No title

Vážení zákazníci, dovolujeme si Vás upozornit, že na tuto ukázku knihy se vztahují autorská práva, tzv. copyright. To znamená, že ukázka má sloužit výhradnì pro osobní potøebu potenciálního kupujícího (aby ètenáø vidìl, jakým zpùsobem je titul zpracován a mohl se také podle tohoto, jako jednoho z parametrù, rozhodnout, zda titul koupí èi ne). Z toho vyplývá, že není dovoleno tuto ukázku jakýmkoliv zpùsobem dále šíøit, veøejnì èi neveøejnì napø. umisováním na datová média, na jiné internetové stránky (ani prostøednictvím odkazù) apod. redakce nakladatelství BEN – technická literatura

[email protected]

6

UNIVERZÁLNÍ ROZHRANÍ USB

V této kapitole pøedstavíme konkrétní vývojovou aplikaci USB. Úkolem je existující rozhraní na RS232 (CompuLAB firmy Modul-Bus) novì vyvinout pro USB. Nejdùležitìjší kroky tohoto vývoje jsou zde dokumentovány a mohou sloužit jako základ pro vlastní pokusy. Hotové zaøízení je vyrábìno firmou Modul-BUS pod oznaèením CompuLAB-USB. Také vlastní stavba je možná, protože jsou k dispozici všechny potøebné informace. Technická data starého rozhraní CompuLAB mají být zachována nebo zlepšena. Z toho vyplývají následující minimální požadavky na novì vyvinuté rozhraní: 8 digitálních výstupù, kompatibilních s TTL, 8 digitálních vstupù, kompatibilních s CMOS, s vysokým vstupním odporem, 2 analogové vstupy, rozlišení 8 bitù, rozsah 0 až 5 V. Protože obvod CY7C63000 na rozdíl napø. od øadièe svého pøedchùdce ST6 nemá žádný interní A/D pøevodník, musí se nejprve vyhledat vhodný A/D pøevodník. Nenákladný typ je TLC541 s 11 vstupy a rozlišovací schopností 8 bitù. Proti tomuto pøevodníku však hovoøí to, že vyžaduje externí hodinový signál 2 MHz. Nejbližší lepší pøevodník od Texas Instruments je TLC1543 s rozlišením 10 bitù. Má interní generátor hodin a vyžaduje pro vybuzení ètyøi nebo pìt linek portu, podle toho, je-li vyhodnocován signál End-Of-Conversion, pøípadnì se použije jednoduchá èasová smyèka. Na tento pøevodník padla volba také proto, že má pøíznivý pomìr cena/výkon.

6.1

A/D PØEVODNÍK TLC1543

A/D pøevodník TLC1543 je integrovaný obvod CMOS se sériovì taktovaným rozhraním k pøímému buzení mikroøadièem. Digitální data se tedy objevují na jediné lince a jsou mikroøadièem naèítána postupnì. Linka hodinového signálu øídí pøenos dat jako u posuvného registru. Stejným zpùsobem se data, zde speciálnì adresa vstupního kanálu, pøenáší z mikroøadièe do pøevodníku. Napájecí napìtí je 5 V, typický proudový odbìr je asi 1 mA. Pøevodník pracuje metodou postupných aproximací se sítí z binárnì vážených kondenzátorù. Obr. 6.1 ukazuje principiální schéma. Komparátor CMOS testuje každý bit porovnáním náboje. V první fázi pøevodu se pøevezme analogová hodnota sepnutím spínaèe S-C a všech spínaèù S-T. Všechny kondenzátory se pøitom nabijí na vstupní napìtí, pøièemž jejich spoleèný pøívod je na potenciálu spínacího prahu komparátoru rovného asi polovinì napájecího napìtí. Potom se spínaèe rozepnou. Komparátor pak testuje napìtí každého kondenzátoru. Nejprve se pøipojí uzel 512 (node 512) na referenèní napìtí REF+ a všechny ostatní uzly na REF–. Když výsledné napìtí leží pod prahovým napì-

A

B. KAINKA:

USB MÌØENÍ, ØÍZENÍ A REGULACE POMOCÍ SBÌRNICE USB

67

tím, bude pro bit 9 rozpoznána jednièka a kondenzátor zùstane na REF+. Tentýž proces se pak bude opakovat s kondenzátorem s váhou 256, aby se získal bit 8. Pøi každém kroku postupné aproximace se pùvodní náboj rozdìlí na všechny kondenzátory. Po celkem deseti porovnáních bude napìtí urèeno s pøesností na 10 bitù.

