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Timestamp: 2017-11-24 22:44:07+00:00

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Tutorial AVR desde 0. by Felixls felix - issuu
Tutorial AVR desde 0 Introducci贸n a la programaci贸n de microcontroladores AVR
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Prefacio Este tutorial es una introducción a la programación de microcontroladores Atmel AVR, en particular usando el lenguaje C y el compilador gratuito AVR GCC. En general todo el material necesario para el aprendizaje será basado en herramientas de código abierto, por ello se utilizará como sistema operativo Ubuntu 12.04, como IDE el Eclipse con el plugin AVR Eclipse Plugin disponible para descarga gratuita. El tutorial presupone conocimientos previos de lenguaje C. No es necesario el conocimiento previo de programación de microcontroladores en general. El desarrollo del material implementará un proceso de aprendizaje iterativo e incremental ocultando algunos detalles para facilitar la comprensión y se regresará, de a poco, sobre temas pasados para completarlo. Cualquier consulta, duda o corrección será bienvenida en el foro de electrónica uControl (del amigo Ariel Palazzesi).
Índice General Licencia Prefacio Índice General Introducción Herramientas necesarias Mi primer programa Mi primer circuito Programación del firmware Led ON Blinking LED Uso de entradas Rebotes Memorias Flash EEPROM SRAM Variables Campos de bits (Bit Fields) Uso práctico USART La especificación RS232 Inicializando la USART Envío de datos Recepción de datos Ejemplo “ECO eco eco...” Ejemplo control remoto Diseño modular ADC Resolución y referencia de tensión Configuración de registros Circuito de prueba Interrupciones Consideraciones Fuentes de interrupciones Manejando una interrupción Ejemplo: USART con interrupciones Timers Timer sin prescaler Timer con prescaler Modo CTC Modo CTC con interrupciones Modo CTC - Output Compare PWM Modo Fast-PWM Registros de PWM
Modo Phase Correct Modo Phase and Frecuency Correct EEPROM Rutinas comunes Ejemplo de uso Acceso por bloque Modificador EEMEM Estableciendo valores iniciales
Introducción Herramientas necesarias ● ● ● ● ● ●
Un microcontrolador ATmega8 o similar de 8 bits. Placa para pruebas o bien un protoboard. Compilador avr gcc y avr libc. Para windows está WinAVR y AVR Studio. Software del programador AVRDUDE Hardware del programador (ej.: Serial Prog, USBAsp, USBAsp Clone, etc) Para simulación y debug se puede utilizar en windows AVR Studio.
Mi primer programa Comenzamos de 0, no? Bueno, aquí está el famoso “Hello World” en estos micros: int main(void) { } Un programa tan simple que es prácticamente imposible fallar :). Todo programa de AVR tiene un punto de entrada llamado main y en el 99.9999% de los casos una vez que comienza a ejecutarse en el microcontrolador el código incluido en esta función es en un bucle (loop) infinito contenedor de todos los procesos implementados en el micro. Vamos a completar un poco más el ejemplo: #include <avr/io.h> int main(void) { for (;;) { } } Este ejemplo sigue haciendo tantas cosas como el anterior, es decir nada, el micro inicia y entra en un loop infinito en la sentencia for. El lector advirtió seguramente la diferencia entre ambos códigos en esta línea: #include <avr/io.h>
Esta directiva #include del pre-procesador de C incluye en forma selectiva el archivo encabezado (header) con las definiciones de registros de entrada/salida, vectores y bits relativos al microcontrolador elegido. Estas definiciones nos ayudan a evitar plagar nuestro código con los valores numéricos y usar nombres más fáciles de leer y recordar. En un Atmega8, por ej., el puerto D está definido de la siguiente manera en iom8.h /* Port #define #define #define
D */ PIND DDRD PORTD
_SFR_IO8(0x10) _SFR_IO8(0x11) _SFR_IO8(0x12)
PIND es el Port INput del puerto D. DDRD es el Data Direction Register del puerto D. PORTD es obviamente, el puerto (PORT) D. DDRD sirve para especificar la dirección (sentido) de los datos de todo el puerto D, para especificar como salida un bit (pin del microcontrolador) en particular se podría escribir lo siguiente: DDRD = 0x01;
Nota: Es conveniente conceptualizar a DDR como un registro que habilita -o no- a un pin de un puerto como salida. Cuando el pin de un puerto está configurado como salida, PORTD sirve para establecer su valor lógico (1=nivel alto, 0=nivel bajo). Cuando el pin de un puerto está configurado como entrada, PORTD sirve para configurar la resistencia pull-up interna (de unos 50k aprox.). (1=habilitada, 0=deshabilitada). Si no se habilita el pull-up el pin queda en estado Tri-state (alta impedancia). Si se establece el valor de PUD (pull-up disable) del registro MCUCR a 1, se deshabilitan las pull-up en todos los puertos y no se pueden habilitar con DDRx y PORTx. PIND sirve para leer el valor lógico de un pin de un puerto que esté configurado como entrada.
Mi primer circuito
El objetivo de esta prueba será aprender lo necesario para reemplazar el pulsador SW1 por una acción automatizada en un microcontrolador. La corriente suministrada por el micro en cada pin alcanza perfectamente para encender un led limitando la corriente con una resistencia, el valor de dicha resistencia está dado por la fórmula: Vin: Voltaje de alimentación del micro, en nuestro caso, utilizaremos una alimentación regulada de 5v. Vled: Voltaje de led, normalmente 2v, 4v para los leds azules. I: Corriente a suministrar al led, 10mA o 20mA según la luminosidad deseada y tensión de alimentación. Para saber los límites de corriente por puerto de nuestro micro elegido revisar el datasheet (Electrical Characteristics), para un ATmega8 el valor pico máximo es 40mA por pin, pero: 1. La suma de corriente suministrada en todos los puertos no debe superar los 300mA. 2. La suma de corriente suministrada en los puertos C0-C5, no debe superar los 100mA. 3. La suma de corriente suministrada en los puertos B0-B7, C6, D0-D7 y XTAL2, no debe superar los 200mA. Nota: Es imprescindible leer y tener a mano el datasheet (hoja de datos) del componente. Los valores máximos en el datasheet no son valores recomendables, siempre que se pueda se debe usar un valor inferior para operar en una zona con un margen de seguridad que redundará en el largo plazo en mayor duración y confiabilidad del componente. Para todos nuestros ejemplos con Vcc=5V el valor máximo que usaremos será 20mA.
