Operácie

Sériové komunikačné rozhranie: Rozdiel medzi revíziami

Zo stránky SensorWiki

Balogh (diskusia | príspevky)
Balogh (diskusia | príspevky)
 
(26 medziľahlých úprav od rovnakého používateľa nie je zobrazených.)
Riadok 1: Riadok 1:
'''TODO: prerobit na verziu 2021'''


__NOTOC__
__NOTOC__
Riadok 11: Riadok 9:
# Vyskúšajte demonštračný program, na strane PC použite terminál
# Vyskúšajte demonštračný program, na strane PC použite terminál
# Vytvorte si knižnice pre prácu so sériovou linkou, preštudujte využitie knižnice <stdio.h> a demonštrujte.
# Vytvorte si knižnice pre prácu so sériovou linkou, preštudujte využitie knižnice <stdio.h> a demonštrujte.
# Oboznámte sa s programom StampPlot a zobrazte časový priebeh.
# Napíšte program, ktorý klávesami +/- bude meniť stav LED diódy (On/Off).




Riadok 20: Riadok 18:
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/Appnotes/Atmel-1451-Using-the-AVR-USART-on-tinyAVR-and-megaAVR-devices_ApplicationNote_AVR306.pdf  8-bit AVR Microcontrollers AVR306: Using the AVR USART on tinyAVR andmegaAVR devices]. Atmel Application Note.
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/Appnotes/Atmel-1451-Using-the-AVR-USART-on-tinyAVR-and-megaAVR-devices_ApplicationNote_AVR306.pdf  8-bit AVR Microcontrollers AVR306: Using the AVR USART on tinyAVR andmegaAVR devices]. Atmel Application Note.
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/Appnotes/doc0941.pdf AVR304: Half Duplex Interrupt Driven Software UART] Application note.
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/Appnotes/doc0941.pdf AVR304: Half Duplex Interrupt Driven Software UART] Application note.
* https://appelsiini.net/2011/simple-usart-with-avr-libc/#registers




Riadok 28: Riadok 27:
* Programovanie [[AP Blok 3|Programovanie sériovej linky pod Windows]] - tretí blok z Architektúry počítačov
* Programovanie [[AP Blok 3|Programovanie sériovej linky pod Windows]] - tretí blok z Architektúry počítačov


=== 1. Hardvér ===
Podrobnejší popis hardvéru pre sériové komunikačné rozhranie presahuje rámec tohoto cvičenia, záujemcov odkazujeme na text [http://senzor.robotika.sk/ap/texty/rs232.php Normy pre fyzickú vrstvu komunikačných rozhraní].
Pripomenieme na tomto mieste len skutočnosť, že prepojenie cez sériové rozhranie sa môže uskutočniť buď priamo v TTL (resp. CMOS) logických úrovniach 5V, napríklad takto sa dajú prepojiť dve Arduino dosky medzi sebou
<div style='text-align: center;'>
[[Súbor:MIPS_Arduino-ArduinoCOM.png]]<BR>
''Schéma prepojenia dvoch Arduino dosiek.''
</div>
Iným príkladom je [https://www.sparkfun.com/products/10097 LCD displej so sériovým prevodníkom], ktorý potrebuje na pripojenie len 3 (2) vodiče.
Ak by sme riešili pripojenie zariadenia, ktoré má skutočne rozhranie RS-232, t.j. napäťové úrovne +/-10V, potrebujeme prevodník, ktorý z TTL úrovne vyrobí príslušné napätia. Typickým zástupcom širokého spektra takýchto prevodníkov je obvod MAX232 (Maxim Integrated), ktorý obsahuje malý spínaný menič, takže potrebné napätia +/-10V si vyrobí priamo na čipe z jedného napájacieho napätia 5V. Typická schéma zapojenia je na obrázku nižšie.
<div style='text-align: center;'>
[[Súbor:MIPS_SerialMAX232.png|700px]]<BR>
''Schéma prevodníka na úrovne RS-232.''
</div>




=== 1. Základný princíp prenosu cez USART ===
Arduino nepoužíva pre komunikáciu s PC ani jeden z vyššieuvedených spôsobov, ale pripája sa na zbernicu USB (Universal Serial Bus). Na to je tiež potrebný špeciálny prevodník. Pri prvých verziách Arduino dosky sa používal špeciálny itegrovaný obvod [http://www.ftdichip.com/Support/Documents/DataSheets/ICs/DS_FT232R.pdf FT232RL] (FTDI Chips), v lacných klonoch sa menej spoľahlivá kópia [https://cdn.sparkfun.com/datasheets/Dev/Arduino/Other/CH340DS1.PDF CH340G],  neskôr sa rozhranie USB zrealizovalo pomocou špecializovaného mikroprocesora Atmel ATmega16U2, ktorý má potrebné rozhranie už integrované. Ako to funguje sa dá pozrieť na schéme zapojenia.
* [https://www.sparkfun.com/datasheets/DevTools/Arduino/FTDI%20Basic-v21-5V.pdf Prevodník s čipom FT232RL]
* [https://www.arduino.cc/en/uploads/Main/Arduino_Uno_Rev3-schematic.pdf Arduino UNO v3 schematic diagram]


Ukážkový program v ktorom je všetko pohromade: inicializácia, príjem aj vysielanie.
 
