Make All". По сравнению с make-файлом, созданным по рис.4, добавилось число выводимых сообщений. В частности, появилась полезная информация о проценте занимаемого прошивкой места в FLASH-ПЗУ МК (рис.6).

После компиляции открыть программу PonyProg, ввести в нее вновь созданный файл "avr41.hex", подключить кабель ISP-адаптера к пробному устройству, подать питание 5 В. Далее запрограммировать фьюзы SUT0, CKSEL3, CKSEL2, CKSEL1 согласно строке 3 листинга 2, после чего нажать одновременно клавиши <Ctrl> и <P>. Через 30 с дождаться сообщения "Programming Successful" и проверить кнопками SB1, SB2 пробного устройства правильность свечения индикаторов HL1,

"Маячок-мигалка"

Второй эксперимент будет заключаться в проверке динамических возможностей МК. Стандартная задача - заставить попеременно мигать два светодиода, превратив их в своеобразные "маячки". Для удобства предлагается использовать ту же самую схему, что на рис.3, но без кнопок SB1, SB2 и резисторов R3, R4.

Управляющая программа приведена в листинге 3. Ее построение сходно с листингом 2.

Строки 13, 14 - стандартный прием установки лог."0" и лог."1" на выходах линий портов. Это надо запомнить.

Строка 15 - организация задержки времени. При запуске программы на выполнение значение переменной "pause" устанавливается в 0 (строка 7). При каждом проходе строки 15 к переменной "pause" добавляется единица (два знака "+"). Через 15000 проходов (итераций) число, накопленное в "pause", сравняется с 15000, и управление будет передано на строку 16. Каждая итерация занимает какое-то время процессора, в результате чего получается определенная задержка во времени. Изменить ее можно в любую сторону, например, увеличив число 15000 до 65535 или уменьшив до 1.

Строка 18 - второй вариант задержки времени. Свое начальное значение (15000) переменная "pause" получает при выходе из строки 15. Каждый проход строки 18 уменьшает ее величину на единицу (два знака "-"). Через 15000 итераций значение "pause" обнулится, и управление будет передано на строку 19. Получается своеобразная лестница: в строке 15 идем вверх, в строке 18 - вниз.

Виртуальный осциллограф

После компиляции программы "avr42.c" и получения файла "avr42.hex" производят программирование МК и опробование в работе. Казалось бы, мигание светодиодов должно быть симметричным (одинаковое число итераций в строках 15, 18 листинга 3), однако на глаз заметно, что HL2 светится дольше, чем HL1.

Для разгадки феномена будет привлечен "компьютерный судья".

Существует проблема, общая для всех без исключения Си-компиляторов. Речь идет о формировании точных отрезков времени. Как, например, узнать, сколько миллисекунд уйдет на выполнение операторов в строках 15, 18 листинга 3? Иными словами, какой период свечения индикаторов HL1, HL2 и какова скважность импульсов на линиях PC3, PD7 микросхемы DD1 в "маячке-мигалке"?

Визуальный или секундомерный контроль времени здесь не проходит, так как светодиоды мигают примерно 3-4 раза в секунду. Проблема решается при наличии цифрового запоминающего осциллографа, в котором измерения длительностей проводят с высокой точностью.

С другой стороны, а чем компьютер хуже? Он всегда под рукой, да и математические уравнения решает лучше осциллографа. Если "объяснить" компьютеру, как устроен МК ATmega8, заложить в него точные значения времени выполнения контроллерных инструкций, то можно смоделировать работу процессорной системы и рассчитать абсолютно все отрезки времени без погрешностей.

Такие программы существуют и одна из них - это Visual Micro Lab (VMLab) фирмы AMTools. На сайте http: www.amctools.com имеется информация о двух версиях программы - бесплатной демонстрационной (http: www.amtools.net/vmlab310.zip, 3,8 Мб) и платной полной (75 евро). Ограничения в демо-версии следующие: размер исполняемого кода не более 4 Кб, объем используемой в МК памяти не более 50%, число одновременно открываемых файлов проекта не более 4, моделирование не более 50 тысяч инструкций.

