Da die Frequenz für einige Anwendungen nicht genau genug ,oder zu niedrig ist, kann die Standard Frequenz durch einen extern angeschlossenen Quarz
in Höhe und Genauigkeit angepasst werden.
Wie kann man nun feststellen ob es wirklich 1 MHz ist ?
Im einfachsten Fall erzeugen wir eine Programmschleife in der nur eine Led an und wieder ausgeschaltet wird.
Um eine Programmzeile ab zu arbeiten werden immer je zwei Takte benötigt, in unserem Fall also 6 Takte für insgesamt 3 Programmzeilen.
Messe ich nun mit einem Oszilloskop die Frequenz an der Led, komme ich auf ca. 167,8 KHz.
Wenn ich diesen gemessenen Wert nun mal nehme mit der Anzahl der benötigten Takte komme ich auf einer Oszillator Frequenz von 1,006800 MHz.
| Programmzeile |
Anzahl der Takte |
| do |
|
| portb1=1 |
2 Takte |
| portb.1=0 |
2 Takte |
| loop | 2 Takte |
dies kann man mit diversen Tools,in meinen Fall mit dem Programmiertool MYAVR machen.
Zuerst werden einmal die Standardeinstellungen ausgelesen:(Alte FuseBit)
Die markierte Stelle zeigt das die Default ( Standard) Einstellung bei 1 MHz liegt, außerdem werden noch andere
Werte angezeigt die das Startverhalten beeinflussen, so die Start-Up time, was etwas mit dem Einschwingverhalten
beim Einschalten der Schaltung zu tun hat was ich aber hier nicht weiter erläutern möchte.
Um beispielsweise die Oszillator Frequenz auf 2 MHz zu erhöhen, wählen wir die passenden Zeile aus und aktivieren diese,
um dann anschließend diese neue Einstellung im Atmega ab zu speichern.
ca. 330,595 Khz, die wir wieder mit den benötigten Taktzyklen, sechs an der Zahl multiplizieren.
So weil kommen wir auf einer Frequenz von 1,983570 MHz.
Wir erkennen also das diese Frequenz nicht sehr genau ist .
Bei vielen Anwendungen mag es aber eine nicht so bedeutende Rolle spielen so das die Lösung für viele Anwendungen akzeptable ist.
Diese Schnittstelle ist eine sogenannte asynchrone Schnittstelle, was bedeutet das die Daten beim Übertragen nicht mittels eines Synchronisierungs Signal übertragen wird.
Dadurch wird eine Synchronisierungsleitung eingespart, und die Schnittstelle benötigt nur noch 3 Leitungen.
Eine Sende, eine Empfangsleitung und eine Masseleitung.
Eine fehlerfreie Übertragung setzt dann aber voraus das Sender und Empänger eine nahezu identische Geschwindigkeit nutzen.
Diese Geschwindigkeit ist in der Hauptsache abhängig vom Systemtakt und von der Länge des Datenworts.
Die Daten sollen mit der gebräuchlichen Bezeichnung von 8N1( 8 Datenbits + 1 Stop Bit) übertragen werden.
Aus der Bezeichnung ist aber nicht ersichtlich das für 8 Datenbits auch noch ein Startbit hinzukommt
Diese kompletten Daten ( 1 Start, 8 Datenbits , 1 Stopbit )nennt man auch Frame.
Somit besteht ein Farme aus 10 Bit.
Und je nach Übetragungsprotokoll kommen noch weiter Daten hinzu, z.B Cheksummen, oder Fehlerkorekturen usw.
Um also Daten mit 9600 Baud zu übetrragen wird eine Spezielle Oszillator Frequenz bevorzugt um die Fehler bei der Übetragung gering zu halten.
In der Regel sind das aber keine gerade Frequenzen wie sie mit dem internen RC Glied des Atmegas eingestellt werden können.
Es biete sich also an einen externen Quarz an zu schließen weil es diese Quarze auch mit ungeraden Frequenzen gibt, die für eine Serielle Datenübetragen angepasst sind.
