Projektowanie urządzeń - UMKlielow/PTM/Wyklady/W4... · 2016-02-01 · Techniki mikroprocesorowe...

Techniki mikroprocesorowe

Projektowanie urządzeń mikroprocesorowych cz. 2

Wykład 4

Proste urządzenie mikroprocesorowe


Etapy projektowania

2


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


Zasilanie mikrokontrolera AVR – wariant podstawowy

4


Zasilanie mikrokontrolera – wariant rozszerzony

5


Układ resetu mikrokontrolera

6


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


Rezonator taktujący mikrokontroler

8


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. 16..30pF

9


Złącze programatora ISP

10


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


Urządzenia wejściowe - przycisk

12



• 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



• 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


Urządzenia wejściowe – enkoder (impulsator) obrotowy

15



• 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



• Kierunek obrotu można określić sprawdzając stan jednej linii enkodera podczas pojawienia się impulsu na drugiej

• Najprostszą sposobem obsługi enkodera jest wykorzystanie przerwań zewnętrznych

17


Urządzenia wyjściowe – dioda LED

18


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


Urządzenie wyjściowe – buzzer

20


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


Urządzenia wyjściowe - przekaźnik

22


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


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


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


Multiplekser wejściowy - klawiatura

26


Wyświetlacz 7-segmentowy LED

27


Multiplekser wyjściowy – wyświetlacz LED

28


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



• Większość układów serii ULN2xxx posiada wbudowane diody zabezpieczające tranzystory wyjściowe

• Występują w obudowach THT i SMD

30



• Przykładowe podłączenie układu ULN2803 do portu D mikrokontrolera

31


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


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


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


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


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


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


Niedobór linii I/O

38


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


Niedobór linii I/O

40


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


Niedobór linii I/O

• Klucze analogowe

– Umożliwiają przełączanie sygnałów analogoych i cyfrowych

– Działają w obu kierunkach


– Wady: brak wersji wielokanałowej (komplikacja połączeń)

42

Niedobór linii I/O


43

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


– Wady: brak 44


Niedobór linii I/O

45


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

Zestaw deweloperski ATNEL ATB


ATNEL ATB

47


Zestaw deweloperski ATNEL ATB

48


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


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


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


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

Projektowanie urządzeń - UMKlielow/PTM/Wyklady/W4... · 2016-02-01 · Techniki mikroprocesorowe...

Documents

Transcript of Projektowanie urządzeń - UMKlielow/PTM/Wyklady/W4... · 2016-02-01 · Techniki mikroprocesorowe...