Interface Technieken Een gids voor microcontroller toepassingen. Versie: 1.2 Datum: 06/07/2014 Auteur: Roggemans M.
Inhoudsopgave: Inhoudsopgave: .......................................................................................................... 2 Inleiding: ..................................................................................................................... 7 Hoofdstuk 0 Blokschema computersysteem ........................................................... 8 Hoofdstuk 1 Algemene factoren ........................................................................... 9 1.1 De systeemklok ............................................................................................. 9 1.1.1 Inleiding.................................................................................................. 9 1.1.2 Bron van de systeemklok ...................................................................... 10 1.1.2.1 RC netwerk ..................................................................................... 10 1.1.2.2 Kristal ............................................................................................. 11 1.1.2.3 Een externe klok (oscillator) ........................................................... 15 1.1.2.4 Resonator ....................................................................................... 15 1.1.3 Snelheid van de systeemklok............................................................... 16 1.1.4 Bewaking van de systeemklok ............................................................. 18 1.2 De voeding .................................................................................................. 19 1.2.1 Inleiding................................................................................................ 19 1.2.2 Analoog geregelde voedingen ............................................................. 19 1.2.3 Geschakelde voedingen ....................................................................... 22 1.2.3.1 Inleiding .......................................................................................... 22 1.2.3.2 Step-Up regelaars (DC/DC switching regulators) ........................... 24 1.2.3.3 Step-Down regelaars (DC/DC switching regulators) ...................... 25 1.2.3.4 Step-Up/Down regelaars (DC/DC switching regulators) ................. 28 1.2.3.5 Inverting.......................................................................................... 28 1.2.5.6 DC/DC converters .......................................................................... 29 1.2.4 Batterij als voeding ................................................................................ 30 1.2.5 Niet geregelde voeding ........................................................................ 34 1.2.6 Bewaking van de voedingsspanning .................................................... 35 1.2.7 Ontkoppeling ........................................................................................ 38 1.2.8 Verschuivingen in massapotentiaal...................................................... 40 1.2.9 Gemengde analoge en digitale systemen ............................................ 41 1.2.9.1 Inleiding .......................................................................................... 41 1.2.9.2 1 IC gemengde systemen............................................................... 43 1.2.9.3 1 PCB gemengde systemen ........................................................... 46 1.2.9.4 Meerdere PCB’s gemengde systemen ........................................... 46 1.2.10 PCB routing ...................................................................................... 48 1.3 Poorten ........................................................................................................ 48 1.3.1 Inleiding................................................................................................ 48 1.3.2 Push pull poorten ................................................................................. 48 1.3.2.1 Output............................................................................................. 48 1.3.2.2 Input ............................................................................................... 49 1.3.2.3 Bidirectioneel gebruik ..................................................................... 52 1.2.3 Open collector (drain) poorten .............................................................. 53 1.2.3.1 Inleiding .......................................................................................... 53 1.2.3.2 Output............................................................................................. 54 1.2.3.3 Input ............................................................................................... 54 1.2.3.4 Bidirectioneel gebruik ..................................................................... 55 1.4 Temperatuur ................................................................................................ 56 1.4.1 Inleiding................................................................................................ 56 1.4.2 Ontwerpcriteria...................................................................................... 56
1.5 Behuizing van componenten ....................................................................... 57 1.5.1 Inleiding................................................................................................ 57 1.5.2 DIL ....................................................................................................... 57 1.5.3 SMD ..................................................................................................... 61 1.6 Ontwikkelomgeving ..................................................................................... 62 1.6.1 IDE ....................................................................................................... 62 1.6.2 Programmeertaal ................................................................................. 63 1.7 Van idee tot realisatie (hardware en software) ............................................ 63 1.7.1 Inleiding................................................................................................ 63 1.7.2 Lastenboek .......................................................................................... 64 1.7.3 Handleiding .......................................................................................... 64 1.7.4 Hardware blokschema en schema ....................................................... 65 1.7.5 Flowchart ............................................................................................. 65 1.7.6 Opbouw programma ............................................................................ 65 1.7.7 Versie controle ..................................................................................... 66 1.7.8 Debugging............................................................................................ 66 1.7.9 Documentatie (technisch dossier) ........................................................ 67 1.8 Laden van het programma .......................................................................... 67 1.8.1 Inleiding................................................................................................ 67 1.8.2 Fuse- , configuration en lock bits ......................................................... 68 1.8.3 Via Programmer ................................................................................... 69 1.8.4 Via COM poort ..................................................................................... 70 1.8.5 Via USB ............................................................................................... 72 1.8.6 Via SPI ................................................................................................. 73 1.8.7 Via JTAG............................................................................................... 74 1.9 Hardware criteria ......................................................................................... 74 1.9.1 Inleiding................................................................................................ 74 1.9.2 PCB design ........................................................................................... 74 1.9.2.1 Inleiding .......................................................................................... 74 1.9.2.2 Enkelzijdige PCB ............................................................................ 75 1.9.2.3 Dubbelzijdige PCB ......................................................................... 76 1.9.2.4 Multilayer PCB ................................................................................ 78 1.9.2.5 Mechanical layout ........................................................................... 79 1.9.3 Prototyping zonder PCB ...................................................................... 79 1.10 Keuzecriteria microcontroller .................................................................... 81 1.10.1 Inleiding ............................................................................................ 81 1.10.2 8 bit microcontrollers......................................................................... 85 1.10.3 16 bit microcontrollers....................................................................... 85 1.10.4 32 bit microcontrollers....................................................................... 85 1.10.5 Speciale microcontrollers? ................................................................. 86 1.11 Fail safe werking van een controllersysteem ............................................ 86 1.11.1 Inleiding ............................................................................................. 86 1.11.2 Ongebruikte vectoren en geheugenlocaties ...................................... 86 1.11.3 Bewaking van het programmaverloop (Watchdog Timer) .................. 86 1.11.4 Bewaking van de voedingsspanning.................................................. 88 1.11.5 Temperatuur bewaking ..................................................................... 88 1.11.6 Redundante systemen ...................................................................... 90 1.12 Stroomverbruik beïnvloeden .................................................................... 90 1.12.1 Inleiding ............................................................................................ 90 1.12.2 Stroomverbruik afhankelijk van kloksnelheid .................................... 90
3
1.12.3 Stroomverbruik afhankelijk van activiteitsgraad ................................ 91 1.12.4 Stroomverbruik afhankelijk van voedingsspanning ........................... 92 1.12.5 Stroomverbruik afhankelijk van ingeschakelde onderdelen .............. 93 1.12.6 Stroomverbruik afhankelijk van technologie ..................................... 93 1.13 Besluit ...................................................................................................... 93 Hoofdstuk 2 Digitale Input en Output .................................................................. 94 2.1 Inleiding ....................................................................................................... 94 2.2 Digitale input ................................................................................................ 94 2.2.1 Inleiding................................................................................................ 94 2.2.2 Schakelaars ......................................................................................... 95 2.2.3 Keypad (klavier) .................................................................................. 97 2.2.4 Galvanische scheiding (ook voor digitale output!!) .............................. 101 2.2.4.1 Inleiding ........................................................................................ 101 2.2.4.2 DC optocouplers ........................................................................... 104 2.2.4.3 AC optocouplers ........................................................................... 110 2.2.4.4 Transformatoren ........................................................................... 114 2.2.5 Industriële sensoren (inductief, capacitief) .......................................... 115 2.2.6 Rotary/quadrature encoders ............................................................... 117 2.3 Digitale output............................................................................................ 121 2.3.1 Inleiding.............................................................................................. 121 2.3.2 LED .................................................................................................... 123 2.3.3 7-Segment display ............................................................................. 128 2.3.4 Matrix LED display’s .......................................................................... 132 2.3.5 LCD modules .................................................................................... 134 2.3.6 DC-motoren laagspanning ................................................................. 145 2.3.7 Stappenmotoren en brushless DC motoren ....................................... 150 2.3.8 Relais en Contactoren ....................................................................... 157 2.3.9 Piëzo en andere luidsprekers............................................................. 160 2.3.10 Galvanische scheiding .................................................................... 163 2.3.11 Besluit ............................................................................................. 164 Hoofdstuk 3 Analoge Input en Output............................................................... 165 3.1 Inleiding ..................................................................................................... 165 3.1.1 Inleiding.............................................................................................. 165 3.1.2 Definities ............................................................................................. 166 3.2 Uitwendige omvormers (ADC en DAC) ..................................................... 177 3.3 Inwendige omvormers (ADC en DAC) ....................................................... 180 3.4 Analoge inputs en signaalconditionering ................................................... 185 3.5 Analoge outputs en signaalconditionering ................................................. 187 3.6 Diverse toepassingen ................................................................................ 188 3.6.1 Schakelaars ....................................................................................... 188 3.6.2 Potentiometer...................................................................................... 191 3.6.3 LM35 .................................................................................................. 191 3.6.4 LM335 ................................................................................................ 192 3.6.5 Thermocouple .................................................................................... 194 3.6.6 DC motor als instelknop ...................................................................... 197 3.6.7 Besluit ................................................................................................. 198 Hoofdstuk 4 Tijdsgerelateerde Input en Output ................................................ 199 4.1 Inleiding ..................................................................................................... 199 4.2 Tijdsmeting en tellen gebeurtenissen ........................................................ 200 4.2.1 Timers en counters ............................................................................ 200
4
4.2.2 Real Time Clock................................................................................. 204 4.3 Frequentie meting...................................................................................... 205 4.4 Periode meting .......................................................................................... 206 4.5 Genereren van tijdsintervallen ................................................................... 207 4.6 PWM.......................................................................................................... 207 4.6.1 Software PWM ................................................................................... 210 4.6.2 Hardware PWM.................................................................................. 211 Hoofdstuk 5 Communicatie .............................................................................. 212 5.1 Inleiding ..................................................................................................... 212 5.2 Schuifregisters ........................................................................................... 216 5.3 IIC .............................................................................................................. 218 5.4 SPI............................................................................................................. 223 5.5 UART......................................................................................................... 225 5.5.1 Inleiding.............................................................................................. 225 5.5.2 Level shifters ...................................................................................... 227 5.5.2.1 RS232 .......................................................................................... 228 5.5.2.2 RS485 .......................................................................................... 230 5.5.2.3 Draadloos ..................................................................................... 234 5.6 Ethernet ..................................................................................................... 238 5.7 GSM .......................................................................................................... 240 Hoofdstuk 6 Interrupts gebruiken...................................................................... 242 6.1 Inleiding ..................................................................................................... 242 6.2 Interrupt bronnen ....................................................................................... 243 6.2.1 Inwendige interrupt bronnen .............................................................. 244 6.2.2 Uitwendige interrupt bronnen ............................................................. 245 6.3 Uitvoeringstijd interrupt routines ................................................................ 245 6.4 Opbouw interrupt routine ........................................................................... 246 Hoofdstuk 7 Externe busverbindingen .............................................................. 247 7.1 Inleiding ..................................................................................................... 247 7.2 Hardware ondersteunde busverbindingen ................................................. 249 7.3 Gesimuleerde busverbindingen ................................................................. 249 7.4 Alternatieven voor systeemuitbreiding ....................................................... 250 Appendix A Checklist PCB design ..................................................................... 251 Bronvermelding: ..................................................................................................... 253
5
6
Inleiding: Deze cursus is bedoeld voor studenten van een Professionele Bachelor opleiding. Hij kan gebruikt worden als zelfstudiemateriaal of als gids bij het volgen van de lessen. In beide gevallen is de aangereikte informatie slechts indicatief en niet algemeen toepasbaar. De auteur kan ook niet aansprakelijk gesteld worden voor eventuele onjuistheden die in het cursus materiaal zijn geslopen. Het is dus noodzakelijk voor elke specifieke toepassing het nodige opzoekwerk en berekeningen uit te voeren. Het WWW kan hierbij een nuttige bron van bijkomende informatie zijn. Gelet op het algemene karakter van de aangeboden informatie zal de cursist de nodige kritische ingesteldheid moeten tonen bij het verwerken ervan. Dit is ook zo bij het verwerken van informatie die via andere bronnen bekomen wordt. De cursus bevat informatie die op verschillende controllers/computers toepasbaar is. De 8051, AVR en ARM (CORTEX) derivaten worden gebruikt als praktijkvoorbeeld. Dit laat de gebruiker toe rekening te houden met enkele specifieke eigenschappen van de door hem gebruikte controller. De beoordeling van het vak verloopt via een schriftelijk examen. De student moet een professionele oplossing kunnen aanreiken voor interface gerelateerde problemen. Dit houdt in (indien van toepassing) een schema opstellen, verklaren van de principiële werking en verduidelijken van gebruikte begrippen. Het is duidelijk dat een combinatie van verschillende technieken noodzakelijk kan zijn. De wijze van evaluatie is voor alle types van studiecontracten, en voor alle evaluatieperiodes dezelfde. Doorheen de cursus worden opzettelijk afbeeldingen en voorbeelden gebruikt die op het WWW te vinden zijn. Die bieden niet steeds een correcte en afdoende oplossing voor gestelde problemen. Door de uitvoerige bespreking van die voorbeelden tijdens de hoorcolleges willen we een kritische ingesteldheid aanmoedigen. Een actieve participatie aan de lessen is dan ook aanbevolen. De cursus is bedoeld, tijdens en na de studies, als naslagwerk. Eventuele constructieve kritiek en voorstellen tot aanvulling/aanpassing zijn steeds welkom. Hierbij wil ik Master Ing. Johan Van Bauwel en Master Ing. Danny Pauwels bedanken voor hun constructieve bijdrage bij het tot stand komen van deze cursus.
7
Hoofdstuk 0
Blokschema computersysteem
Figuur 0 Blokschema van een computersysteem In figuur 0 staat het blokschema van een computersysteem weergegeven. In de verdere paragrafen van de cursus komen de verschillende onderdelen en hun interfacing aan bod. Je kan steeds terugvallen op de figuur om een visueel overzicht te bewaren. In de afbeelding staat een microcontroller centraal. Die kan je ook vervangen door een standaard microprocessorsysteem (zie cursus computersystemen).
8
Hoofdstuk 1 1.1 1.1.1
Algemene factoren
De systeemklok Inleiding
De systeemklok (blokgolf-vormig signaal) is de motor van een controller systeem. De flanken van de klok worden gebruikt om alle onderdelen in de controller acties te laten uitvoeren. Zonder klok blijft alle logica in een vaste toestand staan. De klok zorgt er voor dat de signalen zich op een gesynchroniseerde manier voortplanten in de controller. Hierdoor kunnen o.a. de gevolgen van inwendige propagation delay’s vermeden worden. De systeemklok van een controllersysteem is een belangrijke parameter bij het ontwerpen van interface systemen. Hierbij is vooral de bron en snelheid van de systeemklok van belang. Signalen die we aan de controller aanleggen zullen ook op een of andere manier gesynchroniseerd met de systeemklok ingelezen worden. De vorm (minimale tijdsduur) van een ingangssignaal zal dus ook afhankelijk zijn van de systeemklok. De bron van de systeemklok zal bepalen hoe nauwkeurig de frequentie is, en hoeveel ze kan afwijken over een bepaald temperatuurbereik. Enkel wanneer communicatie of tijdsgerelateerde acties moeten ondernomen worden is de stabiliteit van de klok belangrijk. In alle andere gevallen kan het wenselijk zijn om zo goedkoop mogelijk, of met een minimaal aantal componenten een klok te maken. De snelheid waarmee de controller instructies kan uitvoeren, of de resolutie waarmee tijdsintervallen gemeten of opgewekt kunnen worden zijn afhankelijk van de kloksnelheid. Hoe hoger de kloksnelheid, hoe hoger de uitvoeringssnelheid en hoe hoger de resolutie voor het afpassen van tijdsintervallen. Een hoge kloksnelheid heeft echter ook nadelen. Zo zal het stroomverbruik en de elektromagnetische emissie hoger zijn. Dit is belangrijk bij batterijgevoede apparaten en/of toestellen die een EMC keuring moeten ondergaan. Sommige microcontrollers gebruiken een Phase Locked Loop (figuur 1.1.1.1) of PLL om uitgaande van een lage klokfrequentie een hogere klok op te wekken.
Figuur 1.1.1.1 Blokschema PLL
9
Door de deelfactor (N) in de terugkoppeling instelbaar te maken als een getal in een register, kan de programmeur de snelheid van de processor wijzigen in functie van de uit te voeren taken. Dit laat o.a. toe om het stroomverbruik te beperken. F1 in de figuur is dikwijls afkomstig van een kristaloscillator met een kristal van 32768Hz (2^15). Dit kristal wordt veelvuldig gebruikt in uurwerken, en is dan makkelijk en tegen een lage prijs verkrijgbaar. 1.1.2
Bron van de systeemklok
1.1.2.1
RC netwerk
Het merendeel van de moderne microcontrollers draaien default (zonder dat je iets aan de instellingen van de controller aanpast) op een RC oscillator inwendig in de component. Onderstaande figuur geeft een voorbeeld van een CMOS RC oscillator.
Figuur 1.1.2.1.1 RC oscillator Het gebruikt van de inwendige RC oscillator maakt dat er geen externe componenten (met uitzondering van de voeding) nodig zijn om een werkend controllersysteem te bekomen. Helaas is de nauwkeurigheid van deze oscillatoren niet erg hoog (1-10%) en vooral afhankelijk van de bedrijfstemperatuur van de controller. In onderstaande figuur is die afhankelijkheid weergegeven voor de XC888 van Infineon.
10
Figuur 1.1.2.1.2 XC888 RC oscillator stabiliteit Voor asynchrone seriële communicatie mag de klok van beide systemen met niet meer dan 2 à 3 % afwijken… Er moet wel opgemerkt worden dat de inwendige RC oscillator een hoge betrouwbaarheid heeft. Er kan immers niets mislopen met de verbindingen tussen de controller en de klok. Bovendien is de RC oscillator een integraal onderdeel van de silicon, en dus even robuust dan de andere componenten waarmee de controller is samengesteld. Indien de instabiliteit en initiële onnauwkeurigheid van de klok niet belangrijk zijn voor de werking van de schakeling, verdient deze klok-bron de voorkeur boven alle andere. Tenslotte willen we nog opmerken dat voor bepaalde vormen van seriële communicatie de klok slechts een korte termijn stabiliteit moet vertonen (zie onderste definitie in de figuur 1.1.2.1.2). 1.1.2.2
Kristal
In figuur 1.1.2.2.1 is een discrete kristaloscillator opgenomen. Het kristal heeft een opdruk die aangeeft wat zijn oscillatiefrequentie is. De andere componenten in de schakeling zijn afhankelijk van deze frquentie en de andere elektrische eigenschappen van het kristal. Door de capaciteit C1 bij te regelen kan de frequentie van de schakeling bijgesteld worden (over een zeer beperkt bereik (1%)).
11
Figuur 1.1.2.2.1 Discrete kristal oscillator Hieronder zie je enkele afbeeldingen van kristallen:
A
B C A:standaard uitvoering B:low profile kristal C:uurwerk kristal D: SMD uitvoering (afbeeldingen zijn niet op schaal)
D
Figuur 1.1.2.2.2 Voorbeelden van een kristal Een microcontroller beschikt meestal over 2 aansluitingen om een kristal aan te sluiten. Figuur 1.1.2.2.3 laat zien hoe dit moet voor een XC888 microcontroller. De waarden van weerstanden en capaciteiten zijn afhankelijk van de gebruikte frequentie. Bij het debuggen van een controllerschakeling zal het nameten van de klok (na de controle van de voedingsspanning) essentieel zijn. Hierbij gebruik je bij voorkeur een 1/10 probe. De parasitaire capaciteit van de probe zal de schakeling immers beïnvloeden.
12
Figuur 1.1.2.2.3 XC888 kristaloscillator
Een kristal heeft als belangrijkste nadeel zijn relatieve kwetsbaarheid voor mechanische trillingen. Om dit te illustreren is in figuur 1.1.2.2.4 het inwendige van een kristal weergegeven.
Figuur 1.1.2.2.4 Inwendige van een kristal
13
Omdat de aansluitingen van de component erg dun zijn, en ook om de behuizing als afscherming te gebruiken, wordt het kristal meestal vast gesoldeerd op de PCB. Let wel op dat je bij het solderen de behuizing niet te lang verhit. Hierbij kunnen de inwendige verbindingen loskomen. Soms wordt het kristal bevestigd in een houder (eerder uitzonderlijk) of met een draadje aan de PCB vastgemaakt (figuur 1.1.2.2.5).
Figuur 1.1.2.2.5 Bevestiging van een kristal Omdat de werking van de oscillator sterk beïnvloed wordt door de parasitaire capaciteiten, maar ook om emissie te vermijden, wordt het kristal zo dicht mogelijk bij de controller opgesteld. De aansluitingen tussen het kristal en de controller worden, indien mogelijk, omgeven door baantjes op massapotentiaal. Ook de capaciteiten die deel uitmaken van de schakeling staan zo dicht mogelijk bij de controller opgesteld.
14
1.1.2.3
Een externe klok (oscillator)
Sommige componenten beschikken niet over een ingebouwde oscillator, of we wensen een heel nauwkeurige klok, dan kan je gebruik maken van een aparte oscillator (figuur 1.1.2.3.1).
Figuur 1.1.2.3.1 Externe oscillator De componenten in de oscillator zijn tijdens de productie gekalibreerd. Het is zelfs mogelijk dat de oscillator opgenomen wordt in een “oven”. Dit is echter alleen het geval bij uiterst nauwkeurige meetinstrumenten. 1.1.2.4
Resonator
Een ceramische resonator is vergelijkbaar met een kristal, alleen minder nauwkeurig. Onderstaande figuur laat enkele uitvoeringsvormen zien.
Figuur 1.1.2.4.1 Uitvoeringsvormen ceramische resonatoren
15
In figuur 1.1.2.4.2 wordt een vergelijking gemaakt tussen de verschillende soorten bronnen.
Figuur 1.1.2.4.2 Vergelijking tussen klokken De volgende schakelingen laten het verschil zien tussen de aansluiting van een kristal en een resonator.
Figuur 1.1.2.4.3 Aansluiting kristal (a) en resonator (b) Resonatoren worden vooral gebruikt in low cost toepassingen. 1.1.3
Snelheid van de systeemklok
De snelheid van de systeemklok komt niet altijd overeen met de frequentie van de klok bron. Zo hebben we reeds besproken dat het gebruik van een PLL voor gevolg heeft dat het systeem inwendig op een instelbare snelheid loopt, die zowel hoger als lager kan zijn. Op die manier kan de processorsnelheid aangepast worden aan de
16
snelheidsbehoefte vanuit de applicatie. Dit is vooral belangrijk wanneer de applicatie gevoed wordt door een batterij. De processorsnelheid bepaalt immers recht evenredig het stroomverbruik van de schakeling. De snelheid van de CPU in de controller kan ook afhankelijk zijn van het aantal klokpulsen dat nodig is om een cyclus van de processor af te werken. Bij de originele 8051 zijn er 12 klokpulsen nodig voor 1 cyclus (alle tijdsafpassingen en/of uitvoeringstijden van instructies zijn hier een veelvoud van). Bij een AVR wordt gesteld dat er 1 klok/cyclus is. In de praktijk wordt bij sommige devices de klok inwendig met een factor 3 verhoogd (met een PLL) waardoor de stelling niet meer juist is. Een ander bijkomend effect van een hoge kloksnelheid is de toename in elektromagnetische emissie. Hierdoor krijg je EMC problemen. Die opvangen is niet eenvoudig. Een blik in het inwendige van een PC laat zien wat er allemaal nodig is om een toestel compatibel te maken (gebruik van multi-layer borden, afgeschermde behuizing, doorvoerfilters,… zijn maar enkele hiervan). In de meeste gevallen zal de ontwerper de systeemklok zo laag mogelijk houden. Hierdoor blijven stroomverbruik en emissie beperkt. Bij het gebruik van een hogere programmeertaal zal het programma minder efficiënt zijn, zodat een hogere klok noodzakelijk kan zijn. LET OP!! Sommige controllers hebben een minimale kloksnelheid nodig om hun inwendige werking te waarborgen. Je moet nagaan in de specificaties wat als ondergrens toelaatbaar is. Figuur 1.1.3.1 geeft weer voor de ATMEGA8A en figuur 1.1.3.2 voor de XC888 wat de minimale klokvereisten zijn. Merk op dat die bereikt worden met een externe oscillator. De inwendige kristal oscillator geeft meestal minder ruimte op de specificaties. Bij sommige controllers is het mogelijk de inwendige oscillator te configureren zodat hij optimaal geschikt is voor de gebruikte klok-bron.
Figuur 1.1.3.1 Minimaal klokvereisten ATMEGA8A
17
Figuur 1.1.3.2 Specificaties voor XC888 met externe oscillator 1.1.4
Bewaking van de systeemklok
De klok is essentieel voor de werking van een controller. Als de klok wegvalt, blijft de logica hangen in zijn huidige toestand. Het lijkt dus alsof de microcontroller stil staat. Wanneer de klok van de microcontroller gegenereerd wordt met externe componenten is het niet denkbeeldig dat een component defect gaat, of er een fout optreedt in de bedrading. Met inwendige componenten is dat onwaarschijnlijk, tenzij de controller in zijn geheel defect raakt. Om te vermijden dat de controller “freezes” in zijn werking, wordt bij de betere microcontroller een klokbewaking voorzien. In de meeste gevallen gebruikt de fabrikant hiervoor een inwendige RC oscillator. De frequentie van de inwendige oscillator wordt vergeleken met de systeemklok. Zodra de systeemklok onder een minimale waarde daalt, neemt de RC oscillator over. In de meeste gevallen kan het programma dit detecteren. In figuur 1.1.4.1 wordt het blokdiagram van de XC888 klok logica weergeven. Je kan hier duidelijk het bewakingsonderdeel in terugvinden. Bij de AVR controller uit vorig voorbeeld is klokbewaking niet aanwezig…
18
Figuur 1.1.4.1 Klok logica van de XC888 microcontroller
1.2 1.2.1
De voeding Inleiding
Als je wil dat een controllersysteem betrouwbaar functioneert, moet je voldoende aandacht schenken aan de voeding. Hierbij moet voldaan zijn aan de specificaties van ALLE componenten in de schakeling. Heb je maar één voedingsspanning nodig, dan blijft het ontwerp relatief eenvoudig. Indien het systeem meerdere voedingsspanningen gebruikt moet je er ook voor zorgen dat de volgorde waarin de spanningen beschikbaar komen voldoet aan de vereisten van alle componenten. Als algemene stelregel mag je aannemen dat geen enkele aansluiting onder spanning mag komen te staan voor dat de betrokken component voorzien is van zijn voedingsspanning. De enige uitzonderingen hierop zijn level shifters bij seriële en parallelle communicatie. Indien een microcontroller systeem verschillende voedingsspanningen nodig heeft, kan het zelfs noodzakelijk zijn die in de tijd gefaseerd op te laten komen ( kan vanuit de programmatuur gebeuren). Je moet ook rekening houden dat de controller niet onmiddellijk na het inschakelen van de voeding actief zal zijn. Het POR (Power On Reset) circuit zal de controller pas na een bepaalde tijd opstarten. Dit kan meerdere seconden bedragen. Je ontwerp zal hiermee rekening moeten houden, en er voor zorgen dat alle I/O in een veilige toestand blijft, tot het programma de controle ervan kan waarborgen. Hier komen we op terug bij het bespreken van de digitale outputs. 1.2.2
Analoog geregelde voedingen
Het schema in figuur 1.2.2.1 geeft een analoog geregelde voeding weer. Een transformator zal de netspanning naar een lagere waarde omvormen. Via een bruggelijkrichter en afvlakcondensator wordt een gelijkspanning bekomen. De regelaar zorgt er voor dat de uitgangsspanning stabiel blijft.
