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1 Manual del Usuario 1.2 – CADmega128 – CAD Ingeniería S.A.

CAD Ingeniería S.A. SAN ISIDRO 255 OFICINA F

Santiago, Chile

MANUAL DEL USUARIO

Placa de Entrenamiento / Desarrollo

CADmega128


1. Introducción

La placa de Entrenamiento / Desarrollo CADmega128 proporciona un entorno electrónico compacto y versátil para el

aprendizaje (y aplicación) de la programación de microcontroladores Atmel™ ATmega128. Los principales periféricos

externos al micro, tales como botones, pantalla, LEDs, etc. ya están integrados y listos para su uso, así como

conexiones seriales, ADC y DAC. Ello evita los clásicos problemas de los proto-boards, como son conexiones

ruidosas, cables quebrados, etc. Además se ofrecen dos conectores con señales del micro para expansión u otros

propósitos.

Un conector JTAG Atmel estándar permite programación y depuración en circuito, preferiblemente en lenguaje C, para

programar de forma moderna y eficiente el microcontrolador. Junto con la placa se entrega código fuente para utilizar

de inmediato periféricos más complicados como lo son los puertos seriales, ADC y DAC, LCD, etc.

Precauciones para el uso de la placa CADmega128

- No utilice otro adaptador de corriente que no sea el suministrado con la placa.

- Nunca manipular la placa con las manos húmedas o en entornos húmedos, y hacerlo sólo por los bordes.

- No tocar la electrónica (excepto los botones, perilla y conectores) cuando la placa esté encendida, ello puede

introducir interferencia y alterar el funcionamiento del micro.

- Evite tocar el borde del regulador de voltaje que se encuentra a la izquierda del buzzer (por debajo de la

placa). En operación normal se calienta levemente.

- Al conectar voltajes externos a la placa, nunca deben exceder de 5V.


2. Hardware

2.1. Alimentación

La placa CADmega128 se alimenta mediante un transformador externo de 220VAC/12VDC, 600mA (incluido con

cada unidad). En la placa se aplica filtrado para atenuar el ruido switching de esta alimentación y se distribuyen

los 12V en diferentes partes de la placa que lo requieren. Además se obtienen 5V necesarios para el micro y toda

la lógica digital mediante U5.

El jumper JP6 es el interruptor maestro de la alimentación, puede usarse para apagar o encender la placa sin

desconectar el transformador externo.

2.2. CPU

La placa CADmega128 posee como cerebro el avanzado microcontrolador RISC Atmel Atmega128, con cristal a

16 Mhz (máxima velocidad posible, permite hasta 16 MIPS - Millones de Instrucciones por Segundo). La

programación/depuración se realiza mediante conector JTAG Atmel estándar (conector J1).

L1

100uH

C3100n

Entrada 12VDC

C410u

ALIMENTACION Y FILTRADO

C5100n

C6100n

C7100n

C8100n

VCC

C10100n

TIP1

SL

V

2

J20

DC_JACK

1

J3

CONN-SIL1

1

J4

CONN-SIL1

VI1

VO3

GN

D2

U57805

VCCV12

JP6

JUMPER


ATmega128 soldado en la cara inferior de la placa CADmega128


Como se observa en el esquemático, se dispone de un botón manual de Reset (SWR), que reinicia el

programa del micro desde cero (no lo borra, sólo lo fuerza a partir desde el principio).

El cristal X1 es de 16 Mhz, para velocidades menores debe usarse el oscilador interno del micro y programar

esto en los fusibles del mismo, usando AVR Studio.

El terminal J7 permite conectar una referencia de voltaje externa (AVREF) para el conversor ADC integrado

del micro; dicha referencia no puede ser negativa ni exceder 5V.

El cristal X2 es de tipo reloj de cuarzo, frecuencia 32,768 kHz, y puede usarse para implementar un reloj de

tiempo real por software (sin respaldo de batería).

2.3. Programación y Puerto JTAG (J1)

El puerto JTAG permite programación y depuración del micro, mediante programador JTAG USB Atmel o

compatible.

