SƯU TẦM VÀ BIÊN SOẠN BỞI NTINSIDE Ntinside 1 CÙNG NGHIÊN CỨU AVR SƯU TẦM VÀ BIÊN SOẠN BỞI NTINSIDE Ntinside 2 BÀI 1 - LÀM QUEN AVR 3 BÀI 2 - CẤU TRÚC AVR 14 BÀI 3 - NGẮT NGOÀI 27 BÀI 4 – TIMER - COUNTER 40 BÀI 5 – GIAO TIẾP UART 64 BÀI 6 - CHUYỂN ĐỔI ADC 81 BÀI 7 – GIAO TIẾP SPI 97 BÀI 8 – GIAO TIẾP TWI - I2C 110 BÀI 9 - KEYPAD 138 BÀI 10 - TEXT LCD 144 BÀI 11 - GRAPHIC LCD 171 BÀI 12 - C CHO AVR 199 BÀI 13 - THIẾT LẬP FUSE BIT 211 SƯU TẦM VÀ BIÊN SOẠN BỞI NTINSIDE Ntinside 3 Bài 1 - Làm quen AVR I. Giới thiệu. AVR là một họ vi điều khiển do hãng Atmel sản xuất (Atmel cũng là nhà sản xuất dòng vi điều khiển 89C51 mà có thể bạn đã từng nghe đến). AVR là chip vi điều khiển 8 bits với cấu trúc tập lệnh đơn giản hóa-RISC(Reduced Instruction Set Computer), một kiểu cấu trúc đang thể hiện ưu thế trong các bộ xử lí. Tại sao AVR: so với các chip vi điều khiển 8 bits khác, AVR có nhiều đặc tính hơn hẳn, hơn cả trong tính ứng dụng (dễ sử dụng) và đặc biệt là về chức năng: • Gần như chúng ta không cần mắc thêm bất kỳ linh kiện phụ nào khi sử dụng AVR, thậm chí không cần nguồn tạo xung clock cho chip (thường là các khối thạch anh). • Thiết bị lập trình (mạch nạp) cho AVR rất đơn giản, có loại mạch nạp chỉ cần vài điện trở là có thể làm được. một số AVR còn hỗ trợ lập trình on – chip bằng bootloader không cần mạch nạp… • Bên cạnh lập trình bằng ASM, cấu trúc AVR được thiết kế tương thích C. • Nguồn tài nguyên về source code, tài liệu, application note…rất lớn trên internet. • Hầu hết các chip AVR có những tính năng (features) sau: Có thể sử dụng xung clock lên đến 16MHz, hoặc sử dụng xung clock nội lên đến 8 MHz (sai số 3%) Bộ nhớ chương trình Flash có thể lập trình lại rất nhiều lần và dung lượng lớn, có SRAM (Ram tĩnh) lớn, và đặc biệt có bộ nhớ lưu trữ lập trình được EEPROM. Bộ nhớ chương trình Flash có thể lập trình lại rất nhiều lần và dung lượng lớn, có SRAM (Ram tĩnh) lớn, và đặc biệt có bộ nhớ lưu trữ lập trình được EEPROM. Nhiều ngõ vào ra (I/O PORT) 2 hướng (bi-directional). 8 bits, 16 bits timer/counter tích hợp PWM. Các bộ chuyển đối Analog – Digital phân giải 10 bits, nhiều kênh. SƯU TẦM VÀ BIÊN SOẠN BỞI NTINSIDE Ntinside 4 Chức năng Analog comparator. Giao diện nối tiếp USART (tương thích chuẩn nối tiếp RS- 232). Giao diện nối tiếp Two –Wire –Serial (tương thích chuẩn I2C) Master và Slaver. Giao diện nối tiếp Serial Peripheral Interface (SPI) Một số chip AVR thông dụng: AT90S1200 AT90S2313 AT90S2323 and AT90S2343 AT90S2333 and AT90S4433 AT90S4414 and AT90S8515 AT90S4434 and AT90S8535 AT90C8534 ATtiny10, ATtiny11 and ATtiny12 ATtiny15 ATtiny22 ATtiny26 ATtiny28 ATmega8/8515/8535 ATmega16 ATmega161 ATmega162 ATmega163 ATmega169 ATmega32 ATmega323 ATmega103 ATmega64/128/2560/2561 AT86RF401. Trong bài viết này tôi sử dụng chip ATmega8 để làm ví dụ, tôi chọn ATmega8 vì đây là loại chip thuộc dòng AVR mới nhất, nó có đầy đủ các SƯU TẦM VÀ BIÊN SOẠN BỞI NTINSIDE