Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Telekomunikacji i Aparatury Elektronicznej INSTRUKCJA (do użytku wewnętrznego) Nazwa przedmiotu: KONSTRUKCJE I TECHNOLOGIE W APARATURZE ELEKTRONICZNEJ (Laboratorium) MODUŁ ĆWICZENIOWY Nr 1 (Czas trwania: 3 x 2 godz.) System uruchomieniowy w projektowaniu i konstrukcji aparatury elektronicznej Opracował: dr inż. Jerzy Kołłątaj Białystok, 2010 r.
Konstrukcje i Technologie w Aparaturze Elektronicznej Forma zajęć Wykład (30 godz.) + laboratorium (30 godz.) Opis i cele przedmiotu Przedmiot (obieralny) Konstrukcje i Technologie w Aparaturze Elektronicznej adresowany jest do wszystkich specjalności i kierunków dyplomowania na studiach II-go stopnia prowadzonych na kierunku studiów: ELEKTRONIKA I TELEKOMUNIKACJA. Celem przedmiotu jest połączenie teorii i praktyki przy projektowaniu, prototypowaniu, kompletowaniu, eksploatacji, modernizacji, konserwacji i serwisie aparatury i sprzętu elektronicznego, który zawiera mikroprocesory, mikrokontrolery, procesory sygnałowe oraz nowoczesne, specjalizowane układy elektroniczne w tym tzw. systemy wbudowane (embedded systems), wyposażone w oprogramowanie adekwatne do funkcji realizowanej przez dane urządzenie. Systemy wbudowane spotykane są obecnie we wszystkich dziedzinach, począwszy od skomplikowanych urządzeń do celów naukowo-badawczych, dydaktycznych i wdrożeniowych, aparatury kontrolno-pomiarowej, aparatury diagnostycznej i medycznej, aż do sprzętu powszechnego użytku (w tym, np. artykuły gospodarstwa domowego, sprzęt RTV i fotograficzny, samochody itp.). Celem przedmiotu jest praktyczne zaznajomienie studentów w zakresie stosowanych współcześnie konstrukcji i technologii w nowoczesnej aparaturze elektronicznej opartej na zdobyczach informatyki, elektroniki, techniki sensorowej, telekomunikacji i automatyki, integrując w specyficzny sposób - warstwę sprzętową, programową i technologiczną. Tematyka przedmiotu obejmuje problemy interdyscyplinarne związane z projektowaniem, konstrukcją, technologią oraz oprogramowaniem mikrokontrolerów i sterowników jako elementów tak zwanych systemów inteligentnych (smart systems). Systemy wbudowane obejmują również zagadnienia projektowania i testowania aparatury elektronicznej z wykorzystaniem systemów uruchomieniowych. Dziedzina systemów wbudowanych jest dziedziną przyszłościową, integrującą naukowców, konstruktorów i technologów, przedsiębiorców i handlowców oraz różnych użytkowników tzw. systemów dedykowanych, stosowanych w bardzo licznych dziedzinach nauki i techniki. Formuła tematyczna systemów wbudowanych jest bardzo szeroka. Obejmuje ona ogromną część produktów oferowanych przez firmy elektroniczne. Znajomość tej dziedziny staje się wręcz niezbędną dla wszystkich, studiujących na różnych kierunkach i specjalnościach nie tylko z zakresu elektroniki. Tematyka zajęć w ramach przedmiotu jest swego rodzaju pomostem pomiędzy elektroniką, automatyką, telekomunikacją, mechaniką precyzyjną, mechatroniką, techniką sensorową, technologią itp. Stosowanie współczesnych układów elektronicznych bezpośrednio sprzężonych z układami sensorowymi i detektorami współuczestniczącymi w procesie odbioru i niejednokrotnie także przetwarzania informacji - jest udziałem tzw. układów Front- End Electronics. 2
Prowadzenie zajęć z tego przedmiotu należy do profesjonalistów, posiadających stosowną wiedzę teoretyczną i znaczne umiejętności praktyczne oraz osiągnięcia zawodowe w zakresie projektowania i konstruowania aparatury elektronicznej. Interdyscyplinarne ujęcie zagadnień w ramach tego przedmiotu w formie wykładów i laboratorium na potrzeby szeroko rozumianej aparatury elektronicznej - będzie z pewnością nowoczesnym, ciekawym, cennym i dalece motywującym elementem w kształceniu na kierunku Elektronika i Telekomunikacja na specjalnościach Aparatura Elektroniczna oraz Teleinformatyka na wszystkich ścieżkach dyplomowania. Przedmiot obejmuje następujące zagadnienia: Program przedmiotu Konstrukcyjne i technologiczne: o Zasady konstrukcji aparatury elektronicznej o Struktury i bloki aparatury elektronicznej o Układy i systemy wbudowane w aparaturze elektronicznej o Fizyczne podstawy czujników. Czujniki i przetworniki MEMS w pomiarach wielkości nieelektrycznych o Układy zdalnej transmisji sygnałów (układy telemetryczne w automatyce, robotyce i technice kontrolno-pomiarowej) o Specjalizowane układy techniki sensorowej o Przetworniki elektroakustyczne o Biosensory i przetworniki stosowane w inżynierii biomedycznej o Przemysłowa tomografia impedancyjna i optyczna o Aparatura pomiarowa, laboratoryjna i technologiczna w różnych dziedzinach o Elektroniczny sprzęt powszechnego użytku, np. telewizja analogowa i cyfrowa, cyfrowy zapis dźwięku i kompresji obrazu itp. o Elektroniczne systemy wczesnego wykrywania zagrożeń środowiskowych (np. zanieczyszczenia chemiczne wody i powietrza, detektory szkodliwego promieniowania, zakłócenie elektromagnetyczne itp.) o Technologia aparatury elektronicznej o Zarządzania mocą i energią w urządzeniach elektronicznych (stacjonarnych i przenośnych) (Power Management), o Zasady eksploatacji aparatury elektronicznej Zdobywana wiedza daje nie tylko podstawy teoretyczne, ale umożliwia jej wykorzystanie w praktyce. Dotyczy to przede wszystkim: doboru właściwych czujników i przetworników pomiarowych, także tych stosowanych w medycynie, praktyczne wykorzystanie teorii pomiarów i przetwarzania sygnałów, aplikacji specjalizowanych układów elektronicznych w aparaturze kontrolnopomiarowej, medycznej oraz aparaturze powszechnego użytku, aplikacji mikrokontrolerów i procesorów sygnałowych w przetwarzaniu sygnałów, aplikacji specjalizowanych układów sterowania mechanizmów wykonawczych w systemach automatyki i robotyki, tworzenia pomiarowo-diagnostycznych przyrządów wirtualnych, zasad tworzenia bezprzewodowych sieci sensorowych, aplikacji multimedialnych. 3