 
 
 
=== 2. Základný princíp prenosu cez USART ===
 
Ukážkový program v ktorom je všetko pohromade: inicializácia, príjem aj vysielanie. Program čaká na prijatý znak a vráti znak s ASCII kódom o jedna väčším. Mohol by vrátiť aj rovnaký, ale to by sme nevedeli rozlíšiť od funkcie "local echo" v niektorých termináloch.


<source lang="c">
<source lang="c">
Riadok 38: Riadok 64:


#define BAUDRATE      9600
#define BAUDRATE      9600
#define BAUD_PRESCALE  (((F_CPU / (BAUDRATE * 16UL))) - 1)
#define BAUD_PRESCALE  (((F_CPU / (BAUDRATE * 16UL))) - 1) // vzorček z datasheetu




Riadok 48: Riadok 74:
                                                          
                                                          
   UBRR0 = (unsigned char)BAUD_PRESCALE;                // Set baud rate: Load the UBRR register
   UBRR0 = (unsigned char)BAUD_PRESCALE;                // Set baud rate: Load the UBRR register
  UCSR0C = (1<<UCSZ01)|(1<<UCSZ00);                    // Set format: 8data, 1stop bit


   UCSR0B = (1 << RXEN0) | (1 << TXEN0);                // Enable receiver and transmitter
   UCSR0B = (1 << RXEN0) | (1 << TXEN0);                // Enable receiver and transmitter


  UCSR0C = (1<<USBS0)|(3<<UCSZ00);                      // Set format: 8data, 2stop bit


   for (;;)                                              // Loop forever
   for (;;)                                              // Loop forever
Riadok 81: Riadok 108:
* [http://braypp.googlepages.com/terminal Terminal by Bray] ([http://braypp.googlepages.com/Terminal20080315.zip download])
* [http://braypp.googlepages.com/terminal Terminal by Bray] ([http://braypp.googlepages.com/Terminal20080315.zip download])


=== 2. Jednoduchá knižnica ===


Nebudeme sa zaoberať detailmi implementácie sériového komunikačného rozhrania procesorov AVR, pre naše účely postačí jednoduchá knižnica, ktorá obsahuje základné funkcie na prenos jedného znaku. Parametre prenosu pre túto knižnicu sú 9600,n,8,1.


'''serial.h'''
Väčšina parametrov je vždy rovnaká (8 bitov, bez parity, 1 stop bit), meniť sa zvykne len rýchlosť. Treba však upozorniť, že pre spoľahlivý asynchrónny prenos by sa nemali hodiny vysielača a prijímača líšiť o viac ako 2%. To sa dá dosiahnuť veľmi jednoducho pre špeciálne hodnoty oscilátora (napr. kryštál 18,432 MHz), ale pre nami používaný oscilátor 16 MHz sú niektoré rýchlosti menej vhodné.
<source lang="c">
/* ************************************************************************* */
/* FileName          : serial.h                                              */
/* ************************************************************************* */
        void inituart( void );
        void sendchar( unsigned char );
unsigned char recchar( void );
</source>


'''serial.c'''
<div style='text-align: center;'>
<source lang="c">
[[Súbor:MIPS_UARTspeedTavle.png]]<BR>
/* ************************************************************************* */
''Tabuľka s prensovými rýchlosťami pre 16 MHz.''
/*                                                                          */
</div>
/* Description      : UART communication routines                          */
/*                    Based on AppNote AVR109 - Self-programming            */
/*                                                                          */
/* FileName          : serial.c                                              */
/*                                                                          */
/* ************************************************************************* */


#include <avr\io.h>
=== 3. Jednoduchá knižnica ===


// Following calculation assumes that F_CPU is assigned in 'Project/Options'
Nebudeme sa zaoberať detailmi implementácie sériového komunikačného rozhrania procesorov AVR, pre naše účely postačí jednoduchá knižnica, ktorá obsahuje základné funkcie na prenos jedného znaku. Parametre prenosu pre túto knižnicu sú 9600,n,8,1.
#define BAUDRATE      9600    
#define BAUD_PRESCALE  (((F_CPU / (BAUDRATE * 16UL))) - 1)


<tabs>
<tab name="uart.h"><source lang="c++" style="background: LightYellow;">
/* ************************************************************************* */
/* FileName          : uart.h                                              */
/* ************************************************************************* */