Ca

ble

está

nd

ar

IDC

10

pin

es

CADmega128

JTAG USB

PC con entorno

AVR Studio

La programación se realiza en lenguaje C, usando el entorno de programación AVR Studio. El uso del

lenguaje C provee gran flexibilidad y rapidez en el desarrollo, ya que no es necesario usar las instrucciones de

máquina (assembly) de la CPU ATmega.

Los programas son grabados en el micro en su memoria Flash permanente, y pueden ser pausados (e incluso

reiniciados) a voluntad, usando las facilidades de depuración del JTAG.

o Se recomienda no conectar ni desconectar el programador JTAG a la placa estando ésta energizada.

Instalación del Software de Programación. Para poder programar y depurar el micro, usando la interfaz JTAG

suministrada, se deben instalar los siguientes componentes:


1. Driver CH341 para el pendrive JTAG suministrado con la placa (Atmel JTAG ICE MK1). Tras instalarlo, se

instalará un nuevo puerto serial COM en el computador. Notar que si se cambia de puerto USB al pendrive, se

instalará como un nuevo puerto COM. Luego, en AVR Studio se debe especificar “JTAG ICE” como dispositivo

para programación/depuración, y el puerto COM instalado por el driver para comunicación.

2. Instalar la última versión de las herramientas WinAVR, disponibles gratuitamente en la web Sourceforge.

3. Instalar el entorno de programación (IDE) AVR Studio 4.19, suministrado en el CD de la placa CADmega.

Pueden utilizarse herramientas posteriores como AVR Studio 5/6 pero ello requiere una interfaz JTAG ICE MK2. Estos entornos posteriores no

requieren de WinAVR pero son incompatibles con el pendrive JTAG suministrado con la placa.

Entorno IDE AVR Studio 4.19

Programación de Aplicaciones en AVR Studio. Todas las aplicaciones, desde cosas simples como parpadeo

de LEDs hasta uso de LCD, DAC, etc., deben enmarcarcarse en un Proyecto AVR Studio. El Proyecto incluye los

archivos de código fuente *.c y cabeceras *.h, ajustes para el microcontrolador, etc. Cada Proyecto además

genera un archivo *.aps que “aglutina” a los demás archivos. Haciendo doble click directamente sobre este

archivo, se abre inmediatamente AVR Studio con la sesión de programación tal y como se habia dejado al

cerrarlo.

Para facilitar la creación rápida de aplicaciones con la placa, el Profesor de Laboratorio suministra un Proyecto

base, con las declaraciones necesarias, macros, configuraciones y código mínimo para utilizar el micro y construir

la aplicación sobre esta base. Se recomienda a los estudiantes utilizar este Proyecto base para ahorrar tiempo y

facilitar el aprendizaje, agregando todo el código necesario y después guardando el Proyecto con otro nombre.


Para grabar y probar los programas en el micro, debe utilizarse el pendrive JTAG suministrado. No es necesario

desconectarlo de la placa para probar el programa, ya que está precisamente diseñado para trabajar junto al

micro en tiempo real. En líneas generales, el trabado de programación siempre sigue los siguientes pasos:

a. Crear y modificar el código fuente en el entorno de desarrollo.

b. Presionar F7 para compilar los cambios del código fuente.

c. Presionar Ctrl + Mayus + Alt + F5 para bajar el código compilado al micro (grabar el programa en el

mismo), mediante el pendrive JTAG. Esto se denomina Start Debug Session (iniciar sesión de

depuración).

d. Cuando haya finalizado el proceso de bajada de datos, presionar F5 para ejecutar el programa.

e. Puede detenerse el programa presionando Ctrl + F5, para depuración. Para reanudar la ejecución,

presionar nuevamente F5.

f. Volver al paso a, si el código requiere cambios.

g. Para detener la sesión de depuración, presionar Ctrl + Mayus + F5. El programa está grabado en el

micro, por tanto no requiere ni el software AVR Studio ni el pendrive JTAG para funcionar.

En caso de que la compilación arroje error de tipo “Build Failed”, puede deberse a que la configuración del

compilador GCC no está funcionando con el entorno AVR Studio. Para descartar esto, ir a Project

Configuration Options Custom Options, asegurarse que la ventana emergente muestra:

Si la ventana no posee programadas las rutas encerradas en el rectángulo, seleccionarlas mediante los botones

de la derecha. Quitar además “Use AVR Toolchain”, si está con ticket. Tras esto, volver a compilar; el

problema debiera haber desaparecido.