Wprowadzenie do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu KONSTRUKCJE I TECHNOLOGIE W APARATURZE ELEKTRONICZNEJ (Laboratorium) Ćwiczenia laboratoryjne z przedmiotu Konstrukcje i Technologie w Aparaturze Elektronicznej mają na celu nabycie przez studentów praktycznych umiejętności i samodzielności w projektowaniu, konstruowaniu i testowaniu bardziej złożonych projektów o charakterze aplikacyjnym z zakresu systemów wbudowanych (embedded systems) i zastosowań mikrokontrolerów w różnych dziedzinach szeroko rozumianej aparatury elektronicznej. Nabyte wcześniej umiejętności w ramach laboratorium z przedmiotu Układy Elektroniki Profesjonalnej 2 (na studiach I-go stopnia), będą wykorzystane w ramach laboratorium z przedmiotu Konstrukcje i Technologie w Aparaturze Elektronicznej (studia II-go stopnia) w realizacji zadań (projektów) wymagających znajomości złożonych układów (stosowanych w elektronice profesjonalnej) do wykonywania bardziej zaawansowanych projektów z zastosowaniem mikrokontrolerów. Mikrokontrolery w tych projektach są narzędziem (a nie celem samym w sobie) do realizacji różnych aplikacji m.in. w technice kontrolno-pomiarowej, automatyce, robotyce, technice sensorowej, telemetrii, w systemach ochrony, identyfikacji, monitorowania zagrożeń itp. Tematyka zagadnień, w których stosowane są mikrokontrolery ma charakter interdyscyplinarny. Pociąga to za sobą lepsze poznanie różnych dziedzin nauki i techniki, w których elektronika ma aktualnie dominujące zastosowanie. Z tego powodu, przy realizacji poszczególnych projektów w ramach tego laboratorium, stosowane są mikrokontrolery programowane w prostym języku wysokiego poziomu. Prostota programowania pozwala na lepsze skoncentrowanie się na samym projekcie, dotyczącym konkretnej aplikacji mikrokontrolera, a nie na szczegółowych aspektach programistycznych, będących domeną innych przedmiotów i laboratoriów z zakresu techniki mikroprocesorowej i informatyki. Nabyte wcześniej umiejętności programowania mikrokontrolera typu BASIC Stamp 2 w ramach laboratorium z przedmiotu Układy Elektroniki Profesjonalnej 2 są oczywiście niezbędne i będą bardzo przydatne przy realizacji samodzielnych projektów w ramach laboratorium Konstrukcje i Technologie w Aparaturze Elektronicznej. Przewidywane jest (w okresie późniejszym - w kolejnych modernizacjach dot. wyposażenia laboratorium) zastosowanie innych, zaawansowanych technologicznie systemów wbudowanych do realizacji ćwiczeń i projektów studenckich oraz prac dyplomowych o znacznym stopniu skomplikowania technicznego. Pozwoli to na zupełnie nowe podejście do konstrukcji sprzętowych i programowych w nowo tworzonych projektach, również do celów edukacyjnych. Ćwiczenia laboratoryjne mają charakter modułów projektowo konstrukcyjnych, z praktyczną realizacją i weryfikacją zaprojektowanych rozwiązań w formie projektów. Każda podgrupa laboratoryjna (2 3 osoby) w ciągu semestru otrzymuje 2 (lub 3) różne projekty. Na pojedynczy projekt przewidziano 4 (5) kolejnych zajęć dwugodzinnych (łącznie 8-10 godzin). Przy trzech projektach, liczba godzin wynosi 26. Przy łącznej liczbie 30-tu godzin przeznaczonych na laboratorium, pozostałe 4 godziny przeznaczone są na sprawy organizacyjne, prezentacje wybranych projektów, poznawanie rozwiązań proponowanych w literaturze fachowej oraz przez prowadzącego ćwiczenia oraz zaliczenie ćwiczeń (projektów). W zależności od przygotowania i umiejętności poszczególnych podgrup laboratoryjnych, liczba godzin może być korygowana przez prowadzącego ćwiczenia. W semestrze II (studia II-go stopnia), począwszy od roku akademickiego 2010/2011, liczba podgrup wynosi 4. Na każdych dwugodzinnych zajęciach są 4 podgrupy (łącznie max. 12 osób). Każda podgrupa (2-3 osoby) w ramach danego tematu projektu ma nieco zróżnicowane zadania do 4
wykonania. Zróżnicowanie zadań polega na występowaniu kilku różnych zagadnień w zakresie poszczególnych modułów ćwiczeniowych. Tematy modułów ćwiczeniowych nie są tematami poszczególnych ćwiczeń (w tradycyjnym ujęciu), lecz tematyką, która znajduje swoje odzwierciedlenie w realizowanych przez studentów projektach. Studenci muszą samodzielnie dokonać wyboru informacji zawartych w odpowiednich instrukcjach do tego laboratorium, materiałach i firmowych notach aplikacyjnych oraz w instrukcjach do laboratorium z przedmiotu Konstrukcje i Technologie w Aparaturze Elektronicznej Tematy poszczególnych projektów oraz ich szczegółowy zakres (zróżnicowany dla każdej podgrupy) wyznacza prowadzący ćwiczenia. Przykładowo, poszczególne projekty obejmują następującą tematykę (nie są to tytuły projektów) Projekt Nr 1 obejmuje następującą tematykę: 1. Konstrukcja układów wbudowanych w aparaturze pomiarowo-kontrolnej. 