19
Figuur 1.2.2.1 Analoog geregelde voeding
Figuur 1.2.2.2 Analoog geregelde voeding met overspanningbeveiliging Figuur 1.2.2.2 laat zien hoe de voeding beveiligd kan worden tegen overspanning. Het is hier de bedoeling het computersysteem te beveiligen tegen overspanningen die door de voeding niet opgevangen worden (defecte regelaar). Beide figuren werden ontleend aan het WWW. In vergelijking staat in figuur 1.2.2.3 het aanbevolen schema van de fabrikant. De fabrikant geeft in deze figuur aanbevelingen i.v.m. de te gebruiken condensatoren. Die moeten er voor zorgen dat de regelaar in staat is transienten op te vangen zonder te gaan oscilleren. Voor analoge toepassingen (lage frequenties) is dit minder belangrijk dan bij digitale toepassingen. De steile flanken van de digitale signalen zijn samengesteld uit componenten met hoge frequenties, ver boven het normale werkgebied van de regelaar. Door kleine ontkoppelcapaciteiten te gebruiken (met een laag inductief karakter) kunnen die piekstromen opgevangen worden. Welke condensatoren (en hoeveel) je moet gebruiken wordt meestal door de fabrikant van de verbruikers opgegeven. Als dat niet het geval is, wordt standaard
20
0.1uF (geen elektrolytische condensator) gebruikt per spanningsaansluiting. De condensator wordt zo dicht mogelijk bij de voedingsklemmen van het IC aangebracht, met zo breed mogelijke printbanen.
Figuur 1.2.2.3 Aanbevelingen van de fabrikant (National Semiconductor)
Figuur 1.2.2.4 Load transient response 78M05
21
Figuur 1.2.2.4 laat zien hoe belangrijk de verstoring van het uitgangssignaal kan zijn ten gevolge van een plotse verandering in uitgangsstroom. Omdat de ontkoppelcondensatoren niet alle rimpel kunnen wegwerken zal de voeding hoe dan ook een rimpelspanning bevatten. Je moet nagaan of die binnen de spanningstolerantie blijft van de gebruikte componenten (in sommige gevallen beperkt tot 5%!!). Voor de berekening van de voeding wordt verwezen naar de cursus analoge elektronica. Hierbij moet rekening gehouden worden met o.a. tolerantie van de netspanning, maximale en minimale ingangsspanning van de regelaar, de waarde van de afvlakcondensator en de warmte dissipatie van de regelaar (niet limitatieve opsomming). Gelet op het feit dat de controller via de voeding signalen met een hoge frequentie naar het net stuurt, kan ontstoring noodzakelijk zijn (EMC). Bij het inschakelen, maar ook bij het uitschakelen van de voeding zal de spanning niet “plots” opkomen of wegvallen. Dit heeft voor gevolg dat de microcontroller gedurende langere tijd in een niet gedefinieerd werkingsgebeid vertoeft. Het reset circuit (POR, maar ook power down reset (brown out detectie)) moet zorgen dat de microcontroller in de reset toestand blijft, ongeacht de tijdsduur. Ook wanneer de voedingsspanning een dip vertoont moet het reset circuit optreden.
Figuur 1.2.2.5 Opkomen van de voedingsspanning Wanneer de ingangsspanning en de uitgangsspanning van de regelaar niet sterk van elkaar verschillen kan je een Low Drop Out regelaar gebruiken. Waar een normale regelaar 2V spanningsval nodig heeft om de uitgangsspanning te regelen heeft een LDO regelaar maar enkele honderden mV nodig. 1.2.3
Geschakelde voedingen
1.2.3.1
Inleiding
Een lineaire voeding heeft enkele 4 belangrijke nadelen: -Omdat de voeding op 50Hz werkt is de transformator vrij groot. In vliegtuigen is 400Hz de standaard. Hierdoor worden de transformatoren aanzienlijk kleiner. -Omdat op een lage frequentie gewerkt wordt zijn grote afvlakkings condensatoren nodig.
22
-Omdat er een relatief grote rimpel aanwezig is zal de analoge regelaar een aanzienlijk vermogen dissiperen, zodat grote koelvinnen gebruikt moeten worden. Bovendien zal dit het rendement van de voeding negatief beïnvloeden. -De bovenstaande nadelen beïnvloeden de kostprijs van de voeding. Een oplossing voor de voorvermelde problemen is de schakelende voeding. In figuur 1.2.3.1.1 is een blokdiagram van dit type voeding opgenomen. Figuur 1.2.3.1.2 laat een vereenvoudigd elektrisch schema van dit type voeding zien.
Figuur 1.2.3.1.1 Blokdiagram van een schakelende voeding
Figuur 1.2.3.1.2 Schema van een schakelende voeding In figuur 1.2.3.1.3 wordt het inwendige van een 250W PC voeding weergeven. Je merkt op dat er geen grote transformatoren of afvlakcondensatoren aanwezig zijn. 23
Figuur 1.2.3.1.3 Inwendige van een 250W ATX voeding Alhoewel de schakeling veel complexer is dan bij een analoge voeding, wegen de voordelen (beter rendement, lager gewicht, lagere kostprijs) zwaar door. Omdat deze schakelende voeding zelf voor storingen op het net kan zorgen, is veel aandacht besteed aan ontstoring. De schakelende voeding die hierboven beschreven wordt behoort tot het geïsoleerde type. Er is een galvanische scheiding tussen de ingang en de uitgang. De hakker aan de ingang wordt gestuurd vanuit een uitgangsspanning. De andere uitgangsspanningen hebben secundair een eigen regeling. Voor lage vermogens worden hiervoor nog dikwijls analoge regelaars gebruikt. In sommige gevallen is er geen “transformatie” of galvanische scheiding van de spanning nodig, maar enkel nog een regeling (stabilisatie) van de spanning. In plaats van analoge regelaars worden hiervoor soms schakelende regelaars gebruikt. Zij bieden, ondanks een complexere schakeling, tal van voordelen. 1.2.3.2
Step-Up regelaars (DC/DC switching regulators)
Step-Up regelaars worden gebruikt wanneer de beschikbare spanning lager ligt dan wat de applicatie nodig heeft. Dit is dikwijls het geval wanneer we een batterij gebruiken als spanningsbron. Om de behuizing eenvoudig te houden wordt dan dikwijls 1 of 2 cellen gebruikt, en dikwijls laat de ontwerper ook toe dat oplaadbare cellen gebruikt worden (1.2V/cel i.p.v. 1.5V/cel). Dit type regelaar geeft een hogere uitgangsspanning naar buiten. In figuur 1.2.3.2.1 is een voorbeeld van dit type regelaar opgenomen. De meeste producenten van analoge IC’s produceren ook schakelende regelaars (vb: www.maxim-ic.com en www.national.com ).
24
Figuur 1.2.3.2.1 Voorbeeld van een step-up regelaar 1.2.3.3
Step-Down regelaars (DC/DC switching regulators)
Wanneer de beschikbare spanning veel hoger is (kan zijn) dan wat we wensen, is het beter een step-down regelaar te gebruiken. Die is in staat om met minimale verliezen het spanningsverschil te overbruggen. Figuur 1.2.3.3.1 laat hier een voorbeeld van zien.
Figuur 1.2.3.3.1 Voorbeeld van een step-down regelaar Iets duurder, maar wel eenvoudiger toe te passen zijn schakelende regelaars met alle randcomponenten (vooral de inductieve) aan boord. Hierdoor hoef je geen specialist analoge elektronica te zijn om ze te kunnen toepassen. In onderstaande figuren staan de belangrijkste gegevens van twee “simple switchers”. (Simple Switcher is een merknaam die door National Semiconducter gebruikt wordt. In deze tekst gebruik ik de naam ook voor gelijkaardige componenten van andere fabrikanten)
25
Figuur 1.2.3.3.2 Simple Switcher van National Semiconductor
26
27
Figuur 1.2.3.3.3 Schakelende 7805 regelaar 1.2.3.4
Step-Up/Down regelaars (DC/DC switching regulators)
Wanneer de voedingsspanning van de schakeling, zowel hoger als lager dan de gewenste regelde spanning kan zijn, biedt volgende regelaar een uitkomst. De StepUp/Down regelaar kan zijn uitgangsspanning hoger en lager dan de ingangsspanning laten worden. In figuur 1.2.3.4.1 is hier een voorbeeld van weergegeven.
Figuur 1.2.3.4.1 Step-Up/Down regelaar 1.2.3.5
Inverting
In sommige toepassingen is het belangrijk om over en negatieve spanning te beschikken. Bij batterij gevoede toepassingen is dit niet evident. Er bestaan dan ook
28
regelaars die een gelijkspanning kunnen inverteren (van een positieve spanning een negatieve spanning maken). In figuur 1.2.3.5.1 is een voorbeeld van zo’n regelaar opgenomen.
Figuur 1.2.3.5.1 Inverterende regelaar 1.2.5.6
DC/DC converters
DC/DC converters zijn modules die een DC spanning omvormen naar een andere DC spanning. Meestal is er in een galvanische scheiding voorzien. Deze modules zijn dan ook uitermate geschikt bij bepaalde vormen van I/O. Ze worden ook gebruikt voor het voeden van analoge subsystemen met spanningen die niet overeenkomen met de standaard 5V (3.3V) voeding van het systeem (figuur 1.2.5.6.1)
29
Figuur 1.2.5.6.1 DC/DC converter 1.2.4
Batterij als voeding
Wanneer je niet over een spanningsnet beschikt zullen meestal batterijen gebruikt worden om de schakeling van spanning te voorzien. Dit is niet noodzakelijk het geval. Er bestaan systemen van “energy harvesting” die voor schakelingen met een heel laag energieverbruik kunnen instaan voor de energievoorziening. Bij het gebruik van batterijen komen er een aantal extra ontwerpcriteria aan bod. Die hebben vooral betrekking om de capaciteit van de batterij, de afgegeven spanning en het al of niet oplaadbaar zijn. Oplaadbare batterijen vallen buiten het bestek van deze cursus. Voor gegevens over oplaadbare batterijen verwijzen we naar het WWW. Ook van batterijen bestaan er datasheets. Die geven aan wat de energiecapaciteit van de batterij is. Dit wordt uitgedrukt in mAh of Ah. Het getal dat hier bij staat geeft het product van de tijd en de afgenomen stroom dat de batterij kan leveren. In figuur 1.2.4.1 Staat de datasheet afgebeeld van een AA batterij die courant beschikbaar is. In figuur 1.2.4.2 die van een concurrent. Merk op dat de eigenschappen van de batterij afhankelijk zijn van de manier waarop ze belast wordt. Dit is bovendien afhankelijk van de gebruikte chemische samenstelling van de batterij.
30
31
Figuur 1.2.4.1 Datasheet Duracell AA batterij
32
Figuur 1.2.4.2 Datasheet Varta AA Industrial batterij
33
Wanneer de schakeling over een stabiele voedingsspanning moet beschikken, zal het nodig zijn om een regelaar te gebruiken. Afhankelijk van het aantal cellen en de technologie van de batterij is dit geen eenvoudige keuze. Onnodig op te merken dat het eigengebruik van zowel de regelaar als de rest van de schakeling belangrijk is. Een schakelende regelaar is bij dit type voedingsbron aangewezen, tenzij het ook zonder regelaar kan (zie volgende paragraaf). Meer gegevens over batterijen kan je o.a. vinden op: www.h-squared.co.uk/products/24/alkaline.html 1.2.5
Niet geregelde voeding
Uit vorige paragraaf blijkt de complexiteit voor batterij gevoede applicaties. Het is ook mogelijk om de verbruiker zo te ontwerpen dat er geen behoefte is aan een regelaar. Voor analoge schakelingen is dit relatief eenvoudig. Digitale componenten hebben meestal strikte toleranties met betrekking tot hun voeding. In figuur 1.2.5.1 zijn de voedingsgegevens van een ARM7 controller opgenomen.
Figuur 1.2.5.1 Voedingsgegevens ARM7 microcontroller NXP Zoals je uit de figuur kan afleiden zijn de toleranties op de toegelaten voedingsspanning nauwer dan de toleranties op de batterijspanning. Wat de bovengrens betreft staan in de figuur maximum ratings vermeld. Hier boven gaan verkort de levensduur van de component (tot ns). Ook bij 3.6V zal de MTBF lager zijn. De ATtiny25 van Atmel ( figuur 1.2.5.2 ) kan perfect gebruikt worden zonder een regelaar, op 2 of 3 cellen. De controller beschikt verder over een Brown-out detector, zodat een te lage voedingsspanning de controller in reset plaatst. Door de ingebouwde ADC is het mogelijk de gebruiker van de toepassing een indicatie te geven over de toestand van de batterij. Merk ook op dat het stroomverbruik van de controller afhankelijk is van de mode waarin de controller staat. De power-down mode is een soort van slaaptoestand met minimaal stroomverbruik. De controller kan zich periodiek wekken en nagaan of een hogere activiteitsgraad (hoger stroomverbruik) gewenst is. Er zijn controllers met nog een lager stroomverbruik. Zo is er van dezelfde fabrikant het “PICOPOWER” gamma, en TI (Texas Instruments) promoot voor dit type toepassingen de MSP430 controllers.
34
Figuur 1.2.5.2 Voedingsgegevens ATMEL ATtiny controller
1.2.6
Bewaking van de voedingsspanning
Een digitaal systeem werkt alleen volgens specificaties wanneer de voeding binnen de opgegeven toleranties blijft, en wanneer er bij het opstarten een correct reset signaal werd gegeven (dus wanneer de voeding binnen de opgegeven specificaties is) Er zijn drie gevallen waarbij de controller (ten gevolge van voedingsspanning ) kan vastlopen: 35
-de voeding komt traag op waardoor het reset signaal te vroeg gegenereerd wordt (RC netwerk als reset generator). -de voeding valt te traag weg. Een gewoon POR (Power On Reset circuit) vangt dit niet op. -de voeding vertoont een kortstondige dip. Dit kan problemen veroorzaken, ook al valt de voedingsspanning niet volledig weg. Even onder de specificaties gaan volstaat. Sommige microcontrollers bevatten alle nodige elektronica om deze problemen op te vangen. In figuur 1.2.6.1 zijn de uittreksels opgenomen uit de datasheets van de XC888 en een ATtiny25 microcontrollers.
Figuur 1.2.6.1 XC888 en ATtiny25 reset gegevens
36
Wanneer de controller niet beschikt over een power supply monitoring, is het aangewezen een extern circuit toe te voegen dat deze taak overneemt. Talloze fabrikanten bieden dergelijke circuits aan met tal van mogelijkheden. Zorg er vooral voor dat het externe circuit afgestemd is op de spanningstoleranties van de controller/CPU. In figuur 1.2.6.2 staan de gegevens van de DS1233 econo-reset opgenomen.
Figuur 1.2.6.2 DS1233 econo-reset
37
1.2.7
Ontkoppeling
De stabiliteit van een microcontroller is grotendeels afhankelijk van de kwaliteit van de voedingsspanning. Het is niet omdat de controller werkt over een groot spanningsbereik dat transienten in die spanning geen problemen kunnen veroorzaken. Het stroomverbruik dat de fabrikant opgeeft is een gemiddelde waarde. Omdat de controller schakelt volgens de flanken van het kloksignaal zal het stroomverbruik gepiekt verlopen. Die pieken worden nog groter als ook de I/O klemmen van toestand veranderen. Het stroomverbruik kan dan oplopen tot enkele honderden mA. Het is daarom belangrijk het gepiekte stroomverbruik van de controller op te vangen via ontkoppelcondensatoren. Hierdoor blijft de spanning op de voedingslijnen stabiel, en wordt de regelaar gespaard van transienten die hij niet kan wegregelen. Figuur 1.2.7.1 is een voorbeeld van slechte ontkoppeling. De condensator staat te ver af van de controller. Hierdoor ontstaan er spanningsvallen over de voedingsbanen.
Figuur 1.2.7.1 Ontkoppelcondensator te ver van microcontroller
De voedingsruis veroorzaakt bovendien EMC problemen. Hoe korter de draden hoe kleiner de lusoppervlakte, hoe minder straling veroorzaakt wordt. In figuur 1.2.7.2 staat de ontkoppelcondensator veel dichter bij de controller. Het pad waardoor de gepiekte stroom moet vloeien is veel korter (kleinere lusoppervlakte). De gegenereerde ruis, en ook de emissie ervan blijven dan ook veel lager. In figuur 1.2.7.3 is ook nog een spoeltje opgenomen in het ontkoppelcircuit. Dit wordt meestal toegepast op niveau van het subsysteem (scheiden analoge en digitale supply).
38
Figuur 1.2.7.2 Correct geplaatste ontkoppelcondensator
Figuur 1.2.7.3 Toevoegen van een spoel aan de ontkoppeling In figuur 1.2.7.4 staan enkele verpakkingen van controllers afgebeeld. Je kan zien dat bij de SMD verpakkingen meestal ook veel aandacht besteed wordt aan de plaats van de voedingsaansluitingen. Bij oudere controllers was dat niet het geval. Kloksnelheden en EMC problematiek waren in het verleden niet aan de orde.
39
Figuur 1.2.7.4 Verpakkingen van microcontrollers (XC888 en ATmega8) 1.2.8
Verschuivingen in massapotentiaal
Wanneer twee componenten met elkaar in verbinding staan is het belangrijk dat de signalen die ze uitwisselen eenduidig geïnterpreteerd worden. Figuur 1.2.8.1 geeft de “standaard” logische niveaus zoals ze door digitale circuits als input en als output aanvaard worden (TTL technologie). Tussen de geldige ingangssignalen en geldige uitgangssignalen zit een kleine veiligheidsmarge. Dit ruisniveau (0.4V) laat toe dat spanningsvallen over de signaaldraden opgevangen worden. Een signaaldraad die geregeld over het hoofd gezien wordt is de massa. Die wordt gebruikt als referentie t.o.v. dewelke alle signalen gerefereerd worden. Deze verbinding moet dan ook steeds gemaakt worden tussen beide circuits.
40
Figuur 1.2.8.1 Standaard logische niveaus (TTL technologie) Omdat de massaverbinding ook gebruikt wordt om de voedingsstroom te geleiden, bestaat de kans dat er over deze verbinding een extra spanningsval ontstaat. Ook slechte ontkoppeling kan hier voor kortstondige potentiaalverschuivingen zorgen. Indien er meer dan 0.4V spanningsverschil is… Gelet op het feit dat het hier dynamische signalen betreft, kan je dit niet controleren met een DMM. Zelfs een gewone oscilloscoop kan ontoereikend zijn. Toestellen die glitches (zeer smalle transienten) kunnen detecteren zijn dan noodzakelijk. Bij een complexe schakeling (in elk geval wanneer verschillende PCB’s gebruikt worden) moet de nodige aandacht besteed worden aan de distributie van de voedingsspanning in het systeem. Het is aangewezen om vanuit 1 punt (stervormig, en zeker niet met lussen) massa en voeding te verdelen. 1.2.9
Gemengde analoge en digitale systemen
1.2.9.1
Inleiding
Een zuiver digitaal systeem werkt enkel op basis van digitale signalen. Er komen geen analoge signalen aan te pas. Een digitaal uurwerk is hier een voorbeeld van. Zodra er echter een analoge variabele gemeten wordt spreken we van gemengde analoge en digitale systemen. Zo kan het uurwerk ook de temperatuur van de omgeving meten. Soms zit het analoge deel handig verstopt in een circuit met uitsluitend digitale verbindingen. In figuur 1.2.9.1.1 is de LM75 sensor opgenomen. Alhoewel de sensor volledig digitaal uitgelezen wordt, zit er een analoog subsysteem in vervat. Vanaf dat ogenblik spreken we van een gemengd systeem. Dit heeft voor gevolg dat er aan bepaalde aspecten i.v.m. de voeding meer aandacht besteed moet worden.
41
Figuur 1.2.9.1.1 LM75 temperatuursensor met IIC interface In het geval van de LM75 legt de fabrikant op dat er ontkoppeld moet worden (figuur 1.2.9.1.2)
Figuur 1.2.9.1.2 LM75 ontkoppeling
42
1.2.9.2
1 IC gemengde systemen
De meeste microcontrollers hebben naast digitale periferie ook analoge subsystemen aan boord. Een ADC met een resolutie tussen 8 (1/256) en 12 (1/4096) bits is standaard. Uitzonderingen zijn controllers met een resolutie tot 24 ( 1/16777216 ) bit. Sommige controllers (eerder uitzonderlijk omdat PWM in de meeste gevallen handiger in gebruik is (bij PWM wel offset problemen)) bevatten ook een DAC. Wanneer analoge en digitale functies samen voorkomen worden er ook (minimaal) twee aparte voedingssystemen gebruikt (analoge en digitale voeding). Dit laat toe om de onvermijdelijke ruis op voedingen van digitale systemen te weren van de voedingen van analoge onderdelen. Wordt slechts 1 voeding gebruikt (dus geen enkele vorm van filtering tussen beide deelvoedingen), dan zal de performantie van het analoge deel teruglopen. Dit zal je merken aan het aantal onstabiele bits bij een ADC. De fabrikant van een microcontroller zal meestal aanbevelingen doen naar de layout en het schema van het voedingssysteem (figuur 1.2.9.2.1 en volgende).
Figur 1.2.9.2.1 ADuC832 analoge en digitale voeding De plaats waar de digitale en de analoge massa bij elkaar komen wordt het sterpunt genoemd. De fabrikant stelt meestal voor dit in de buurt van de controller te nemen. De belangrijkste reden hiervoor is het kleine spanningsverschil dat toelaatbaar is tussen analoge en digitale massa. In onderstaande figuur zijn de maximale spanningsverschillen opgenomen die bij de ADuC832 toegelaten zijn.
43
Figuur 1.2.9.2.2 Maximale spanningsverschillen voor de ADuC832 Onderstaande figuur laat de aanbevelingen van de fabrikant zien naar ontkoppeling. Merk op dat de plaats waar de condensatoren getekend zijn overeenkomt met hun effectieve plaats op de PCB. De omgekeerde driehoek stelt de GND voor, meer bepaald het sterpunt van de schakeling.
Figuur 1.2.9.2.3 Voedingsaansluitingen ADuC832
De figuur 1.2.9.2.4 tenslotte bevat de schematische voorstellen voor het ontwerp van de analoge voeding. De bead (ferriet-kraaltje) in het schema is een spoeltje. De dioden moeten beletten dat kleine stroomstootjes een spanningsval van meer dan 0.3V veroorzaken over de weerstand en spoel. In het andere geval zouden de
44
maximale spanningsverschillen overschreden worden, met kans op beschadiging voor gevolg.
Figuur 1.2.9.2.4 Schematische voorstellen analoge voeding ADuC832 In dit schema gaat de fabrikant er van uit dat er slechts 1 voedingsspanning beschikbar is. Door de RLC filter wordt de ruis van het digitale deel geminimaliseerd. Het schema in figuur 1.2.9.2.5 gaat er van uit dat er twee aparte voedingsspanningen beschikbaar zijn. In dat geval zal extra aandacht geschonken moeten worden aan de beveiliging (beide spanningen moeten immers simultaan en met een minimaal spanningsverschil aanwezig zijn).
Figuur 1.2.9.2.5 Gebruik van aparte voedingen ADuC832
45
1.2.9.3
1 PCB gemengde systemen
Indien meerdere analoge componenten (omvormers) gebruikt worden op 1 PCB, is het niet steeds evident het sterpunt onder de controller te leggen. Immers alle gemengde componenten beschikken over de dubbele massa aansluitingen. Het is moeilijk om in dit geval een generalistische oplossing aan te bieden. Figuur 1.2.9.3.1 laat een voorstel van de fabrikant zien. De voorgestelde oplossing gaat er van uit dat er een digitaal massavlak en een analoog massavlak is. Beide zijn met elkaar verbonden in het sterpunt (in dit geval niet onder de controller, maar aan de voeding). In dat geval wordt de controller integraal verbonden met het analoge massavlak.
Figuur 1.2.9.3.1 Voorstel tot PCB layout (Analog Devices) 1.2.9.4
Meerdere PCB’s gemengde systemen
Worden meerdere PCB’s gebruikt, dan wordt het massavraagstuk nog moeilijker. In onderstaande figuren zijn twee oplossingen voorgesteld. Als er dan nog analoge signalen van het ene naar het andere bord doorgegeven moeten worden, kan het noodzakelijk zijn een beroep te doen op instrumentatieversterkers om common mode signalen weg te werken. Merk op dat in figuur 1.2.9.4.2 opnieuw beveiligingen zijn aangebracht om te vermijden dat analoge en digitale spanningen te ver uit elkaar komen te liggen. De beveiligingen zijn niet meer dan beveiligingen. Het systeem zal dusdanig ontworpen moeten zijn dat spanningsvallen over connectoren en verbindingen binnen de toelaatbare grenzen blijven.
46
Figuur 1.2.9.4.1 Enkelvoudige systeemmassa
Figuur 1.2.9.4.2 Gescheiden systeemmassa
47
1.2.10
PCB routing
Bij het routen van de PCB is het belangrijk de layout te verzorgen. Je gebruikt voor de voedingsbanen ofwel voedingsvlakken, ofwel zo dik mogelijke banen. Vooral de massaverbindingen verdienen veel aandacht. Bij een gecombineerd ontwerp (analoog/digitaal) is bovendien ook de plaatsing van de componenten uitermate belangrijk. Vergeet de ontkoppeling niet. In een verdere paragraaf wordt meer aandacht besteed aan PCB design. Graag verwijzen we naar de betreffende cursus elders in de opleiding.
1.3
Poorten
1.3.1
Inleiding
Onder poorten verstaan we alle aansluitingen die gebruikt worden om signalen in en uit het IC te transporteren. Waar in een ver verleden poorten uit TTL schakelingen bestonden is dat nu CMOS. Dit heeft voor gevolg dat een input enkel nog een capacitieve load voorstelt. Dit maakt ook dat er nog weinig aandacht besteed wordt aan de belasting van een uitgangspoort. In volgende paragrafen overlopen we de meest gangbare poortstructuren, en ook de elektrische eigenschappen ervan. Belangrijk voor de ontwerper is de ruststand van de poort (toestand na reset). Dit zal namelijk bepalen hoe hierop aangesloten componenten gaan reageren. Het is vooral niet de bedoeling dat een reset tot gevolg heeft dat het gebouwde apparaat dingen gaat activeren. Resetten impliceert immers dat alles opstart vanuit een niet actieve toestand. 1.3.2
Push pull poorten
1.3.2.1
Output
Push Pull poorten hebben een structuur zoals weergegeven in figuur 1.3.2.1.1.