На счастье, простые любительские конструкции, использующих ATmega8, проходят ниже планки ограничений. Для сравнения, 4 Кб - это в два раза больше, чем у AT89C2051. Следовательно, демо-вер-сия VMLab может служить хорошим подспорьем разработчику, заменяя во многих случаях паяльник.

Важная деталь. Связка WinAVR-VMLab обладает уникальными возможностями по сравнению с другими Си-компиляторами. Только для WinAVR в VMLab можно на ходу перекомпилировать Си-программу и сразу же увидеть результат коррекции на экране виртуального ос-

Листинг 3

Маячок-мигалка =AVR, ступень 4=. Журнал РА, №4-2005 =1 Make: Name=avr42, MCU=atmega8, Level=2, Debug=VMLab =2 Фыозы: SUT0=CKSEL3=CKSEL2=CKSELl="ranO4KM" (1 МГц) =3 #include <avr/io.h> Библиотека ввода-вывода =4

========ОСНОВНАЯ ПРОГРАММА========== =5

int main(void) Начало основной программы =6

{ unsigned int pause=0; Переменная для паузы =7

PORTB = PORTC = PORTD = OxFF; Входы с резисторами =9 DDRC = BV(PC3) ; РСЗ выход е лог.1 =10

DDRD = BV(PD7); PD7 выход с лог.1 =11

while (1) Бесконечный цикл между строками 13-19

{ PORTC = BV(EC3); PORTD S= ~ BV(PD7) ; while (++pause < 15000), PORTC S= ~ BV(PC3) ; PORTD = BV(PD7) ; while (-pause > 0);

РСЗ выход с лог.1 PD7 выход с лог.0 Пауза 15000 итераций РСЗ выход с лог.0 PD7 выход с лог.1 ПауЗа 15000 итераций

Окончание функции "while" в строке 12 WinAVR-20050214, длина программы 148 байтов

=12 =13 =14 =15 =16 =17 =18 =19 =20

циллографа. Еще одна приятная мелочь - возможность "шагать" прямо по тексту Си-программы и делать остановки, наблюдая за диаграммами.

Эмулятор, симулятор, имитатор

Как правильно называть VMLab - эмулятор, имитатор или симулятор МК? Различия между этими понятиями следующие.

Слово "эмуляция" (emulation) относится к однородным системам, составленным из одного и того же материала [1]. Например, компьютер, состоящий из металла и кремния, не может эмулировать человека, состоящего из белковых органических соединений, и наоборот. При эмуляции одна система выполняет функцию другой, стараясь делать это в реальном времени. Эмуляции на IBM PC подвергаются: игровые автоматы, игровые приставки, домашние компьютеры, китайские "Те-трисы" и даже программируемые карманные калькуляторы.

Процесс имитации (imitation) неразрывно связан с подражанием [1]. Человек может петь как соловей, а компьютер - "разговаривать" как человек. Программы-имитаторы - это настольные игры (имитация логического мышления), программы синтеза голосовой информации (имитация голоса), машинные собеседники (имитация искусственного интеллекта).

Технический термин "симуляция" (simulation) относится к случаю, когда одна система моделирует поведение другой, имея на входах одни и те же данные, а на выходах - идентичные или подобные [1]. Это эквивалентно "черному ящику" с неизвестной внутренней структурой, причем его начинка может быть разнородной, а не одинаковой, как при эмуляции. Известны компьютерные симуляторы самолетов, вертолетов, велосипедов, парусников, автомобилей и т.д.

Как видно, к VMLab из трех определений больше подходит название "симулятор", что подтверждает фирменный термин "software simulation with analog simulation" из его файла помощи. Программные си-муляторы, в отличие от внутрисхемных эмуляторов, работают гораздо медленнее. Скорость расчетов у VMLab низкая, требуется как минимум IBM PC с процессором 800...1000 МГц, чтобы долго не ждать до прорисовки очередной линии.

Технология работы с VMLab

Краеугольным камнем в философии VMLab служит понятие "проект". Это текстовый файл с расширением .prj, в котором на специальном языке описывается словами электрическая схема подключения внешних цепей к МК. Примеры проектов расположены в папках C:\Vmlab\AVR demo\ и C:\Vmlab\WinAVRdemo\, которые появляются в процессе инсталляции VMLab на диск С. Судя по ним, подключать к МК можно: резисторы, конденсаторы, транзисторы, светодиоды, ЖК-индикаторы, кнопки, синусоидальные генераторы и даже терминал RS-232 с изменяемой скоростью передачи данных.