2. Zastosowanie układów wbudowanych w optoelektronice. Projekt Nr 2 obejmuje następującą tematykę: 3. Układy wbudowane w automatyce i robotyce. 4. Zastosowanie mikrokontrolerów w technice sensorowej. Projekt Nr 3 obejmuje następującą tematykę: 5. Zastosowanie mikrokontrolerów w systemach telemetrycznych. 6. Zastosowanie mikrokontrolerów w systemach ochrony, identyfikacji, kontroli dostępu (RFID) i monitorowaniu zagrożeń. Wyżej wymieniona tematyka (łącznie 6 tematów) może być materiałem do oddzielnych 6-ciu ćwiczeń realizowanych w tradycyjny sposób. Poszczególne zadania w ramach tak organizowanych ćwiczeń laboratoryjnych, stanowią systematyczny kurs laboratoryjny z zakresu konstrukcji i technologii w aparaturze elektronicznej. Różnica polega na tym, że w wersji wykonywania projektów, studenci muszą wykazać się znacznie lepszym przygotowaniem i większą samodzielnością. Mają przy tym okazję do realizowania własnych pomysłów, rozwiązań układowych i programowych, konkurując z kolegami w ramach poszczególnych podgrup. W wersji tradycyjnej (tj. 6 ćwiczeń) czas przeznaczony na wykonanie każdego ćwiczenia wynosi 4 godziny (2 x 2 godz.). Taka wersja realizacji materiału dydaktycznego jest bardziej korzystna, jeśli w programie nauczania nie występuje laboratorium z przedmiotu Układy Elektroniki Profesjonalnej 2 (na studiach I-go stopnia). Forma zaliczenia przedmiotu konstrukcje I Technologie w Aparaturze Elektronicznej. Przedstawienie (prezentacja) projektów częściowych (na bieżąco), demonstracja działania poszczególnych fragmentów projektów oraz działania całego projektu. Projekty końcowe (łącznie 3 projekty) w formie pisemnej (szczegółowe sprawozdania, zawierające opisy końcowych wersji projektów, schematy z uwagami i wnioskami, listingi programów, itp.). Każdy student musi na bieżąco wykazać się osobistym zaangażowaniem oraz znajomością szczegółów technicznych, będących udziałem całej podgrupy. Wymaga to od studentów umiejętności pracy zespołowej. Sprawozdanie musi zawierać załączniki zawierające kompletną dokumentację, obrazującą wszystkie etapy projektowania i testowania wykonanego projektu (w tym indywidualne fragmenty projektów, pochodzące od każdego studenta w podgrupie). Ocena końcowa zależy od spełnienia w/w wymagań. 5
Mam nadzieję, że tematyka i forma prowadzenia zajęć laboratoryjnych z tego przedmiotu spotka się z rzeczywistym zainteresowaniem studentów, którzy z czasem nabyte umiejętności wprowadzą z powodzeniem do swojego życia zawodowego. Podany w tym opracowaniu materiał jest pierwszym, a więc dalece niedoskonałym źródłem wiadomości dla studentów, którzy w programie nauczania (na wcześniejszych semestrach) zaliczyli laboratoria z Podstaw Techniki Mikroprocesorowej i Układów Elektroniki Profesjonalnej. Przedstawione informacje we wszystkich Instrukcjach do ćwiczeń z tego przedmiotu obejmują także kompletny materiał teoretyczny, ułatwiając studentom poznanie tej dziedziny wiedzy technicznej w praktyce inżynierskiej. Oczywiście, wskazane jest korzystanie z bogatej literatury technicznej oraz różnych materiałów naukowo-dydaktycznych (skrypty, instrukcje laboratoryjne z innych przedmiotów, publikacje dot. wdrożeń itp.) opracowanych m.in. przez pracowników naukowych Wydziału Elektrycznego Politechniki Białostockiej. Wprowadzanie nowych metod edukacyjnych z dziedziny zastosowań mikrokontrolerów i profesjonalnych układów wbudowanych w konstrukcji i technologii aparaturze elektronicznej wymaga posługiwania się techniką sensorową i mikroprocesorową. Pozwoli to na znacznie bardziej efektywne poznawanie przez studentów tej nie zawsze łatwo przyswajalnej dziedziny techniki. Stosunkowo szybkie nabycie praktycznych umiejętności posługiwania się sprzętem i oprogramowaniem jest czynnikiem wysoce motywującym studentów, którzy we własnym zakresie, niejednokrotnie z entuzjazmem kontynuują dalszą naukę z zakresu zastosowań techniki mikroprocesorowej w różnych dziedzinach technicznych w których niezbędna jest aparatura elektroniczna. Przedstawione informacje we wszystkich Instrukcjach do Modułów ćwiczeniowych z tego przedmiotu obejmują także materiał teoretyczny, ułatwiając studentom poznanie tej dziedziny wiedzy technicznej w praktyce inżynierskiej. Oczywiście, wskazane jest korzystanie z bogatej literatury technicznej (firmowe informacje katalogowe i noty aplikacyjne) oraz różnych materiałów naukowo-dydaktycznych (skrypty, instrukcje laboratoryjne z innych przedmiotów, publikacje dot. wdrożeń itp.) opracowanych m.in. przez pracowników naukowych Wydziału Elektrycznego Politechniki Białostockiej. Będę wdzięczny wszystkim studentom, którzy zechcą podzielić się swoimi krytycznymi uwagami i spostrzeżeniami. Pozwoli to na dalsze doskonalenie kolejnych opracowań do zestawu ćwiczeń laboratoryjnych z tego przedmiotu. Białystok, wrzesień 2010 r. Jerzy Kołłątaj 6
