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4. Up-Down Counter

Interrupts - was tun bei Unterbrechungen?

Ziele

Nach dieser Lektion sollten Sie:

  1. wissen, wie eine Interrupt genutzt wird

Video

Übung

I. Vorarbeiten
  1. Laden Sie folgende Datei herunter:
    1. 4_up_down_counter.simu
    2. 4_up-down-counter.hex
    3. lcd_lib_de.h
II. Analyse des fertigen Programms
  1. Initialisieren des Programms
    1. Öffnen Sie SimulIDE und öffnen Sie dort mittels simulide_open.jpg die Datei 4_up_down_counter.simu
    2. Laden Sie 4_up-down-counter.hex als firmware auf den 328 Chip
    3. Zunächst wird eine Startanzeige mit dem Namen des Programms dargestellt.
    4. Als nächstes ist ein Displaybild zu sehen, in dem die Wirkung der verschiedenen Schalter in der zweiten Zeile zu sehen ist:
      1. Schalter 1 setzt den Zähler auf 0000 zurück.
      2. Schalter 2 zählt den Zähler um 1 herauf.
      3. Schalter 3 zählt den Zähler um 1 herab.
  2. Prüfen Sie wann genau der Zähler auf- bzw. abzählt? Geschieht dies beim Schließen oder öffnen des Schalters?
  3. Das Programm zu diesem Hexfile soll nun erstellt werden
III. Eingabe in Atmel Studio 

/*=============================================================================

Experiment 4:	Up-Down-Counter
=============	===============

Dateiname:		Up-Down-Counter_de.c

Autoren:		Peter Blinzinger
				Marc Neumeister
				Prof. G. Gruhler (Hochschule Heilbronn)
				D. Chilachava	 (Georgische Technische Universitaet)

Version:		1.2 vom 01.05.2020

Hardware:		MEXLE2020 Ver. 1.0 oder höher
				AVR-USB-PROGI Ver. 2.0

Software:		Entwicklungsumgebung: AVR Studio 7.0
				C-Compiler:AVR/GENU C Compiler 5.4.0

Funktion:		Es wird ein 4-stelliger Dezimal-Zaehler (0000..9999) mit 
				Anzeige und Ueber-/ Unterlauf realisiert. Das Aufwaerts- und 
				Abwaertszaehlen wird mit zwei Tasten (S2: +) (S3: -) gesteuert.
				Es werden die Flanken beim Druecken der Tasten ausgewertet. 
				Die Taste S1 dient zum Ruecksetzen des Zaehlers auf 0000.

Displayanzeige:	Start (fuer 2s):		Betrieb:
				+----------------+		+----------------+
				|- Experiment 4 -|		|Up/Down-Counter |
				|Up/Down-Counter |		|RES  +   -  0000|
				+----------------+		+----------------+

Tastenfunktion:	S1:	Reset Counter	(ohne Entprellung)
				S2: (+) Aufwaerts	(mit Entprellung)
				S3: (-) Abwaerts	(mit Entprellung)

Jumperstellung:	keine Auswirkung

Fuses im uC:	CKDIV8: Aus	(keine generelle Vorteilung des Takts)

Header-Files:	lcd_lib_de.h	(Library zur Ansteuerung LCD-Display Ver. 1.3)

=============================================================================*/ 

// Deklarationen ==============================================================

// Festlegung der Quarzfrequenz
#ifndef F_CPU					// optional definieren
#define F_CPU 12288000UL		// MiniMEXLE mit 12,288 MHz Quarz	
#endif								

// Include von Header-Dateien
#include <avr/io.h>				// I/O-Konfiguration (intern weitere Dateien)
#include <stdbool.h> 			// Bibliothek fuer Bit-Variable
#include <avr/interrupt.h>		// Definition von Interrupts
#include <util/delay.h>			// Definition von Delays (Wartezeiten)
#include "lcd_lib_de.h"			// Header-Datei fuer LCD-Anzeige

// Konstanten
#define VORTEILER_WERT 		60	// Faktor Vorteiler = 60 (Timerticks)
#define HUNDERTSTEL_WERT 	10	// Faktor Hundertstel = 10 (1/100 s)
#define ZEHNTEL_WERT	 	10	// Faktor Zehntel = 10 (1/10 s)