Reemplazando SW1 por un micro el circuito quedaría así:
PC6 es el RESET-pin, un pulso de nivel bajo de al menos 1.5us genera un reset externo en el microcontrolador, en nuestro caso vamos a dejarlo a nivel alto por medio de una resistencia de 10k. Para obtener los 5v en VCC utilizaremos una fuente común con transformador de 220VAC/ 110VAC a 9VCC 500mA, y un regulador de tensión como el 7805.
Programación del firmware Para la grabación de nuestro programa utilizaremos la programación serial, según el datasheet del ATmega8 estos son los puertos que intervienen: MOSI, MISO, SCK y RESET forman la interfaz de programación serial (SPI). AVCC no debe quedar sin conectar al programar, al igual que AGND el momento de la ejecución. Por ahora, al micro no se le conectará un cristal. Usaremos el oscilador interno como viene configurado en sus fuses al comprarlo. Este oscialdor RC en el caso de un ATmega8 es de 1 Mhz (o 1.000.000 Hz)no es preciso pero servirá para aprender.
El circuito ejemplo entonces quedaría así: Nota: Los cables usados para la programación SPI deben ser lo más cortos posibles.
Led ON Continuando con el objetivo propuesto de reemplazar el pulsador por un micro, vamos a escribir el código que encenderá nuestro led conectado a PD0. #include <avr/io.h> int main(void) { DDRD = 0x01; // pone al pin 0 del puerto D como salida el resto como entradas. PORTD = 0x01; // pone en nivel alto al pin 0 del puerto D for (;;) { } }
Nota: La segunda instrucción PORTD = 0x01 activa las resistencias pull-ups de PD1 a PD7, porque están definidas como entradas. Creamos el proyecto C llamado LedOn en Eclipse (con el AVR Eclipse Plugin) como un AVR Cross Target Application usando el AVR-GCC Toolchain. La instalación del toolchain en Ubuntu 12.04 se logra ejecutando lo siguiente: $ sudo apt-get install gcc-avr avr-libc avrdude Una vez instalado para usar el programador USBasp será necesario darle permisos a avrdude para que pueda acceder al puerto USB, hay varias formas, esta es una: $ sudo chmod a+s /usr/bin/avrdude Nota: Las instrucciones de instalación de Eclipse y AVR Eclipse Plugin están en sus respectivas guías de usuario.
Para grabar el programa el proyecto debe tener configurado el micro destino en nuestro caso como ya se dijo es un ATmega8 y 1 Mhz de oscilador interno.
Al compilar en Release el proyecto obtendremos esta salida en la Console: **** Build of configuration Release for project tutorial01 **** make all Building file: ../main.c Invoking: AVR Compiler avr-gcc -Wall -Os -fpack-struct -fshort-enums -std=gnu99 -funsigned-char -funsigned-bitfields -mmcu=atmega8 DF_CPU=1000000UL -MMD -MP -MF"main.d" -MT"main.d" -c -o "main.o" "../main.c" Finished building: ../main.c Building target: tutorial01.elf Invoking: AVR C Linker avr-gcc -Wl,-Map,tutorial01.map -mmcu=atmega8 -o "tutorial01.elf" ./main.o Finished building target: tutorial01.elf Invoking: AVR Create Extended Listing avr-objdump -h -S tutorial01.elf >"tutorial01.lss" Finished building: tutorial01.lss Create Flash image (ihex format) avr-objcopy -R .eeprom -O ihex tutorial01.elf "tutorial01.hex" Finished building: tutorial01.hex Create eeprom image (ihex format) avr-objcopy -j .eeprom --no-change-warnings --change-section-lma .eeprom=0 -O ihex tutorial01.elf "tutorial01.eep" Finished building: tutorial01.eep Invoking: Print Size avr-size --format=avr --mcu=atmega8 tutorial01.elf AVR Memory Usage ---------------Device: atmega8 Program: 84 bytes (1.0% Full) (.text + .data + .bootloader) Data: 0 bytes (0.0% Full) (.data + .bss + .noinit)
Como se puede ver el IDE nos preparó el archivo HEX utilizando el toolchain con los parámetros predefinidos a nivel proyecto. El comando más importante ejecutado aquí es la compilación: avr-gcc -Wall -Os -fpack-struct -fshort-enums -std=gnu99 -funsigned-char -funsigned-bitfields mmcu=atmega8 -DF_CPU=1000000UL -MMD -MP -MF"main.d" -MT"main.d" -c -o "main.o" "../main.c"
El parámetro -mmcu=atmega8 y el define -DF_CPU lo obtiene de la definición previa (config. AVR/Taget Hardware). Seleccionamos el proyecto y hacemos click en Upload current project to Atmel target MCU. Si todo fue bien hasta aquí, al terminar de grabar deberíamos tener un led encendido y el micro en un loop eterno.-
Blinking LED Este proyecto es una prueba básica de programación de microcontroladores. Su función? Encender y apagar un led. #include <avr/io.h> #include <util/delay.h> int main(void) { DDRD = 0x01;
// DD0 como salida, el resto entradas.
for (;;) { PORTD = 0x01; // PD0=1, el resto a 0. _delay_ms(100); PORTD = 0x00; // PD0=0, el resto a 0. _delay_ms(100); } } La función _delay_ms de <util/delay.h> posee los cálculos retardo en ciclos de instrucción necesarios para lograr la espera exacta de 100ms. Notar que estamos afectando con nuestras instrucciones a todos los bits del puerto D, para trabajar solo con DD0 se usa el desplazamiento de bits y los operadores & (AND) y | (OR), ejemplo: DDRD |= (1<<DD0); // DD0=1 (salida), el resto no cambia Donde: 1<<DD0 = 1<<0 = 0b00000001 De forma expandida la expresión anterior quedaría entonces: DDRD = DDRD | 0b00000001; Quiere decir que el nuevo valor de DDRD será igual a el OR entre el valor anterior de DDRD y 0b00000001
Analogamente podemos hacer esto con PORTD = 0x01 utilizando esta expresión: PORTD |= (1<<PD0); // PD0=1, el resto no cambia. En el otro caso (para PD0=0) se utiliza una mascara (AND) para ello se obtiene el complemento a dos por medio del NOT (operador ~) PORTD &= ~(1<<PD0); // PD0=0, el resto no cambia. Donde: ~(1<<PD0) = ~(1<<0) = 0b11111110 De forma expandida la expresión anterior quedaría entonces: PORTD = PORTD & 0b11111110; Quiere decir que el nuevo valor de PORTD será igual a el AND entre el valor anterior de PORTD y 0b11111110 Y dado que sabemos que... & (AND)
simplificaremos nuestro código usando XOR para alternar el valor entre 1 y 0 por cada iteración del bucle infinito y podemos quitar la segunda instrucción _delay_ms.