Figuur 1.3.2.1.1 Push Pull outputs De logische “1” output wordt gegenereerd door de klem te verbinden met de positieve spanning door een transistor (MOSFET) in geleiding te brengen. Afhankelijk van de specificaties van de halfgeleider kan de poort een bepaalde stroom leveren naar massa. De grootte van de stroom is volledig afhankelijk van de fabrikant. Het zal
48
dus nodig zijn de datasheets te raadplegen. Een “0” wordt op een gelijkaardige manier gegenereerd. In figuur 1.3.2.1.2 staan de elektrische outputspecificaties van een XC888 poort.
Figuur 1.3.2.1.2 Uitgangsspecificaties XC888 poort Het uittreksel uit de datasheet laat duidelijk zien dat de uitgangsniveaus afhankelijk zijn van de uitgangsstromen. Het is zelfs mogelijk dat niet voldaan wordt aan de TTL specificaties. De uitgangsspanningen zijn zelfs niet enkel afhankelijk van de stroom uit 1 pin, maar van de totale stroom die het IC moet leveren. Merk op dat er beperkingen kunnen opgelegd worden aan de totale stroom die per poort of verpakking geleverd kan worden. Voor de XC888 is die beperking opgenomen in figuur 1.3.2.1.3.
Figuur 1.3.2.1.3 Maximale stroom voor alle pinnen samen (XC888) Het is duidelijk dat de controller niet ontworpen is om grote stromen uit te sturen. Een interfacing zal zich opdringen. 1.3.2.2
Input
Een input gedraagt zich als een grote impedantie. Er zal dus nauwelijks stroom de pin invloeien bij het aansturen. In figuur 1.3.2.2.1 zijn deze gegevens opgenomen voor de XC888.
49
Figuur 1.3.2.2.1 Ingangsgegevens XC888 (digitale input) De ingangsniveaus van deze controller zijn maximaal 0.3*5V=1.5V voor laag en minimaal 0.7*5V=3.5V voor hoog. Voor het hoog niveau is dat strikter dan de TTL specificaties. Wanneer de controller in reset gaat worden alle klemmen in de input mode gezet (ook diegene die we later als output willen gebruiken). De input stroom die nodig is om de pin aan te sturen is maximaal 1ųA. Dat is zo weinig dat een stukje draad van enkele cm volstaan als antenne om stoorsignalen op te vangen. Je zal er bij het ontwerp moeten voor zorgen dat de tri-state pin een gekend niveau heeft. In de meeste gevallen wordt hiervoor een pull up weerstand gebruikt zoals in figuur 1.3.2.2.2.
50
Figuur 1.3.2.2.2 Pull up weerstand bij input
Figuur 1.3.2.2.3 Pull down weerstand bij output
In de figuur 1.3.2.2.3 wordt door de poort een FET aangestuurd. Als de poort in tristate gaat, ligt de input van de FET open. Het niveau is dan niet gekend, en de FET kan in geleiding gaan. Door de pull down weerstand wordt de gate op massa niveau gebracht. Hierdoor blijft de FET in de off stand.
51
In het uittreksel van de datasheet kan je zien dat de XC888 inwendig over inschakelbare weerstanden beschikt. Merk wel op dat die niet actief zijn tot ze via programmatuur ingeschakeld worden (processor moet uit reset toestand komen!!). Tenslotte maakt de datasheet gewag van een overload current per pin. Die zal vloeien zodra een uitwendig signaal de pin buiten specificaties aanstuurt. De stromen vloeien omdat er in de controller een beveiligingscircuit zit dat tevens bescherming moet bieden tegen ESD (zie figuur 1.3.2.2.4).
Figuur 1.3.2.2.4 Beveiligingscircuit op aansluitklemmen 1.3.2.3
Bidirectioneel gebruik
Soms wordt een I/O klem beurtelings als input en output gebruikt. Bij push-pull poorten moet er van output mode naar input mode overgeschakeld worden. Hierdoor gaat de pin zweven. Door een externe pull up weerstand te gebruiken, het dataregister inwendig op 0 te zetten, en de poort enkel aan te sturen via het richtingsregister, kan op een eenvoudige manier een bidirectionele pin bekomen worden. Het enige nadeel is dat de “1” op de lijn door een weerstand bekomen wordt. Het voordeel is dan weer dat buscontention vermeden wordt. In figuur 1.3.2.3.1 is een vereenvoudigd schema van een poort weergegeven. Dit laat toe om bovenstaande tekst af te toetsen aan de haalbaarheid. De weerstand in de figuur is extern aan de controller aangebracht.
52
Figuur 1.3.2.3.1 Vereenvoudigde poortstructuur 1.2.3
Open collector (drain) poorten
1.2.3.1
Inleiding
Open drain poorten zijn typisch voor de standaard 8051 familie. Deze structuur is weergegeven in figuur 1.2.3.1.1. Dit type poort heeft t.o.v. de push-pull poorten voordelen en nadelen. In de volgende paragrafen overlopen we die kort.
Figuur 1.2.3.1.1 Poortstructuur standaard MCS51 controllers De halfgeleiders P2 en P3 werken als stroombronnen, niet als schakelaars.
53
1.2.3.2
Output
Het belangrijkste nadeel is dat het “1” niveau bekomen wordt met een pull-up weerstand in de controller. Hierdoor kan in deze logische stand nauwelijks stroom geleverd worden. Het voordeel is dan weer dat de poort ook tijdens een reset in een gekende toestand staat. De stroom die de poort kan leveren is opgenomen in figuur 1.2.3.2.1.
Figuur 1.2.3.2.1 Karakteristieken 8051 poort (ADuC832) De beschikbare uitgangsstromen zijn sterk fabrikant en device afhankelijk. Net zoals bij controllers met standaard uitgangspoorten zijn er beperkingen in stroom per poort/device. Kijk ook even naar de karakteristieken van de output, vooral de logic 10 transition vraagt verduidelijking. (zie volgende paragraaf). De “1” wordt gevormd door 3 stroombronnen (P1, P2, P3) met elk hun eigen doel. P1: actief gedurende 2 klokpulsen bij het omschakelen (capaciteit verbinding) P2: altijd wanneer poort aangestuurd met 1, 80ųA P3: actief als de uitgangsspanning>0.8v Gelet op de beperkte uitgangsstroom bij een hoog niveau, zal de controller (zonder gebruik van buffers) alleen actief laag iets aansturen. Het bijkomende voordeel hiervan is dat tijdens het resetten (alle outputs hoog) geen enkele belasting actief is. 1.2.3.3
Input
Bij de open drain structuur zit de pull-up stroombron in de weg als we de poort extern gaan aansturen. In de figuur 1.2.3.1.1 kan je zien dat de P3 FET aangestuurd wordt
54
door de spanning op de pin. Die wordt dus uitgeschakeld als de pin op een laag niveau ( <0.8V) gebracht wordt. Omdat er inwendig in de poort altijd een stroombron ingeschakeld is, is de ingangsimpedantie beperkt. Hierdoor zal de poort een gekend niveau inlezen wanneer er niets is aangesloten. Je kan zelfs een externe pull-up weglaten indien een schakelaar wordt aangesloten (verbinding <30cm), zoals weergegeven in fig 1.2.3.3.1.
(de 10k weerstand is optioneel bij de 8051 standaard poort, niet bij tri-state poorten)
Figuur 1.2.3.3.1 Schakelaar op 8051 poort 1.2.3.4
Bidirectioneel gebruik
Door de open drain structuur kan de poort eenvoudig in een wired-or configuratie geplaatst worden. Semi Bidirectioneel gebruik is dan eenvoudig.
55
Figuur 1.2.3.4.1 Wired or configuratie De figuur 1.2.3.4.1 laat zien hoe een IIC bus gemaakt kan worden met open drain aansluitingen. De externe pull-up weerstanden zijn toegevoegd omdat de inwendige van de controller te groot zijn. Zelfs als op dit type verbinding buscontention zou optreden, kan het nooit voor gevolg hebben dat er een “kortsluiting” ontstaat, wat wel het geval is wanneer 2 push-pull poorten met elkaar verbonden worden.
1.4 1.4.1
Temperatuur Inleiding
Alle halfgeleider componenten zijn ontworpen om operationeel te zijn tussen bepaalde temperatuur grenzen. Zo zijn er 3 grote groepen van specificaties: commercial, industrial, en automotive (space en militair laten we buiten beschouwing). Het commercial temperatuurbereik is 0 tot 80˚C. Het industriële bereik is van -40˚C tot 100˚C. Het automotive bereik is van -40˚C tot 125˚C. De vermelde temperaturen zijn gemeten op de chip. Dat wil zeggen dat de temperaturen in de behuizing lager moeten zijn. Onder de motorkap van een auto wordt het in de zomer makkelijk 80˚C. Gewone commerciële componenten kunnen dan niet meer gebruikt worden. 1.4.2
Ontwerpcriteria
Bij het ontwerpen van een schakeling is het belangrijk de uiteindelijke bedrijfstemperatuur te kennen. Een apparaat in een zwarte behuizing kan (afhankelijk of het in de zon staat) hogere temperaturen bereiken. Omdat componenten boven (onder) hun maximale temperatuurbereik niet meer gedefinieerd zijn, kan je ook geen gebruik maken van die componenten om een beveiliging van het systeem te bekomen.
56
Zo bevat de ADuC832 controller een ingebouwde temperatuursensor. Stel dat het te warm wordt in de behuizing, dan kan je de controller niet gebruiken om alles uit te schakelen. Zijn werking is immers niet gegarandeerd mocht de temperatuur verder oplopen. Je zal in dit geval thermische zekeringen moeten gebruiken. Problemen kunnen ook ontstaan wanneer er in de buurt van de controller vermogen componenten (weerstanden of transistoren) zijn opgesteld. Die componenten zijn ontworpen om hogere bedrijfstemperaturen te kunnen halen. Via convectie, conductie of straling kunnen zij er de indirecte oorzaak van zijn dat andere componenten beïnvloed worden. Het is ook mogelijk dat de werking van de component niet in gedrang komt, maar dat zijn specificaties verlopen. Zo konden we vaststellen dat een RC oscillator van een controller sterk door de temperatuur beïnvloed wordt. Analoge schakelingen (referenties, weerstanden, …) ondervinden hier nog meer last van.
1.5 1.5.1
Behuizing van componenten Inleiding
Componenten worden in tal van verschillende behuizingen ondergebracht. De voornaamste redenen hiervoor zijn: Plaatsbesparing Optimale warmteafgifte Aantal aansluitingen Gebruikte bestukkings technieken … Wanneer je de keuze hebt uit verschillende verpakkingen, dan zal de gemaakte keuze het verdere ontwerp beïnvloeden. Zo is het gebruik van SMD verpakkingen een rem op prototyping. Er is immers een kwalitatief goede PCB nodig om de component te kunnen verbinden met de omgeving. Bepaalde SMD verpakkingen zijn niet meer traditioneel te solderen, waardoor hun toepasbaarheid in kleinschalige ontwerpen in vraag gesteld kan worden. 1.5.2
DIL
De Dual In Line Package (DIL of DIP) is traditioneel de oudste vorm om IC’s te verpakken. In figuur 1.5.2.1 staan enkele voorbeelden. Figuur 1.5.2.2 geeft de fysische afmetingen van enkele verpakkingen.
57
Figuur 1.5.2.1 Voorbeelden van DIP/DIL behuizingen Door de grote afstanden tussen de pinnen, zijn ze makkelijk hanteerbaar, en uitermate geschikt voor prototyping. Je kan ze eenvoudig monteren in een prikbord (niet aanbevolen) of met IC voeten gebruiken op gaatjesprint. Omdat de pinnen relatief ver uit elkaar staan (2.54mm) kan je makkelijk zelf een printplaat ontwerpen en produceren. Het belangrijkste nadeel van dit type verpakking is het volume. SMD componenten laten toe een compactere schakeling te ontwerpen. Bovendien worden hoe langer hoe minder componenten in deze verpakking op de markt gebracht. Ook andere “through hole” verpakkingen lenen zich uitermate voor prototyping (figuur 1.5.2.3).
58
Figuur 1.5.2.2 Afmetingen van DIP/DIL behuizingen
59
Figuur 1.5.2.3 Voorbeelden van through hole verpakkingen
60
1.5.3
SMD
Surface Mounted Devices zijn componenten die in een type behuizing zitten die op de print gesoldeerd worden, zonder de verbindingen door gaatjes te steken. Het belangrijkste voordeel is dat deze behuizingen veel kleiner zijn dan de DIP/DIL verpakkingen. Hierdoor is een grotere densiteit aan componenten mogelijk op een PCB. De keerzijde van de medaille is de hogere kwaliteit waaraan de PCB moet voldoen, en de moeilijkheid om de componenten te behandelen. Sommige zijn zo klein dat het typenummer er niet meer op kan. Op volgende URL http://en.wikipedia.org/wiki/Surface-mount_technology kan je uitgebreid informatie aangaande deze technologie terugvinden.
Sommige SMD componenten hebben helemaal geen aansluitpinnen meer (figuur 1.5.3.1)
Figuur 1.5.3.1 MPL verpakking
Bij andere staan de aansluitingen erg dicht bij elkaar (figuur 1.5.3.2)
61
Figuur 1.5.3.2 Narrow pitch SMD
1.6 1.6.1
Ontwikkelomgeving IDE
Een ontwikkelomgeving (IDE) is een instrument dat toelaat de benodigde programmatuur voor de target te schrijven en om te zetten naar uitvoerbare code voor de controller. Een IDE kan bestaan uit één of meerdere onderdelen: Editor voor het intypen van de broncode Assembler, C compiler of andere taal-ondersteuning (vb. BASIC) Simulator (laat toe om de code te simuleren zonder hardware omgeving) Hardware omgeving/Debugger zoals: o JTAG connectie o Programmer interface (meestal via dongle) 62
Ondersteuning naar OS Bibliotheken met hulpprogramma’s (ondersteuning berekeningen, drivers voor schermen etc.)
naar
wiskundige
Sommige IDE’s worden gratis ter beschikking gesteld (zonder het hardware platform). Voorbeelden hiervan zijn de IDE’s van ATMEL en Microchip. Vooral voor de 8 bit devices (waar deze platformen eerder eenvoudig zijn) kan je ze makkelijk vinden (ook voor 8051). Fabrikanten van software (oa. KEIL) stellen hun platformen beperkt beschikbaar, of volledig, maar voor beperkte tijd. Daarna, of als je alle functionaliteiten wil gebruiken moet je een versie aankopen. Soms kan je ook open source software vinden. Meestal is die echter beperkt in zijn mogelijkheden. 1.6.2
Programmeertaal
Voor het ontwikkelen van microcontroller software zijn twee programmeertalen gangbaar (de derde (BASIC) en vierde (Flowcode)) worden professioneel nauwelijks toegepast). Machinetaal of assembler geeft je de grootste vrijheid en de meeste mogelijkheden. De taal bestaat uit de instructies zoals die door de controller uitgevoerd worden. Deze programmeertaal vraagt van de gebruiker dat hij(zij) erg gestructureerd te werk gaat (gebruik van o.a. subroutines, in kaart brengen gebruikte geheugen,…). Deze taal is uitermate geschikt voor de 8 bit controllers. Die hebben meestal niet de hardware ondersteuning en de rekensnelheid die noodzakelijk is voor een hogere programmeertaal. Assembler laat ook toe om de exacte runtime van programmatuur te bepalen, wat noodzakelijk is bij interrupt routines in tijdskritische applicaties. De C taal laat programmeren toe op een hoger niveau. De gebruiker hoeft niet 100% de onderliggende hardware te kennen, zelfs de taal van de CPU is niet meer belangrijk. Deze taal is uitermate geschikt voor de snelle en krachtige 16/32 bit controllers zoals ARM en CORTEX. De kennis van machinetaal is onmisbaar wanneer de programmeur ook geconfronteerd wordt met “start up code” of “low level hardware drivers”. Beide talen komen dan ook aan bod in de opleiding.
1.7 1.7.1
Van idee tot realisatie (hardware en software) Inleiding
Wanneer je een oplossing uitwerkt voor een technisch probleem, dan zal de gekozen weg afhankelijk zijn van de gestelde eisen. De gebruikte componenten zullen in functie staan van een optimale oplossing. Hierdoor is het niet steeds evident dat
63
aanpassingen van de opgave (lastenboek) nog opgevolgd kunnen worden. Dit wordt niet steeds door de opdrachtgever in dank aanvaard. Het is dus heel belangrijk om duidelijke afspraken te maken. Uiteindelijk zal het afgewerkte product ook hersteld en opgevolgd moeten worden. Documentatie van zowel software als hardware is belangrijk. Die achteraf opstellen is geen optie!! 1.7.2
Lastenboek
Een lastenboek is een document dat op een eenduidige manier het gestelde probleem omschrijft, en de oplossing die verwacht wordt. Bij het bouwen van een woning zal het lastenboek niet alleen de plannen van de woning bevatten, maar ook de gekozen materialen. In sommige gevallen is er ook een tijdskader opgenomen dat omschrijft wanneer de oplossing klaar moet zijn. Uiteindelijk zullen opdrachtgever en uitvoerder het document tekenen. Het is voor beide partijen een middel om achteraf na te gaan dat aan de gestelde eisen en vragen werd voldaan. De belangrijkste vragen die in het lastenboek een antwoord moeten krijgen zijn:
Wat is het probleem dat opgelost moet worden? Wat moet de oplossing exact kunnen? Hoe moet de bediening verlopen? Welke instellingen moeten mogelijk zijn? Tussen welke grenzen moet de oplossing operationeel zijn? Wat wanneer het misgaat (veiligheid)? Hoe moet het er uit zien (vormvereisten)? Wat mag de kostprijs zijn (er is een verschil tussen prototype kost en productiekost)? In welke mate moeten aanpassingen mogelijk zijn (hardware en software)? Wanneer moet wat opgeleverd worden? Welke documentatie moet er beschikbaar zijn? Wie verwerft de uiteindelijke eigendomsrechten (IP, hardware, software)? Welke beperkingen legt de opdrachtgever op (welke componenten moet/mag/mogen niet gebruikt worden, taal en/of OS software, …)?
Een lastenboek zal een aantal iteraties moeten ondergaan. Zo kan het zijn dat de opdrachtgever zijn eisen moet bijstellen i.f.v. technische beperkingen, of dat de ontwerper niet kan voldoen aan de opdracht. 1.7.3
Handleiding
Na het opstellen van het lastenboek ligt het ontwerp in grote lijnen al vast. Je kan dan van start gaan met het opstellen van een gebruikshandleiding. Door hier mee te starten wordt je geconfronteerd met tal van detailvragen. De handleiding moet hier een oplossing voor bieden. Een goede handleiding vormt de basis voor zowel hardware als software ontwerp. Hoe en wat het apparaat moet kunnen ligt immers al vast. Het geeft een duidelijk beeld van welke bedieningsorganen er nodig zijn, en de problemen die de uiteindelijke gebruiker kan ondervinden met het apparaat. Aangezien de handleiding die in kaart brengt kan je ze verder verwerken in het ontwerp.
64
1.7.4
Hardware blokschema en schema
Voor dat je in detail uitwerkt welke componenten je gaat gebruiken stel je best een blokschema op van zowel de hardware als de software. Dit laat toe om snel een vereenvoudigd beeld te vormen van de oplossing. Dit kan je aftoetsen met de gestelde eisen. Het blokschema moet dan verder uitgewerkt worden in een gedetailleerd schema. Probeer het schema op te stellen in een geïntegreerd schema/PCB pakket. Hierdoor vermijd je fouten bij het routen van de PCB. Het is uitermate belangrijk dat PCB en schema in overeenstemming zijn. Debuggen van een schakeling wordt anders onmogelijk. Wijzigingen die tijdens het debuggen gemaakt worden aan schema en/of PCB moeten dan ook nauwkeurig bijgehouden worden. Eén of andere vorm van versiecontrole dringt zich dan ook op!! 1.7.5
Flowchart
Een flowchart is een must bij het schrijven van software. De flowchart geeft op een (relatief) compacte manier weer hoe de software in elkaar zit. De flowchart biedt de programmeur de mogelijkheid om de software te doorlopen, en na te gaan of alle gewenste functionaliteit er in zit, maar ook of de software niet ergens in een lus blijft zitten. Net zoals bij het blokschema bevat een flowchart geen details. In de blokken staan dus geen specifieke processorinstructies, maar omschrijvingen van wat er moet gebeuren. Bij de omzetting naar effectieve code zal de flowchart terug te vinden zijn in de vorm (subroutines/functies) die het programma bevat. 1.7.6
Opbouw programma
Elk programma start bovenaan met een uitvoerige beschrijving van wat het doet, en op welk platform het wordt gebruikt. In deze header steek je ook best een revisiecode zodat je kan nagaan welke versie dit programma is, maar ook welke aanpassingen er t.o.v. vorige versie werden aangebracht (versiebeheer of change log). Onder deze header staan meestal de gebruikte variabelen. Bij het programmeren in machinetaal is de programmeur verantwoordelijk voor het geheugengebruik. Door de gebruikte variabelen op een chronologische manier in kaart te brengen wordt dubbel geheugengebruik voorkomen. Dit is een regelmatig voorkomende, maar moeilijk op te sporen fout. Als een programma leesbaar moet blijven, maar vooral moet toelaten fouten op te sporen of wijzigingen aan te brengen, is een structuur noodzakelijk. Het hoofdprogramma zal zo veel mogelijk subroutines/functies bevatten. Elk programmaonderdeel wordt best overvloedig van commentaar voorzien. Na enkele weken ben je immers vergeten welke speciale truc je hebt toegepast.
65
Tabellen staan altijd onderaan het programma. Zij vormen immers niet uitvoerbare code. Het gebruik van include files laat toe om eigen bibliotheken aan te maken van veelvoorkomende subroutines. Ook hier is overvloedig commentariëren een noodzaak! 1.7.7
Versie controle
In de vorige paragraaf werd reeds aangegeven dat versiecontrole belangrijk is. Het toestel waarop de software draait moet ook op een of andere manier communiceren welke versie van software er in zit. Producenten gebruiken hiervoor verschillende technieken: Het toestel bevat een display. Dan kan je de versie van software laten verschijnen bij het opstarten of door het drukken van toetsencombinaties (menu item in bediening) Het toestel bevat slechts enkele LED’s als indicatie. Door een toetsencombinatie in te drukken tijdens het opstarten kunnen de LED’s via een knippercombinatie een indicatie geven van de software versie. Op het IC wordt een sticker geplakt met een code. Het IC kan uitgelezen worden, en in een geheugenlocatie staat een code (dit is niet gebruikelijk aangezien producenten de uitleesmogelijkheid van de controller gaan uitschakelen).
1.7.8
Debugging
Debugging is nagaan of het ontwerp doet wat het verondersteld wordt te doen. Dit kan je maar nagaan wanneer op een eenduidige manier is vastgelegd wat het moet doen (lastenboek, blokschema, flowchart). Wanneer je dan toch met een probleem opgezadeld zit zijn er een aantal procedures die je best volgt:
Hardware controle: o Is er een correcte voedingsspanning waar nodig? o Is er een kloksignaal waar nodig? o Klopt de PCB met het schema (geïntegreerd pakket!!) o Is er overeenstemming tussen wat jij denkt en wat de datasheet omschrijft? o Zijn alle solderingen goed? o Zijn alle verbindingen goed (OPGELET met MULTIMETERS!!)
Software controle: o Klopt de flowchart met het lastenboek? o Is de flowchart “uitvoerbaar”? o Zijn de initialisaties van componenten correct? o Is de stack in orde? o Is er dubbel geheugengebruik? o Zijn er fouten tegen de jump/call/return combinaties? o Zijn de push en pop instructies correct toegepast? 66
o Zijn de interruptroutines volledig in orde (vectoren, stack en registergebruik, uitvoeringstijden,…) Debuggen kan ook door op uitgangspinnen (LED’s, display,…) afhankelijk van de software pulsen te genereren. Die kan je met een oscilloscoop nameten. Debuggen kan ook via de IDE. Een simulator kan helpen bij het nagaan van rekenroutines of initialisaties van I/O. Via een JTAG bestaat de mogelijkheid om op de hardware in te grijpen. 1.7.9
Documentatie (technisch dossier)
Uiteindelijk wordt een ontwerp afgerond met een technisch dossier. Dit bevat alle documentatie die nodig is om de realisatie te gebruiken, onderhouden, aan te passen. Het is een bundeling van lastenboek, schema’s, flowchart, code, aansluitgegevens, montage/demontage handleiding, onderhoudsvoorschriften, specificaties,…
1.8 1.8.1
Laden van het programma Inleiding
Wanneer een programma klaar is zal de IDE een Intel Hex file afleveren (kan ook een Sxx file zijn, maar is minder gebruikelijk). Dat bestand bevat de code die door de controller uitvoerbaar is. Het geeft ook aan waar de data in het geugen komt te staan. Figuur 1.8.1.1 bevat een Intel Hex file voor een 8051 controller. :020000000125D8 :1000230021D6758121116F9007F1117E900647113A :100033007E11A09005C2117E11A091629006541109 :100043007E11A011A8B4450281D6B4420281EFB457 :100053004C0201B5B45602A153B45202A1AC9007AD :10006300DD117E900647117E11A080CE75AAD97549 File gaat hier nog even verder…. :00000001FF Figuur 1.8.1.1 Intel Hex file voor 8051 De code (moet nog omgezet worden van ASCII naar binair) die in het bestand zit moet in het geheugen van de controller geladen worden. Indien het systeem reeds code bevat (BIOS in PC, monitor in GIANT, Boot loaders) kan die de mogelijkheid bevatten dit te doen. In het andere geval, is er bijkomende hardware nodig om de code in het geheugen van de controller te plaatsen. In sommige systemen wordt de code in niet vluchtig geheugen geplaatst. In andere wordt RAM gebruikt (537 systemen laboratorium). In dit laatste geval kan het programma verloren gaan bij spanningsuitval.
67
In de volgende paragrafen beperken we ons tot controllers met niet vluchtig geheugen. 1.8.2
Fuse- , configuration en lock bits
Microcontrollers worden steeds complexer. De eindgebruiker kan kiezen welke mogelijkheden hij wil behouden of uitschakelen. Sommige controllers kunnen zelfs hun functionaliteit aanpassen aan een ouder model dat uit productie werd genomen (ATMEL). In figuur 1.8.2.1 is een fusebyte opgenomen van de ATtiny25. In de controller zitten er meerdere. Onderaan de figuur staan ook enkele verklaringen.
