WYKORZYSTANIE MIKROKONTROLERÓW KŁ ZSP4 2013 W pracy wykorzystano materiały autorstwa Rafała Frąckiewicza z firmy PAM w Jeleniej Górze
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$). Dodatkowe cechy: możliwość przejścia w stan uśpienia, sprzętowe zabezpieczenia przed zawieszeniem się programu (watchdog).
Najważniejsi producenci mikrokontrolerów Microchip - procesory rodziny PIC Philips - procesory rodz. 8051,ARM Freescale (do 2004 r. jako Motorola) - rodziny HC05,08,11,16,32... Atmel - 8051, AVR Hitachi - Renesas ST Microelectronics - ST6,ST7...
Udział mikrokontrolerów (MCU) w rynku Rynek elementów półprzewodnikowych - ok. 246 mld US$ 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$
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 -
Schemat blokowy Procesor 68HCJ1A
Rejestry mikrokontrolera 68HCJ1A
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
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
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).
Przykład użycia procesora HC05 pilot RTV
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)
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
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)
Przykład aplikacji - minirobot zadanie nawigacyjne = śledzenie czarnej linii narysowanej na podłożu Fizyczna realizacja projektu
Schemat blokowy układu sterowania
Przykład aplikacji - minirobot zadanie nawigacyjne = śledzenie czarnej linii narysowanej na podłożu Schemat połączeń
Inne zastosowanie transoptora - czujnik optyczny podłoża
Mikrokontrolery AVR (firmy ATMEL) Współpraca mikrokontrolera z układami zewnętrznymi
Mikrokontrolery AVR Schemat blokowy Nowości: Wbudowany UART (układ transmisji szeregowej) Programowanie ISP (w systemie)
Narzędzie potrzebne do pracy z systemem -programator ISP Koszt zakupu elementów poniżej 10 zł
Układ docelowy do współpracy z programatorem
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
Wykorzystano materiały Rafała Frąckiewicza z firmy PAM w Jeleniej Górze
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.
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.
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.
PRZYKŁADY ROWIĄZAŃ WYKORZYSTUJĄCYCH MIKROKONTROLERY Rozwiązania Embedded Linux - minimoduł firmy Gumstix Więcej informacji na stronie - www.gumstix.com
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 61000 Więcej na ten temat można też znaleźć w następującej literaturze Intel - Application Note AP-125 ST - Application Note AN1015 i inne
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
Przykładowe źródła zakłóceń impulsy zakłócające z obwodu zasilania Wyładowanie elektrostatyczne w obudowę urządzenia Model zastępczy obwodu zasilania - wyłączenie obciążenia R1, R2 powoduje przepięcie indukcyjne.
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
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