Este sería nuestro código del blinking led simplificado: #include <avr/io.h> #include <util/delay.h> int main(void) { DDRD |= (1<<DD0); // DD0=1 (salida), el resto no cambia for (;;) { PORTD ^= (1<<PD0); // alterna valor de PD0 _delay_ms(100); } }
Nota: La función _delay_ms de delay.h tiene una la limitante de retardo y está relacionada con la velocidad del oscilador, . En este caso, dado que F_CPU en este ejemplo es 1 Mhz el valor máximo de parámetro es 262.14ms/1 = 262ms.
Uso de entradas Cuando el microcontrolador necesita enterarse de eventos externos como por ejemplo si el usuario presionó sobre un pulsador se debe configurar un pin como entrada. Esto se logra como ya hemos visto con el registro de dirección de datos (DDR) colocando un 1 lógico en el bit del puerto al cual está conectado el dispositivo de entrada. Como dato adicional, si únicamente activamos el pin de un puerto como entrada esto dejaría en Tri-State, en ese caso cualquier ruido externo podría darnos 1 o 0 aleatorios ya que el pin estaría “flotando”, para evitar este comportamiento no deseado se debe configurar un pull-up o pull-down, y como vimos antes el microcontrolador cuenta con pull-up internas que para este ejemplo sirven perfectamente. Estas son las posibles configuraciones de entradas digitales:
Retomando entonces el ejemplo Led ON con el led conectado en PD0 agregaremos un pulsador conectado al pin PD1.
Actualizando el c贸digo de Led ON entonces quedar铆a: #include <avr/io.h> #include <util/delay.h> int main(void) { DDRD |= (1<<DDD0); DDRD &= ~(1<<DDD1); PORTD |= (1<<PD1);
// DDD0=1=salida // DDD1=0=entrada // pull-up activa para PD1
PORTD &= ~(1<<PD0); // inicia con el led apagado for (;;) { if (!(PIND & (1<<PD1))) //pulsador? PORTD |= (1<<PD0); //enciende el led else PORTD &= ~(1<<PD0); //apaga el led
} } Al grabar este programa el led en PD0 permanecerá apagado mientras que al presionar el pulsador conectado a PD1 lo enciende. Analizamos la línea de la lectura del pin 1 del puerto D: if (!(PIND & (1<<PD1)))
//pulsador?
Debido a que habilitamos la resistencia pull-up interna sin tener presionado el pulsador PIND & (1<<PD1) se leerá un 1 lógico. Si a esta altura el lector intuye que la sintaxis es un tanto críptica, pues, le doy la razón, aunque el maravilloso C tiene los #define que nos ayudan a poder leer el código de forma más... humana? Usando las funciones bit_is_clear, bit_is_set definidas en sfr_defs.h. #define _BV(bit) (1 << (bit)) #define bit_is_clear(sfr, bit) (!(_SFR_BYTE(sfr) & _BV(bit))) #define bit_is_set(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) & _BV(bit)) La expresión condicional de más arriba se podría reescribir así: if (bit_is_clear(PIND, PD1))
Y se podría usar estos defines para las otras expresiones, le dejo el placer de ser creativo en esa tarea :)
Rebotes Los pulsadores son interruptores mecánicos imperfectos, en el cierre de contactos se producen micro-rebotes y la señal que recibe el microcontrolador oscila entre 0v y 5v por un intervalo de 20 a 40 milisegundos aproximadamente. Este comportamiento provoca en nuestros programas una pulsación multiple no deseada (la mayoría de las veces).
Existen diferentes técnicas para parchar este problema, veremos la más sencilla y es la de preguntar si el botón fue pulsado, hacer una espera de 20ms y luego preguntar si el botón sigue pulsado. Consideremos este ejemplo #include <avr/io.h> #include <util/delay.h> int main(void) { DDRD |= (1<<DD0); DDRD &= ~(1<<DD1); PORTD |= (1<<PD1);
// DD0=1=salida // DD1=0=entrada // pull-up activa para PD1
PORTD &= ~(1<<PD0); // inicia con el led apagado for (;;) { if (bit_is_clear(PIND, PD1)) //pulsador? { PORTD ^= (1<<PD0); //alterna el led } } }
Al iniciar este programa el Led estará apagado, al pulsar el botón conectado en PD1 lo encenderá y apagará de forma alternada, pero no siempre será así, se podrá observar que a veces el Led cambia al estado siguiente pero otras veces no. Para solucionar entonces el problema cambiamos por esto: #include <avr/io.h> #include <util/delay.h> int main(void) { DDRD |= (1<<DDD0); DDRD &= ~(1<<DDD1); PORTD |= (1<<PD1);
PORTD &= ~(1<<PD0); // inicia con el led apagado for (;;) { if (bit_is_clear(PIND, PD1)) //pulsado? { _delay_ms(20); if (bit_is_clear(PIND, PD1)) //pulsado? { PORTD ^= (1<<PD0); //alterna el led while(bit_is_clear(PIND, PD1)); //espera a que el usuario deje de pulsar. } } } } Hay otros métodos, tan fáciles como colocar un condensador entre los contactos del botón, y tan complejos como usar un timer (tema que veremos más adelante).
Memorias Flash Nuestro ATmega8 tiene distintos tipos de memorias y una de ellas es la Flash EEPROM (8Kbytes) para almacenamiento del programa (soporta aprox. 10.000 ciclos de escritura/ borrado eléctrico). Las instrucciones de AVR (assembler) utilizan 16/32 bits, la Flash está organizada en 4k x 16 bits por lo que el PC (program counter) puede direccionar 4K ($000 a $FFF) con sus 12 bits de ancho. Al final de esta memoria se encuentra una sección para el bootloader.