Ntinside 5 tính năng của AVR nhưng lại nhỏ gọn (gói PDIP có 28 chân) và low cost nên các bạn có thể mua để tự mình tạo ứng dụng. Tại sao Assembly (ASM): bạn có thể không cần biết về cấu trúc của AVR vẫn có thể lập trình cho AVR bằng các phần mềm hỗ trợ ngôn ngữ cấp cao như BascomAVR (Basic) hay CodevisionAVR (C), tuy nhiên đó không phải là mục đích của bài viết này. Để hiểu thấu đáo về AVR bạn phải lập trình bằng chính ngôn ngữ của nó, ASM. Như vậy lập trình bằng ASM giúp bạn hiểu tường tận về AVR, và tất nhiên để lập trình được bằng ASM bạn phải hiểu về cấu trúc AVR….Một lý do khác bạn mà tôi khuyên bạn nên lập trình bằng ASM là các trình dịch (compiler) ASM cho AVR là hoàn toàn miễn phí, và nguồn source code cho AVR viết bằng ASM là rất lớn. Tuy nhiên một khi bạn đã thành thạo AVR và ASM bạn có thể sử dụng các ngôn ngữ cấp cao như C để viết ứng dụng vì ưu điểm của ngôn ngữ cấp cao là giúp bạn dễ dàng thực hiện các phép toán đại số 16 hay 32 bit (vốn là vấn đề khó khăn khi lập trình bằng ASM). II. Công cụ. Trình biên dịch: có rất nhiều trình biên dịch bạn có thể sử dụng đế biên dịch code của bạn thành file intel hex để nạp vào chip, một số trình dịch quen thuộc có thể kể đến như sau: • AvrStudio: là trình biên dịch ASM chính thức cung cấp bởi Atmel, đây là trình biên dịch hoàn toàn miễn phí và tất nhiên là tốt nhất cho lập trình AVR bằng ASM. Phiên bản hiện tại là 4.18 SP1, bạn có thể download phần mềm AvrStudio tạitrang web chính thức của Atmel hoặc bản 4.623 tại đây. • Wavrasm: cũng được cung cấp bởi Atmel, nó chính là tiền thân của AvrStudio. Hiện tại wavrasm không còn được sử dụng nhiều vì so với AvrStudio trình biên dịch này có nhiều hạng chế, nếu bạn quan tâm có thể download tại đây. • WinAVR hay avr-gcc: là bộ trình dịch được phát triển bởi gnu, ngôn ngữ sử dụng là C và có thể được dùng tích hợp với AvrStudio (dùng Avrstudio làm trình biên tập – editor). Đặc biệt bộ biên dịch này cũng miễn phí và đa số nguồn source code C được viết bằng bộ này, vì vậy nó rất lí tưởng cho bạn khi viết các ứng dụng chuyên nghiệp. Việc lập trình bằng avrgcc tôi sẽ đề cập trong những phần sau. • CodeVisionAvr: một chương trình bằng ngôn ngữ C rất hay cho AVR, hỗ trợ nhiều thư viện lập trình. Tuy nhiên là chương trình thương mại. Bạn có thể download bản demo (đầy đủ chức năng nhưng nhưng giới hạn dung lượng bộ nhớ chương trình 2KB) tại Website hpinfotech • ICCAVR: lập trình C cho avr, download bản demo. • BascomAVR: lập trình cho AVR bằng basic, đây là trình biên dịch khá hay và dễ sử dụng, hỗ trợ rất nhiều thư viện. Tuy nhiên rất khó debug lỗi và không thích hợp cho việc tìm hiểu AVR. Vì vậy tôi không bạn khuyến khích bạn sử dụng trình dịch này. Bạn có thể download bản demo (4K limit). SƯU TẦM VÀ BIÊN SOẠN BỞI NTINSIDE Ntinside 6 • Và còn rất nhiều trình biên dịch khác cho AVR mà tôi không kể ra đây, nhìn chung tất cả các trình biên dịch này hỗ trợ C hoặc Basic hoặc thậm chí