/* definitions for UART control */     
void uart_init( void );
                                        // Valid for ATmega328
      
#define BAUD_RATE_REG         UBRR0  //
void uart_putc( char c );
#define UART_STATUS_REG UCSR0A  // OK, checked (but also control reg.)
void uart_puts( const char *s );
#define UART_CONTROL_REG_B UCSR0B  // OK, checked
#define UART_CONTROL_REG_C     UCSR0C  // Added for mode setting
#define ENABLE_TRANSMITTER_BIT TXEN0  // OK, checked
#define ENABLE_RECEIVER_BIT RXEN0  // OK, checked
#define DATA_REGISTER_EMPTY_BIT UDRE0  // Added, for possible speed-up
#define TRANSMIT_COMPLETE_BIT TXC0    // OK, checked
#define RECEIVE_COMPLETE_BIT RXC0    // OK, checked
#define UART_DATA_REG UDR0    // OK, checked


char uart_getc( void );
</source></tab>
<tab name="uart.c"><source lang="c++" style="background: LightYellow;">
#include <avr/io.h>
#include <util/setbaud.h>


void inituart(void)
void uart_init( void )  
{
{
BAUD_RATE_REG = (unsigned char)BAUD_PRESCALE;   // Set baud rate: Load the UBRR register
    UBRR0H = UBRRH_VALUE;
    UBRR0L = UBRRL_VALUE;


UART_CONTROL_REG_B = (1 << ENABLE_RECEIVER_BIT)|
#if USE_2X
                    (1 << ENABLE_TRANSMITTER_BIT); // Enable receive + transmit
    UCSR0A |= _BV(U2X0);
#else
    UCSR0A &= ~(_BV(U2X0));
#endif


UART_CONTROL_REG_C = (3<<UCSZ00);                 // Added: Async. UART, None
    UCSR0C = _BV(UCSZ01) | _BV(UCSZ00); /* 8-bit data */
                                                  // Parity, 8-data, 1 stopbit
    UCSR0B = _BV(RXEN0) | _BV(TXEN0);  /* Enable RX and TX */
                                                 
}
}




void sendchar(unsigned char c)
void uart_putc(char c)  
{
{
  UART_DATA_REG = c;                                   // prepare transmission
  if (c == '\n')
  while (!(UART_STATUS_REG & (1 << TRANSMIT_COMPLETE_BIT)));// wait until byte sendt
    {
  UART_STATUS_REG |= (1 << TRANSMIT_COMPLETE_BIT);         // delete TXCflag
      uart_putc('\r');
    }
  loop_until_bit_is_set(UCSR0A, UDRE0); /* Wait until data register empty. */
  UDR0 = c;
}
}




unsigned char recchar(void)
void uart_puts(const char *s)
{
{
   while( !(UART_STATUS_REG & (1 << RECEIVE_COMPLETE_BIT)) );  // wait for data
   /* toto je vasa uloha */
  return UART_DATA_REG;
}
}
</source>


Testovací program:
char uart_getc(void) {
    loop_until_bit_is_set(UCSR0A, RXC0); /* Wait until data exists. */
    return UDR0;
}


'''main.c'''
<source lang="c">
#include <avr\io.h>
#include "serial.h"              // Nasa kniznica...


int main(void)
</source></tab>
{
<tab name="demo.c"><source lang="c++" style="background: LightYellow;">
char c;
#define BAUD 9600


  DDRD = 0b00000010;
#include <avr/io.h>
PORTD = 0b00000011;    // Set TxD pin as an output, RxD input
#include "uart.h"
inituart();


sendchar('O');
                             
sendchar('K');
int main(void)
sendchar('\n');
{
  char ReceivedChar;


for (c=32;c<=127;c++)
  uart_init();
  sendchar(c);


for (;;) {
  while(1)
    /* Do nothing */
  {
          }
    ReceivedChar = uart_getc();                              // Fetch the recieved byte (blocking command!)
    uart_putc(ReceivedChar+1);
    }
  return(0);
}
}
</source>
</source></tab>
</tabs>


== <TT>printf()</TT> na jednočipe? ==
== <TT>printf()</TT> na jednočipe? ==
Riadok 192: Riadok 208:
#include <stdio.h>
#include <stdio.h>


FILE mystdout = FDEV_SETUP_STREAM(sendchar, NULL, _FDEV_SETUP_WRITE);
FILE mystdout = FDEV_SETUP_STREAM(uart_putc, NULL, _FDEV_SETUP_WRITE);
                              // 'sendchar' je nova funkcia pre jeden znak
 


int main(void)
int main(void)
{  
{
inituart();               // Inicializacia seriovej linky
  uart_init();                 // Inicializacia seriovej linky
stdout = &mystdout;          // Odteraz funguje printf();
  stdout = &mystdout;          // Odteraz funguje printf();


  printf("Hello, world!");
  printf("Hello, world!");
  return 0;
  return 0;
}
}
Riadok 206: Riadok 223:


