MSP 430 Lab 04 Fontes de clock e configuração das entradas e saídas digitais

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1 MSP 430 Lab 04 Fontes de clock e configuração das entradas e saídas digitais Teste com o sociloscópio Neste Lab iremos descrever os passos necessários para inicialização de duas fontes de clock da CPU e da configuração das GPIO. O termo GPIO refere-se a General Purpuse Imput and Output (Entradas e Saídas de Propósito Geral) e abrange todos os pinos do microcontrolador que apresentam múltiplas funções. Tópicos como o processo de reset, opções de fonte de clock e manuseio do WDT (Watch Dog Timer) serão descritos neste lab. Ao final, seremos capazes de entender o algoritmo que faz uso dos sistemas de clock e acesso aos pinos de entrada e saídas deste microcontrolador. Introdução O microcontrolador MSP430G2553 apresenta um modo ativo de trabalho (Active Mode) e cinco modos de operação em baixo

2 consumo, selecionáveis via software. Um evento de interrupção pode acordar o microcontrolador que esteja em qualquer modo de operação em baixo consumo, processar a requisição que gerou a interrupção e retornar novamente para o modo de economia de energia programado anteriormente. Este comportamento é ideal para aplicações onde o consumo de energia é um ponto crítico no desenvolvimento da aplicação. Pinagem microcontrolador Os seguintes seis modos de operação podem ser configurados via software no microcontrolador, são eles: Modo Ativo (Active mode AM) Todas as fontes de clock são ativados. Modo de baixo consumo 0 (Low-power mode 0 LPM0) CPU é desligada. ACLK e SMCLK permanecem ativos, MCLK é desligado. Modo de baixo consumo 1 (Low-power mode 1 LPM1) CPU é desligada. ACLK e SMCLK permanecem active, MCLK é desligado. Os osciladores de Clock Digitais (Digitally Controlled Oscilator DCO s) são desabilitados se o DCO não for utilizado no Modo Ativo. Modo de baixo consumo 2 (Low-power mode 2 LPM2)

3 CPU e desligada. MCLK e SMCLK são desligados. DCO s permanecem ativos. ACLK permanece ativo. Modo de baixo consumo 3 (Low-power mode 3 LPM3) CPU e desligada. MCLK e SMCLK são desligados. DCO s são desligados. ACLK permanece ativo. Modo de baixo consumo 4 (Low-power mode 4 LPM4) CPU é desligada. ACLK é desligado. MCLK e SMCLK são desligados. DCO s são desligados. Oscilador a cristal tem seu funcionamento interrompido. Inicialização e GPIO Durante o processo de inicialização do microcontrolador várias ações ocorrem internamente no microcontrolador com o intuito de garantir o funcionamento correto do dispositivo. A seguir, descrevemos o estado do sistema durante a inicialização: Na alimentação (Power Up PUC) o circuito que verifica o nível de tensão de alimentação mantém o dispositivo em reset até que o VCC esteja em um nível acima do ponto de histerese. O pino 16 (RST/NMI) é configurado automaticamente como reset. Os clocks do sistema são configurados. Módulos dos periféricos e registradores são configurados. O registrador de status (SR) é resetado. O contador de programa (Program Counter PC) é carregado com o endereço de memória que está contido no vetor de reset (0FFFEh). Se o valor contido nesta

4 posição de memória for 0FFFFh, o dispositivo vai ser desabilitado para um consumo mínimo de energia. Abaixo, ilustramos o Mapa de microcontrolador MSP430G2553. Mapa de MSP430 Memória referente ao memoria Após o reset ou início do sistema, o software deve: Iniciar o ponteiro da pilha, tipicamente no topo da área de memória RAM (Random Acces Memory). Reconfigurar os clocks (se necessário). Iniciar o watchdog timer de acordo com a aplicação, usualmente desligado no modo de debugging. Reconfigurar os periféricos de clock. Sistemas de Clock s e Osciladores Um dos primeiros sistemas a ser programado e entendido pelo usuário é o clock do dispositivo. O sistema de clock é baseado no modo básico que inclui suporte para o cristal externo de Hz, um oscilador interno de

