GREENTECH SYSTEM CO., LTD. AVR 100% 활용하기
목 차 그린텍시스템 AVR 이란 AVR ATmega128 AVR ATmega128 활용 SPI 사용방법 실 기 습 타 2
AVR 이란 AVR 어원 AVR 은 Alf(Bogen) Vergard(Wollen) Risc(Reduced Instruction Set Computer) 의약자로서 ATMEL사에서제작된 RISC 구조의 MCU AVR 의특징 -진보된 RISC 구조와파이프라인처리방식을사용하여소비전력이매우적음 -32개의범용레지스터를가지는레지스터중심형구조와간결한프로그램코드사이즈를가지도록하여 C언어프로그램에매우유리하게설계 -직렬통신방식의 ISP 기능을이용쉽게프로그램을다운로드 (10,000번 R/W) -모델에따라 ADC, PWM, SPI 등등의고기능을손쉽게구현할수있는장점 -외부버스를가지는모델에서는외부시스템버스를이용하여데이터메모리또는 I/O 디바이스를확장가능 -슬립모드를사용파워절약모드기능 -성능에따라 Attiny, AT90, Atmega 3가지의패밀리 MCU, MPU? -MPU : 컴퓨터용 CPU로연산목적 OFF CHIP( 메모리,I/O가 CUP와분리된형태 ) -MCU : 가전제품이나특히널리잘알려진로봇에많이쓰이는 ON CHIP(CHIP 에메모리와 I/O 가내장 ) 3
AVR ATmega128 ATmega128 특징 -16Mhz에서평균적으로 16MIPS(million instructions per second) 의명령처리속도 -6개의8비트병렬I/O포트및1개의5비트병렬I/O 포트 -2개의 8비트타이머 / 카운터 (0,2), 2개의 16비트타이머 / 카운터 (1,3) 와이들타이머 / 카운터는 2개의 8비트 PWM 출력, 6개의 2~16비트 PWM 출력, 출력비교단자등과관련되어동작 -2개의전이중통신이가능한 USART 직렬통신포트 -SPI 및 TWI 직렬통신포트 -아날로그비교기 -ATmega103호환모드 4
AVR ATmega128 그린텍시스템 ATmega128 외부핀 PORTB PORTF PORTE PORTA PORTG PORTD PORTC -PORT A/B/C/D/E : 반이중 I/O 포트로내부풀업저항된 8비트 / 양방향 / 병렬 / 범용포트, DDRX, PORTX, PINX 의레지스터를이용제어 -PORT F : 반이중 I/O 포트로내부풀업저항된 8 비트 / 양방향 / 병렬 / 범용포트 A/D 컨버터의입력포트 -PORT G : 반이중 I/O 포트로내부풀업저항된 5 비트 / 양방향 / 병렬 / 범용포트 -AVCC(64) : A/D 컨버터및포트 F 의전원 (ADC 를이용하지않더라도외부적으로 VCC 에연결 ) -RESET(20) : 리셋입력핀으로서 50ns 이상의 Low level 입력이지속되면리셋이발생한다. -AGND(63) : AVCC에대한전원접지 -AREF(62) : A/D 컨버터의기준전압 -XTAL1(23) : 내부클럭발생증폭회로 입력신호 -XTAL2 (24): 내부클럭발생증폭회로 출력신호 5
AVR ATmega128 포트별부가기능 PORTF PORTE PORTA PORTC -PORT A : 시분할다중화된데이터버스, 하위어드레스버스 -PORT B : 타이머 / 카운터, SPI -PORT C : 상위어드레스버스 -PORT D : 타이머 / 카운터, 외부인터럽트, USART1, TWI 직렬통신 -PORT E : 타이머카운터, 외부인터럽트, USART0 -PORT F : A/D컨버터, JTAG -PORT G : 타이머 / 카운터, 외부메모리인터페이스 PORTG PORTB PORTD 6