Этапы работ для получения файла-проекта "маячка-мигалки".

1.Запустить на выполнение программу VMLab: "Пуск - Программы - Vmlab". Создать в ней новый проект "Project-New project", заполнить в пошаговом режиме (Step1-4) графы, как показано на рис.7. В качестве пути хранения проекта указать ту папку, где находятся файлы "avr42.c", "makefile", "avr42.hex" и т.д. Нажать OK, после чего на экране монитора появятся три окна. В окне "Messages" наблюдать сообщение "PRJ file is OK!".

2.Развернуть окно с проектом avr42.prj и произвести коррекцию текста согласно листингу 4(англоязычные комментарии сокращены и русифицированы). В самом конце текста надо не забыть доба-

вить одну лишнюю пустую строку. Проект составлен в предположении, что на рис.3 интерес представляют только функционально значимые элементы: R5, R6, HL1, HL2, DD1. Резисторы R1, R2 и конденсатор С1 в логической работе не участвуют, а элементы SB1, SB2, R3, R4 для "маячка" не нужны.

3.Построить проект, для чего нажать клавишу F9 или иконку "Build". В окне "Messages" наблюдать сообщение "Success! All ready to run".

4.Запустить проект на выполнение, для чего нажать клавишу F5 или иконку "Go/Continue". В окне "Messages" наблюдать сообщение "Starting hardware-software co-simulation..."

5.Открыть экран виртуального осциллографа "View-Scope". Установить в его настройках развертку по горизонтали 20 мс/дел, развертку по вертикали 2 В/дел. Подождать, пока будет построен график изменения напряжений на линиях PC3, PD7 (рис.8). Как и ожидалось, единичному уровню PC3 соответствует нулевой уровень PD7 и наоборот. Особенность VMLab состоит в том, что рисуются не только логические уровни на линиях МК, но и вычисляются их абсолютные аналоговые величины.

6.Для временной остановки изображения нажать клавиши Shift+F5 или иконку "Pause program". Далее в левой стороне экрана поставить точку в окошке "Cursor 1", затем "мышью" на осциллограмме провести вертикальную линию первого замера. Поставить точку в окошке "Cursor 2" и провести линию второго замера. Цифровые данные будут высвечиваться на поле осциллограммы. В частности, на рис.8 отсчеты равны 1322,4 и 1427,2 мс, следовательно, время между переходами напряжений "0"-"1" (свечение индикатора HL2) составляет t2=104,8 мс. Сместив линию курсора к левому фронту импульса, аналогичным образом определяют время свечения индикатора HL1

t1=60 мс.

Обсуждение результатов

Почему t2 почти в половину больше t1? В листинге 3 за время t2 отвечает строка 15, за время t1 - строка 18. И в том, и в другом случае задержка производится подсчетом 15000 инструкций. Однако в строке 15 к ним каждый раз добавляется сравнение с числом 15000 функции "while". Эта операция по времени длиннее, чем сравнение с нулем в строке 18 (такая особенность у всех МК), следовательно, и общая задержка будет больше.

Модельные эксперименты

Виртуальный осциллограф помог определить точные значения времени, не прибегая к услугам измерительных приборов. Для проведе-

Листинг4

***************************************************

PROJECT: Маячок-мигалка. =Микроконтроллеры AVR. Ступень 4=

Описание линий связи на электрической схеме

Dl VDD Dl NODE

R5 D1JTODE РСЗ 0.36К

D2 VDD D2 NODE

R6 D2JJODE PD7 0.36К

.PLOT v(PC3) v(PD7)

HL1 подключается между +5В и R5 R5=360 Ом подключается между HL1 и РСЗ HL2 подключается между +5В и R6 R6=360 Ом подключается между HL2 и PD7 Вывод на экран напряжений РСЗ, PD7

ния модельных экспериментов можно попробовать изменить период следования импульсов свечения. Для этого, не выходя из VMLab, развернуть окно "Code. Target file: avr42.hex", выбрать внизу закладку "avr42.c" и заменить в строке 15 число 15000 на 1000 (на вопрос "Restart simulation?" нажать "Да"). Затем клавишами F9, F5 запустить построение графика, открыть окно осциллографа, уменьшить развертку по горизонтали и наблюдать рисунок с измененными параметрами. Иногда для правильного отображения времени может потребоваться полное перестроение проекта: "Project-Re-build all".