5 baixo consumo e baixa frequência (Low Power and Low Frequency LF) e um oscilador interno digital (Digitally Controlled Oscillator DCO). O sistema básico de clock foi desenvolvido para garantir as necessidades de baixo custo e baixo consumo. O DCO interno garante um rápido retorno dos modos de baixo consumo, com estabilidade de operação, em menos de 1 µs. O módulo básico de clock fornece os seguintes sinais: Clock Auxiliar (Auxiliary clock ACLK), alimentado pelo cristal externo de Hz ou pelo oscilador interno de baixa frequência (LF). Clock principal (Main clock MCLK) que é o sistema de clock utilizado pela CPU. Sub-Main clock (SMCLK), sendo o subsistema utilizado pelos periféricos. As fontes de clock ilustradas na figura abaixo, apresentam as seguintes características: Very Low Power/Low Frequency Oscillator (VLO) 4 20kHz (típico em 12kHz) 500nA no modo standby 5%/ C e 4%/Mudança de tensão Crystal oscillator (LFXT1) Capacitores interno programáveis. Apresenta segurança contra falhas OSC_Fault. Mínimo pulso na filtragem. Digitally Controlled Oscillator (DCO) 0-to-16MHz (Calibração de fábrica geralmente em 1 MHz). +3% de tolerância. Calibração de fábrica é armazenado na memória Flash.

6 Fontes de clock família MSP430 Existe uma relação direta entre a tensão de alimentação do microcontrolador e a frequência de clock na qual queremos que o sistema opere. No gráfico abaixo, essa relação e ilustrada. Gráfico relação alimentação entre frequência de trabalho e Observamos que para uma alimentação em 1,8 V o sistema pode operar somente em 6 MHz. Já para alimentações entre 3,3 e 3,6V a frequência de operação pode chegar à até 16 MHz. Esta relação tem como principal objetivo atingir o mínimo de consumo de energia relacionando a frequência e tensão de alimentação.

7 Funcionamento do sistema de segurança (Failsafe) do WatchDog Timer WDT Algumas ações são tomadas automaticamente se a fonte de clock escolhida para a aplicação falhar e o módulo de segurança do WDT é responsável por estas ações. Um diagrama de funcionamento do Failsafe é ilustrado logo abaixo. Se o ACLK ou SMCLK falhar, a fonte de clock passará a ser o MCLK (WDT + failsafe feature). Se o MCLK for alimentado pelo cristal e o cristal falhar, MCLK será o DCO (XTAL failsafe feature). Essas mudanças automáticas da fonte de clock são impostas para garantir que o sistema não desenvolva ações inesperadas por falhas no sincronismo entre os periféricos e processamento. Fontes WDTC de clock e Existe uma outra restrição quanto a fonte de clock do WDT. Não podemos desabilitar a fonte ativa de clock que selecionamos para o WDT. Devemos ter em mente que alguns dos modos de baixo consumo desabilitam o DCO, desligam o SMCLK e podem também desabilitar o VLO.

8 Limitação na desativação fonte de clock de uma Se o WDT for alimentado por uma das fontes descritas anteriormente, não podemos desligar essa fonte de clock no modo de baixo consumo. Um modo de proteção contra essa ação é implementado no compilador do CCS. Teste das fontes de clock Para testar as diferentes formas de se usar os módulos de clock deste microcontrolador, crie um novo projeto seguindo os mesmos procedimentos descritos nos Lab 02 e 03. File -> New -> CCS Project

