Тактовые источники таймера-счетчика 0

Таймер-счетчик 0 может тактироваться внутренне синхронно или внешне асинхронно (по отношению к внутренней системной синхронизации). По умолчанию используется тактовый сигнал clkT0, эквивалентный тактовому сигналу микроконтроллера clkI/O. Если в бит AS0 регистра ASSR записать лог. 1, то в качестве источника синхронизации выступает генератор таймера-счетчика, связанный с выводами подключения низкочастотного кварцевого резонатора TOSC1 и TOSC2. Более подробно асинхронная работа описана в "Регистр асинхронного состояния - ASSR". Подробности по источникам синхронизации см. в разделе "Предделитель таймера-счетчика 0".

12. Аналогово-цифровой преобразователь

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП)

АЦП служит для измерения напряжения, т.е. преобразования аналоговой информации в цифру. Амплитудам в диапазоне Vn + V ставится в соответствие число n. Одной из характеристик АЦП является его разрядность, т.е. количество дискретных значений напряжения, на которые может делиться весь рабочий диапазон входных (анализируемых) напряжений. Когда АЦП используется для амплитудного анализа, число, получаемое на выходе АЦП используется для адресации памяти и называется номером канала, а V - шириной канала. Номер канала несет информацию об амплитудном значении сигнала. Амплитуда в свою очередь связана с измеряемой физической величиной (энергией, временем и т.п.). Максимальное количество каналов связано с разрядностью АЦП. АЦП нередко служат интерфейсом между измерительной аппаратурой и компьютером. (Многоканальные анализаторы, в состав которых входят АЦП, по сути, специализированные ЭВМ.)
Современные АЦП обычно имеют до 14 двоичных разрядов (16384 каналов). В зависимости от требований эксперимента измерения могут производиться при разных диапазонах конверсии (512, 1024 и т.д.) вплоть до максимального, определяемого разрядностью АЦП

Важными характеристиками АЦП, используемых для спектроскопии, являются интегральная и дифференциальная нелинейности.

Рис. 1. Идеальная (сплошная зеленая линия) и реальная функция преобразования АЦП

Интегральная нелинейность I_int характеризует отклонение реальной функции преобразования (штрихпунктир) от идеальной линейной (сплошная линия) (см. рис. 1). Интегральная нелинейность I_int определяется следующим образом

I_int% = 100(V_nom - V_act)/V_max,

где (V_nom - V_act) - максимальное отклонение от линейности.
Дифференциальная нелинейность I_dif характеризует неоднородность ширин каналов АЦП и определяется следующим образом.

I_dif% = 50(W_max - W_min)/W_avg,

где W_max, W_min и W_avg - максимальная, минимальная и средняя ширины каналов.

У качественных АЦП дифференциальная нелинейность ~1%, а интегральная <0.05% при 12-разрядном (4096 каналов) преобразовании.

В промышленной электронике было разработано много методов преобразования аналоговых величин в цифровой код. Однако в ядерной электронике используются только некоторые из них. В основном используются АЦП вилкинсоновского типа и АЦП поразрядного взвешивания. В последнее время в ядерной электронике стали использоваться и параллельные АЦП, входящие в состав цифровых процессоров сигналов.

13. Регистр управления мультиплексором АЦП– ADMUX

Модуль АЦП

АЦП прежде всего предназначен для преобразования аналогового сигнала в цифровой. В микроконтроллере ATmega328p в корпусе PDIP-28 есть возможность выбрать один из 6 входов, для преобразования, а также ИОН или датчик температуры микроконтроллера (только для ATmega328P). В качестве опорного напряжения также можно выбирать внутренний ИОН и внешний ИОН.

Характеристики модуля АЦП:

· 10-бит разрешение преобразования

· Абсолютная погрешность - 2

· Интегральная нелинейность - 0.5

· Скорость преобразования 13 - 260 микросекунд

· 6 мультиплексированный каналов преобразования

· Встроенный датчик температуры

· Входное напряжение - от 0 до Vпитания

· Возможность подключить внутренний ИОН 1.1 В

· Независимость от ЦП

· Генерация прерывания по завершению преобразования

· Режим подавления шумов

Регистры АЦП:

· ADMUX - регистр выбора входа мультиплексора

· ADCSRA - регистр управления АЦП A

· ADCSRB - регистр управления АЦП B

· ADCL и ADCH - регистры с результатом преобразования АЦП

· DIDR0 - регистр управления входами мультиплексора

Регистр ADMUX управляет выбором опорного напряжения, а также входа мультиплексора.

