AVR-owe Fusy(1).pdf

P O D Z E S P O Ł Y

AVR-owe

„fusy” Artykuł jest przeznaczony

przede wszystkim

dla Czytelników

początkujących

w dziedzinie

mikrokontrolerów. Opisano

w nim różnice pomiędzy

cyklem zegarowym

i cyklem maszynowym

oraz opcje nastaw źródeł

sygnału zegarowego

(sprawiającą często

kłopoty konﬁgurację

bezpieczników

konﬁgurujących, tzw.

fuse’ów) w procesorach

AVR. Przedstawiono

wady i zalety różnych

rozwiązań, wskazano

także potencjalne

przyczyny problemów

oraz sposoby radzenia

sobie z nimi.

Sygnał zegarowy – wiadomości

podstawowe

Sygnał zegarowy jest dla proce-

sora tym, czym dla nas bicie serca.

Powoduje, że procesor w ogóle funk-

cjonuje. Często jednak zdarza się, że

sygnał zegarowy doprowadzany z ze-

wnątrz ma inną częstotliwość niż sy-

gnał wewnętrzny, sterujący pobiera-

niem i realizacją przez CPU poleceń.

W związku z tym wprowadzono dwa

pojęcia: cykl zegarowy i cykl maszy-

nowy. Ten pierwszy jest po prostu

odwrotnością częstotliwości genera-

tora zegarowego. Ten drugi uzyskuje

się w wyniku uwzględnienia ewen-

tualnych wewnętrznych podziałów

sygnału zegarowego. Bardzo dobrym

przykładem jest popularny mikrokon-

troler 8051, który w podstawowym

wykonaniu ma cykl maszynowy 12-

-krotnie dłuższy, niż cykl zegarowy.

Również, chociaż nastawa domyślna

jest inna, procesor AVR może mieć

cykl maszynowy różny od zegarowe-

go. Będzie o tym mowa w dalszej

części artykułu.

Pojęcia cyklu maszynowego nie

należy utożsamiać z czasem realizacji

instrukcji. W pewnych przypadkach

może tak być, jednak w większości

popularnych mikrokontrolerów, reali-

zacja pojedynczej instrukcji zajmuje

od dwóch do kilku cykli maszyno-

wych i od 8 do kilkudziesięciu cykli

zegarowych.

Mikrokontroler AVR większość

instrukcji wykonuje w czasie po-

jedynczego cyklu zegarowego. Jego

nowoczesna konstrukcja jest jednym

z przykładów, gdy cykl zegarowy

jest równy cyklowi maszynowemu.

Jak łatwo wywnioskować, im szyb-

szy jest zegar procesora, tym więcej

instrukcji jest on w stanie wykonać

w jednostce czasu. Można z tego

twierdzenia korzystać, jeśli porównu-

je się procesory o identycznych lub

Cykl zegarowy to okres wytwarzanego na bazie

rezonatora kwarcowego, elementów RC itp. sygnału

zegarowego. Można go obliczyć jako odwrotność

częstotliwości generatora zegarowego.

cykl zegarowy = 1/F GEN

bardzo zbliżonych architekturach. Dla

różnych architektur wynik porówna-

nia może być diametralnie różny.

Wybór źródła sygnału zegarowego

Konstrukcja mikrokontrolerów

AVR umożliwia wybór różnych me-

tod generowania sygnału zegarowego.

Można używać zewnętrznego gene-

ratora, rezonatora kwarcowego lub

ceramicznego, niektóre z układów

posiadają wewnętrzny generator, któ-

rego częstotliwość może być ustalana

za pomocą elementów RC dołącza-

nych z zewnątrz lub wbudowanych

w strukturę mikrokontrolera.

Zewnętrzny generator zegarowy to

nic innego jak dołączane z zewnątrz

Cykl maszynowy to okres wewnętrznego sygnału

zegarowego. Oblicza się go po uwzględnieniu we-

wnętrznych podziałów częstotliwości sygnału zegaro-

wego. W mikrokontrolerze AVR cykl maszynowy =

cyklowi zegarowemu.

cykl maszynowy = wewnętrzny podział x 1/F GEN

Elektronika Praktyczna 9/2004

P O D Z E S P O Ł Y

Dla uproszczenia porównań różnych procesorów

wprowadzono pojęcie mocy obliczeniowej , dla

której zwykło się używać jednostki zwanej MIPS.

