознании портом собственного адреса в поступившем адресном байте.

После того как определено требуемое количество контактов ввода/вывода и, таким образом, выбрали конкретный микроконтроллер, можно приступать к следующему этапу, который заключается в создании блок-схемы программы. В принципе, на этом этапе формируется основа программы, а написать программу, имея перед собой блок-схему, гораздо легче, чем с нуля.

Блок-схема должна отображать основные этапы функционирования микроконтроллера, а также прояснять структуру программы. Объем кода, соответствующий каждому конкретному элементу блок-схемы, может быть самым разным и, вообще говоря, не важен. Идея блок-схемы заключается в выделении основных этапов выполнения программы, а также в создании диаграммы, которую мог бы понять любой человек, даже совершенно незнакомый с программированием. Гораздо легче писать программу на основе блок-схемы, поскольку в этом случае можно заниматься каждым блоком по отдельности, совершенно не задумываясь об общей структуре программы. [1, С.83-94]

2.2 Ассемблирование написанной программы

Чтобы написанную программу можно было записать в микросхему, ее необходимо ассемблировать. Данная операция преобразует текст программы в последовательность чисел, которая может быть помещена в Flash-память программ микроконтроллера. Эта последовательность чисел называется шестнадцатеричным кодом, илиhex-файлом - и файл будет иметь расширение.hex. Ассемблер проверяет программу строку за строкой и пытается преобразовать каждую строчку в соответствующий шестнадцатеричный код. Если он не может распознать, что написано в какой-либо строке, он регистрирует в этой строке ошибку. Ошибкой является то место в программе, которое ассемблер однозначно считает неправильным, т.е. он не может понять, что там написано. Также ассемблер может сгенерировать предупреждение - если встретилось что-то, что возможно неверно, т.е. написанное выглядит необычно, но не обязательно неправильно.

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.

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.

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

AVR Studio совершенно бесплатна и доступна на сайте Atmel.

Поистине культовой стала интегрированная среда разработки WinAVR. Она включает мощные компиляторы Си и ассемблера, программатор AVRDUDE, отладчик, симулятор и множество других вспомогательных программ.

Если нужно быстро собрать несложную схему, и проверить её работоспособность, то можно сделать это в симуляторе, например в таком как Proteus. Proteus идеальная программа для новичков недавно начавших изучать микроконтроллеры. В программе есть куча разнообразных измерительных приборов: Генераторы сигналов, осциллографы, анализатор шины и еще много чего. Эти приборы позволят быстро отладить программу для МК.

Программаторы микроконтроллеров делятся на параллельные и последовательные. Самый простой вариант программатора для AVR это пять проводков, припаиваемых к порту контроллера и втыкаемых в LPT порт.

Существует три основных метода, позволяющих проверить работоспособность программы:

- симуляция;

- эмуляция;

- программирование микроконтроллера и проверка его в реальной схеме.

Первый из этих методов, симуляция, является полностью программным. Используется специальное программное обеспечение, которое симулирует деятельность микроконтроллера и показывает вам, что происходит внутри него во время выполнения программы, в частности как изменяется состояние его регистров. Вы можете также симулировать изменение входных сигналов, вручную изменяя, например, содержимое регистра. С помощью этого метода можно легко убедиться в работоспособности (или, напротив, в неработоспособности) ключевых идей, лежащих в основе программы. С другой стороны, невозможно проверить реакцию программы на некоторые реальные воздействия, такие как дребезг контактов. Симулятор микроконтроллеров AVR входит в состав среды разработки AVR.

Эмуляция позволяет получить гораздо больше информации о реальном функционировании программы и может быть намного полезнее при отыскании ошибок в программе. При эмуляции к компьютеру подключается зонд с разъемом, соответствующим конкретной модели AVR. Под управлением программы эмулятора зонд начинает функционировать точно так же, как и реальный микроконтроллер, выполняющий вашу программу. Работа устройства под управлением эмулятора ничем не отличается от работы под управлением реального микроконтроллера, однако, используя эмулятор, вы можете замедлить выполнение программы, а также просмотреть состояние внутренних узлов микроконтроллер (регистров и т.п.). При использовании этого метода проверяется работоспособность программы, корректность разводки печатной платы, а также их совместная работа. Чтобы преобразовать исходный текст программы в файл прошивки микроконтроллера, применяют компиляторы.