Регистр ADMUX:

Биты REFS1 (7) и REFS0 (6) устанавливают какой источник опорного напряжения будет выбран:

· 00 - опорное напряжение на входе AREF (21 ножка)

· 01 - Vпитания (вход AREF должен быть отключен.или к нему можно подключить фильтрующий конденсатор)

· 10 - резерв

· 11 - внутренний ИОН 1.1 В (к входу AREF можно подключить фильтрующий конденсатор)

Бит ADLAR (5) регистра ADMUX позволяет выравнивать результат преобразования по левому краю при записи в него 1.

Биты MUX3 - MUX0 (3 - 0) - управляют мультиплексором:

· 0000 - вход ADC0 (23 ножка)

· 0001 - вход ADC1 (24 ножка)

· 0010 - вход ADC2 (25 ножка)

· 0011 - вход ADC3 (26 ножка)

· 0100 - вход ADC4 (27 ножка)

· 0101 - вход ADC5 (28 ножка)

· 0111 - резерв

· 1000 - датчик температуры

· 1001 - 1101 - резерв

· 1110 - 1.1 В

· 1111 - 0 В (земля)

14. Двухпроводной последовательный интерфейс TWI: особенности, определение шины TWI

Общие сведения

Модуль двухпроводного последовательного интерфейса (TwowireSerialInterface, TWI) входит в состав следующих микроконтроллеров семейства Mega: ATmega8x, ATmega16x, ATmega163x, ATmega32x, ATmega323x и ATmega64x/128x. Данный интерфейс является полным аналогом базовой версии интерфейса I2 C фирмы «Philips». Интерфейс TWI позволяет объединить вместе до 128 различных устройств с помощью двунаправленной шины, состоящей всего из двух линий: линии тактового сигнала (SCL) и линии данных (SDA). Единственными дополнительными элементами для реализации шины являются два подтягивающих резистора, по одному на каждую линию (Рис. 8).

Рис. 8. Соединение устройств с помощью шины TWI

Шинные формирователи всех TWI-совместимых устройств выполняются по схеме с открытым коллектором (стоком), что позволяет реализовать функцию «монтажное И». Соответственно, НИЗКИЙ уровень на линии устанавливается тогда, когда одно или более устройств выставляют на линию сигнала лог. 0, а ВЫСОКИЙ уровень на линии устанавливается тогда, когда все устройства, подключенные к ней, устанавливают свои выходы в третье состояние.

При последующем рассмотрении модуля TWI будут часто встречаться некоторые термины. Их описание приведено в Табл. 2.

Таблица 2

Отличительные особенности:

· Гибкий, простой, при этом эффективный последовательный коммуникационный интерфейс, требующий только две линии связи

· Поддержка как ведущей, так и подчиненной работы

· Возможность работы, как приемника, так и как передатчика

· 7-разр. адресное пространство позволяет подключить к шине до 128 подчиненных устройств

· Поддержка многомастерногоарбитрирования

· Скорость передачи данных до 400 кГц

· Выходы драйверов с ограниченной скоростью изменения сигналов

· Схема шумоподавления повышает стойкость к выбросам на линиях шины

· Программируемый адрес для подчиненного режима с поддержкой общего вызова

· Пробуждение микроконтроллера из режима сна при определении заданного адреса на шине

15. Протокол 1-WIRE: описание, алгоритмы реализации

Интерфейс 1-Wire разработан фирмой DallasSemiconductor®, все права на этот интерфейс принадлежат исключительно этой фирме (которая, впрочем уже давно прекратила свое самостоятельное сущестование и перешла под крыло корпорации MAXIM Inc.). Фирменная документация по указанному интерфейсу и устройствах, его поддерживающих, находится здесь.