Pascal. Việc chọn 1 trình biên dịch tùy thuộc vào mục đích, vào mức độ ứng dụng, vào kinh nghiệm sử dụng và nhiều lý do khác nữa. Ví dụ tôi thường dùng Avrstudio và avrgcc khi học sử dụng AVR và khi viết thư viện. Nhưng khi cần viết chương trình ứng dụng tôi thường chọn avrgcc và CodeVisionAVR. Trong bài viết này tôi hướng dẫn bạn sử dụng AvrStudio để viết chương trình cho AVR bằng ASM. Chương trình nạp (Chip Programmer): đa số các trình biên dịch (AvrStudio, CodeVisionAVR, Bascom…) đều tích hợp sẵn 1 chương trình nạp chip hỗ trợ nhiều loại mạch nạp nên bạn không quá lo lắng. Trong trường hợp khác, bạn có thể sử dụng các chương trình nạp như Icprog hay Ponyprog…là các chương trình nạp miễn phí cho AVR. Việc chọn và sử dụng chương trình nạp sẽ được giới thiệu trong các bài sau. Mạch nạp: tham khảo bài viết giới thiệu mạch nạp AVR. Chương trình mô phỏng: avr simulator là trình mô phỏng và debbug được tích hợp sẵn trong Avrstudio, avr simulator cho phép bạn quan sát trạng thái các thanh ghi bên trong AVR nên rất phù hợp để bạn debug chương trình. Proteus là chương trình thứ hai tôi muốn nói đến, Proteus không những mô phỏng hoạt động bên trong chip mà còn mô phỏng mạch điện tử. Proteus mô phỏng rất trực quan, nó là 1 công cụ hữu ích khi các bạn chưa có điều kiện làm các mạch điện tử. III. Ví dụ đầu tiên của bạn. Sau khi download AvrStudio, bạn hãy cài đăt phần mềm trên máy của bạn, quá trình cài đặt rất đơn giản, bạn hãy theo các mặc định và nhấn “next” để cài đặt. Trong bài đầu tiên này chúng ta sẽ viết thử 1 chương trình đơn giản cho AVR sau đó chạy mô phỏng bằng Proteus. Có thể có một số câu lệnh các bạn sẽ không hiểu, nhưng đừng lo lắng quá, trong bài thứ 2 chúng ta sẽ học về cấu trúc AVR các bạn sẽ được giải thich rõ hơn. Để thực hiện ví dụ này, bạn hãy tạo một Project bằng AVRStudio, phần hướng dẫn chi tiết cho việc tạo Project trong AVRStudio bạn hãy tham khảo ở bài hướng dẫn AVRStudio.Đoạn code ví dụ trong bài đầu tiên này được trình bày trong List1. List 1. Đoạn code đầu tiên của bạn. 1 2 .CSEG .INCLUDE "M8DEF.INC" SƯU TẦM VÀ BIÊN SOẠN BỞI NTINSIDE Ntinside 7 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 .ORG 0x000 RJMP BATDAU .ORG 0x020 BATDAU: ; KHOI TAO CAC DIEU KIEN DAU LDI R16, HIGH(RAMEND) LDI R17, LOW(RAMEND) OUT SPH, R16 OUT SPL, R17 LDI R16, 0xFF; OUT DDRB, R16 ; CHUONG TRINH CHINH MAIN: LDI R16, 0B00000001 OUT PORTB, R16 RCALL DELAY LDI R16, 0B00000010 OUT PORTB, R16 RCALL DELAY LDI R16, 0B00000100 OUT PORTB, R16 RCALL DELAY LDI R16, 0B00001000 OUT PORTB, R16 RCALL DELAY LDI R16, 0B00010000 OUT PORTB, R16 RCALL DELAY LDI R16, 0B00100000 OUT PORTB, R16 RCALL DELAY SƯU TẦM VÀ BIÊN SOẠN BỞI NTINSIDE Ntinside 8 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 LDI R16, 0B01000000 OUT PORTB, R16 RCALL DELAY LDI R16, 0B10000000 OUT PORTB, R16 RCALL DELAY RJMP MAIN ; CHUONG TRING CON DELAY 65535 chu ky (khoang 65535us neu xung ;clock cho