1 MIPS to nic innego, jak 1 milion operacji na

sekundę. W związku z tym, że w mikrokontrolerze

AVR cykl maszynowy jest równy cyklowi zegaro-

wemu, AVR taktowany sygnałem o częstotliwości

8 MHz ma moc obliczeniową w przybliżeniu równą

8 MIPS. Standardowy 8051, przy takich samych

parametrach sygnału zegarowego, ma moc oblicze-

niową około 0,667 MIPS.

czenia kondensatorów o ściśle okre-

ślonych wartościach. Jak wspomnia-

łem wcześniej, ich wartość wyno-

si ok. 30 pF i jest porównywalna

z wartościami wnoszonych, często

szkodliwych, pojemności montażo-

wych. Czasami może się zdarzyć,

że po zmontowaniu układu oscylator

kwarcowy nie startuje. Gdy zaczyna-

my poszukiwanie usterki i dotykamy

wyprowadzeń mikrokontrolera np.

sondą logiczną – ten w cudowny

sposób „ożywa”. Po oddaleniu sondy

i upływie bliżej nieokreślonego czasu

– ponownie układ zamiera. W jaki

sposób upewnić się, że przynajmniej

teoretycznie dobraliśmy właściwe po-

jemności do stosowanego rezonatora?

Jeśli posiadamy kartę katalogową

rezonatora, należy odszukać parametr

o nazwie Load Capacitance (przykła-

dowe parametry rezonatorów produk-

cji ﬁrmy CQ zestawiono w tab . 1 ).

Może on być dla przykładu równy

20 pF. Oznacza to, że dla poprawnej

pracy rezonator kwarcowy powinien

mieć dołączoną pojemność o takiej

wartości. Rezonator nie rozróżnia,

czy jest to pojemność montażowa,

czy dołączona celowo. W związku

z tym nasuwa się jeden wniosek:

wartość pojemności podana przez

producenta rezonatora nie odpowia-

da wartości pojemności dołączanych

kondensatorów. Powinno się również

uwzględnić wnoszoną pojemność

montażową wynikającą ze sposobu

ułożenia ścieżek drukowanych, poło-

żenia punktów lutowniczych, prowa-

dzenia mas, pojemności wejściowej

doprowadzeń mikrokontrolera itp.

Typowo w układach amatorskich

wartość tej dodanej pojemności waha

się pomiędzy 6 a 10 pF. Uwzględ-

niając powyższy opis, aby wyznaczyć

właściwą wartość pojemności kon-

densatorów dołączanych do kwarcu,

źródło sygnału o poziomach takich,

jakich wymaga mikrokontroler. Może

być zbudowany z użyciem elemen-

tów TTL lub CMOS, może być rów-

nież gotowym, zapewniającym bardzo

wysoką stabilność częstotliwości do-

prowadzanego sygnału (np. z własną

stabilizacją termiczną oraz stabiliza-

cją napięcia zasilającego) modułem

generatora zegarowego.

Sygnał z zewnętrznego generato-

ra musi być doprowadzony na nóż-

kę oznaczoną jako XTAL1 ( rys . 1 ).

Nóżkę XTAL2 pozostawia się w ta-

kim przypadku niepodłączoną. Ze-

wnętrzny sygnał zegarowy powinien

mieć bardzo krótkie czasy zboczy

(do kilkudziesięciu ns) i w celu

zapewnienia stabilnej pracy mikro-

kontrolera musi mieć czysty kształt

prostokątny.

Rezonator kwarcowy dołączany

z zewnątrz to jedna z najczęściej

wykorzystywanych metod taktowania

mikrokontrolerów. Jej zaletą są wła-

ściwości samego rezonatora, to jest

duża stabilność generowanej często-

tliwości w funkcji czasu oraz tem-

peratury otoczenia przy jednocześnie

umiarkowanej cenie. Rezonatory do-

stępne są w wielu rozmiarach i dla

różnych wartości częstotliwości. Na

rys . 2 pokazano sposób dołączenia

rezonatora kwarcowego. Mikrokon-

troler AVR posiada układ generatora

wbudowany w strukturę. Kwarc do-

łącza się pomiędzy wyprowadzenia

XTAL1 i XTAL2.