Чем привлекателен этот интерфейс? Разумеется, малым количеством выводов МК, требующихся для подключения практически неограниченного количества микросхем. В самом деле, двусторонний обмен требует всего 1 линию! Кроме того, ассортимент устройств с этим интерфейсом весьма широк. Наконец, протокол обмена по этому интерфейсу очень прост и легко реализуется программно практически на любых микроконтроллерах (МК).

На рисунке показана упрощённая схема аппаратной реализации интерфейса 1-Wire. Вывод DQ устройства представляет собой вход КМОП-логического элемента, который может быть зашунтирован (замкнут на общий провод) полевым транзистором. Сопротивление канала этого транзистора в открытом состоянии – около 100 Ом. Когда транзистор заперт – имеется небольшой ток утечки (примерно 5 мкА) на общий провод.

Шина 1-Wire должна быть подтянута отдельным резистором к напряжению питания устройств (которое, кстати, может быть от 3 до 5В – уточняется по характеристикам конкретного устройства). Сопротивление этого резистора 4.7 К, однако, это значение рекомендовано только для достаточно коротких линий. Если шина 1-Wire используется для подключения удалённых на большое расстояние устройств, то сопротивление этого резистора следует уменьшить. Ниже будут описаны причины необходимости такого уменьшения сопротивления. Минимально допустимое сопротивление этого резистора – около 300 Ом, а максимальное – около 30 кОм. Данные величины – ориентировочные, точные значения следует уточнить по характеристикам конкретного устройства 1-Wire (по его максимальному втекающему току линии DQ, который, собственно, и определяет минимум внешнего сопротивления).

Подключение шины 1-Wire к МК показано условно в двух вариантах: с использованием двух отдельных выводов МК (один в качестве выхода, а другой в качестве входа), так и одного, работающего и на ввод и на вывод. Разделение этих способов показано пунктирной линией, условно обозначающей границу корпуса МК.

Логическое строение шины 1-Wire как можно рассматривать как соединение выводов микросхем с открытым коллектором по схеме "монтажное И". Передача данных при этом возможна только выдачей низкого логического уровня в линию (замыканием её на общий провод), а высокий логический уровень формируется благодаря наличию внешнего подтягивающего резистора.

Рассмотрим обмен информацией по шине 1-Wire:

Обмен всегда ведется по инициативе одного ведущего устройства, которое в большинстве случаев является микроконтроллером (МК)

Любой обмен информацией начинается с подачи импульса сброса ("ResetPulse" или просто RESET) в линию 1-Wire ведущим устройством

Для интерфейса 1-Wire в общем случае предусматривается "горячее" подключение и отключение устройств

Любое устройство, подключенное к 1-Wire после получения питания выдает в линию DQ импульс присутствия ("Presencepulse" или просто PRESENCE). Этот же импульс устройство всегда выдает в линию, если обнаружит сигнал RESET

Появление в шине 1-Wire импульса PRESENCE после выдачи RESET однозначно свидетельствует о наличии хотя бы одного подключенного устройства

Обмен информацией ведётся так называемыми тайм-слотами: один тайм-слот служит для обмена одним битом информации

Данные передаются побайтно, бит за битом, начиная с младшего бита. Достоверность переданных/принятых данных проверяется контрольной суммой CRC

На нижеприведённом рисунке показана диаграмма сигналов RESET и PRESENCE, с которых всегда начинается любой обмен данными.

Выдача импульса RESET в процессе обмена служит для досрочного завершения процедуры обмена информацией.

Длительность большинства временных интервалов очень приблизительная и имеет ограничение только по минимуму.

Импульс RESET формирует ведущий МК, переводя в низкий логический уровень шину 1-Wire и удерживая её в этом состоянии минимум 480 микросекунд. Затем МК должен "отпустить" шину. Через некоторое время, зависящее от ёмкости линии и сопротивления подтягивающего резистора, в линии установится высокий логический уровень. Протокол 1-Wire ограничивает это время "релаксации" диапазоном от 15 до 60 мкс, что и является определяющим для выбора подтягивающего резистора (как правило, ёмкость линии существенно изменить сложно, а именно она оказывает наибольшее влияние на время возврата линии к высокому логическому уровню).