Figuur 1.8.2.1 Fusebyte ATtiny25 Naast de instellingsbits bestaan er ook lock bits. Die laten de eindgebruiker toe bepaalde onderdelen van de controller te vergrendelen. Hierdoor wordt het bijvoorbeeld onmogelijk het opgeslagen programma uit te lezen. Op die manier kan je eenvoudig kopiëren van software tegengaan. Figuur1.8.2.2 bevat een fuse byte van de ATtiny25. Deze bits kunnen enkel uitgeschakeld worden wanneer ALLE informatie in de chip gewist wordt.
68
Figuur 1.8.2.2 Fusebyte van de ATtiny25 1.8.3
Via Programmer
Een programmer (figuur 1.8.3.1) is een apparaat dat toelaat om IC’s te programmeren. De meeste programmers laten toe dat een heel gamma van componenten geladen kan worden (EPROM, FPGA, controllers, …).
69
Figuur 1.8.3.1 Programmer Dit type toestel is aan de dure kant en zonder adapters enkel geschikt voor DIL/DIP. Het voordeel is dan weer dat IC’s van verschillende fabrikanten ondersteund worden. Om het IC van een programma te voorzien moet het uit de schakeling genomen worden. Via de ZIF socket op de programmer wordt het geladen, waarna het terug in de schakeling kan. Voor SMD componenten wil dit zeggen dat je ze alleen kan programmeren voor de eindmontage. Sockets voor SMD componenten worden (wegens kostprijs en volume) nauwelijks toegepast. 1.8.4
Via COM poort
Zowat elke microcontroller is uitgerust met een UART. Fabrikanten rusten de controller uit met “bootloader code” die via bepaalde pinnen geactiveerd kan worden. De bootloader gebruikt dan de UART om de Intel Hex file in te lezen en in het geheugen te plaatsen. In figuur 1.8.4.1 staat een applicatieschema voor de ADuC832 controller. De controller kan geprogrammerd worden nadat hij op de PCB is gesoldeerd.
70
Figuur 1.8.4.1 Applicatie ADuC Andere controllers die op die maniergeladen worden zijn o.a. XC888 en 89c5115. Omdat PC’s niet steeds beschikken over een COM poort is het gebruik van een USB naar COM omvormer nodig (figuur 1.8.4.2).
71
Figuur 1.8.4.2 USB naar COM In nieuwe ontwerpen wordt een FTDI232 of aanverwante chip gebruikt om deze omvorming te doen. Er bestaan ook speciale mini programmers op de COM poort. Zie hiervoor de volgende paragraaf (bestaan immers ook op USB). 1.8.5
Via USB
Gelet op de complexere hardware die hiervoor op de controller aanwezig moet zijn is het aantal controllers dat op deze manier rechtstreeks geladen kan worden beperkt. Voorbeelden zijn o.a. te vinden bij ARM en ATMEL controllers. “USB on the go” is een USB systeem waardoor controllers ook met elkaar kunnen communiceren. Industrieel en automotive is USB niet direct bruikbaar. Sommige fabrikanten brengen mini programmers op de markt die aangesloten kunnen worden op de USB poort van de PC. Communicatie met deze dongle via de IDE maakt het gebruik extra eenvoudig. De dongle doet dan een omzetting van USB naar een ander protocol dat door de microcontroller gebruikt wordt (kan o.a. SPI of JTAG zijn). In figuur 1.8.5.1 is een afbeelding opgenomen van een programmeer dongle van ATMEL.
72
Figuur 1.8.5.1 Dongle ATMEL Door op de PCB van je eigen applicatie een header te voorzien kan de component geladen worden nadat hij op de PCB werd gesoldeerd. Ook herprogrammeren is mogelijk. De dongle kan gebruikt worden voor alle controllers van de fabrikant, niet voor die van andere producenten. 1.8.6
Via SPI
Kleine controllers kunnen meestal via een SPI poort geladen worden. Omdat een PC dit formaat niet kan genereren is een tussenapparaat nodig. Je kan hiervoor de dongle gebruiken uit de vorige paragraaf. Meestal geven de fabrikanten het SPI protocol vrij, zodat je zelf een programmer kan schrijven. In figuur 1.8.6.1 is weergegeven hoe de ATtiny25 aangesloten moet worden om hem te programmeren via SPI.
Figuur 1.8.6.1 ATtiny25 SPI programming LET OP!!! De SPI mode kan uitgeschakeld worden via de fuse bits. De controller kan dan enkel nog via een programmer geladen worden.
73
1.8.7
Via JTAG
JTAG (Joint Test Action Group) is een standaard die origineel werd ontworpen om complexe schakelingen te testen. Het systeem laat toe de gebruikte IC’s in een debug mode te schakelen. Via een beperkt aantal aansluitingen (JTAG port) (zie figuur 1.8.7.1) kan een extern systeem de controle van de aansluitingen van het IC overnemen.
Figuur 1.8.7.1 JTAG PORT Microcontrollers die uitgerust zijn met een JTAG poort kunnen ook langs deze weg geladen worden met een programma. De JTAG poort laat meestal een ver doorgedreven vorm van debugging toe. Sommige IDE’s ondersteunen JTAG.
1.9
Hardware criteria
1.9.1
Inleiding
Een schakeling is maar even betrouwbaar als de zwakste schakel. Niet alleen de software maar ook de hardware is hieraan onderworpen. De behuizing, bekabeling, kwaliteit van connectoren en schakelaars verdienen aandacht. De opdrachtgever zal meestal specifiëren aan welke voorwaarden de hardware moet voldoen. En alhoewel spaghetti best lekker is, kan deze omschrijving niet van toepassing zijn op de bedrading van een elektronische schakeling. Een belangrijke hardware schakel is de PCB. Die komt in de volgende paragrafen aan bod. 1.9.2
PCB design
1.9.2.1
Inleiding
Voor gedetailleerde richtlijnen i.v.m. het ontwerp van een PCB verwijzen we naar de bijhorende cursus. Toch geven we beknopt enkele richtlijnen:
74
De PCB is de component die alle andere met elkaar verbindt. De kwaliteit en betrouwbaarheid ervan is dan ook van toepassing op de totale schakeling. Gebruik niet meer componenten dan noodzakelijk. Dit heeft namelijk gevolgen voor: o BOM o Afmetingen PCB o Afmetingen behuizing o Stroomverbruik o Aantal verbindingen en soldeerpunten o Kans op vergissingen Gebruik geen hardware voor problemen die ook met software oplosbaar zijn. Respecteer de aanbevelingen van de fabrikant i.v.m. voedingen. Voorzie montagegaten (een PCB onder spanning mag NOOIT vlak ergens op liggen). Zorg er voor dat alle connectoren aan de rand van de PCB staan. Dit laat een ordelijke montage toe. Zorg dat je eerst alle componenten fysiek beschikbaar hebt. Dit voorkomt verrassingen bij het bestukken. Maak gebruik van een geïntegreerd schema-PCB pakket. Dit voorkomt fouten en vereenvoudigd ook het debuggen van de schakeling. Meet NOOIT met een multimeter de verbindingen door op een bestukte PCB. Een PCB is ook een beetje kunst. Als het er netjes en ordelijk uitziet is de kans groot dat het ook netjes werkt. Gebruik zo dik mogelijke voedingsbanen, liefst voedingsvlakken. Volg de richtlijnen i.v.m. ontkoppeling. Voorzie voldoende koeling voor componenten die vermogen dissiperen. Oriënteer connectoren en componenten zo veel mogelijk in dezelfde richting. Dit voorkomt vergissingen bij gebruik en bestukking. Elke fabrikant van componenten heeft application notes i.v.m. EMC, PCB shielding en grounding. Lees ze dan ook!
In appendix A staan er een uitgebreide checklist voor PCB design. In een volgende paragraaf komen we nog terug op enkele eigenschappen i.v.m. PBC’s. 1.9.2.2
Enkelzijdige PCB
Een enkelzijdige PCB kan artisanaal vervaardigd worden. De kwaliteit (tenzij uit industriële productie) is meestal ondergeschikt. De PCB is niet voorzien van een soldeermasker of silkscreen. De kwaliteit van de banen is afhankelijk van het gebruikte basismateriaal, ets en belichtingstechnieken. Deze PCB’s kunnen perfect gebruikt worden voor through hole componenten. SMD kan alleen wanneer de pitch >0.05 inch. Na het etsen zal er op de koperbanen en de pads een laagje fotoresist overblijven. Zodra dit weggenomen wordt zal de PCB beginnen met oxideren waardoor de soldeerbaarheid afneemt. Gelet op de zorg waarmee de PCB gemaakt wordt is het perfect mogelijk dat er haarscheuren in de banen voorkomen.
75
Het is aanbevolen om zodra de fotoresist verwijderd is een flux aan te brengen met filmvorming (SK10 in figuur 1.9.2.2.1).
Figuur 1.9.2.2.1 SK10 van Kontaktchemie Deze lak zal de PCB beschermen tegen oxidatie. Zodra de flux opgewarmd wordt met een soldeerbout wordt hij vloeibaar en vergemakkelijkt het soldeerwerk. Dit is ook handig bij het vertinnen van de banen op de PCB (vermijden van haarscheurtjes). Het boren van de gaatjes gebeurt best voor het verwijderen van de fotoresist. Zodra de complexiteit van de schakeling toeneemt zijn draadbruggen onvermijdelijk. De ontwerper zal dan overwegen een twee- of meerlagige print te ontwerpen. 1.9.2.3
Dubbelzijdige PCB
Dubbelzijdige PCB’s worden best industrieel vervaardigd. Op die manier kunnen doormetallisaties aangebracht worden die banen van de onderzijde en de bovenzijde met elkaar verbinden. In figuur 1.9.2.3.1 staan gerelateerde afbeeldingen.
76
77
Figuur 1.9.2.3.1 Dubbelzijdige PCB’s Dit type PCB is meestal voorzien van een soldeermasker en een silkscreen. Dit vereenvoudigt het bestukken, en biedt de PCB een zekere mate van bescherming. Als je de PCB laat fabriceren heb je de keuze uit verschillende types coating voor de pads. Goud of tin met lood genieten de voorkeur bij prototyping. Loodvrije of zilveren coatings zijn sterk onderhevig aan corrosie en beperken de houdbaarheid (soldeerbaarheid) van de PCB. Bij het bestukken worden eerst de laagste (fysieke afmetingen) componenten bestukt. Als laatste de connectoren en andere through hole componenten. Bestukken langs beide zijden kan overwogen worden. Bij het vervangen van een component kan je best eerst alle pinnen lossnijden, waarna de overblijvende aansluitingen één voor één verwijderd worden. Met soldeerlint/pomp kunnen dan de via’s/pads vrij gemaakt worden. Voor je de print laat produceren ga je best bij de fabrikant na welke fysische restricties opgevolgd moeten worden (minimale boordiameters, minimale breedte van banen, dikte van de koper op de PCB, minimale afstanden tussen de banen etc.). 1.9.2.4
Multilayer PCB
Multilayer PCB’s zijn betaalbaar, zelfs voor prototyping. Het ontwerp ervan moet rekening houden met verschillende factoren zoals o.a. soorten via’s.
78
1.9.2.5
Mechanical layout
Bij het ontwerp van de PCB moet je rekening houden met de mechanische afmetingen van alle gebruikte componenten. Zorg dat je de juiste footprint gebruikt. Vooral bij SMD componenten zijn er afwijkende verpakkingen beschikbaar. Een PCB moet ook gemonteerd kunnen worden. Montagegaten zijn dan ook onontbeerlijk. Indien er koelvinnen of andere logge mechanische componenten (transformatoren) op de PCB staan moet je ook hiervoor een mechanische montage voorzien. Een verzorgde silkscreen zal het bestukken en het gebruik van de PCB vereenvoudigen (figuur 1.9.2.5.1).
Figuur 1.9.2.5.1 Silkscreen van PCB
1.9.3
Prototyping zonder PCB
Bij prototyping zonder PCB kan je best GEEN gebruik maken van prikbordjes (figuur 1.9.3.1)
79
Figuur 1.9.3.1 Prikborden Deze borden zijn bruikbaar voor kleine analoge schakelingen. Door de slechte contacten is dit type bord alles behalve betrouwbaar, laat staan transporteerbaar. Door de grote parasitaire capaciteiten is het bovendien enkel geschikt voor LF ontwerpen. Daarom geven we de voorkeur aan prototyping borden waarop de componenten gesoldeerd worden (figuur 1.9.3.2). Deze verbindingen zijn betrouwbaar. Let wel op dat je de minimale afstanden tussen geleiders respecteert in functie van de werkspanning!!
80
Figuur 1.9.3.2 Prototyping met gesoldeerde verbindingen
1.10 Keuzecriteria microcontroller 1.10.1
Inleiding
Het kiezen van een microcontroller voor een bepaalde taak is niet eenvoudig. Er zijn talloze fabrikanten, die elk op hun beurt een uitgebreid gamma aanbieden. Omdat de controllermarkt erg competitief is, zal elke fabrikant zijn aanbod continu afstemmen op de vraag vanuit de markt. Alleen wanneer het over productiereeksen gaat is die optimale keuze van fundamenteel belang. Voor kleinere reeksen of prototyping is de overige kost van die aard dat de prijs van de componenten verwaarloosbaar is. Vele gebruikers gaan dan ook voor 1 producent, en gebruiken uit zijn gamma enkele controllers die breed inzetbaar zijn. Uit de Atmel reeks zou dat de ATtiny25, ATtiny26, ATmega16 en ATmega1280 (zie figuur 1.10.1.1) kunnen zijn. Afhankelijk van de aard van toepassingen is een andere selectie mogelijk. Zo zullen automotive
81
(CAN bus en ander temperatuurbereik), of batterij gevoede applicaties een andere keuze afdwingen.
ATtiny25 (8 pin)
ATtiny26 (20 pin)
ATmega16 (40 Pin)
82
ATmega1280 (100 pin) Figuur 1.10.1.1 Een greep uit het Atmel gamma Het limiteren van de keuze heeft een aantal voordelen:
Stockbeheer (aankopen per stuk niet steeds mogelijk)
Ervaring (door dezelfde controller te gebruiken bouw je ervaring en herbruikbare software op)
Basis hardware (sommige componenten (SMD) vragen kwalitatief hoogstaande PCB’s. Door steeds dezelfde controller te gebruiken kan je hiervoor een standaard herbruikbare print ontwerpen)
Spelingsmarge bij het ontwerp (door een over dimensioneren van de controller blijft er een marge voor uitbreiding/aanpassing)
Herbruikbare IDE en programmeertools
83
Op Campus De Nayer limiteren wij ons tot:
8051 compatibele controllers AVR 8 bit ARM7/Cortex Freescale Coldfire
Deze keuze houdt geen enkele uitspraak in met betrekking tot andere fabrikanten (vb. TI, Microchip, …). Het is een historische/logistieke keuze. De bitgrootte van een controller is het aantal bit waaruit de inwendige geheugenlocaties bestaan. In de meeste gevallen is dit ook de grootte van de getallen waarop de controller in een keer een berekening kan doen. In figuur 1.10.1.2. staat de binaire notatie van een byte (by eight).
Figuur 1.10.1.2 Binaire notatie van een byte
8 bit controllers: o alle variabelen zijn 8 bit groot (of bestaan uit meerdere bytes) o minimale waarde getal 0000000b, 00h o maximale waarde getal 11111111b, ffh (256 combinaties)
16 bit controllers: o Variabelen zijn 16 bit groot o Minimale waarde getal 0000000000000000b, 0000h o Maximale waarde getal 1111111111111111b, ffffh (65536 combinaties)
32 bit controllers: o Variabelen zijn 32 bit groot o Maximale waarde getal ffffffffh, (4.294.967.296 combinaties)
De instructieset mogelijkheden:
van
al
deze
controllers
bevatten
dezelfde
fundamentele
84
Verplaatsen van gegevens in het geheugen Basisberekeningen (+, -, (niet steeds x en /) Logische berekeningen (and, or, xor, not, shift,…)
Meestal is het wel zo dat met de bitgrootte de complexiteit van de chip toeneemt, maar meestal ook snelheid en stroomverbruik. Door het grote aantal aansluitingen zal ook de verpakking een PCB van hogere kwaliteit vragen. In de volgende paragrafen overlopen we even kort de voornaamste eigenschappen van soorten controllers. 1.10.2
8 bit microcontrollers
Dit type controller is historisch de oudste (Intel 1975 de 8048, Intel 1980 de 8051). Hierdoor bestaat er een arsenaal aan ervaring en tools. Maar door het initiële succes van deze controller heeft hij een groot marktaandeel verovert. Tal van fabrikanten maken ondertussen compatibele versies, of hun eigen systemen. De 8 bitters zijn moeilijk van de markt te verdrijven wegens hun eenvoud, betrouwbaarheid, stabiliteit (lang verkrijgbaar, zo kan je nu nog altijd een 8051 model 1980 kopen) en lage kostprijs. Ze worden aangeboden in een scala van verpakkingen en pincounts. 1.10.3
16 bit microcontrollers
Dit type controller heeft nooit het succes van de 8 bit systemen kunnen evenaren. Een belangrijke reden was het niet gratis ter beschikking stellen van IDE’s en de hoge pincount (complexe PCB). Ze worden vooral gebruikt voor specifieke toepassingen (Vb. Infineon 166 voor PLC’s en frequentieomvormers). 1.10.4
32 bit microcontrollers
Tot voor kort waren dit type controllers hetzelfde lot beschoren als de 16 bit varianten. Met de opkomst van de ARM core (ontwerp van 1983) is dit drastisch veranderd. De ARM core kenmerkt zich door:
Lage kostprijs (RISC opbouw) Laag stroomverbruik (draagbare toepassingen) Core principe waardoor verschillende fabrikanten devices op de markt brengen (NXP, Atmel, Analog Devices, …)
Het marktaandeel van dit type zal in de toekomst verder blijven toenemen. Enkele nadelen blijven er wel bestaan (complexiteit, hoge pincount, ontwikkeltools).
85
1.10.5
Speciale microcontrollers?
Elke fabrikant brengt ook controllers op de markt die voor een specifieke toepassing worden ontworpen. Enkele voorbeelden: Microchip maakt een controller specifiek voor deur-elektronica in een wagen SC12 van Beck zijn single chip PC’s met ethernet connectiviteit Atmel maakt controllers specifiek voor het aansturen van verlichting Deze niet limitatieve lijst geeft aan dat ook niet standaard controllers op de markt komen. Een groot probleem zal altijd blijven:
Kan ik er aan geraken, en zo ja voor hoe lang? Voor een ontwerp zou het antwoord JA en LANG moeten zijn.
1.11 Fail safe werking van een controllersysteem 1.11.1
Inleiding
Fail safe werking houdt in dat een systeem onder alle omstandigheden betrouwbaar blijft werken. Vooral wanneer het uitvallen van het systeem voor ernstige gevolgen (voor mens en milieu) kan zorgen is fail safe werking belangrijk. 100% fail safe is onmogelijk, maar afhankelijk van de toepassing zal je er meer aandacht aan moeten besteden. In de nucleaire toepassingen gaan de ontwerpers erg ver (7 computers parallel). 1.11.2
Ongebruikte vectoren en geheugenlocaties
Het is mogelijk dat de processor het programma niet afwerkt zoals het voorzien is. Dit kan het gevolg zijn van een bug in de software, maar ook ESD/EMC problemen kunnen er de oorzaak van zijn. Het is gebruikelijk ongebruikte geheugenlocaties te vullen met de NOP instructie. Ongebruikte interrupt vectoren laat je best verwijzen naar een dummy interruptroutine die op een ordelijke manier de controle overdraagt aan het hoofdprogramma. 1.11.3
Bewaking van het programmaverloop (Watchdog Timer)
Bovenstaande technieken garanderen niet dat het geheel niet vastloopt. Daarom zijn de meeste controllers uitgerust met een watchdog timer. Dit kan je best vergelijken met een keukenwekker. De timer wordt ingesteld op een bepaalde tijd (ųs-ms-s). Als binnen die tijd het programma de wekker niet opnieuw instelt zal de controller opnieuw opgestart worden. Om te beletten dat de herinstelling van de timer toevallig
86
kan gebeuren is hiervoor een beveiligde operatie voorzien (strikte timing of procedure). De WDT maakt deel uit van de controller. In sommige toepassingen wordt dit niet als veilig aanzien (kristal breekt af, totale chip valt stil). In dat geval wordt een externe watchdog toegevoegd (figuur 1.11.3.1) (TUVcompliance).
Figuur 1.11.3.1 Externe WDT
87
1.11.4
Bewaking van de voedingsspanning
Dit onderwerp werd reeds uitvoerig behandeld in dit hoofdstuk bij de bespreking van de voeding. 1.11.5
Temperatuur bewaking
Voor de thermische bewaking van het systeem kan je beroep doen op bimetaal thermostaten (figuur 1.11.5.1) of halfgeleider thermostaten (figuur 1.11.5.2).
Figuur 1.11.5.1 Bimetaal thermostaten
88
Figuur 1.11.5.2 Halfgeleider thermostaat Het gebruik van de bimetaal thermostaten kan ook noodzakelijk zijn als bijkomende beveiliging in een elektronisch geregeld systeem (vb. waterboiler, kookplaat etc). Thermische zekeringen herstellen zich niet na de over-temperatuur. Zij worden veel gebruikt in consumer-elektrische toestellen (figuur 1.11.5.3)
Figuur 1.11.5.3 Thermische zekering
89
1.11.6
Redundante systemen
If all else fails… In o.a. jachtvliegtuigen en nucleaire installaties worden redundante systemen gebruikt. Hierbij gaan meerdere computersystemen (zelfs van verschillende fabrikanten) onafhankelijk van elkaar dezelfde berekeningen uitvoeren. In geval van onenigheid wordt er democratisch beslist wat er moet gebeuren (In de nucleaire sector heeft een democratische beslissing voor gevolg dat het systeem daarna in shut down gaat). Omdat de I/O gedeeld wordt, zal extra hardware toegevoegd worden om er voor te zorgen dat een systeem dat in de fout gaat de hardware gaat hypothekeren.
1.12
Stroomverbruik beïnvloeden
1.12.1
Inleiding
Het stroomverbruik beïnvloeden heeft vooral bij batterij gevoede systemen voordelen. Zowat alle microcontrollers bevatten hardware ondersteuning om dit mogelijk te maken. Merk op dat sommige controllers initieel ontworpen zijn om batterij gevoed te worden. 1.12.2
Stroomverbruik afhankelijk van kloksnelheid
Er bestaat een verband tussen stroomverbruik en kloksnelheid (figuur 1.12.2.1 voor ATmega128)
90
Figuur 1.12.2.1 Stroomverbruik versus kloksnelheid ATmega128 Door de werkfrequentie van de controller aan te passen kan dus ook het stroomverbruik aangepast worden. De grafieken geven het stroomverbruik bij een actieve controller ( zie 1.12.3). 1.12.3
Stroomverbruik afhankelijk van activiteitsgraad
Onafhankelijk van de klok kan de processor in een aantal stroomreducerende modes geplaatst worden. De ATmega128 kent 3 modi: -actief, idle, power down. Het verschil tussen beide laatste modi is het aantal onderdelen dat effectief uitgeschakeld wordt. In idle is dat meestal alleen de CPU. Die kan dan gewekt worden door I/O gebeurtenissen (figuur 1.12.3.1)
Figuur 1.12.3.1 Stroomverbruik ATmega128 in idle mode
91
In de power down mode wordt alles uitgeschakeld. De chip kan meestal enkel gewekt worden door een hardware reset. Sommige controllers laten ook toe dat de watchdogtimer of een externe interrupt het systeem uit de slaapmode haalt (figuur 1.12.3.2 voor stroomverbruik power down).
Figuur 1.12.3.2 Stroomverbruik ATmega128 in power down Merk op dat er bij power down geen sprake meer is van de klok. Het enige wat nog loopt (en ook dat kan uitgeschakeld worden) is de inwendige RC oscillator die de watchdog klokt (in figuur 1.12.3.2 staat de watchdog nog ingeschakeld). 1.12.4
Stroomverbruik afhankelijk van voedingsspanning
De figuren in bovenstaande paragrafen bevatten ook gegevens i.v.m. de voedingsspanning. Hoe lager die is, hoe lager het stroomverbruik. Meestal is er wel een verband tussen de maximale kloksnelheid en de voedingsspanning (figuur 1.12.4.1 voor ATmega128). Bij de pentium reeks van Intel kan de processor zijn voedingsspanning bijsturen, afhankelijk van de gevraagde rekenkracht.
92
Figuur 1.12.4.1 Klokfrequentie versus voedingsspanning 1.12.5
Stroomverbruik afhankelijk van ingeschakelde onderdelen
Een microcontroller is opgebouwd uit onafhankelijke functionele onderdelen. Na een reset zijn alle niet noodzakelijke onderdelen uitgeschakeld. De gebruiker zal, afhankelijk van zijn toepassing, die onderdelen initialiseren, en dus ook inschakelen. Hierdoor zal het stroomverbruik van de controller toenemen. Sommige controllers (ARM) laten ook toe dat de kloksnelheid van de periferie lager kan zijn dan die van de CPU. 1.12.6
Stroomverbruik afhankelijk van technologie
Tenslotte zal het stroomverbruik ook afhankelijk zijn van de door de fabrikant gebruikte technologie. Sommige controllers (MSP430 van TI) zijn speciaal ontworpen om een ultra laag stroomverbruik te hebben. De gebruikte geometrie van de inwendige componenten, het aantal halfgeleiders waaruit de schakeling is opgebouwd, gebruikte kloksnelheid en voedingsspanning zijn hierbij de voornaamste factoren.
1.13 Besluit Bij het ontwerpen van een controllertoepassing is het uiterst belangrijk gestructureerd te werken. Bij het opstellen van een lastenboek moet je trachten rekening te houden met de sleutelparameters die een systeem omschrijven. Een goede documentatie en nauwgezette uitvoering zijn van primordiaal belang!
93
Hoofdstuk 2 2.1
Digitale Input en Output
Inleiding
Digitale I/O is elke vorm van input en output waarbij een uitgangsklem met een “1” of een “0” aangestuurd wordt. Alhoewel tijdsgestuurde uitgangen (PWM) ook digitale I/O vormen zullen we die vormen bespreken bij de tijdsgerelateerde I/O. Een belangrijk aspect bij de bespreking van de digitale I/O is het type poort waarover de controller beschikt (push-pull of open drain (al of niet met ingebouwde pull-up weerstand)). Ook de elektrische specificaties van de poort (en zoals in het vorige hoofdstuk besproken van de chip) spelen een belangrijke rol bij het inlezen of aansturen van externe componenten.
