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Les interruptions sous Arduino / ATMega

Comme vous le savez certainement, il est possible sur les cartes Arduino (Uno, Mega, Due, etc.) de gérer des interruptions.

Le Arduino Uno (ATMega328) peut gérer 2 interruptions externes sur ses pins INT0 et INT1, mappés sur D2 et D3 (respectivement pins 4 et 5 du ATMega328 format PDIP).

Pins d’interruptions externes sur un Arduino Uno

A noter que les ATMega328 peuvent également gérer des interruptions de changement d’état sur 20 de ses pins ; cependant, la gestion de ces interruptions n’est pas aussi simple que les externes : il faut déterminer quel pin a généré l’interruption, pour quelle raison, etc. Une librairie Arduino a été développée afin de permettre l’utilisation de ces interruptions : arduino-pinchangeint.

Les interruptions peuvent être déclenchées selon 4 modes :

  • LOW : le pin est à un état bas
  • RISING : le pin passe d’un état bas à haut
  • FALLING : le pin passe d’un état haut à bas
  • CHANGE : le pin change d’état

Une ligne suffit à « écouter » une interruption sur un Arduino ; par exemple sur le pin INT0 (soit D2) nous attachons une interruption, qui appellera la fonction « myInterrupt » lors d’un passage du pin à l’état haut :

attachInterrupt(0, myInterrupt(), RISING);

Bien que le pin Arduino soit « D2 », nous indiquons ici « 0 » qui est le n° de pin d’interruption (0 pour INT0 / D2, 1 pour INT1 / D3).

Il faut ensuite définir la fonction qui sera appelée lors de l’interruption ; à noter que celle-ci ne reçoit aucun argument et ne doit rien retourner :

void myInterrupt() {
  // do something ...
}

Quelques limitations

Dans la fonction attachée à une interruption, celles-ci étant basées sur les timers de votre microcontrôleur, la fonction delay() ne marchera pas, millis() ne s’incrémentera pas.

Plus généralement, il est déconseillé de réaliser des opérations basées sur le temps, qui bloqueront votre µC ; par exemple la transmission de données en série (UART), I2C, etc.

Bonnes pratiques

L’usage des interruptions est idéal lors d’actions utilisateur, comme l’utilisation d’un bouton, d’un keypad, ou pour détecter un changement d’état rapide (signal infrarouge coupé), sans avoir à constamment « écouter » l’état d’un pin.

Idéalement, une fonction attachée à une interruption doit être la plus courte et rapide possible : une bonne pratique consiste à s’en servir pour stocker une valeur dans une variable (déclarée « volatile »). L’exécution de l’action à proprement parler se fera dans votre routine principale (loop()).

Par exemple :

volatile int change = 0;

void main() {
  attachInterrupt(0, myInterrupt(), RISING);
}

void loop() {
  if(change == 1) {
    // do something ...
change = 0;
  }
}

Liens utiles

Microchip MCP23008 : multiplexage 8-bits I2C

Lors de la réalisation de circuits à base de microcontrôleurs (Arduino Uno avec µC ATMega 328 par exemple), il arrive très fréquemment d’être limités par le nombre de pins d’entrées/sorties, et particulièrement dans le cas d’accessoires communiquant en parallèle (keypad, écran LCD, etc.), utilisant ainsi de nombreux pins sur nos µC.

Une des solutions afin de réduire significativement le nombre de pins nécessaires est d’utiliser un « port expander » afin de multiplexer les signaux : nous parlerons ici du MCP23008 de Microchip, fonctionnant sur le bus I2C.

Microchip MCP23008

Caractéristiques principales

MCP23008
Pins 18
Tension de fonctionnement 1.8 à 5.5V
Bus I2C
Entrées / sorties 8
Débit maximal 1700 kb/s

Connexion à votre microcontrôleur

Pin MCP23008 Pin Arduino Uno Pin ATMega328P
1 (I2C clock) 5 28
2 (I2C data) 4 27
3, 4, 5 (address) GND GND
6 (power), 18 (reset) VCC VCC
9 GND GND
10 à 17 (GP0 à GP7) I/O pin I/O pin

Attention à bien utiliser la même tension entre votre µC et le MCP23008, ou un convertisseur de niveau.

Mapping pins Microchip MCP23008

Librairie Adafruit MCP23008

Si vous souhaitez utiliser le MCP23008 avec votre Arduino (testé avec un Uno) ou µC ATMega avec bootloader Arduino, Adafruit met à disposition sur GitHub une librairie prête à l’emploi, à installer dans votre dossier « libraries » de l’IDE Arduino.

Cette librairie est fournie avec 2 exemples : button et toggle. Son utilisation est très simple, voici un exemple (inspiré de « toggle ») pour faire clignoter en alternance 2 LED connectées aux E/S GP0 (pin 10) et GP1 (pin 11) du MCP23008 :

#include <Wire.h>
#include "Adafruit_MCP23008.h"

Adafruit_MCP23008 mcp;

void setup() {
  mcp.begin();      // Utilisation de l'adresse "0" par défaut
  mcp.pinMode(0, OUTPUT);
  mcp.pinMode(1, OUTPUT);
}

void loop() {

  mcp.digitalWrite(0, HIGH);
  mcp.digitalWrite(1, LOW);
  delay(1000);
  mcp.digitalWrite(0, LOW);
  mcp.digitalWrite(1, HIGH);
  delay(1000);
}

Interruptions

Comme nous venons de le voir, il est très simple d’utiliser le MCP23008 pour gérer des sorties.