В настоящее время представлено достаточно много компиляторов Си для AVR. Самым мощным из них считается компилятор фирмы IAR Systems. 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, включающей в себя также компилятор ассемблера, линкер, менеджер проектов и библиотек, а также отладчик.

Не меньшую популярность завоевалCodeVision AVR C Compiler, цена полной версии этого компилятора невысока. 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.

Поистине культовой стала интегрированная среда разработкиWinAVR. 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 свободно без ограничений. [3, С.104-109]

2.3 Программатор

Для того чтобы запрограммировать («прошить») микроконтроллер, необходим программатор. Программатор представляет собой программно-аппаратный комплекс, состоящий непосредственно из устройства, связывающего микроконтроллер с компьютером, и программы, которая этим устройством управляет. Программатор заносит подготовленную для микроконтроллера программу в его память.

Наиболее распространенным способом программирования для AVR является внутрисхемное программирование (функция ISP - in-cirсuit serial programming) через коммуникационный интерфейс SPI. Этой возможностью обладают все микроконтроллеры AVR, кроме Tiny11 и Tiny28. Данный режим удобен тем, что позволяет программировать AVR, расположенный в готовом устройстве, то есть вам не нужно вытаскивать микроконтроллер из платы каждый раз, когда вы хотите его перепрограммировать. Интерфейс SPI (Serial Peripheral Interface) представляет собой 3 линии: SCK, MISO и MOSI.

SCK (SPI ClocK). Тактовый сигнал, который программатор формирует на линии SCK.

MOSI (Master Out, Slave In - вход ведомого, выход ведущего). Линия передачи данных от программатора (ведущий), к программируемому микроконтроллеру (ведомый). Во время каждого импульса на линии SCK передается один бит от программатора к программируемому микроконтроллеру по линии MOSI.

MISO (Master In, Slave Out - выход ведомого, вход ведущего). Линия передачи данных от программируемого микроконтроллера (ведомый) к программатору (ведущий). По каждому импульсу на линии SCK передается один бит от микроконтроллера к программатору по линии MISO.

Для обеспечения нормальной связи по трем SPI линиям необходимо соединить общую землю на программаторе и программируемом устройстве. Для входа и нахождения в режиме последовательного программирования используется линия сброса. Она должна удерживаться в активном состоянии (низкий уровень) во время программирования AVR. Также при стирании чипа на линии должен быть сформирован импульс в конце цикла стирания. Кроме того, может использоваться вывод контроллера XTAL1 для тактировки контроллера программатором при отсутствии кварцевого резонатора. При программировании AVR программатор всегда функционирует как ведущее устройство, а микроконтроллер как ведомое.

Программная часть. В интернете можно найти множество программ, работающих с теми или иными типами устройств для программирования микроконтроллеров AVR. Большинство из этих программ совершенно бесплатны.

AVRUDE.В состав пакета WinAVR входит мощная утилита AVRDUDE. Она позволяет загружать программы и данные в память микроконтроллера, а также считывать их оттуда. AVRDUDE использует SPI-интерфейс. Существуют версии для Windows и Linux. AVRDUDE может использоваться через командную строку, чтобы читать или записать все типы памяти кристалла, или при помощи графического интерфейса. Использование AVRDUDE из командной строки удобно для полного программирования всей памяти кристалла, в то время как графический интерфейс полезен для исследования содержания памяти, изменения отдельных байтов EEPROM.AVRDUDE поддерживает множество типов программирующих устройств, работающих как через интерфейс параллельного (LPT) порта, так и через последовательный (COM) порт, и может быть сконфигурирован для использования практически с любым LPT-устройством.

AVReal. Предназначен для программирования AVR с использованием SPI-интерфейса. Отличается простотой использования и поддерживает несколько основных типов популярных простых программаторов, подключаемых к параллельному порту (LPT). Существуют версии для DOS и Windows (существует версия и для Linux). Во всех вариантах запускается только из командной строки с необходимыми ключами, графический интерфейс отсутствует.