Jest to chyba jedna z najpow-

szechniej stosowanych metod gene-

rowania sygnału zegarowego. Stosu-

jąc ją, nie można jednak zapominać

o podstawowych właściwościach ﬁ-

zycznych i elektrycznych rezonato-

ra. Bez żadnych problemów można

kupić rezonator kwarcowy na pożą-

daną częstotliwość. Należy wybierać

takie, które pracują z rezonansem

równoległym. Jak wynika z rysunku,

do poprawnej pracy wymagają one

dodatkowo dwóch kondensatorów

o pojemności (według materiałów

ﬁrmy Atmel) 30 pF±10 pF. Każdy

jest w stanie kupić kwarc i dołączyć

go wraz z dwoma kondensatorami

do mikrokontrolera. Nie ma w tym

żadnego problemu. Otóż może się

okazać, że pojemności dołączone do

rezonatora są mimo wszystko proble-

mem.

Rezonator kwarcowy do popraw-

nej, stabilnej pracy wymaga dołą-

Rys. 1. Dołączenie zewnętrznego generatora zegarowego

Rys. 2. Sposób dołączenia rezonatora kwar-

cowego do popularnego mikrokontrolera

AT90S2313

Elektronika Praktyczna 9/2004

P O D Z E S P O Ł Y

Tab. 1. Parametry rezonatorów

kwarcowych produkcji ﬁrmy CQ

Częstotliwość

rezonansowa

[MHz]

R S

[ V ]

Rezonans

należy skorzystać z następującej za-

leżności (uwzględnia ona wzajemne

oddziaływanie na siebie pojemności):

C X = 2 x (C L – C M ),

gdzie:

C X – wartość pojemności dołączanej

do kwarcu,

C L – parametr Load Capacitance ,

C M – pojemność montażowa (średnio

8 pF).

Wykonajmy obliczenia dla poda-

nych wyżej parametrów (C L = 20 pF,

C M = 8 pF):

C X = 2 x (20 – 8) pF =

= 2 x 12 pF = 24 pF

Jak wynika z obliczeń, obie war-

tości pojemności dołączonych do mi-

krokontrolera powinny mieć wartość

24 pF. Może się jednak zdarzyć, że

dysponujemy rezonatorem, o którym

nie wiemy nic za wyjątkiem wydru-

kowanej na jego obudowie często-

tliwości. Niestety w takiej sytuacji

skazani będziemy na eksperymento-

wanie. Osobiście używam w takich

przypadkach kondensatorów o pojem-

ności około 27 pF przy częstotliwo-

ści do 8 MHz. Powyżej tej częstotli-

wości używam kondensatorów o po-

jemności 22 pF.

Powyższe informacje również na-

leży traktować jako wskazówkę przy

samodzielnym rozwiązywaniu proble-

mów. Normalnie większość rezonato-

rów kwarcowych działa od razu po

załączeniu zasilania, przy dołączo-

nych pojemnościach z zakresu od

22 do 33 pF.