9 CCS novo projeto No arquivo main.c, copie e cole, inicialmente, o código disponível no quadro abaixo. [crayon-59e4376b35f5b /] Operando a CPU utilizando o VLO Vamos iniciar os testes neste Lab operando a CPU na fonte de clock VLO. Este é o clock de menor frequência e trabalha aproximadamente em 12 KHz então, iremos observar sua ação piscando o led vermelho a uma frequência de aproximadamente uma vez a cada 3 segundos. Não vamos utilizar nenhum

10 periférico de clock neste agora, apesar do cristal já ter sido montado na launchpad anteriormente. Informações mais detalhadas sobre os registradores que serão abordados logo em seguida, poderão ser obtidas consultando-se o User Guide do MSP430 neste link. 1 Com o propósito de conferirmos a execução do código (debug), será melhor parar a execução do watchdog timer. Desta forma, não precisamos nos preocupar com suas ações (Seção do User Guide). Dentro do arquivo main.c adicione o seguinte código: WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; O WDTCTL é o registrador do watchdog timer. Esta instrução configura a password (WDTPW) e o bit responsável por parar o timer (WDTHOLD). 2 Agora, precisamos configurar o LED que estará conectado a linha de entrada e saída GPIO. O LED verde está localizado no Port 1 Bit 6 e precisamos de configurá-lo como saída. O LED acenderá quando a saída é configurada com 1. Vamos limpar este registrador para manter o LED desligado (Seção 8.3 do User Guide). Adicione as duas linhas seguintes de código no main.c. P1DIR = 0x40; P1OUT = 0; 3 Para configurar o sistema de clock a ser utilizado neste experimento, adicione a linha de código abaixo no main.c. BCSCTL3 = LFXT1S_2; O BCSCTL3 (Seção do User Guide) é um dos registradores do sistema básico de clock desta família de microcontroladores. Na seção 5.3, página 282 do Guia do Usuário, informa que o estado de reset deste registrador é

11 005h. Se conferirmos os campos deste registrador obtemos que estas configurações são para o cristal de Hz conectado ao LFXT1 com capacitores de 6pF e falha do oscilador configurados. O operador de estado lógico OR utilizado acima, juntamente com o registrador LFXT1S_2 (Valor 020h Página 285 do U.G) resulta em um valor 025h. Este valor configura os bits 4 e 5 para 10b, habilitando o modo VLO clock. 4 O sistema de clock irá forçar o MCLK a usar o DCO como fonte na presença de uma falha no clock (Seção 5.2.7), precisamos então apagar este flag de falha. Inclua as linhas abaixo no programa. IFG1 &= ~OFIFG; O registrador IFG1 é o Interrupt Flag Register 1. O bit configurado no campo do registrador é o Oscilator Fault Interrupt Flag OFIFG. A lógica AND aplicada entre IFG1 e NOT OFIFG (Valor 2) irá zerar o bit 1 do registrador IFG1 (Seção pag. 285 do U.G) 5 Precisamos aguardar aproximadamente 50us para que o sistema de falha de clock (Clock Fault System) possa reagir. Operando com o VLO em 12KHz, parando o DCO, iremos garantir este tempo de 50us. Adicione as linhas abaixo: _bis_sr_register(scg1 + SCG0); SR é o Registrador de informações referentes generator 0) e SCG1 disponíveis na seção Status (Status Register) e todas as as definições do SCG0 (System clock (System clock generator 1) estão pág. 121 do U.G. A operação intrínseca _bis refere-se a chamada de um registro em assembler dentro de um programa escrito em linguagem C. 6 Temos também um divisor no clock MCLK 3. Vamos dividir por 8 utilizando o seguinte código.

12 BCSCTL2 = SELM_3 + DIVM_3; Os valores dos registradores utilizados na operação OR acima estão descritos na seção pág. 284 do U.G. Um pequeno código será implementado para que o LED verde possa piscar. [crayon-59e4376b35f7b /] A instrução P1OUT já foi explicada anteriormente. A função delay é intrínseca ao compilador e serve para gerar atrasos na execução do programa. O único parâmetro requerido é o número de ciclos de clock que a CPU ficará aguardando. Esta não é uma forma correta de gerar atrasos e isso será explicado posteriormente. Salve o código apresentado abaixo, resultado de nosso trabalho até este momento. [crayon-59e4376b35f /] Clique no botão Debug e carregue o código na LaunchPad como descrito no Lab02 e 03. Se tudo proceder da forma esperada, o LED verde deverá piscar.