1. Systemy wbudowane Pojęcie "systemy wbudowane" (embedded systems), głównie z powodu silnego związku z elektroniką, można tłumaczyć na dwóch różnych poziomach. Pod pojęciem systemów wbudowanych w skali mikro rozumie się najczęściej wyspecjalizowane układy mikroprocesorowe, które stanowią integralną część aparatury elektronicznej i większości współczesnych urządzeń. Wyposażone są w dedykowane oprogramowanie, precyzyjnie przystosowane do funkcji, jaką mają pełnić i zwykle są jednym z wielu podobnych elementów większego urządzenia. Systemy wbudowane występują wszędzie - począwszy od sprzętu codziennego użytku (np. artykuły gospodarstwa domowego), poprzez urządzenia przemysłowe, na skomplikowanej, specjalistycznej aparaturze naukowo-badawczej skończywszy. Rozwój technologii systemów wbudowanych, rozumianych tu jako dziedziny elektroniki i informatyki, opiera się na zdobyczach elektroniki, mikroelektroniki, telekomunikacji i automatyki, integrując w specyficzny sposób warstwę sprzętową i programową. Jeśli pominiemy fakt z jakich podzespołów i elementów składa się aparatura lub urządzenie, a skupimy się na samym jego działaniu - czyli przejdziemy do skali makro - wskażemy na drugie możliwe znaczenie tego określenia. W tej skali "systemem wbudowanym możemy nazwać każde urządzenie bądź układ stanowiący część większego urządzenia, spełniające ściśle określoną funkcję: dokładnie dostosowane do potrzeb, możliwie niezawodne i proste w obsłudze. Bez względu na to, czy mówimy o automatycznym układzie nawigacji w najnowszych samolotach, czy zwykłym programatorze w domowej pralce do prania, oczekujemy od takich urządzeń jednej podstawowej rzeczy: po włączeniu mają "wiedzieć, co robić" i mają to robić dobrze. Idealnym kandydatem do tworzenia systemów wbudowanych jest odpowiednio oprogramowany mikrokomputer (mikrokontroler), posiadający dostosowane do jego funkcji porty wejścia/wyjścia. Znaleźć go można niemal wszędzie - zaopatrzony w sondy i czujniki może monitorować procesy przemysłowe, połączony z mikrofonami może być stołem mikserskim, sterować sygnalizacją świetlną albo rejestrować akcję serca. W każdym z tych przykładów mógłby się oczywiście sprawdzić zwykły komputer PC, byłoby to jednak zupełnie niecelowe. Systemy wbudowane przystosowane są do ściśle określonych zadań - dzięki temu są o wiele tańsze, mniejsze i niezawodne. Mikrokontroler jest to układ scalony (może to być także moduł hybrydowy), w którego strukturze zintegrowane są wszystkie elementy kompletnego komputera: jednostka centralna, pamięć oraz urządzenia peryferyjne. Jest to zatem komputer w jednym układzie scalonym (lub modułowym). Z tego powodu jest on także nazywany mikrokomputerem jednoukładowym (one-cip-microcomputer). Nazwa ta była używana w początkowej fazie rozwoju tych układów. Mikrokomputer komunikuje się z otoczeniem za pośrednictwem wewnętrznych urządzeń peryferyjnych. W większości zastosowań mikrokontrolerów, zasadniczą ich zaletą jest ich uniwersalność (chociaż nie do końca) i łatwość implementacji, a sama wydajność pozostaje na dalszym miejscu. Mikrokontrolery muszą często pracować w systemach tzw. czasu rzeczywistego (real-time systems), to jest w takich systemach, w których obliczenia przeprowadzane są równolegle (praktycznie równocześnie) z przebiegiem zewnętrznego sterowania procesu. W takiej sytuacji działanie sytemu ma na celu terminowe reagowanie (bez zauważalnych opóźnień) na zachodzące w procesie zdarzenia. 7
W zależności od typu zastosowanej jednostki centralnej oraz liczby i funkcji zamkniętych w obudowie układów peryferyjnych, taki pojedynczy układ scalony może być stosowany w różnych aplikacjach począwszy od obsługi świateł na skrzyżowaniu lub obsługi pralki lub bardziej złożonych układów pomiarowo-kontrolnych, systemów sterowania oraz systemów komunikacyjnych stosowanych np. w warunkach przemysłowych i laboratoryjnych. Innymi słowy mikrokontroler ma zastosowanie w systemach w których występuje bezpośrednie sterowanie cyfrowe. Chociaż mikrokontrolery są wolniejsze od produkowanych obecnie mikroprocesorów oraz mają mniejszą elastyczność (nie można np. otworzyć obudowy w celu zwiększenia pamięci, a często dołączenie dodatkowej pamięci jest niemożliwe), to znajdują zastosowanie, gdzie taka elastyczność i moc obliczeniowa po prostu nie jest wymagana. Są to różnego rodzaju sterowniki przemysłowe, sprzęt RTV i AGD, zabawki, czy jakiekolwiek inne urządzenia przeznaczone do konkretnych celów (w których uniwersalność nie jest wymagana). Urządzenia tego rodzaju są urządzeniami tzw. dedykowanymi, tj. przeznaczonymi do wykonywania ściśle zaprogramowanych funkcji które w sensie ich złożoności i skomplikowania naprawdę nie zawsze są banalnymi. Nawet w tak popularnych urządzeniach jak chociażby pralki, lodówki czy cyfrowe aparaty fotograficzne, a nawet zabawki, stopień skomplikowania bywa bardzo znaczny. Nie zmienia to faktu, że mikrokontroler stosowany w lodówce można przystosować do zastosowania w aparacie fotograficznym. Nie jest to w praktyce ani potrzebne ani też możliwe. Mikrokontroler ma wykonywać wyłącznie funkcje przynależne danemu rodzajowi urządzenia w którym jest zastosowany. Zależy to od zastosowanego programu (zapisanego w pamięci mikrokontrolera) oraz zewnętrznych układów towarzyszących, które będą obsługiwane przez mikrokontroler. Dlatego uniwersalność mikrokontrolerów daje olbrzymie możliwości inżynierom (nie tylko elektronikom) do ich praktycznego zastosowania w sytuacjach wymagających indywidualnego podejścia w rozwiązaniu np. układu sterowania ogrzewaniem, pracą silnika, zespołem przekaźników, serwomechanizmów itd. Za każdym razem rozwiązanie będzie inne. Dlatego znajomość techniki mikroprocesorowej daje olbrzymie możliwości aplikacyjne. Biorą pod uwagę wyżej wymienione cechy, powody oraz właściwości aplikacyjne mikrokontrolerów w systemach sterowania, bardziej szczegółowa znajomość architektury mikrokontrolerów i technik ich programowania jest narzędziem wartym bliższego poznania przez przyszłych inżynierów różnych specjalności związanych z szeroko pojętą elektryką. 