7 AVR ATmega128 AVR ATmega128 활용활용 ATmega128 ATmega128 기본기본회로회로 C4 104P C3 104P RESET R14 10R,1/8W TXD C1 104P RXD CN2 ISP WRITER 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 VCC VCC SCK R3 10RJ,1/8W VCC VCC U1 AtMega128 1 2 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 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 PEN PE0[RxD0] PE1[TxD0] PE2 PE3 PE4[INT4] PE5[INT5] PE6[INT6] PE7[INT7] PB0 PB1[SCK] PB2[MOSI] PB3[MISO] PB4 PB5 PB6 PB7 PG3 PG4 RESET VCC GND XTAL2 XTAL1 PD0[INT0] PD1[INT1] PD2[RxD1] PD3[TxD1] PD4 PD5 PD6[T1] PD7[T2] PG0[/WR] PG1[/RD] PC0[A8] PC1[A9] PC2[A10] PC3[A11] PC4[A12] PC5[A13] PC6[A14] PC7[A15] PG2[ALE] PA7[AD7] PA6[AD6] PA5[AD5] PA4[AD4] PA3[AD3] PA2[AD2] PA1[AD1] PA0[AD0] VCC GND PF7 PF6 PF5 PF4 PF3 PF2 PF1 PF0 AREF AGND AVCC VCC SCK R5 5X472 1 2 3 4 5 + C5 104p VCC RESET C2 104P R1 10RJ,1/8W TXD Y1 OSC16MHz/HALF SIZE 1 2 4 3 NC GND VCC CLOCK VCC RXD R11 10RJ,1/8W
AVR ATmega128 활용 그린텍시스템 병렬 I/O 포트구성및특징 -구성 *8비트/ 양방향 / 범용 / 병렬 I/O포트 (PORT A ~PORT F) 6개 *5비트/ 양방향 / 범용 / 병렬 I/O포트 (PORT G) 1개 -특징 *Read-modify-Write 동작 * 최대구동전류 40mA * 풀업저항 (Pull-up resistor) 설정가능 레지스터설정 -DDRx 레지스터의각비트를 1로셋트시해당포트의핀이출력핀으로설정 -PORTx 레지스터의각비트를 1로셋트시해당포트의핀이 1값을출력 -PORTx 레지스터의각비트를 0로셋트시해당포트의핀이 0값을출력 8
AVR ATmega128 활용 타이머 / 카운터 ATmega128 는 4 개의타이머 / 카운터로구성되어있으며, 이중타이머 / 카운터 0 은 8 비트구조로서카운터로이용될때타이머카운터 0 의카운터입력이 TOC1 과 0 으로받아 RTC 기능을가지는것을제외하고는타이머 / 카운터 2 와기능이같으며타이머카운터 1 은 16 비트구조로서타이머 / 카운터 3 과기능이같음 -타이머 MCU의내부클럭 (clki/o> 분주기 >clkt) 을이용하여일정시간간격의펄스를만들어내거나일정시간경과후에인터럽트를발생시키는기능 * 내부클럭 ( 빠름 / 분주가능 : 범위내에서클럭선택가능 ) 동기모드 -카운터외부핀 (TOSC1, TOSC2, T1, T2, T3) 을통해서들어오는펄스를계수 (Edge Detector) 하여 Event Counter로서동작되는것을말함 ( 펄스 = 사건, 카운터값 = 사건의횟수 ) * 외부클럭 ( 느림 / 분주불가능 : 외부클럭그대로사용 ) 비동기모드 9
AVR ATmega128 활용 USART 직렬통신 ATmega128에는같은기능을가지는 USART0, USART1 통신관련회로를가진다. USART = Universal Synchronous and Asynchronous serial Receiver and Transmitter -USART 특징 * 동기모드 : Master( 내부클럭 ), Slave( 외부클럭 :XCKn) * 비동기모드 : 내부클럭사용 * 전이중통신 * 멀티프로세서통신 * 높은정밀도의보레이트발생기내장 * 전송데이터 5~9비트설정 * 스톱비트 1~2 설정 * 페리티비트설정 ( 사용, 미사용, 짝수패리티, 홀수패리티선택 ) * 에러검출기능 ( 페리티에러, 오버런에러, 프레임에러 ) * 노이즈필터링 (3번샘플링동작 ) 10