Takto potom môžete používať naozaj aj funkciu printf() so všetkými jej vymoženosťami...
Takto potom môžete používať naozaj aj funkciu printf() so všetkými jej vymoženosťami...
Úplne rovnako sa dá implementovať printf() aj na LCD displej, len ho treba na začiatku zinicializovať a namiesto funkcie sendchar napísať niečo ako LCDsendchar().
Úplne rovnako sa dá implementovať printf() aj na LCD displej, len ho treba na začiatku zinicializovať a namiesto funkcie <code>uart_putc</code> napísať niečo ako <code>lcd_putc</code>.


Kompletný vstup/výstup potom vyzerá takto:
Kompletný vstup/výstup potom vyzerá takto:
Riadok 212: Riadok 229:
<source lang="c">
<source lang="c">


FILE uart_output = FDEV_SETUP_STREAM(sendchar, NULL, _FDEV_SETUP_WRITE);
FILE uart_output = FDEV_SETUP_STREAM(uart_putc, NULL, _FDEV_SETUP_WRITE);
FILE uart_input = FDEV_SETUP_STREAM(NULL, recchar, _FDEV_SETUP_READ);
FILE uart_input = FDEV_SETUP_STREAM(NULL, uart_getc, _FDEV_SETUP_READ);


int main(void) {
int main(void) {


     inituart();
     uart_init();
     stdout = &uart_output;
     stdout = &uart_output;
     stdin = &uart_input;
     stdin = &uart_input;
Riadok 234: Riadok 251:
</source>
</source>


Pozn.: pre MiniMEXLE - Prevod TTL úrovní na RS-232 je realizovaný takto -
[[Media:232Converter.png|schéma zapojenia]], ktorá vychádza z [http://www.kmitl.ac.th/~kswichit/ap275/ap275.htm tohoto návodu].


Ak budete pomocou funkcie printf zobrazovať aj hodnoty premennej typu float, nebude vám to fungovať. Prečo?
Pozri [[Typy premenných v avr-gcc]] (celkom na konci je návod). Ak sa vám nechce čítať, tak len nastavte
V AVR Studiu Project -> Properties (Alt+F7) a na zalozke Toolchain vyberieme zo sekcie AVR/GNU C Linker
položku Miscelanous, kde do prázdneho riadku vložíme:
-Wl,-u,vfprintf  -lprintf_flt
=== '''Úloha''' ===


# Vyskúšajte si najjednoduchší prenos po sériovej linke.
# Nainštalujte si na PC niektorý terminálový program.
# Vytvorte si knižnicu uart.h
# Napíšte program, ktorý bude pomocou kláves + a - na klávesnici počitača meniť stav LED diódy (On/Off).
# '''🡆 Úloha pre pokročilých:''' [[Sériové rozhranie a Processing]]


== Terminál ==
=== 4. Terminál ===


[[Súbor:SerialTerminal_VT100.jpg|right|300px]]
[[Súbor:SerialTerminal_VT100.jpg|right|300px]]
Riadok 255: Riadok 286:
=== Serial Terminal by Bray ===
=== Serial Terminal by Bray ===


[[Súbor:IconTerminal.png|left]] Na testovanie a prvé pokusy so sériovým rozhraním sa vám určite zíde aj nejaký terminálový program, masochisti môžu použiť aj Hyperterminál z Windows. Terminál je jednoduchý program, v ktorom sa zobrazujú všetky prijaté znaky a naopak, je možné nejaké iné znaky odvysielať. Dajú sa samozrejme aj nastaviť základné komunikačné parametre.
[[Súbor:IconTerminal.png|left]] Na testovanie a prvé pokusy so sériovým rozhraním sa vám určite zíde aj nejaký terminálový program. Terminál je jednoduchý program, v ktorom sa zobrazujú všetky prijaté znaky a naopak, je možné nejaké iné znaky odvysielať. Dajú sa samozrejme aj nastaviť základné komunikačné parametre.


* [https://sites.google.com/site/terminalbpp/ Terminal by Bray++], neinštaluje sa, len spustí.
* [https://sites.google.com/site/terminalbpp/ Terminal by Bray++], neinštaluje sa, len spustí.
Riadok 263: Riadok 294:
[[Súbor:TerminalExample.png]]
[[Súbor:TerminalExample.png]]


Ukážka práce s Terminalom vrátane správneho nastavenia parametrov
Ukážka práce s Terminalom vrátane správneho nastavenia parametrov. Prenosovú rýchlosť nastavte podľa skutočnosti, napr. 9600 Bd.
V tomto programe je vysielacie a prijímacie okno rozdelené.
 