Treshold Detector výstup Latches

Obr. 6.1

Princip pøevodníku se spínanými kondenzátory (Texas Instruments)

Vstup pøevodníku je interním multiplexerem pøiveden vždy na jeden z 11 externích vstupù. Navíc existují tøi interní kanály, které umožòují autotest. Kanál A11 je internì pøiveden na polovinu referenèního napìtí a dává výsledek 512. Možné odchylky poskytují cenné informace o pøípadném rušení, napø. nedostateèném vyfiltrování napájecího napìtí. Obvod TLC1543 používá k aktivaci pøenosu dat s øadièem linku chip-select ( &6 ).

Sample and Hold 14-Chanel Analog Multiplexer

vstupní adres. Registr

Self-Test Reference Adresa

Obr. 6.2

68

10bitový Analogový digitální Convertor (switched capacitors)

Output Data Registr

10-to-1 Data Selector and Driver

Systém Clock, Control Logic, and I/O Counters

Blokové schéma obvodu TLC1543 B. KAINKA:

USB MÌØENÍ, ØÍZENÍ A REGULACE POMOCÍ SBÌRNICE USB

A

Obr. 6.3

Rozložení vývodù obvodu TLC1543

Pøevod A/D se provádí, pokud je &6 na vysoké úrovni, tedy neaktivní. Každý taktovaný pøenos dat dodává souèasnì 10 datových bitù posledního pøevodu mikroøadièi a na A/D pøevodník posílá adresu kanálu následujícího pøevodu. Pøevodník jsme pro první pokus chtìli pøipojit na desku vývojového kitu s co nejmenšími zmìnami softwaru. Nabízí se nahradit rutinu teplomìru rutinou AD. Odpovídajícím zpùsobem se použijí vývody portù P0.0 až P0.4.

Access Cycle B

Sample Cycle B

Hi-Z State

Previous Conversion Data

Shift in New Multiplexer Address; Simultaneously Shift Out Previous Conversion Value

Initialize

Obr. 6.4

A/D Conversion Interval

Graf prùbìhu impulzù pøi vybuzení

Pøímá náhrada rutiny teplomìru beze zmìn na jádru programu øadièe vede k tomu, že AD rutina TLC1543a.asm øízená timerem je vyvolána každých 1024 µs. Výsledky pøevodu se ukládají do pamìových bunìk 78h a 79h.

A0 A1 A2

UCC

A3 A4

ADDR

A5

CS REF+ REF–

A6 A7 A8

Obr. 6.5

A

Initialize

B. KAINKA:

Pøipojení pøevodníku na port 0

GND

EOC CLK DOUT

P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 +5 V

A10 A9

USB MÌØENÍ, ØÍZENÍ A REGULACE POMOCÍ SBÌRNICE USB

69

; TLC1543a.asm – 10 Bit 12 Chanell AD-Converter ; Anschluss an Port 0 ADPort ADMaskBits ADEOC ADClock ADDataIn ADDataOut ADCS

:equ :equ :equ :equ :equ :equ :equ

00h 1fh 01h 02h 04h 08h 10h

; ; ; ; ; ; ;

SysPort0

gbADChan gbADPortMirror gbADBitcount gbADChanIn gbADDatHi gbADDatLo

:equ :equ :equ :equ :equ :equ

31h 32h 33h 34h 78h 79h

; ; ; ; ;USBEndP1FIFO ;USBEndP1FIFO +1

P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4

;//$PAGE ;******************************************************************************* ; ADRead() ; ;******************************************************************************* ADRead: mov a,[gbADChanIn] mov [gbADChan],a mov a,[gbPort0] and a,~ADClock or a,(ADDataOut|ADCS|ADEOC) iowr ADPort mov [gbADPortMirror],a mov a,00h mov [gbADDatHi],a mov [gbADDatLo],a mov a,[gbADPortMirror] and a,~ADCS iowr ADPort mov [gbADPortMirror],a mov a,8 ADLoop1: mov [gbADBitcount],a

70

B. KAINKA:

;read analog input ; setup port bits

;CS low

;8 bits count

USB MÌØENÍ, ØÍZENÍ A REGULACE POMOCÍ SBÌRNICE USB

A

mov a,[gbADDatHi] ;output data shift left asl a mov [gbADDatHi],a iord ADPort ;read one Bit from Dout and a,ADDataOut cmp a,ADDataOut jnz Ainlow1 mov a,[gbADDatHi] or a,01h mov [gbADDatHi],a Ainlow1: mov a,[gbADPortMirror] ;output one bit to Din and a,~ADDataIn mov [gbADPortMirror],a mov a,[gbADChan] and a,80h cmp a,80h jnz AoutLow mov a,[gbADPortMirror] or a,ADDataIn mov [gbADPortMirror],a AoutLow: mov a,[gbADPortMirror] iowr ADPort or a,ADClock ; set clock high iowr ADPort mov a,[gbADChan] ;input data shift left asl a mov [gbADChan],a nop nop nop nop mov a,[gbADPortMirror] and a,~ADClock ; set clock low iowr ADPort mov [gbADPortMirror],a mov a,[gbADBitcount] ; complete loop 1 dec a jnz ADLoop1 ; read the two bytes left

