046-Программный UART для ATtiny13.

В заглавной статье по интерфейсам fkvfaydar обратил внимание на то, что неплохо было бы заиметь интерфейс UART в ATtiny13. Полностью согласен с fkvfaydar, более того, я считаю, что реализация программного UART для микроконтроллера ATtiny13 будет показательной в плане философии блога – удобные, недорогие устройства для Ваших проектов. Что может быть дешевле и проще ATtiny13? А значит, быть статье!

ATtiny13 маленький и недорогой микроконтроллер, имеющий у себя на «борту» АЦП, что очень удобно для обслуживания датчиков и выносной периферии. Но у ATtiny13 есть один большой недостаток — отсутствие, каких либо, аппаратных интерфейсов для связи. Это сводит на нет все его достоинства. Будем это исправлять! Организуем программный интерфейс для ATtiny13!

UART, наверное, лучший интерфейс для программной реализации.
Причин несколько:
— интерфейс простой и по причине маленького размера памяти программ микроконтроллера это актуально;
— для работы интерфейса нужны только 2 линии, приемника — RxD и передатчика — TxD. А если нужен только прием или только передача будет задействована только одна ножка микроконтроллера (рабочих ножек у ATtiny13 всего 5, если не считать Reset), а значит 4 ножки остаются нам на наши нужды;
— ну и немаловажным есть то, что UART очень распространен и в микроконтроллере Вашего проекта он точно найдется.

На какие ресурсы ATtiny13 мы можем рассчитывать при реализации UART?
А рассчитывать нам особо не на что:
— размер памяти программ 512 слов (большая часть должна остаться для основной программы);
— один восьмибитный таймер (основная программа должна иметь возможность им пользоваться);
— прерывания по изменению уровня на ножках.
Вот, собственно, и все.

Что мы хотим получить от программной реализации интерфейса UART?
— код, по возможности, меньшего размера и с наименьшим потреблением ресурсов;
— по возможности, независимые прием и передачу;
— кроме того, должна оставаться возможность полноценного функционирования основной программы.

Нужно понимать, что программная реализация, хоть и простого, но все-таки интерфейса, потребует определенных «жертв». Для облегчения жизни микроконтроллеру откажемся от возможности задавать различные режимы работы UART. Это даже не «жертва» — это здравый смысл! Интерфейс будет работать в одном режиме (Скорость UART – 9600, количество бит данных – 8, бит четности – нет, стоп-бит – 1). Проверка на правильность передачи байта (бит четности), конечно, штука нужная, но для неответственных приложений (а у нас именно такие) необязательная. Убираем. Скорость работы UART (Baud Rate) может быть любой (частота задающего генератора контроллера это позволяет).

Вариантов реализации мною рассматривалось несколько, но самым удачным оказался вариант работы на прерываниях. Как прием, так и передача осуществляется в процедурах обработки прерываний по сравнениям счетчика Timer0 — TIM0_COMPA и TIM0_COMPB. Кроме того, для определения начала посылки используется прерывание по изменению уровня сигнала на ножке — PCINT0. Достоинством такого способа есть то, что работа интерфейса не мешает ходу основной программы и можно использовать, параллельно с UART, таймер (конечно не совсем полноценно – но хоть так).

Теория реализации интерфейса.
Обе процедуры обработки прерывания по сравнению таймера TIM0_COMPA и TIM0_COMPB вызываются непрерывно с частотой 9600 Гц (частота работы UART).
TIM0_COMPA используется для побитной передачи кадра UART (один бит кадра передается за одно прерывание). Процедура обработки прерывания TIM0_COMPA может параллельно использоваться основной программой (замеры временных интервалов, периодический опрос датчиков и др.) т.к. она постоянно вызывается с заданной частотой.
PCINT0 используется для обнаружения переднего фронта старт-бита принимаемого кадра. В прерывании PCINT0 происходит коррекция фазы вызова прерывания TIM0_COMPB таким образом, чтобы прерывания возникали в центрах битов принимаемого кадра, где однозначно можно определить значение принимаемого бита.
Описывать работу прерываний и программы в целом не буду (боюсь Вас занудить) – смотрите листинги программ (там комментариев больше чем самой программы :)).