2.4. Uso de los LEDs


La placa CADmega128 posee 3 LEDs para propósito general, conectados directamente al puerto G del

microcontrolador (pines PG0, PG1 y PG2 respectivamente).

Utilizando el Proyecto Base, la función incluida set_led simplifica el control de estos LEDs:

set_led(0,1); // Enciende el LED G0 (izquierda)

set_led(2,0); // Apaga el LED G2 (derecha)

2.5. Uso del buzzer

La placa CADmega128 incorpora un buzzer (BZ1) controlado por transistor, conectado al puerto PF3 del micro

(etiq. BUZ en el esquemático).

Este buzzer no es del tipo auto-oscilador, por lo que para generar sonido es necesario enviarle un tren de pulsos

cuadrados dentro de un rango de hasta 2 kHz. Ello es fácil de lograr alternando ‘1’s y ‘0’s en este pin.

Utilizando el Proyecto Base, la función incluida buzzer() emite un breve pitido pre-programado por el buzzer.

2.6. Botones SW1~SW5

VCC

D2

LED

LED_G0

R12

2.2k

D3

LED

LED_G1

R13

2.2k

D4

LED

LED_G2

R14

2.2k

Q22N3904

++

--

BZ1

BUZ-OLIMEX

VCC

BUZ

R11

2.2k


La placa CADmega128 posee 5 botones (SW1 a SW5), ubicados directamente bajo el LCD. Están conectados a

pines del puerto D, con la correspondencia:

- [SW1] está conectado a PD0 (lo que además permite detonar la interrupción INT0, si se habilita).

- [SW2] está conectado a PD1 (lo que además permite detonar la interrupción INT1, si se habilita)

- [SW3] está conectado a PD4.

- [SW4] está conectado a PD5.

- [SW5] está conectado a PD6 (lo que además permite incrementar el Timer 1 si éste es habilitado y se

selecciona el modo de contador).


Los switches poseen filtrado anti-ruido y anti-“rebotes” mediante resistores, capacitores y el TTL 74HC14. De

acuerdo a la lógica, al presionar un switch aparece un ‘1’ lógico en el pin correspondiente del micro.

1/2 3/4

SW1

SW-SPST

1/2 3/4

SW2

SW-SPST

1/2 3/4

SW3

SW-SPST

1/2 3/4

SW4

SW-SPST

R3

1k

R410k

VCC

1 2

U2:A

74HC14C1810n

R5

1k

R610k

VCC

3 4

U2:B

74HC14C1910n

R7

1k

R810k

VCC

5 6

U2:C

74HC14C2010n

R9

1k

R1010k

VCC

13 12

U2:D

74HC14C2110n

SW1

SW2

SW3

SW4

Botones y Filtrado de Rebotes

R1

1k

R1510k

VCC

C2810n

SW5

1/2 3/4

SW5

SW-SPST

11 10

U2:E

74HC14


Para leer el estado de un botón fácilmente, se puede hacer mediante la función sw_state(num_de_switch),

incluida en el Proyecto Base. La función retorna valor tipo unsigned char: 1 si el botón está presionado, 0 en

caso contrario; la función sólo revisa al momento de ser llamada.

if (sw_state(3)==1) set_led(1,1); // si SW3 está presionado, encender LED G1.

Si se desea leer los switches mediante flancos, útil para evitar repeticiones indeseadas de los botones, puede

usarse la función sw_flanco(num_de_switch), incluida en el Proyecto Base. La función retorna valor tipo

unsigned char: 1 si el botón acaba de ser presionado (flanco positivo), 0 si mantiene el mismo estado anterior;

la función sólo revisa al momento de ser llamada.

Por ejemplo, para incrementar una variable k (previamente declarada) cada vez que se presione SW2, basta con

el código:

loop:

if (sw_flanco(2)) { k++; }

goto loop;

2.7. LCD

La placa CADmega128 incorpora un LCD alfanumérico de 16 caracteres x 2 líneas, estándar HD44780 en modo

de 4 bits (usando los bits de datos D7 a D4). Se dispone de potenciómetro integrado en la placa (RV1) para el

contraste, que varía con el ángulo de visión y la temperatura ambiente. El LCD está conectado al puerto A. El

backlight (luz de fondo) está siempre activo, aún cuando a nivel lógico no se inicialice el LCD.