Für eine Übertragung mit 9600 Baud bieten sich folgende Quarze an:
| Quarzfrequenz |
Fehlerquote % |
| 2,4576 |
0 |
| 3,6864 |
0 |
| 4,433619 |
0 |
| 7,3728 |
0 |
| 8,0000 |
0,2 |
| 9,216 |
0 |
Die hier veröffentlichen Informationen
betreffen den Atmega 32 sind bis auf wenige Einschränkungen auch auf
Atmega 8 und Atmega 16 Mikroprozessoren anzuwenden.
Der Atmega erzeugt standardmäßig intern eine Frequenz von 8 MHz
die aber durch Teiler auf 1 MHz heruntergeteilt werden, und dann als
Systemtakt dienen.
Damit der Atmega nicht nur im Standard
Modus mit der ihm vorgegeben Taktfrequenz von 1 MHz arbeitet , was in
den allermeisten Fällen aber durchaus ausreichend sein wird,
haben wir
die Möglichkeit das Teilerverhältnis zu verändern und so die
Taktfrequenz in vorgegebenen Grenzen anzupassen.
Mögliche Frequenzen
sind noch 2 MHz - 4 MHz- und 8MHz.
Die interne Frequenz wird über ein RC Glied hergestellt, womit die
Genauigkeit und der Gleichlauf der Frequenz bestimmte Grenzen gesetzt
werden.
Wenn wir eine höhere Genauigkeit erreichen wollen , sind wir besser
bedient einen externen Quarz als Frequenz bestimmendes Glied zu
benutzen.
Es könnte beispielsweise von Relevanz sein wenn wir eine Uhr
Programmieren oder andere Zeitkritischen Aufgaben erledigen wollen.
Also schließen wir einen externen Quarz zwischen beim Atmega 32 Pin
12 und Pin 13 an und , beim Atmega 8 Pin 9 und Pin 10 und legen beide
Seiten des Quarzes mit einen Kondensator von 22 pf
nach Masse ,dabei
sollten die Kondensatoren möglich gleich sein.
Die Kapazität darf laut Datenblatt zwischen 12 und 22 pf liegen.
Der
Quarz hat zu einem den Vorteil dass der Atmega mit einer höheren
Taktfrequenz bis zu 16 MHz je nach verwendeten Quarz arbeitet und
zum anderen mit einer erheblich höheren Genauigkeit
taktet, allerdings
haben wir den Nachteil das mit ansteigender Geschwindigkeit auch die
Stromaufnahme des Atmega zunimmt.
Wenn also ein Gerät auf
Batteriebetrieb laufen sollte, und es nicht auf Geschwindigkeit
ankommt, sollte man mit der Standard Frequenz von 1 MHz arbeiten.
Angeschlossen über zwei Jumper zum besseren Experimentieren, somit kann ohne großen Aufwand wieder auf die Interne Taktquelle zurück gegriffen werden.
Hier soll nun näher auf die Funktion dieser Bits und deren Handhabung eingegangen werden, da unbedachte Veränderungen der Fuses und Locks unerwünschte Auswirkungen haben können
und im schlimmsten Fall der Atmega danach nicht mehr ansteuerbar ist sollte man vorsichtig mit dieser Einstellung umgehen.
Mit den Fusebits teile ich dem Atmega unter anderen mit das er mit einen externen Quarz arbeiten soll.
Zuerst sollte man erst einmal die
Fuse-Bits auslesen um bei einen evtl später auftretenden Problem wieder
die ursprünglichen Werte einstellen zu können.
Um
die Fusebits auszulesen starten wir beispielsweise das Programm Ponyprg
um dann unter dem Menübefehl " Befehl / Security and Configuration Bits.
die bestehenden Fusebiteinstellungen auszulesen, indem wir auf dem " Read" Button klicken.
angeschlossenen Quarz, daran erkennt man das sich ingesamt 5 Bits geändert haben.
der Taktfrequenz (bis 8 MHz reicht der interne Oszillator).
Die Parameter werden aktuell aus dem angeschlossenen Prozessor gelesen und können dann verändert werden; sie haben also keinerlei Zusammenhang mit dem geschriebenen Programm und werden auch nicht mit dem Code
gespeichert.