IcProg. Поддерживает полтора десятка популярных LPT-программаторов, в том числе самых простых. Осуществляет программирование кристаллов через SPI. Имеет удобный графический интерфейс, переведенный на русский язык.

PonyProg. Свободная утилита с открытым исходным кодом для программирования Flash-микросхем с последовательным доступом. Имеет поддержку русского языка. Может использовать стандартный последовательный порт (COM) или параллельный (LPT) порт. Поддерживает ряд популярных программаторов.

Существует большое количество различных программаторов, но их можно разделить на две категории: подключаемые к LPT порту компьютера и подключаемые к COM порту, причём это разделение весьма условно (хотя я и не встречал описания программатора, подключаемого к USB порту компьютера, но сделать его довольно просто). Преимуществом LPT программатора является его простота: в простейшем случае он выглядит как несколько проводков, соединяющих непосредственно выводы LPT порта и программируемого микроконтроллера, более сложная схема представляет собой шинный формирователь, через который осуществляется связь компьютера с микроконтроллером. Несмотря на недостатки первой схемы (на разных компьютерах она ведёт себя по-разному из-за разброса характеристик микросхем LPT портов, наводки в кабеле, необходимость отключать программатор от программируемой микросхемы после программирования) она может оказаться полезной при необходимости запрограммировать одну-две микросхемы. При постоянной работе с микроконтроллерами следует воспользоваться более сложной схемой. Однако у программаторов, подключаемых к LPT порту, есть и недостатки. Самый главный из них заключается в том, что программатор занимает обычно единственный доступный в компьютере порт, который, к тому же, в большинстве систем занят принтером, и приходиться либо покупать мультикарту или новый принтер, либо постоянно переключать принтер и программатор, что не очень удобно. От этого недостатка свободны схемы для COM-порта (хотя сейчас можно ещё встретить системы, где один COM-порт занят мышью, а другой - модемом, но такая конфигурация встречается реже, чем принтер на LPT-порту и поэтому как минимум один из COM-портов в системе свободен). Также, как и в случае с LPT программаторами, существуют простые схемы и более сложные. В простейшем случае схема представляет собой преобразователи уровней RS-232 для отдельных сигналов. Схема более сложного программатора на COM порт состоит из микросхемы интерфейса RS-232 и микроконтроллера, преобразующего команды программы на PC в команды, понятные программируемой микросхемой. К тому же такое построение схемы позволяет практически неограниченно «наворачивать» схему, можно поставить любое количество индикаторов для индикации режима программирования, можно подключить микроконтроллер к ОЗУ, чтобы программа для программируемой микросхемы сначала переписывалась в ОЗУ, а затем, независимо от работы PC, переписалась в программируемую микросхему (в этом случае исключаются ошибки программирования, связанные со сбоем в связи между PC и программатором), можно также сделать программатор с одной универсальной панелькой для всех программируемых микросхем.

Программаторы можно разделить и по типу подключения к программируемой микросхеме: либо она вставляется в панельку программатора, либо программирование осуществляется внутрисхемно (с помощью специального разъёма, предусмотренного разработчиком устройства). Несомненно, последний тип подключения очень удобен, но, к сожалению, не все микроконтроллеры поддерживают такой режим программирования, к тому же при внутрисхемном программировании невозможно запрограммировать некоторые биты конфигурации и для их изменения следует воспользоваться параллельным программатором.

Один из самых простых программаторов состоит из 25-контактного разъема для параллельного (LPT) порта, 4-х резисторов (150 Ом) и соединительного кабеля, длина которого не должна превышать 1,5 метра. Резисторы необходимы для предохранения параллельного порта в случае неправильного монтажа и некоторых других неприятностей.