1,8432 32 650

2 32 650

2,097152 32 550

2,4576 32 350

3 32 150

3,2768 32 150

3,57561 18 100

3,57954 16 90

3,58205 18 100

3,58269 16 100

3,6 30 100

3,6864 20 100

3,8392 15 100

3,84 32 100

3,848 15 100

3,93216 20 100

3,98 12 100

3,9936 32 100

4 20 100

4,032 20 100

4,096 16 100

4,1943 12 100

4,4336 16 80

4,5 20 8080

4,8 32 80

4,9152 32 70

5 32 60

5,0688 32 50

5,6448 32 50

6 32 40

6,144 32 40

6,4 32 40

6,5536 32 40

7,159 20 40

7,2 20 40

7,3728 32 40

7,68 32 40

8 32 35

8,192 20 35

8,4672 20 35

8,867238 20 35

9,216 32 30

9,6 32 30

9,8304 32 30

10 32 30

10,24 18 30

10,245 32 30

10,7 32 30

10,752 32 30

11 32 30

11,0592 32 30

11,15 30 30

11,503 20 30

12 32 30

12,288 32 30

12,8 16 25

13,875 32 30

14 32 25

14,1875 22 25

14,318 32 25

14,7456 32 25

15 32 25

15,36 32 25

16 32 20

16,9344 12 20

17,472 32 20

17,7344 32 20

18 32 20

18,432 32 20

19,6608 32 20

20 32 20

22,1184 32 25

24 32 25

24,576 32 40

26,601 18 50

27 20 50

27,095 20 50

Rys. 3. Sposób dołączenia zewnętrz-

nego rezonatora ceramicznego

Rezonator ceramiczny

o 3 wyprowadzeniach

Ma on identyczne właściwości,

jak opisywany poprzednik 2-wypro-

wadzeniowy. Różnica polega jedynie

na tym, że ma wbudowane do we-

wnątrz pojemności tak, że nie mu-

szą być one dołączane z zewnątrz.

Sposób dołączenia tego typu rezona-

tora pokazano na rys . 3 . Przeważnie

skrajne wyprowadzenia podłącza się

odpowiednio do XTAL1 i XTAL2,

a środkowe do masy. Jedna uwaga:

ważne jest, aby masa była dołączo-

na właściwie, wyprowadzenia XTAL1

i XTAL2 mogą być zamieniane.

Wewnętrzny generator RC

Jest on wbudowany w niektóre

mikrokontrolery AVR z serii AT90

i wszystkie ATmega. Niektóre z AVR

posiadają pojedynczy oscylator, pod-

czas gdy inne mają aż cztery róż-

ne do wyboru. Zakres generowanych

częstotliwości można ustawić w gra-

nicach od 4 do 9,6 MHz. W tab . 2

Ceramiczny rezonator

o 2 wyprowadzeniach

Funkcjonalnie rezonator ceramicz-

ny zbliżony jest do kwarcowego,

z tym że jest znacznie tańszy. Kon-

sekwencją ceny jest również jakość

pracy, to jest stabilność i dokładność

generowanej częstotliwości. W związ-

ku z tym nie zawsze będzie się on

nadawał do taktowania pracą interfej-

su asynchronicznego (UART), ale za-

leży to od jakości oferowanej przez

danego producenta. Ma on jednak

i swoje zalety. Rezonator ceramiczny

nie jest tak delikatny jak kwarcowy

i w związku z tym dobrze nadaje się

do środowisk pracy, gdzie występują

duże wibracje. Układ pracy rezona-

tora ceramicznego 2-wyprowadzenio-

wego jest identyczny, jak rezonatora

kwarcowego, jednak wymaga dołącze-

nia większych pojemności. Materiały

ﬁrmy Atmel podają dla rezonatorów

ceramicznych wartość 40 pF±10 pF.

Tab. 2. Zestawienie mikrokontrolerów

AVR wyposażonych w wewnętrzny

generator RC

Częstotliwość

generowana przez

oscylator RC [MHz]

ATtiny12 1,2

ATtiny15 1,6

ATmega163 1,0

ATmega323 1,0

ATmega8 1,0; 2,0; 4,0; 8,0

ATmega16 1,0; 2,0; 4,0; 8,0

ATmega32 1,0; 2,0; 4,0; 8,0

ATmega64 1,0; 2,0; 4,0; 8,0

ATmega128 1,0; 2,0; 4,0; 8,0

ATmega8515 1,0; 2,0; 4,0; 8,0

ATmega8535 1,0; 2,0; 4,0; 8,0

ATmega162

27,125 20 50

27,145 20 50

27,195 20 50

28 32 50

28,322 32 50

29,4912 32 50

32 32 50

33,8688 20 50

34,922 32 50

35,2412 18 50

36 32 50

36,864 16 50

40 32 50

44,560 16 50

45,470 16 50

48 32 50

49,86 32 50

8,0

ATmega169

8,0

ATtiny13

4,8; 9,6

ATtiny2313

4,0; 8,0

ATmega48

8,0

Elektronika Praktyczna 9/2004

C L

[pF]

Nazwa

mikrokontrolera

P O D Z E S P O Ł Y

umieszczono zestawienie współcześnie

produkowanych mikrokontrolerów AVR

wyposażonych w oscylator RC.