AVR ATmega128 활용 A/D 컨버터 -A/D 컨버터란연속적인신호인아날로그신호를부호화된디지털신호로변환하는일. 아날로그디지털변환을수행하는기계장치를아날로그디지털변환기 (AD Convertor) 라고하는데, 이장치는온도, 압력, 음성, 영상신호, 전압등의실생활에서연속적으로측정되는신호를컴퓨터입력하여디지털화시키는장치 -A/D 컨버터의특징 * 8채널 * 10비트분해능 * 축차비교형 ( 변환시간수십us의종속형 A/D Converor) * 내부아날로그멀티플렉서탑재 * 샘플 / 홀드회로탑재로인하여 A/D 동작동안전압고정화 * 단극성아날로그입력 / 차동입력선택 * 차동입력에서 10배 ~200배의증폭 A/D 가능 * 포트F는아날로그비교기기능으로도사용가능 * 변환시간 (13us~260us - 50kHz~200kHz) 11
SPI 사용방법 SPI 직렬통신 SPI(Serial Peripheral Interface) 는모토라사에의하여개발된근거리용직렬통신규격으로서 MOSI, MISO, SCK, SS 등 4 개의통신선을사용하는고속동기식직렬통신방식 -특징 *4선을사용하는직렬동기식통신으로서전이중통신가능 * 항상마스터와슬레이브사이에서직렬로데이터송수신 * 마스터가데이터를송신또는수신하더라도클럭은항상마스터가발생 * LSB부터전송할수도있고 MSB부터전송가능 * 수십 Mhz의통신이가능하여가지전송속도중에서선택가능 * 전송완료인터럽트발생 * 슬립모드를해제하는 Wake-up 기능 12
SPI 사용방법 그린텍시스템 -SPI 핀의입출력방향 13
SPI 사용방법 - 동작 마스터가슬레이브에게데이터를송신하려면마스터가지정하려는슬레이브에게 SS(Slave Select) 신호를 L로출력하여통신할슬레이브디바이스를선택마스터는클럭신호를발생하여 SCK(Serial Clock) 신호선으로출력시프트레지스터에데이터를준비하여 MOSI(Master Output Slave Input) 단자로출력동시에 MISO(Master Input Slave Output) 단자를통해서더미데이터가입력데이터패킷의전송이끝나면마스터는다시 SS 신호를 H로출력하여슬레이브동작정지 SS 신호 L SCK 클럭전송 MOSI 데이터전송 MISO 데이터입력 SS 신호 H 14
SPI 사용방법 SPCR(SPI Control Register) *SPIE(SPI Interupt Enable) : SPI 전송이완료되어 SPIF 비트가 1 로되면서인터럽트가발생하는것을개별적으로 enable *SPE(SPI Enable) : SPI 모듈을 Enable한다. SPI를사용하려면 1 로설정 *DORD(Data Order) : 데이터를직렬로전송하는순서를지정하는비트로 1 로설정하면데이터 LSB부터전송하고, 0 으로설정하면 MSB부터전송 *MSTR(Master/Slave Select) : 1 로설정하면 SPI 모듈이마스터로동작하고 0 으로설정하면 SPI 모듈이슬레이브로동작 15
SPI 사용방법 *CPOL(Clock Polarity) 데이터샘플링동작이수행되는 SCK 클록신호의극성 (Polarity) 을설정 *CPHA(Clock Phase) 데이터샘플링동작이수행되는 SCK 클록신호의위상 (Phase) 을설정 16
SPI 사용방법 *SPR1, SPRO(SPI Clock Rate Select 1, 0) : SPI가마스터로동작할경우 SCK 클록신호주파수결정 16Mhz/4 = 4Mhz 16Mhz/16 = 1Mhz 16Mhz/64=250khz 16Mhz/128= 125khz 16Mhz/2 = 8Mhz 16Mhz/8 = 2Mhz 16Mhz/32 = 500khz 16Mhz/64= 250khz 17
SPI 사용방법 그린텍시스템 MCP3202 을이용한 SPI 통신 - MCP3202 : 2.7V Dual Chanel 12-bit A/D Converter with SPI Serial Interface 18