chip la 1M) DELAY: LDI R20, 0xFF DELAY0: LDI R21, 0xFF DELAY1: DEC R21 BRNE DELAY1 DEC R20 BRNE DELAY0 RET Trước khi tìm hiểu ý nghĩa đoạn code, hãy nhìn 1 lượt qua đoạn code. Trước hết việc viết HOA hay viết thường là không quan trọng, bạn có thể viết đoạn code với bất cứ hình thức nào miễn đúng cú pháp, từ khóa là được. Trong đoạn code: • Bạn thấy 1 số từ có màu BLUE (ví dụ LDI, OUT, RJMP, RCALL, RET…)đó là các INSTRUCTiON, tức là các câu lệnh của ngôn ngữ ASM, bạn có thể đọc tài liệu “AVR INSTRUCTION” để tìm hiểu tất cả các INSTRUCTION. Các INSTRUCTION sau đó sẽ được trình dịch dịch thành các mã tương ứng. • Một số từ bắt đầu bằng bằng dấu chấm “.” là các DIRECTIVE (ví dụ .INCLUDE hay .ORG )đó cũng là những từ khóa mặc định của ASM AVR, các DIRECTIVE không phải là mã lệnh mà chỉ là các chỉ dẫn về địa chỉ bộ nhớ, khởi động bộ nhớ, định nghĩa macro…và không được trình dịch dịch thành mã. Chi tiết về DIRECTIVE có thể tìm thấy trong các tài liệu về ASM AVR, dưới đây tôi tóm tắt các DIRECTIVE và chức năng của chúng như sau: SƯU TẦM VÀ BIÊN SOẠN BỞI NTINSIDE Ntinside 9 • Thông thường 1 INSTRUCTION được theo sau bởi 2 toán hạng – operand (tuy nhiên có nhiều trường hợp chỉ có 1 toán hạng hoặc không có toán hạng), khi đó toán hạng thứ nhất sẽ là các THANH GHI. của AVR (như đã đề cập, chúng ta sẽ khảo sát thanh ghi AVR trong các bài sau), ví dụ : “LDI R16, 0xFF;” trong đó toán hạng “R16” là tên 1 thanh ghi trong AVR, và “0xFF” là 1 hằng số dạng hexadecimal có giá trị tương ứng là 255 dạng thập phân hay 11111111 nhị phân. • Các từ theo sau bởi dấu “:” là các nhãn – label (ví dụ MAIN, DELAY…), đó là từ do chúng ta tự đặt, nó thực chất là 1 vị trí trong bộ nhớ chương trình, có thể sử dụng nhãn như 1 chương trình con. • Phần đi sau dấu “;” gọi là giải thích – comment, phần này không được biên dịch, bạn có thể ghi comment ở bất cứ đâu trong chương trình với yêu cầu phải sử dụng dấu “;” trước nó. Giải thích đoạn code:có thể chia đoạn code trên thành 4 phần: phần đầu chứa các DIRECTIVE và lệnh RJMP dùng để xác định các địa chỉ bộ nhớ chương trình, phần 2 là khởi tạo một số điều kiện đầu cho Stack Pointer và PORT, phần 3 là chương trình chính, và phần 4 là chương trình con ( chú ý đây chỉ là cách bố trí của riêng tôi, một khi đã quen thuộc, bạn có thể bố trí chương trình theo cách riêng của bạn). • Phần 1 và phần 2: .CSEG Chỉ thị .CSEG: Code Segment báo cho trình biên dịch rằng phần code theo sau là phần chương trình thực thi, phần này sẽ được download vào bộ nhớ chương trình của chip. SƯU TẦM VÀ BIÊN SOẠN BỞI NTINSIDE Ntinside 10 .INCLUDE "M8DEF.INC" Chỉ thị .INCLUDE báo cho trình biên dịch bắt đầu đọc 1 file đính kèm, trong trường hợp trên là file “M8DEF.INC”, đây là file chứa các khai báo cho chip Atmega8 như thanh ghi, ngắt…cho việc truy xuất trong chương trình của bạn, đây là dòng bắt buộc, nếu bạn lập trình cho chip khác bạn hãy đổi tên file đính kèm, ví dụ “m32def.inc” cho