اموزش مفاهیم و کاربردهای وقفه‌ها در میکروکنترلرهای AVR

اموزش مفاهیم و کاربردهای وقفه‌ها در میکروکنترلرهای AVR میکروکنترلرها به‌عنوان واحدهای پردازش مرکزی در سیستم‌های تعبیه‌شده به‌شمار می‌روند و استفاده از وقفه‌ها (Interrupts) یکی از مهم‌ترین تکنیک‌هایی است که برای بهبود کارایی این سیستم‌ها به کار می‌رود. وقفه‌ها این امکان را فراهم می‌کنند که سیستم بتواند بدون نیاز به نظارت مستمر، به رویدادهای خارجی یا داخلی پاسخ دهد. این مقاله به بررسی مفاهیم وقفه‌ها در میکروکنترلرهای AVR می‌پردازد و نحوه استفاده از آن‌ها را به‌صورت کامل توضیح می‌دهد. همچنین در این مقاله، به کاربردهای عملی وقفه‌ها در میکروکنترلرهای AVR پرداخته شده است.

وقفه چیست؟

وقفه (Interrupt) در سیستم‌های تعبیه‌شده یک مکانیزم است که به پردازنده این امکان را می‌دهد که اجرای یک برنامه را موقتاً متوقف کرده و به‌جای آن به پردازش یک رویداد مهم‌تر بپردازد. زمانی که یک وقفه رخ می‌دهد، CPU اجرای برنامه عادی را متوقف کرده و یک تابع به نام روتین سرویس وقفه (ISR: Interrupt Service Routine) را اجرا می‌کند. پس از اتمام این روتین، CPU به محل قبلی اجرای برنامه بازمی‌گردد و ادامه کار را دنبال می‌کند. این روش به میکروکنترلر اجازه می‌دهد تا به رویدادهای مهم‌تر مانند تغییرات در ورودی‌های سنسور، دریافت داده از پورت‌های ارتباطی و یا وقوع خطاها پاسخ سریع دهد.

چرا از وقفه‌ها استفاده می‌کنیم؟

در سیستم‌های تعبیه‌شده‌ای که به پردازش بلادرنگ نیاز دارند، وقفه‌ها نقش کلیدی در تضمین واکنش به موقع سیستم به رویدادهای مختلف دارند. اگر از وقفه‌ها استفاده نشود، سیستم باید به‌صورت مداوم وضعیت ورودی‌ها را بررسی کند که باعث هدر رفتن منابع و انرژی می‌شود. برخی از مزایای استفاده از وقفه‌ها عبارتند از:

• واکنش سریع به رویدادها: به محض وقوع رویداد، CPU به جای انتظار در حلقه‌های برنامه، بلافاصله به وقفه پاسخ می‌دهد.
• کاهش مصرف انرژی: میکروکنترلرها می‌توانند در حالت خواب (Sleep Mode) قرار گیرند و تنها در صورت وقوع وقفه بیدار شوند.
• بهبود کارایی سیستم: CPU می‌تواند وظایف اصلی خود را بدون وقفه ادامه دهد و تنها در زمان نیاز به رویداد خاص پاسخ دهد.

انواع وقفه‌ها در AVR

میکروکنترلرهای AVR از دو نوع وقفه اصلی پشتیبانی می‌کنند:

1. وقفه‌های خارجی (External Interrupts): این نوع وقفه‌ها به وسیله رویدادهایی که خارج از میکروکنترلر رخ می‌دهد فعال می‌شوند، مانند تغییر وضعیت یک پین ورودی (مثلاً فشار دادن یک کلید). وقفه‌های خارجی به پین‌های خاصی در میکروکنترلر مرتبط هستند (مانند INT0، INT1، و INT2).
2. وقفه‌های داخلی (Internal Interrupts): این نوع وقفه‌ها توسط رویدادهایی که داخل میکروکنترلر رخ می‌دهند ایجاد می‌شوند. مثلاً پایان شمارش یک تایمر یا تکمیل تبدیل آنالوگ به دیجیتال توسط ADC.

مهم‌ترین منابع وقفه در AVR:

• وقفه‌های تایمر/کانتر (Timer/Counter Interrupts): این وقفه‌ها توسط تایمرها و کانترهای داخلی میکروکنترلر ایجاد می‌شوند.
• وقفه‌های ADC (Analog to Digital Converter): این وقفه زمانی رخ می‌دهد که تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال کامل شود.
• وقفه‌های سریال (USART/Serial Interrupts): برای ارتباطات سریال مانند ارسال و دریافت داده از طریق USART.
• وقفه‌های مقایسه‌ای (Comparator Interrupts): زمانی که مقایسه‌کننده آنالوگ مقداری را تطبیق دهد، این وقفه رخ می‌دهد.

تنظیم و استفاده از وقفه‌ها در AVR

برای استفاده از وقفه‌ها در AVR باید مراحل زیر را انجام دهید:

1. فعال‌سازی وقفه‌ها

برای اینکه CPU بتواند وقفه‌ها را مدیریت کند، باید وقفه‌ها به‌طور کلی فعال شوند. در AVR، این کار با استفاده از دستور sei() در زبان C انجام می‌شود. این دستور بیت I (Interrupt Enable Bit) را در رجیستر وضعیت (SREG) فعال می‌کند.

sei(); // فعال‌سازی وقفه‌ها

همچنین، برای غیرفعال کردن وقفه‌ها می‌توان از دستور cli() استفاده کرد.