Para inicializar y escribir caracteres en el LCD, se ofrece una librería completa en el CD adjunto con la placa,

en los archivos LCD44780.c, LCD44780.h

2.8. UARTs

La CPU ATmega128 posee 2 canales de comunicación serial (USARTs), que pueden ser operados en modo

síncrono o asíncrono. En la placa CADmega128, ambas USARTs pueden ser usadas de manera directa en modo

asíncrono (es decir, como UARTs) y ello otorga inmediata compatibilidad con infinidad de equipos que usan estos

estándares: módems, PLCs, equipos de comunicaciones, etc. (notar que esta compatibilidad depende de la capa

física; por ejemplo, RS-232 y RS-485 usan el mismo sistema asíncrono, pero los voltajes y corrientes son

totalmente distintos).

La UART0 está conectada a un convertidor TTL/RS232, de modo que sus señales aparecen listas para

conectarse a un PC u otro equipo compatible con EIA232. El conector hembra (J2) corresponde al estándar

232, equipo tipo DCE:

o Pin 2: TX UART0 (data transmitida desde la placa)

o Pin 3: RX UART0 (data recibida por la placa)

o Pin 5: GND (tierra de comunicaciones)

o Los demás pines no están conectados.

o Los LEDs D1 y D7 indican, por hardware, transmisión y recepción a esta UART.

LC

D_

RS

LC

D_

E

LC

D_

D4

LC

D_

D5

LC

D_

D6

LC

D_

D7

VCC1

2

3

RV1

10k

VCC

D7

14

D6

13

D5

12

D4

11

E6

RW

5R

S4

VS

S1

VD

D2

VE

E3

BL

-A15

BL

-K16

LCD1LCD_16X2_4BIT


* Para conectar la placa a un PC, basta con un cable serial DB9 macho – hembra.

La UART1 no está alambrada a ningún convertidor TTL/RS232, de modo que sus señales corresponden a

niveles TTL directos, y están disponibles en los pines J11:

o Pin 1: TX UART1 (data transmitida desde la placa)

o Pin 2: RX UART1 (data recibida por la placa)

o Pin 3: GND (tierra de comunicaciones)

o Los LEDs D5 y D6 indican, por hardware, transmisión y recepción a esta UART.

o Estos pines están conectados de manera directa al microcontrolador, por tanto es necesario sumo

cuidado en su conexión.

Importante: Cuando no se use o no se conecte nada a la UART1, debe colocarse un jumper (suministrado con la placa)

que haga un puente entre los pines TX1 y RX1. De otro modo, el LED RX1 puede encenderse aleatoriamente, haciendo

molesto el uso de la placa.

2.9. Entradas Análogas (ADC)

La placa CADmega128 posee 2 entradas análogas externas (para voltaje o corriente), conectadas a las entradas

del micro ADC0 y ADC1, y además se ofrece un potenciómetro divisor de tensión (RV2, 0 a 5V) permanente en

ADC2, como perilla para variar datos en los programas del microcontrolador.

Conversores ADC en general

Un convertidor ADC es un dispositivo híbrido que convierte un voltaje análogo, en un rango generalmente de 0 a

5 V, a un número entero en escala digital. En esencia, el ADC puede verse como un voltímetro de alta velocidad

(microsegundos) que mide un voltaje análogo y entrega un resultado proporcional discreto en binario.

