Projektowanie urządzeń mikroprocesorowych cz. 2 Wykład 4

Transkrypt

1 Projektowanie urządzeń mikroprocesorowych cz. 2 Wykład 4

2 Etapy projektowania Proste urządzenie mikroprocesorowe 2

3 Zasilanie mikrokontrolera W zależności od potrzeb można wykorzystać wariant podstawowy i rozszerzony Wariant rozszerzony stosowany jest w wypadku potrzeby zapewnienia dużej dokładności działania przetwornika ADC Wariant podstawowy wystarcza w większości pozostałych wypadków 3

4 Zasilanie mikrokontrolera AVR wariant podstawowy 4

5 Zasilanie mikrokontrolera wariant rozszerzony 5

6 Układ resetu mikrokontrolera 6

7 Układ resetu mikrokontrolera Układ resetu przedstawiony na powyższym umożliwia pewny restart mikrokontrolera w przypadku zaniku zasilania (niezależnie od układu BOD). Przycisk S1 jest opcjonalny umożliwia ręczne wymuszenie resetu 7

8 Rezonator taktujący mikrokontroler 8

9 Rezonator taktujący mikrokontroler W przypadku użycia zewnętrznego rezonatora kwarcowego zamiast wbudowanego wzorca RC o małej stabilności, niezbędne jest podłączenie dwóch kondensatorów (C1 i C2). Pojemność tych kondensatorów powinna być taka sama i wynosić ok pF 9

10 Złącze programatora ISP 10

11 Złącze programatora ISP Mimo podłączenia gniazda programatora, linie MISO, MOSI i SCK nadal mogą pełnić rolę portów I/O lub magistrali SPI. Należy jednak zadbać, by urządzenie podłączone do tych portów nie zakłócało procesu programowania obciążając linie programatora lub wysyłając swoje dane. Najlepszym sposobem jest odłączanie urządzenia na czas programowania, np. za pomocą zworek 11

12 Urządzenia wejściowe - przycisk 12

13 Urządzenia wejściowe - przycisk Podłączenie styku zwierającego do VCC wymaga użycia zewnętrznego rezystora ustalającego domyślny stan niski wejścia mikrokontrolera W przypadku styku zwierającego do masy wystarczy wykorzystać wbudowany w mikrokontroler rezystor podciągający 13

14 Urządzenia wejściowe - przycisk Przełączniki i przyciski dostępne są w wariantach NO (normalnie rozwarty) i NC (normalnie zwarty) - podłączenie obydwu jest identyczne Podczas działania styku generowana jest zwykle pewna liczba fałszywych impulsów zanim położenie styku ustabilizuje się. Ich występowanie i liczba jest zależna od budowy i jakości styku. Problem ten zwykle eliminuje się programowo 14

15 Urządzenia wejściowe enkoder (impulsator) obrotowy 15

16 Urządzenia wejściowe enkoder (impulsator) obrotowy Enkoder obrotowy jest przetwornikiem umożliwiającym zliczaniem obrotów i pomiar kąta obrotu Występuje w wersji mechanicznej (nie wymagającej zasilania) i optomechanicznej (wymaga zasilania) Posiada dwa wyjścia A i B, na których generowane są przebiegi prostokątne przesunięte wzajemnie w fazie 16

17 Urządzenia wejściowe enkoder (impulsator) obrotowy Kierunek obrotu można określić sprawdzając stan jednej linii enkodera podczas pojawienia się impulsu na drugiej Najprostszą sposobem obsługi enkodera jest wykorzystanie przerwań zewnętrznych 17

18 Urządzenia wyjściowe dioda LED 18

19 Urządzenia wyjściowe dioda LED Wydajność prądowa wyjść mikrokontrolera wystarcza do zasilenia diody małej mocy W przypadku potrzeby użycia diody średniej lub dużej mocy (wymagającej zwykle wyższego napięcia) niezbędne jest użycie tranzystora 19

20 Urządzenie wyjściowe buzzer 20

21 Urządzenie wyjściowe buzzer Prąd dostarczy bezpośrednio przez wyjście mikrokontrolera w większości wypadków wystarczy, by buzzer wyposażony w wewnętrzny generator wydał dźwięk, ale głośność jest zwykle zbyt mała. Problem ten eliminuje użycie tranzystora 21