EEPROM Contiene 512 bytes de datos en una memoria EEPROM separada de la Flash y organizada en simples bytes que se pueden leer o escribir con una duración estimada en 100.000 ciclos de lectura/escritura.
SRAM Memoria volatil (su contenido se pierde al quitar al fuente de alimentación) de 1Kbyte compuesta de: ● Registros de propósito general del CPU (R0 a R31), direcciones ($0000 a $001F) ● Registros de entrada y salida ($00 a $3F), direcciones ($0020 a $005F) ● SRAM interna, direcciones ($0060 a $045F) En esta memoria se almacenan las variables y la Pila de programa (o Stack). Debido a la poca memoria disponible es necesario utilizar todas las técnicas necesarias para minimizar su utilización. El compilador ayudará en gran medida en esta tarea reasignando una variable a un registro del CPU, almacenando las constantes en la Flash, eliminando variables no utilizadas, etc. Sin embargo se debe tener especial cuidado con este tema y es aconsejable usar siempre la opción de compilador -Os que optimiza el código en tamaño y diseñar nuestro programa de manera consistente con estas limitantes. Los AVR permiten variables almacenadas en SRAM, FLASH (constantes) y EEPROM usando modificadores de declaración y funciones para lectura/escritura. Además es posible indicarle al compilador que no debe optimizar una variable obligando a leer y escribir de la memoria. Además se realizan optimizaciones de acuerdo al ambito (local/global).
Variables Las variables son almacenadas en la SRAM como un conjunto de x bytes se utilizan dentro de nuestro c贸digo C con una representaci贸n de acuerdo al tipo de dato que se desea manejar. Los tipos de datos en AVR son: Tipo
Tama帽o (bits)
-(2^64)/2 a (2^64)/2+1
0 a 2^64
+-1.175e-38 a +-3.402e38
Si bien existen los tipos de C como int, short, etc, no se recomienda su uso. Como se sabe un String o cadena de caracteres no existen en este lenguaje pero se dispone de los vectores de char (o int8_t) para almacenarlas.
Campos de bits (Bit Fields) Cuando se necesita guardar datos de un tama帽o menor al byte es posible agrupar bits utilizando un struct struct { unsigned estado1 : 1; unsigned estado2 : 1; unsigned dosbits : 2; } v; Y luego es posible acceder a cada bit de forma separada:
v.estado1 = 1; v.estado2 = 0; v.dosbits = 0x3;
Uso práctico Utilizaremos una variable del tipo uint8_t para almacenar la cantidad de destellos del led en PD0 cuando se pulse SW1. Para ello agregaremos otro pulsador SW2 conectado a PD2 que incrementará la variable “cantidad de parpadeos”.
Código: #include <avr/io.h> #include <util/delay.h> int main(void) { DDRD |= (1<<DDD0); // PD0=1=salida DDRD &= ~(1<<DDD1); // PD1=0=entrada DDRD &= ~(1<<DDD2); // PD2=0=entrada
PORTD |= (1<<PD1); // pull-up activa para PD1 PORTD |= (1<<PD2); // pull-up activa para PD2 uint8_t tiempo = 0; PORTD &= ~(1<<PD0); // inicia con el led apagado for (;;) { if (bit_is_clear(PIND, PD1)) { _delay_ms(20); if (bit_is_clear(PIND, PD1)) { for (uint8_t i = 0; i < tiempo; i++) { PORTD ^= (1 << PD0); //alterna el led _delay_ms(20); } PORTD &= ~(1 << PD0); // apaga el led loop_until_bit_is_set(PIND, PD1); } } if (bit_is_clear(PIND, PD2)) { _delay_ms(20); if (bit_is_clear(PIND, PD2)) { tiempo += 5; loop_until_bit_is_set(PIND, PD2); } } } }
Al pulsar sobre el interruptor de PD1 el led de PD0 destellará con un intervalo de 20ms t veces. Nota: La llamada a loop_until_bit_is_set de sfr_defs.h tiene la misma función que realizamos en nuestro ejemplo anterior. Vamos a hacer un poco más legible el código, para ello escribiremos estos #defines: #define clear_bit(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) &= ~_BV(bit)) #define set_bit(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) |= _BV(bit)) #define toogle_bit(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) ^= _BV(bit))
El código anterior quedaría así: #include <avr/io.h> #include <util/delay.h> #define clear_bit(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) &= ~_BV(bit)) #define set_bit(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) |= _BV(bit))
#define toogle_bit(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) ^= _BV(bit)) int main(void) { set_bit(DDRD, DDD0); // PD0=1=salida clear_bit(DDRD, DDD1); // PD1=0=entrada clear_bit(DDRD, DDD2); // PD2=0=entrada set_bit(PORTD, PD1); // pull-up activa para PD1 set_bit(PORTD, PD2); // pull-up activa para PD2 uint8_t tiempo = 0; clear_bit(PORTD, PD0); // inicia con el led apagado for (;;) { if (bit_is_clear(PIND, PD1)) { _delay_ms(20); if (bit_is_clear(PIND, PD1)) { for (uint8_t i = 0; i < tiempo; i++) { toogle_bit(PORTD, PD0); //alterna el led _delay_ms(20); } clear_bit(PORTD, PD0); // apaga el led loop_until_bit_is_set(PIND, PD1); } } if (bit_is_clear(PIND, PD2)) { _delay_ms(20); if (bit_is_clear(PIND, PD2)) { tiempo += 5; loop_until_bit_is_set(PIND, PD2); } } } }
USART Los gran mayoría de las familias de AVR poseen al menos una interfaz USART, la cual sirve para enviar y recibir datos seriales desde el microcontrolador a un dispositivo (una PC, por ejemplo) o a otro AVR. Esta interfaz usa solo tres pines (RXD, TXD y GND) enviando/recibiendo los datos usando una frecuencia pre-acordada y nos servirá en el resto del tutorial para hacer el debug de nuestros programas a modo de log a nuestras PC usando un programa de emulación de terminal.