2.2 2.2.1
Digitale input Inleiding
Digitale input laat toe om een signaal in te lezen met de toestand “1” of “0”. Afhankelijk van de bron van het signaal kan een elektrische aanpassing nodig zijn. Als het over een NIET 8051 poort gaat, heeft een input van een controller een hoge impedantie. Je zal er dan moeten voor zorgen dat de poort altijd in een gekende toestand is. Bij een 8051 compatibel poort (met uitzondering van poort 0) is er inwendig altijd een pull-up weerstand aanwezig. Als de poort “open” ligt zal intrinsiek een “1” op de poort aanwezig zijn. Waar mogelijk zullen we voor elk type input de alternatieven bespreken. Bij digitale inputs moet ook aan contactdender aandacht geschonken worden (figuur 2.2.1.1). Dit verschijnsel treedt op wanneer mechanische contacten gebruikt worden. Maar ook optische systemen zonder ingebouwde hysterese kunnen dit verschijnsel vertonen. In de meeste gevallen kan dit verschijnsel opgevangen worden in software. Alleen bij tijdsgerelateerde I/O moet het signaal dender vrij zijn. Alleen in die gevallen is een ontdendering aanvaardbaar. Ook hier blijven we aanhanger van het principe “hoe minder componenten hoe beter”, en “wat in software kan moet je niet in hardware doen” onder het motto “software kost geen geld tijdens de productie, hardware wel”, en “software is flexibel, hardware niet”. In figuur 2.2.1.2 is een ontdenderingsschakeling opgenomen. Voor het inlezen van keypads bestaan er ook geïntegreerde schakelingen. Ook hier zijn we voorstander van een software oplossing.
94
Figuur 2.2.1.1 Contactdender
Figuur 2.2.1.2 Ontdenderingsschakeling (100R in serie SW1!!) 2.2.2
Schakelaars
Schakelaars vormen de meest eenvoudige vorm van input. In figuur 2.2.2.1 staan enkele mogelijke manieren afgebeeld om een schakelaar aan te sluiten op een poort.
95
A
B
C
D Figuur 2.2.2.1 Schakelaars op ingangspoort. Figuur A: Deze configuratie is geldig voor alle types ingangspoorten. Bij een 8051 poort is de pull-up weerstand totaal overbodig voor afstanden < 30cm. Worden de afstanden groter, dan kan de pull-up weerstand best toegevoegd worden. De waarde van de weerstand kan je dan best verkleinen naar een waarde tussen de 1k en 4k7. Als de afstanden erg groot worden (m) dan kan moet je opletten voor spanningsvallen in de aansluitdraden. Een oplossing met optocoupler (zie verder) kan dan aangewezen zijn. Figuur B: Dit is niet aan te bevelen bij 8051 poorten. Er zal immers constant een relatief grote stroom vloeien (80ųA). Bij poorten zonder inwendige pull-up kan dit perfect. De weerstandswaarde kan dan best genomen worden zoals in uitleg figuur A. Figuur C: Werkt bij geen enkele ingangspoort. Als de schakelaar open is zal er bij een 8051 poort een 1 ingelezen worden (behalve voor poort 0 die meestal geen inwendige pull-up weerstanden heeft). Bij een gesloten schakelaar ook. Bij een poort zonder pull-up weerstanden zal de ingang zweven en dus een ongekend niveau afleveren. Figuur D: Deze figuur is vergelijkbaar met figuur A. De weerstand van 1k zal de pushpull poort beschermen wanneer ze per ongeluk in de output mode komt te staan. Zonder de weerstand kan er dan een kortsluiting ontstaan. Alhoewel de meeste
96
poorten een inwendige stroombegrenzing hebben is dit toch te vermijden. Behalve in educatieve systemen is dit niet gebruikelijk (je mag er van uit gaan dat de programmeur weet wat hij doet). Voor ontdendering verwijzen we naar vorige paragraaf (100R in serie schakelaar!!). 2.2.3
Keypad (klavier)
Een keypad is een groep van schakelaars die gebruikt worden om gegevens in te lezen. Omdat het aantal aansluitingen op een controller beperkt is, worden de schakelaars in een matrix geplaatst. Hierdoor zal ook het aantal verbindingen tussen de controller en het keypad beperkt blijven (figuur 2.2.3.1).
Figuur 2.2.3.1 Keypad Het keypad kan op verschillende manieren aangesloten worden op de controller. Ook hier is het al of niet beschikbaar zijn van inwendige pull-up weerstanden belangrijk. Indien dat niet is moet het klavier aangesloten worden zoals in figuur 2.2.3.2.
97
Figuur 2.2.3.2 Aansluiting keypad met externe pull-up weerstanden Tenslotte is er ook software nodig om het klavier te pollen. Een klavier inlezen via een interruptroutine is niet aangewezen wegens de contactdender. Figuur 2.2.3.3 laat zien hoe dit zou kunnen (de dender moet dan in software opgevangen worden in de interruptroutine (delay) wat niet altijd een goede programmeertechniek is).
Figuur 2.2.3.3 Keyboard genereert een interrupt In onderstaande figuur (2.2.3.4) is een flowchart opgenomen die aangeeft hoe het inlezen van het klavier kan gebeuren. Het is aanbevolen van keyboardscanning een onderdeel van het hoofdprogramma te maken. Het betreft hier immers een relatief trage gebeurtenis.
98
99
Figuur 2.2.3.4 Keyboard polling flowchart Onderstaande figuur (figuur 2.2.3.5) is een alternatieve aansluiting van een keypad. Als je over een analoge input beschikt kan je op deze manier klemmen uitsparen. LET WEL OP!! Afhankelijk van stoorsignalen, nauwkeurigheid van de ADC en bekabeling is het aantal schakelaars dat op deze manier ingelezen kan worden beperkt.
Figuur 2.2.3.5
100
Het is ook mogelijk een PC PS2 klavier op een controller aan te sluiten. De communicatie tussen de controller en het klavier verloopt via een seriële interface (figuur 2.2.3.6).
Figuur 2.2.3.6 PC klavier De communicatie verloopt via de clock en datalijn. Omdat er informatie in beide richtingen uitgewisseld kan worden is er een protocol opgesteld dat de nodige afspraken bevat. Dit kan je terugvinden op het www (vb: http://www.computerengineering.org/ps2protocol/ ) 2.2.4
Galvanische scheiding (ook voor digitale output!!)
2.2.4.1
Inleiding
Een galvanische scheiding wordt toegepast wanneer er:
Gevaar bestaat voor elektrocutie Een spanningsverschuiving (common mode spanning) is De gekoppelde systemen op andere spanningen werken (PLC I/O=24V CPU=5V) Gevaar bestaat voor ongewenste stroompaden (vb. aardingslussen) Als detector
Om een volledige galvanische scheiding te bekomen moeten er voor de verschillende subsystemen ook galvanisch gescheiden voedingen bestaan (zie DC/DC converters in hoofdstuk 1). Soms wordt er ook een semi galvanische scheiding gebruikt door gebruik te maken van hoog-ohmige weerstanden. Dit wordt soms gebruikt bij nuldoorgangdetectie (figuur 2.2.4.1.1). Enige voorzichtigheid is hier wel geboden (zowel op het vlak van PCB ontwerp als keuze van componenten) 101
Figuur 2.2.4.1.1 Galvanische scheiding met weerstanden Figuur 2.2.4.1.2 laat zien dat je in de flowchart rekening moet houden met de mogelijkheid dat dit circuit ook op korte pulsen zal reageren.
102
Figuur 2.2.4.1.2 Flowchart zero crossing detection Wil je echt een galvanische scheiding, dan kan je bovenstaand circuit apart voeden en via een optocoupler het signaal laten doorgeven aan de rest van de schakeling. OPGELET!!! Bovenstaand circuit werkt enkel bij controllers met inwendige beveiligingsdiodes. Indien die niet aanwezig zijn, moet je zelf schottky dioden toevoegen (figuur 2.2.4.1.3).
Figuur 2.2.4.1.3 Schottky diode
103
Dit type diode heeft een lagere spanningsval dan een gewone diode. Hierdoor wordt de overspanning op de microcontroller pin beperkt tot 0.3V. Je moet wel nagaan of die overspanning op de door U gebruikte controller toelaatbaar is. 2.2.4.2
DC optocouplers
Optocouplers bestaan er in verschillende uitvoeringen (figuur 2.2.4.2.1) en met uiteenlopende specificaties.
104
Figuur 2.2.4.2.1 Optocouplers en hun uitvoeringen
Figuur 2.2.4.2.2 Analoge optocoupler HCNR200
105
In figuur 2.2.4.2.2 is een optocouplers afgebeeld met 2 fotodiodes. Omdat de twee fotodiodes een identieke karakteristiek hebben kan je één van de twee gebruiken in een terugkoppel circuit. Hierdoor kan je ook analoge signalen optisch galvanisch scheiden (figuur 2.2.4.2.3).
Figuur 2.2.4.2.3 Analoge signaaloverdracht via optocoupler HCNR200 Optocouplers bestaan uit een fotodiode en een transistor. Wanneer je deze component wil toepassen zal je de nodige aandacht moeten besteden aan de specificaties. Ter illustratie zijn fragmenten uit de datasheet opgenomen van de 4N25, een courant gebruikte optocoupler. Behuizing (figuur 2.2.4.2.4):
Figuur 2.2.4.2.4 Aansluitgegevens van de 4N25 De aansluitingen zijn opzettelijk gegroepeerd aan beide zijden van de behuizing. Op die manier is er een fysieke barrière tussen de ingang en de uitgang. Bij het PCB ontwerp zullen geen verbindingen (met uitzondering van een aarding) aangebracht worden. De elektrische karakteristieken laten zien dat de optocoupler ook een isolatiespanning heeft. 106
In onderstaande figuur zijn de AC en DC karakteristieken opgenomen (Figuur 2.2.4.2.5 en figuur 2.2.4.2.6)
Figuur 2.2.4.2.5 Elektrische maximum karakteristieken 4N25
107
Figuur 2.2.4.2.6 Elektrische karakteristieken 4N25
108
Een optocoupler moet beschermd worden tegen inverse spanningen aan de LED zijde (figuur 2.2.4.2.7)
Figuur 2.2.4.2.7 Bescherming LED tegen inverse spanningen Dit is van toepassing wanneer de optocoupler gebruikt wordt om ingangssignalen te lezen en door een foutieve aansluiting inverse spanningen over de LED komen te staan. In industriële toepassingen zal het ingangscircuit bovendien voorzien worden van een filterschakeling (RC netwerken en/of bijkomende dioden zie figuur 2.2.4.2.8).
Figuur 2.2.4.2.8 Filterschakeling ingang optocoupler De weerstand parallel met de diode zorgt er voor dat kleine lekstromen de diode niet laten oplichten. In figuur 2.2.4.2.9 wordt weergegeven hoe de optocoupler geschakeld kan worden om een laag of een hoog signaal te genereren wanneer de transistor in geleiding komt.
109
A: transistor in geleiding= hoog niveau B: transistor in geleiding= laag niveau Figuur 2.2.4.2.9 Uitgangstransistor optocoupler schakelen In figuur 2.2.4.2.10 is een standaard inputtoepassing voor een optocoupler weergegeven.
Figuur 2.2.4.2.10 Standaard optocoupler ingangsschakeling Dit type circuit wordt ook gebruikt om de ingangsimpedantie van een digitale input kunstmatig omlaag te brengen. Hierdoor wordt een grotere immuniteit tegen stoorsignalen bekomen. De input kan ook met een schakelaar naar de massa gebracht worden. Zelfs wanneer 5 volt gebruikt wordt als voedingsspanning van de LED, kunnen problemen met spanningsvallen over draden opgevangen worden. Wanneer een optocoupler als outputcircuit gebruikt wordt, zal in de meeste gevallen een buffer gebruikt moeten worden om de benodigde LED stroom te leveren. 2.2.4.3
AC optocouplers
AC optocouplers worden gebruikt om AC signalen te schakelen. Ze bevatten geen transistor maar een TRIAC als schakelelement. Voor kleine vermogens (figuur 2.2.4.3.1) worden ze optocouplers genoemd. Voor grotere vermogens krijgen ze de
110
naam solid state relay (figuur 2.2.4.3.2). Beide bestaan met en zonder zero crossing detection.
Figuur 2.2.4.3.1 Optocouplers met TRIAC schakelelement
111
Figuur 2.2.4.3.2 Solid state relay Naast de optocouplers met TRIAC schakelelement bestaan er ook optocouplers die MOSFET of IGBT schakelelementen gebruiken om een AC of DC signaal te schakelen (figuur 2.2.4.3.3).
Figuur 2.2.4.3.3 Optocouplers met MOSFET uitgang LET OP!! SSR’s met een TRIAC als schakelelement kunnen niet gebruikt worden voor het schakelen van DC belastingen (hier gebruik je beter SSR’s met IGBT schakelelement). Ook bij het schakelen van sterk inductieve belastingen kunnen er problemen ontstaan met SSR’s die een nuldoorgangdetectie hebben! Tijdens het schakelen van inductieve belastingen kunnen er stoorsignalen ontstaan. Om die op te vangen worden vrijloopdioden (DC inductieve belastingen), snubber netwerken (RC keten) en/of varistors (en ook transient absorbers) gebruikt. Je kan bij het dimensioneren van de SSR best rekening houden met de overgangsverschijnselen bij het inschakelen van bepaalde belastingen (fig 2.2.4.3.4) 112
Figuur 2.2.4.3.4 Overgangsverschijnselen bij inschakelen belasting
113
2.2.4.4
Transformatoren
Voor bepaalde communicatiedoeleinden worden transformatoren gebruikt als galvanische scheiding. Het best gekend zijn de transformatoren bij ethernet verbindingen (figuur 2.2.4.4.1).
Figuur 2.2.4.4.1 Ethernet transformator Transformatoren kunnen ook gebruikt worden om de 50Hz van het net te gebruiken als referentieklok zoals voor wekkerradio’s. Figuur 2.2.4.4.2 laat hiervoor een mogelijke schakeling zien. De schakeling is niet bruikbaar als zero crossing detector omdat een transformator een faseverschuiving heeft tussen ingangsspanning en uitgangsspanning. De schakeling uit de figuur kan aangevuld met een diode, een condensator en een regelaar ook als voeding voor de applicatie gebruikt worden.
114
Figuur 2.2.4.4.2 50Hz klokgenerator 2.2.5
Industriële sensoren (inductief, capacitief)
Er zijn tal van industriële sensoren op de markt die als input voor een controller gebruikt kunnen worden. Enkele voorbeelden zijn de inductieve en capacitieve naderingsschakelaars (figuur 2.2.5.1), maar ook level switches (figuur 2.2.5.2),…
Figuur 2.2.5.1 Industriële naderingsschakelaars
Figuur 2.2.5.2 Level switch
115
Figuur 2.2.5.3 bevat een voorbeeld van het inwendige van een naderingsschakelaar. Zodra het uitgangscircuit gevormd wordt door een halfgeleider is het ook dender vrij. De industriële sensoren werken wel op 12-24 volt. Het uitgangssignaal kan nog aangepast moeten worden naar 0-5v.
Figuur 2.2.5.3 Elektrische aansluitingen naderingsschakelaar Meer informatie kan je o.a. terugvinden bij www.turck-usa.com , http://www.turckusa.com/Support/Technical_Information.htm .
116
2.2.6
Rotary/quadrature encoders
In sommige toepassingen wensen we de positie of de hoek verdraaiing van een as te meten. Die as kan een onderdeel vormen van een aandrijvingssysteem, of een “potentiometer” (draaiknop) zijn (figuur 2.2.6.1).
Figuur 2.2.5.1 Rotary encoder De rotary encoder in de vorm van een potentiometer wordt soms ook wel een digitale potentiometer genoemd (Let op! Er bestaan ook digitale potentiometers in IC vorm). Inwendig kunnen rotary encoders op verschillende manieren opgebouwd zijn: Met schakelaars Met Hall-elementen Optisch Met sleepcontacten over weerstanden (zoals een gewone potentiometer) De prijs en de betrouwbaarheid zijn afhankelijk van de gebruikte technologie. Hierbij verdienen optische en Hall systemen de voorkeur (figuur 2.2.5.2)
Figuur 2.2.5.2 Optische en Hall rotary encoders.
117
Afhankelijk van het uitgangssignaal worden encoders onderverdeeld in absolute en relatieve encoders. Bij absolute encoders is er een uitgangssignaal dat op elk ogenblik de absolute positie (hoek) van de as weergeeft. Inwendig wordt dan een optische schijf gebruikt met absolute coördinaten (figuur 2.2.5.3).
Figuur 2.2.5.3 Absolute encoder Een dergelijke encoder is mechanisch precisiewerk en bijgevolg erg prijzig. Indien je de absolute positie niet moet kennen bij het opstarten van het systeem kan je gebruik maken van een incrementele (relatieve) encoder. In de meeste gevallen geeft die 2 signalen naar buiten die in fase verschoven zijn (figuur 2.2.5.4).
118
Figuur 2.2.5.4 Incrementele/relatieve encoder
119
Omdat de uitgangssignalen 90 graden verschoven zijn (4x90=360) worden ze ook wel quadrature encoders genoemd. De naam wordt echter ook gebruikt voor de elektronische schakeling die dit signaal om zet naar een richtingssignaal en een puls uitgang telkens de as een bepaalde hoekverdraaiing maakt (figuur 2.2.5.5)
Figuur 2.2.5.5 Quadrature encoder
Infiguur 2.2.5.6 staat een alternatieve schakeling die een puls geeft op een van beide uitgangen in functie van de draairichting. Sommige microcontrollers hebben deze hardware aan boord. Bij andere kan je door software (al of niet met flankgevoelige interrupts) of door timers met een up/down telmogelijkheid dit type sensor inlezen.
120
Figuur 2.2.5.6 Quadrature encoder alternatief
2.3 2.3.1
Digitale output Inleiding
Bij het bespreken van digitale outputs gebruiken we een standaard 8051 poort (figuur 2.3.1.1) en een AVR poort (figuur 2.3.1.2) als voorbeelden.
Figuur 2.3.1.1 Uitgangskarakteristieken standaard 8051 poort
121
Figuur 2.3.1.2 Uitgangskarakteristieken AVR poort Merk vooral op dat de uitgangsspanning afhankelijk is van de hoeveelheid stroom die de pin moet leveren. Wordt enkel de belasting (vb. LED) aangestuurd, dan is dat van ondergeschikt belang (wel rekening mee houden bij berekeningen, maar niet van invloed op de functionaliteit). Wordt het uitgangssignaal ook nog gebruikt als input voor een andere component, dan zal je moeten nagaan of de logische niveaus nog gehaald worden. Bij het aansturen van outputs is de reset toestand van een pin belangrijk. Die toestand zal namelijk bepalen wat er zal gebeuren bij (en vooral tijdens) het resetten van de controller. Ga er van uit dat tijdens een reset alle aangestuurde elementen in een ruststand moeten staan. Voor de 8051 controllers (met uitzondering van de nieuwere exemplaren zoals de XC888) zijn alle outputs “1” tijdens een reset. In die toestand kan de poort slechts enkele ųA stroom leveren. Het aansturen van een output zal dan ook per definitie actief laag gebeuren. In een lage toestand kan een poort 1.6mA stroom leveren Voor de AVR (maar ook alle andere controllers met push-pull poorten) staan de pinnen in hoge impedantie tijdens de reset. De poort zweeft, en wordt niet in een gekende toestand gebracht. Als de belasting die aangesloten is op de pin effectief stroom verbruikt (vb. LED) dan zal er niets gebeuren tot de poort in de output mode wordt geschakeld. Je kan dan best eerst het data-register schrijven, zodat de uitgang in een niet actieve toestand komt als je de outputbuffers inschakelt (richtingsregister van de poort instellen). Je kan hier dus kiezen of je de verbruiker actief hoog of actief laag gebruikt. 122
Als de verbruiker quasi geen stroom verbruikt (FET), dan kan de zwevende output de verbruiker niet gegarandeerd uitschakelen. Dit kan je verhelpen door pull-up of pull-down weerstanden toe te voegen. Is de verbruiker een transistor, zorg dan dat die steeds ingesteld is (basis is niet zwevend!). 2.3.2
LED
Een LED is de meest eenvoudige vorm van output (op een testpunt na). LED’s bestaan in alle soorten en maten. In deze cursus gaan we er van uit dat er 3 soorten zijn, ingedeeld volgens stroomverbruik:
Standaard LED verbruikt 20mA Groot vermogen LED verbruikt meer dan 20mA (kan oplopen tot meerdere ampère) LED’s met laag stoomverbruik, wat meestal 1mA is
Voor de LED’s met groot vermogen zal steeds een bufferschakeling noodzakelijk zijn. Hiervoor kan je een transistor gebruiken, maar er bestaan ook vermogen buffers (figuur 2.3.2.1 en figuur 2.3.2.2).
A B A: R2 zal bij de AVR poort de transistor instellen (reset) B: Bij de 8051 zal deze LED branden tijdens een reset Figuur 2.3.2.1 Aansturen vermogen LED
123
Figuur 2.3.2.2 Driver IC’s en componenten ULN2803
124
Figuur 2.3.2.2 Driver IC’s en componenten IRL3102 Voor de standaard LED moet je nagaan wat de maximale uitgangsstroom is die een poort kan leveren, en hoeveel LED’s je op de controller wil aansluiten. Bij de AVR controller zie je bovendien dat de uitgangsspanning niet meer gegarandeerd is.
Figuur 2.3.2.3 AVR stuurt LED
125
Door in de figuur 2.3.2.3 de LED’s om te draaien kan je ze ook actief hoog aansturen.
Figuur 2.3.2.4 8051 stuurt LED’s Bij de 8051 kunnen enkel LED’s met een laag stroomverbruik rechtstreeks op de controller aangesloten worden. Bovendien kunnen ze enkel actief laag aangestuurd worden (figuur 2.3.2.4). Je kan op het WWW schema’s vinden waarbij een 8051 wel grotere belastingen kan sturen, zelfs actief hoog. Ga eerst na in de datasheets of de betreffende component uitgangsspecificaties heeft die hier aan voldoen. Kijk vooral ook naar de maximum ratings voor het complete IC!! Tenslotte nog een case study in figuur 2.3.2.5.
126
Figuur 2.3.2.5 Case study PIC microcontroller
127
2.3.3
7-Segment display
Een 7 segment display bestaat uit 8 LED’s in een behuizing (figuur 2.3.3.1). Meestal is er een gemeenschappelijke (common) aansluiting (Common Cathode (CA), Common Anode (CA)). De LED’s die gebruikt worden hebben vergelijkbare specificaties met discrete LED’s.
Figuur 2.3.3.1 7 segment display Wordt slechts 1 display gebruikt, dan kan je er een volledige microcontroller poort aan opofferen (figuur 2.3.3.2).
Figuur 2.3.3.2 7 segment display op 1 poort (display OK?) 128
Je kan overwegen om een 7-segment decoder te gebruiken (figuur 2.3.3.3). Die kunnen maar een beperkt aantal symbolen weergeven. Bovendien geldt ook hier dezelfde regel als bij keypad’s (minder is beter).
Figuur 2.3.3.3 7 segment decoder Er bestaan 7 segment drivers die met de microcontroller communiceren via een seriële verbinding. Deze drivers zijn bijzonder handig wanneer de controller over weinig aansluitingen beschikt, of wanneer er veel uitlezingen aangestuurd moeten worden (figuur 2.3.3.4)
Figuur 2.3.3.4 7 segment drivers Deze segment drivers kunnen verschillende mogelijkheden bieden zoals: instellen intensiteit, al of niet 7 segment decodering, blanking, etc.
129
In de meeste gevallen wordt multiplexing gebruikt om 7 segment displays aan te sturen (figuur 2.3.3.5).
Figuur 2.3.3.5 Display multiplexing (geen goed voorbeeld!!) In de figuur worden geen buffers gebruikt om de segmenten van de uitlezingen aan te sturen. Zelfs met high brightness displays zal de stroom beperkt moeten blijven. Hierdoor zal de intensiteit van de uitlezing dalen (25% duty cycle aansturing). Bovendien worden common cathode displays gebruikt. De controller zal dus stroom moeten leveren aan de displays, wat hij niet kan!!!!! Volgende schakeling komt hier voor een deel aan tegemoet (figuur 2.3.3.6). Figuur 2.3.3.7 is een werkende oplossing. Het is duidelijk dat het WWW met de nodige kritische ingesteldheid benaderd moet worden. In figuur 2.3.3.7 staan weerstanden en transistoren omcirkeld die bij een 8051 aansturing niet nodig zijn. Bij andere controllers kan je de 10k weerstanden behouden. De transistoren zorgen voor een actief hoge aansturing (mocht je daar op kicken). Voor 14 segment displays kan analoog gewerkt worden.
130
Figuur 2.3.3.6 7 segment aansturing (beter voorbeeld)
Figuur 2.3.3.7 7segment aansturing (goed voorbeeld) 131
Het multiplexen van het display zal steeds op interruptbasis moeten gebeuren. Anders krijg je verschillen in lichtintensiteit. 2.3.4
Matrix LED display’s
Matrix displays (figuur 2.3.4.1) bieden meer vrijheid bij de weergave. Hun aansturing verloopt analoog met die van 7 segment uitlezingen. Omdat je hier heel vlug aan een groot aantal LED’s komt zijn aparte stuur IC’s (figuur 2.3.4.2) vaak onmisbaar.
Figuur 2.3.4.1 Matrix display
132
Figuur 2.3.4.2 Stuur IC matrix display
133
2.3.5
LCD modules
LCD schermen (de glasplaat) kunnen niet rechtstreeks door een gewone microcontroller aangestuurd worden. Dit heeft te maken met de AC-golfvormen die nodig zijn om het display aan te sturen. Sommige controllers zijn uitgerust met een LCD interface (figuur 2.3.5.1)
Figuur 2.3.5.1 ATMEL AVR Butterfly Voor de meeste toepassingen is het handiger om van LCD modules gebruik te maken (figuur 2.3.5.2).
134
Figuur 2.3.5.2 LCD modules LCD modules kunnen grafisch (bovenste afbeelding) of alfanumerisch werken. Er zijn ook displays die een combinatie van beide aankunnen. Ze bestaan in verschillende kleuren en vormen. De grafische LCD’s zijn niet standaard. Elke fabrikant heeft zijn eigen gamma met verschillende mogelijkheden. Alfanumerische displays zijn wel gestandaardiseerd. Dit zowel in mechanische afmetingen en aansluitingen als de manier (software) waarop ze aangestuurd moeten worden. Voor beide types display is het belangrijk dat er een controller aan boord is. Voor grafische displays is dit niet steeds het geval. De controller zorgt er voor dat een microcontroller data naar het display kan sturen, waarna de controller op het display voor de verdere aansturing zorgt. De controller zal de LCD drivers zodanig aansturen dat de glasplaat het gewenste beeld laat zien. Voor grafische displays zal de controller er voor zorgen dat het scherm (in eenvoudigste vorm) voorgesteld wordt door een bitmap (figuur 2.3.5.3).