Там же, в закладке "avr42.c", можно установить точки останова, нажав одну или несколько кнопок с левой стороны листинга. По мере прохождения импульсов, задействованные строки в Си-программе окрашиваются желтым цветом. При останове строка становится серой. В пошаговой отладке задействуются три иконки с названием "Step" в верхней части экрана. После завершения работы над проектом, его следует закрыть "Project-Close project", изменения автоматически будут сохранены в Си-программе и HEX-файле.

Практическое задание. Собрать на макетной плате пробное устройство. Проверить его в работе. Изменить прошивку МК под "маячок-мигалку". Скачать демо-версию программы VMLab и потренироваться в наблюдении осциллограмм. Самостоятельно составить проект VMLab для пробного устройства (листинг 2) и промодулировать его работу на виртуальном осциллографе.

Литература

1. The Blackwell Guide to Philosophy of Computing and Information. Edited by Luciano Floridi, August 2003, 392 pages, http: www.blackwellpub-lishing.com/pci/downloads/Glossary.pdf.

Микроконтроллеры AVR. Ступень 5

С.М. Рюмик, г. Чернигов

Чтобы устройство, собранное на микроконтроллере (МК), было интересным, оно должно содержать "изюминку". Разумеется, трудно ожидать от простых учебных конструкций феноменальных возможностей, уникальных параметров и досконального сервиса, но все же...

Разработка приборов, содержащих МК, состоит из нескольких эта-

•Логический уровень: анализ поставленной задачи, уяснение алгоритма работы, проведение математических расчетов.

•Физический уровень: определение числа входных и выходных сигналов, выбор МК, интерфейса сопряжения, составление электрической схемы устройства.

•Программный уровень: разработка алгоритма функционирования МК, составление листинга программы, компиляция, компьютерное моделирование процессов.

•Практический уровень: монтаж и сборка устройства, программирование МК, отладка, опробование в реальной работе.

Не все составляющие в перечисленных этапах обязательны для выполнения. Допускается их коррекция и повторное проведение. В зависимости от сложности поставленной задачи состав уровней может меняться (сокращаться, уточняться, дополняться). Разработка - процесс творческий. И вдвойне приятно, если удается найти нестандартные схемные и программные решения или неожиданные сферы применения.

В частности, предлагается разработать несколько простых микроконтроллерных приборов для экспериментов в такой "малотехнической" области науки, как психология. Заодно можно будет попрактиковаться в программировании линий портов МК, в формировании задержек сигналов, в устранении "дребезга" контактов кнопок, в организации светодиодных шкал.

"Иллюзия октавы"

По определению словаря, октава - это музыкальный интервал, отношение частот между нотами которого равно 2. Древние римляне удивились бы такому противоречию, ведь в переводе с латыни слово "октава" означает "восьмая". Разгадка банальная: в диатоническом музыкальном ряду, который был изобретен позже, октава является восьмой по счету ступенью.

Эффект под названием "иллюзия октавы" относится скорее к области практической психологии, чем к музыке. Впервые он был исследован в 1974 г. Дианой Дойч (Diana Deutsch) - профессором психологии Университета Калифорнии, США (http: philomel.com/pdf/Nature-1974 251 307-309.pdf, 67 Кб). Суть эксперимента. Испытуемому надевают стереонаушники и предлагают прослушать звуковой сигнал, в котором в противофазе смешаны ноты основной частоты 400 Гц и на октаву выше 800 Гц (рис.1,а). Ноты звучат с одинаковой длительностью и громкостью, каждое ухо получает 50% высоких и 50% низких тонов.