Следует обратить внимание, что схема не имеет промежуточного буфера и не имеет гальванической развязки по отношению к параллельному порту, поэтому во избежание вывода из строя параллельного порта подключать и отключать кабель следует при выключенном питании на плате, где установлен контроллер. Кроме того, когда программатор подключен к параллельному порту, следует избегать короткого замыкания его выводов. [2, С.146-157]

3. ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА AVR ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ СИНТЕЗАТОРА ЧАСТОТ ДЕКАМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА

3.1 Методы синтеза частот

Под термином «синтезатор частоты» понимают электронное устройство, способное из опорной частоты получать на выходе требуемую частоту или набор частот, согласно управляющим сигналам. Наиболее распространенными являются следующие методы синтеза частот:

- прямой аналоговый синтез (Direct Analog Synthesis, или DAS) на основе структуры смеситель/фильтр/делитель, когда выходная частота получается непосредственно из опорной частоты посредством операций смешения, фильтрации, умножения и деления;

- косвенный (indirect) синтез на основе фазовой подстройки частоты (Phase Locked Loop, или PLL), когда выходная частота получается с помощью дополнительного генератора, который охвачен петлей фазовой автоподстройки;

- прямой цифровой синтез (Direct Digital Synthesis, или DDS), когда выходной сигнал синтезируется цифровыми методами;

- гибридный синтез, представляющий собой комбинацию нескольких методов, описанных выше.

Каждый из этих методов синтеза частот имеет преимущества и недостатки, следовательно, для каждого конкретного приложения нужно делать выбор, основанный на наиболее приемлемой комбинации компромиссов. Основными параметрами, характеризующими качество синтезатора частоты, являются следующие:

- чистота спектра выходного сигнала (уровень побочных компонентов и уровень шума);

- диапазон перестройки (полоса частот выходного сигнала);

- скорость перестройки;

- частотное разрешение;

- количество разных генерируемых частот;

- гибкость (возможность осуществления различных видов модуляции);

- неразрывность фазы выходного сигнала при перестройке.

Прямой аналоговый синтез.

Этот метод называют прямым по той причине, что отсутствует процесс коррекции ошибки, следовательно, качество выходного сигнала напрямую связано с качеством опорного сигнала. Фазовый шум этого синтезатора достаточно низкий вследствие прямого синтеза. Перестройка по частоте также может быть очень быстрой. Одной из важных особенностей такого синтезатора на основе смесителя/фильтра является возможность вернуться на любую частоту и продолжать работать в той фазе, как и в том случае, если бы перехода вообще не было. Этот эффект называют «фазовой памятью». Для перестройки по частоте используется переключаемый банк опорных генераторов. Это подходит, например, для радиостанций с небольшим количеством каналов. Но для обеспечения широких возможностей по перестройке частоты требуется очень много опорных генераторов, что является весьма дорогостоящим решением. Используя делители частоты (структура смеситель/фильтр/делитель) можно уменьшить количество необходимых опорных генераторов, хотя и в этом случае возможности по перестройке останутся более чем скромными.

Косвенный синтез частоты на основе фазовой автоподстройки.

Этот метод синтеза использует принцип сравнения частоты и фазы выходного сигнала, источником которого служит генератор, управляемый напряжением (VCO), с сигналом опорного генератора. Структурная схема такого синтезатора показана на рис. 11. Обнаружение ошибки осуществляется с помощью фазового детектора, который работает на определенной частоте FC, называемой частотой сравнения. Эта частота получается путем деления на N частоты опорного генератора G. Частота выходного сигнала вначале делится на M, а потом сравнивается с частотой FC. Если частота отклоняется, обнаруженная ошибка вызывает изменение управляющего напряжения VCO, что приводит к уменьшению отклонения.

Поскольку делители частоты имеют целочисленные коэффициенты деления, шаг сетки такого синтезатора определяет частота сравнения. Выходная частота определяется по формуле:

FOUT = FC·M = (FCLK/N) ·M = FCLK· (N/M),

где FOUT - выходная частота,

FC - частота сравнения,

N - коэффициент деления опорной частоты,

M - коэффициент деления выходной частоты

Другими словами, PLL синтезатор умножает опорную частоту в N/M раз. Коэффициенты N и M могут задаваться микроконтроллером, хотя на практике число N при перестройке меняют редко, так как это влечет за собой изменение частоты сравнения (соответственно, и шага сетки) и требует изменения параметров петлевого фильтра.

Фазовый детектор является источником дополнительных фазовых шумов. Попытки получить малый шаг перестройки частоты вынуждают работать на более низкой частоте сравнения, что требует понижения частоты среза петлевого фильтра. А это еще более увеличивает фазовые шумы. Быстрое переключение частоты в этой структуре также обеспечить очень сложно.