A

B. KAINKA:

USB MÌØENÍ, ØÍZENÍ A REGULACE POMOCÍ SBÌRNICE USB

71

mov a,02h ADLoop2: mov [gbADBitcount],a mov a,[gbADDatLo] left asl a mov [gbADDatLo],a iord ADPort Dout and a,ADDataOut cmp a,ADDataOut jnz Ainlow2 mov a,[gbADDatLo] or a,01h mov [gbADDatLo],a Ainlow2: mov a,[gbADPortMirror] or a,ADClock iowr ADPort nop nop nop nop and a,~ADClock iowr ADPort mov [gbADPortMirror],a mov a,[gbADBitcount] dec a jnz ADLoop2 mov a,[gbADPortMirror] or a,ADCS iowr ADPort ret Listing 6.1

;output data shift

;read one Bit from

;set clock high

;set clock low

;complete loop 2

;set CS high

Buzení TLC1543 prostøednictvím portu 0.

Program používá dvì smyèky s celkem 12 hodinovými impulzy. V první smyèce se ète 12 datových bitù a 8 datových bitù se posune do pøevodníku. Hlavní program pøedá v globálním bytu gbADChanIn pøíslušný analogový vstup. Protože první ètyøi pøenášené bity pøedstavují adresu pro interní multiplexer A/D pøevodníku, pøenášejí se vždy násobky 10h (tj. 16) (00, 16, 32, 48 …). Rutina okopíruje èíslo kanálu do promìnné gbADChan, která se ve smyèce osmkrát posune doleva, aby

72

B. KAINKA:

USB MÌØENÍ, ØÍZENÍ A REGULACE POMOCÍ SBÌRNICE USB

A

se izoloval vždy jeden bit. Podobným zpùsobem se postupnì naèítá prvých osm bitù posledního pøevodu a posouvá se do gbADDatHi. Druhá smyèka zpracovává u 10bitového mìøení oba bity pøevodu s nejnižší váhou. Zde již není potøebný žádný výstup na pøevodník. Nižší byte (lowbyte) se uloží na adresu 79h v nepoužité pamìtí FIFO koncového bodu 1. Uživatel mùže v závislosti na požadavcích èíst jen vyšší byte (highbyte) na adrese 78h a získat tak pøesnost 8 bitù nebo použije i lowbyte, aby se pøesnost zvýšila na 10 bitù. Celá rutina AD potøebuje asi 140 µs. Není nutné brát ohled na dobu konverze, protože pøevod se spouští jen jednou za milisekundu. Tím je k dispozici 860 µs, zatímco pøevodník vystaèí s 21 µs. Na druhé stranì byly do smyèky zaøazeny instrukce NOP (no operation), aby byla zajištìna dostateènì dlouhá fáze High hodinových impulzù. Pomìrnì velké zvyšovací odpory a velmi malý výstupní proud na portu 1 vedly spolu s nevyhnutelnými parazitními kapacitami k zaoblení hodinových impulzù, což se ukázalo tolerovatelné jen pøi prodloužení hodinových impulzù. V tomto prvním pokusu byla data pøipravena pøímo ve výstupní oblasti 78/79h. Ukázalo se však, že jistý procentuální podíl dat byl narušen. Jako pøíèina pøicházelo v úvahu jen zpracování pøerušení. AD rutina samotná bìží s pøerušením od èasovaèe 1024 µs. Mùže být pøerušena, dojde-li k události koncového bodu 0. AD rutina potøebuje asi 140 µs. Je tedy pravdìpodobnost asi 14 %, že probìhne pøístup pro ètení výsledku, když ještì bìží pøevod. Zlepšení se dosáhne, jestliže se data pøipraví na dvou jiných pamìových místech a teprve nakonec se pøekopírují na výstup. Jiným problémem je èasové chování. Øídicí dotaz (Control request) vyžaduje vždy tøi USB rámy, tedy 3 ms. Na každý kanál je zapotøebí jeden zápisový pøístup a dva ètecí pøístupy na RAM. Tím dojdeme k èasové potøebì 9 milisekund na kanál. Naproti tomu u RS232, pøedchùdce USB, je zapotøebí jen jedna milisekunda. Zde byl jen jeden dotazovací pøíkaz na kanál. Navíc byl vyslán byte a pøijat byte odpovìdi. Pøi pøenosové rychlosti 19 200 baudù z toho vyplývala doba asi 1 ms.

