Золотовский Д.В. Учебный курс для новичков по микроконтроллерам AVR. Часть 1
Подождите немного. Документ загружается.
Теперь если просядет батарейка и напряжение снизится до 6 вольт, то с
делителя будет уже 3 вольта, а с опорного как было 3.3 так и осталось. Зато
теперь на компараторе ситуация в корне поменялась - 3 меньше чем 3.3 (3.3 -
3 = 0.3 результат больше нуля) , а значит на выходе у него будет 1
Вот так, например, можно легко и просто следить за питающим напряжением
и выдавать сигнал тревоги, если батарейка сядет.
Настройка компаратора в контроллере AVR ATMega16.
Для других моделей AVR все очень и очень похоже, просто мне так удобней.
Если будет затруднение, спросишь в комментах.
Мега16 имеет на борту компаратор, со входами AIN0(прямой вход) и
AIN1(инверсный вход) Чтобы компаратор заработал его выводы нужно
подключить на вход (DDR=0) и отключить подтяжку до единицы (PORT=0).
Регистр конфигураций компаратора ACSR
Биты:
•
ACD включение компаратора 0 включен, 1 выключен. По дефолту там
ноль, а значит, при старте компаратор включен.
•
ACBG - подключение к прямому входу компаратора внутреннего
источника опорного напряжения (ИОН) на 1.22+(-)0.05V. Если 0 то
ИОН не подключен.
•
ACO - бит результата. Собственно, это и есть выход компаратора.
•
ACI - флаг прерывания. Я думаю, что ты уже привык к тому, что в
AVR есть прерывание на каждый чих. Компаратор не исключение.
Устанавливается по событию, сбрасывается после ухода на обработчик
либо программно, как всегда, записью в него 1.
•
ACIE - где есть прерывание, там должен быть бит разрешения. Это он
и есть. Установив в 1, мы разрешаем прерывания от компаратора. По
дефолту, естественно, нуль.
•
ACIC - подключение компаратора к схеме захвата таймера1. При
попадании сигнала на схему захвата текущее значение с таймера тут же
попадает в специальный регистр захвата, а таймер продолжает считать
дальше. А в привязке к компаратору это удобно когда нужно измерять
длительности сигналов.
•
Биты ACIS1:ACIS0 определяет условие возникновения прерывания от
компаратора:
o
00 - любое изменение на входе.
o
01 - зарезервировано для следующих поколений
o
10 - переход с 1 на 0
o
11 - переход с 0 на 1
Вот за что люблю АТМеги так это за фарш! Даже свой собственный
источник опорного напряжения есть. Так что из схемы со стабилитроном
можно смело выкинуть все, что касается стабилитрона. Оставив только
делитель, ну и подобрав плечи резисторного делителя так, чтобы получить
напругу на выходе чуть выше, чем 1.22V.
Мало того, если в контроллере есть АЦП, то на вывод AIN1 можно
подключить ЛЮБОЙ вход АЦП. Нереально круто! Для того, чтобы это
сделать нужно:
•
В регистре SFIOR (регистр специальных функций) выставить бит
ACME (вроде бы так ракеты назывались в мультике про койота и
страуса ;
•
Выключить АЦП, сбросив бит ADEN в регистре настроек АЦП
(ADCSRA)
•
В регистре ADMUX в разрядах MUX2:MUX1:MUX0 указать номер
входа АЦП.
Пример:
В качестве примера я возьму своего робота. Сварганив ему систему контроля
питания. Напряжение с аккумулятора проходит через делитель 1.5:10 в
результате на 12 вольтах у нас на выходе будет (1.5/(1.5+10))*12=1.56 и
только при просадке напруги до 9.5 вольт на выходе делителя будет ниже
1.22 вольта. Заюзаю пока неиспользованный вход PC5 (это вход ADC5)
Заправлю его через АЦП в компаратор, а в качестве опорного напряжения
возьму встроенный ION который посажу на AIN0 изнутри. При просадке
напряжения буду зажигать контрольную лампу.