Для получения малого шага перестройки по частоте иногда объединяют в одном синтезаторе несколько петель PLL. Однако многопетлевой PLL синтезатор является весьма дорогим и громоздким устройством, что сдерживает его широкое применение.

Прямой цифровой синтез (DDS). Прямой цифровой синтез - относительно новый метод синтеза частоты, появившийся вначале 70-х годов прошлого века. Как видим, все описанные методы синтеза доступны разработчикам уже десятилетия, но только в последнее время DDS уделяется пристальное внимание. Появление дешевых микросхем полных DDS и удобных средств разработки делает их сегодня привлекательными для разных сфер применения.

DDS уникальны своей цифровой определенностью: генерируемый ими сигнал синтезируется со свойственной цифровым системам точностью. Частота, амплитуда и фаза сигнала в любой момент времени точно известны и подконтрольны. DDS практически не подвержены температурному дрейфу и старению. Единственным элементом, который обладает свойственными аналоговым схемам нестабильностями, является ЦАП. Все это является причиной того, что в последнее время DDS вытесняют обычные аналоговые синтезаторы частот.

Основные преимущества DDS:

- цифровое управление частотой и фазой выходного сигнала;

- очень высокое разрешение по частоте и фазе;

- экстремально быстрый переход на другую частоту (или фазу), перестройка по частоте без разрыва фазы, без выбросов и других аномалий, связанных с временем установления;

- архитектура, основанная на DDS, ввиду очень малого шага перестройки по частоте, исключает необходимость применения точной подстройки опорной частоты, а также обеспечивает возможность параметрической температурной компенсации;

- цифровой интерфейс легко позволяет реализовать микроконтроллерное управление;

- для квадратурных синтезаторов имеются DDS с I и Q выходами, которые работают согласованно.

Являясь сердцем системы настройки, синтезатор в основном определяет потребительские свойства конкретного аппарата. Как с технической, так и с экономической стороны, DDS удовлетворяет большинству критериев идеального синтезатора частоты: простой, высокоинтегрированный, малых габаритов. Дополнительно, многие параметры DDS программно-управляемые, что позволяет добавить в устройство новые возможности. Современные DDS используют субмикронную CMOS-технологию, миниатюрные корпуса. Одновременно постоянно уменьшается цена. Все это делает DDS очень перспективными приборами.

Задача DDS - получить на выходе сигнал синусоидальной формы с заданной частотой. Поскольку в DDS формирование выходного сигнала происходит в цифровой форме, совершенно очевидна необходимость цифро-аналогового преобразования. Это означает, что в структуре DDS должен быть ЦАП. В любом случае, на выходе ЦАП должен присутствовать ФНЧ для подавления образов выходного спектра, повторяющихся с периодичностью.

Для получения синусоидального сигнала на вход ЦАП необходимо подать последовательность отсчетов функции sin, следующих с частотой дискретизации. Закон изменения функции sin во времени сложен и цифровыми методами просто не реализуется. Можно, конечно, используя полиномиальное представление, вычислять значения функции sin с помощью АЛУ. Однако такой метод вряд ли будет быстродействующим, а высокое быстродействие как раз является одним из основных требований к DDS. Поэтому наиболее подходящим методом формирования отсчетов функции sin является табличный метод.

Перекодировочная таблица чаще всего размещается в ПЗУ. Код, который подается на адресные входы ПЗУ, является аргументом функции sin, а выходной код ПЗУ равен значению функции для данного аргумента. Аргумент функции sin, или фаза, в отличие от значения функции, меняется во времени линейно.

Сформировать линейно меняющуюся во времени последовательность кодов гораздо проще, это способен сделать простой двоичный счетчик. Поэтому простейший DDS выглядит так (рис. 12): двоичный счетчик формирует адрес для ПЗУ, куда записана таблица одного периода функции sin, отсчеты с выхода ПЗУ поступают на ЦАП, который формирует на выходе синусоидальный сигнал, подвергающийся фильтрации в ФНЧ и поступающий на выход. Для перестройки выходной частоты используется делитель частоты с переменным коэффициентом деления, на вход которого поступает тактовый сигнал с опорного генератора.[7]

3.2 Описание используемого синтезатора частот

Рассматриваемый в работе синтезатор предназначен для использования в качестве плавного гетеродина коротковолнового приемника на всех девяти КВ диапазонах, а также диапазона гражданской связи с фиксированной первой ПЧ. Выполнен на доступной и не дорогой элементной базе.