=== PuTTY ===
 
[[Súbor:IconPuTTY.png|left|63px]]  PuTTY is an SSH and telnet client, developed originally by Simon Tatham for the Windows platform. PuTTY is open source software that is available with source code and is developed and supported by a group of volunteers.
 
* [https://www.chiark.greenend.org.uk/~sgtatham/putty/latest.html PuTTY download].
* [http://senzor.robotika.sk/zp/putty.exe Terminal] -- lokálna kópia
* Video, ktoré vám pomôže integrovať PuTTY priamo do Atmel Studia.
 
[[Súbor:PuTTYExample.png]]
 
Ukážka práce s programom PuTTY vrátane správneho nastavenia parametrov. Prenosovú rýchlosť nastavte podľa skutočnosti, napr. 9600 Bd.
V tomto programe je vysielacie a prijímacie okno spojené do jedného. Na prvý pohľad to môže vyzerať neprehľadne, ale zasa rozumie ANSI sekvenciám terminálu VT100, takže sa tu dá pekne formátovať výstup.
 
=== Núdzové riešenie I: Arduino ===
 
Aj programové prostredie Arduino má v sebe zabudovaný jednoduchý sériový terminál.ň
 


[[Súbor:ArduinoSerialTerminalWindow.png]]


=== Núdzové riešenie: cmd.exe ===
=== Núdzové riešenie II: cmd.exe ===


V núdzi vám možno pomôže aj obyčajný príkazový riadok. Takto ho prepneme do režimu, v ktorom bude prijímať znaky zo sériovej linky:
V núdzi vám možno pomôže aj obyčajný príkazový riadok. Takto ho prepneme do režimu, v ktorom bude prijímať znaky zo sériovej linky:
Riadok 291: Riadok 342:




=== 3. Vizualizácia ===
=== 5. Vizualizácia ===


Vizualizáciu dát môžeme robiť rozlične. Jeden z možných spôsobov je vypisovať
Vizualizáciu dát môžeme robiť rozlične. Jeden z možných spôsobov je vypisovať
Riadok 297: Riadok 348:
maticu do Matlabu a tam nakresliť graf, priebeh, čo treba...
maticu do Matlabu a tam nakresliť graf, priebeh, čo treba...


<!--
<S>
<S>
Iná možnosť je použiť napr. program StampPlot, ktorý kreslí prichádzajúce data
Iná možnosť je použiť napr. program StampPlot, ktorý kreslí prichádzajúce data
Riadok 305: Riadok 357:
* Manual: [[Stamp Plot Manual]]
* Manual: [[Stamp Plot Manual]]
</S>
</S>
 
-->
 


=== Serial Plotter ===
=== Serial Plotter ===
Riadok 330: Riadok 381:
[[Súbor:SerialStudio01.png]][[Súbor:SerialStudio02.png]]
[[Súbor:SerialStudio01.png]][[Súbor:SerialStudio02.png]]


[[Category:MIPS]]


=== Download ===
=== Download ===
Riadok 337: Riadok 387:
[[Obrázok:Icon_Terminal.png]] [http://braypp.googlepages.com/Terminal20080315.zip Terminal 1.9b]
[[Obrázok:Icon_Terminal.png]] [http://braypp.googlepages.com/Terminal20080315.zip Terminal 1.9b]


[[Obrázok:Icon_StampPlotLite.png]] [http://www.parallax.com/Portals/0/Downloads/sw/spl.zip StampPlot Lite 1.7]
[[Obrázok:IconPuTTY.png|40px]] [https://www.chiark.greenend.org.uk/~sgtatham/putty/latest.html PuTTY latest]


[[Súbor:IconSerialPlotter.png|40px]] [https://serialplot.ozderya.net/downloads/serialplot-0.11.0-win32.exe Serial Plot 0.1.11]
[[Súbor:IconSerialPlotter.png|40px]] [https://serialplot.ozderya.net/downloads/serialplot-0.11.0-win32.exe Serial Plot 0.1.11]
Riadok 346: Riadok 396:




[[Category:AVR]][[Category:MMP]][[Category:DVPS]]
 
[[Mikropočítačové systémy (MIPS)#Cvičenia|Návrat na zoznam cvičení...]]
 
 
[[Category:AVR]][[Category:MIPS]][[Category:MMP]][[Category:DVPS]]

Aktuálna revízia z 11:55, 6. marec 2024


Sériové komunikačné rozhranie (UART)

Úlohy

  1. Nakonfigurujte USART na asynchrónnu prevádzku s parametrami N,9600,8,1
  2. Vyskúšajte demonštračný program, na strane PC použite terminál
  3. Vytvorte si knižnice pre prácu so sériovou linkou, preštudujte využitie knižnice <stdio.h> a demonštrujte.
  4. Napíšte program, ktorý klávesami +/- bude meniť stav LED diódy (On/Off).