La especificación RS232 USART es normalmente relacionada con la especificación RS232, mientras que la comunicación USART establece niveles lógicos de 3 a 5V, la comunicación RS232 usa +3V a +25V para un 0(ESPACIO) digital y -3V a -25V para un 1(MARCA) digital. USART presentes en dos AVRs pueden interconectarse conectando RXD y TXD de forma directa; si los dispositivos están usando RS232 se debe usar un circuito conversor de niveles. En este caso vamos a conectar el ATmega8 a la PC para ello será necesario usar el MAX232 (o el MAX3232 si se trabaja con VDD=3V) Las notebook dejaron de venderse practicamente con puerto serial, es por ello que será necesario para estos casos usar un conversor USB-Serie bidireccional. Nuestro circuito de prueba sería el siguiente:
Inicializando la USART Para la inicialización se utilizan los registros UCSRB para configurar el modo de funcionamiento de la interfaz (envío, recepción o ambas); UCSRC para establecer si es sincrónica o asincrónica, cantidad de bits del dato, la paridad, bit(s) de stop, etc. #include <avr/io.h> int main(void) { UCSRB |= (1 << RXEN) | (1 << TXEN);// Inicializa la USART para envio y recepción. UCSRC |= (1 << URSEL) | (1 << UCSZ0) | (1 << UCSZ1); // Asincrónica, 8,N,1 for (;;) { } } Lo que está faltando es indicarle la velocidad y eso está dado por el baudrate que fijaremos para este ejemplo en 4800 baudios, pero el baudrate no se carga con ese valor en el registro de UBRRH y UBRRL sino que se lo calcula con esta fórmula:
Dado que estamos trabajando con un oscialdor interno a 1 Mhz y BAUDRATE será 4800:
Colocando estos cálculos en #defines: #define USART_BAUDRATE 4800 #define BAUD_PRESCALE (F_CPU / 16 / USART_BAUDRATE - 1)
Y establecemos el valor de UBRR así: UBRRH = (BAUD_PRESCALE >> 8); UBRRL = BAUD_PRESCALE;
Nota: La velocidad de 4800 baudios es la máxima para 1Mhz si se desea tener un error por debajo del 0.2%. Consultar el datasheet los diferentes valores de UBRR y ratios de errores asociados.
El código de la inicialización quedaría así: #include <avr/io.h> #include <util/delay.h> #define USART_BAUDRATE 4800 #define BAUD_PRESCALE (F_CPU / 16 / USART_BAUDRATE - 1) int main(void) { UCSRB |= (1 << RXEN) | (1 << TXEN);// Inicializa la USART para envio y recepción. UCSRC |= (1 << URSEL) | (1 << UCSZ0) | (1 << UCSZ1); // Asincrónica, 8,N,1 UBRRH = (BAUD_PRESCALE >> 8); UBRRL = BAUD_PRESCALE; for (;;) { } }
Y ya estamos listos para enviar y recibir datos!
Envío de datos Nuestro querido AVR va comunicarse con el mundo exterior, para ello tenemos que escribir en el registro UDR un carácter ASCII (para que sea posible leerlo en pantalla), pero antes de escribir en UDR deberíamos saber que no hay un dato anterior enviandose, para ello está el registro de estado y control UCSRA, bit UDRE el cual se pone en 1 cuando el buffer de transmición está vacío (es decir, podemos transmitir). Dentro del loop infinito agregamos: while (( UCSRA & (1 << UDRE ) ) == 0) {}; UDR = 65; _delay_ms(50);
Al grabar el programa y conectar a la pc el cable db9 o el conversor usb-serie abrimos el programa terminal que tengamos a mano con los parámetros 4800, 8, N, 1 y veremos el mensaje de deseperación del micro, “AAAAAAA” :)
Recepción de datos Para recibir los datos transmitidos desde la PC por el pin RXD, vamos a leer el contenido de UDR, pero antes haremos un bucle de espera consultando al UCSRA, bit RXC el cual se pone en 1 cuando el buffer de recepción está lleno: while (( UCSRA & (1 << RXC ) ) == 0) {}; uint8_t datoLeido = UDR;
Ejemplo “ECO eco eco...” Para unir todos los conceptos de USART implementaremos un típico Echo o consola eco de caracteres donde la tecla que se pulsa en la terminal el microcontrolador la recibe y responde con el mismo carácter. #include <avr/io.h> #define USART_BAUDRATE 4800 #define BAUD_PRESCALE (F_CPU / 16 / USART_BAUDRATE - 1) int main(void) { UCSRB |= (1 << RXEN) | (1 << TXEN); // Inicializa la USART para envio y recepción. UCSRC |= (1 << URSEL) | (1 << UCSZ0) | (1 << UCSZ1); // Asincrónica, 8,N,1 UBRRH = (BAUD_PRESCALE >> 8); UBRRL = BAUD_PRESCALE; for (;;) { while (( UCSRA & (1 << RXC ) ) == 0) {}; uint8_t datoLeido = UDR; while (( UCSRA & (1 << UDRE ) ) == 0) {}; UDR = datoLeido; } }
Ejemplo control remoto Usando el circuito propuesto aquí encenderemos el LED de PD6 al pulsar 0 en la terminal y cuando se pulse el interruptor en PD7 el microcontrolador enviará un “Hola mundo AVR”. #include <avr/io.h> #include <util/delay.h> #define clear_bit(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) &= ~_BV(bit)) #define set_bit(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) |= _BV(bit)) #define toogle_bit(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) ^= _BV(bit)) #define USART_BAUDRATE 4800 #define BAUD_PRESCALE (F_CPU / 16 / USART_BAUDRATE - 1) int main(void) { clear_bit(DDRD, DDD7); set_bit(PORTD, PD7); //PD7 (pulsador) set_bit(DDRD, DDD6); //PD6 (led) clear_bit(PORTD, PD6); //led apagado UCSRB |= (1 << RXEN) | (1 << TXEN); // Inicializa la USART para envio y recepción. UCSRC |= (1 << URSEL) | (1 << UCSZ0) | (1 << UCSZ1); // Asincrónica, 8,N,1 UBRRH = (BAUD_PRESCALE >> 8); UBRRL = BAUD_PRESCALE; char mensaje[] = "Hola mundo AVR\r\n"; for (;;) { if (bit_is_clear(PIND, PD7)) { _delay_ms(20); if (bit_is_clear(PIND, PD7)) { char *s = mensaje; while (*s != 0) { while (( UCSRA & (1 << UDRE ) ) == 0) {}; UDR = *s++; } loop_until_bit_is_set(PIND, PD7); } } if ( UCSRA & (1 << RXC )) { if (UDR == '0') toogle_bit(PORTD, PD6); } } }
Diseño modular Nuestro programa de comunicaciones funciona bien, hace su tarea digamos, pero si tuvieramos más comunicaciones en nuestro programa las líneas correspondientes al uso de los registros de USART estarían repetidas por todos lados, esta situación causa duplicación de código que dificulta el mantenimiento y hace más grande el ejecutable final. Para tratar de solucionar estos temas en C se aplica el diseño modular y se obtienen los siguientes beneficios: ● ● ● ● ● ● ● ●
Facilita el diseño descendente Disminuye la complejidad del algoritmo Disminuye el tamaño total del programa Reusabilidad: ahorro de tiempo de programación División de la programación entre un equipo de programadores (menor tiempo de desarrollo) Facilidad en la depuración: comprobación individual de los módulos Programas más fáciles de modificar Estructuración en bibliotecas específicas (biblioteca de módulos)
Aunque no es la solución ideal, debido al acoplamiento por argumento de funciones, es mejor que nada.