2. تعریف روتین سرویس وقفه (ISR)

هر وقفه نیاز به یک تابع خاص به نام ISR دارد که کار مورد نظر را در هنگام وقوع وقفه انجام دهد. این توابع باید بدون آرگومان و مقدار بازگشتی باشند. برای مثال، در زبان C برای AVR، از ماکرو ISR() برای تعریف این توابع استفاده می‌شود.

ISR(INT0_vect) {
   // کد سرویس‌دهی به وقفه INT0
}

3. تنظیم رجیسترهای مربوط به منبع وقفه

برای هر منبع وقفه، باید رجیسترهای خاص آن منبع را تنظیم کرد. به‌عنوان مثال، اگر بخواهید از وقفه خارجی INT0 استفاده کنید، باید تنظیمات رجیسترهای EIMSK (برای فعال‌سازی وقفه) و EICRA (برای تنظیم نوع تحریک) را انجام دهید.

EIMSK |= (1 << INT0);  // فعال‌سازی وقفه INT0
EICRA |= (1 << ISC01); // تنظیم وقفه INT0 برای لبه پایین‌رونده

مثال عملی: وقفه تایمر برای روشن و خاموش کردن LED

در این بخش، از وقفه تایمر برای کنترل یک LED متصل به پین میکروکنترلر استفاده می‌کنیم. در این مثال، LED هر زمان که تایمر سرریز شود، وضعیت خود را تغییر می‌دهد.

1. تنظیم تایمر

برای تنظیم تایمر، باید رجیسترهای تایمر مانند TCCR1B و TIMSK1 تنظیم شوند. در این مثال، از تایمر ۱ برای فعال‌سازی وقفه سرریز استفاده می‌شود.

TCCR1B |= (1 << CS12);  // تنظیم پیش‌تقسیم‌کننده برای تایمر 1
TIMSK1 |= (1 << TOIE1); // فعال‌سازی وقفه سرریز تایمر 1
sei();                  // فعال‌سازی کلی وقفه‌ها

2. تعریف ISR برای وقفه تایمر

تابع ISR برای پاسخ به وقفه سرریز تایمر تعریف می‌شود. در این تابع، وضعیت LED متصل به پین PB0 تغییر می‌کند.

ISR(TIMER1_OVF_vect) {
    PORTB ^= (1 << PB0); // تغییر وضعیت LED متصل به پین PB0
}

3. اجرای برنامه

پس از تنظیم تایمر و تعریف ISR، LED به‌صورت منظم روشن و خاموش می‌شود. تایمر به‌صورت خودکار شمارش می‌کند و هر بار که به انتها می‌رسد، وقفه سرریز اجرا می‌شود و LED تغییر وضعیت می‌دهد.

کاربردهای عملی وقفه‌ها در سیستم‌های تعبیه‌شده

وقفه‌ها در بسیاری از کاربردهای عملی در سیستم‌های تعبیه‌شده به کار می‌روند. برخی از این کاربردها عبارتند از:

• کنترل رباتیک: در ربات‌ها و سیستم‌های خودکار، وقفه‌ها به میکروکنترلر اجازه می‌دهند به رویدادهای فوری مانند برخورد با موانع یا دریافت سیگنال‌های حسگرها پاسخ دهد.
• سیستم‌های بی‌سیم و ارتباطات سریال: وقفه‌ها در مدیریت دریافت و ارسال داده‌ها در پروتکل‌های ارتباطی مانند UART و SPI بسیار مفید هستند.
• پروژه‌های حساس به مصرف انرژی: در پروژه‌هایی که مصرف انرژی اهمیت دارد، میکروکنترلرها می‌توانند در حالت خواب قرار گیرند و تنها در صورت وقوع وقفه (مثلاً از یک تایمر یا سنسور) فعال شوند.

نتیجه‌گیری

اموزش مفاهیم و کاربردهای وقفه‌ها در میکروکنترلرهای AVR ، وقفه‌ها یک ابزار بسیار قدرتمند در میکروکنترلرهای AVR هستند که به بهبود کارایی، واکنش‌پذیری و کاهش مصرف انرژی سیستم‌های تعبیه‌شده کمک می‌کنند. با استفاده از وقفه‌ها، می‌توانیم به رویدادهای خارجی و داخلی به‌صورت بلادرنگ پاسخ دهیم، بدون اینکه نیاز به بررسی مداوم و پیوسته وضعیت سیستم باشد. آشنایی با نحوه استفاده از وقفه‌ها و تنظیم دقیق آن‌ها، یکی از مهارت‌های کلیدی در طراحی سیستم‌های تعبیه‌شده کارآمد و پایدار است.

منابع برای مطالعه بیشتر

• دیتاشیت‌های AVR: برای اطلاع از رجیسترها و ویژگی‌های دقیق هر وقفه.
• کتاب‌های تخصصی سیستم‌های تعبیه‌شده: مانند “Programming Embedded Systems” که به مفاهیم وقفه‌ها و دیگر مباحث پیشرفته پرداخته‌اند. اموزش وقفه‌ در میکروکنترلر AVR