Literatúra:

2021


1. Hardvér

Podrobnejší popis hardvéru pre sériové komunikačné rozhranie presahuje rámec tohoto cvičenia, záujemcov odkazujeme na text Normy pre fyzickú vrstvu komunikačných rozhraní.

Pripomenieme na tomto mieste len skutočnosť, že prepojenie cez sériové rozhranie sa môže uskutočniť buď priamo v TTL (resp. CMOS) logických úrovniach 5V, napríklad takto sa dajú prepojiť dve Arduino dosky medzi sebou


Schéma prepojenia dvoch Arduino dosiek.

Iným príkladom je LCD displej so sériovým prevodníkom, ktorý potrebuje na pripojenie len 3 (2) vodiče.

Ak by sme riešili pripojenie zariadenia, ktoré má skutočne rozhranie RS-232, t.j. napäťové úrovne +/-10V, potrebujeme prevodník, ktorý z TTL úrovne vyrobí príslušné napätia. Typickým zástupcom širokého spektra takýchto prevodníkov je obvod MAX232 (Maxim Integrated), ktorý obsahuje malý spínaný menič, takže potrebné napätia +/-10V si vyrobí priamo na čipe z jedného napájacieho napätia 5V. Typická schéma zapojenia je na obrázku nižšie.


Schéma prevodníka na úrovne RS-232.


Arduino nepoužíva pre komunikáciu s PC ani jeden z vyššieuvedených spôsobov, ale pripája sa na zbernicu USB (Universal Serial Bus). Na to je tiež potrebný špeciálny prevodník. Pri prvých verziách Arduino dosky sa používal špeciálny itegrovaný obvod FT232RL (FTDI Chips), v lacných klonoch sa menej spoľahlivá kópia CH340G, neskôr sa rozhranie USB zrealizovalo pomocou špecializovaného mikroprocesora Atmel ATmega16U2, ktorý má potrebné rozhranie už integrované. Ako to funguje sa dá pozrieť na schéme zapojenia.



2. Základný princíp prenosu cez USART

Ukážkový program v ktorom je všetko pohromade: inicializácia, príjem aj vysielanie. Program čaká na prijatý znak a vráti znak s ASCII kódom o jedna väčším. Mohol by vrátiť aj rovnaký, ale to by sme nevedeli rozlíšiť od funkcie "local echo" v niektorých termináloch.

#include <avr/io.h>

#define BAUDRATE       9600
#define BAUD_PRESCALE  (((F_CPU / (BAUDRATE * 16UL))) - 1)  // vzorček z datasheetu


int main (void)
{
   char ReceivedChar;

   /* Initialize UART */
                                                         
   UBRR0 = (unsigned char)BAUD_PRESCALE;                 // Set baud rate: Load the UBRR register

   UCSR0C = (1<<UCSZ01)|(1<<UCSZ00);                     // Set format: 8data, 1stop bit 

   UCSR0B = (1 << RXEN0) | (1 << TXEN0);                 // Enable receiver and transmitter


   for (;;)                                              // Loop forever
   {
      while ((UCSR0A & (1 << RXC0)) == 0)                // Wait for data to be received 
	  {
	    // Do nothing until data have been recieved and is ready to be read from UDR
	  }; 
      ReceivedChar = UDR0;                               // Fetch the recieved byte 

   
      while ( !( UCSR0A & (1<<UDRE0)) )                  // Wait for empty transmit buffer 
   	  {
	   // Do nothing until UDR is ready for more data to be written to it
	  };
      UDR0 = ReceivedChar+1;                             // Echo back the modified received byte 
   }


}


Ak vám program fungoval, nahrajte ho do procesora a otestujte komunikáciu s terminálom. Na prácu so sériovou linkou na vašom PC odporúčame program Terminal by Bray, ale môžete to skúsiť aj s Hyperterminálom.


Väčšina parametrov je vždy rovnaká (8 bitov, bez parity, 1 stop bit), meniť sa zvykne len rýchlosť. Treba však upozorniť, že pre spoľahlivý asynchrónny prenos by sa nemali hodiny vysielača a prijímača líšiť o viac ako 2%. To sa dá dosiahnuť veľmi jednoducho pre špeciálne hodnoty oscilátora (napr. kryštál 18,432 MHz), ale pre nami používaný oscilátor 16 MHz sú niektoré rýchlosti menej vhodné.


Tabuľka s prensovými rýchlosťami pre 16 MHz.