Llevamos entonces las funciones de USART a un archivo usart.c separado del main.c
#include <avr/io.h> void usart_init(uint16_t bautrate) { UCSRB |= (1 << RXEN) | (1 << TXEN); // Inicializa la USART para envio y recepción. UCSRC |= (1 << URSEL) | (1 << UCSZ0) | (1 << UCSZ1); // Asincrónica, 8,N,1 UBRRH = (bautrate >> 8); UBRRL = bautrate; } void usart_putc(char c) { while (!(UCSRA & (1 << UDRE))) /* espera a que UDR esté listo... */ { } UDR = c; }
void usart_puts(char *s) { while (*s) usart_putc(*s++); } char usart_getc() { while (!(UCSRA & (1 << RXC))) { } return UDR; }
Y hacemos su archivo header usart.h:
#ifndef _USART_H_ #define _USART_H_ #define usart_kbhit() (UCSRA & (1 << RXC)) void usart_init(uint16_t ); void usart_putc(char ); void usart_puts(char *); char usart_getc(); #endif
/* espera a tener el dato en UDR */
Nuestro main.c quedaría así: #include <avr/io.h> #include <util/delay.h> #include "usart.h" #define clear_bit(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) &= ~_BV(bit)) #define set_bit(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) |= _BV(bit)) #define toogle_bit(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) ^= _BV(bit)) #define USART_BAUDRATE 4800 #define BAUD_PRESCALE (F_CPU / 16 / USART_BAUDRATE - 1) int main(void) { clear_bit(DDRD, DDD7); set_bit(PORTD, PD7); //PD7 (pulsador) set_bit(DDRD, DDD6); //PD6 (led) clear_bit(PORTD, PD6); //led apagado usart_init(BAUD_PRESCALE); char mensaje[] = "Hola mundo AVR\r\n"; for (;;) { if (bit_is_clear(PIND, PD7)) { _delay_ms(20); if (bit_is_clear(PIND, PD7)) { usart_puts(mensaje); loop_until_bit_is_set(PIND, PD7); } } if (usart_kbhit()) { char c = usart_getc(); if (c == '0') toogle_bit(PORTD, PD6); } } }
Un “poco” más legible, no?
ADC El ADC o Conversor Analógico Digital es un módulo del microcontrolador que sirve para traducir una señal analógica a un valor digital. La señal analógica es un nivel de tensión cuyo origen puede ser desde un divisor de tensión hasta el más complicado transductor de señal.
Resolución y referencia de tensión La circuitería del ADC realiza la conversión por aproximaciones sucesivas dentro del rango de referencia de tensión y con una determinada resolución medida en bits. La referencia de tención Vref+ puede estar asociada a VDD=5V y Vref-, que normalmente es 0V, mientras que la resolución viene dada por esta fórmula:
Donde 2n es la cantidad de valores digitales posibles como resultado de la conversión, si n es 10 la resolución de voltaje del conversor será: 5/(210-1) = 4.88mV El valor obtenido por el ADC para una determinada tensión de entrada Vin será:
Configuración de registros Las aproximaciones sucesivas de la conversión llevan tiempo, entre 50khz a 200khz para obtener la resolución máxima. Se pueden hacer más rápido pero se pierde resolución. El tiempo de sampleo, en un ATmega8, se obtiene por prescalar el oscilador con el registro ADCSRA (bits ADPSx) ADPS2
La selección del canal se logra con el registro ADMUX (bits MUX3:0), y la referencia de tensión con los bits REFS1:0: REFS1
AREF, referencia interna se apaga.
AVCC con condensador en el pin AREF
Referencia interna de 2.56V con condensador en pin AREF
La conversión se inicia con un 1 en el bit ADSC del registro ADCSRA el cual se mantendrá en 1 mientras dure la conversión, al finalizar el valor queda en ADCL y ADCH con el formato que establece ADLAR (ADC left adjust result) del registro ADMUX. Si ADLAR es 0 (ajustado a la derecha) el resultado en ADCL y ADCH se guarda así: -
Si ADLAR es 1 (ajustado a la izquierda): ADC9
Si el resultado está ajustado a la izquierda y no se requieren más de 8 bits, es suficiente con leer ADCH. De lo contrario, se debe leer primero ADCL y luego ADCH.