Шаг перестройки на всех диапазонах постоянный, и его можно выбирать в пределах 10-1850 Гц. Синтезатор имеет возможность запоминать в десяти ячейках памяти не только установленную частоту, но и установленный режим управления на данной частоте.

При включении синтезатора устанавливается частота и режимы управления в зависимости от данных занесенных в нулевую ячейку памяти. При помощи данной функции, можно на свое усмотрения выставить стартовые установки частоты и режимов. Есть возможность выставить любую частоту ПЧ для режима «преобразования вниз» в широких пределах. Так же есть возможность коррекции частоты опорного генератора синтезатора. Индикация установленной частоты отображается с точностью до 10 Гц.

программирование микроконтроллер синтезатор частота

CLK - опорный кварцевый генератор на 16МГц.

DDS - микросхема AD9832 формирующая сигнал с частотами 250-300 кГц.

ФНЧ - фильтры низкой частоты.

ФД - фазовый детектор.

VCO - генератор управляемый напряжением (ГУН), поступающим на варикап.

Делители 1/256 - делители частоты на 256.

МК - Микроконтроллер ATMEGA8 - 16PI.

CAT интерфейс - интерфейс связи синтезатора с ПК RS232.

Рис.15. Моделирование работы синтезатора частот в среде Proteus

На выходе формируется синусоидальный сигнал с управляемым уровнем выхода от 0 до 5 вольт амплитудного значения. Выводит код диапазона, для управления коммутатором диапазонов и может управлять восьмую независимыми устройствами.

Синтезатор выполнен по одно петлевой схеме, где на фазовом компараторе происходит сравнения частот ГУН, предварительно поделенной по частоте на 256, и выходной частоты с микросхемы с прямым синтезом частоты (DDS) под управлением микроконтроллером ATMEGA8. В синтезаторе осуществлена возможность работы синтезатора совместно с персональным компьютером по системе САТ через интерфейс RS232. При этом осуществляется двух стороннее управление частотой и родом работы между приемником и ПК. Конструкция синтезатора выполнена на двух платах. На одной плате находиться клавиатура, узел индикации на ЖКИ и формирователь импульсов валкодера, а на другой - цифровая часть и ГУН.

Валкодер или датчик угла поворота - это электромеханическое устройство, предназначенное для преобразования углового положения вала или оси в электрические сигналы. Существует два основных типа валкодеров - инкрементные и абсолютные.

Инкрементный валкодер при вращении формирует импульсы, число которых пропорционально углу поворота. Подсчет числа этих импульсов даст нам величину угла поворота вала валкодера относительно его начального положения. Этот тип валкодеров не формирует выходные импульсы, когда его вал находится в покое. Инкрементные валкодеры находят широкое применение в индустриальных средствах управления, бытовой и музыкальной технике.

Абсолютный валкодер для каждой позиции своего вала выдает уникальный код. Ему, в отличии от инкрементного валкодера, счетчик не нужен, угол вращения всегда известен. Абсолютный валкодер формирует сигнал и когда вал вращается, и когда он находится в покое. Абсолютный валкодер не теряет информацию о своем положении при потере питания и не требует возврата в начальную позицию. Этот тип валкодеров применяется в промышленно оборудовании - робототехнике, станках, конвейерных линиях. Управление узлами синтезатора и описание разъемов.

Разъем №1 - к нему подсоединяется ЖКИ дисплей, когда конструкция собрана воедино (плата ЖКИ и основная плата синтезатора).

Разъем №2 - используется для снятия звукового сигнала о сигнализации нажатия любой кнопки синтезатора.

Разъем №3 - этому разъему подключается жгут идущий к основной клавиатуре.

Разъем №4 - синтезатор имеет шесть управляемых выходов на разъеме №4 с открытым стоком, выполненным для управления реле, которые включают всевозможные системы.

Разъем №5 - применяется для связи синтезатора с персональным компьютером по протоколу и уровню сигналов RS232. Тем самым осуществляется САТ интерфейс.

...