3. Jednoduchá knižnica

Nebudeme sa zaoberať detailmi implementácie sériového komunikačného rozhrania procesorov AVR, pre naše účely postačí jednoduchá knižnica, ktorá obsahuje základné funkcie na prenos jedného znaku. Parametre prenosu pre túto knižnicu sú 9600,n,8,1.

/* ************************************************************************* */
/* FileName          : uart.h                                              */
/* ************************************************************************* */

void uart_init( void );
     
void uart_putc( char c );
void uart_puts( const char *s );

char uart_getc( void );
#include <avr/io.h>
#include <util/setbaud.h>

void uart_init( void ) 
{
    UBRR0H = UBRRH_VALUE;
    UBRR0L = UBRRL_VALUE;

#if USE_2X
    UCSR0A |= _BV(U2X0);
#else
    UCSR0A &= ~(_BV(U2X0));
#endif

    UCSR0C = _BV(UCSZ01) | _BV(UCSZ00); /* 8-bit data */
    UCSR0B = _BV(RXEN0) | _BV(TXEN0);   /* Enable RX and TX */
}


void uart_putc(char c) 
{
   if (c == '\n') 
    {
       uart_putc('\r');
    }
   loop_until_bit_is_set(UCSR0A, UDRE0); /* Wait until data register empty. */
   UDR0 = c;
}


void uart_puts(const char *s)
{
  /* toto je vasa uloha */
}

char uart_getc(void) {
    loop_until_bit_is_set(UCSR0A, RXC0); /* Wait until data exists. */
    return UDR0;
}
#define BAUD 9600

#include <avr/io.h>
#include "uart.h"

                              
int main(void)
{
  char ReceivedChar;

  uart_init();

  while(1)
  {
    ReceivedChar = uart_getc();                               // Fetch the recieved byte (blocking command!)
    uart_putc(ReceivedChar+1);
    }
  return(0);
}

printf() na jednočipe?

Ak si napíšete vlastnú funkciu na zobrazenie jedného znaku na displej, alebo pre vyslanie jedného znaku po sériovej linke, potom môžete používať naozaj aj funkciu printf so všetkými jej vymoženosťami. Využívame pre tom knižnicu stdio.h, ktorá sa používa takto:

...
#include <stdio.h>

FILE mystdout = FDEV_SETUP_STREAM(uart_putc, NULL, _FDEV_SETUP_WRITE);


int main(void)
{
  uart_init();                  // Inicializacia seriovej linky
  stdout = &mystdout;           // Odteraz funguje printf();

 printf("Hello, world!");

 return 0;
}

Takto potom môžete používať naozaj aj funkciu printf() so všetkými jej vymoženosťami... Úplne rovnako sa dá implementovať printf() aj na LCD displej, len ho treba na začiatku zinicializovať a namiesto funkcie uart_putc napísať niečo ako lcd_putc.

Kompletný vstup/výstup potom vyzerá takto:

FILE uart_output = FDEV_SETUP_STREAM(uart_putc, NULL, _FDEV_SETUP_WRITE);
FILE uart_input  = FDEV_SETUP_STREAM(NULL, uart_getc, _FDEV_SETUP_READ);

int main(void) {

    uart_init();
    stdout = &uart_output;
    stdin = &uart_input;
                
    char input;

    while(1) {
        puts("Hello world!");
        input = getchar();
        printf("You wrote %c\n", input);
    }
        
    return 0;
}


Ak budete pomocou funkcie printf zobrazovať aj hodnoty premennej typu float, nebude vám to fungovať. Prečo? Pozri Typy premenných v avr-gcc (celkom na konci je návod). Ak sa vám nechce čítať, tak len nastavte V AVR Studiu Project -> Properties (Alt+F7) a na zalozke Toolchain vyberieme zo sekcie AVR/GNU C Linker položku Miscelanous, kde do prázdneho riadku vložíme:

-Wl,-u,vfprintf  -lprintf_flt



Úloha

  1. Vyskúšajte si najjednoduchší prenos po sériovej linke.
  2. Nainštalujte si na PC niektorý terminálový program.
  3. Vytvorte si knižnicu uart.h
  4. Napíšte program, ktorý bude pomocou kláves + a - na klávesnici počitača meniť stav LED diódy (On/Off).
  5. 🡆 Úloha pre pokročilých: Sériové rozhranie a Processing

4. Terminál

Terminál je jednoduché elektronické zariadenie, ktoré slúži na komunikáciu s počítačom. Vytvára tak vzdialené užívateľské rozhranie (angl. Human-Machine Interface, HMI), cez ktoré je možné počítač ovládať, spúšťať programy, zadávať vstupné dáta (klávesnicou) a zobrazovať výstupy (na monitore). Zjednodušene si ho môžeme predstaviť, ako klávesnicu a monitor osobného počítača, pričom samotný počítač na ktorom pracujeme sa nachádza niekde inde - napr. aj v inej budove. Ku jednému takémuto počítaču je obvykle pripojených viacero terminálov (aj niekoľko desiatok). Pôvodné terminály boli znakové a pripájali sa k počítaču pomocou sériovej linky, telefónneho modemu, neskôr aj počítačovej siete. Neskôr vznikli aj grafické terminály, označované aj ako tenký klient (thin client).