Обнаружив импульс RESET, ведомое устройство приводит свои внутренние узлы в исходное состояние и формирует ответный импульс PRESENCE, как следует из рисунка – не позже 60 микросекунд после завершения импульса RESET. Для этого устройство переводит в низкий уровень линию DQ и удерживает её в этом состоянии от 60 до 240 мкс. Конкретное время удержания зависит от многих параметров, но всегда находится в указанном диапазоне. После этого устройство так же "отпускает" шину.

После завершения импульса PRESENCE устройству даётся ещё некоторое время для завершения внутренних процедур инициализации, таким образом, МК должен приступить к любому обмену с устройством не ранее, чем через 480 микросекунд после завершения импульса RESET.

Таким образом процедура инициализации интерфейса 1-Wire, с которой начинается любой обмен данными между устройствами, длится минимум 960 микросекунд и состоит из передачи от МК сигнала RESET и приёма от устройства сигнала PRESENCE. Если сигнал PRESENCE не обнаружен – значит на шине 1-Wire нет готовых к обмену устройств.

Теперь рассмотрим процедуры обмена битами информации, которые осуществляются определёнными тайм-слотами. Тайм-слот – это определённая, довольно жёстко лимитированная по времени последовательность смены уровней сигнала в линии 1-Wire. Различают 4 типа тайм-слотов:

Передача "1" от МК

Передача "0" от МК

Приём "1" от устройства

Приём "0" от устройства

Любой тайм-слот всегда начинает МК путём перевода шины 1-Wire в низкий логический уровень. Длительность любого тайм-слота должна находиться в пределах от 60 до 120 микросекунд. Между отдельными тайм-слотами всегда должен предусматриваться интервал не менее 1 микросекунды (конкретное значение определяется параметрами ведомого устройства). Тайм-слоты передачи отличаются от тайм-слотов приёма поведением МК: при передаче он только формирует сигналы, при приёме ещё и опрашивает уровень сигнала в линии 1-Wire.

Следующй рисунок демонстрирует временные диаграммы тайм-слотов всех четырёх типов: вверху показаны тайм-слоты передачи от МК, внизу – приёма от устройства.

Тайм-слот передачи "0" заключается просто в удержании шины 1-Wire в низком уровне в течение всей длительности тайм-слота. Передача "1" осуществляется путём "отпускания" шины 1-Wire со стороны МК не ранее, чем через 1 мкс после начала тайм-слота, но не позже чем через 15 мкс.

Ведомое устройство опрашивает уровень в шине 1-Wire в течение временного интервала, условно показанного в виде серого прямоугольника, то есть, начиная с 15-ой микросекундой от начала тайм-слота и заканчивая 60-ой микросекундой от начала. Типичный момент ввода уровня в устройство – около 30-ой микросекунды от начала тайм-слота.

Заштрихованная область – это область "нарастания" уровня в шине 1-Wire, которая зависит от ёмкости линии и сопротивления подтягивающего резистора, она приведена для справки.

Тайм-слоты приёма информации отличаются тем, что МК формирует только начало тайм-слота (абсолютно так же, как при передаче "1"), а затем управление уровнем шины 1-Wire берёт на себя устройство, а МК осуществляет ввод этого уровня так же в определённой зоне временных интервалов. Эта зона, как видно из рисунка, довольно мала. Как и раньше, заштрихованная область – область неопределённости, поэтому для ввода МК остаётся даже не промежуток, а скорее конкретный момент, когда он должен ввести уровень сигнала из линии. Этот момент времени – 14-ая или 15-ая микросекунда от начала тайм-слота. Разумеется, если линия имеет малую ёмкость, а подтягивающий резистор мал, зона опроса несколько расширяется, однако рекомендуетя ориентироваться на худший вариант, чтобы всегда обеспечить надёжный обмен данными.

Таким образом МК начинает тайм-слот с выдачи в шину 1-Wire "0" в течение 1 мкс. Последующий уровень зависит от типа тайм-слота: для приёма и передачи "1" уровень должен стать высоким, а для передачи "0" – оставаться низким вплоть до конца тайм-слота, то есть не менее 60 и не более 120 мкс. Если МК принимает данные, то опрос уровня в шине он должен сделать на промежутке от 13-jй до 15-jй микросекунде тайм-слота. МК должен обеспечить интервал между отдельными тайм-слотами не менее 1 мкc.