13 Sinal do pino conectado ao LED verde Operando a CPU utilizando o Cristal 7 A frequência do cristal é Hz, quase três vezes mais rápida que o VLO. Se executarmos o código anterior utilizando o cristal, o LED verde deveria piscar uma vez a cada segundo. O valor de Hz é padrão pois representa o número 2 15 tornando fácil o uso de um simples contador digital para uma taxa de uma vez por segundo, perfeito para relógios e outros tipos de temporizadores. 8 Esta parte do experimento utiliza o código anterior como ponto de partida. Os dois LEDs serão utilizados, logo devemos configura-los como saída utilizando as seguintes linhas de código:

14 Alterar: P1DIR = 0x40; Para: P1DIR = 0x41; Fazendo o LED vermelho (P1.0) iniciar ligado: Alterar: P1OUT = 0; Para: P1OUT = 0x01; 9 Precisamos de selecionar o cristal externo como uma entrada de baixa frequência. Mude: BCSCTL3 = LFXT1S_2; Para: BCSCTL3 = LFXT1S_0 + XCAP_3; O parâmetro XCAP_3 seleciona o capacitor de carga de 12pF. Uma capacitância alta é requerida para cristais de baixa frequência. 10 No código anterior nós limpamos o flag do registrador OSCFault, agora queremos ter certeza de que este flag esteja limpo e que o cristal funcione corretamente. Isto irá exigir um loop com um teste. [crayon-59e4376b35f /] A condição para o loop while(ifg1 & OFIFG) testa o OFIG no registrador IFG1. Se este flag de falha for limpo, a execução irá sair do loop. Precisamos aguardar 50us após limpar o flag até que podemos testa-lo novamente. A função _delay_cycles(100000); é mais longa do que 50us. Precisamos que este tempo seja longo para que podemos ver o LED vermelho acender no começo do código. Caso contrário ele irá piscar tão rápido que não conseguiremos observar. 11 Finalmente, precisamos adicionar uma linha no código para desligar o LED, indicando que o algoritmo passou pelo teste de falha. Adicione a nova linha após o while loop:

15 P1OUT = 0; Após todas as mudanças, o seu código deverá se parecer com o mostrado no quadro abaixo. [crayon-59e4376b35f9b /] Novamente, aperte o botão Debug e aguarde ate que a tela de Debug aparece, em seguida, pressione a opção Resume ou aperte F8. (Procedimento já detalhado em Lab s anteriores). Se tudo der certo, o LED vermelho deverá piscar rapidamente (Tempo gasto no delay e aguardando para o cristal iniciar) e logo em seguida o LED verde deverá acender uma vez a cada segundo. Na figura abaixo observamos o monitoramento do sinal no pino conectado ao LED verde (sinal na cor azul), ligando e desligando por um tempo muito curto e no canal 2 (sinal na cor amarela) temos o funcionamento do LED vermelho que ativa somente antes do cristal iniciar.

16 Sinal nos pinos do Led verde e vermelho Conclusão Neste Lab aprendemos a dinâmica de configuração dos registradores necessários para o funcionamento desta família de microcontroladores e de duas fontes principais de clock. Uma primeira visão detalhada sobre as configurações deste microcontrolador pode assustar o usuário, porém elas são necessárias para um entendimento correto do que exatamente estamos programando, já que comportamentos inesperados de funcionamento podem ser evidenciados em uma aplicação industrial,por exemplo, e isto é um fator mais do que crítico para qualquer projeto.