2. Programowanie mikrokontrolerów Mikrokontrolery należą do grupy układów, o których właściwościach funkcjonalnych można decydować w procesie programowania. Oznacza to, że jeden i ten sam układ po wpisaniu odpowiedniego programu może pełnić wiele różnorodnych funkcji, będących bezpośrednim wynikiem działania tego programu. Sam zaś program dostosowany jest oczywiście do architektury i możliwości mikrokontrolera. Połączenie możliwości sprzętowych i programowych stała się głównym powodem popularności mikrokontrolerów i powszechności ich zastosowań. Pierwszym fundamentalnym narzędziem programowania mikrokontrolerów jest asembler. Jest to tzw. język maszynowy, czyli bezpośrednio operujący na elementach sprzętu, którym w omawianym przypadku jest mikrokontroler. Wadą asemblera jest to, że wymaga on od programisty bardzo dobrej znajomości architektury, budowy oraz zasady działania mikrokontrolera. Jednak rezultatem wykorzystania tej wiedzy jest na ogół program 8
najbardziej efektywny, czyli zajmujący najmniej miejsca w pamięci i wykonujący swoje zadanie w najkrótszym czasie. Ponieważ różne typy mikrokontrolerów różnią się między sobą, więc pisanie programu w asemblerze prowadzi do sytuacji, w której program wynikowy może działać poprawnie jedynie z określonym typem mikrokontrolera. Przeniesienie takiego programu do innego mikrokontrolera jest często zadaniem żmudnym, a czasem wręcz niemożliwym do wykonania. W celu uniknięcia takiej sytuacji stworzono języki programowania tzw. wysokiego poziomu, których głównym przedstawicielem jest język C. Znajomość języka wysokiego poziomu uwalnia programistę od gruntownej znajomości sprzętu, bowiem posługuje się on rozkazami i argumentami symbolicznymi. Cały ciężar dostosowania kodu wynikowego programu do architektury konkretnego mikrokontrolera spoczywa bowiem na tzw. kompilatorze, umożliwiającym przetworzenie programu na postać zrozumiałą dla mikrokontrolera. Kompilator musi zostać jedynie poinformowany o rodzaju wykorzystywanego układu. Nie stwarza problemów także późniejsza zmiana typu mikrokontrolera, która wymaga jedynie przetworzenia programu na inny układ. Programowanie w języku wysokiego poziomu jest przejrzyste i formalnie uporządkowane, co wynika chociażby z faktu, że język C jest językiem strukturalnym, tzn. językiem, którego składnia dopuszcza tworzenie tzw. procedur, czyli fragmentów programu. Mogą one być w dowolnej chwili wywoływane, zarówno z głównego rdzenia programu, jak i spomiędzy siebie, a ich budowa oraz powiązania między nimi składają się właśnie na strukturę programu. Cecha ta ogranicza użycie skoków w programie, które są główną przyczyną braku jego przejrzystości. Programowanie w języku C staje się wyjątkowo efektywne dopiero jednak po jego gruntownym poznaniu. Osiągnięcie tego stanu jest dosyć trudne, co wynika z olbrzymich możliwości i bogactwa funkcji samego języka. Nie bez znaczenia jest też fakt, że profesjonalne wersje kompilatorów języka C osiągają bardzo wysoką cenę, niedostępną dla wielu potencjalnych użytkowników, pragnących wykorzystać mikrokontrolery w swojej pracy zawodowej, czy też w celach edukacyjnych. Rozwiązaniem pośrednim jest np. język BASIC, który mimo wielu kontrowersji, jakie wzbudzał od początku swojego powstania, też jest zaliczany do języków wysokiego poziomu. W wersji dla mikrokontrolerów serii 51 również uwalnia on programistę od konieczności gruntownej znajomości sprzętu, przerzucając to zadanie na kompilator. Pomimo, że składnia BASIC-a dopuszcza stosowanie instrukcji skoków, to nowe jego wersje oferują także możliwość korzystania z dobrodziejstw tworzenia procedur. Dzięki temu, przejrzystość tworzonego oprogramowania zależeć będzie już w dużej mierze od programisty, a nie od właściwości samego języka. Zachowano przy tym duże podobieństwo do wielu funkcjonujących już od dawna odmian języka BASIC, dzięki czemu samo pisanie programu jest nadal łatwe i szybkie, co zawsze było cechą i zaletą tego języka, a stosowane wersje kompilatorów BASIC pozwalają na tworzenie zaawansowanych projektów. Faktem jest jednak, że projektowanie oprogramowania dla mikrokontrolerów o bardziej rozwiniętej architekturze i rozbudowanych szynach danych (16- i 32-bitowe) stwarza praktyczną konieczność stosowania języka C/C++. Ponieważ jednak programowanie w tym języku okupione jest dużą wielkością programów, a zasoby pamięciowe mikrokontrolerów nie są zwykle duże, stosuje się kompilatory języka pozbawione takich jego elementów, których użycie najbardziej wpływa na powiększenie kodu wynikowego programu. 9