// Variable
unsigned char vorteiler 	= VORTEILER_WERT;	// Zaehlvariable Vorteiler
unsigned char hundertstel 	= HUNDERTSTEL_WERT; // Zaehlvariable Hundertstel

int counter = 0000;				// Variable fuer Zaehler

bool timertick;					// Bit-Botschaft alle 0,111ms (bei Interrupt)
bool takt10ms;					// Bit-Botschaft alle 10ms
bool takt100ms;					// Bit-Botschaft alle 100ms

bool sw1_neu = 1;				// Bitspeicher fuer Taste 1
bool sw2_neu = 1;				// Bitspeicher fuer Taste 2
bool sw3_neu = 1;				// Bitspeicher fuer Taste 3

bool sw1_alt = 1;				// alter Wert von Taste 1
bool sw2_alt = 1;				// alter Wert von Taste 2
bool sw3_alt = 1;				// alter Wert von Taste 3

// Makros
#define	SET_BIT(PORT, BIT)	((PORT) |=  (1 << (BIT))) // Port-Bit Setzen
#define CLR_BIT(PORT, BIT)	((PORT) &= ~(1 << (BIT))) // Port-Bit Loeschen
#define TGL_BIT(PORT, BIT) 	((PORT) ^=  (1 << (BIT))) // Port-Bit Toggeln

// Funktionsprototypen
void initTaster(void);			// Taster initialisieren
void initDisplay(void);			// Initialisierung des Displays
void counterCounting(void);		// Zaehlfunktion
void counterDisplay(void);		// Anzeigefunktion

// Hauptprogramm ==============================================================
int main()
{
	initTaster();				// Taster initialisieren
	initDisplay();				// Initialisierung LCD-Anzeige

	TCCR0A = 0;					// Timer 0 auf "Normal Mode" schalten
	TCCR0B |= (1<<CS01);		// mit Prescaler /8 betreiben
	TIMSK0 |= (1<<TOIE0);		// Overflow-Interrupt aktivieren

	sei();						// generell Interrupts einschalten

	while(1)					// unendliche Warteschleife mit Aufruf der
								// Funktionen abhaengig von Taktbotschaften
	{
		if (takt10ms)			// alle 10ms:
		{
			takt10ms = 0;		//		Botschaft "10ms" loeschen
			counterCounting();	//		Tasten abfragen, Zaehlfunktion

		}
		if (takt100ms)			// alle 100ms: 
		{
			takt100ms = 0;		//		Botschaft "100ms" loeschen
			counterDisplay();	//		Zaehlerstand auf Anzeige ausgeben
		}
	}
	return 0;
}

// Interrupt-Routine ==========================================================
ISR (TIMER0_OVF_vect)
/* In der Interrupt-Routine sind die Softwareteiler für die Taktbotschaften 
   (10ms, 100ms) realisiert. Die Interrupts stammen von Timer 0 (Interrupt 1)

   Verwendete Variable:	vorteiler
						hunderstel

   Ausgangsvariable:	takt10ms
						takt100ms
*/
{
	timertick = 1;					// Botschaft 0,166ms senden
	--vorteiler;					// Vorteiler dekrementieren
	if (vorteiler==0)				// wenn 0 erreicht: 10ms abgelaufen
	{
		vorteiler = VORTEILER_WERT;	//    Vorteiler auf Startwert
		takt10ms = 1;				//    Botschaft 10ms senden
		--hundertstel;				//    Hunderstelzähler dekrementieren

		if (hundertstel==0)			// wenn 0 erreicht: 100ms abgelaufen
		{
			hundertstel = HUNDERTSTEL_WERT; // Teiler auf Startwert
			takt100ms = 1;			//    Botschaft 100ms senden
		}
	}
}

// Taster initialisieren =======================================================
void initTaster(void)
{
	DDRB = DDRB & 0xE1;				// Port B auf Eingabe schalten
	PORTB |= 0x1E;					// Pullup-Rs eingeschaltet
	_delay_us(10);					// Wartezeit Umstellung Hardware-Signal
}

// Zaehlfunktion ==============================================================
void counterCounting(void)
{
	// Einlesen der 3 Tastensignale
	sw1_neu = (PINB & (1 << PB1));	// aktuelle Werte der Tasten 1-3 lesen
	sw2_neu = (PINB & (1 << PB2));
	sw3_neu = (PINB & (1 << PB3));