135
Figuur 2.3.5.3 Grafisch LCD scherm met KS0108b controller
136
Figuur 2.3.5.3 Grafisch LCD scherm met KS0108b controller
137
Figuur 2.3.5.3 Grafisch LCD scherm met KS0108b controller Alfanumerische displays kunnen maar een beperkt aantal symbolen laten zien (figuur 2.3.5.4). Daarnaast kan de gebruiker 8 karakters volledig zelf bepalen. Dit geeft enige grafische mogelijkheden. In figuur 2.3.5.5 staan enkele gegevens opgenomen van display modules. Belangrijke topics voor beide types modules zijn:
Temperatuurbereik Contrastspanning (kan een negatieve spanning zien die extern aangelegd moet worden) Afleeshoek Achtergrond verlichting (en bijhorend stroomverbruik!!) Communicatiesnelheid bij overdracht gegevens tussen microcontroller en controller Uitvoeringssnelheid van de commando’s
138
Figuur 2.3.5.4 Standaard symbolen alfanumerisch display 139
Figuur 2.3.5.5 Gegevens alfanumerisch display
140
Figuur 2.3.5.5 Gegevens alfanumerisch display
141
Figuur 2.3.5.5 Gegevens alfanumerisch display
142
Write mode timing diagram
Figuur 2.3.5.5 Gegevens alfanumerisch display
143
Let op!! De verklarende uitleg voor de verschillende bits klopt niet!! Figuur 2.3.5.5 Gegevens alfanumerisch display Dit type display wordt meestal in de 4 bit mode gebruikt. Indien je niet leest van het scherm heb je dan slechts (4 datalijnen, 1 enable, 1 RS) 6 pinnen van de controller nodig. Met 1 poort kan je dan tot 3 modules aansturen. Modules van 40 karakters 4 lijnen gebruiken 2 enable lijnen (figuur 2.3.5.6)
Figuur 2.3.5.6 Aansluitingen 4 lijnen 40 karakters
144
2.3.6
DC-motoren laagspanning
Het aansturen van DC motoren is afhankelijk van het aantal draairichtingen. In het geval slechts 1 draairichting gewenst is, kan principieel elke schakeling die een LED kan sturen ook voor een motor gebruikt worden mits toevoeging van een vrijloopdiode en eventueel een ontstoringscapaciteit (figuur 2.3.6.1).
Figuur 2.3.6.1 Aansturen DC motor met 1 draairichting Omdat stroombegrenzing meestal wenselijk is worden ook driver IC’s gebruikt (figuur 2.3.6.2).
145
Figuur 2.3.6.2 Motor control IC
146
De figuur 2.3.6.2 laat de gegevens zien van een low side switch. De verbinding zal dus naar de massa gemaakt worden. Dit type IC’s is zo ontworpen dat ze tegen zowat alles beschermd zijn. Je kan er zelfs inductieve belastingen mee schakelen zonder dat die van een vrijloopdiode voorzien zijn. De laatste curve laat zien wat er met de spanning over de belasting gebeurt (42V voor 12V toepassingen, 75V voor 24V toepassingen). Een vrijloopdiode voorkomt dit. In automotive toepassingen zullen eerder high side switches gebruikt worden (figuur 2.3.6.3). De oorzaak hiervan is dat het koetswerk de massa vormt. Er kan dan altijd 1 verbinding tussen de load (lamp, motor,…) en koetswerk vast aangebracht worden.
147
Figuur 2.3.6.3 High side switch De IC’s die gebruikt werden als voorbeeld worden door Infineon gemaakt voor de automotive markt. Andere fabrikanten maken gelijkaardige circuits. De voorbeelden laten toe een motor (maar ook andere willekeurige belastingen) in en uit te schakelen. Bij een motor kan het wenselijk zijn de motor in 2 richtingen te laten draaien. In dat geval heb je een H-brug schakeling nodig (figuur 2.3.6.4)
Figuur 2.3.6.4 H-brug (dead time?) 148
In de praktijk wordt een H-brug niet discreet maar in IC vorm gemaakt. Dit laat toe allerhande beveiligingen in te bouwen, en koeling eenvoudiger te maken (figuur 2.3.6.5).
Figuur 2.3.6.5 Gecombineerd IC
149
2.3.7
Stappenmotoren en brushless DC motoren
Stappenmotoren kunnen verschillende mechanische uitvoeringvormen hebben. Zo zijn er:
Stappenmotoren met permanente magneet (figuur 2.3.7.1) Variabele reluctantie motoren
Motoren die volgens het principe van de variabele reluctantie (figuur 2.3.7.2) werken hebben een lichtere (kleinere) rotor, maar zijn mechanisch veel nauwkeuriger gemaakt.
Figuur 2.3.7.1 Stappenmotor met permanente magneet rotor
150
Figuur 2.3.7.2 Variabele reluctantie motor
151
Stappenmotoren kunnen elektrisch voornamelijk in twee categorieën ingedeeld worden:
Unipolaire motoren Bipolaire motoren
In Figuur 2.3.7.3 wordt de vergelijking tussen beide types gemaakt.
Figuur 2.3.7.3 Unipolar en bipolar stepper In figuur 2.3.7.4 staan de elektronische schakelingen om elk type motor aan te sturen.
Bipolaire motor
152
Unipolaire motor Figuur 2.3.7.4 Aansturing stappen motoren Uit de figuren kan je afleiden dat de driver IC’s die gebruikt worden voor DC motoren ook voor stappenmotoren bruikbaar zijn. De motoren worden aangestuurd op hun nominale spanning. We kunnen aantonen dat dit type sturing bij hogere stapsnelheden een verlies aan koppel zal meebrengen. Dit kan verholpen worden door current chopping toe te passen (figuur 2.3.7.5 ).
153
154
Figuur 2.3.7.5 Current chopping bipolaire motor
Stappenmotoren kunnen op 3 manieren gebruikt worden:
Full step (figuur 2.3.7.6) Half step (figuur 2.3.7.7) Microstepping (figuur 2.3.7.8)
Figuur 2.3.7.6 Full step sturing
Figuur 2.3.7.7 Half step sturing 155
Figuur 2.3.7.8 Microstepping
156
2.3.8
Relais en Contactoren
Contactoren (figuur 2.3.8.1) worden dikwijls gebruikt als digitale uitgang. T.o.v. SSR’s hebben ze het belangrijke voordeel dat je er zowat alles mee kan schakelen. De gebruikte interface die de spoel aanstuurt moet rekening houden met het inductieve karakter ervan (figuur 2.3.8.2).
Figuur 2.3.8.1 Contactoren De schakeling A uit figuur 2.3.8.2 geeft de normale aansturing van het relais weer. Je kan je wel vragen stellen over de plaats van de 10k pull-down weerstand. De diode over de spoel zal de vrijloopstroom opvangen bij het uitschakelen van het relais. Het is echter ook aangewezen om de aard van de belasting, die door het relais geschakeld wordt, in rekening te brengen. Afhankelijk van het type belasting (capacitief of inductief, maar ook resistief) ontstaat vonkvorming tussen de contacten tijdens het schakelen. Die vonk zorgt voor EME. Die kan instralen op de microcontroller en de stabiliteit van het systeem in gedrang brengen. Om dit te vermijden kan je best de geschakelde belasting ontstoren. Dit kan door gebruik te maken van een snubber netwerk (figuur 2.3.8.4), een varistor, een transient absorber, vrijloopdiode of een combinatie van deze elementen. Volgens de ontwerpers van schakeling B in figuur 2.3.8.2 zou de optocoupler het interferentie probleem moeten oplossen. Zonder de voorgenoemde ontstoringstechnieken is dat erg onwaarschijnlijk. Indien het relais bovendien grote spanningen moet schakelen en op een PCB gemonteerd is, zal je kruipstromen moeten vermijden. Dat kan door tussen de spoel en de geschakelde contacten voldoende afstand te laten (minimaal 1cm) of een aardingsbaan tussen beide groepen aansluitingen aan te brengen. Net zoals bij de optocoupler is het niet aangewezen stuursignalen en gestuurde signalen te laten kruisen (figuur 2.3.8.3).
157
A
B Figuur 2.3.8.2 Aansturen van de bekrachtigingsspoel
158
OK (Bistabiel relais, vandaar de 3 spoelaansluitingen)
Zoek de fout!! Figuur 2.3.8.3 PCB layout
159
R=47 Ohm C=0.1ųF (waarden afhankelijk belasting)
Figuur 2.3.8.4 Snubber netwerk 2.3.9
Piëzo en andere luidsprekers
Je kan een gewone luidspreker aansturen vanuit een microcontroller schakeling. Let wel op dat het hier een inductieve belasting betreft (figuur 2.3.9.1).
160
Figuur 2.3.9.1 Aansturen van een luidspreker Piëzo luidsprekers worden veel toegepast wegens hun geringe afmetingen (figuur 2.3.9.2). Voor de aansturing moet je een onderscheid maken tussen buzzers met en zonder inwendige oscillator. De elementen met oscillator vertonen meestal een inductief karakter, en worden overeenkomstig aangestuurd. Piëzo elementen werken in twee richtingen:
Excitatie met een spanning veroorzaakt vervorming, en dus geluid Geluid (tikken op het element) veroorzaakt vervorming en dus spanning
Wanneer je een piëzo element gebruikt kan een beveiliging noodzakelijk zijn (figuur 2.3.9.2). Het element zal maar geluid produceren wanneer je het met een AC signaal aanstuurt. Hiervoor kan je een aparte oscillator bouwen (figuur 2.3.9.4), maar je kan het ook aansturen vanuit een pin van de controller (figuur 2.3.9.5). De capaciteiten beletten dat er DC spanning over het element komt te staan wat op lange termijn de kwaliteit van het element kan aantasten (migratie van AG bij hoge vochtigheid). Door de invertor te gebruiken wordt de spanning over het element verdubbeld met een hogere geluidsdruk voor gevolg. Merk op dat in de schakeling het beveiligingscircuit weggelaten is.
161
Figuur 2.3.9.2 Piëzo luidsprekers
162
Figuur 2.3.9.3 Beveiliging elektronische schakeling tegen spanningen gegenereerd door het piëzo element
Figuur 2.3.9.4 Aansturen met een oscillator
Figuur 2.3.9.5 Aansturen vanuit de microcontroller
2.3.10
Galvanische scheiding
Voor de galvanische scheiding verwijzen we naar de bespreking over optocouplers bij de ingangssignalen. Wanneer de optocoupler als uitgang gebruikt wordt, zal de controller de LED moeten aansturen. In de meeste gevallen is hierbij een buffering nodig, net zoals bij het aansturen van een gewone LED. Ook relais kunnen gebruikt worden als galvanische scheiding bij inputs. Je zal dan wel rekening moeten houden met de contactdender.
163
2.3.11
Besluit
In dit hoofdstuk zijn een aantal courante interface methoden besproken. De opsomming en de aangeboden oplossingen zijn zeker niet limitatief. Het is dan ook wenselijk met onderstaande aanbevelingen rekening te houden:
Bekijk informatie die je op het internet kan terugvinden met de nodige sceptische ingesteldheid Raadpleeg de application notes van fabrikanten. Zij vormen meestal een betrouwbare vorm van informatie. Ga na welke beveiligingen nodig zijn, en gebruik de aanbevelingen van de fabrikant i.v.m. de correcte dimensionering en toepassing Zoek naar meerdere oplossingen voor het probleem en weeg af welke het best uw behoeften invuld. Gedenk de wet van SOD!
164
Hoofdstuk 3 3.1 3.1.1
Analoge Input en Output
Inleiding Inleiding
Digitale systemen zijn per definitie weinig gevoelig aan ruis. Er worden weinig eisen gesteld aan de layout van de schakeling en de uiteindelijke PCB (f<20MHz). Bij analoge systemen is dat niet het geval. Analoge systemen zijn dus moeilijker te ontwerpen. Vooral wanneer de nauwkeurigheid van de schakeling toeneemt, worden de eisen alsmaar strikter. In een gewone multimeter zijn spanningen en stromen in de orde van ųA en ųV niet ongewoon. Wanneer analoge systemen niet noodzakelijk zijn, worden ze angstvallig vermeden. Vandaar dat zowat alle problemen digitaal worden opgelost. Het is immers eenvoudiger een programma aan te passen dan een volledige design cyclus voor een analoog systeem. Vermits een digitaal systeem in ons geval uitgebreid wordt met analoge subsystemen is een wisselwerking onvermijdelijk. Digitale systemen zijn weinig compatibel met analoge systemen:
Stroomverbruik verloopt gepiekt op hoge frequentie (PSRR van analoge componenten!! Stabiliteit van de voeding is erg belangrijk!) Gebruikte spanningsniveaus (2) zijn gedefinieerd om immuun te zijn voor ruis, analoge circuits verwerken kleine spanningsvariaties. Signaaloverdracht gebeurt laag impedant waardoor overspraak nauwelijks aan de orde komt, bij analoge schakelingen zijn signaalvoerende geleiders dikwijs hoog impedant. Digitale systemen werken op hoge frequenties waardoor EMC problematiek onvermijdelijk is, waar analoge systemen (audioband) deze problemen niet hebben (signalen verlopen ook sinusoidaal).
Wanneer een digitaal systeem analoge signalen gaat verwerken (ADC) of genereren (DAC), zal de ontwerper met volgende aspecten rekening moeten houden:
Wat is de gewenste resolutie van het systeem (kleinste analoge variatie die in rekening gebracht moet worden)? Hoe en in welke mate moet beïnvloeding door het digitale systeem vermeden worden? Welke gevolgen zal dit hebben voor de hardware (afschermingen, voedingssystemen, PCB, …)? Is dit betaalbaar? Is dit haalbaar (tijd, technisch)?
Het laatste puntje heeft met ervaring te maken.
165
In dit hoofdstuk beperken we ons tot DAC’s en ADC’s die courant in/met microcontrollers gebruikt worden. Andere types van omvormers (die ook hun toepassingsgebied hebben) komen niet aan bod. Een gedetailleerde beschrijving van hun werking maakt geen deel uit van deze cursus. 3.1.2
Definities
Bij de bespreking van analoge functieblokken komen een aantal begrippen aan bod. Hier trachten we daar een beknopte omschrijving van te geven. ADC: Analoog naar Digitaal Converter. Deze bouwsteen zal een analoge ingansspanning omzetten naar een digitale uitgangscode (figuur 3.1.2.1)
Figuur 3.1.2.1 ADC principiële werking. DAC: Digitaal naar Analoog Converter. Deze bouwsteen zet een digitale waarde om in een analoog uitgangssignaal (figuur 3.1.2.2)
Figuur 3.1.2.2 DAC principiële werking
166
Resolutie: Dit begrip is van toepassing op zowel ADC als DAC. In de verklarende uitleg gebruiken we een ADC als voorbeeld. Wanneer een analoge spanning omgezet wordt in een digitale code, dan komt het begrip resolutie aan bod. De resolutie is de kleinste analoge variatie die waarneembaar is in een wijziging van het digitale uitgangssignaal. Om de resolutie te kunnen bepalen heb je 2 gegevens nodig:
Ingangsspanning bereik van de ADC Het aantal bit waaruit het resultaat van de omvorming bestaat
Stel het ingangsbereik is tussen 0 en 5V. Het aantal bit van het resultaat is 8. We spreken dan van een 8 bit omvormer. Die kan 2^8 resultaten hebben (00000000b-11111111b of 00h-ffh of 0-255). Er zijn dus in totaal 256 schaaldelen. De kleinst mogelijke analoge variatie die gemeten kan worden is dan 5V/256=0,01953125V (praktisch 0,0195V). Deze waarde wordt ook wel 1LSB genoemd. Voor dezelfde ingangsspanning zal bij een 12 bit omvormer de resolutie 5V/4096=0,001220703125V (praktisch 0,00122V) worden. (zie ook figuur 3.1.2.3 en 31.2.4) 1LSB: Zie resolutie. (zie ook figuur 3.1.2.3 en 31.2.4) Nauwkeurigheid: De nauwkeurigheid omschrijft hoe dicht de digitale uitlezing aanleunt bij de reële spanning die aangelegd wordt. Je kan dit best vergelijken met een multimeter. Het toestel heeft een uitlezing van 4 cijfers. Je kan dus een spanning meten tussen 000,0v en 999,9V. De resolutie van het toestel is 1/10000. Maar uiteindelijk lees je in de specificaties de absolute nauwkeurigheid van het toestel en die kan 0,1% zijn. Stel je meet 1000,0V. Het toestel kan een variatie van 0,1V laten zien, maar de uiteindelijke echt gemeten spanning kan 1000,0x0,001=1V verschillen met de uitlezing. De reële spanning kan dus tussen 999 en 1001 volt liggen. De nauwkeurigheid is afhankelijk van de nauwkeurigheid van de inwendige componenten van ADC en DAC, maar ook van de gebruikte referentie. (zie ook figuur 3.1.2.3 en 31.2.4)
167
Referentie: Een ADC / DAC gebruikt een nauwkeurige spanning (de referentie),bij een meting om na te gaan wat het ingangssignaal is / bij het genereren van een uitgangssignaal. De nauwkeurigheid van de referentie zal in grote mate de nauwkeurigheid van de analoge functiebouwstenen bepalen. Sommige microcontrollers hebben een referentie aan boord (figuur 3.1.2.3), bij andere moet je die extern toevoegen (figuur 3.1.2.4). Merk op dat een referentie een nauwkeurige analoge spanningsregelaar is. Analoge specificaties zoals PSRR, max. output current, … moeten dan ook in acht genomen worden!
168
Figuur 3.1.2.3 ADC karakteristieken microcontroller ATtiny25 169
Figuur 3.1.2.4 Externe spanningsreferentie
170
ADC/DAC errors: De transfer karakteristiek van een een omvormer vertoont fouten. In de voorbeelden wordt een ADC gebruikt om dit te illustreren. Voor een DAC treden analoge fouten op. Offset error: Figuur 3.1.2.5 laat zien wat de invloed van een offset fout kan zijn op een meting.
Figuur 3.1.2.5 ADC offset error Bij een offset fout zal de digitale output niet exact bij 0V+1/2 LSB wijzigen. Dit kan vroeger of later gebeuren (er kan dus al een uitlezing zijn bij 0V ingangsspanning, of geen uitlezing bij een effectieve ingangsspanning). Gain error: Bij een gain error (figuur 3.1.2.6) ligt het eindpunt van de karakteristiek niet op de juiste plaats. Dit type error zou je kunnen opvangen met een externe schakeling waarvan de versterking instelbaar is.
171
Figuur 3.1.2.6 Gain error Linearity errors: Lineariteitsfouten worden op twee manieren gedefinieerd (figuur 3.1.2.7 en figuur 3.1.2.8).
Figuur 3.1.2.7 Integrale niet lineariteit 172
Figuur 3.1.2.8 Differentiële niet lineariteit Ook aan dit type fouten kan je niet veel verhelpen. Een vergelijking tussen verschillende fabrikanten van ADC’s toont dat hier wel wat verschil op zit (ook in prijs). Voor sommige toepassingen kunnen dit type fouten tot instabiliteit leiden (regelaars)! Missing codes, monotoon gedrag: Wanneer de fabrikant garandeert dat zijn component een monotoon gedrag vertoont (bij stijgende ingangsspanning stijgt ook de digital uitlezing), of er zijn geen missing codes ( elke binaire code komt voor). Dit geeft een functionaliteit zoals je die eigenlijk verwacht. SAR: De meeste ADC’s in microcontrollers gebruiken het principe van opeenvolgende benadering om een ingangssignaal te meten (figuur 3.1.2.9). Merk op dat deze methode een omzettingstijd (conversion time) vraagt. Tijdens die omzettingstijd mag het ingangssignaal niet wijzigen. Hiervoor wordt een sample & hold (of track & hold) schakeling gebruikt.
173
Figuur 3.1.2.9 Opeenvolgende benadering
174
Sample & hold (track & hold): Een S&H schakeling zal een analoge spanning samplen (bemonsteren) en constant houden tijdens een ADC omvorming (figuur 3.1.2.10).
Figuur 3.1.2.10 Sample and hold schakeling
175
Laddernetwerk: De meeste DAC’s gebruiken een weerstandsnetwerk om een digitaal signaal om te zetten in een analoge waarde (figuur 3.1.2.11).
Figuur 3.1.2.11 Laddernetwerk DAC De uitgang van dit netwerk mag niet belast worden. Daarom wordt er een bufferversterker toegevoegd. Omdat bij microcontrollers slechts 1 voedingsspanning gebruikt wordt, heeft dit gevolgen voor het uitgangssignaal (figuur 3.1.2.12)
Vette lijn: uitgangsbuffer ingeschakeld Stippellijn: uitgangsspanning zonder buffer Figuur 3.1.2.12 ADuC832 DAC output
176
3.2
Uitwendige omvormers (ADC en DAC)
Sommige microcontrollers zijn niet uitgerust met analoge functieblokken. Voor een ganse reeks toepassingen is dat ook niet nodig. Dit zal ook de kostprijs van de component reduceren. Mocht het dan toch nodig zijn over analoge I/O te beschikken kan je gebruik maken van aparte ADC’s en DAC’s (figuur 3.2.1). Er zijn op de markt tal van varianten beschikbaar, tot en met totale meetsystemen met signaalconditionering (figuur 3.2.2).
177
Figuur 3.2.1 Voorbeelden van externe ADC’s en DAC’s
178
Figuur 3.2.2 Meetsysteem on chip
179
Alhoewel uitwendige systemen bestaan met een traditionele busverbinding (data- en adres bussen), wordt meestal geopteerd voor een seriële verbinding. Hierdoor kan het aantal aansluitingen beperkt blijven, en zal ook het PCB ontwerp eenvoudiger blijven. De meeste microcontrollers beschikken trouwens niet over een externe bus, zodat die geëmuleerd moet worden met gewone poortpinnen. Deze componenten worden door verschillende fabrikanten aangeboden met een scala aan resoluties. Op die manier kan je het analoge deel van het systeem optimaal afstemmen op de behoeften. Deze componenten laten ook makkelijker toe om bij het design van de PCB rekening te houden met de design guidlines voor analoge systemen.
3.3
Inwendige omvormers (ADC en DAC)
Microcontrollers worden dikwijls aangeboden met een ADC aan boord. De meest voorkomende resolutie is 10 bit. Er bestaan systemen van 8 tot 24 bit. De ADC heeft meestal een multiplexer zodat verschillende ingangsklemmen gemeten kunnen worden (figuur 3.3.1).
Figuur 3.3.1 ADC in microcontroller ATtiny25 180
Door het toevoegen van een S&H kunnen ook DC signalen met een AC component gemeten worden (figuur 3.3.2).
Figuur 3.3.2 Berekening maximale frequentie AC component ADC
8 Bit volstaat voor toepassingen met een resolutie van maximaal 0,5%FS (1/256). Dit is dikwijls het geval voor het inlezen van een potentiometer (analoge instelling van een variabele) of metingen met een beperkt bereik (stel 0-100˚C, kan nog altijd ingelezen worden tot op 0,5˚C). 10 Bit is het meest voorkomende. Dit biedt een resolutie van 0,1%FS (1/1024). Gelet op de nauwkeurigheid dringt zich (tenzij voor potentiometrische metingen) een goede spanningsreferentie op. Vanaf 12 bit omvormers (1/4096) is het analoge deel van de schakeling onderworpen aan hoge eisen met betrekking tot shielding, buffering, decoupling etc. Figuur 3.3.3 laat de aansluitingen zien van de ADuC832. Merk op dat er aparte aansluitingen zijn voor de voeding van het analoge en digitale deel van de chip. Ook wanneer je het analoge deel niet gebruikt moet je het van voedingsspanning voorzien! De klemmen die gebruikt worden als analoge input staan ook dicht bij elkaar (klemmen van poort 1). Er wordt aangeraden om de digitale signalen uit de buurt van de analoge signalen te houden, en bij voorkeur een massavlak aan te brengen onder de lijnen die analoge signalen voeren.
181
In de kader staan de analoge klemmen van de controller. Figuur 3.3.3 Aansluitingen ADuC832 Controllers die geen aparte aansluitingen hebben voor analoge en digitale voedingsspanningen vragen extra veel aandacht i.v.m ontkoppeling en voeding. Sommige fabrikanten raden de gebruiker aan om tijdens een omvorming enkele richtlijnen te volgen:
182
Het is opmerkelijk dat slechts enkele controllers ook over een DAC beschikken (figuur 3.3.5). Analoge uitgangsignalen worden zelden gebruikt om o.a. motoren te sturen. Een motor wordt in snelheid geregeld door PWM te gebruiken (figuur 3.3.4). Dit heeft als voornaamste voordelen:
Beperkte dissipatie in het schakelelement (geen koeling, hoog rendement) Eenvoudige elektronica Digitale aansturing (foutongevoeligheid) PWM is heel nauwkeurig met hoge resolutie (16 bit (1/65536)) te maken (zelfs software matig) (let wel op voor offset!!)
Figuur 3.3.4 DC motor met PWM
183
Analoge uitgangen kunnen handig zijn in instrumentatietoepassingen. Hier ligt immers de nadruk op analoge signalen. Een laboratoriumvoeding programmeerbaar maken via een microcontroller met analoge uitgangen is relatief eenvoudig te realiseren. PWM uitgangen zouden hiervoor ook gebruikt kunnen worden (zie figuur 3.3.5, sigma delta 16 bit DAC). Hier moet dan wel nog de nodige filtering toegepast worden.
Figuur 3.3.5 Blokschema ADuC832 Cypress maakt SOC controllers. Dit zijn componenten waarvan de inwendige opbouw software matig kan ingesteld worden. Deze componenten bestaan ook voor analoge subsystemen. Dit geeft aan de gebruiker tal van mogelijkheden om interfacing op te vangen in de controller zelf.
184
Figuur 3.3.6 System On Chip
3.4
Analoge inputs en signaalconditionering
Net zoals bij digitale I/O zijn de ingangskarakteristieken van analoge inputs fabrikant afhankelijk. Het is dan ook aangeraden de richtlijnen (application notes) voor de gebruikte chip op te volgen. In figuur 3.4.1 staat een circuit dat aanbevolen wordt voor de ADuC832. De opamp in de schakeling zal de input lekstroom (10ųA) compenseren. Dit is nodig omdat de resolutie van de omvormer 1/4096 is, en een uitgangsimpedantie groter dan 100Ohm (van de signaalbron) veroorzaakt dan reeds meetbare fouten. De schottky dioden beschermen de analoge input tegen overspanning. De capaciteit werkt als buffer wanneer de inwendige samplecondensator verbonden wordt met de klem.
185
Figuur 3.4.1 Signaalconditionering ADuC832
Figuur 3.4.2 AVR ADC ingangen Figuur 3.4.2 komt uit de datasheet van de ATtiny25. De aanbevelingen wijken duidelijk af van die van Analog Devices. Beide fabrikanten gaan er wel van uit dat je signaalbronnen gebruikt met een lage uitgangsimpedantie. De besproken schakelingen gaan er van uit dat geen aliasing problemen kunnen optreden (figuur 3.4.3). Die treden op wanneer een signaal net niet gesampled wordt volgens het Nyquist criterium. Dit kan vermeden worden door het ingangssignaal door een lowpass filter te sturen.