Najnowsze wersje języka wysokiego poziomu (o strukturze posiadającej najlepsze cechy dotychczasowych języków programowania takich jak Pascal, Basic, C++ itp.) są już na tyle rozwinięte, że ich stosowanie w aplikacjach w których czas wprowadzenia wyrobu na rynek (time to market) jest sprawą niezwykle istotną z praktycznego punktu widzenia. Lista rozkazów jest ściśle związana z danym typem mikrokontrolera, wykorzystującym wszystkie jego możliwości sprzętowe, niekiedy wprost dedykowane do potrzeb układów automatyki, sterowania i robotyki a nawet graficznych układów wizualizacyjnych. 10
Moduł ćwiczeniowy Nr 1 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczeń w ramach Modułu ćwiczeniowego Nr.1 jest poznanie konstrukcji i technologii profesjonalnych systemów uruchomieniowych opartych o najnowszy mikrokontroler z serii BASIC ATOM PRO firmy MicroBasic (programowany w języku MBASIC lub C) oraz inteligentne mikrokontrolery i wyświetlacze graficzne z serii PICASO GFX2 i GOLDELOX GFX2 firmy 4D-Lab (programowane w języku 4DGL, podobnym do języka C). Studenci w ramach ćwiczenia mają zaprojektować i wykonać system prezentacji danych na dotykowym wyświetlaczu graficznym. UWAGA System uruchomieniowy służy do realizacji projektów we wszystkich Modułach ćwiczeniowych w ramach tego laboratorium. Mikrokontroler będzie współpracował z różnymi systemami wbudowanymi dla których będzie głównym modułem nadrzędnym. Jego oprogramowanie będzie adekwatne do konstrukcji projektowanego urządzenia. Wybór systemu uruchomieniowego do realizacji projektu w ramach Modułu Nr 1 jest uzależniony od stopnia trudności projektu oraz umiejętności studentów. 2. Wyposażenie stanowiska laboratoryjnego - System uruchomieniowy z zainstalowanym modułem BasicATOM Pro - Zasilacz stabilizowany 9VDC/500 ma - Kabel USB do podłączenia płyty prototypowej z komputerem PC - Komputer klasy PC (z edytorem programu) - Komplet przewodów łączeniowych i drobnych elementów elektronicznych używanych podczas ćwiczeń. 3. Konstrukcja systemu uruchomieniowego 3.1. Opis mikrokontrolera BASIC ATOM PRO (układ scalony stosowany w modułach) BASIC ATOM PRO jest mikrokontrolerem (w postaci układu scalonego lub modułu) w oparciu o który można konstruować różne własne układy i systemy wbudowane, dedykowane do celów sterowania, pomiarów, kontroli, rejestracji, przetwarzania danych, transmisji itp. Mikrokontroler ten jest nowoczesnym rozwiązaniem o bardzo bogatej i funkcjonalnej liście rozkazów. Moduł mikrokontrolera oparty jest na 32 bitowym procesorze Renesas HD64F3687GFPV obsługującym wszystkie funkcje matematyczne (32 bitowa arytmetyka stało- i zmiennoprzecinkowa). Częstotliwość zegara wynosi 20 MHz. Układ scalony mikrokontrolera w wersji z 64 wyprowadzeniami jest 20% szybszy od wersji z 48 wyprowadzeniami. Poniżej podano podstawowe dane techniczne układu mikrokontrolera w wersji BasicATOM Pro 64 Pin TQFP Chip (w wersji układu scalonego). Pamięć programu: 56 KB (FLASH) Pamięć RAM (użytkownika): 4 KB 11
Liczba wyjść/wejść: 53 Liczba kanałów wbudowanego przetwornika analogowo-cyfrowego: 8 2 porty do komunikacji szeregowej (sprzętowe, buforowane) 3 timery (sprzętowe) 6 pinów I/O do modulacji PWM 8 pinów do komparacji Przerwania sprzętowe 32 bitowa arytmetyka stałoprzecinkowa 32 bitowa arytmetyka zmiennoprzecinkowa Rozdzielczość procesów czasowych (np. dla PWM) 0,5 µs Szybkość wykonywania instrukcji: 120000 instrukcji/sekundę 3.2. Opis modułu mikrokontrolera BasicATOM Pro 40-M i Pro 28-M Moduł mikrokontrolera BasicATOM Pro 40-M przeznaczony jest do stosowania w prototypowych systemach uruchomieniowych. Podstawowym elementem modułu jest opisany w punkcie 3.1 układ scalony mikrokontrolera. Budowa modułu ułatwia jego stosowanie w prototypach wskutek dostępności jego wyprowadzeń do różnych próbnych konfiguracji połączeń z układami zewnętrznymi. Taka technologia pozwala na szybkie i częste zmiany konstrukcyjne, co ma dodatkową zaletę w celach edukacyjnych. Podstawowe dane techniczne modułu są takie same jak układu opisanego w rozdziale 3.1. Dodatkowymi elementami w module są: - port interfejsu RS232 do programowania mikrokontrolera z poziomu komputera PC, - wbudowany zasilacz stabilizowany (+5V), - pamięć danych: 4 KB (EEPROM) - możliwość obsługi (w tle) 32 serwomechanizmów - liczba wyprowadzeń: 40 - liczba wejść/wyjść (I/O): 32 Widok modułu BasicATOM Pro 40-M i Pro 28-M przedstawiono na Rys. 1. Rys. 1. Widok modułów mikrokontrolera BasicATOM Pro 40-M i Pro 28-M 12
Opis wyprowadzeń i rozmieszczenie elementów w modułach z 40 i 28 pinami pokazano odpowiednio na Rys. 2 i Rys. 3. Rys. 2. Opis wyprowadzeń w module BasicATOM Pro 40-M i Pro 28-M Rys. 3. Rozmieszczenie elementów w module BasicATOM Pro 40-M A: BasicATOM Pro CPU (Renesas HD64F3687GFPV). Zawiera pamięć programu. B: Obwód rezonatora (zegar). C: Konwerter poziomu napięć dla interfejsu RS232. Pozwala to na bezpośrednie podłączenie modułu do złącza DB9 (RS232) w komputerze. D: Układ zasilacza stabilizowanego. Napięcie wejściowe: 6 9VDC E: Pamięć EEPROM (4 KB) 13
Opis wyprowadzeń dla modułu BasicATOM 40-M: 14
Opis wyprowadzeń dla modułu BasicATOM Pro 40-M (ćd) 15
