Starten met de ATtiny2313

De Atmel ATtiny2313

De ATtiny2313 is (als opvolger/vervanger van de AT90S2313) een prima AVR microcontroller voor beginners. Een overzichtje van de eigenschappen en functies van de ATtiny2313; zie ook de uitgebreide documentatie in de datasheet (PDF 2MB):

• 8-bit AVR architectuur (1..2 cycles/instruction; Harvard memory arch)
• 2kB flash programma geheugen, 10.000x schrijfbaar
• 128 bytes ram geheugen
• 128 bytes eeprom geheugen, 100.000x schrijfbaar
• Seriële poorten, timers, counters, etc
  
• 4 PWM kanalen (Puls Breedte Modultatie)
• I²C (TWI) slave en master mogelijkheid
  
• 20 pins, waarvan 18 als I/O te gebruiken
• maximaal 20 miljoen instructies per seconde bij een 20MHz klok
• interne oscillator, geen extern kristal noodzakelijk (maar kan wel)
  
• Voeding 2.7 (1.8 voor V versie) tot 5.5V, dus werkt ook op twee batterijen
  

De programmer

Ik heb gekozen voor een low-cost programmer voor gebruik met een seriële poort. Erg low-cost (denk minder dan € 10, en geen IC's nodig); veiliger voor de computer dan de parallelle poort uitvoering, en zo in elkaar te zetten met standaard verkrijgbare onderdelen; in een uurtje had ik mijn programmer compleet.

Mijn versie is gebaseerd op het schema van de seriële programmer AVR programmer Olimex AVR-PG1, en de vergelijkbare AVR programmer van electronics-diy. Paar kleine modificaties, met name haal ik de 5 Volt uit de USB-poort van mijn laptop, dus een USB-kabeltje gehalveerd, en hiervan de ground en +5V aangesloten op de 3-polige header, zodat de tiny2313 voeding heeft en ook zonder seriële kabel programma'tjes kan uitvoeren. En ik heb naast de 2x5-pinsISP programming header een 20-polig IC-voetje geplaatst (Vcc op pin 20, GND op pin 10, reset pin 1, etc), kan dus zowel losse 2313's als bordjes met ISP (in-system programming) programmeren. Zie de foto hieronder, met al een ATtiny in de 20-pins programming socket (opmerking: enkele SMD-weerstanden zitten aan de onderkant).

Deze programmer is zowel compatible met de avrdude software als met de PonyProg software (zie bij 'De Tools'). De programmer is ook gelijk een mini-applicatiebordje, in de zin dat programma's er ook gelijk kunnen draaien; zie bijvoorbeeld 'Het eerste programma'tje' verderop.

De Tools

Ik wil de tools kunnen draaien op een laptop met Windows XP, of Ubuntu Linux. Daar ik liever niet in assembler programmeer (weer een andere assembly-taal) ga ik voor C: de GCC compiler suite is ook verkrijgbaar voor de 2313. Minimaal is nodig de WinAVR omgeving, dit is de GCC C/C++ compiler voor de AVR processoren, met alle bijhorende tools. Een belangrijk onderdeel hiervan is de runtime library AVR-libc, met uitgebreide AVR-libc documentatie en voorbeelden (ook over bijvoorbeeld interrupts, mixen met assembler code, etc).

De hele WinAVR GCC suite is command-line gebaseerd (dus zo'n ouderwets DOS boxje), gebruik je liever een complete grafische IDE, kijk dan naar de Atmel AVR Studio 4. Dit programma is gratis te downloaden (eerst het programma, en dan de twee service packs, en in de goede volgorde installeren: programma, dan SP1, dan SP2). Werkt samen met de GCC compiler, maar je kan ook in assembler werken.

Als je een programma gecompileerd hebt, moet je het ook in de 2313 zien te krijgen, oftewel je hebt een tool nodig om met de programmer te kunnen praten. Het eenvoudigst qua omgeving is om hiervoor avrdude te gebruiken; meegeleverd in WinAVR. Wil je echter dit niet vanaf de command line hoeven te doen, dan kan je ook PonyProg gebruiken, deze heeft een vriendelijker grafische gebruikersomgeving. Ik heb het zelf overigens niet gebruikt, gebruik alleen avrdude.