Следует очень тщательно подходить к обеспечению в шине 1-Wire требуемых временных интервалов, так как, например, увеличение длительности тайм-слота вывода "0" свыше рекомендованного значения может привести к ошибочному восприятию этого тайм-слота, как сигнала RESET, и, разумеется, после этого вся процедура обмена пойдёт неверно. Так же следует учитывать влияние самой линии на длительность фронтов импульсов. Поэтому в общем случае, это не простая задача, но выполнение несложных рекомендаций позволит её решить достаточно простыми средствами.

Во-первых, все сигналы, которые должен формировать МК, следует формировать по принципу необходимого минимума длительности (то есть немного больше, чем указанная минимальная длительность), а от устройства следует ожидать сигналов по принципу наихудшего (то есть ориентироваться на самые худшие варианты временных параметров сигнала).

Если разрабатывается схема, которая целиком умещается на одной плате вместе со всеми устройствами на шине 1-Wire, то в результате получается практически идеальная линия. Фронты нарастания высокого уровня в шине будут минимальными, а это избавит от большинства проблем.

Но если несколько устройств подключается через длинный соединительный шлейф – придётся бороться с погонной ёмкостью линии. Приэто следует учитывать, что соединение по свитым вручную обычным монтажным проводам при типовом подтягивающем резисторе возможно на расстоянии до 10 м, а для соединения по очень длинной телефонной "лапше" может потребовать уменьшения подтягивающего резистора до 510 ом и даже менее.

Разобравшись с процедурами обмена битами можно приступать к более высокому уровню протокола обмена информацией,а для этого необходимо рассмотреть принципы адресации устройств и управления ими.

Каждое устройство 1-Wire обладает уникальным идентификационным 64-битным номером, программируемым на этапе изготовления микросхемы. Фирма-производитель гарантирует, что не найдется двух микросхем с одинаковым идентификационным номером.

При рассмотрении протокола обмена будем считать, что на шине 1-Wire имеется более одного устройства. В этом случае перед МК встают две проблемы – определение количества имеющихся устройств и выбор (адресация) одного из них для обмена данными.

Решение первой проблемы осуществляется двумя путями:

Автоматическое определение адресов всех подключенных устройств

Ручноезаданите адреса

Первый способ требует довольно сложного программно-реализуемого алгоритма поиска адресов. Здесь он рассматриваться не будет, так как это потребовало бы отдельной статьи. Более подробно можно почитать о нем в документе ApplicationNote 162.

Второй способ заключается в том, что номера всех используемых 1-Wire-устройств необходимо определить заранее, а потом просто использовать их как константы в программе МК. Номера некоторых устройств нанесены прямо на корпусе микросхем (например, для устройств iButton – всем известных ключей-таблеток), а номера других можно определить при помощи специальных программ или устройств (о них в конце статьи).

16. Особенности передатчика в ATmega128: форматы посылки, инициализация, передача данных, флаги и прерывания (универсальный синхронный и асинхронный последовательный приемопередатчик)

Форматы посылки

Последовательная посылка состоит из бит данных, бит синхронизации (старт и стоп-биты), а также опционального бита паритета для поиска ошибок. УСАПП поддерживает все 30 комбинаций следующих форматов посылок:

• 1 старт-бит
• 5, 6, 7, 8 или 9 бит данных
• без паритета, с битом четности, с битом нечетности
• 1 или 2 стоп-бита

Посылка начинается со старт-бита, а за ним следует передача бит данных, начиная с самого младшего разряда. Затем следует передача остальных бит данных (макс. число бит данных 9), которая заканчивается передачей старшего разряда данных. Если разрешена функция контроля паритета, то сразу после бит данных передается бит паритета, а затем стоп-биты. После завершения передачи посылки имеется возможность либо передавать следующую посылку либо перевести линию связи в состояние ожидания (высокий уровень). Рисунок 82 иллюстрирует возможность сочетания форматов посылки. Наличие прямоугольной скобки указывает на опциональность данного формата посылки.