#include <avr/io.h> #include <avr/delay.h> #include <stdlib.h> #include "usart.h" #define USART_BAUDRATE 4800 #define BAUD_PRESCALE (F_CPU / 16 / USART_BAUDRATE - 1) int main(void) { usart_init(BAUD_PRESCALE); // ADC Enable, Prescaler=8 (1Mhz/8=125khz) ADCSRA = (1<<ADEN) | (1<<ADPS1) | (1<<ADPS0); ADMUX = 0; ADMUX |= (1<<REFS0);
// elige canal 0 ADC0 (pin PC0) // VRef = AVCC
char buffer[10]; for (;;) { ADCSRA |= (1<<ADSC); while (ADCSRA & (1<<ADSC)) {
// comienza la conversi贸n
} uint16_t valorADC = ADCL; valorADC |= (ADCH << 8);
// 10 bits requeridos -> leemos primero ADCL // agregamos los dos bits de ADCH
itoa(valorADC, buffer, 10);
// convertimos el valor decimal en vector de char
usart_puts(buffer); usart_puts("\r\n");
// enviamos el resultado de la conversión via USART
_delay_ms(50); } }
Al arrancar la consola en la PC el microcontrolador enviará el valor digital resultado de la conversión de tensión de entrada en ADC0 (pin PC0). Si el lector nota cierta imprecisión puede deberse a ruidos en la alimentación o falta de condensadores de desacoplo. Cuando la resolución es mayor a 8 bits a veces es recomendable realizar 4 lecturas y calcular un promedio u otra técnica que logre estabilizar los valores leidos. El módulo ADC utiliza mucho tiempo para la conversión, esto hace que la técnica usada de sampleo no sea eficiente ya que deja al CPU sin posibilidad de hacer otra tarea o simplemente quedar inactivo durante la conversión para bajar el consumo de energía. A continuación estudiaremos las interrupciones y su utilidad para abordar estos problemas.
Interrupciones Una interrupción es un evento externo (o interno) que pausa la ejecución actual del micro para completar una tarea breve y luego continuar donde había quedado. Un ejemplo de interrupción es la detección de un flanco ascendente o descendente en un pin del micro. Poder realizar otras tareas mientras el evento no ocurra libera al microcontrolador de preguntar en cada momento si dicho suceso ocurrió o no.
Consideraciones ● ● ● ● ●
No hacer cálculos intensivos dentro de una interrupción No hacer largos bucles (loops). Codificar, en lo posible, pensando en la simultaneidad de interrupciones. Si se desea modificar una variable global esta debe estar definida como volatile. A veces incluso es necesario algún mecanismo de sincronización de acceso a variables. Mientras se está ejecutando la interrupción el programa principal está detenido.
Fuentes de interrupciones Estas son las dos principales fuentes de interrupción: 1. Interrupción por hardware, que puede darse como respuesta a un cambio externo en un pin o por un timer. 2. Interrupción por software, causada por una o más acciones ejecutadas en el código principal. Vectores de Interrupción Esta es la lista de interrupciones de un ATmega8 ordenado por prioridad: Origen
External Pin, Power-on Reset, Brown-out Reset, and Watchdog Reset
TIMER2_COMP
USART Data Register Empty
EE_DRY
Manejando una interrupción Para manejar una interrupción se debe: ● Habilitar el registro de interrupciones global (bit I de SREG) usando las funciones sei() ● Habilitar la interrupción a manejar en el registro correspondiente. ● Agregar una función con la macro ISR(nombre_de_vector) que contenga el código de la interrupción.
Ejemplo: USART con interrupciones El lector recordará el ejemplo de comunicación serie, en el mencionado ejemplo el micro está constantemente consultando los registros de USART a la espera de un dato en el buffer o esperando que el buffer de transferencia se vacíe. Lo que haremos a continuación es utilizar los vectores de USART mencionados antes, para liberar al micro de dichas tareas. #include <avr/io.h> #include <avr/interrupt.h> #define USART_BAUDRATE 4800 #define BAUD_PRESCALE (F_CPU / 16 / USART_BAUDRATE - 1) int main(void) { UCSRB |= (1 << RXEN) | (1 << TXEN); // Inicializa la USART para envio y recepción. UCSRC |= (1 << URSEL) | (1 << UCSZ0) | (1 << UCSZ1); // Asincrónica, 8,N,1 UBRRH = (BAUD_PRESCALE >> 8); UBRRL = BAUD_PRESCALE; UCSRB |= (1 << RXCIE ); // Habilita la interrupción por recepción de dato USART completada sei(); // Habilita el flag de interrupciones globales for (;;) { // En este ejemplo el CPU está en espera // aquí se podría usar una técnica de // power-saving durmiendo el procesador // (ver en datasheet tema sleep). } } ISR(USART_RXC_vect) { uint8_t datoLeido; datoLeido = UDR; UDR = datoLeido; }
Timers Un timer o temporizador, utilizado obviamente para medir tiempo, en un AVR sirve para hacer tareas de forma asíncrona al programa principal. Esto puede pensarse así debido a que un Timer funciona de forma independiente al núcleo de AVR. Los timers pueden configurarse para producir una salida en un predeterminado pin reduciendo la carga del micro. Un timer debe tener un reloj asociado que le diga el paso, cada pulso incrementa el timer en uno, el timer mide los intervalos en periodos de la siguiente forma:
Esto significa que el menor tiempo posible que el timer puede medir es un periodo de la señal de reloj de entrada. Por ejemplo, si alimentamos al timer con una señal de 100Hz, el periodo sería:
El periodo sería de 0.1 segundos, de modo que nuestro timer mediría en múltiplos de este. Si medimos un retardo de 60 periodos de timer, entonces el retardo total sería 60 veces 0.1 segundos o 0.6 segundos.
Timer sin prescaler Veamos un ejemplo utilizando el circuito de USART, en este caso estamos con una frecuencia trabajo de 1 Mhz de oscilador interno, si deseamos medir por ejemplo 1/25 de segundo tendremos que calcular la cantidad de periodos que hay en ese retardo usando esta fórmula
#include <avr/io.h> int main(void) { DDRD |= (1<<DDD6); TCCR1B |= (1 << CS10);
// Led en PD6 como salida // configura timer1 con reloj=F_CPU / 1
for (;;) { if (TCNT1 >= 39999) { PORTD ^= (1<<PD6); TCNT1 = 0; }
// Ya pasaron 40ms? // hace parpadear el led // pone a 0 el timer
Timer con prescaler En el ejemplo anterior el retardo no puede ser mayor debido a los 16bits del timer, si se necesitara un delay mayor lo que se puede hacer es establecer un prescaler para que divida el reloj en potencias de 2. La resolución con prescaler pasa a tener esta fórmula:
Como trabajamos con 1 Mhz de F_CPU estas son las resoluciones que obtenemos: Valor de prescaler
Resolución (a 1Mhz de F_CPU)
La fórmula de la cuenta del timer pasaría a:
Digamos que el retardo deseado sea de 1Hz estos serían los los valores de cuenta para cada prescaler: Valor de prescaler
Cuenta de timer
975.5625
Usaremos prescaler = 64 con la cuenta en 15624, entonces el código quedaría así: #include <avr/io.h> int main(void) { DDRD |= (1<<DDD6); TCCR1B |= (1 << CS11) | (1 << CS10); for (;;) { if (TCNT1 >= 15624) { PORTD ^= (1<<PD6); TCNT1 = 0; } } }
El ejecutar este código nuestro Led estará titilando con una frecuencia de 1Hz.