chip ATmega32… bạn có thể tìm thấy các file này trong thư mục “C:\Program Files\Atmel\AVR Tools\AvrAssembler2\Appnotes”. .ORG 0x000 Chỉ thị .ORG: Set Program Origin, set vị trí trong bộ nhớ sẽ được tác động đến, trong trường hợp trên, .ORG 0x000 xác định phần code theo ngay sau sẽ nằm ở địa chỉ 000, vị trí đầu tiên, trong bộ nhớ chương trình. Và dòng lênh trong vị trí đầu tiên đó là: RJMP BATDAU RJMP: Relative Jump là lệnh nhảy không điều kiện đến 1 vị trí trong bộ nhớ, trong trường hợp trên là nhảy đến nhãn BATDAU, và nhãn BATDAU nằm ở vị trí 0x020 (số hexadecimal, 0x020 =32 decimal) vì nó được khai báo ngay sau DIRECTIVE .ORG 0x020. .ORG 0x020 BATDAU Như thế phần bộ nhớ chương trình nằm giữa 0 và 0x020 không được sử dụng trong đoạn code của chúng ta, phần này được sử dụng cho mục đích khác, đó là các vectơ ngắt ( không được đề cập ở đây). Tiếp theo: ; KHOI TAO CÁC DIEU KIEN DAU LDI R16, HIGH(RAMEND) LDI R17, LOW(RAMEND) OUT SPH, R16 OUT SPL, R17 Bốn dòng code trên khởi tạo cho Stack Pointer, chúng ta sẽ tìm hiểu phần này trong các bài về Stack và chương trình con. Lời khuyên: các bạn nên khởi động 1 chương trình theo cách trên và chúng ta sẽ hiểu chúng rõ hơn sau này ! LDI R16, 0xFF OUT DDRB, R16 [...]... NTINSIDE ALU thực thi Trong lúc thực thi chương trình, địa chỉ của dòng lệnh đang thực thi được quyết định bởi một bộ đếm chương trình – PC (Program counter) Đó chính là cách thức hoạt động của AVR AVR có ưu điểm là hầu hết các instruction đều được thực thi trong 1 chu kỳ xung clock, vì vậy có thể nguồn clock lớn nhất cho AVR có thể nhỏ hơn 1 số vi điều khiển khác như PIC nhưng thời gian thực thi vẫn... bạn thực hiện đúng kết quả sẽ như minh họa trong hình 2 Hướng dẫn cụ thể cách vẽ mạch điện và mô phỏng bằng phần mềm Proteus bạn hãy xem bài "Mô phỏng Proteus" Hình 2 Mô phỏng Ntinside 13 SƯU TẦM VÀ BIÊN SOẠN BỞI NTINSIDE Bài 2 - Cấu Trúc AVR I Giới thiệu Bài này tiếp tục bài đầu tiên trong loạt bài giới thiệu về AVR, nếu sau bài "Làm quen AVR" bạn đã phần nào biết cách lập trình cho AVR bằng AVRStudio... các thiết bị bên trong chip (ngắt báo bộ đếm timer/counter tràn, ngắt báo quá trình gởi dữ liệu bằng RS232 kết thúc…) hay do các tác nhân bên ngoài (ngắt báo có 1 button được nhấn, ngắt báo có 1 gói dữ liệu đã được nhận…) Ngắt là một trong 2 kỹ thuật “bắt” sự kiện cơ bản bao gồm: hỏi vòng (Polling) và ngắt Hãy tưởng tượng bạn cần thiết kế một mạch điều khiển hoàn chỉnh thực hiện rất nhiều nhiệm vụ bao... BATDAU”, như thế các lệnh RJMP tại các vector ngắt và các ISR đều không được thực hiện, chúng chỉ được thực hiện một cách tự động khi có ngắt Ngắt ngoài với C: Avr- libc hỗ trợ một thư viện hàm cho ngắt khá hoàn hảo, để sử dụng ngắt trong chương trình viết bằng C (avr- gcc) bạn chỉ cần include file “interrupt.h” nằm trong thư mục con avr là xong file header interrupt.h chứa định nghĩa các hàm và phương thức... SIG_USART3_DATA USART3 Data register Empty