22 Urządzenia wyjściowe - przekaźnik 22

23 Urządzenia wyjściowe - przekaźnik Obciążenia indukcyjne takie jak przekaźnik czy elektromagnes nie powinny być nigdy podłączane bezpośrednio do portów mikrokontrolera może to spowodować uszkodzenie portu Obciążenie indukcyjne powinno być zbocznikowane szybką diodą (włączoną w kierunku zaporowym) 23

24 Sterowanie multipleksowe Sterowanie multipleksowe jest techniką sterowania elementami wejściowymi (np. przyciski) lub wyjściowymi (np. wyświetlacz 7- segmentowy LED) połączonymi w matrycę. W danym momencie jest aktywny tylko jeden wiersz (lub kolumna) matrycy, kolejne wiersze (lub kolumny) wybierane są w regularnych odstępach czasu 24

25 Sterowanie multipleksowe Zalety Zmniejszenie liczby linii koniecznych do sterowania elementami W przypadku elementów wyjściowych świecących (np. diody LED) zwiększenie jasności świecenia i ograniczenie zużycia prądu Wady Komplikacja programu lub układu sterującego matrycą 25

26 Multiplekser wejściowy - klawiatura 26

27 Wyświetlacz 7-segmentowy LED 27

28 Multiplekser wyjściowy wyświetlacz LED 28

29 Zwiększanie wydajności wyjściowej I/O układy ULN2xxx Układy serii ULN2xxx są scalonymi stopniami mocy, zawierające w swojej strukturze kilka identycznych układów wykonawczych w konfiguracji Darlingtona Układy ULN2xxx umożliwiają sterowanie podłączeniem od strony masy (wyjście typu otwarty kolektor) Ze względu na duże wzmocnienie mogą być sterowane szerokim zakresem napięć, w tym zgodnymi z TTL 29

30 Zwiększanie wydajności wyjściowej I/O układy ULN2xxx Większość układów serii ULN2xxx posiada wbudowane diody zabezpieczające tranzystory wyjściowe Występują w obudowach THT i SMD 30

31 Zwiększanie wydajności wyjściowej I/O układy ULN2xxx Przykładowe podłączenie układu ULN2803 do portu D mikrokontrolera 31

32 Niedobór linii I/O Zbyt mała liczba dostępnych linii I/O jest jednym z najczęstszych problemów podczas projektowania urządzeń mikroprocesorowych Problem ten wymusza często na projektancie wykorzystanie modelu mikrokontrolera o większej liczbie linii lub rozbudowę układu o bloki przełączające sygnały 32

33 Niedobór linii I/O Na zapotrzebowanie na linie I/O wpływają Wykorzystanie wielu układów wejściowych/wyjściowych (przyciski, diody LED itp.), które nie mogą być podłączone do wspólnej linii Konflikty adresów, np. na magistrali I2C i potrzeba podziału magistrali Potrzeba zapewnienia dużej szybkości sterowania 33

34 Niedobór linii I/O Na zapotrzebowanie na linie I/O wpływają Korzystanie z przetwornika ADC mikrokontrolera do pomiaru sygnałów analogowych Wykorzystanie alternatywnych funkcji portów Różnice w poziomach napięć sterujących podłączonymi układami 34

35 Niedobór linii I/O Metody radzenia sobie z niedoborem linii I/O Podłączenie kilku układów do jednej linii Rejestry przesuwne Dekodery Bufory trójstanowe i klucze analogowe Multipleksery Sterowanie multipleksowe Mechanizmy umożliwiające odłączenie układu od linii: wejścia ENABLE (E, EN), wejścia wyboru układu (CS), tryby uśpienia 35

36 Niedobór linii I/O Podłączenie kilku układów do jednej linii Metoda ta polega na podłączeniu do wspólnej linii kilku układów, którymi można sterować w sposób niekonfliktowy, nie powodujące nadmiernego obciążenia linii Wady: wymaga przemyślanego połączenia i sterowania Zalety: zwykle prostota od strony elektronicznej Przykład: złącze programatora ISP i urządzenie SPI 36