T1IN11

R1OUT12

T2IN10

R2OUT9

T1OUT14

R1IN13

T2OUT7

R2IN8

C2+

4

C2-

5

C1+

1

C1-

3

VS+2

VS-6

U4

MAX232

PACKAGE=SO16

C14

100n

C15

100n

C16100n

C17

100n

VCC

1

6

2

7

3

84

9

5

J2

CONN-D9F

TX0

RX0


La escala análoga se define por los llamados voltajes de referencia, VREF+ y VREF-. La única condición teórica que debe cumplirse es que VREF+ > VREF-. En la práctica, VREF- se conecta a tierra (por tanto es 0 V), y VREF+ rara vez puede exceder los 5 V. La escala digital está acotada por dos extremos: 0 y 2

n-1, donde n=n° de bits del conversor (también llamado

resolución del ADC)

En un conversor de 8 bits, su escala digital será desde 00000000 bin a 11111111 bin, con todas las combinaciones binarias intermedias. Sin embargo, es poco práctico trabajar en binario, por lo que es más facil pensar que su escala digital va de 0 a 255 (2

8-1).

La conversión es lineal, por lo que, si se grafica la entrada análoga v/s la salida digital, resulta una recta escalonada:

Convencionalmente, la salida del ADC es denominada N. Para un valor del voltaje de entrada Vin cualquiera, dentro del rango de los voltajes de referencia, la salida N será:

*debe tomarse la parte entera del resultado. Por ejemplo, para VREF- a tierra, VREF+ a 5V, 6 bits de resolución y un voltaje análogo de entrada Vin=1,25 V, el resultado es N=16 en base 10. Ello es correcto, ya que 1,25V es ¼ de la escala de entrada (VREF+ - VREF- = 5V), y por tanto la salida digital también es ¼ de su escala completa (1/4 de 64 (2

6) es 16).


Tiempo de conversión. Todos los ADC, integrados o en chip externo, requieren de un tiempo para completar la conversión, llamado Tconv. Los ADCs modernos más lentos requieren no más allá de 0,1 ms para completar una conversión, lo que se traduce en un mínimo de 10000 conv/seg. ADCs más veloces, como en los osciloscopios digitales, están en el rango de millones de conversiones por segundo. Los parámetros más importantes para seleccionar un ADC son entonces:

resolución, mínima 8 bits

rango de los voltajes de referencia

tiempo de conversión ADC integrado en ATmega128.

El micro ofrece un ADC de 10 bits de resolución, con 8 canales multiplexados, cada uno correspondiente a un pin específico (sólo puede convertirse un canal a la vez). Es de rendimiento adecuado, relativamente veloz y ofrece la ventaja de ahorrar un conversor ADC externo si el diseño del sistema así lo requiere. Sus voltajes de referencia pueden ser configurados en una variedad de opciones, si bien no pueden ser menores que GND (0V) o mayores que VCC (5V). Además, al usar la interfaz JTAG, se pierden 4 de los 8 canales ADC. Los primeros 3 de los 4 restantes (ADC0, ADC1 y ADC2) son los que están disponibles en la placa CADmega.

El conversor ADC integrado en el micro es de buenas prestaciones y fácil de utilizar mediante las librerías

suministradas con la placa.

En la placa, VREF- es siempre GND (0 V) y VREF+ puede elegirse, por software, entre varias posibilidades

internas del micro (2.5V, 5V, etc.) o bien externo (voltaje ajustable) mediante un pin específico disponible en la

placa, a explicarse más adelante.


J5

J8

1

2

1

2

JP3

JP8

Pin para volt.

ref. externo

Cada entrada análoga externa dispone de un jumper para usarla en modalidad de voltaje o corriente:

o Si JP3 está puesto, ADC0 se puede usar para medir corriente.

o Si JP8 está puesto, ADC1 se puede usar para medir corriente.

o Notar que ambas entradas poseen potenciómetros calibrados a 250 ohm. La máxima corriente que se

puede medir es de 20 mA, con voltaje de referencia interno 5V (del micro, seleccionable por software)

o externo (terminal J7). En caso de usar resistencias externas y referencia externa, el producto i∙R no

puede exceder de 5V.

o Sin jumper puesto, la entrada correspondiente mide voltaje positivo, respecto a tierra y usando la

referencia interna de 5V o bien referencia externa, hasta un máximo de 5V. Exceder este voltaje

puede dañar de manera irreversible al micro.


o El potenciómetro RV2 es un divisor de voltaje conectado directamente a la entrada ADC2 del micro,

permitiendo variar desde 5V (izq.) a 0V (der.)

o Para usar un voltaje de referencia positivo externo, conectarlo al terminal J7 al costado derecho del

LCD. La tierra de este voltaje externo debe unirse a la tierra de la placa CADmega. Este voltaje

externo no puede exceder de 5V.