III Ví dụ ngắt ngoài với C Để thực hiện ví dụ sử dụng ngắt ngoài bằng C, tôi sẽ viết lại chương trình ví dụ của bài "cấu trúc AVR" nhưng bằng ngôn ngữ C và sử dụng ngắt Trong chương trình ví dụ của bài AVR2 , chúng ta thực hiện việc đếm lên và đếm xuống dùng 2 button, chúng ta sẽ vẫn thực hiện trên ý tưởng này nhưng có chút thay đổi trong kết nối, trước hết... Trước khi instruction POP được thực hiện, con trỏ SP được tăng lên 1 đơn vị, sau đó dữ liệu sẽ được lấy ra từ vị trí mà SP trỏ đến trong stack Stack trong AVR không phải là “vô đáy”, nghĩa là chúng ta chỉ có thể PUSH dữ liệu vào stack ở 1 độ sâu nhất định nào đấy (phụ thuộc vào chip) Sử dụng stack không đúng cách đôi khi sẽ làm chương trình thực thi sai hoặc tốn thời gian thực thi vô ích Vì thế không... chip 7447 (từ khóa 7447), 1 điện trở 10 Ω và 2 button (từ khóa button) Hình 9 Ví dụ cho bài 2 Sử dụng AVRStudio tạo 1 project mới với tên gọi avr2 (xem lại cách tạo Project mới trong AVRStudio) Viết lại phần code bên dưới vào vào file avr2 .asm List 1 Ví dụ cấu trúc AVR INCLUDE "M8DEF.INC" CSEG .ORG 0x0000 RJMP BATDAU ORG 0x0020 BATDAU: ;KHOI DONG STACK POINTER LDI R17, HIGH(RAMEND) LDI R16, LOW(RAMEND)... xuất nhập của AVR trong hình 10 Hình 10 Cấu trúc chân trong PORT của AVR Trong mạch điện hình 10, các diode và tụ điện chỉ có chức năng bảo vệ chân PORT, nhưng điện trở Rpu (R Pull up) đóng vai trò quan trọng như là điện trở kéo lên khi chân của PORT làm nhiệm vụ nhận tín hiệu (ngõ nhập) Tuy nhiên trong AVR, điện trở kéo lên này không phải luôn kích hoạt, chúng ta biết rằng mỗi PORT của AVR có 3 thanh... của AVR Bộ nhớ chương trình (Program memory): Là bộ nhớ Flash lập trình được, trong các chip AVR cũ (như AT90S1200 hay AT90S2313…) bộ nhớ chương trình chỉ gồm 1 phần là Application Flash Section nhưng trong các chip AVR mới chúng ta có thêm phần Boot Flash setion Boot section sẽ được khảo sát trong các phần sau, trong bài này khi nói về bộ nhớ chương trình, chúng ta tự hiểu là Application section Thực. .. cấu trúc của AVR Sau bài này, bạn sẽ: Hiểu được cấu trúc AVR, cấu trúc bộ nhớ và cách thức hoạt động của • chip • • • • • • Hiểu về Stack và cách hoạt động Biết được một số instruction cơ bản truy xuất bộ nhớ Học các instruction rẽ nhánh và vòng lặp Chương trình con (Subroutine) và Macro Cải tiến ví dụ trong bài 1 Viết 1 ví dụ minh họa cách sử dụng bộ nhớ và vòng lặp II Tổ chức của AVR AVR có cấu trúc . CÙNG NGHIÊN CỨU AVR SƯU TẦM VÀ BIÊN SOẠN BỞI NTINSIDE Ntinside 2 BÀI 1 - LÀM QUEN AVR 3 BÀI 2 - CẤU TRÚC AVR 14 BÀI 3 - NGẮT NGOÀI 27 . nữa. Ví dụ tôi thường dùng Avrstudio và avrgcc khi học sử dụng AVR và khi viết thư viện. Nhưng khi cần viết chương trình ứng dụng tôi thường chọn avrgcc và CodeVisionAVR. Trong bài viết này. Cấu Trúc AVR I. Giới thiệu. Bài này tiếp tục bài đầu tiên trong loạt bài giới thiệu về AVR, nếu sau bài "Làm quen AVR& quot; bạn đã phần nào biết cách lập trình cho AVR bằng AVRStudio