17 Arduino Lab 02 Sensor de luminosidade e display de LCD 16 2 Display de LCD 16 2 Neste Lab, iremos descrever como conectar o sensor BH1750FVI, já citado no Lab 01, ao Arduino Micro e à um display. A indicação das leituras de luminosidade será feita utilizando um display clássico de LCD de 16 colunas e 2 linhas que trabalha com o controlador Hitachi HD Introdução Um medidor de luminosidade ou Luxímetro é muito utilizado para o controle do nível de iluminação em ambientes como escritórios, salas de aula, laboratórios, ambientes hospitalares e outros que necessitem de uma iluminação controlada. Estes níveis são regulamentados por normas específicas pois envolvem o conforto visual e o bem-estar do profissional que trabalha nestes locais. O Arduino Micro é a menor placa já construída de toda a família Arduino. Fácil de integrar em projetos de tamanho reduzido com um baixo custo e grande poder de processamento. A Micro é baseada no microcontrolador ATmega32U4 que possui um

18 driver USB integrado ao chip, fazendo com que o microcontrolador seja reconhecido como um mouse ou teclado pelo computador. O display de LCD com o controlador Hitachi HD44780 é comumente utilizado em aplicações embarcadas, pois a interface de controle e o protocolo de comunicação são padrões já difundidos no mercado em pequenas e grandes aplicações. Caracteres da tabela ASCII, Japonês Kana e outros tantos símbolos são suportados por este display. O sensor de luminosidade BH1750 já foi explicado no Lab 01 e não é novidade para os leitores. Os 3 componentes deste Lab. Iremos detalhar os principais dispositivos utilizados nesta aplicação, bem como a forma de conectá-los e programá-los, para que tenhamos um protótipo deste equipamento. Arduino Micro O Arduino Micro é uma pequena placa baseada no microcontrolador ATmega32U4 desenvolvida em conjunto com as indústrias Adafruit. Esta placa possui 20 pinos de entrada/saída, sendo que 7 podem ser utilizados como saída PWM e 12 como entrada analógica. Um oscilador a Crystal de 16 MHz

19 marca a referência de clock do microcontrolador. Um botão de reset, conector micro USB e ICSP também fazem parte da placa. Pinagem Arduino Micro A disposição dos seus pinos faz com que esta placa seja facilmente montada em uma protoboard.

20 2 gerações de Arduino Micro O Arduino Micro é similar ao Arduino Leonardo quanto ao controlador USB já embutido no ATmega32U4, eliminando assim a necessidade de um processador secundário. Isto permite que o Micro seja reconhecido como um teclado ou mouse, ou mesmo como um virtual CDC / serial COM port, por um computador. O Micro possui ainda um polyfuse com possibilidade de reset para proteger as portas USB do computador de curto circuito e ou sobre corrente. Se mais de 500 ma forem aplicados a porta USB, o fusível irá automaticamente atuar bloqueando a conexão até que o curto ou sobrecarga seja removido. Especificações do Arduino micro: Microcontrolador ATmega32U4 Tensão de operação 5V Tensão de entrada (recomendado) 7-12V Tensão de entrada (limite) 6-20V Pinos Digital I/O 20 Canais PWM 7 Canais de entrada analógica 12 Corrente DC por pino I/O 20 ma Corrente DC por pino 3.3V 50 ma Memória Flash 32 KB (ATmega32U4) sendo 4 KB usados pelo bootloader SRAM 2.5 KB (ATmega32U4) EEPROM 1 KB (ATmega32U4) Velocidade de Clock 16 MHz Comprimento 48 mm Largura 18 mm

21 Peso 13 g Display de LCD O display de LCD utilizado neste projeto é o clássico e conhecido display de 16 colunas e 2 linhas (16 2), com o controlador Hitachi HD44780 ou compatível. Os pinos de interface com este display estão descritos na tabela abaixo. Tabela pinos LCD O controlador Hitachi HD44780 é limitado a indicação monocromática de textos no display. Muito utilizado em equipamentos como copiadoras, máquinas de fax, impressoras a laser, equipamentos de teste industriais, equipamentos de rede e muito mais. Estes displays de LCD são fabricados em diferentes configurações padrões. Os formatos mais comuns são 8 1, 16 2, 20 2 e 20 4.