Meer info over de C compiler: zie de software tips pagina.

Het eerste programma'tje

De 'hello world' voor embedded systems is het laten knipperen van een LEDje... Ik ben hiervoor uitgegaan van de Nederlandstalige intro 'Knipperende LED', waar op de site behoorlijk wat over de tiny2313 wordt uitgelegd. Zeker lezen! Op de programmer twee extra onderdelen geplaatst: weerstand 470 Ohm plus een rode LED, en in serie aangesloten tussen Vcc en pin PD2 (pin 6 op het voetje): dus anders dan in de tutorial! Dit omdat ik ook een extern kristal wil kunnen gebruiken: deze wordt op pin 4 en 5 aangesloten, waar in de tutorial de LED zit. Ook de source (bij mij knipper.c) dus even hierop aanpassen...

Ik gebruik AVR Studio om te compileren; met 'F7' vertaal je de hele boel. In de directory 'default' vind je de gegenereerde files; de .hex file bevat de binary om in de chip te branden. de .lss file bevat een uitgebreide listing, inclusief startup code. AVR Studio doet een aantal stappen; de meest belangrijke is het aanroepen van de compiler; hieronder (verkort) weergegeven om te laten zien met welke opties vertaald wordt:

avr-gcc -mmcu=attiny2313 -Wall -gdwarf-2 -Os -std=gnu99 -funsigned-char -funsigned-bitfields -fpack-struct -fshort-enums knipper.c

De -Os optimaliseerd voor grootte. Let op: na dit commando volgt er nog een aantal commando's om de uiteindelijke hex file te maken; hier niet weergegeven (doet AVR Studio voor je, maar wel van belang als je zelf een .bat of een makefile wilt maken). Downloaden naar de chip gaat met avrdude en de zojuist gemaakte seriële programmer:

avrdude -p t2313 -c siprog -P com1 -U flash:w:knipper.hex

En ja, het LEDje gaat na het downloaden vanzelf knipperen. Het hele programma is 116 bytes (de grootte van de te downloaden binary, dus inclusief libraries en opstartcode), niet slecht voor een heel C programma!

Losgekoppeld van de computer, en op een regelbare voeding aangesloten. Eens kijken hoe ver ik de voeding kan laten dalen... Zelfs bij 1.33 Volt (de laagste stand die ik haal) blijft de uitgang keurig op en neer gaan, al is door de te lage spanning de LED al niet meer zichtbaar. Netjes, formeel is'ie maar vanaf 2.7 Volt gegarandeerd (en de V-versie vanaf 1.8V). Houdt in dat'ie ook op twee oplaadbare batterijen werkt, handig voor een volgens project dat ik in gedachten heb (soort vuurvliegjes gebaseerd op de zonnecel van zo'n oude LED-tuinlamp).

Fuse programming met AVRDUDE

Naast het programmageheugen heeft de tiny2313 nog meer programmeerbare delen; met name de fuses voor het instellen van de verschillende modes (zoals welke klok te gebruiken). Die fuses zijn vaak wat raadselachtig (zo is 'programmed' een 0, en 'cleared' een 1), maar gelukkig is er op het net wel wat uitleg verkrijgbaar, en is er bijvoorbeeld de fuse calculator, welke de fuse waardes netjes uitrekend aan de hand van je keuzes. Als je de waardes berekend hebt kan je met avrdude deze programmeren. Pas op; een verkeerde waarde kan je chip onbruikbaar maken! Meer info ook op de AVR Fuses HOWTO Guide (en natuurlijk in de datasheet).

Het is nuttig eerst eens de huidige waardes uit te lezen, met het commando:

avrdude -p t2313 -c siprog -P com1 -U lfuse:r:-:h -U hfuse:r:-:h -U efuse:r:-:h

Dit levert bij mij de waarden op (even zoeken in de output): low fuse 0x64, high fuse 0xdf, extended fuse 0xff. Dit zijn de standaard fabriekswaarden (interne RC oscilator, etc). Ik wil de processor op het kristal laten lopen (extern kristal, 4 MHz, geen deling door 8); dit levert een low fuse waarde op van 0xdf. De high fuse en extended fuse kunnen ongewijzigd blijven! Commando:

avrdude -p t2313 -c siprog -P com1 -U lfuse:w:0xfd:m

En ja, programmer uitgebreid met een kristal en 2 22 pF condensatoren, en mijn ledje knippert nu 4x sneller (in plaats van de 1 MHz interne RC-klok, de 4 MHz kristalwaarde). Zoals gezegd: een verkeerde fuse waarde kan je chip onbruikbaar maken; altijd dubbel-checken!!!