6.2

SHRNUTÍ KANÁLÙ AD

Nevýhodu pomalejšího dotazování na zaøízení USB je možno vykompenzovat tím, že se souèasnì naèítá nìkolik kanálù. Jedním dotazem je možno spoleènì pøenést až 8 bytù. Díky tomu je možno dotazovat se souèasnì na ètyøi kanály. Pøenos èísla kanálu není nutný, jestliže firmware automaticky inkrementuje èíslo kanálu a provádí nìkolik mìøení dohromady. Vlastní mìøení na ètyøech kanálech mùže probíhat v pøerušení od timeru, potøebuje-li výraznì ménì než 1 milisekundu. Mìøená data pro ètyøi kanály se obnovují jednou za milisekundu. Dotaz na ètyøi kanály vyžaduje jen tøi milisekundy, je-li k dispozici odpovídající funkce ovladaèe pro dotaz na osm bytù. Tím se získá malá výhoda v rychlosti oproti RS232. Koneèné využití portu by mìlo vystaèit s minimem souèástek. Protože A/D pøevodník s 11 vstupními kanály nabízí víc, než je zapotøebí, je nasnadì myšlenka využít 8 analogových vstupù jako digitální vstupy. To vyžaduje jedno mìøení na každém z osmi kanálù a vážení výsledkù mìøení. V koneèném výsledku je tímto zpùsobem možno využívat port 0 mikroøadièe zcela pro digitální výstupy, kdežto

A

B. KAINKA:

USB MÌØENÍ, ØÍZENÍ A REGULACE POMOCÍ SBÌRNICE USB

73

port 1 se svými ètyømi linkami obsluhuje A/D pøevodník. Linka EOC se nevyhodnocuje, takže ètyøi linky portu staèí. Pøi vhodném uspoøádání je možno budit i LED pro indikaci pøipravenosti. Zapojení podle obr. 6.6 používá prvých osm vstupních kanálù jako digitální vstupy. Tím jsou k dispozici tøi vstupy jako analogové. Dodateèný vstup pøedstavuje zlepšení oproti pùvodnímu rozhraní (CompuLAB = RSS232). Pøi vhodném dimenzování vstupních obvodù je nadto možno dosáhnout i toho, že všechny digitální vstupy lze volitelnì využívat také jako analogové vstupy. V pøípadì potøeby bychom tedy mìli všech 11 analogových vstupù. P0.0

digitální výstupy DO0 ... DO7

... P.07

digitální vstupy DI0 ... DI7

A0 A1 A2

UCC EOC CLK

A3

ADDR

A4

DOUT

A5

CS REF+ REF–

A6 A7 A8

P1.0 P1.1 P1.2 P1.3

A10

GND

A9

+5 V

TLC1543

Obr. 6.6

Pøiøazení portù

analogový vstup A

analogový vstup B

Z èasových dùvodù se mají ètyøi AD kanály mìøit spoleènì. Uživatel mùže urèit poèáteèní kanál, od nìhož se budou kanály poèítat. Rutina pøevodníku se k tomu úèelu musí vyvolat pìtkrát, protože pøevedená data se mohou naèítat vždy teprve pøi následujícím volání. Mezi jednotlivými sériovými pøístupy na pøevodník se tentokrát musí dodržovat doba pøevodu 21 µs. Pøíkazy NOP pro prodloužení hodinových impulzù si však mùžeme ušetøit, protože výkonnìjší výstupy portu 1 dávají strmìjší hrany impulzù. Celkovì je pøevod proveden za 650 µs, což je ještì dostateènì daleko od mezní hodnoty 1024 µs. Zbylých 350 µs musí staèit pro jiné události vyvolávající pøerušení, zejména pro dotazy (requests) USB. ; TLC1543b.asm – 10 Bit 12 Kanal AD-Converter ADPort ADMaskBits ADClock ADDataIn :equ 02h ADDataOut ADCS

74

B. KAINKA:

:equ 01h :equ 1fh :equ 01h ; P1.1 :equ 04h :equ 08h

; SysPort1 ; ; P1.0 ; P1.2 ; P1.3

USB MÌØENÍ, ØÍZENÍ A REGULACE POMOCÍ SBÌRNICE USB

A