22 Antes que o display possa exibir caracteres em sua tela, é necessário um procedimento de inicialização. Para isto uma rotina deve ser criada para, resumidamente, fazer as seguintes operações: 1. Esperar 15ms para que o display tenha sua energização garantida; 2. Enviar o código 0x30 e esperar pelo menos 5ms; 3. Repetir a operação anterior outras duas vezes; 4. Enviar um código indicando se a transmissão é de 8 ou 4 bits e o tipo de mapa de caracteres que será usado. Este mapa de caracteres é armazenado em sua memória local. Esperar por 40us. 5. Enviar o comando para limpar a tela e posicionar o cursor na primeira linha da primeira coluna e aguardar por 1,8ms; 6. Várias outras operações acontecem como o envio de comando de deslocamento automático do cursor. O display tem uma série de comandos de controle que podem ser consultados no datasheet do mesmo. Dois modos de transmissão de dados são aceitos por este display, sendo o de 4 e 8 bits de dados. O modo em 4 bits trabalha transmitindo os 4 bits de ordem mais alta (D4 a D7) e os 4 bits restantes são transmitidos logo em seguida (D0 a D3). Somente as linhas de dados de DB4 a DB7 (Pinos 11, 12, 13 e 14) são utilizados, ficando os pinos de DB0 a DB3 inoperantes.

23 No modo de transmissão em 8 bits, todas as linhas de dados (D0 a D7) são utilizadas e os 8 bits são transmitidos de uma só vez. Avaliando os dois modos de transmissão para o display, o segundo (8 bits) apresenta uma maior velocidade de envio das

24 informações ao display comparado ao modo em 4 bits, porém para as aplicações embarcadas onde o número de portas do microcontrolador ou processador é um fator crítico, o modo em 4 bits atende os requisitos de atualização de transmissão dos dados para o display. Uma descrição detalhada do funcionamento do display, bem como os sinais necessários para transmissão de dados ou leitura do display estão disponíveis no datasheet do fabricante. Esquema de Ligação O esquema de ligação entre o Arduino Micro, Display de LCD e o sensor de luminosidade está ilustrado abaixo. Uma atenção redobrada deve ser dada a alimentação do sensor de luminosidade em 3,3V e para o display de LCD em 5 V.

25 Esquema ligação completo A montagem em uma protoboard também é ilustrado na imagem subsequente. Imagem protoboard montada O algoritmo utilizado nesta aplicação está descrito abaixo, inclusive com comentários detalhados linha a linha de toda a lógica, assim o leitor poderá entender a função de cada linha deste código. [crayon-59e4376b36fde /] A imagem abaixo ilustra a aplicação sendo alimentada por uma bateria de 6V (Limiar mínimo de alimentação por bateria para que o conversor de 3V3 possa funcionar corretamente). Seu consumo, medido com um multímetro da marca Fluke, configurado para medir corrente, indicou um valor de 41 ma.

26 Consumo de carga da bateria Conclusão Com este simples projeto realizamos a integração entre o sensor de luminosidade, o Arduino Micro e o display de LCD. Podemos, a partir deste momento, medir o nível de iluminação dos ambientes ao nosso redor, com uma precisão considerável, e sabermos se está ou não atingindo as normas para luminotécnica. Um cartão de memória também pode ser acrescentado nesta aplicação para armazenar os valores coletados pelo sensor, referentes a iluminação ambiente e, juntamente com um RTC (Relógio de Tempo Real), elaborar o perfil de luminosidade em uma dada localidade de acordo com a hora e data da análise.