Interrupts

Altijd handig om een gevoel van tijd te hebben, dus een interrupt-routine om ticks te tellen is plezierig. De timers lopen toch al (vanwege de PWM), dus ik gebruik timer 0 om elke periode een interrupt te genereren. Met een 4 MHz kristal; prescaler op 8, en 256 ticks voor een PWM-ronde kom ik zo op een PWM- en interrupt-frequentie van haast 2 kHz (4MHz / 8 / 256). In de interrupt-routine gebruik ik dit (om te testen) om een LEDje te laten knipperen; ziet er op de scope goed uit. Timer 0 overflow interrupt (TOIE0) enablen, en de globale enable flag aanzetten met de sei() functie:

#include <avr/interrupt.h>
volatile int pwm_counter;

ISR(TIMER0_OVF_vect)    // Interrupt service routine
{
  pwm_counter++;        // 16-bit counter @ ~2 kHz
  PORTD ^= (1 << PD2);  // toggle LED output at 1 kHz
}


...
TIMSK |= (1 << TOIE0);  // enable timer0 overflow interrupt
sei();                  // global enable interrupts
...

De timer interrupt wordt uiteindelijk gebruikt voor onder andere het  geleidelijk aan- en uit-zetten van de leds, en het bijhouden van de real-time klok.

De I²C (of TWI)

Atmel noemt I²C "TWI", Two-Wire Interface, om trade-mark issues te voorkomen. Ik had gehoopt code van het Arduino project te kunnen gebruiken, maar helaas: hardware is anders. De ATtiny2313 heeft een USI poort (Universal Serial Interface), die meerdere standaarden — waaronder I²C — aankan. Toch was er ook voor de tiny op internet wel wat te vinden; twee projecten vond ik met name van belang (de Atmel eigen code uit de app.notes werkt volgens fora niet altijd betrouwbaar, deze links hebben bijgewerkte versies):

• Deze I²C dimmer applicatie, waar een circulaire buffer voor communicatie gebruikt wordt: handig als je een message-based protocol wilt. Overigens is deze app ook een slimme manier om een 8-kanaals PWM te implementeren op de ATtiny.
  
• Deze I²C eeprom simulatie, die zich gedraagt als een seriële eeprom, dus meer een memory-mapped manier van communicatie
  

Ben met de eprom-simulatie aan de slag gegaan; was het eenvoudigst hier een register-gebaseerde interface á la PCA9634 mee op te bouwen. De code deed niet helemaal wat er gezegd werd, heb wat kleine wijzigingen doorgevoerd, zoals de merge van de send- en receive-buffer in een geheugenbuffer. De hele code is minder dan 500 bytes, dus ik heb nog meer dan 3/4 over voor de eigenlijke applicatie. Alle i2c-communicatie wordt in de interrupt afgehandeld; het main program is een lege eindeloze loop.

Ook gezorgd dat de LED en een switch (met een weerstand van 1K, van PD3/pin 7 naar aarde) ergens in het "eprom"-geheugengebied zijn gemapped door in de eindeloze loop van het 'main'-programma deze waarden heen en weer te kopiëren van de I/O naar de geheugenbuffer waar de eeprom gesimuleerd wordt. Ja, ik kan nu (vanuit de NSLU2) de LED aan en uitzetten, en de schakelaar uitlezen (via de i2cset en i2cget commando's)! I²C werkt. Ongeveer een week nadat ik de onderdelen van de programmer binnenkreeg, toch netjes.

Ik ga overigens niet een 8-kanaals PCA9634 exact nabouwen (waarvoor de dimmer-app een goed startpunt zou zijn); maar de extra intelligentie van de tiny gebruiken voor een besturing op hoger niveau (commando's als ga in zoveel seconden naar die helderheid); misschien dat dan een message-based protocol als in de dimmer dan toch meer toepasselijk is. Bovendien (in verband met de gevoeligheid van het menselijk oog) wil ik meer een logarithmische curve, en daarvoor heb ik meer dan 8 (lineaire) bits nodig, zit aan 12 te denken... Maar, dat wordt misschien nog wel eens een andere pagina.

