Fun with Fan part 4

Teoria już za nami - czas na kodzik!

Na dobry początek rozważmy rozwiązanie wykorzystujące mechanizm przerwań i timer. Sygnał tacho podepniemy pod zewnętrzne przerwanie INT2 (PD3 w mojej Atmedze), a timer skonfigurujemy tak, by generował przerwanie co 1 sekundę. W obsłudze przerwania INT2 będziemy zliczać impulsy, a co sekundę, dzięki timerowi policzymy, ile obrotów wykonał nasz wentylator. Wiemy, że na pełen obrót składają się 2 impulsy, dlatego sumę impulsów podzielimy przez 2.

Żeby mieć jako takie pojęcie o tym, co się dzieje na pokładzie mikrokontrolera, wyślemy ilość obrotów na minutę USARTem przez bluetooth'a wprost do aplikacji terminala odpalonej na telefonie z Androidem. Informację o prędkości będziemy wysyłać również co sekundę. Skąd będziemy wiedzieć kiedy dokładnie? Ustawimy flagę send w obsłudze przerwania!

Do dzieła!

Fun with Fan part 3

Gospodarowanie dostępnymi zasobami

Trzeba dążyć do tego, by wykorzystać jak najwięcej z tego, co mają nam do zaoferowania producenci sprzętu, który wpadnie nam w ręce. Maglowany przeze mnie wiatraczek a.k.a. wentylator oprócz dwóch linii zasilających (czerwonej + i czarnej -) posiada jeszcze linię oznaczoną kolorem żółtym. Szybki rzut oka w Internety wystarcza, by dowiedzieć się, że jest to wyjście tacho. Linia ta jest częścią sprzężenia zwrotnego dla naszego proca - zwiększając napięcie zasilania spodziewa się, że wentylator będzie kręcił się coraz szybciej. W myśl zasady - kontrola najwyższą formą zaufania - za pomocą żółtej linii jest w stanie określić prędkość, z jaką obraca się wirnik wentylatora i w zależności od sytuacji odpalać takie albo inne eventy. Np. gdy wie, że prędkość jest niska, a temperatura wzrosła - może podnieść nieco napięcie zasilania - spodziewając się wzrostu prędkości obrotowej. Gdy ten wzrost nie nastąpi - nasz procesor może zacząć bić na alarm - bo coś złego dzieje się z tak ważnym elementem każdego komputera - chłodzeniem (PC zaczyna piszczeć tym swoim głośniczkiem...).

Pomysł na mikro-projekt

Co jako było nie było programista Atmegi mogę zrobić z tym fantem? Ano podpiąć dodatkową linię do mikrokontrolera i wykorzystać jakoś te informacje. Co mnie interesuje? Interesuje mnie stan tej linii w czasie. Pierwsza myśl - podłączę tacho do dowolnej nóżki mikrokontrolera i będę sobie sprawdzał jej stan. Dobre, ale są lepsze rozwiązania. Przerwanie! Przecież mogę podpiąć ten sygnał pod przerwanie - główna pętla programu już nie będzie musiała sprawdzać stanu nóżki. OK - do tego jeszcze potrzebny nam jest jakiś pomiar czasu. Z żółtej linii odczytamy ilość wykonanych przez wirnik obrotów - do zmierzenia prędkości potrzebny będzie też czas. Zapniemy jakiś zegarek? Stoper? Blisko - wykorzystamy Timer! Lepiej! Wykorzystamy mechanizm przechwytywania sygnału wejściowego (Input Capture Unit).

Zejdźmy na poziom sygnałów

Przechwytywany sygnał musimy podpiąć do jednego z dwóch (w przypadku Atmegi 162) wejść ICP. Dla niepoznaki są to ICP1 na pinie PE0 i ICP3 na pinie PD3. Pin PD3 to także wejście zewnętrznego przerwania INT1 - warto o tym pamiętać wybierając miejsce podłączenia sygnału tacho - chcąc wypróbować podejście z przerwaniem warto skorzystać z pinu PD3 - nie trzeba będzie zmieniać konfiguracji połączenia przy zmianie podejścia programowego - chcąc zaoszczędzić dobrą linię przerwania - warto wybrać port E.

Nie warto ryzykować - wentylator działa z napięciem 12V - Atmega 5V - sięgamy po transoptor!

Input Capture Unit

Jak zwykle w przypadku obcowania z zewnętrznymi sygnałami, musimy określić, na jaki stan nasza potężna jednostka ICU ma reagować. W momencie, gdy na wejściu ICPn pojawi się oczekiwany przez nas stan, nastąpi przechwycenie! W momencie przechwycenia do rejestru ICRn jest wpisywana aktualna wartość rejestru TCNTn wykorzystywanego licznika (krótko mówiąc timestamp). Warto tak skonfigurować mikrokontroler, by w tym momencie wystąpiło przerwanie - przecież musimy na bieżąco reagować! Mało tego - musimy reagować szybko, bo przy następnym oczekiwanym stanie logicznym interesujące nas rejestry zostaną nadpisane, a cenne dane utracone. W tym miejscu warto jeszcze wspomnieć o istnieniu mechanizmu redukowania szumów (Noise Canceler), który może usprawnić nasze pomiary, gdy na linii występują zakłócenia.

I z tą dozą teorii zostawiam Cię Czytelniku, w niedalekiej przyszłości pojawi się adekwatny kodzik!