	// Auswertung der 3 Tasten

	if (sw1_neu==0)					// solange Taste 1 gedrueckt: 
		counter = 0000;				// 	  Counter auf 0000 setzen

	if ((sw2_neu==0)&(sw2_alt==1))	// wenn Taste 2 eben gedrueckt wurde:
	{
		counter++;					//    Counter hochzaehlen, Ueberlauf >9999
		if (counter==10000)
			counter = 0000;
	}
	if ((sw3_neu==0)&(sw3_alt==1))	// wenn Taste 3 eben gedrueckt wurde:
	{
		counter--;					//    Counter herabzaehlen, Unterlauf <0000
		if (counter<0000)
			counter = 9999;			//    auf 9999 setzen
	}

	// Zwischenspeichern aktuelle Tastenwerte

	sw1_alt = sw1_neu;				// aktuelle Tastenwerte umspeichern
	sw2_alt = sw2_neu;				//    in Variable für alte Werte
	sw3_alt = sw3_neu;
}

// Anzeige Zaehler ============================================================
void counterDisplay(void)
{
	int temp;					// lokale temporaere Variable
	
	lcd_gotoxy(1,12);			// Cursor auf Ausgabeposition im Display
	
	temp = counter;
	lcd_putc(temp/1000+0x30);	// Ausgabe Tausender als ASCII-Wert

	temp = temp%1000;			// Divisionrest = Hunderter + Zehner + Einer 
	lcd_putc(temp/100+0x30);	// Ausgabe Hunderter als ASCII-Wert

	temp = temp%100;			// Divisionsrest = Zehner + Einer
	lcd_putc(temp/10+0x30);		// Ausgabe Zehner als ASCII-Wert
	lcd_putc(temp%10+0x30);		// Ausgabe Einer als ASCII-Wert
}

// Initialisierung Display-Anzeige ============================================
void initDisplay()				// Start der Funktion
{
	lcd_init();					// Initialisierungsroutine aus der lcd_lib
					
	lcd_gotoxy(0,0);		       	// Cursor auf 1. Zeile, 1. Zeichen
	lcd_putstr("- Experiment 4 -"); // Ausgabe Festtext: 16 Zeichen

	lcd_gotoxy(1,0);		       	// Cursor auf 2. Zeile, 1. Zeichen
	lcd_putstr("Up/Down-Counter ");	// Ausgabe Festtext: 16 Zeichen

	_delay_ms(2000);			// Wartezeit nach Initialisierung

	lcd_gotoxy(0,0);		       	// Cursor auf 1. Zeile, 1. Zeichen
	lcd_putstr("Up/Down-Counter "); // Ausgabe Festtext: 16 Zeichen

	lcd_gotoxy(1,0);		       	// Cursor auf 2. Zeile, 1. Zeichen
	lcd_putstr("RES  +   -  0000");	// Ausgabe Festtext: 16 Zeichen
}								// Ende der Funktion

/*=============================================================================

Ändern Sie auch hier wieder die Beschreibung am Anfang des C-Files, je nachdem was Sie entwickeln
































Deklarationen ===================================

  1. Hier wird wieder geprüft ob die Frequenz des Quarz bereits eingestellt wurde und - falls nicht - dessen Frequenz eingestellt.

  2. Bei den Header-Dateien wird zusätzlich dieinterrupt.h inkludiert. Damit können „Interrupt Service Routinen“ - also Unterprogramme für Unterbrechungen - definiert werden.
  3. Als Konstanten werden VORTEILER_WERT, HUNDERTSTEL_WERT und ZEHNTEL_WERT definiert. Diese sind notwendig, um von der Periode des Interrupts auf die Hunderstelsekunde und Zentelsekunde zu kommen (siehe ISR (TIMER0_OVF_vect))
  4. Auch die Variablen vorteiler und hundertstel sind für die Umrechnung des Interrupts auf längere Perioden wichtig.
  5. In counter wird die eigentliche, auf- bzw. absteigende Zahl gespeichert.

    Aufgabe

    Welchen Wertebereich hat int?

  6. timertick, takt10ms, takt100ms sind Bit-Botschaften (auch Flag genannt). Diese Boolewerte geben bescheid, ob die Interrupt Service Routine aufgerufen wurde (timertick), oder ob 10ms oder 100ms abgelaufen ist.

  7. Wird die Taste S1 gedrückt, so wird sw1_neu gesetzt. sw1_alt entspricht dem vorherigen Wert. Gleiches gibt es für die anderen Taster.