Modo CTC Con el modo CTC (Clear on Timer Compare) el hardware nos hará la comparación que realizabamos de forma manual aquí: if (TCNT1 >= 15624)
Estar comparando todo el tiempo este registro es ineficiente, gasta ciclos y un tanto inexacto. El modo CTC la comparación se hace en el firmware basta con cargar el valor de comparación en OCR1A, hace 1 el bit WGM12 de TCCR1B comparando luego el bit OCF1A de TIFR con 1.
#include <avr/io.h> int main(void) { DDRD |= (1<<DDD6); TCCR1B |= (1 << WGM12); OCR1A = 15624;
// Led en PD6 como salida //Modo CTC //valor de comparación
TCCR1B |= (1 << CS11) | (1 << CS10); // configura timer1 con reloj=F_CPU / 64
for (;;) { if (TIFR & (1 << OCF1A)) { PORTD ^= (1<<PD6); TIFR = (1 << OCF1A);
// Ya pasรณ 1s? // hace parpadear el led //borra el flag CTC
Modo CTC con interrupciones Hacemos lo mismo que en modo CTC pero usando interrupciones sin necesidad de estar consultando por el flag, usamos la interrupciรณn TIMER1_COMPA habilitando el bit OCIE1A de TIMSK. #include <avr/io.h> #include <avr/interrupt.h> int main(void) { DDRD |= (1<<DDD6);
// Led en PD6 como salida
TCCR1B |= (1 << WGM12); OCR1A = 15624;
//Modo CTC //valor de comparaciรณn
TIMSK |= (1 << OCIE1A); sei();
// Habilita las interrupciones CTC // activa las interrupciones
TCCR1B |= (1 << CS11) | (1 << CS10); // configura timer1 con reloj=F_CPU / 64 for (;;) { } } ISR (TIMER1_COMPA_vect) { PORTD ^= (1<<PD6); }
// hace parpadear el led
Modo CTC - Output Compare Es posible optimizar aun mรกs nuestro ejemplo anterior colocando el led y la resistencia en PB1 (OC1A) e indicandole al micro que en el momento en que se detecte una igualdad en la comparaciรณn alterne la salida OC1A logramos que el hardware nos haga titilar el led!
#include <avr/io.h> int main(void) { DDRB |= (1<<DDB1);
// Led en PB1 como salida
//Modo CTC //valor de comparaci贸n
// output compare canal A
TCCR1B |= (1 << CS11) | (1 << CS10); // configura timer1 con reloj=F_CPU / 64 for (;;) { } }
Esta claro que esta salida puede ser usada para generar una se帽al cuadrada en OC1A/B de una frecuencia calculada usando las f贸rmulas ya aprendidas ;) De forma similar al Modo CTC con interrupciones se podr铆a habilitar usar el modo normal u overflow donde el contador no se reinicia y se produce un desbordamiento del contador de 8 o 16 bits afectando al bit TOVx del registro TIFR.
PWM El PWM o modulaciรณn por ancho de pulso se lo puede entender como otro funcionamiento de un timer. El objetivo es la generaciรณn de una forma de onda cuadrada de ancho regulable.
Modo Fast-PWM Fรณrmula de PWM resolution
Fรณrmula de la frecuencia del PWM
TCCR1A |= (1 << COM1A1); TCCR1B |= (1 << WGM13) | (1 << CS11); ICR1 = 200; OCR1A = 50; for (;;) { } }
// borra OC1A en comparaciรณn // modo PWM, prescaler=8
// fpwm = 1/(2*200) = 2.5khz // duty = 25%
Registros de PWM Estos son los registros que afectan el funcionamiento del m贸dulo de PWM del microcontrolador.
Modo Phase Correct F贸rmula de la frecuencia del PWM
En este modo el timer cuenta desde 0 hasta el TOP y luego baja desde el valor TOP hasta 0. Debido a esta doble operaci贸n la frecuencia de la se帽al es inferior a Fast PWM pero posee el beneficio de generar una onda sim茅trica.
Modo Phase and Frecuency Correct F贸rmula de la frecuencia del PWM
En este modo la onda queda centrada en el periodo y es sim茅trica en todos sus periodos.
EEPROM Rutinas comunes Definidas en <avr/eeprom.h> para facilitar el acceso a esta memoria uint8_t eeprom_read_byte (const uint8_t *__p) __ATTR_PURE__; uint16_t eeprom_read_word (const uint16_t *__p) __ATTR_PURE__; uint32_t eeprom_read_dword (const uint32_t *__p) __ATTR_PURE__; float eeprom_read_float (const float *__p) __ATTR_PURE__; void eeprom_write_byte (uint8_t *__p, uint8_t __value); void eeprom_write_word (uint16_t *__p, uint16_t __value); void eeprom_write_dword (uint32_t *__p, uint32_t __value); void eeprom_write_float (float *__p, float __value);
Ejemplo de uso uint8_t dato; dato = eeprom_read_byte(( uint8_t *) 32) ;
Acceso por bloque void eeprom_write_block (const void *__src, void *__dst, size_t __n); void eeprom_read_block (void *__dst, const void *__src, size_t __n);
Modificador EEMEM #define EEMEM __attribute__((section(".eeprom")))
#include <avr/eeprom.h> uint8_t EEMEM caracter; uint16_t EEMEM entero; uint8_t EEMEM cadena[10]; int main ( void ) { uint8_t caracterSRAM;
uint16_t enteroSRAM; uint8_t cadenaSRAM[10]; caracterSRAM = eeprom_read_byte(&caracter); enteroSRAM = eeprom_read_word(&entero); eeprom_read_block((void*) &cadenaSRAM, (const void*) &cadena, 10); }
Estableciendo valores iniciales uint8_t EEMEM variable = 45;
Introducción a la programación de microcontroladores AVR Por Felixls http://sergiols.blogspot.com

References: Resolución 

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