Szczęśliwi czasu nie liczą - Timer/Counter

Szczęśliwi (programiści) czasu nie liczą

Genezy tego stwierdzenia możemy się doszukać w programowaniu mikrokontrolerów. Mówi ona o tym, że szczęśliwym jest programista, który nie musi się martwić o odmierzanie czasu na swoim mikroprocku w sposób programowy; szczęśliwym jest programista, który korzysta ze sprzętowych mechanizmów wbudowanych w mikroprocka.

Kwarc, czyli jakiego masz proca?!

Znajomość częstotliwości taktowania procesora to jedna z tych rzeczy, które każdy szanujący się komputerowy maniak powinien znać! Chyba. Ja taktowania procesora w moim PC nie pamiętam - wiem, że dzięki niemu mogę się spotkać z Wiedźminem i Visual Studio nie będzie przymulać. Przy wysokopoziomowych smutnych biznesowych projektach ta wiedza przydaje się bardzo rzadko (co innego gamedev...). Tak czy siak - programując mikrokontrolery musimy znać częstotliwość taktowania. Bez tego ani rusz! Dosłownie - przy pierwszym podłączeniu Atmegi przez programator powinniśmy "powiedzieć" jej, z jaką częstotliwością ma dla nas pracować. Częstotliwość - czyli tempo, w jakim będą wykonywane rozkazy programu.
Tempo Atmedze może nadawać jeden z dwóch oscylatorów - wewnętrzny - max. 8MHz (odsyłam do datasheetu po szczegóły - sekcja Calibrated Internal RC Oscillator) i zewnętrzny. Zewnętrzny oscylator to tak naprawdę uzupełnienie układu oscylatora "zalanego" w obudowie Atmegi. Najprościej rzecz ujmując do nóżek XTAL1 i XTAL2 musimy podpiąć rezonator - np. kwarcowy z wybraną przez nas częstotliwością. Jaką częstotliwość wybrać? Wiadomka! Jak największą...
Niekoniecznie. Prawidłową odpowiedzią jest: "to zależy, do czego chcesz wykorzystać mikrokontroler" - i jakiej dokładności się spodziewasz, korzystając z wybranego oscylatora.

Tik-tak

Nasz mikrokontroler wie już z jaką częstotliwością ma naduszać wykonanie programu. Ale czy tylko po to wznosiliśmy się na wyżyny konstrukcji układów cyfrowych podpinając kwarc? Oczywiście nie. Oscylator przyda się podczas korzystania z timerów. Prostokątny przebieg pochodzący z oscylatora poinformuje nasz licznik (timer), kiedy powinien zinkrementować przynależny mu rejestr. Na tapetę weźmy Timer0, więc inkrementowanym rejestrem będzie TCNT0. Timer ten jest 8-bitowy, więc w rejestrze pojawią się wartości od 0 do 255.

i++

Brawo my! Możemy skorzystać ze sprzętowego inkrementatora. Teraz tylko trzeba dopisać do tego jakiś powód. Weźmy kolejny rejestr przynależny naszemu licznikowi OCR0. Gdy wartość TCNT0 będzie równa OCR0, niech zmieni się stan pinu opisanego OC0 - czy to nie cudowne, że timer sam potrafi zmienić stan pinu?

FastPWM

Co nam da taka konfiguracja? Możliwość zmiany wypełnienia przebiegu na pinie OC0. Co niesie za sobą zmiana wypełnienia? Kiedy "załączamy" diodę podpiętą do pinu, przebieg jest wypełniony w 100% - co dla naszej LED oznacza np. 5V, gdy zasilamy takim napięciem mikrokontroler. Zmieniając wypełnienie, napięcie na układzie LED-rezystor ulega proporcjonalnemu pomniejszeniu. Proporcja wynosi OCR0/255. Więc najprościej rzecz ujmując - na nóżce OC0 pjawiać się będzie napięcie od 0 do 5V z możliwym krokiem co 1/255 * 5V.

Po czym poznać, że działa?

Podpinając LED pod nóżkę OC0 (PB0 dla Atmegi 162) i wgrywając poniższy kod zaobserwujemy stopniowe przygaszanie i rozjaśnianie diody.

I to wszystko po to, żeby znowu mrugać diodą?

Tak! I nie tylko diodą! Mruganie diody to jedna z możliwości prezentacji działania zmiany wypełnienia przebiegu. Zmieniając napięcie możemy kontrolować prędkość obrotową silniczka DC (autko może jechać wolniej albo szybciej, wiatraczek chłodzący procesor może zwiększać swoje obroty z jakiegoś powodu...) albo pójść krok dalej i wykorzystać nasz układ do sterowania oświetleniem - analogiczna zasada ma prawo działać dla prądu zmiennego - trzeba tylko cięższej artylerii elektronicznej, żeby to wszystko wysterować.

Kodzik!

#define F_CPU 8000000UL

#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <util/delay.h>

void Wait()
{
   _delay_ms(4);
}

int main(void)
{
   uint8_t brightness = 0;
   uint8_t maxBrightness = 250;
   uint8_t minBrightness = 0;

   // Fast PWM mode
   TCCR0 |= (1 << WGM01) | (1 << WGM00);
 
   // OC0 enabled, clear on match
   TCCR0 |= (1 << COM01) | (1 << COM00);
   
   // timer0 clock source prescaler
   TCCR0 |= (1 << CS00);
   
   // pin OC0 as output
   DDRB |= (1 << PB0);
   
   while (1)
   {
       for (brightness = minBrightness; brightness < maxBrightness; brightness++)
       {
           OCR0 = brightness;
           Wait();
       }
      
       for (brightness = maxBrightness; brightness > minBrightness; brightness--)
       {
           OCR0 = brightness;
           Wait();
       }
   }
}

Ta wiedza pozwoli Ci rozwijać projekty:
Zegarek
PWM