2.10. Salidas Análogas (DAC)

La placa CADmega128 incorpora un DAC dual AD7303, que ofrece 2 salidas de voltaje independientes de 8

bits de resolución (canales DAC 0 y 1). Dado que el pin VREF del DAC no está accesible para conectar una

referencia externa, debe usarse la opción software REFINT al enviarle información digital al DAC. Esto

selecciona una referencia interna de alta precisión de 5V. Notar que las librerías C proporcionadas con la

placa automáticamente usan el DAC con esta referencia interna.

Se ofrecen entonces dos salidas análogas:

Salida de voltaje en J9, se pueden obtener desde 0.01 a 5V en incrementos de 5 / 256 = 19.5 mV. Notar que

por limitación del DAC, es imposible obtener 0V exactos en su salida. El pin 1 de J9 es el voltaje del canal

DAC 0, y el pin 2 es tierra de la placa (0 V).

3

2

1

84

U6:A

LM358

Q12N3904

V12

V12

12

3RV3

200

C39100n

SPI_MO

SPI_CLK

DAC_CS

C25

100n

SCK5

SYNC7

DIN6

VOUTB8

VOUTA1

VREF4

U7

AD7303

Salida DAC

1

2

J9

TBLOCK-2P-3.5MM

1

2

J10

TBLOCK-2P-3.5MM

12

3

RV4

1k

Salida análoga 0 a 5V, 8 bit, usar bit REFINT del DAC

Salida análoga 0-20 mA

J9

J10

1

2

1

2

JP3

JP8


o Esta salida es lineal, es decir, para obtener 0.01V se envía el valor digital 0 al DAC, y para obtener 5V

se envía el valor 255 (28-1) al DAC.

o Notar que esta salida está directamente conectada al DAC, y no soporta carga directa más allá de

2-3 mA, por tanto esta tensión es de control y debe ser amplificada mediante circuito externo.

Vout (V)

N

5

0.01

0 255

Nota: Vout es la salida de voltaje en los bornes J9, N es el valor entero enviado al DAC.

Salida de corriente en J10: se implementa una salida análoga de corriente programable utilizando el canal

DAC 1. La corriente (desde 0 a 20 mA) fluye desde el terminal 1 al terminal 2 de J10, la máxima carga es de

250 ohm. Esta salida es lineal, es decir, para obtener 0 mA se envía el valor digital 0 al DAC, y para obtener

20mA se envía el valor 255 (28-1) al DAC. Esta salida se puede usar para manipular equipos de control

industrial con entrada de 4-20 mA.

iout (mA)

N

20

0

0 255

Nota: iout es la salida de corriente en los bornes J10, N es el valor entero enviado al DAC.

Este DAC es un periférico externo al micro, y para utilizarlo se debe además inicializar la interfaz SPI del

mismo. Con la placa CADmega128 se adjunta código en C listo para acceder al DAC y la interfaz SPI,

consultar la documentación en el CD adjunto.


Los potenciómetros RV3 y RV4 son parte de la calibración de la salida de corriente y NO deben ser alterados

de sus posiciones por ningún motivo.

2.11. Conectores para expansión

La placa CADmega128 ofrece dos conectores (tipo IDC) que permiten acceso a los voltajes de alimentación (+12,

+5, GND) de la placa y a la mayoría de los puertos del micro (B,C,D y E). Como estas conexiones son directas al

micro, deben utilizarse con cuidado para no dañarlo: evitar tocarlas directamente, y nunca inyectarles voltaje

negativo o superior a 5V.

J6

SPI_CS

SPI_CLK

SPI_MO

SPI_MI

V12 VCC

1

2

3

4

5

67

8

9

10

11

12

13

14

J6

TRANS 14 DIL

PB4

PB5

PB6

PB7

PD7

PE2

PE3

PE4

PE5

PE6

PC0

V12 VCC

1

2

3

4

5

67

8

9

10

11

12

13

14

J12

TRANS 14 DIL

PC1

PC2

PC3

PC4

PC5

PC6

PC7

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