Interfejs RS 232 do programowania modułu BasicATOM Pro 40-M Moduł BasicATOM Pro-40 może być programowany z portu RS232 w komputerze. Wymagane są tylko 4 przewody w złączu DB9 interfejsu RS232. Można również użyć adapter USB/RS232 lub zastosować gotowy system uruchomieniowy z wbudowanym interfejsem USB. Schemat interfejsu RS232 do programowania modułu przedstawiono na Rys. 4. Rys. 4. Schemat interfejsu RS232 do programowania modułu BasicATOM Pro 40-M Interfejs USB do programowania modułu BasicATOM Pro 40-M Do programowania modułu zalecany jest interfejs USB/RS232 zbudowany na układzie typu FTDI FT232. Schemat interfejsu USB pokazano na Rys. 5 16
Rys. 5. Schemat interfejsu USB do programowania modułu BasicATOM Pro 40-M Schemat wyprowadzeń w złączu DB9 (dla części męskiej i żeńskiej) pokazano na Rys. 6. W tabeli poniżej podano opis wszystkich wyprowadzeń (pinów) w złączu DB9. Złącze DB9 od strony żeńskiej Złącze DB9 od strony męskiej Rys. 6. Widok złącza DB9 od strony żeńskiej (z lewej strony) i od stronie męskiej (z prawej strony) 17
Opis wyprowadzeń do programowania modułu poprzez złącze DB9 (RS232) w komputerze Parametry elektryczne modułu BasicATOM Pro 40-M Schemat ideowy modułu BasicATOM Pro 40-M przedstawiono na Rys. 7. 18
Rys. 7. Schemat ideowy modułu BasicATOM Pro 40-M 19
Na Rys. 8 pokazano płytę prototypową do prac projektowych. Rys. 8. Widok płyty prototypowej dla mikrokontrolerów z serii BasicATOM Pro (płyta zawiera interfejs RS232 oraz USB) Na Rys. 9 przedstawiono opis płyty prototypowej dla mikrokontrolerów z serii BasicATOM. Płyta zawiera wszystkie najbardziej potrzebne elementy i podzespoły 20
BasicATOM USB Professional Development Board Oznaczenia: Rys.9. Opis płyty prototypowej (rozmieszczenie elementów płyty) A: Złącze DB9 (interfejs RS232) B: Interfejs USB C: Złącze zasilania (2,5 mm, biegun dodatni jest w centrum złącza) D: Zasilacz stabilizowany 5V E: Złącze DIP dla mikrokontrolerów z 40 wyprowadzeniami F: Dioda do sygnalizacji zasilania G: Łączówka (zwora) do ustawienia zewnętrznego zasilania H: Układ FTDI do transmisji szeregowej (USB) I: Łączówka do odizolowania interfejsu USB J: Złącze do mikrokontrolera BasicATOM Pro ONE K: Pole stykowe do montażu dodatkowych elementów L: Łączówka napięcia zasilania (5V i GND) M: Łączówka I/O (wejścia/wyjścia) 21
Łączówka JP6 Łączówki JP6 muszą być zainstalowane jeśli do programowania modułu BasicATOM używany jest interfejs USB. W przypadku stosowania do programowania modułu BasicATOM interfejsu RS232 (złącze DB9) - zworki JP6 muszą być usunięte. W przypadku stosowania interfejsu USB należy odłączyć jakiekolwiek kable podłączone do złącza DB9. Na Rys. 10 pokazano rozmieszczenie i opis łączówki JP6. Rys. 10. Rozmieszczenie i opis łączówki JP6 na płycie prototypowej Złącze USB Na polu stykowym płyty można zainstalować własny układ interfejsu USB jeśli używane jest złącze RS232 (DB9) do programowania modułu mikrokontrolera. Piny TXD, RXD i RTS są dostępne na łączówce JP6. Używając zworki piny nr 1, 3, 5 złącza JP6 można podłączyć do pola stykowego K (patrz Rys. 9). Złącze RS232 Złącze DB9 (RS232) jest sprzętowo podłączone na płycie prototypowej do pinów SIN, SOUT i ATN w module mikrokontrolera. Jeśli do programowania używany jest interfejs USB, należy odłączyć wszystkie połączenia kablowe podłączone do złącza DB9. 22
3.2. System uruchomieniowy do konstrukcji zaawansowanych systemów automatyki i robotyki Na Rys. 11 pokazano kompletny system uruchomieniowy (typ ARC32) dedykowany do projektowania i konstrukcji układów sterowania serwomechanizmami w automatyce i robotyce. Ze względu na zaawansowaną stronę sprzętową, system ten jest także bardzo przydatny we wszystkich zaawansowanych technologicznie konstrukcjach opartych na bazie modułu mikrokontrolera BasicATOM Pro. Rys. 11. Widok kontrolera serwomechanizmów Dane techniczne: - Kompletny sterownik do układów robotyki - Kontroler 32 serwomechanizmów - Sprzętowe sterowanie serwomechanizmów - 32 bit mikrokontroler (BasicATOM Pro) - Wbudowany interfejs USB - 2 interfejsy szeregowe UART - 20 kanałów analogowych (przetwornik A/C) - Pamięć programu: 56 KB - 32 bitowa arytmetyka - Pamięć danych: 32 KB (EEPROM) - Zasilacz stabilizowany (5V, 1A) - Możliwość zasilania zewnętrznego - 2 LED-y sterowane przez użytkownika - Sygnalizacja zasilania (LED) - Detekcja napięcia zasilania z akumulatora - Małe wymiary: 76 x 58 mm 23
Opis sterownika serwomechanizmów (system uruchomieniowy) Sterownik ARC32 jest systemem uruchomieniowym, który po przeprowadzeniu badań prototypowych może być zamontowany na stałe w końcowej wersji urządzenia. Sterownik ten jest dedykowany do prac konstrukcyjnych i technologicznych z zakresu robotyki. Posiada bardzo zaawansowane rozwiązanie sprzętowe umożliwiające niezależne sterowanie aż 32 serwomechanizmów (w tle równoczesnego działania innych programów) z rozdzielczością poniżej 1% podstawowego czasu CPU (jednostki sterującej). Zastosowany w sterowniku bardzo szybki 32 bitowy mikrokontroler sprawia, że sterownik ten jest obecnie jedynym sterownikiem z możliwością sterowania nawet 32 serwomechanizmów. System uruchomieniowy sterownika oparty jest mikrokontrolerze BasicATOM Pro ze zwiększoną częstotliwością zegara (20 MHz) i pamięcią programu 56 KB. Wszystkie 32 wyjścia do serwomechanizmów mogą być wejściami analogowymi. Złącza do serwomechanizmów pogrupowane są w dwa bloki złącz (16 na jedno złącze) z oddzielnym zasilaniem na każdy blok. Umożliwia to perfekcyjne wykorzystanie układów robotyki z dużą liczbą serwomechanizmów wymagającą stosowania oddzielnych źródeł zasilania serwomechanizmów. Na Rys. 12 przedstawiono rozmieszczenie elementów na płycie. A: Złącze Mini USB B: Dioda LED sterowana przez użytkownika C: Złącze do selekcji zasilania grupy Serwomechanizmów D: Złącze serwomechanizmu E: Dodatkowe złącze J5 (AUX2) F: Dodatkowe złącze J4 (AUX1) G: Złącze zasilania serwo (3,5 mm) H: Złącze zasilania części logicznej systemu (3,5 mm) I: Zasilacz stab. Części logicznej systemu J: MCU (BasicATOM Pro) K: Układ scalony FTDI USB/Serial L: Złącza dostępu do UART M: Przycisk kasowania (Reset) N: Pamięć EEPROM (I2C) Rys. 12. Opis elementów i złączy sterownika ARC32 24