Казалось бы, слышимость в обоих ушах должна быть примерно одинаковой. Однако суммарную звуковую картину редко кто слышит правильно, а вместо этого возникает множество иллюзий. Например, одним людям кажется, что появляются биения сигналов, другим - что звуки периодически перемещаются из одного уха в другое, третьим -что высокий тон слышится с паузами из одного уха, а низкий - из другого и т.д. Любопытно, что картина практически не меняется, если переставить наушники местами или изменить частоту основного тона.

По статистике большинство людей слышат периодический высокий звук из правого уха (R) и низкий - из левого (L). На рис. 1,6 показана нотная запись этого случая. На ней специально выделены ноты с прямоугольником в центре, которые соответствуют диаграмме R на рис.1,а. Напрашивается догадка, что "иллюзия октавы" связана с особенностями работы мозговых полушарий, которые различаются у левшей и правшей.

Определить "господствующее ухо" поможет несложный прибор, представляющий собой двухканальный генератор звуков.

Исходные данные для разработки: частота основного тона 400 Гц, удвоенного - 800 Гц, длительность звучания одной ноты 250 мс (одна четвертая при темпе 240 ударов в минуту), нотные диаграммы в левом и правом каналах - согласно рис.1,а.

Электрическая схема прибора "Иллюзия октавы" (рис.2) содержит управляющий МК DD1, который работает от внутреннего RC-генератора частотой 1 МГц. Кварцевая стабилизация не требуется, поскольку слуховой аппарат человека чувствителен к изменению интервалов, а не к абсолютной высоте звука. На линиях портов PB0, PB1 формируются сигналы для правого R и левого L наушников, подключенных к разъему X1.

Как измерить Человека? А. Сент-Экзюпери

Конденсаторы С2-С5 совместно с резисторами R1*, R2* образуют фильтры, которые сглаживают форму прямоугольных сигналов, устраняют металлические хрипы и призвуки. Для соблюдения симметрии номиналы элементов в каждом канале должны быть идентичными. Кроме того, резисторы R1*, R2* снижают громкость звука до комфортных 40...50 дБ (уровень разговора в комнате). Уменьшать сопротивления R1, R2 не рекомендуется, чтобы наушники не превратились для слушателя в источник рева авиационного двигателя.

Кнопкой SB1 дискретно регулируют длительность звучания одной ноты от 175 до 475 мс (5,7.2,1 Гц) с пятью градациями. В исходных данных такого требования не было, да и в экспериментах Дианы Дойч -тоже. Но практика показала, что для лучшего осмысления результатов желательно прослушивать ноты при разных темпах.

Си-программа прибора "Иллюзия октавы" приведена в листинге 1.

Строки 2, 3 содержат сведения, необходимые для создания make-файла (MFile) и программирования фьюзов (PonyProg).

Строки 5, 6. Чтобы использовать в программе стандартные системные функции задержек во времени, надо подключить библиотеку "avr/delay.h" и указать тактовую частоту МК в герцах. Буквы "UL" в константе F CPU расшифровываются как "Unsigned Long", т.е. "длинное целое число" в пределах 0.4,2 млрд.

Строка 13. Типичный прием перевода в режим выхода сразу двух линий PB0 и PB1.

Строки 15-25. Формирование временной диаграммы нечетного такта (длительность одной ноты) согласно рис.3. Библиотечная функция " delay loop 1(X)", где "X"=TIK=208, производит задержку времени "T1" по формуле T1[мкс]=3*F CPU[МГц]*X=3*1*208=624 мкс, что близко к требуемому для 800 Гц полупериоду 625 мкс. Меняя константу TIK в строке 7 в пределах 1...256, можно увеличить или уменьшить частоту звучания ноты.

Строки26-28. Если нажата кнопка SB1, то происходит циклическое изменение переменной "temp" согласно ряду: 70, 100, 130, 160, 190. От нее зависит длительность одного такта (см. строки 15, 30). Каждое срабатывание кнопки сопровождается перерывом в звучании на 1 с, тем самым слушателю понятно, что происходит переход к следующему темпу. Библиотечная функция " delay loop 2(Y)" производит задержку времени T2 по формуле T2[мс]= (F CPU[МГц]*Y)/250=

=(1*62500)/250=250 мс. Меняя значение "Y" в пределах 1...65536 можно увеличить или уменьшить паузу после нажатия кнопки.