Dans le cas de l’utilisation des pins GPIO en tant qu’entrées, deux cas de figure se présentent :

  • Vous souhaitez lire des états à intervalles réguliers ou lors d’une action en particulier
  • Vous souhaitez détecter un changement d’état, pour gérer un keypad ou des boutons par exemple

Dans le premier cas, il vous suffira d’utiliser quand nécessaire la méthode digitalRead de la librairie Adafruit MCP23008.

Dans le second cas, vous serez obligé de lire constamment l’état du ou des pins afin de détecter un changement d’état : votre programme ne fera donc que ça, comme le montre l’exemple ci-dessous :

#include <Wire.h>
#include "Adafruit_MCP23008.h"

Adafruit_MCP23008 mcp;

volatile int pinState = 0;

void setup() {
  mcp.begin();      // Utilisation de l'adresse "0" par défaut
  mcp.pinMode(0, INPUT); // Pin GP0 en entrée
  pinState = digitalRead(0); // On initialise la variable d'état du pin GP0
}

void loop() {
  if(mcp.digitalRead(0) != pinState) {
    // do something ...
    pinState = !pinState;
  }
  delay(5);
}

A noter que dans le cas de pins définis en entrée sur votre MCP23008, il est possible de les « tirer vers un état haut » à la manière d’une résistance de pull-up, avec la méthode pullUp.

Si le programme réalisait d’autre opérations au moment où l’on presse un bouton par exemple, il se pourrait qu’un changement d’état ne soit pas « capturé » par mcp.digitalRead(0).

Une des solutions à ce problème est d’utiliser le mécanisme d’interruptions présent dans le MCP23008 (pin 8 / INT). Malheureusement, la librairie Adafruit ne supporte pas (encore) les interruptions ; vous pourrez toutefois télécharger à la fin de cet article une version modifiée de cette librairie gérant les interruptions.

Les registres suivants (sur 8 bits) sont utilisés dans le MCP23008 pour gérer les interruptions :

  • GPINTEN (0x02) : permet de définir si les interruptions sont activées (1) ou non (0) sur un pin
MCP23008 GP7 GP6 GP5 GP4 GP3 GP2 GP1 GP0
Valeur par défaut 0 0 0 0 0 0 0 0
Mode R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W

Ainsi, si l’on souhaite activer la détection des interruptions sur le pin GP0, il faudra définir le registre à : 0b00000001 soit 0x01.

A noter que ce les registres DEFVAL et INCON doivent également être définis pour les pins définis à 1 dans GPINTEN (détection des interruptions activée).

  • INTCON (0x04) : définit si l’interruption doit être déclenchée par un changement d’état d’un pin par rapport à une valeur par défaut dans DEFVAL (1) ou par rapport à son état précédent (0)
MCP23008 GP7 GP6 GP5 GP4 GP3 GP2 GP1 GP0
Valeur par défaut 0 0 0 0 0 0 0 0
Mode R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W
  • DEFVAL (0x03) : utile quand INTCON est à 1 pour un pin donné, définit l’état par défaut d’un pin
MCP23008 GP7 GP6 GP5 GP4 GP3 GP2 GP1 GP0
Valeur par défaut 0 0 0 0 0 0 0 0
Mode R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W
  • IOCON (0x05) : registre de configuration du MCP23008 ; le bit intéressant ici est le 1 (INTPOL) : s’il est défini à 1, le pin INT sera « active-high », s’il est à 0, le pin INT sera « active-low », ce qui correspond à l’état sur ce pin quand une interruption sera déclenchée.
MCP23008 SEQOP DISSLW HAEN ODR INTPOL
Valeur par défaut 0 0 0 0 0
Mode R/W R/W R/W R/W R/W

Attention, par défaut le pin INT est « active-low » et sera donc à un état haut tant qu’une interruption n’est pas envoyée. Si vous décidez de changer ce paramètre à 1, le pin INT au démarrage du MCP23008 sera tout de même durant quelques millisecondes en état haut (active-low) avant de passer en état bas (active-high). Si vous écoutez une interruption de type « CHANGE » sur votre Arduino/µC, celle-ci sera alors déclenchée. Une solution consiste à « attacher l’interruption » (attachInterrupt()) qu’après avoir configuré le MCP23008 dans son setup().