Man sollte sie nur anfassen, wenn man wirklich weiß, was man tut, da das Verändern dieser Bits leicht dazu führen kann dass man sich aus dem Chip aussperrt.
Fusebits sind Konfigurationsbits des Chips, die bei der Auslieferung teilweise schon gesetzt sind.
Hier lässt sich zum Beispiel die externe Taktfrequenz einstellen. Lockbits werden gesetzt, wenn die Software fehlerfrei funktioniert und der Mikrochip, für welche Aufgabe auch immer,
freigegeben wird.
Es ist dann möglich, die Lockbits so zu setzen, dass niemand mehr auf den Code zugreifen kann.
bei anderen Programmen ist es teilweise umgekehrt.
Lockbit Mode
Wird LB2 gesetzt (0), dann ist es nicht mehr möglich den Chip zu programmieren.
Werden beide Bits gesetzt, dann kann auf den Mikrocontroller nicht mehr schreibend zugegriffen
In der Voreinstellung ist dieses Fusebit nicht gesetzt, also 1. Es muss aktiviert werden, wenn über
die JTAG Schnittstelle debugged werden soll.
Die JTAG-Schnittstelle belegt 4 Bits des Mikrocontrollers (Atmega 16) (TDI/PC5, TDO/PC4, TMS/PC3,
TCK/PC2). Benötigt man keine JTAG-Schnittstelle, da man zum Beispiel den Mikrocontroller nicht
debuggen will, deaktiviert man JTAGEN und hat dann am Chip 4 zusätzliche I/O-Pins zur Verfügung.
In der Voreinstellung ist dieses Fusebit gesetzt
Wird dieses Fusebit auf 1 gesetzt (deaktiviert) dann lässt sich der Chip nicht mehr über den ISP
programmieren sondern nur noch über einen Adapter der den Mikrocontroller nicht seriell sondern
parallel programmiert (z.B. ATMEL STK500).
Dieses Bit kann unter AVR Studio nicht verändert werden, wenn man den Chip seriell mit einem ISP
programmiert.
Wird der Quarz nicht direkt neben dem μC platziert sondern etwas weiter entfernt, dann kann es
sein, dass das Signal der Frequenz zu schwach am Chip ankommt. Tritt dieser Fall auf, kann man
das Signal über dieses Fusebit verstärken, wodurch allerdings der Stromverbrauch erhöht wird.
Laut
Datenblatt kann der Atmega 32 einen Externen Quarz bis zu einer
Taktfrequenz von 16 Mhz verkraften , hier wurde ein 12 Mhz Quarz
eingesetz weil der gerade verfügbar war.
Um den neuen Quarz auch
zu benutzen muss er erst einmal aktiviert werden . Dies geschieht indem
wir im Programm Ponyprg unter dem Menübefehl " Befehl / Security and
Configuration Bits.
"Write" Button wieder abspeichern.
Folgende
Optionen sind für die Art des Taktes ( interner oder externer usw )und
der damit verbundenen Möglichkeiten relevant und im Augenblick von
Interesse,
und auch nur diese sollten zum jetzigen Zeitpunkt
gegebenenfalls verändert werden .
Achtung : Hie sollte man genau
wissen was man macht, sonst kann es sein das man sich selber aus dem
Mikroprozessor aussperrt. Und Keinen Zugang mehr zu ihm hat.
1. CKOPT ( wird beim internen Takt nicht verwendet)
2. CKSEL3
3. CKSEL2
4. CKSEL1
5. CKSEL0
Folgende Tabelle zeigt die Takt-Optionen an die beim Atmega 32 im Programm Ponyprg angezeigt und verändert werden können.
Wie im oberen Bild ( Configuration and Security bits) dargestellt kann
man die Werte aus der Tabelle unterhalb entnehmen und sie eintragen ,
und durch anschließendes (Write) neu im Atmega 32 brennen.
Die in der
Tabelle dargestellten X entsprechen einen Haken in der
Configuration.
Die neu gebrannten Optionen werden allerdings erst nach
einem Reset bzw Aus und wieder Einschalten des Atmega aktiv.