SPI 사용방법 8 4 2 1 8 4 2 1 *ATmega128을마스터로한 Clock을 1Mkz로된SPI 통신을하기위한컨트롤레지스터설정 -SPE(SPI Enable) : SPI 통신 (DDRB = 0x40 or (1<<SPE)) -MSTR(Master/Slave Select) : ATmega128 마스터 (DDRB = 0x10 or (1<<MSTR)) -SPR1, SPRO(SPI Clock Rate Select 1, 0) : 1Mhz Clock (DDRB = 0X01 or (1<<SPR0)) 19
SPI 사용방법 그린텍시스템 Master Slave SS CS SCK Clock MOSI Din MISO Dout -SS, SCK, MOSI 단자를출력 PORT 설정 (DDRB =0x07;) 20
SPI 사용방법 - Start bit 입력 : PORTB = 0x01; - 채널설정 bit 입력 : PORTB = 0xc0; 21
SPI 사용방법 MCP3202 12bit, ATmega128은 8bit -출력된 12bit Data 값을 8bit로읽기위해 16bit로선언된변수를 8번 Shift하고데이터값을순서대로받아 OR 시킴 22
SPI 사용방법 ATmega128 SPI 를이용한 MCP3202 정리 1.ATmega128을마스터로한 Clock을 1Mkz로된SPI 통신을하기위한컨트롤레지스터설정 -SPE(SPI Enable) : SPI 통신 (DDRB = 0x40 or (1<<SPE)) -MSTR(Master/Slave Select) : ATmega128 마스터 (DDRB = 0x10 or (1<<MSTR)) -SPR1, SPRO(SPI Clock Rate Select 1, 0) : 1Mhz Clock (DDRB = 0X01 or (1<<SPR0)) 2. SS, SCK, MOSI 단자를출력 PORT 설정 (DDRB =0x07;) 3. SS 단자 Low 신호출력 PORTB &= ~0X01; 하여 START 4. SCK 단자클럭출력 5. MOSI 통해 MCP3202 셋팅 - Start bit 출력 : PORTB = 0x01; - 채널설정 bit 출력 : PORTB = 0xc0; 6. 출력된 12bit Data 값을 8bit로읽기위해 16bit로선언된변수를 8번 Shift하고데이터값을순서대로받아 OR 시킴 7. SS 단자 Hight 신호출력 PORTB = 0X01; 하여 STOP 23
실 습 그린텍시스템 출력된전압값을 Lcd Display 출력된값을 8등분하여전압수치를 LED 에 Display -1번 S/W : 전압값에따라순차적으로 LED 점등 -2번 S/W : ON 되어있는 LED 에전압값에따라 LED 점멸 -3번 S/W : 1 의값이 PORTC 의레지스터에좌우 Shift 되어순차적으로 LED 점등 -S/W OFF 시 TEST END -S/W 동작우선순위 1 > 2 > 3 MCP3202 기준전압 5V 를인가하였을때 12bit(4096) 표현하므로 5/4096 =0.0012V 분해능을가지고있음. 실제 TEST 시전압오차범위 : +-2mA + 24
기 타 그린텍시스템 참고자료 -AVR ATmega128 마이크로컨트롤러 ( 성인당 ) -AVR ATmega128 마스터 ( 옴사 ) -ATmega128 Datasheet -MCP3202 Datasheet -http://cafe.naver.com/carroty.cafe?iframe_url=/articleread.nhn%3farticleid=10782 -http://blog.naver.com/rolab?redirect=log&logno=60017428802 -http://cafe.naver.com/iloveavr.cafe 25