Что нам нужно:
Для начала подключить ИОН - бит ACBG
Далее, бит прерывания - в обработчике прерываний я включу лампочку
Ну и выставить условие по которому будет прерывание с 0 на 1. Дело в том,
что на плюс-вход компаратора идет 1.22 с ИОН, а на минус-вход пойдет 1.5 с
делителя. В результате 1.22-1.5<0, следовательно, на выходе 0. Ну, а как
только ситуация поменяется будет 1.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
; Инициализирую компаратор
LDI R16,(1<<ACBG)|(1<<ACIE)|(1<<ACIS1)|(1<<ACIS0)
OUT ACSR,R16 ; Забрасываем в регистр
IN R16,SFIOR ; Достаем SFIOR
ORI R16,(1<<ACME) ; Выставялем в нем бит ACME
OUT SFIOR,R16
; АЦП у меня по дефолту вырублен, поэтому пока не напрягаюсь с его отключением
LDI R16,5 ; подаю напругу на 5й вход АЦП
OUT ADMUX,R16
Ну и собственно все, осталось только добавить в программу переход по
вектору
1
2
3
4
5
6
.
ORG
ACIaddr ; Analog Comparator
RJMP Battary_LOW
;И добавить где нибудь в программе обработчик прерывания
Battary_LOW: LIGHT_ON ; Вызов макроса зажжения огня.
RETI ; Выход из прерывания.
Или вот, второй пример. Попроще.
На компаратор подается два напряжения. Одно опорное, со стабилизатора 3.3
вольта демоплаты Pinboard. Второе с потенциометра, то которое мы
сравниваем. Подаются напрямую на выводы компаратора AIN0 и AIN1
Когда напряжение с потенциометра выше чем 3.3 вольта с стабилизатора, то
в компараторе у нас на выходе 0 (бит ACO=0). И наоборот. Также настроено
прерывание так, чтобы при попадании в него происходила инверсия бита
PD4 - на нем висит светодиод LED1
Код
Обработчик прерывания:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
COMP_OK: PUSHF ; Сохранили флаги
PUSH R17 ; Сохранили R17
INVB PORTD,4,R17,R16 ; Инвертировали бит PD4
POP R17 ; Достали все из стека
POPF ; И флаги тоже
RETI ; Вышли
Инициализация периферии:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
; Internal Hardware Init =======================================
;Comparator Init
OUTI ACSR,1<<ACIE|1<<ACIS1|1<<ACIS0 ; Разрешаем
прерывание
; Ловим 0-1 переход.
; Ports Init
SBI DDRD,4
SBI DDRD,7
SEI
; End Internal Hardware Init ===================================
Главная программа
:
1
2
3
4
5
6
7
; Main
=======================================================
==
Main: IN R16,ACSR ; Взяли состояние компаратора
ANDI R16,1<<ACO ; Оставили только бит состояния
BST R16,ACO ; Скопировали его в Т
8
9
1
0
1
1
1
2
1
3
1
4
1
5
BLD
R16,7 ; Выгрузили в 7й разряд R16
IN R17,PORTD ; Взяли значение из PORTD
ANDI R17,0b01111111 ; Подавили значение 7го разряда
OR R17,R16 ; Наложили на него значение ACO
OUT PORTD,R17 ; Вернули значение в порт.
RJMP Main
Светодиод LED3 показывает состояние бита ACO, а LED1 фиксирует заходы
в обработчик прерывания компаратора. При этом наблюдается мерзкий
эффект — когда сравниваемые напряжения на входах компаратора очень
близки, то возникает дребезг. Т.е. мельчайшие помехи уже начинают играть
роль и перевешивают чашу весов компаратора то в одну то в другую сторону.
Возникает жуткий дребезг. Этот дребезг надо подавлять программно.
Скажем, игнорировать изменения сигнала, если он чаще, чем раз в несколько
миллисекунд.
На видео дребезг очень хорошо видно на экране осциллографа.
Аналоговый компаратор контроллера ATmega16 (видео)
AVR. Учебный курс. Использование АЦП
Многие AVR имеют на борту АЦП последовательного приближения.
АЦП это десятиразрядное, но при точности +/- 2 минимально значащих
разрядов его можно смело считать восьмиразрядным :) Так как в младших
двух разрядах всегда мусор какой то, не похожий на полезный сигнал. Тем не
менее это неплохой инструмент для контроля напряжения, в
восьмиразрядном режиме имеющий 256 отсчетов и выдающее частоту
дискретизации до 15кГц (15 тысяч выборок в секунду).
Конфигурация источника
Сигнал в АЦП подается через мультиплексор, с одного из восьми (в лучшем
случае, часто бывает меньше) входов. Выбор входа осуществляется
регистром ADMUX, а точнее его битами MUX3…MUX0. Записанное туда
число определяет выбраный вход. Например, если MUX3..0 = 0100, то
подключен вывод ADC4.