Jedným z prvých (1978) sériovo vyrábaných terminálov bol typ VT100 (Video Terminal) spoločnosti Digital Equipment Corporation (DEC). Ako jeden z prvých podporoval tzv. ANSI sekvencie pre riadenie pohybu kurzora na obrazovke. V súčasnosti sa hardvérové terminály už prakticky nepoužívajú, jednoduchšie je využívať softvérové emulátory, ktorých je k dispozícíí niekoľko desiatok (napr. PuTTY, xterm, konsole, Br@y Terminal a mnoho ďalších).

Na príjem a vysielanie znakov na strane PC máme k dispozícii niekoľko takýchto emulátorov (pozn. pre školské počítače: len niektoré z nich umožňujú spustenie pod Windows bez administrátorského oprávnenia - napr. Br@y Terminal). Jedným z najdôležitejších rozlišovacích znakov pre terminálové programy je možnosť rozdeliť okno na vysielacie a prijímacie alebo spoločné okno pre oba kanály.


Serial Terminal by Bray

Na testovanie a prvé pokusy so sériovým rozhraním sa vám určite zíde aj nejaký terminálový program. Terminál je jednoduchý program, v ktorom sa zobrazujú všetky prijaté znaky a naopak, je možné nejaké iné znaky odvysielať. Dajú sa samozrejme aj nastaviť základné komunikačné parametre.


Ukážka práce s Terminalom vrátane správneho nastavenia parametrov. Prenosovú rýchlosť nastavte podľa skutočnosti, napr. 9600 Bd. V tomto programe je vysielacie a prijímacie okno rozdelené.

PuTTY

PuTTY is an SSH and telnet client, developed originally by Simon Tatham for the Windows platform. PuTTY is open source software that is available with source code and is developed and supported by a group of volunteers.

  • PuTTY download.
  • Terminal -- lokálna kópia
  • Video, ktoré vám pomôže integrovať PuTTY priamo do Atmel Studia.

Ukážka práce s programom PuTTY vrátane správneho nastavenia parametrov. Prenosovú rýchlosť nastavte podľa skutočnosti, napr. 9600 Bd. V tomto programe je vysielacie a prijímacie okno spojené do jedného. Na prvý pohľad to môže vyzerať neprehľadne, ale zasa rozumie ANSI sekvenciám terminálu VT100, takže sa tu dá pekne formátovať výstup.

Núdzové riešenie I: Arduino

Aj programové prostredie Arduino má v sebe zabudovaný jednoduchý sériový terminál.ň


Núdzové riešenie II: cmd.exe

V núdzi vám možno pomôže aj obyčajný príkazový riadok. Takto ho prepneme do režimu, v ktorom bude prijímať znaky zo sériovej linky:

mode com5: baud=9600 parity=None data=8 stop=1

copy com5 con:

Režim sa ukončí Ctrl+Z alebo Ctrl+C.

Poslať pár znakov z príkazového riadku sa dá takto:

echo X > com5

Pre čísla portov nad 9 treba použiť \\.\COM22

Žiaľ, nepoznám spôsob, ako uskutočniť prenos oboma smermi.


5. Vizualizácia

Vizualizáciu dát môžeme robiť rozlične. Jeden z možných spôsobov je vypisovať po sériovej linke v pravidelných intervaloch holé data a tie potom uložiť ako maticu do Matlabu a tam nakresliť graf, priebeh, čo treba...


Serial Plotter

Serial Plotter je trocha sofistikovanejší program ako Terminal, jeho úlohou je zakresliť graficky všetky prijaté informácie. Najjednoduchšie je posielať mu čísla, pričom ich môže byť aj viac, oddelených čiarkami. Každá jedna n-tica hodnôt musí končíť znakom pre nový riadok. V knižnici Serial použite bloky Serial Write Number pre čísla, Serial Write String pre čiarky a Serial Write Line pre ukončenie riadka. Neposielajte hodnoty príliš často, aby sa nepreplnil vstupný buffer.




Serial Studio

Serial Console je ešte sofistikovanejší program ako Serial Plotter, dokážeme s ním vytvárať rozličné panely s údajmi zoskupenými do rozličných skupín a s možnosťou grafického záznamu, použitia rozličných virtuálnych prístrojov a jednoduchou konfiguráciou.




Download

Terminal 1.9b

PuTTY latest

Serial Plot 0.1.11

Serial Studio 1.0.12



Návrat na zoznam cvičení...