Een krachtiger LED

Bij Conrad enkele power LEDs besteld, rood/groen/blauw, per kleur ongeveer 1 Watt. Deze LEDs (181159-89; €14,14) mogen per stuk 350 mA hebben (mits goed gekoeld, 188052-89), en dat is wat veel voor de ATtiny. Met enkele low-cost HEXFETs IRL510 (162789-89; € 0,60) is het echter wel goed te doen.

Een simpel schema'tje geeft ook een stroom­begrenzing, zodat ongeacht de voedings­spanning de stroom binnen de veilige grenzen blijft: als de spanning over R2 te hoog gaat, gaat T1 geleiden, en knijpt T2 dicht --> stroom wordt minder en de spanning over R2 daalt, evenwicht bij ongeveer 0.63V. Let op, als de FET in stroombegrenzingsmode werkt, valt er wel spanning over (gaat als weerstand werken), en dissipeert hij dus ook vermogen: bescheiden koelplaatje is nodig! Bij de gegeven waardes, en de blauwe LED (3.5V spanning, x2) op 350 mA staat er 2.9V over R3, en dus 1.45V over de FET --> 0.5W (en 1W over R3), bij de rode LED (2.5V, x2) meer: 3.45V resp. 1.2W over de FET.

De ingang is compatible met de ATtiny op 5 Volt, en aangesloten op de PWM-uitgangen op pin 14..16 (3 FETs in totaal, dus). Dit geeft een lamp met behoorlijke lichtopbrengst, en instelbare kleur en helderheid.

Een eerste testprogramma'tje is gebaseerd op een RGB-LED tutorial, hierin wordt gedemonstreerd hoe je de pulsbreedte modulatie (PWM) gebruikt. Er zijn voor mij enkele kleine aanpassingen nodig: de driver-trap zoals geschreven gedraagt zich als een inverter, dus uit → aan, en omgedraaid. De 2313 heeft in zijn configuratie­registers bits om de uitgang om te draaien, daarmee gedraagt het programma zich zoals gewenst.

En verder...

Ben nog met wat extra zaken bezig, zoals een low-cost AD conversie op de ATtiny; zie meer op mijn ATtiny Hardware Tips pagina... En tips over de software/debug kant op de software tips pagina.

Plus: Een ongesorteerde dump van mijn bookmarks over de AVR:

Algemeen:

• AVR Freaks, met onder andere een uitgebreid forum, en WinAVR index (overzicht op AVR freaks)
• AVR C Tutorial
• AVR Tutor - Welcome
• Project 1 - Basic Blinking
• WinAVR AVR-GCC Tutorial
• avr-libc: Frequently Asked Questions
• Atmel application note: 'AVR035: Efficient C Coding for AVR'
• Optimisations of AVR programs using avr-gcc
• Developing for the Atmel AVR Microcontroller on Linux
• Simulavr homepage
• Arduino is an open-source electronics prototyping platform based on flexible, easy-to-use hardware and software. It's intended for artists, designers, hobbyists, and anyone interested in creating interactive objects or environments.

Programmers:

• AVR programmer Olimex AVR-PG1, low cost seriële programmer
  
• AVR Programmer, nog zo'n low cost seriële programmer
• PonyProg - Serial device programmer software
  
• AVRDUDE - Serial device programmer software (gebruik ik)
  
• Electrons - AVR Fuses HOWTO Guide
• Embedded AVR Fuse Calculator
  
• Programming an AVR microcontroller voor de parallele poort
  
• ATtiny.com | AVR programmer en software, ook parallel, niet helemaal veilig
• ultra low-cost AVR programmer, nog zo'n (onveilige) parallele...

Onderdelen nodig?

• Dick Best Electronicaonderdelen online
• Conrad Electronic - "Europa's grootste webwinkel in elektronica en techniek"
• Brigatti electronica Eindhoven
• DigiKey | Electronic Components Distributor | Netherlands Home Page
• Farnell Nederland | " 's wereld voornaamste distributeur van elektronische producten"
• RS Online: "van Relais tot Schroevendraaier, RS heeft 't"