37 Niedobór linii I/O Rejestr przesuwny Umożliwia konwersję danych w postaci szeregowej na postać równoległą Zalety: stała liczba zajętych linii bez względu na długość rejestru Wady: komplikacja układu, zużycie zasobów 37

38 Niedobór linii I/O 38

39 Niedobór linii I/O Dekoder 1 z X Układ pozwalający na wybór jednego wyjścia z kilku dostępnych. Może sterować bezpośrednio układem wyjściowym lub innym układem sterującym (np. kluczem analogowym) Zalety: nie wymaga dodatkowych zasobów mikrokontrolera do sterowania, prostota Wady: posiada tylko wyjścia, możliwość sterowania tylko jednym urządzeniem wyjściowym, niewielka liczba wyjść 39

40 Niedobór linii I/O 40

41 Niedobór linii I/O Bufory trójstanowe Umożliwiają przełączanie linii I/O Działają w jednym kierunku Zależnie od typu, mają możliwość sterowania indywidualnego lub grupowego Zalety: prostota, nie wymaga dodatkowych zasobów mikrokontrolera Wady: jednokierunkowe 41

42 Niedobór linii I/O Klucze analogowe Umożliwiają przełączanie sygnałów analogoych i cyfrowych Działają w obu kierunkach Zalety: prostota, nie wymaga dodatkowych zasobów mikrokontrolera Wady: brak wersji wielokanałowej (komplikacja połączeń) 42

43 Niedobór linii I/O 43

44 Niedobór linii I/O Multipleksery z X na Y Jedno- lub dwukanałowe układy umożliwiające przełączanie sygnałów cyfrowych i analogowych W jednej obudowie może być jeden lub kilka multiplekserów Różnią się liczbą wejść/wyjść pojedynczego multipleksera Zalety: prostota, nie wymaga dodatkowych zasobów mikrokontrolera Wady: brak 44

45 Niedobór linii I/O 45

46 Niedobór linii I/O Metody radzenia sobie z niedoborem linii I/O Sterowanie multipleksowe urządzeń wejściowych lub wyjściowych Wady: niewielka grupa urządzeń mogących być w ten sposób sterowana, ograniczenia co do wielkości matrycy, stosunkowo duże zapotrzebowanie na zasoby (głównie czas), komplikacja programu sterującego Zalety: uproszczenie układu połączeń 46

47 ATNEL ATB Zestaw deweloperski ATNEL ATB 47

48 Zestaw deweloperski ATNEL ATB 48

49 Czym jest zestaw deweloperski Jest to urządzenie składające się z modułów (bloków), z których można zbudować określone urządzenia wkładając w to minimalną pracę. W przypadku zestawów deweloperskich do projektowania i testowania urządzeń mikroprocesorowych praca ta ogranicza się zwykle do wykonania połączeń złączkami kablowymi, podłączeniu zasilania i napisaniu programu. Dowolność w sposobie łączenia bloków pozwala na zbudowanie prototypu możliwie podobnego do finalnego urządzenia. 49

50 Wyposażenie zestawu ATNEL ATB Mikrokontroler Atmel ATmega32 Port szeregowy (emulowany po USB) FT232 Wyświetlacz alfanumeryczny 2x16 znaków Wyświetlacz LED ze wspólną anodą (4 cyfry) Diody LED z anodą podłączoną do VCC (8 szt.) Buzzer z generatorem Przyciski zwierające do masy (5 szt.) Potencjometr (dzielnik napięcia) Pamięć EEPROM 24C04 50

51 Wyposażenie zestawu ATNEL ATB Gniazdo karty SD z konwerterem napięć Wyjście mocy (8 kanałów) ULN2803 Podwójny mostek H L293D Zegar RTC PCF8583 Termometr DS18B20 Odbiornik podczerwieni TFMS5360 Zasilacz Wyprowadzone wszystkie porty I/O 51

52 Możliwości zestawu ATNEL ATB Wbudowany programator (programowanie przez port USB) Oprogramowanie może być pisane w dowolnym języku Zasilanie z zasilacza lub przez USB (wszystkie elementy posiadają podłączone zasilanie) Współpraca z modułami Arduino 52