Рисунок 82. Форматы посылки

 St - Старт-бит имеет всегда низкий уровень.

 0…8 - Номер бита данных.

 P - бит паритета: четность или нечетность.

 Sp1,Sp2 - Стоп-бит имеет всегда высокий уровень.

 IDLE - состояние ожидания, в котором приостановлена передача на RxD или TxD. В состоянии ожидания на линии должен быть высокий уровень.

Формат посылки, который используется УСАПП, задается битами UCSZ2:0, UPM1:0 и USBS в регистрах UCSRB и UCSRC. Приемник и передатчик используют одни и те же установки форматов. Обратите внимание, что изменение установок любого из этих бит может привести к повреждению текущего сеанса связи, как для приемника, так и для передатчика.

Биты выбора длины передаваемых данных (UCSZ2:0) определяют из скольки бит данных состоит посылка. Биты режима паритета УСАПП (UPM1:0) разрешают передачу/контроля бита паритета и устанавливают тип паритета: четность, нечетность. Выбрать один или два стоп-бита позволяет бит выбора стоп-бита УСАПП (USBS). Приемник игнорирует второй стоп-бит. Флаг ошибки посылки FE позволяет выявить ситуацию, когда первый стоп-бит равен 0.

Инициализация УСАПП

Перед началом сеанса связи необходимо выполнить инициализацию УСАПП. Процесс инициализации обычно состоит из установки скорости связи, задания формата посылки и разрешения работы передатчика и приемника. Если используется управление связью по прерываниям, то во время инициализации необходимо, чтобы был сброшен флаг общего разрешения прерываний (т.е. необходимо запретить все прерывания).

Если необходимо выполнить повторную инициализацию УСАПП, например, для изменения скорости связи или формата посылки, то необходимо убедиться, чтобы во время инициализации передача была приостановлена. Флаг TXC может использоваться для проверки завершения работы передатчика, а флаг RXC - для проверки отсутствия в приемном буфере несчитанных данных. Обратите внимание, что при использовании флага TXC он должен сбрасываться программно перед началом каждой передачи (перед записью в UDR).

В следующих примерах показаны функции для простой инициализации УСАПП на Ассемблере и Си. В примерах предполагается, что используются управление связью по опросу флагов состояния (не по прерываниям) и фиксированный формат посылки. Скорость связи выступает как параметр функции. Для примера на ассемблере предполагается, что параметр скорости связи записан перед вызовом функции в регистры r17:r16.

Пример кода на Ассемблере (1)

USART_Init:

; Установка скорости связи

out UBRRH, r17

out UBRRL, r16

; Разрешение работы приемника и передатчика

ldi r16, (1<<RXEN)|(1<<TXEN)

out UCSRB,r16

; Установка формата посылки: 8 бит данных, 2стоп-бита

ldi r16, (1<<USBS)|(3<<UCSZ0)

out UCSRC,r16

ret

Пример кода на Си (1)

void USART_Init(unsigned int baud)

{

/* Установка скорости связи */

UBRRH = (unsigned char)(baud>>8);

UBRRL = (unsigned char)baud;

/* Разрешение работы передатчика и приемника */

UCSRB = (1<<RXEN)|(1<<TXEN);

/* Установка формата посылки: 8 бит данных, 2 стоп-бита */

UCSRC = (1<<USBS)|(3<<UCSZ0);

}

Прим. 1: В примере предполагается, что подключен файл специфических заголовков. Для регистров ввода-вывода, которые расположены в области памяти расширенного ввода-вывода необходимо заменить инструкции "IN", "OUT", "SBIS", "SBIC", "CBI" и "SBI" на инструкции, осуществляющие доступ к расширенной памяти ввода-вывода. Обычно это инструкции "LDS" и "STS" в сочетании с "SBRS", "SBRC", "SBR" и "CBR".

Более совершенные процедуры инициализации могут использовать расширенный интерфейс функции, где в качестве параметров выступают, например, формат посылки, отключение прерываний и т.д. Однако, в большинстве приложений используется фиксированные установки скорости связи и управляющих регистров, поэтому, для них представленные примеры могут быть непосредственно включены в основную программу или к процедурам инициализации других модулей ввода-вывода.