Кроме того, существует несколько служебных комбинаций битов MUX,
использующихся для калибровки.
Например, 1110 подключает к АЦП внутренний источник опорного
напряжения на 1.22 вольта. А если записать в MUX3..0 все единицы, то
АЦП будет изнутри посажено на землю. Это полезно для выявления разных
шумов и помех.
У старших AVR семейства Mega (8535, 16, 32, 128) есть возможность
включить АЦП в режиме дифференциального входа. Это когда на два
входа приходят разные напряжения. Одно вычитается из другого, да еще
может умножаться на коэффициент усиления. Зачем это нужно? А,
например, когда надо замерить перекос напряжения измерительного моста. У
какого-нибудь тензомоста при входном напряжении в пять вольт выходные
сигналы будут различаться между собой всего лишь 30мВ, вот и поймай его.
А так подал на диф вход, подогнал нужный коэффициент усиления и
красота!
Таблицу значений MUX3..0 для диф включения я не буду тут приводить, она
находится легко в даташите, зовется она “Input Channel and Gain
Selections“. Я поясню лишь один тонкий момент. В режиме выбора диф
входа встречаются такие комбинации как: первый вход ADC0 и второй
вход тоже ADC0 ну и коэффициент усиления еще. Как так? Ведь для диф
входа нужно два разных входа! Вначале подумал опечатка, поднял даташит
на другую АВРку - та же ботва. Потом повтыкал в текст ниже и понял - это
для калибровки нуля. Т.е. перед началом съема диф данных нам нужно
закоротить входы, чтобы понять, что же у нас ноль. Так вот, комбинация
когда два входа подключены к одной ноге это и есть та самая калибровочная
закоротка входов. Делаешь первое преобразование на такой фигне,
получаешь смещение нуля. А потом вычитаешь его из всех полученных
значений, что резко повышает точность.
Мультиплексирование каналов осуществляется только после того, как
завершится преобразование, поэтому можно смело запускать АЦП на обсчет
входных значений, записывать в MUX3..0 параметры другого входа, и
готовится снимать данные уже оттуда.
Выбор опорного сигнала
Это максимальное напряжение, которое будет взято за максимум при
измерениях. Опорное напряжение должно быть как можно стабильней, без
помех и колебаний — от этого кардинальным образом зависит точность
работы АЦП. Задается он в битах REFS1..0 регистра ADMUX.
•
По дефолту там стоит REFS1..0 = 00 — внешний ИОН, подключенный
к входу AREF. Это может быть напряжение со специальной
микросхемы опорного напряжения, или же со стабилитрона какого,
если нужно замерять небольшое напряжение, заметно меньшее чем
напряжение питания, скажем от 0 до 1 вольт, то чтобы было точнее, и
чтобы оно не затерялось на фоне пятивольтового питания, то на AREF
мы заводим опорное напряжение в 1 вольт.
•
REFS1..0 = 01 - тут просто берется напряжение питания. У всех почти
Мег с АЦП есть вход AVCC - вот это напряжение питания для AЦП и
порта на который это АЦП повешено. Подавать туда плюс питания
желательно через LC фильтр, чтобы не было искажений.
•
REFS1..0 = 11 - внутренний источник опорного напряжения на 2.56
вольт. Честно говоря, качество этого источника мне сильно не
понравилось. С ним показания АЦП плавают как говно в проруби. Но
если невозможно обеспечить гладкую и стабильную подачу
напряжения на AREF или AVCC то прокатит. Кстати, внутренний
ИОН подключен к выводу AREF так что можно повесить туда кондер
и попробовать его чуть чуть сгладить. Немного, но помогает.
Выбор режима запуска преобразования
В регистре SFIOR под АЦП отведено аж три бита. ADTS2..0 которые
управляют режимами запуска АЦП.
•
По дефолту ADTS2..0 = 000 и это значит, что преобразование идет в
непрерывном режиме. Ну или по ручному запуску.
•
ADTS2..0 = 001 — запуск АЦП от аналогового компаратора. Удобно
блин. Например, чтобы не замерять постоянно входную величину, а
запрограммировать компаратор на то, что как только у него вылезет
что-либо выше порога, так тут же захватывать это дело на АЦП.