Opis wyprowadzeń (0-15) sterownika ARC32 25
Opis wyprowadzeń (16-31) sterownika ARC32 26
Konstrukcja sterownika ARC32 (rozmieszczenie złącz) Rozmieszczenie złącz Rys. 13. Rozmieszczenie złącz Złącza zasilania części logicznej sterownika i serwomechanizmów Część logiczna zasilana jest z głównego zasilacza (akumulatora). Złącza 32 serwomechanizmów są zgrupowane w dwóch sekcjach (po 16 w jednej sekcji). Pierwsza sekcja 16-tu serwomechanizmów (0 15) może być zasilana z oddzielnego akumulatora. Taka konfiguracja jest korzystna w przypadku sterowania 32 serwomechanizmów dużej mocy. Wszystkie serwomechanizmy (32 szt.) oraz część logiczna sterownika może być zasilana z tego samego akumulatora poprzez podłączenie 1-go akumulatora do wszystkich trzech zestawów złącz (Rys. 14) Rys. 14. Złącze do podłączenia zasilania części logicznej sterownika oraz dwóch sekcji serwomechanizmów Złącze komunikacyjne J4 (AUX1) 27
Złącze J4 jest złączem komunikacyjnym. Złącze dotyczy interfejsów I2C, UART, SPI, Analog, GND oraz Vcc (Rys. 15) Rys. 15. Złącze komunikacyjne sterownika Złącze wejść/wyjść J5 (AUX2) AUX2 jest złączem I/O (wejścia/wyjścia) i może być stosowane jako interfejs do współpracy z przyciskami, czujnikami lub dodatkowymi diodami LED (Rys.16). Wszystkie 4 piny I/O w złączu AUX2 są podciągniete do zasilania za pomiocą rezystorów 47 k. Rys. 16. Złącze wejść/wyjść 28
Złącze JP5 UART Złącze JP5 łączy mikrokontroler ATOM Pro z układu interfejsu FTDI USB micro (Rys. 17). Zworki (3 szt.) mogą być usunięte w celu podłączenia mikrokontrolera do drugiego portu UART lub można bezpośrednio podłączyć do interfejsu USB micro. Rys. 17. Złącze JP5 Złącza serwomechanizmów Na płycie znajduje się 32 złącz oznaczonych od 0 do 31 (Rys. 18). Każde złącze jest ustawione do sterowania jednego serwomechanizmu. Złącze jest skonfigurowane jako standardowy pin I/O, PWR and GND. Rys. 18. Złącza serwomechanizmów 29
Złącza zasilania Złącza zasilania serwomechanizmów są wybierane przez użytkownika. Mogą one być podłączone bezpośrednio z wejść napięć zasilających S1 i S2 lub z zasilacza na płycie (5V). Złącza podzielone są na 4 grupy (Rys. 19). Każda grupa jest wybierana przez użytkownika za pomocą 3 pozycyjnej zworki. Rys. 19. Złącza zasilania Zworka złącza zasilania Każda grupa złącz źródła zasilania jest wybierana przez użytkownika za pomocą zworki. Zworki są oznaczone VS/VCC i podłączają zasilanie do wybranych grup (Rys. 20). VS jest bezpośrednim połączenie ze złącza S1 lub S2. Zworka VCC wybiera zasilacz 5V na płycie. Uwaga: Jeśli wybrana jest zworka VS, to należy przestrzegać faktu, że urządzenie jest podłączone do tej grupy złącz ponieważ napięcie będzie nieco przekraczać 5V. Rys. 20. Zworki złącz zasilania 30
Konfiguracja zasilania (Rys. 21) Sterownik posiada 3 rodzaje podłączenia zasilania. Zasadnicze zasilanie oznaczone jest symbolem + oraz (jest to zasilanie części logicznej sterownika). Oznaczenia złącz S1 i S2 pokazują zasilanie serwomechanizmów. Złącze S1 zasila łączówki serwomechanizmów 0-15, natomiast złącze S2 zasila łączówki serwomechanizmów 16-31. Złącza S1 i S2 nie są ze sobą połączone i muszą być zasilane z oddzielnych źródeł lub też być połączone ze sobą. Rys. 21. Zasilanie z pojedynczego źródła zasilania Zasilanie z podwójnego źródła zasilania Zasilanie serwomechanizmów może być dostarczone z oddzielnego akumulatora (Rys. 22). Opcjonalnie mogą być zastosowane 3 grupy konfiguracji do oddzielnego zasilania wszystkich grup złączy (0-15 i 16-31). Rys. 22. Zasilanie z podwójnego źródła zasilania 31
Diody LED Sterownik ARC32 posiada 3 diody LED (Rys. 23). Dwie z tych diod LED są sterowane programowo. Diody te oznaczone są jako BATT i Status. Dioda PWR sygnalizuje podłączenia napięcia części logicznej sterownika. Dioda BATT może być sterowana poprzez ustawienie w wysoki stan pinu P45 (P45 HIGH). Dioda STAUS może być sterowana przez ustawienie pinu P44 w stan wysoki (P44 HIGH). Rys. 23. Diody LED sterownika ARC32 4. Programowanie mikrokontrolera Informacje dotyczące zasad programowania zastosowanego w ćwiczeniu mikrokontrolera zawarte są w materiałach firmowych producenta (Basic Micro). Materiały te są dostępne w plikach komputerów w laboratorium z tego przedmiotu. Studenci muszą samodzielnie zapoznać z tymi materiałami. Język programowania MBASIC jest bardzo podobny do języka PBASIC stosowanego na ćwiczeniach laboratoryjnych do programowania mikrokontrolera BASIC Stamp 2 w ramach wcześniejszego przedmiotu pod nazwą Układy Elektroniki Profesjonalnej 2. Mikrokontroler BASIC ATOM PRO jest mikrokontrolerem 32 bitowym i jest znacznie bardziej zaawansowany sprzętowo i programowo. 32