Uso del comparador analógico en ATMEGA16

En esta entrada de Blog, mostraré un ejemplo ilustrativo del uso del comparador analógico de un microcontrolador AVR. La implementación se realiza en un microcontrolador ATMEGA16. En dicho ejemplo se usará el comparador para estimar la frecuencia de una señal sinusoidal.

Funcionamiento de comparador

El comparador análogo compara los valores de entrada en el pin positivo AIN0, y en el pin negativo AIN1. Cuando el voltaje en el pin positivo es mayor que el voltaje en el pin negativo, se activa la bandera del comparador análogo. Adicionalmente, se puede usar la salida de comparador análogo para activar la captura de eventos de la unidad Timer1 y también para activar interrupciones por flanco de subida, bajada o conmutación de la salida del comparador.

Por otra parte, es posible seleccionar cualquiera de los pines de las entradas analógicas (ADC7:0) para reemplazar la entrada negativa del comparador análogo. Así, se puede multiplexar la comparación de varias señales, conectadas a diferentes pines del microcontrolador. Para este caso, se hace uso del multiplexor del convertidor análogo/digital, y por tal motivo, éste se debe apagar mientras se realiza la multiplexación del comparador. Si el bit de habilitación de multiplexación del comparador análogo se encuentra activado (ACME=`1'), y el ADC se encuentra deshabilitado (ADEN=`0'), entonces los bits MUX2:0 en el registro ADMUX controlarán el pin de entrada que reemplazará la entrada negativa del comparador.

Ejemplo

Diseñar un programa que permita medir la frecuencia de una señal sinusoidal entre 0 y 5V, haciendo uso del comparador análogo y el módulo de captura del Timer1. La visualización del resultado debe realizarse en un arreglo de 4 displays de 7 segmentos.

Código solución

  1 // Dispositivo = ATMEGA16
  2 // Fclk = 1.0MHz
  3 // Incluir librería matemática libm.a en el proyecto
  4 
  5 #include<avr/io.h>            // Puertos y registros i/o
  6 #include<util/delay.h>        // Tiempos y retrasos
  7 #include<avr/interrupt.h>    // Interrupciones
  8 #include <util/atomic.h>    // Ejecución atómica de bloques
  9 
 10 // Prototipo de funciones
 11 void visualizar(int);    // Función para visualizar un dato en 4
 12                         // displays de 7 segmentos
 13 
 14 // Declaración de variables globales
 15 volatile unsigned int tiempo1=0, tiempo2=0, diff=0;
 16 
 17 int main(void)
 18 {
 19     // Variable flotante para calcular frecuencia
 20     volatile float freq;
 21 
 22     // Variable entera de contador
 23     int i;
 24 
 25     // Asignación de dirección de puertos
 26     DDRA=0xFF;        // Puerto A salida
 27     DDRC=0xFF;        // Puerto C salida
 28     DDRD=0x0F;        // Mitad de puerto D como salida
 29 
 30     // Configuración del comparador análogo
 31     // * El comparador activa el módulo de captura del Timer1
 32     ACSR|=(1<<ACIC);
 33 
 34     // Configuración de Timer1
 35     // * Modo normal
 36     // * Filtro cancelador de ruido en captura
 37     // * Captura por flanco de subida
 38     // * Reloj sin preescalador
 39     TCCR1B|=(1<<ICNC1)|(1<<ICES1)|(1<<CS10);
 40     TIMSK|=(1<<TICIE1);    // Habilitación interrupción de captura
 41 
 42     sei();    // Habilitación de interrupciones globales
 43 
 44     // Ciclo de polling
 45     while(1){
 46 
 47         // Mediante este macro es posible ejecutar un
 48         // bloque de forma atómica, es decir, sin que la
 49         // interrupción interrupa la ejecución de este bloque
 50         ATOMIC_BLOCK(ATOMIC_FORCEON)
 51         {
 52         // Se convierte la diferencia del registro de
 53         // comparación en frecuencia
 54         freq=1E6/((float)diff);
 55         }
 56 
 57         for(i=1;i<50;i++)
 58         // Visualización del valor de frecuencia
 59         visualizar(freq);
 60 
 61     }
 62 }
 63 
 64 // Función para visualizar un número entero de 4 dígitos
 65 // como máximo en un arreglo de 4 displays de 7 segmentos
 66 // de ánodo común, en los cuales los pines de los segmentos
 67 // se conectan al puerto C, y los ánodos se conectan al 
 68 // nibble menos significativo del puerto D
 69 void visualizar(int num)
 70 {
 71     // Vector que contiene el mapeo de cada dígito para
 72     // el display de 7 segmentos
 73     const int mapa7Seg[10]={
 74     0b11000000,    // 0
 75     0b11111001,    // 1
 76     0b10100100,    // 2
 77     0b10110000,    // 3
 78     0b10011001,    // 4
 79     0b10010010,    // 5
 80     0b10000010,    // 6
 81     0b11111000,    // 7
 82     0b10000000,    // 8
 83     0b10010000};// 9    
 84 
 85     // Variable para hacer el recorrido por cada display
 86     volatile char i;
 87 
 88     // Ciclo de graficación en cada display
 89     for(i=0;i<=3;i++)
 90     {
 91         // Se apagan los segmentos antes de cambiar de display
 92         PORTC=0xFF;
 93 
 94         // Cambio de display
 95         PORTD=8>>i;
 96 
 97         // Visualización de dígito
 98         PORTC=mapa7Seg[num%10];
 99 
100         // Tiempo de espera para visualización
101         _delay_ms(1);
102 
103         // División entre 10 y ruptura de ciclo de 
104         // graficación para no mostrar ceros a la izquierda
105         if((num/=10)==0)
106             break;    
107     }
108 
109 }
110 
111 // Rutina de servicio de interrupción por evento de captura
112 // de la unidad Timer1
113 ISR(TIMER1_CAPT_vect)
114 {
115     // Enciende bit 0 del puerto A para verificar
116     // que las interrupciones se ejecuten adecuadamente
117     PORTA=1;
118 
119     // Actualización de marcas de tiempo de eventos
120     tiempo1=tiempo2;
121     tiempo2=ICR1;
122 
123     if(tiempo2 > tiempo1)
124         // Diferencia entre eventos para hallar período
125         diff=tiempo2-tiempo1;
126     else
127         // Si la diferencia es negativa, significa que el
128         // contador tuvo overflow, por tanto se debe añadir 0x10000
129         diff=0x10000+tiempo2-tiempo1;
130 
131     // Apagado del bit 0 del puerto A
132     PORTA=0;
133 }

Diagrama esquemático de la solución

Explicación de la solución

El programa para solucionar este ejemplo hace uso del módulo de captura del Timer1 el cual se conecta a la salida del comparador, detectando de esta forma cada vez que se presente un evento de comparación de voltajes. Para medir la frecuencia de una señal sinusoidal, se compara la señal de entrada con respecto a una referencia de 2.5 V; cada vez que la onda sinusoidal cruza esta referencia, se tendrá medio período de la señal, a partir del cual se puede calcular su frecuencia. En la rutina de servicio de interrupción se agregan un par de líneas que activan y desactivan el pin 0 del puerto A, para verificar que se estén capturando correctamente los eventos.

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