  8. Die Makros wurden bereits erklärt



  9. Die Funktionsprototypen zeigen wieder die kommenden Unterprogramme an

Hauptprogramm =========================

  1. Zunächst werden zwei Initialisierungsroutinen aufgerufen (siehe weiter unten)
  2. Dann werden die „Timer/Counter Control Register“ des Timers 0 TCCR0A und TCCR0B gesetzt. Im verwendeten „Normal Mode“ zählt der ein Timer (=Zählerbaustein) im Microprozessor hoch. Die entspricht etwa dem a=a+1 im C Code, nur, dass der Microprozessor dafür keinen Code ausführen muss. Das Register TCCR0B gibt mit dem Prescaler an, dass das Hochzählen um ein nur alle 8 Prozessortakte erfolgen soll. Der verwendete Timer 0 ist ein 8-Bit Timer. Er zählt also von 0 bis 255, läuft dann über und beginnt wieder bei 0.
  3. TIMSK0 ist die „Timer Interrupt MaSK“ des Timers 0. Damit kann angegeben werden, ob und wenn ja, welcher Interrupt ausgelöst werden soll. Timer kann damit so konfiguriert werden, dass er keinen Interrupt auslöst, oder einen Interrupt bei einem bestimmten Wert auslöst, oder einen Interrupt beim Überlauf auslöst.
    Mit dem Bit TOIE0 wird der Interrupt bei Überlauf aktiviert (vgl. ATmegaX8 Datenblatt (Kap. 15.9.6) oder ATmega328 Datasheet (Kap. 14.9.6)).
  4. erst mit dem Befehl sei() wird die Bearbeitung von Interrupts aktiv
  5. in der Endlosschleife sind zwei if-Befehle zu finden, welche über Flags prüfen, ob $10ms$ oder $100ms$ abgelaufen sind. Wenn ja, wird als erstes das Flag zurückgesetzt und dann die gewünschte Unterfunktion aufgerufen.
  6. Die Abfrage der Tasten soll entprellt geschehen. Das ist durch das Abtasten / Einlesen des Signals alle $10ms$ möglich.
  7. Für die Textanzeige ist eine keine ruckelfreie Darstellung notwendig. Damit kann für die Darstellung der Wert von $30 Hz$ unterschritten werden, über dem ein Bild als flüssig animiert war genommen wird. Eine Anzeige alle $100ms$ ist also ausreichend

Interrupt Routine =========================

  1. Mit dem Befehl ISR() wird eine Interrupt Service Routine angelegt. Das verwendete TIMER0_OVF_vect spezifiziert den gewünschten Interrupt, hier den OVerFlow Interrupt für TIMER0.
  2. Der Überlauf-Interrupt durch den Timer0 wird erst bei Überlauf des 8-Bit Wert ausgeführt. Das entspricht alle $t_{ISR}=\frac{256 \cdot Prescaler}{f_{Quarz}} = \frac{256 \cdot 8}{12'288'000 Hz} = 0,16\bar{6}ms$.
  3. Als erstes wird beim Ausführen die boole-Variable tick gesetzt. Diese gibt an: ISR wurde aufgerufen.
  4. Die Variable vorteiler ist auch ein Zähler, welcher mit jedem Aufruf von ISR heruntergezählt wird. Mit vorteiler = VORTEILER_WERT als Ausgangswert (Zeile 65) zählt vorteiler von 60 herunter. Da ISR alle $0,16\bar{6}ms$ aufgerufen wird, wird vorteiler alle $60\cdot0,16\bar{6}ms=10ms$ gleich 0.
  5. Wenn vorteiler 0 erreicht wird die Variable wieder auf den Startwert zurückgesetzt und der das Flag für das Erreichen der $10ms$ gesetzt. Um auch $10\cdot10ms$ abzählen zu können, muss nach $10ms$ hundertstel auch herunter gezählt werden.
  6. Erreicht hundertstel den Wert 0, so wird auch diese Variable auf 0 und ebenso das Flag für das erreichen von $100ms$ zurückgesetzt
  7. Mit dieser Methode erzeugt der Interrupt nur 3 Flags, die anderweitig ausgelesen werden können, z.B. in main(). Die ISR bleibt also sehr schlank. Wäre in der ISR() viel Code auszuführen, so würde der Prozessor zwischen zwei Interrupts kaum noch Zeit haben, um sich dem unterbrochenen Programm zu widmen.

Taster initialisieren ==============

  1. Das Einstellen des Data Direction Registers und der Pullups wurde bereits in vorherigen Programmen erklärt.

Zaehlfunktion ==============

  1. Zunächst werden die einzelnen Tastenstellungen mittels verUNDen einer Bitmaske für den jeweiligen Taster aus PINB in die Variable ausgelesen.