  • INTF (0x07) : ce registre indique quels pins (actifs [1] dans GPINTEN) ont déclenché une interruption
MCP23008 GP7 GP6 GP5 GP4 GP3 GP2 GP1 GP0
Mode R R R R R R R R
  • INTCAP (0x08) : ce registre est une capture de l’état des pins (1 = haut, 0 = bas) lors du déclenchement d’une interruption
MCP23008 GP7 GP6 GP5 GP4 GP3 GP2 GP1 GP0
Mode R R R R R R R R

Les registres INTF et INTCAP sont « nettoyés » (= remis à 0) lors de la lecture du registre INTCAP ou du registre GPIO. Pour plus de détails sur ce point précis, n’hésitez pas à vous référer à la page 19 de la datasheet (lien ci-dessous).

Un exemple concret

Prenons un cas concret : vous souhaitez générer une interruption lors de passage à l’état haut bas (0) du pin GP0 (qui sera donc par défaut à l’état haut) du MCP23008.

Les valeurs des différents registres seront les suivantes :

  • GPINTEN = 00000001 = 0x01 = 1 : on active les interruptions pour le pin GP0 (bit 0 mis à 1)
  • INTCON = 00000001 = 0x01 = 1 : l’interruption sera déclenchée par un changement d’état par rapport à la valeur par défaut
  • DEFVAL = 00000001 = 0x01 = 1 : la valeur par défaut de GP0 est 1 (état haut)
Lorsque GP0 passera à un état bas, une interruption sera déclenchée et nous aurons :
  • INTF = 00000001 = 0x01 = 1  : c’est le pin GP0 qui a déclenché l’interruption
  • INTCAP = 00000000 = 0x00 = 0 : le pin GP0 (comme tous les autres) était à l’état 0 (bas) au moment de l’interruption

Version modifiée de la librairie Adafruit

La librairie fournie par Adafruit n’offrant malheureusement pas le support des interruptions pour le MCP23008, j’y ai apporté quelques modifications dans cette version.

Outre les méthodes standard de la librairie d’origine, voici les méthodes disponibles pour gérer les interruptions :

void Adafruit_MCP23008::pinIntPolarity(uint8_t p);

Définition de l’état actif  (active-state) du pin INT du MCP23008.

uint8_t p : polarité (1 = HIGH, 0 = LOW)

 
void Adafruit_MCP23008::pinInt(uint8_t p, uint8_t m);

Activation des interruptions sur des pins du MCP23008.

uint8_t p : port (0 à 7)
uint8_t m : mode (1 = actif, 0 = inactif)

 
void Adafruit_MCP23008::pinIntControl(uint8_t p, uint8_t c);

Comparaison de l’état d’un pin avec son état par défaut (DEFVAL) ou sa valeur précédente.

uint8_t p : port (0 à 7)
uint8_t c : control mode (1 = DEFVAL, 0 = valeur précédente)

 
void Adafruit_MCP23008::pinIntDefval(uint8_t p, uint8_t v);

Valeur par défaut du pin pour comparaison.

uint8_t p : port (0 à 7)
uint8_t v : valeur (1 = HIGH, 0 = LOW)

 
uint8_t Adafruit_MCP23008::readIntFlag(void);

Lecture du registre INTF indiquant le/les pin(s) ayant déclenché l’interruption.

Cette méthode ne retourne pas le n° du pin (0 à 7) mais la valeur du registre.

 
uint8_t Adafruit_MCP23008::readIntCapture(void);

Lecture du registre INTCAP indiquant l’état des pins au moment de l’interruption.

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Reminder : AVR Dragon, Atmel Studio 6 et debugWire

Atmel AVR Dragon

Contrairement à certains billets plus détaillés, celui-ci est plus un reminder qu’un vrai tutorial.

En effet, j’ai récemment acheté un AVR Dragon de chez Atmel (environ 50 €) qui permet de programmer et débugger les microcontrôleurs Atmel (dont mes ATMega328P).

Le mode la plus simple à utiliser pour programmer ou modifier les fuses son µC est le SPI/ISP (schéma de branchement).

Pour débugger il faudra activer le mode debugWire : attention à ne pas l’activer manuellement via le fuse DWEN, mais à laisser Atmel Studio l’activer lorsque vous démarrez le debug de votre application.

Là où la situation se corse, et c’est le pourquoi de ce billet, c’est pour quitter le mode debugWire.

Il faut en fait tout simplement maintenir alimenté (à la même tension que le AVR Dragon, soit +5V) le microcontrôleur lorsque vous cliquez sur « Debug / Disable debugWire and close« . Vous pouvez alors à nouveau programmer votre µC en SPI.

ATMega328P vs ATMega1284P

ATMega328P-PU vs ATMega1284P-PU

Tableau de comparaison

ATMega328-PU ATMega1284-PU
Packaging PDIP PDIP
Pins 28 40
I/O max 23 32
PWM 6 6
ADC channels 8 8
SPI 2 3
I2C 1 1
UART 1 2
Flash 32 Kbytes 128 Kbytes
SRAM 2 Kbytes 16 Kbytes
EEPROM 1024 bytes 4096 bytes

Je reviendrai plus particulièrement au cours d’un prochain billet sur le ATMega1284, afin de vous faire part de mon retour d’expérience avec ce microcontrôleur. D’ici là, n’hésitez pas à vous rendre sur la page GitHub de Maniacbug  et son billet de blog traitant du sujet.

Liens vers les datasheets officielles :