PWM DC 모터의속도를조절하는것으로는전원과모터로의중간에가변저항기를넣어서이저항 ( 보륨 ) 을조절하면모터로흐르는전류가가변되게되므로모터의속도역시조절되게됩니다. 그러나이런방식은예를들어배터리의전기를모터에 50% 의전력만공급되게할때모터는보륨의조절에의해서 50% 의출력을내게되나나머지 50% 의전력은어디로가는가하면보륨의저항에의한열손실로소비되버리고맙니다. 이럴때결과적으로소스에서내보낸 100% 의전력중에서 50% 는보륨에서열로손실되고모터는 50% 의출력을내게되므로전력을매우비효율적으로사용하는것으로됩니다. 보륨을끝까지돌렸을때는 100% 의효율로모터가가동되나 10% 의출력만을내고자할때는 90% 의전력이보륨에서낭비되게되므로이런간단한방식의조절방법은안되는것으로 PWM 방식이라는어려운제어방법을쓰게됩니다. PWM 방식이라는것은 Puls Width Modulation 의약자로펄스폭변조를말합니다. 여기에서모터에전류를공급하는과정이. t1 의시간동안은스위치를 on. t2 의시간동안은스위치를 off 하는과정의비율을가변하게되는데이것을듀티비라고합니다. 보륨등의가변으로인한외부의소스전압에따라 t1의시간이조절되게되는데조절되는정도는 t1 의시간이 0~100% 까지조절되도록되어있고 t1 이 on/off 1주기중에서 5% 의기간이라면그평균치는 5% 이고 100% 가열려있다면당연히 100% 가됩니다. t1 의시간동안에배터리에서모터로대전류를공급 / 차단하는역할을하는 FET 라는반도체소자를제어하게됩니다. 26
PWM PWM 방식이란 9V배터리가백열전구에전원을공급한다. 만약 50ms동안배터리와램프를연결하면전구는 9V 의전압을가지게될것이다. 그리고나서 50ms동안배터리와램트사이의연결을차단하면전구의전압은 0V가된다. 이와같이1초동안 10회반복하면전구는마치 4.5V의전원에연결되어있는것처럼전구에불이켜질것이다.(9V의 50%). 이럴경우 duty cycle은 50% 가되고변조주파수는 10Hz이다. 대부분의장치는 10Hz이상의변조주파수가필요하다. 스위치를 5초동안 ON하고 5초동안 OFF한다고상상해보라. Duty cycle은여전히 50% 이지만전구는처음 5초동안밝게빛나고다음 5초동안은꺼져버린다. 전구가 4.5V의전압을가지게하기위해서는장치 (lamp) 가스위치의상태변화 (ON,OFF) 에반응하는시간에비해상대적으로스위치를켜고끄고하는시간이더짧아야한다. 전구에빛은들어오는상태에서좀더어둡게하기위해서는변조주파수를더욱증가시켜야한다. 다른 PWM의응용도위의경우와같다. 일반적인변조주파수의범위는 1kHz에서 200kHz사이이다. 27
보조설명 AVR 실행속도를높히기위해가능한한복잡한처리는소프트웨어에게맡기는방법을택한구조의 ON CHIP IC SPI는 serial peripheral interface의약자로서한마디로말해서주변 IC와통신하기위한직렬통신장치입니다. 가령 PLL IC나 AUDIO관련 IC등을제어하기위한장치죠. 보통 CLOCK,DATA,STOBE 이렇게 3단자또는 DATA IN,OUT 을구분하여 4단자로구성되어있습니다. 물론일반 PORT를이용해전송할수도있지만전용 SPI단자의경우는속도가빠르고간편하게사용할수있습니다. 때로는두개의 MCU를연결하여 DATA를주고받을때도사용하죠. 유럽이나미국에서생산된 IC의경우주로 IIC 통신을사용하지만일본에서설계된 IC는 SPI로제어하는 IC가많습니다. - 전이중 (full-duplex) 방식 : 하나의전송선로에서데이터가동시에양쪽방향으로전송될수있음. 충돌발생하지않음 ( 왜냐하문.. 분리된 2개의회선이있는 TP케이블을사용 1개의전이중연결은 1개의포트만을사용..!! ex] 2차선다리 - 반이중 (half-duples) 방식 : 양방향으로데이터가전송될수는있으나동시에전송하는것은불가능한방식, 즉한번에한쪽방향으로만데이터전송이가능한단방향통신방식 ex] 1 차선다리. - 실행속도를높히기위해가능한한복잡한처리는소프트웨어에게맡기는방법을택한컴퓨터이다. 4 선을사용하여주변장치와연결하는전이중동기식직렬인터페이스. 2 개의데이터회선과 2 개의제어회선으로되어있으며, 주장치출력 / 종속장치입력 (MOSI:Master Out Slave In), 주장치입력 / 종속장치출력 (MISO:Master In Slave Out) 등주종관계통신을행한다 28