  2. Für die Reaktion auf einen Tastendruck gibt es nun zwei Varianten:
    a. immer wenn erkannt wird, dass die Taste gedrückt ist (der Schalter geschlossen ist), wird reagiert. \\b. nur beim Wechsel von 'Taster nicht gedrückt' zu 'Taster gedrückt' (Flanke von 0 auf 1) wird reagiert.
    Das Zurücksetzen auf 0 soll immer ausgelöst werden; entsprechend wird hier Variante a. gewählt. Der Zähler soll nur zu dem Zeitpunkt Herauf-/Herunterzählen, wenn der Schalter gerade geschlossen wurde; entsprechend wird hier Variante b. gewählt.
  3. Im Falle das Heraufzählens, ist ein Überlauf bei 10000 vorhanden. Im Falle des Herunterzählens, gibt es einen Unterlauf für werte kleiner als 0 - dann wird auf 9999 gesprungen.



  4. Zum Ende dieser Funktion müssen die Schalterstellungen in die Variablen sw1_alt bis sw3_alt gespeichert werden. Damit kann beim nächsten Aufruf die Flankendetektion stattfinden.

Anzeige Zaehler =========================

  1. In initDisplay wird wieder zunächst das Display initialisiert und die Startanzeige mit dem Namen des Programms angezeigt. Nach 2 Sekunden werden dann die booleschen Funktionen auf dem Display dargestellt. Dort sind die Ergebnisse für nicht gedrückte Schalter vorgegeben.


  2. Funktion initTaster
    1. Durch die Änderung des Datenrichtungs-Register (DDR) wird die Richtung der Anschlüsse vorgegeben. Diese beiden Anschlüsse sind in der Simulide Umgebung an die Schalter S1 und S2 angeschlossen. Durch die UND-Verknüpfung mit der Maske 0b11111001 werden die Anschlüsse B0 und B3..B7 nicht geändert, sondern nur die Anschlüsse B1 und B2 auf Eingang gesetzt.
    2. Mit der Zuweisung von PORTB wurde bisher bei Ausgängen der Ausgabewert vorgegeben. Bei Eingängen wird über diese Zuweisung ein Pullup-Widerstand dazugeschalten. Damit ergibt sich aus dem äußeren Schalter und dem internen Widerstand ein Spannungsteiler. Bei leitfähigem Schalter gibt der Spannungsteiler $0V$ (=logisch $0$) zum Microcontroller aus, bei offenem Schalter $5V$ (=logisch $1$).



  3. Funktion readButtons liest aus dem Register PINB das dem Schalter entsprechende Bit aus. Als Eselsbrücke: PIN steht für Input, PORT für Output.
IV. Ausführung in Simulide
  1. Geben Sie die oben dargestellten Codezeilen nacheinander ein und kompilieren Sie den Code.
  2. Öffnen Sie Ihre hex-Datei in SimulIDE und testen Sie, ob diese die gleiche Ausgabe erzeugt


Bitte arbeiten Sie folgende Aufgaben durch:

Aufgaben
  1. Erweiterung der Schalteranzahl:
    1. Fügen Sie zwei weitere Tasten mit Verbindung zu Masse und jeweils den Eingängen B3 und B4 ein - analog zu den vorhandenen Schaltern.
    2. Klicken Sie rechts auf den Schalter und wählen Sie im Kontextmenu Properties. links sollten nun die Eigenschaften des Schalters sichtbar sein. geben Sie als id S3 bzw. S4 ein und wählen Sie bei Show id true. Der Name des Schalters sollte nun sichtbar sein.
    3. Ändern Sie den Code so, dass diese Schalter eingelesen werden können. Dazu sollten die Funktionen initTaster, readButton und main angepasst werden.
    4. Als ersten Test sollten die booleschen Funktionen statt den Schaltern S1 und S2 die Schalter S3 und S4 als Eingangswerte haben. Testen Sie diese Änderung.
    5. Im nächsten Programm sollen alle Schalter S1…S4 die Eingangswerte darstellen. Es sollen nun alle alle Eingagen per Schalter S1…S4in die verschiedenen booleschen Funktionen eingehen. Also bei z.B. aus $S1\&S2$ wird $S1\&S2\&S3\&S4$. Überlegen Sie sich wie bei XOR vorzugehen ist.