Oscylator RC może być różny

w różnych układach, ale we wszyst-

kich spotkamy się z zależnością ge-

nerowanej częstotliwości od wartości

napięcia zasilającego mikrokontroler.

Dlatego też w czasie produkcji wyko-

nywana jest kalibracja oscylatora tak,

aby zapewnić właściwą wartość gene-

rowanej częstotliwości przy zasilaniu

napięciem 3,3 lub 5 V. Wewnętrzny

generator można również kalibrować

samodzielnie, ale mimo wszystko

stabilność generowanej częstotliwości

pozostawia nieco do życzenia. Na

przykład producent zapewnia dokład-

ność ±10%, a wykonując kalibrację

samodzielnie w pracującym układzie,

w stabilnych warunkach zasilania

można osiągnąć dokładność rzędu

±1%. Niestety wartość częstotliwo-

ści będzie również wykazywać pew-

ne ﬂuktuacje w funkcji temperatury.

Firma Atmel posiada znakomitą notę

aplikacyjną mówiącą o sposobach

użycia i kalibrowania oscylatora RC.

Podane są w niej wszelkie zależności

i charakterystyki robocze. Zaintereso-

wanych tematem odsyłam do lektury

AVR053 ( http :// www . atmel . com /).

Aby włączyć wewnętrzny gene-

rator RC, należy ustawić odpowied-

ni bezpiecznik konﬁguracyjny ( fuse ).

Wiele ze sprzedawanych układów

ma ten bit ustawiony już w momen-

cie produkcji. Często można dzięki

temu spotkać na grupach dyskusyj-

nych pytania w rodzaju: „Dołączyłem

zewnętrzny kwarc 10 MHz, a układ

pracuje o wiele wolniej. Co się dzie-

je?”. Należy upewnić się, że bit opcji

generatora ma właściwą wartość na-

stawy. Będzie o tym mowa dalej.

Wobec tak licznych możliwości

taktowania pracą mikrokontrolera

pojawić się może pytanie: jak do-

brać właściwy rodzaj generatora do

konstruowanej aplikacji? To nie ta-

kie trudne, jak może się początkowo

wydawać. Jeśli wymagana jest bardzo

duża dokładność generowanej często-

tliwości, należy użyć zewnętrznego,

specjalizowanego generatora. Opcja

ta jest również bardzo wygodna

wówczas, gdy mamy do czynienia

z dużymi wartościami częstotliwo-

ści zegarowej. Praktycznie można ją

polecić już od ok. 30 MHz wzwyż.

Bardzo dużą dokładność i stabilność

generowanej częstotliwości zapewnia

również rezonator kwarcowy. Może

nie aż tak dobrą, jak specjalizowa-

ny generator, ale wystarczającą dla

większości popularnych zastosowań.

Polecam go do stosowania zwłaszcza

przy korzystaniu z transmisji asyn-

chronicznej (UART, tj. RS232, RS485

itp.). Mniejszą dokładność, ale za

znacznie niższą cenę zapewnia re-

zonator ceramiczny. Jego stosowanie

upraszcza układ i obniża koszt, choć

może nie nadaje się do układów

elektroniki profesjonalnej. Zdecydo-

wanie najtańsze i najprostsze w uży-

ciu jest wykorzystanie generatora RC

wbudowanego w strukturę AVR. Nie-

zbyt stabilny, wymagający kalibracji,

ale wystarczający do zastosowania

np. w zabawce, termometrze, czujce

alarmowej i innych niezbyt wymaga-

jących, jeśli patrzeć na nie pod ką-

tem rygorów czasowych, aplikacjach

mikrokontrolera.

Jacek Bogusz, EP

jacek.bogusz@ep.com.pl

Elektronika Praktyczna 9/2004

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: