WYKORZYSTANIE MIKROKONTROLERÓW KŁ ZSP W pracy wykorzystano materiały autorstwa. Rafała Frąckiewicza. z firmy PAM w Jeleniej Górze

Transkrypt

1 WYKORZYSTANIE MIKROKONTROLERÓW KŁ ZSP W pracy wykorzystano materiały autorstwa Rafała Frąckiewicza z firmy PAM w Jeleniej Górze

2 Mikroprocesor i mikrokontroler podobieństwa i różnice MIKROPROCESOR: duży pobór prądu (>1A) duża moc obliczeniowa duża liczba niezbędnych układów pomocniczych dość wysoka cena MIKROKONTROLER: niewielki pobór prądu (<10mA) mała lub średnia moc obliczeniowa minimalna liczba niezbędnych elementów pomocniczych niewielka cena (<1 US$). Dodatkowe cechy: możliwość przejścia w stan uśpienia, sprzętowe zabezpieczenia przed zawieszeniem się programu (watchdog).

3 Najważniejsi producenci mikrokontrolerów Microchip - procesory rodziny PIC Philips - procesory rodz. 8051,ARM Freescale (do 2004 r. jako Motorola) - rodziny HC05,08,11,16,32... Atmel , AVR Hitachi - Renesas ST Microelectronics - ST6,ST7...

4 Udział mikrokontrolerów (MCU) w rynku Rynek elementów półprzewodnikowych - ok. 246 mld US$ Rynek mikrokontrolerów - ok. 26 mld US$ (przychody ze sprzedaży) Cechy rynku: Ponad 40 producentów MCU Ponad 50 oferowanych architektur MCU Żadna z architektur nie przekracza 5% udziału w całym rynku Proporcje udziału poszczególnych grup zastosowań: zast. przemysłowe: 9 mld US$ zast. konsumenckie: 6 mld US$ zast. motoryzacyjne: 11 mld US$

5 Procesory rodziny HC05 - wstępne informacje Procesor 68HCJ1A - wersja w obudowie DIP Opis wyprowadzeń: - Reset - Zerowanie procesora, sygnał aktywny w stanie niskim. - IRQ - wejście zewnętrznego przerwania niemaskowalnego - PA7 PA0 - wyprowadzenia zewnętrznego, dwukierunkowego portu danych (portu A) - 7 bitów -PB5 PB0 - wyprowadzenia zewnętrznego, dwukierunkowego portu danych (portu B) - 5 bitów -OSC1,2 - wejścia do podłączenia rezonatora kwarcowego lub ceramicznego - VCC - Zasilanie + - VSS - Zasilanie -

6 Schemat blokowy Procesor 68HCJ1A

7 Rejestry mikrokontrolera 68HCJ1A

8 Lista rozkazów procesora HC05 - grupy instrukcji Instrukcje typu rejestr/pamięć instrukcje typu czytaj-modyfikuj-zapisz instrukcje skoków i rozgałęzień instrukcje manipulacji bitami instrukcje sterujące Ciekawe może być wykorzystanie instrukcje manipulacji na bitach Umożliwiają zapis lub odczyt dowolnego bitu z obszaru pierwszych 256 bajtów przestrzeni adresowej procesora. Do tej grupy można również zaliczyć wybrane instrukcje skoków warunkowych

9 Przykład zastosowania instrukcji operacji bitowych BSET 4,PORTA ; ustaw bit nr 4 portu A (PA4) w stan wysoki (PA4=1) bez sprawdzania warunków BCLR 2,PORTB; skasuj bit PB2 (tzn. PB2=0) bez sprawdzania warunków Instrukcje tej grupy są bardzo przydatne przy sterowaniu pojedynczych wyjść/wejść procesora

10 Sprzęganie mikrokontrolera z urządzeniami wejścia/wyjścia (I/O); Podstawowe zagadnienie: jak wprowadzić do procesora (MCU) lub wyprowadzić z niego sygnał sterujący. Pojawiają się tu następujące problemy: a) dostosowanie poziomów napięć i prądów sygnałów do wymagań procesora b) ochrona przed zakłóceniami oraz ich skutkami. c) konwersja postaci sygnału (np. z postaci szeregowej na równoległą, zmiana protokołu sygnału). d) zapewnienie właściwych uwarunkowań czasowych (np. czas reakcji na zdarzenie krytyczne).

11 Przykład użycia procesora HC05 pilot RTV

12 Sposoby sterowania obciążeniami indukcyjnymi stosowane w mikrokontrolerach Przy sterowaniu obciążeń indukcyjnych pojawiają się specyficzne problemy - przepięcia mogące uszkodzić porty procesora; ponadto wydajność prądowa portu jest zwykle niewystarczająca np. do załączenia przekaźnika; dlatego zalecane jest stosowanie tranzystorów pośredniczących i diod antyprzepięciowych; Schemat przedstawia prosty przykład na bazie procesora atmega128 (moduł Mmnet firmy Propox)

13 Sterowanie urządzeń mocy - wybrane zagadnienia Przy sterowaniu urządzeń zasilanych napięciem 230V AC lub wyższym pojawia się problem bezpieczeństwa operatora oraz zabezpieczenia mikrokontrolera przed uszkodzeniami. Najlepszym rozwiązaniem jest separacja galwaniczna (oddzielenie elektryczne urządzeń). Rozwiązanie 1 - optoizolacja = użycie transoptora

14 Sterowanie urządzeń mocy przy wykorzystaniu triaków i diaków Elementem wykonawczym często jest tyrystor lub triak. Jego główną zaletą jest brak elementów mechanicznych i stąd duża trwałość (liczba cykli łączeniowych >108)

15 Przykład aplikacji - minirobot zadanie nawigacyjne = śledzenie czarnej linii narysowanej na podłożu Fizyczna realizacja projektu

16 Schemat blokowy układu sterowania

17 Przykład aplikacji - minirobot zadanie nawigacyjne = śledzenie czarnej linii narysowanej na podłożu Schemat połączeń

18 Inne zastosowanie transoptora - czujnik optyczny podłoża

19 Mikrokontrolery AVR (firmy ATMEL) Współpraca mikrokontrolera z układami zewnętrznymi

20 Mikrokontrolery AVR Schemat blokowy Nowości: Wbudowany UART (układ transmisji szeregowej) Programowanie ISP (w systemie)

21 Narzędzie potrzebne do pracy z systemem -programator ISP Koszt zakupu elementów poniżej 10 zł

22 Układ docelowy do współpracy z programatorem

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43 Współpraca mikrokontrolera z układami zewnętrznymi Mikrokontrolery AVR. Część 2 1. Czujniki w systemach mikroprocesorowych - Stykowe - Optoelektroniczne - Napięciowe 2. Klawiatury w systemach mikroprocesorowych 3. Wyswietlanie informacji w systemie mikroprocesorowym wyświetlacze LED, wyświetlacze LCD 4. Współpraca mikrokontrolera z układami dużej mocy 5. Przykładowe rozwiazania konstrukcyjne w systemie mikroprocesorowym

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56 Wykorzystano materiały Rafała Frąckiewicza z firmy PAM w Jeleniej Górze

57

58

59

60

61 PRZYKŁADY ROWIĄZAŃ WYKORZYSTUJĄCYCH MIKROKONTROLERY Schemat podłączenia sterowników Projekt 1 System sterowania wentylatorami w szklarni. Ważnym elementem upraw roślin i warzyw jest zapewnienie prawidłowych parametrów otoczenia. Kontrola temperatury i wilgotności pozwala zwiększyć wydajność w uprawach. Prezentowany system automatyki pozwala na monitorowanie parametrów jakie panują w szklarni. Do sterowania pracą wentylatorów wykorzystano popularny sterownik LOGO oraz dodatkowe układy monitorujące przekroczenie mierzonych parametrów. Opis działania Urządzenia te maja możliwość nastawienia progów przekroczenia mierzonych parametrów. Gdy zostanie przekroczony jeden z parametrów sygnał alarmu zostaje przekazany do sterownika LOGO który rozpoczyna procedurę załączenia wentylatorów. Gdy wymagane parametry powrócą do normy sterownik wyłącza wentylatory. System jest bardzo prosty w działaniu i podłączeniu. Wykonany jest w postaci szafy sterowniczej do której podłączane sa czujniki i wyprowadzenia wentylatorów.

62 PRZYKŁADY ROWIĄZAŃ WYKORZYSTUJĄCYCH MIKROKONTROLERY Schemat podłączenia sterowników Projekt 2 System wykrywania zalania pomieszczeń Często przy wiosennych roztopach dochodzi do zalewania pomieszczeń gospodarczych lub piwnic. Składowane tam materiały ulegają zniszczeniu, gdy nie wiemy, e w pomieszczeniu jest woda. Można uniknąć takich sytuacji poprzez zainstalowanie pompy, której zadaniem będzie wypompowanie wody z zalanego pomieszczenia. A my zostaniemy poinformowani poprzez alarm o zalaniu pomieszczenia. Opis działania - Układ elektronicznego czujnika zalania monitoruje pomieszczenie. Dodatkowo dokonuje pomiaru temperatury i wilgotności, jaka tam panuje. W momencie wykrycia wody uruchamiany jest alarm akustyczny i podawany jest sygnał do sterownika PLC, aby ten załaczył układ sterowania pompy wybierającej wodę. Elektrody pomiarowe możemy umieścić bezpośrednio na podłodze pomieszczenia. W ten sposób możemy monitorować czy wystąpiło zalanie pomieszczenia. Możemy również umieścić elektrody na pewnej wysokości i w ten sposób możemy określić czy alarmowy poziom wody został przekroczony i na tej podstawie rozpocznie sie procedura uruchamiania pompy. Oczywiście możemy prezentowany system rozbudować o kolejne elementy alarmowe czy sterowania dostosowując go do indywidualnych potrzeb.

63 PRZYKŁADY ROWIĄZAŃ WYKORZYSTUJĄCYCH MIKROKONTROLERY Projekt 3 Sterowanie i kontrola pomieszczeń przez sieć Ethernet Ciągły rozwój techniki cyfrowej i mikroprocesorowej oraz transmisji danych, wymusił konstruowanie systemów bezpieczeństwa. Zgrupowanie serwerów i innych urządzeń technicznych w jednym pomieszczeniu stworzyło niebezpieczeństwo wystąpienia pożaru i zniszczenia drogiego sprzętu elektronicznego. Duże firmy informatyczne i telekomunikacyjne wyposażają takie pomieszczenia w klimatyzatory i systemy monitorujące parametry środowiska. Systemy takie możemy podzielić na te które monitorują i automatycznie uruchamiają alarmy przeciwpożarowe, oraz te które poza automatyką potrafią gromadzić dane w bazach i dostarczać na bieżąco komunikaty o nieprawidłowościach pracy systemu. Coraz powszechniej do tego celu stosowane są małe jednoukładowe systemy mikroprocesorowe oparte o niewielkie mikrokontrolery. Mikrokontrolery te mierzą i podejmują decyzję o uruchomieniu automatyki. Wyposaża się je w interfejsy komunikacyjne za pomocą których użytkownik może dowolnie i w sposób zdalny konfigurować system. Obecnie najczęściej stosuje się sieć etherhet, która podłączona do modemu jest dostępna niemal w każdym punkcie świata. Do kontroli działania przez obsługę stosuje się port RS232. Tego typu sterowniki możemy również spotkać z możliwością podłączenia do sieci ethernet. Potrafią one również sterować innymi urządzeniami na podstawie ustawionych parametrów. Przykładem takiego sterownika jest ETH T1 i Mini ETH. Oba z nich mają możliwość podłączenia do sieci i potrafią automatycznie uruchomić wentylator czy też inne urządzenia elektryczne. Są jednak o wiele tańsze od sterowników instalowanych w systemach klimatyzacji.

64 PRZYKŁADY ROWIĄZAŃ WYKORZYSTUJĄCYCH MIKROKONTROLERY Rozwiązania Embedded Linux - minimoduł firmy Gumstix Więcej informacji na stronie -

65 Kompatybilność elektromagnetyczna a mikrokontrolery - wybrane zagadnienia Według definicji pod pojęciem kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) należy rozumieć: Odporność na zakłócenia przedostające się z zewnątrz do układu Niski poziom zakłóceń generowanych Zagadnienia związane z ta tematyka opisuje norma ISO/IEC Więcej na ten temat można też znaleźć w następującej literaturze Intel - Application Note AP-125 ST - Application Note AN1015 i inne

66 Objawy niekompatybilności EMC Niestabilność systemu - np. resetowanie sterownika przy zmianach napięcia zasilania załączenie innego odbiornika w sieci powoduje zawieszenie programu zakłócanie pracy innych urządzeń. Wszystkie urządzenia sprzedawane w UE muszą spełniać wymagania EMC. Należy przy tym rozróżniać EMC od EMS czyli podatności elektromagnetycznej

67 Przykładowe źródła zakłóceń impulsy zakłócające z obwodu zasilania Wyładowanie elektrostatyczne w obudowę urządzenia Model zastępczy obwodu zasilania - wyłączenie obciążenia R1, R2 powoduje przepięcie indukcyjne.

68 Przykładowe źródła zakłóceń Wyładowania iskrowe Częste źródło problemów w układach motoryzacyjnych (układ zapłonowy wysokie napięcie). Występują również w układach zawierających silniki komutatorowe (iskrzenia na szczotkach). Użycie w takich warunkach sterownika mikroprocesorowego wymaga specjalnych środków zaradczych. Więcej informacji na ten temat: Intel - nota aplikacyjna AP-125

69 Programowe metody polepszenia niezawodności systemów mikroprocesorowych Specjalna konstrukcja programu - sprawdzanie w pętli, czy nie nastąpiło zakłócenie pracy programu Przydatne jest użycie watchdoga (ang. pies łańcuchowy) jest to urządzenie lub program, najczęściej układ elektroniczny, chroniący system mikroprocesorowy przed zbyt długim przebywaniem w stanie zawieszenia. Jego działanie polega na zresetowaniu procesora w przypadku nieotrzymania w określonym czasie sygnału generowanego przez program. Więcej informacjina ten temat - Nota ST Microelectronics = AN1015