186
Figuur 3.4.3 Aliasing
3.5
Analoge outputs en signaalconditionering
Wanneer een controller over een DAC beschikt, dan zal de uitgangsspanning al of niet gebufferd naar buiten komen (zie definities vooraan dit hoofdstuk (laddernetwerk). Zelfs indien het signaal gebufferd is zal de uitgangsimpedantie relatief hoog blijven (figuur 3.5.1), wat bijkomende externe buffering noodzakelijk maakt. Omdat de uitgangsspanningen binnen het voedingsbereik van de controller blijven (eg 0-5V of 0-3.3V) zullen versterkers toegevoegd moeten worden om de gewenste amplitude te bekomen.
187
Figuur 3.5.1 Uitgangsspecificaties ADuC832 DAC
3.6
Diverse toepassingen
De figuren en afbeeldingen werden van het WWW geplukt. Zij geven geen enkele garantie op werking of functionaliteit. Ze worden in de les besproken en kritisch geanalyseerd!! 3.6.1
Schakelaars
In veel toepassingen worden zo klein mogelijke microcontrollers toegepast. Dit staat in contrast met de behoefte om over veel I/O te beschikken. Als de microcontroller over een ADC beschikt, dan kan die gebruikt worden om schakelaars in te lezen. De schakelaars worden gebruikt om de uitgang van een spanningsdeler door te geven aan de ADC (figuur 3.6.1.1, 3.6.1.2 en 3.6.1.3).
188
Figuur 3.6.1.1 Schakelaars inlezen met ADC De 10K weerstanden vormen een spanningsdeler (figuur 3.6.1.1). De schakelaars verbinden een gedeelde spanning door naar de ADC pin. Als geen enkele schakelaar gesloten is zorgt de 1M weerstand voor een “1” aan de ingang van de ADC. Omdat het inlezen van de analoge input via een S&H zal gebeuren bestaat de kans dat je een foutieve spanning inleest (sample moment t.o.v. indrukken schakelaar). Het aantal aftakpunten op het weerstandnetwerk (+2) kan theoretisch gelijk zijn aan het aantal combinaties dat de ADC kan inlezen (8 bit=256, 256-2=254 aftakpunten). In de praktijk moet je rekening houden met:
Tolerantie van de weerstanden (en dus ook de afgedeelde spanning) Aantal bit ruis op de ADC Fouten in de ADC (gain, offset, lineariteit) Veiligheidsmarge tussen de spanningen voor de verschillende schakelaars
Figuur 3.6.1.2 Schakelaars inlezen met ADC
189
De schakeling in figuur 3.6.1.2 is hier een variant op. De spanningsdeler wordt gevormd door de Pull-up weerstand en de serieschakeling van de weerstanden tot het punt waar de schakelaar een sluiting naar de massa vormt.
Figuur 3.6.1.3 Keypad inlezen via ADC In de figuur 2.6.1.3 wordt een matrix keyboard aangesloten op een ADC. Al deze schakelingen werken maar naar behoren wanneer de ingangsimpedantie van de ADC voldoende groot is. Zo zal bij de ADuC832 controller de S&H capaciteit het weerstandsnetwerk belasten. Een signaalconditionering moet dan toegevoegd worden. De gebruikte weerstanden zijn relatief groot. Dit wil zeggen dat het systeem ook storingsgevoelig wordt. Zonder signaalconditionering (dicht bij het klavier) zal de afstand tussen klavier en controller klein moeten blijven (cm).
190
3.6.2
Potentiometer
Een potentiometer inlezen gebeurt volgens dezelfde modaliteiten als de weerstandsnetwerken uit paragraaf 3.6.1. Een potentiometer kan in vele gevallen de bediening van een controllersysteem vereenvoudigen. Om het bereik van de instelling te vergroten kan een meer-toeren potentiometer gebruikt worden. Ook hier moet je nagaan (in functie van de ADC) hoeveel instelpunten nog aanvaardbaar zijn. De weerstandswaarde van de potentiometer zal voornamelijk bepaald worden door zijn stroomverbruik (100 Ohm geeft 50 mA, 4K7 geeft 1 mA). 3.6.3
LM35
De LM35 is een temperatuursensor van National Semiconductor. De gegevens van de sensor zijn opgenomen in figuur 3.6.3.1.
Figuur 3.6.3.1 LM35 temperatuursensor
191
De fabrikant geeft ook aanbevelingen i.v.m. het toepassen van de sensor. Voor capacitieve belastingen >50pF wordt een RC dempingscircuit aanbevolen (figuur 3.6.3.2.) Dit kan ook noodzakelijk zijn wanneer de input van een ADC (S&H) een grote capacitieve belasting vormt.
Figuur 3.6.3.2 LM35 bij aansturen capacitieve belasting >50pF De LM35 heeft een uitgangssignaal van 10mV/˚C. Bij 100˚C is de uitgangsspanning 1000mV. Bij een meetbereik van 0-5V laat een 8 bit omvormer een uitlezing toe per ongeveer 2 graden. Bij een 10 bit omvormer is dat 4 keer nauwkeuriger. Door het uitgangssignaal te versterken met een factor 5 wordt de resolutie evenredig verbeterd. Bij een ADC komt het er steeds op aan het ingangsbereik optimaal te benutten. Bij sommige microcontrollers kan je door de referentie aan te passen het meetbereik in overeenstemming brengen met het ingangssignaal (figuur 3.6.3.3).
Figuur 3.6.3.3 ADuC832 bereik van Vref
3.6.4
LM335
De LM335 (figuur 3.6.4.1) heeft een meetbereik in Kelvin.
192
Figuur 3.6.4.1 LM335 sensor De sensor werkt als en zenerdiode waarvan de uitgangsspanning afhankelijk is van de temperatuur. Bij de berekening van de R1 moet je uitgaan van de hoogst mogelijke temperatuur die de schakeling moet kunnen meten. In dat geval moet er nog minimaal 0,4 mA door de weerstand vloeien. Je kan de weerstand kleiner dimensioneren, waardoor de stroom hoger wordt. Dit zal echter een negatieve invloed hebben op de eigen opwarming van de component. Bij 0Kelvin zal de uitgangsspanning 2,73 volt bedragen. Voor een metingen tussen -20 en +100˚C zal
193
de spanning variëren van 2,53V tot 3,73V. Wil je hier de resolutie van de ADC verbeteren, dan zal een instrumentatie (verschil) versterker noodzakelijk zijn. Sommige microcontrollers (AVR) beschikken over differentiële ingangen (figuur 3.6.4.2), waardoor de externe interfacing eenvoudiger kan blijven.
Figuur 3.6.4.2 ATMEL AVR ADC inputs ATtiny25 Het meetsignaal zal nog enige berekening moeten ondergaan alvorens het op een display kan. Denk aan de beperkingen van rekenen met een microcontroller!! 3.6.5
Thermocouple
Thermocouples worden gebruikt om temperaturen over een groot bereik te meten. In figuur 3.6.5.1 wordt een overzicht gegeven van de verschillende types.
Figuur 3.6.5.1 Overzicht types thermocouples
194
Het type K heeft een vrij lineair uitgangssignaal (figuur 3.6.5.2). Hierdoor is het niet noodzakelijk linearisatie toe te passen. Voor andere thermocouples heb je de keuze tussen hardware oplossingen, of het gebruik van een tabel.
Figuur 3.6.5.2 Karakteristiek K- thermocouple Een nadeel van deze sensoren is de temperatuur afhankelijke spanning van de koude las. Om die te compenseren word de temperatuur hiervan gemeten, en in software (of hardware) gecompenseerd. Gelet op de amplitude van de thermocouple spanning is versterking een noodzaak (figuur 3.6.5.3).
Figuur 3.6.5.3 Thermocouple interface Er bestaan ADC’s met ingebouwde instrumentatieversterker. De versterking kan digitaal ingesteld worden (PGA) (figuur 3.6.5.4).
195
Figuur 3.6.5.4 16 bit ADC en PGA interface Afhankelijk van de gewenste nauwkeurigheid kan de inwendige temperatuursensor van de microcontroller (ADuC832, sommige AVR controllers) gebruikt worden om de koude las te compenseren.
196
3.6.6
DC motor als instelknop
In sommige toepassingen wil je graag een instelknop gebruiken die geen vaste start of eindpositie heeft (wat wel het geval is bij een potentiometer). Hiervoor kan je een rotary encoder gerbuiken. Een andere mogelijkheid is het gebruik van een DC motor Zoals veelvuldig gebruikt in speelgoed (figuur 3.6.6.1)
Figuur 3.6.6.1 DC motor Wanneer je aan de as van dit type motor draait, werkt hij als generator en geeft een spanning naar buiten. De polariteit van de spanning is afhankelijk van de draairichting, de amplitude van de draaisnelheid. Het schema in figuur 3.6.6.2 Geeft een mogelijke interface weer. Kan je de componenten bepalen/verklaren?
R4 VDD
VDD IC R1
-
Uout
R3 M R2
+
R5
Figuur 3.6.6.2 Interface voor DC motor als input
197
3.6.7
Besluit
Een ADC laat toe om analoge signalen om te zetten naar digitale waarden, die dan verder door software verwerkt kunnen worden. In sommige gevallen zal een signaalconditionering nodig zijn. Volgende doelstellingen zal je steeds trachten na te streven:
Beveilig analoge ingangen tegen over/onder spanning Zorg dat het ingangssignaal zo goed mogelijk het meetbereik van de ADC gebruikt De uitgansimpedantie van de sensor(schakeling) moet zo laag mogelijk zijn Gebruik voor de voeding van de ADC en de andere signaalconditionering zo veel mogelijk een aparte voeding Filter de signalen waar nodig Ga na of resolutie en absolute nauwkeurigheid van de ADC voldoen voor uw toepassing
198
Hoofdstuk 4 4.1
Tijdsgerelateerde Input en Output
Inleiding
Zowat alle microcontroller toepassingen hebben tijdsgerelateerde onderdelen. Een eenvoudig knipperlicht zou veel te snel van toestand veranderen mocht er geen tijdsvertraging gebruikt worden. Sommige parameters die ons dagelijks leven beïnvloeden zijn een functie van aantal/tijd. Denken we maar aan Km/h, omw/min, Hz, aantal klanten per dag…. Maar ook het begrip tijd is verweven met ons dagelijks bestaan, uurwerken, wekkers, timers, …. Tijdsafpassingen kunnen in software gebeuren. Elke instructie van de CPU heeft een uitvoeringstijd. We kunnen een programma schrijven met een dusdanig aantal instructies, dat de gewenste tijdsvertraging bekomen wordt. Software tijdsafpassingen verhinderen dat de CPU gelijktijdig andere taken uitvoert. Door tijdsafpassingen in hardware (timer bouwstenen) mogelijk te maken wordt de CPU ontheven van “tijdrovende” taken. Om het toerental (omw/min) van een motor te meten zal je zowel tijd moeten afpassen (een minuut) als pulsen tellen (stel 1 puls per omwenteling). Inkomende pulsen tellen kan alleen in software wanneer de processor een aanzienlijk aantal instructies per puls kan uitvoeren, en er verder niets berekend of uitgevoerd moet worden. Via counter bouwstenen kan het tellen van gebeurtenissen door hardware uitgevoerd worden. Een real time clock is een variant van timer, speciaal ontworpen om tijd in …/dagen/uren/minuten/seconden/… af te passen. Het basis meettoestel voor het afpassen van tijd, en het tellen van gebeurtenissen is een hardware teller. De teller wordt vanuit de CPU gezien als een geheugenplaats waarvan de inhoud door hardware aangepast wordt. Voor het afpassen van tijd (timer) wordt meestal de systeemklok van de CPU (of een afgeleide hiervan) als input voor de teller gebruikt. Voor het tellen van gebeurtenissen wordt de teller via een klem (aansluiting op het IC) met de buitenwereld verbonden. Via deze weg worden pulsen aangelegd die in verband staan met de te tellen gebeurtenissen. Omdat het onderscheid in naam tussen counter en timer enkel gemaakt wordt op basis van het te tellen signaal, is de werking van beide systemen analoog. Ongeacht het type controller dat gebruikt wordt is de werking van timers en counters vergelijkbaar.
199
4.2 4.2.1
Tijdsmeting en tellen gebeurtenissen Timers en counters
In figuur 4.2.1.1 staat een 8 bit timer/counter weergegeven van de 8051 microcontroller familie.
Figuur 4.2.1.1 8051 8 bit timer/counter De P3.4/T0 en P3.2/INT0 zijn externe aansluitingen. TR0, C/T en GATE zijn controlebits die in een controleregister aangestuurd kunnen worden. TL0 is het register waarlangs de 8 bit teller uitgelezen en geschreven kan worden (schrijven kan enkel als de teller geen inkomende pulsen kan krijgen). TF0 is een controlebit die aangeeft dat de teller een overflow heeft gehad. De 8 bit teller telt in principe van 00h tot FFh. Een extra puls zal de teller een overflow laten genereren, waardoor hij terug op 00h komt te staan. Deze overflow zet ook de TF0 vlag op 1. Die kan op haar beurt een interrupt genereren naar de CPU (indien ingeschakeld). Voor de verdere uitleg gaan we er van uit dat de GATE bit op 0 staat. Dit laat toe om de pulsen door te laten, of te stoppen door de TR0 bit van waarde te veranderen. Als de GATE bit op 1 staat, leent de schakeling zich voor periodemeting (zie verder). De C/T bit zal bepalen of inkomende pulsen van P3.4 geteld gaan worden (counter werking), of dat de systeemklok gedeeld door 12 geteld zal worden (timer werking). Het nadeel van een 8 bit timer is zijn beperkte telmogelijkheid. Bij de meeste controllers (ook de 8-bitters) zijn 16 bit timers beschikbaar (figuur 4.2.1.2).
200
De hardware teller kan nu tellen van 0000h tot FFFFh. Het uitlezen van de teller moet nu wel in twee leesbeurten gebeuren, waardoor bij een timer/counter in bedrijf een foutief resultaat bekomen kan worden.
Figuur 4.2.1.2 16 bit timer/counter 8051 familie Beide timers kunnen ook voor-geladen worden. Je kan ze laten starten met tellen vanaf elke willekeurige waarde. Om die in de teller te laden, moet je er wel eerst voor zorgen dat de teller stil staat (controle signaal = 0). Dit kan voor gevolg hebben dat er inkomende pulsen (of tijd in timer mode) verloren gaan(t). Dit wordt verholpen met de reload (figuur 4.2.1.3) mode.
Figuur 4.2.1.3 Reload mode Timer 2 8051 familie
201
De reload mode laat toe dat de timer zijn startwaarde krijgt via een hardware systeem. Hierdoor kunnen er geen pulsen/tijd verloren gaan. In sommige toepassingen is het belangrijk het exacte tijdstip van een uitwendige gebeurtenis te kunnen meten. Dit wordt bekomen door de capture mode te gebruiken (figuur 4.2.1.4).
Figuur 4.2.1.4 Capture mode Timer 2 8051 familie In sommige gevallen kan het belangrijk zijn om op een hardware matige manier signalen te genereren die gerelateerd zijn aan de stand van een timer (verlopen tijd). In dat geval worden compare modes gebruikt (zie verder bij PWM en figuur 4.2.1.5)
Figuur 4.2.1.5 Compare mode op de ADuC832 controller
202
Figuur 4.2.1.6 ATtiny25 timer/counter In de figuur 4.2.1.6 is een timer van een ATtiny25 weergegeven (beschikbare modes?). 203
4.2.2
Real Time Clock
Een RTC (real time clock) is een timer die tijd afpast in uren, minuten en seconden. Dit type timer is niet in alle controllers beschikbaar. Het is immers mogelijk (mits minimale programmatuur) een uurwerk te maken. In figuur 4.2.2.1 staat de RTC (TIC) van de ADuC832 afgebeeld.
Figuur 4.2.2.1 RTC (TIC) ADuC832 controller Meestal zal dit type timer aanwezig zijn wanneer de systeemklok niet eenvoudig omgezet kan worden naar interrupts die tellen in een geheel deel van een seconde mogelijk maakt. Dit is bij deze controller het geval. Zijn systeemklok is immers 16,777216MHz. Ze wordt gemaakt door de 32.768 KHz van een uurwerk kristal met een PLL op te voeren. Het kloksignaal van het uurwerk kristal kan wel eenvoudig omgezet worden naar tijd in uren/minuten/seconden.
204
4.3
Frequentie meting
Wanneer je omw/min, Hz, Km/h, … wil meten heb je 2 timers nodig. De eerste wordt als timer geschakeld en wordt gebruikt om de meettijd af te passen. De tweede wordt als counter gebruikt en telt inkomende pulsen. In de figuur 4.3.1 staan enkele opstellingen voor het meten van dit type signalen.
Pick-up coil tandkrans
Optisch meetsysteem
Hall-sensor
Reed switch Figuur 4.3.1 Meetsystemen rotatie
205
Let wel op dat de signalen ontdenderd zijn!! De hardware counters tellen immers pulsen met een heel korte periode. De maximale ingangsfrequentie is afhankelijk van de systeemklok. Bij de 8051 familie is dat 1/24 van de systeemklok. Bij de AVR familie is dat IO clock/2.5. Dit heeft te maken met de hardware synchronisatie van het inkomende signaal. Frequentiemeting heeft als belangrijkste nadeel dat de meetnauwkeurigheid afhankelijk is van de meettijd. Voor trage signalen loopt die snel op. In dat geval kan beter periode meting gebruikt worden. Onderstaand voorbeeld verduidelijkt dit. Stel: we willen de snelheid van een motor meten (600
1s
60s (1min)
600
600
100% 60
10% 1
0.16%
6000
600
10% 60
1% 1
0,016%
Toerental
Meetnauwkeurigheid in rpm en % in functie van de meettijd. De meetnauwkeurigheid kan opgevoerd worden door het aantal pulsen per omwenteling te verhogen (zie afbeelding tandkrans). Dit is echter niet steeds mogelijk, denk maar aan de snelheidsmeter op een fiets.
4.4
Periode meting
In onderstaande tabel herhalen we de berekening van vorige paragraaf. Alleen meten we nu de periode van 1 omwenteling. Meettijd 600
0,1s
6000
0,01s
Toerental
Meettijd in functie van toerental. De meetnauwkeurigheid is nu afhankelijk van de resolutie van de timer waarmee de periode gemeten wordt. Als de timer kan meten met een resolutie van 1ųs (standaard bij oude 8051 controllers), is de meetnauwkeurigheid bij 0,1s 0,001% (tot op 0,006 rpm nauwkeurig). Bij 0,01s wordt dat 0,01% (tot op 0,6 rpm nauwkeurig).
206
Om een periode nauwkeurig te meten kan je gebruik maken van de capture mode van de timer. Timers die niet over deze mode beschikken hebben soms een GATE aansluiting (zie figuren vorige paragraaf). Merk op dat wanneer je het ingangssignaal een interrupt laat genereren om een timer te starten en/of stoppen, er tijd verloren gaat bij de verwerking van de interrupt. Dit zal de meetnauwkeurigheid beïnvloeden!!
4.5
Genereren van tijdsintervallen
In een controller is meestal een beperkt aantal timers aanwezig. Hieruit zou je kunnen besluiten dat bij het genereren van tijdsintervallen de programmeur beperkt is tot het aantal beschikbare timers. In de praktijk zal meestal een timer gebruikt worden om interrupts te genereren met het kleinste tijdsinterval dat de applicatie nodig heeft. Door in de interrupt routine software matig verder te delen (geen delay!!!) wordt de interrupt routine opgebouwd uit delen die na een verschillend aantal interrups worden uitgevoerd. Het kan handig zijn om in de interrupt routine een register na elke interrupt te incrementeren. Dat register kan dan gebruikt worden als een soort van klok voor het afpassen van tijden, zonder dat een delay gebruikt moet worden.
4.6
PWM
Puls Width Modulation is een systeem dat op een digitale manier een analoge sturing toelaat (figuur 4.6.1).
Figuur 4.6.1 PWM
207
De gemiddelde spanning is afhankelijk van de tijdsduur dat de uitgang op “1” staat. Wanneer een resistieve belasting met een PWM signaal aangestuurd wordt zal de component zich gedragen alsof de gemiddelde spanning aangelegd wordt. Dit is niet steeds het geval voor ander types belasting. Bij een LED zal de V+ uit de grafiek niet hoger mogen zijn dan de maximaal toegelaten waarde. Bovendien mag de piekstroom (aantal mA/ųs) de specificaties niet overschrijden. In figuur 4.6.2 staat de golfvorm van een PWM sturing toegepast op een gloeilamp (resistieve belasting na het overgangsverschijnsel)
Figuur 4.6.2 PWM aansturing gloeilamp Bij inductieve belastingen (figuur 4.6.3) zal de stroom de spanningscurve niet volgen, zodat het koppel niet evenredig is met de gemiddelde spanning (zoals dat wel het geval is bij het aanleggen van een analoge spanning).
Figuur 4.6.3 PWM sturing DC motor
208
De figuur 4.6.3 laat de golfvormen zien (spanning en stroom) bij een DC motor die met PWM aangestuurd wordt op 500Hz en 20kHz. Op het eerste zicht lijkt de 20kHz curve beter aan te sluiten bij de verwachtingen. Bij het ontwerp zal je echter rekening moeten houden met de bijkomende verliezen in de gebruikte schakeltransistor.
Figuur 4.6.3 Golfvormen PWM sturing DC motor Er bestaan tal van fabrikanten die elektronische componenten beschikbaar stellen voor het aansturen van dit type belasting. In de volgende paragrafen gaan we in op het genereren van PWM signalen vanuit een microcontroller.
209
4.6.1
Software PWM
Een software PWM kan zowel op interrupt basis, als gewoon via een lus in het hoofdprogramma gemaakt worden. Het principe is in beide gevallen gelijk, alleen de manier om de tijdsafpassing te realiseren is anders. In figuur 4.6.1.1 staat het basisprincipe van PWM generatie afgebeeld.
Figuur 4.6.1.1 Basis principe opwekken PWM signaal
Bij een analoge PWM generator wordt een zaagtand-vormig signaal opgewekt. De waarde wordt vergeleken met een referentie, en afhankelijk van de relatie tussen beide signalen wordt een “1” “0” uitgangssignaal gegenereerd. In een digitaal systeem wordt de zaagtand verkregen door een register met een vaste tussentijd met een te verhogen. De waarde van het register zal tellen: 00-0102-03-04-------fe-ff-00-01,…. De tijdsvertraging tussen de increments van het register bepalen de frequentie van de zaagtand, en dus ook de frequentie van het PWM signaal. Het aantal bits dat gebruikt wordt om de zaagtand te maken bepaalt de resolutie van de PWM. Bij een 8 bit is de resolutie 1/256, bij een 16 bit 1/65536.
210
4.6.2
Hardware PWM
Bij een hardware PWM is de zaagtandgenerator een timer. De waarde van de timer wordt constant vergeleken met een referentie-register. Afhankelijk van hun verhouding wordt een digitale uitgang aangestuurd (figuur 4.6.2.1). Het systeem is vergelijkbaar met de compare mode van timers.
Figuur 4.6.2.1 PWM unit ARM7 microcontroller De PWM generator van de ARM7 controller is speciaal ontworpen om 3-fasige PWM te genereren. Hierdoor wordt het een complexe unit. Het is vooral afhankelijk van het toepassingsgebied van de controller hoe complex zijn timers zijn.
211
Hoofdstuk 5 5.1
Communicatie
Inleiding
Communicatie tussen controllers onderling, of tussen controllers en periferie kan op talloze manieren verlopen. Enkele vormen zijn gestandaardiseerd. Maar de vindingrijkheid van technici laat toe, en noodzaakt soms ook, dat van standaarden afgeweken wordt. We willen in dit hoofdstuk een overzicht geven van veel gebruikte communicatiesystemen. In deze cursus wordt communicatie gedefinieerd als elke vorm van dataoverdracht tussen componenten. Het is niet de bedoeling om een “in depth” benadering te hanteren. Hiervoor verwijzen we naar datasheets en normen die eenvoudig terug te vinden zijn op het WWW. In dit hoofdstuk beperken we ons tot seriële communicatie. In tegenstelling tot parallelle communicatie (figuur 5.1.1) laat dit systeem communicatie toe over een beperkt aantal geleiders (media). Dit heeft wel voor gevolg dat er hogere eisen aan software en/of hardware worden gesteld.
Figuur 5.1.1 Vergelijking seriële en parallelle communicatie Je kan de vraag tellen waarom communicatie nodig is. De belangrijkste redenen zijn:
Distributie van intelligentie, waardoor de individuele nodes eenvoudiger worden (figuur 5.1.2) Bedrading binnen de perken houden (figuur 5.1.3) Toevoegen van extra I/O aan systemen (figuur 5.1.4) …
In sommige gevallen biedt de controller hardware ondersteuning voor de communicatie. In het andere geval zal je bit-banging moeten gebruiken.
212
213
Figuur 5.1.2 Gedistribueerde intelligentie
214
Figuur 5.1.3 Bedrading genoeg?
Figuur 5.1.4 Toevoegen van extra I/O
215
5.2
Schuifregisters
Een schuifregister is een schakeling die een synchroon serieel signaal omzet naar een parallelle uitgang (of omgekeerd). In figuur 5.2.1 zijn enkele types opgenomen.
216
Figuur 5.2.1 Schuifregisters Bij het aansturen van externe componenten is het respecteren van timing uitzonderlijk belangrijk. In figuur 5.2.2 is een beperkt deel van een timing diagram weergegeven. Er moet aan alle timing eisen voldaan worden. Anders zullen de aangeboden signalen niet op de verwachte manier geïnterpreteerd worden door het IC.
Figuur 5.2.2 Beperkt timing diagram Schuifregisters zijn de meest eenvoudige componenten om de I/O van een controller uit te breiden. Ze bieden echter geen bijkomende functies.
217
5.3
IIC
De IIC standaard werd door Philips semiconductor ontworpen om allerhande periferie aan controllers te kunnen toevoegen, zonder een complexe bedrading. Het systeem gebruikt 2 draden (SDA en SCL) (figuur 5.3.1).
Figuur 5.3.1 IIC busverbinding De Rp weerstanden (1k-4k7, zie datasheet gebruikte componenten) zorgen er voor dat de bus een hoog niveau kan bereiken. De devices sturen de bus aan met open collector (open drain) uitgangen. Hierdoor is het mogelijk CSMA/CA (multi master) te gebruiken en clock-stretching voor de synchronisatie. De bus laat toe dat er meerdere devices op de bus worden aangesloten. De lengte van de bus is beperkt (afhankelijk van capacitieve belasting) tot enkele tientallen cm. De bus kan langer gemaakt worden door het gebruik van repeaters. In de meeste gevallen wordt IIC gebruikt in een master slave configuratie. Hierbij is er op de bus een master (die geen adres heeft) en één of meerdere slaves, elk met een eigen uniek adres. Het adres is 7-bit groot. Een aantal bits kunnen hardware bepaald zijn in het IC, de andere (aantal IC afhankelijk) kan ingesteld worden op externe pinnen. Theoretisch zijn kunnen er dus 128 slaves aangesloten worden. Een master (slave) kan hardware ondersteuning bieden voor het communicatieprotocol, maar het is best mogelijk dat je via bit-banging de nodige signalen moet genereren. Dit is trouwens ook voor de andere communicatievormen een veel gebruikte techniek.