•
ADTS2..0 = 010 — запуск от внешнего прерывания INT0
•
ADTS2..0 = 011 — по совпадению таймера T0
•
ADTS2..0 = 100 — по переполнению таймера Т0
•
ADTS2..0 = 101 — по совпадению с таймера Т1
•
ADTS2..0 = 110 — По переполнению таймера Т1
•
ADTS2..0 = 111 — По событию “захват” таймера Т1
Скорость работы АЦП
Частота выборки АЦП задается в битах предделителя ADPS2…0 регистра
ADCSR. Саму таблицу можно поглядеть в даташите на соответствующий
МК, скажу лишь то, что самая оптимальная точность работы модуля АЦП
находится в пределах 50…200кГц, поэтому предделитель стоит настраивать
исходя из этих соображений. С повышением частоты точность падает.
Прерывания.
Естественно у АЦП есть прерывания. В данном случае это прерывание по
окончанию преобразования. Его можно разрешить битом ADIE, а внаглую
вручную палится оно по флагу ADIF (регистр ADCSRA). Флаг ADIF
автоматом снимается при уходе на вектор прерывания по АЦП.
Данные с АЦП сваливаются в регистровую пару ADCH:ADCL откуда их
можно забрать. Причем тут есть один прикольный момент. Регистровая пара
то у нас ведь 16ти разрядная, а АЦП имеет разрядность 10бит. В итоге, лишь
один регистр занят полностью, а второй занимает лишь оставшиеся два бита.
Так вот, выравнивание может быть как по правому краю — старшие два бита
в ADCH, а младшие в ADCL, либо по левому — старшие биты в ADCH, а
два младших бита в ADCL.
[x][x][x][x][x][x][9][8]:[7][6][5][4][3][2][1][0] или
[9][8][7][6][5][4][3][2]:[1][0][x][x][x][x][x][x]
Зачем это сделано? А это выборка разрядности так оригинально
организована. Как я уже говорил, в младших разрядах все равно мусор и
шумы (по крайней мере я от них так и не смог избавиться, как ни старался) .
Так вот. Делаем выравнивание по левому краю. И загребаем старшие
разряды только из регистра ADCH, а на младший забиваем. Итого, у нас
число отсчетов становится 256. За выравнивание отвечает бит ADLAR в
регистре ADMUX 0 — выравнивание по правой границе, 1 — по левой.
Запуск преобразования в ручном или непрерывном режиме.
Для запуска преобразования нужно вначале разрешить работу ADC,
установкой бита ADEN в регистре ADCSR и в том же регистре ткнуть в бит
ADSC. Для запуска непрерывного преобразование (одно за другим) нужно
также выставить бит ADFR (ADATE в некоторых AVR).
Повышение точности уходом в спячку.
Для повышения точности, чтобы внутренние цепи АЦП не гадили своими
шумами, можно запустить АЦП в спящем режиме. Т.е. проц
останавливается, все замирает. Работает только WatchDog и блок АЦП. Как
только данные сосчитаются, генерируется прерывание которое будит
процессор, он уходит на обработчик прерывания от АЦП и дальше все своим
чередом.
А теперь приведу парочку примеров простой инициализации и работы с
АЦП. Микроконтроллер ATMega16
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
; Мой любимый макрос для записи в порты :))))
.MACRO outi
LDI R16,@1
OUT @0,R16
.ENDM
; ADC Init - Инициализурем АЦП. Это можно сунуть куда - нибудь в начало кода
OUTI
ADCSRA,(1<<ADEN)|(1<<ADIE)|(1<<ADSC)|(1<<ADATE)|(3<<ADPS0)
; Итак что тут у нас:
; ADEN = 1 - разрешаем АЦП
; ADIE = 1Разрешаем прерывания.
; ADSC = 1 Запускаем преобразование (первое, дальше автоматом)
; ADATE = 1 Непрерывные последовательные преобразования, одно за другим.
; ADPS2..0 = 3 Делитель частоты на 8 - так у меня получается оптимальная
частота.
OUTI ADMUX,0b01000101
;А тут выбираем откуда брать будем сигнал
;REFS -- 0b[01]000101 первые два бита - напряжение с входа AVCC
;ADLAR --0b01[0]00101следующий бит выравнивание по правому краю
;MUX -- 0b010[00000]</B>Сигнал на вход идет с нулевого канала АЦП.
А что дальше делать? А ничего! Сидеть и ждать прерывания!
Когда оно придет процессор кинет на вектор и дальше уже можно либо
переписать данные из ADCH:ADCL в другое место, либо какую
простенькую обработку тут же, не отходя от кассы, замутить. Вроде
усреднения.