Интерфейс реализован в двух вариантах:
046-T13-C-ProgUART.zip (8792 Загрузки)
046-T13-AB-РrogUART.zip (4720 Загрузок)

Управление работой, как приемника, так и передатчика осуществляется через две переменные.
Передатчик:
Tx_Byte – передаваемый байт. В эту переменную записываем байт который хотим передать;
Tx_Count – счетчик переданных бит. Для запуска передачи байта из Tx_Byte нужно обнулить Tx_Count. Дальше передача идет автоматически в прерываниях. Если Tx_Count равен 10 значит передача окончена, можно передавать следующий байт.
Приемник:
Rx_Byte –принятый байт;
Rx_Count – счетчик принятых бит. Если счетчик равен 10 значит прием окончен, можно забрать принятый байт из Rx_Byte. В Rx_Count ничего записывать не нужно, прием начинается автоматически по факту прихода на ножку RxD старт-бита.

Чтобы не морочиться с переменными, для работы с интерфейсом, в обоих вариантах реализации (Algorithm Builder и CodeVisionAVR), определены по две процедуры:
PutByte () – отправка байта по линии TxD. Если процедура вызвана во время передачи предыдущего байта, процедура будет ожидать окончания передачи и лишь потом инициирует новую передачу.
GetByte () – чтение, принятого по линии RxD, байта. Если процедура вызвана во время приема байта, процедура будет ожидать окончания приема и потом вернет принятый байт. Если принятый байт уже был прочитан, а новый еще не начал приниматься — процедура вернет значение – 157 (это сделано для того, чтобы в программе было видно, что новых байт по RxD не поступало). Если байт принялся с ошибкой (неправильный формат кадра), процедура вернет значение – 158.
В случае надобности процедуры TxByte и RxByte Вы всегда можете подкорректировать под себя.

В работе программного UART есть небольшой нюанс, который нужно учитывать при реализации его в каждом конкретном микроконтроллере. Этот нюанс — внутренний задающий генератор (RC – цепочка). Дело в том, что, в отличии от кварцевого генератора, частота его не очень стабильна и зависит от температуры, напряжения питания и других факторов. И может такое случиться, что в вашем микроконтроллере частота внутреннего генератора выйдет за пределы, допустимых для UART, 10% . Уход частоты от допустимой будет сопровождаться большим количеством ошибок при приеме-передаче (посылаем «Hello World», а принимаем «lsksadkfh»). Хотя такой большой уход и редкость, но нужно знать как решить эту проблему.
1 Официальный способ. У микроконтроллеров есть, так называемые калибровочные байты, которые и призваны подстраивать частоту внутреннего задающего генератора. Калибровочные байты доступны при программировании (правда, не все программы для программирования позволяют с ними работать). Чем больше значение в нем записано, тем меньше частота задающего генератора. Если Вы выбрали этот способ коррекции – почитайте сначала даташит.
2 Простой способ. Вместо того, чтобы корректировать частоту задающего генератора, можно подкорректировать частоту вызова прерываний таймера в самой программе. Для этого нужно поменять значение константы Baud Rate, которая используется для вычисления периода срабатывания прерываний. Менять значения нужно в пределах ±5-7% от стандартного (9600).

#define Baund_Rate 9600 // Частота работы UART (если прием-передача с ошибками - // поменяйте на значение больше/меньше на 5%)

#define Baund_Rate 9600 // Частота работы UART (если прием-передача с ошибками - // поменяйте на значение больше/меньше на 5%)

Подведем итоги.
Я считаю, что программный интерфейс UART получился удачным. Мы имеем приемник и передатчик которые могут работать параллельно, независимо друг от друга (полнодуплексная связь). Размер кода небольшой: приемник – 45 слов; передатчик – 20 слов (со всеми необходимыми инициализациями периферии это чуть больше 5 части памяти микроконтроллера). Прием и передача осуществляется в прерываниях, в фоновом режиме, незаметно для основной программы. Для реализации UART задействован единственный у ATtiny13 таймер, но основная программа не потеряла возможности его использовать для своих нужд. Реализация программного UART в микроконтроллере ATtiny13 позволит легко и дешево подключать различные удаленные периферийные устройства (в том числе и аналоговые) к Вашему проекту.

P.S. Наверное по причине нетвердых знаний в программировании на С, процедуры обработки прерываний в CodeVisionAVR не получились адекватными, в плане размера кода. Поэтому я сделал их ассемблерными. В них сложно разобраться (для Сишников), но зато код небольшой.
Если у кого-то получиться сделать адекватные процедуры обработки прерываний на С – присылайте! Другим будет легче разобраться.