218
Het communicatieframe bij IIC is relatief eenvoudig. In onderstaande figuur (figuur 5.3.2) staat de basistiming afgebeeld.
Start en stop condities communicatie
Timing voor de transfer van 1 bit
ACK/NACK na elke byte transfer Figuur 5.3.2 Basis timing IIC
219
De basis timing is van toepassingen op alle IC’s die IIC gebruiken. De manier waarop het IC gelezen of geschreven moet worden is afhankelijk van de functie van het IC. Dat zal je moeten nagaan in de datasheet van de gebruikte functie. Alle IIC componenten kunnen een communicatiesnelheid aan van 100kbit/s. Er bestaan IC’s die 400 en 1000 kbit/s aankunnen. De bus laat toe om trage en snelle componenten door elkaar te gebruiken. Door clock-stretching wordt de snelheid van de bus aangepast aan het traagste device. In het geval dat je de master via bitbanging een IIC bus laat emuleren, werkt dit systeem niet meer zonder een ernstige overhead aan software. Het is daarom aangeraden in dat geval de bus op de basissnelheid van 100kbit/s te gebruiken. Zowat alle fabrikanten van halfgeleiders maken IIC IC’s met een sterk uiteenlopende functionaliteit. In figuren 5.3.3, 5.3.4, 5.3.5 en 5.3.6 zijn enkele voorbeelden opgenomen.
220
Figuur 5.3.3 IIC port expander PCF8574
Figuur 5.3.4 IIC ADC-DAC PCF8591
221
Figuur 5.3.5 IIC LM75 temperatuur sensor
Figuur 5.3.5 IIC SAA1064 4 digit LED driver
222
De componenten in voorgaande figuren zijn louter informatief. De beschikbaarheid in een snel evoluerende wereld kan een probleem vormen.
5.4
SPI
Serial Peripheral Interface is een communicatie standaard die voor dezelfde toepassingen gebruikt wordt als IIC. SPI heeft als voordeel dat het veel sneller is (meerdere mega-bit/s), maar het systeem heeft als nadeel dat er meer verbindingen nodig zijn (MISO, MOSI, SCLK en een Slave Select lijn per component in de bus (zie figuur 5.4.1)). Het systeem laat ook slechts 1 master toe op de bus. Er is geen automatische snelheids-aanpassing van de bus aan het traagste device.
Figuur 5.4.1 SPI bus SPI is in zijn eenvoudigste vorm terug te brengen tot een schuifregister met seriële in- en uitgang, dat in twee richtingen gelijktijdig kan (niet altijd het geval) gebruikt worden. Wat er met de data moet gebeuren, en wat de relatie is tussen SS en de andere signalen is afhankelijk van de gebruikte chip. In figuur 5.4.2 is een voorbeeld van een SPI geheugenchip opgenomen.
223
Blokschema van het FLASH IC (slechts 8 aansluitingen)
Timing voor het lezen van 1 byte
Timing voor het schrijven van 1 byte Figuur 5.4.2 SPI FLASH memory chip AT25DF081
224
5.5 5.5.1
UART Inleiding
Een Universal Asynchronous Receiver Transmitter is een hardware unit die aan de meeste microcontrollers toegevoegd wordt. Het is een hardware systeem dat toelaat een byte serieel te verzenden en (gelijktijdig) te ontvangen. Vroeger werd hiervoor een speciaal extern schuifregister gebruikt (figuur 5.5.1.1)
Figuur 5.5.1.1 UART als externe component (obsolete)
Het gebruikte frame format kan uit 5-8 bit bestaan, aangevuld met een start bit, 1, 1 en ½ of 2 stop bits en mogelijk een pariteitsbit (figuur 5.5.1.2).
Figuur 5.5.1.2 Frame format UART De UART’s die in microcontrollers gebruikt worden laten ook een NBM (negen bit mode) toe. Dit systeem maakt het eenvoudig een bus te vormen met meerdere controllers.
225
De snelheid van de communicatie wordt bepaald door de duurtijd dat elke bit op de pin aanwezig is. Het aantal bit per seconde wordt baud rate genoemd. Je mag de baudrate willekeurig kiezen wanneer je niet moet communiceren met systemen die met producten van andere producenten moet kunnen communiceren. In dat geval gebruik je best een standaard baud rate (figuur 5.5.1.3).
Figuur 5.5.1.3 Standaard baud rates De figuur is een uittreksel van de datasheet van de ATmega128 van ATMEL. Omdat de baud rate bepaald wordt door een inwendige klok, moet de systeemklok (die als uitgangspunt gebruikt wordt) aan bepaalde tolerantievoorwaarden voldoen. Het asynchrone systeem laat maximaal een afwijking in baud rate tussen zender en ontvanger toe < 5%. In de praktijk wordt aanbevolen onder de 1,5% a 3% te blijven. De controller beschikt over twee aansluitingen die gebruikt worden voor de communicatie: Tx(D) en Rx(D) (figuur 5.5.1.4). De MAX232 in de figuur is een level shifter (zie verder). Het IC past de 0-5v signalen van de controller aan zodat een grotere afstand overbrugd kan worden. De aansluitingen zitten op dezelfde pinnen als de parallelle I/O. Bij de 8051 wordt de selectie van de functie gemaakt door de klemmen niet via de poort registers aan te sturen. Bij andere controllers (maar ook bij sommige 8051 derivaten zoals de XC888) moeten de poortpinnen in de juiste richting ingesteld worden. Meestal is er dan ergens een statusregister dat de pinnen toewijst aan de UART i.p.v. aan de poort registers. Veel nieuwe microcontrollers gebruiken een inwendige RC oscillator als klokgenerator. De tolerantie op de RC oscillator moet beter zijn dan ongeveer 2% om seriële communicatie toe te laten. Is dat niet het geval, dan moet je een extern kristal gebruiken. Let wel op dat je eerst nagaat of de gekozen frequentie toelaat de gewenste baud rate te bekomen.
226
Figuur 5.5.1.5 Aansluitingen UART op microcontroller 5.5.2
Level shifters
De signalen die de controller verlaten, of moeten bereiken zitten binnen de logische niveaus van de controller (meestal 0-5v of 0-3.3v). Deze spanningen laten niet toe dat het signaal een verbinding van meer dan enkele tientallen cm kan overbruggen. Door level shifters te gebruiken wordt het signaal omgezet naar een andere amplitude of zelfs fysische grootheid (licht). Hierdoor kunnen afstanden tot enkele km overbrugd worden. De meest voorkomende level shifters/interfaces zijn: RS232 RS485/422 Current loop Licht Radiogolven modems
227
We beperken ons tot de meest gebruikte levelshifters bij microcontrollers. 5.5.2.1
RS232
Figuur 5.5.2.1.1 MAX232 RS232 level shifter 228
De MAX232 level shifter (figuur 5.5.2.1.1) is de bekendste RS232 level shifter. Hij wordt door zowat alle fabrikanten op de markt gebracht (origineel ontwerp van MAXIM-IC). Het IC vertaalt een ingangssignaal van 0-5V naar +10V (voor een logische 0) en -10V (voor een logische 1). Hierdoor is het spanningsverschil tussen “0” en “1” bijna 20V. De elektrische specificaties van de RS232 zijde zijn opgenomen in figuur 5.5.2.1.2. De figuur 5.5.2.1.3 laat de gangbare RS232 normering zien.
Figuur 5.5.2.1.2 RS232 karakteristieken MAX232 De interface is kortsluitvast en mag ook aangestuurd worden als de level shifter niet onder spanning staat. Door het grote ingangsbereik (-30V tot +30V) is het IC bijna onverwoestbaar. Het voorziet tevens in een beveiliging tegen elektrostatische ontlading.
Figuur 5.5.2.1.3 RS232 niveaus
229
Figuur 5.5.2.1.4 RS232 afstand/snelheid verhouding De overbrugbare afstand met dit type level shifter kan je terugvinden in figuur 5.5.2.1.4. Voor verdere informatie verwijzen we naar de cursus datacommunicatie of het WWW. 5.5.2.2
RS485
De RS485 standaard is een verbeterde versie van de RS422. Dit type level shifter is ontworpen om grote afstanden te overbruggen tegen relatief hoge snelheden (figuur 5.5.2.2.1). De standaard laat ook toe om een busverbinding te realiseren (figuur 5.5.2.2.2), maar je kan ook een full-duplex verbinding opzetten (figuur 5.5.2.2.3). Net zoals de MAX232 bij RS232 verbindingen een industrie standaard is, wordt bij de RS485 verbinding de 75176 van TI als industriestandaard aanzien. Omdat het originele IC beperkingen had (geen fail safe werking en geen kortsluitbeveiliging) zijn er door andere fabrikanten derivaten gemaakt die deze tekortkomingen niet meer hebben (zie figuren 5.5.2.2.4 en 5.5.2.2.5)
230
Figuur 5.5.2.2.1 RS485 afstand t.o.v. snelheid
Figuur 5.5.2.2.2 RS485 / RS422 busverbinding en parameters
231
Figuur 5.5.2.2.3 RS485 full duplex verbinding
232
Figuur 5.5.2.2.4 75176 gegevens
233
Figuur 5.5.2.2.5 MAX308x fail safe verbeteringen 5.5.2.3
Draadloos
In sommige gevallen is het wenselijk data draadloos te verzenden. Dit kan op verschillende manieren gebeuren:
Optisch Ultrasoon RF
RC5 en IrDA zijn voorbeelden van optische dataoverdracht. Voor RC5 bestaan er geïntegreerde zenders en ontvangers. Die zetten het 0-5V signaal van de controller om naar IR licht en vice versa. Om de invloeden van het daglicht op te vangen wordt het optische signaal gemoduleerd en zijn de sensoren van filters voorzien (figuur 5.5.2.3.1)
234
Figuur 5.5.2.3.1 RC5 ontvanger
235
Figuur 5.5.2.3.2 RC5 zender SC3010 Ultrasoon overdragen van gegevens is niet meer aan de orde, maar was bij de eerste afstandsbedieningen de standaard. Het overdragen van signalen via RF kan op verschillende manieren. Bluetooth is er eentje van. Hiervoor bestaan kant en klare modules die je op de controller kan aansluiten. ZigBee wordt door sommige fabrikanten van microcontrollers ondersteund met hardware en software drivers (Figuur 5.5.2.3.3)
236
Figuur 5.5.2.3.3 ZigBee microcontroller van ATMEL RF modules komen in alle maten. Je kan ze vinden als transmitter, receiver of als transceiver (figuur 5.5.2.3.4). Ze interfacen eenvoudig met een microcontroller, en laten low cost en relatief betrouwbaar dataoverdracht toe (software protocol nodig!!). Je moet wel nagaan wat de module doet wanneer er geen draaggolf meer beschikbaar is.
237
Figuur 5.5.2.3.4 RF modules RFM12B
5.6
Ethernet
Ethernet functionaliteit toevoegen aan een microcontroller is niet evident. Er is zowel een hardware als software ondersteuning nodig. Er komen steeds meer microcontrollers op de markt die dit ondersteunen. Voor bepaalde toepassingen bieden de o.a. firma’s BECK en DIGI eenvoudige oplossingen. De firma BECK heeft een microcontroller in zijn gamma die zowel de hardware als de firmware voor ethernet toepassingen aan boord heeft. Via API’s kan de controller eenvoudig in C geprogrammeerd worden (figuur 5.6.1). Digi levert tal van modules die op een seriële poort van een kleine controller aangesloten kunnen worden. In de module moet nog een C programma geladen worden om de uiteindelijke web-toepassingen te ondersteunen (figuur 5.6.2)
238
Figuur 5.6.1 BECK IPC@CHIP
Figuur 5.6.2 DIGI modules
239
5.7
GSM
GSM modems kunnen een handige oplossing vormen wanneer je data over grotere afstanden moet transporteren. De GSM modems communiceren via een standaard seriële poort met een controller. Berichten en bevelen tussen de controller en de GSM modem verlopen volgens het HAYES coderingssysteem (AT-codes) (figuur 5.7.1 en 5.7.2). GSM modems kunnen zowel gebruikt worden voor spraak (telefonie) als SMS. Sommige GSM’s hebben een aansluiting zodat je ze met AT (Hayes) commando’s kan aansturen.
Figuur 5.7.1 Cinterion (formerly Siemens) MC35iT GSM Modem
240
Figuur 5.7.2 HAYES codes (SMS voorbeeld voor MC35 modem)
241
Hoofdstuk 6 6.1
Interrupts gebruiken
Inleiding
En programma is een aaneenschakeling van individuele opdrachten. Het uitvoeren van een opdracht vraagt een bepaalde hoeveelheid tijd, die afhankelijk is van de systeemklok en het aantal klokpulsen dat nodig is om de instructie uit te voeren. Het programma kan alleen maar reageren op een gebeurtenis wanneer de CPU de instructie uitvoert die de betreffende gebeurtenis controleert. Dit heeft voor gevolg dat gebeurtenissen die slechts kort duren aan een detectie kunnen ontsnappen. Dit zou je kunnen opvangen door een hardware geheugentje te maken dat de gebeurtenis onthoudt. Zelfs als de gebeurtenis onthouden wordt, bestaat nog de kans dat de CPU de gebeurtenis pas detecteert als het te laat is. Dit wordt voorkomen door de CPU uit te rusten met een interrupt systeem. Dit is een hardware systeem dat de CPU zal onderbreken bij door de gebruiker geselecteerde gebeurtenissen. Wanneer er een interrupt gegenereerd wordt zal het hoofdprogramma onderbroken worden (figuur 6.1.1) en een ISR (interrupt service routine) uitgevoerd worden.
Figuur 6.1.1 Hoofdprogramma onderbroken door ISR De plaats waar de ISR in het geheugen moet staan, en hoe dat door de CPU aangepakt wordt noemt met interrupt vector systeem. Bij de meeste systemen gebeurt dat via een vector tabel (figuur 6.1.2)
242
Figuur 6.1.2 Interrupt vector systeem Dit systeem laat toe dat er voor elke speciale gebeurtenis een aparte ISR kan zijn, die door de CPU snel kan uitgevoerd worden.
6.2
Interrupt bronnen
Interrupts worden per definitie door een hardware module opgewekt (met uitzondering van software interrupts). Elke module moet ingesteld worden (initialisatie) zodat ze een interrupt kan genereren. Daarnaast moet ook in de CPU zelf het systeem ingeschakeld worden. In complexere controllers (ARM7 en sommige microprocessor omgevingen) zal bovendien ook nog een interruptcontroller geïnitialiseerd moeten worden. Deze component zorgt er voor dat de CPU weet waar en met welke prioriteit ISR’s uitgevoerd mogen worden (figuur 6.2.1).
Figuur 6.2.1 ARM7 VIC
243
6.2.1
Inwendige interrupt bronnen
Inwendige interrupt bronnen zijn zowat alle I/O modules in de controller (figuur 6.2.1.1)
Figuur 6.2.1.1 I/O modules in de controller Met uitzondering van ROM, RAM, MDU en CORDIC kunnen zowat alle I/O modules interrupts genereren. De poorten zijn een speciaal geval, en worden in volgende paragraaf bekeken. Inwendige interrupt bronnen kunnen ondergebracht worden in enkele groepen:
Timers (Timerx, Capture/compare unit, Compare unit) Seriële communicatie (UART, CAN, SSC, SPI, IIC, …) ADC Externe signalen via een I/O klem (zie volgende paragraaf)
Deze bronnen kunnen nooit voor uitvoeringsproblemen zorgen, tenzij je de timer intervallen zo klein neemt dat de bijhorende ISR niet meer uitgevoerd kan worden. In de C taal is het met sommige compilers niet te achterhalen wat de run-time van de ISR is.
244
6.2.2
Uitwendige interrupt bronnen
De uitwendige bronnen zijn de poort pinnen. Hierbij is het meestal mogelijk een interrupt te genereren op een flank of een niveau van een ingangssignaal (figuur 6.2.2.1).
Figuur 6.2.2.1 Interrupt mogelijkheden XC888 input pin De kader laat zien wat de mogelijkheden zijn bij een standaard 8051 controller. De XC888 heeft ook de extra mogelijkheden uit de figuur. De IE0 bit is een geheugencel die een gebeurtenis zal onthouden. Bij dit type interrupt zijn er wel onverwachte interrupts mogelijk. Denken we maar aan de contactdender bij een schakelaar. Het is dan ook ten stelligste te vermijden dat er meer dan 1 transitie voorkomt bij een externe gebeurtenis.
6.3
Uitvoeringstijd interrupt routines
Een interruptroutine stopt de uitvoering van het hoofdprogramma zolang ze niet is afgewerkt. Wanneer de ISR te veel tijd in beslag neemt zal het hoofdprogramma te traag worden, of zelfs helemaal niet meer uitgevoerd worden (ISR duurt langer dan het interrupt interval). Om dit te vermijden is de eerste stelregel: Een ISR moet zo kort mogelijk zijn!! In een ISR zal daarom voorzichtig moeten omgesprongen worden met lussen, lange berekeningen, software tijdsvertragingen. De programmeur zal daarom veel aandacht besteden aan de taakverdeling tussen ISR en hoofdprogramma. Dit probleem wordt er alleen complexer op wanneer er meerdere ISR’s zijn (al of niet met prioriteiten). De tweede stelregel: Eerbiedig het systeem dat de CPU gebruikt om de ISR op te starten en af te sluiten!!
245
Elke CPU-familie heeft zijn eigen vector systeem. Dit moet eerst geïnitialiseerd worden. Maar ook het afsluiten van de ISR is niet altijd gelijkvormig. ARM7 controllers maken hier een belangrijke uitzondering op de algemeen gebruikte RETI instructie. De derde stelregel: Zorg dat er geen gegevens verloren gaan die in het hoofdprogramma gebruikt worden!! Omdat de ISR het hoofdprogramma (of een andere ISR) onderbreekt, en registers nodig heeft om zijn berekeningen uit te voeren, bestaat de kans dat de inhoud van bepaalde registers aangepast wordt. Hierdoor kan het hoofdprogramma foutieve gegevens verder gebruiken (Blue screen!!)
6.4
Opbouw interrupt routine
Eer ISR heeft altijd de vorm van de flowchart in figuur 6.4.1.
ISR
Bewaar registers gebruikt in ISR
Berekeningen ISR
Herstel registers gebruikt in ISR
RETI
Figuur 6.4.1 Structuur ISR Wanneer een programma uit een hoofdprogramma en een of meer ISR’s bestaat, worden aparte flowcharts gemaakt (1 voor het hoofdprogramma, en 1 per ISR). Er bestaat immers geen aantoonbaar moment in het hoofdprogramma waar de ISR zal opstarten.
246
Hoofdstuk 7 7.1
Externe busverbindingen
Inleiding
Origineel werden computersystemen opgebouwd uit discrete componenten die samen de computer vormden. Een PC (maar ook andere krachtige computers) is nog steeds zo samengesteld (figuur 7.1.1)
Figuur 7.1.1 Blokdiagram PC Een microcontroller kan uit 1 IC bestaan, omdat het aantal transistoren gereduceerd is t.o.v. het aantal dat nodig is om een PC te maken. Zo wordt het geheugen in controllers beperkt tot maximaal enkele Mbyte. Maar ook de CPU zal minder krachtig zijn (geen MMX of FPU). De componenten inwendig in de PC worden met elkaar verbonden door bussen. Een bus is een verzameling van verbindingen die een gelijkaardig signaal transporteren (data bus, adres bus en controle bus). Omdat de verschillende componenten door andere fabrikanten worden gemaakt kan er een verschil zijn in de timing tussen beide
247
componenten. In figuur 7.1.2 is het timing diagram van een standaard 8051 bus en een standaard EEPROM IC opgenomen.
Figuur 7.1.2 Timing 8051 bus en EEPROM geheugen De aanpassing tussen beide signalen gebeurt met een latch (figuur 7.1.3). Omdat er meer geheugen inwendig in de controller kan opgenomen worden, is de behoefte aan een externe bus aan het verdwijnen. Niet alle microcontrollers zijn in staat een externe bus te genereren. Er zijn echter toepassingen waar dit gevraagd wordt. De LCD module beschikt nog altijd over een bus-interface. Omdat de timing toch niet overeenkomt met die van de CPU werd er gekozen voor bit-banging om de bus te simuleren.
248
Figuur 7.1.3 8051 memory interface
7.2
Hardware ondersteunde busverbindingen
Bij sommige controllers kunnen poorten omgevormd worden tot een externe bus. Die kan gebruikt worden om extra geheugen aan het systeem toe te voegen. Omdat het inwendige FLASH geheugen meer dan groot genoeg is, betreft het meestal RAM. Alle andere types geheugen bestaan met een seriële i.p.v. een parallelle bus, zodat interfacing met een controller naadloos verloopt. De grote uitzondering is dus RAM geheugen. Dat kan nodig zijn wanneer een datalogger gewenst is (apparaat dat veel meetgegevens kan opslaan). Zoals je in figuur 7.1.3 al kan zien is de 8051 voorzien van een hardware externe bus (mist toevoeging van een latch type 74HC573). Maar ook sommige ATMEL en ARM controllers kunnen een externe bus gebruiken.
7.3
Gesimuleerde busverbindingen
De gesimuleerde busverbinding werd toegepast voor het aansturen van het LCD scherm. Deze methode kan ook gebruikt worden voor extern geheugen. We willen hierbij wel opmerken dat door de bit-banging de interface traag wordt, en veel CPU tijd zal vragen. Het zal daarom opportuun blijken andere oplossingen te zoeken.
249
7.4
Alternatieven voor systeemuitbreiding
Alternatieven voor systeemuitbreiding zijn:
Gebruik een krachtigere controller Gebruik bij voorkeur seriële componenten (printlayout, hardware ondersteuning seriële communicatie) Gebruik meerdere controllers (geeft ook meer rekenkracht, en maakt software eenvoudiger)
250
Appendix A
Checklist PCB design
CHECKLIST MET MECHANISCHE OVERWEGINGEN OMTRENT DE LAY-OUT
1) Is de PCB-grootte aangepast aan de machines van de fabrikant? ( standaard afmetingen!) 2) Heeft de PCB de correcte mechanische afmetingen? 3) Heeft de bestukte PCB genoeg ruimte eens ze op haar plaats is gebracht? Denk 3D! 4) Is het mogelijk de PCB op haar plaats aan te brengen zonder gehinderd te worden van andere componenten? 5) Zijn de in- en uitgangsconnectoren en de op de PCB gemonteerde controle elementen op de juiste plaats gelegen t.o.v. de aansluitpunten op het chassis? 6) Kunnen regelbare componenten op de PCB gemakkelijk worden ingesteld? 7) Werd er rekening gehouden met ‘verboden zone’s’ voor banen? 8) Hebben de componenten genoeg ruimte? 9) Moeten de component-aansluitingen niet te kort tegen het componentlichaam worden geplooid en hebben ze allen dezelfde afmeting? 10) Zijn componenten toegankelijk voor vervanging? 11) Is het mogelijk testprobes te plaatsen? 12) Is de componentdichtheid over de PCB homogeen? 13) Werden temperatuursgevoelige componenten niet te dicht geplaatst tegen warmteontwikkelende componenten? 14) Zijn de koelplaten zodanig geplaatst dat ze hun warmte kunnen afgeven? 15) Werden de algemene koelvoorwaarden in acht genomen? 16) Zijn de zware componenten mechanisch vastgemaakt? 17) Is de PCB ondersteuning voldoende op plaatsen met zware componenten? 18) Zal de gemonteerde PCB aan trillingen kunnen weerstaan? CHECKLIST MET ELEKTRISCHE OVERWEGINGEN AANGAANDE DE OUT.
LAY-
1) Geeft de componentenopstelling een logische ‘signal flow’? 2) Werden ongewenste koppelingen vermeden, bv. van uitgang naar ingang? 3) Is de massa stervormig opgesplitst in verschillende massageleiders, of is er massavlak? 4) Werden gemeenschappelijke geleiders, die ongewenste spanningsvallen teweeg brengen, in rekening gebracht? 5) Werden inductieve “loops” vermeden? 6) Werden geleiders met een kritische weerstand, capaciteit, inductantie of isolatie in rekening gebracht? 7) Zijn er bepaalde eisen i.v.m. isolatie naar voor geschoven? 8) Is het temperatuurseffect van stroomvoerende geleiders nagekeken? 9) Zijn de voedingsbanen ontworpen zodat ze een mogelijke kortsluiting in het cicuit weerstaan? 10) Is de veiligheidsafstand in acht genomen daar waar de netspanning op de PCB aanwezig is?
251
11) Zijn de regelbare componenten zodanig verbonden dat ze een logische rotatierichting hebben? 12) Werden de ongebruikte poorten van IC’s correct verbonden? 13) Werden de “jumpers” logisch samengeplaatst en is hun aantal zo klein mogelijk? 14) Kunnen componenten met afwijkende aansluitngen ook gebruikt worden? 15) Is het mogelijk om de individuele delen van het circuit te scheiden op de PCB om het circuit te testen? 16) Is het eenvoudig om testapparaten op de PCB aan te sluiten (testconnector)? CHECKLIST MET OVERWEGINGEN OMTRENT HET TEKENEN VAN EEN LAYOUT. 1) Werden speciale mechanische bewerkingen die vereist zijn vb. ‘cut-outs’ of ‘slots’ aangegeven? 2) Zijn alle mechanische afmetingen die nodig zijn aangegeven? 3) Zijn alle kritische toleranties aangegeven? 4) Werden constructieve factoren in overweging genomen bij de bepaling van de PCB-grootte? 5) Liggen alle geleiders minstens 0.5mm van de PCB rand? 6) Zijn de soldeerpads zodanig gelegen t.o.v. de PCB-rand dat ze niet hinderen als de PCB in een PCB geleidingssysteem van een rack wordt geschoven. 7) Zijn alle verboden zone’s aangegeven? 8) Heeft men rekening gehouden met de minimum afstanden tussen geleiders, en geleiders en pads? 9) Hebben de soldeerpads de gewenste afmetingen? Hoe zit het met soldeertechnische aspecten? 10) Hebben de soldeergaten en constructiegaten de nodige diameters? 11) Werden er genoeg via’s gebruikt voor het doorgeven van voedingsbanen tussen twee layers?
252
Bronvermelding: Voor het samenstellen van deze cursus werd gebruik gemaakt van het WWW. De gebruikte afbeeldingen en gegevens komen uit datasheets van fabrikanten. Er werd vermoedelijk geen copyright geschonden. Verder werd gebruik gemaakt van datasheets van volgende fabrikanten: www.atmel.com www.infineon.com www.nxp.com www.ti.com www.national.com www.cinterion.com ftp://telescript.denayer.wenk.be www.maxim-ic.com www.digi.com www.beck-ipc.com
253
254