Der Kalibrierte interne RC-Oscillator hat fest eingestellte
Taktfrequenzen die über folgende Optionen eingestellt werden können .
Die Frequenzangaben beruhen auf einer Betriebsspannung von 5 Volt und
einer Temperatur von 25° und haben eine Genauigkeit von plus-minus 3 %
Option |
CKOPT | CKSEL3 | CKSEL2 | CKSEL1 | CKSEL0 |
| 1 Mhz interner RC Oscillator ( Standard bei Fabrikauslieferung) | X | X | X | ||
| 2 Mhz interer RC Oscillator | X | X | X | ||
| 4 Mhz interner RC Oscillator | X | X | |||
| 8 Mhz interner RC Sozialster | X | X | X | ||
| Externer Quarz 0,4 bis 0,9 Mhz | X | ||||
| Externer Quarz 0,9 bis 3 Mhz | X | ||||
| Externer Quarz 3 bis 8 Mhz | |||||
Die
rechts dargestellten Einstellungen führen dazu, dass ein Quarz von 8
MHz angeschlossen sein muss, weil der interne Takt abgeschaltet wird.
Sollte aber kein Quarz angeschlossen sein , verweigert derAtmega nach
dem Brennen seine Dienste, weil er ohne Takt nicht mehr leben kann.
Aber
aufgepasst, hier sollte man genau wissen was zu tuen ist, denn bei
einer falschen Einstellung kann man sich selber aussperren, so das der
Atmega so ohne weiters nicht mehr zu Programmieren ist.
Wenn man in den
Einstellungen für die Taktrate etwa den falschen Takt angibt, hat man
möglicherweise keinen Zugriff mehr , weil der Takt des Prozessors nicht
mehr vorhanden ist.
Man hat allerdings
noch die Möglichkeit durch einen von außen angelegten Takt wieder
Zugriff auf den Atmega 32 ( gilt auch für alle anderen Atmega's) zu
bekommen.
Dazu muss man allerdings den schon angeschlossenen Quarz
entfernen und dann ein externen Takt erzeugen und an Pin 13 und
Masse anlegen.
Aber Achtung die Spannung des Taktes darf die der Prozessor Betriebsspannung nicht übersteigen.
damit war ich in der lage wieder Zugriff auf den Atmega 32 zu gelangen, und auch wieder die Fusebits einstellen zu können.
Die Höhe des Taktes sollte bei einem Versuch selber herausgefunden werden, ich habe es einmal mit 200 KHz , aber auch auch einmal mit 270 KHz erfolgreich ändern können.
Bei einem Atmega 8 hab ich das gleiche gemacht indem ich einen Taktgenerator TTL Ausgang , also max. 5 Volt mit 276 KHz mit Plus auf Pin 9 und Minus auf Pin 10 gelegt habe
Nach ändern der Taktfrequenz durch einen Quarz oder durch den internen Takt , und anschließender Änderung der Fusebit's, kann ich anhand der sich jetzt schneller oder
verlangsamender blinkenden Led festellen das sich in der Geschwindigkeit etwas geändert hat.
Diese Änderung wird man aber nicht mehr erkennen können wenn wir die Anweisung $chrystal im Bascom Programm der neuen Quarzfrequenz angepasst haben.
das man die Fusebit Einstellungen noch ändert bevor man den Quarz abgeklemmt. Sonst hat man keinen Zugang mehr zum Prozessor.
Die
Übetragungsgeschwindigkeit über die RS232 Schnittstelle ist abhängig
von der Tacktfrequenz, also nicht vergessen , wenn die Taktfrequenz
geändert wird muss auch zwangsläufig die Baudrate ,
also die
Übertragungsgeschwindigkeit der RS232 Schnittstelle angepasst werden.
Dies muss man nicht unbedingt berechnen können, es reicht wenn man
einige Baudrate einfach ausprobiert.
Bei einem 8 Mhz Quarz funktioniert
z.B. die Baudrate von 9600, und bei einer 1 Mhz Frequenz z.b. 2400.
