Analog/Digital Wandler mit SPI. Raspberry Pi

Transkript

1 Analog/Digital Wandler mit SPI Raspberry Pi

2 Aufbau Serial Peripheral Interface Analog-Digital Wandlung Die Aufgabe Die Lösung 2

3 Serial Peripheral Interface 3 Jose Gutierrez & Ole Gebert Embedded Software

4 Serial Peripheral Interface - Theorie SPI ist ein Bus-System mit einem lockeren Standard für einen synchronen seriellen Datenbus entwickelt von Motorola Hohe Taktfrequenzen möglich (MHz-Bereich) Master-Slave-Prinzip Ein oder mehrere Slave-Geräte, nur ein Master 4-Leitung Seriell Bus 4 Jose Gutierrez & Ole Gebert Embedded Software

5 SPI Leitungen SCLK: Serial Clock MOSI: Master Output, Slave Input MISO: Master Input, Slave Output SS: Slave Select 5 Jose Gutierrez & Ole Gebert Embedded Software

6 SPI Leitungen Drei unabhängige Slaves Daisy-Chain 6

7 SPI Betrieb Der SPI-Bus kann mit einem einzigen Master-Gerät und einem oder mehreren Slave-Geräten arbeiten. Wenn ein einzelnes Slave-Gerät verwendet wird, kann der SS- Pin auf logisch Null festgesetzt werden, solange der Slave es erlaubt. Mit mehreren Slave-Geräten, benötigt man unabhängige SS- Signale für jedes Gerät. Die meisten Slave-Geräte haben Tri-State-Ausgänge, damit ihr MISO Signal hochohmig wird, wenn das Gerät nicht aktiv ist. 7 Jose Gutierrez & Ole Gebert Embedded Software

8 SPI Datenübertragung Um die Übertragung zu starten, setzt das Master-Gerät die Taktfrequenz fest. Der Master überträgt eine logische Null über die CS-Leitung, um eine Slave auszuwählen. In jedem Taktzyklus, passiert eine Full-Duplex-Übertragung. Eine Datenübertragung kann eine beliebige Anzahl von Taktzyklen haben, solange es Daten zu übertragen gibt. Wenn es keine Daten mehr gibt, stoppt der Master die Umschaltung des Taktes. Datenübertragungen bestehen oft aus 8-Bit-Wörter, aber andere Wortgröße sind auch üblich. 8 Jose Gutierrez & Ole Gebert Embedded Software

9 SPI Datenübertragung Datenübertragungen umfassen normalerweise zwei Schieberegister einer gegebene Wörtergroße, eines in dem Master und eines in dem Slave. Sie sind in einem Ring verbunden. Daten werden üblicherweise mit dem MSB zuerst verschoben. 9 Jose Gutierrez & Ole Gebert Embedded Software

10 SPI Betriebsmodi CPOL: Clock Polarity CPHA: Clock Phase Bei CPOL = 0 ist der Basiswert des Taktes ist Null. Für CPHA = 0 werden die Daten bei steigender Flanke des Taktes erfasst und die Daten werden auf eine fallende Flanke propagiert. Für CPHA = 1 werden die Daten auf fallende Flanke des Taktes erfasst und die Daten werden bei einer steigenden Flanke propagiert. Bei CPOL = 1 ist der Basiswert des Taktes ist Eins. Für CPHA = 0 werden die Daten auf fallende Flanke des Taktes erfasst und die Daten werden bei einer steigenden Flanke propagiert. Für CPHA = 1 werden die Daten bei steigender Flanke des Taktes erfasst und die Daten werden auf eine fallende Flanke propagiert. 10 Jose Gutierrez & Ole Gebert Embedded Software

11 SPI Betriebsmodi Mode CPOL CPHA Jose Gutierrez & Ole Gebert Embedded Software

12 Vor- und Nachteile Vorteile Full duplex. Höheren Durchsatz als I2C oder SMBus. Flexibilität Nicht auf 8-Bit-Worte beschränkt. Willkürliche Auswahl der Nachrichtengröße, Inhalt und Zweck. Einfache Hardware Zusammenschaltung. Typischerweise geringere Leistungsanforderungen als I2C oder SMBus durch weniger Schaltkreis. Slaves verwenden den Takt des Masters. Slaves brauchen keine Adressierung. Transceivers werden nicht benötigt. Maximal ein eindeutiges Bus-Signal pro Gerät (Chip select). Signale sind einseitig, einfache galvanische Trennung Nachteile Benötigt mehr Pins als I2C. Keine Hardware Datenflusssteuerung von dem Slave. Keine Hardware Slave Acknowledgment. Unterstützt nur ein Master-Gerät. Keine Fehlerprüfung Protokoll definiert. Ohne einen formalen Standard. Nur kurze Distanzen, viel weniger als RS-232, RS-485 oder CAN-Bus Protokolle. 12 Jose Gutierrez & Ole Gebert Embedded Software

13 Analog-Digital-Wandlung 13

14 Analog-Digital-Wandlung Allgemeines Themen: Die Theorie Die Verfahren Der MCP3008 Die Funktionalität 14

15 Analog-Digital-Wandlung Die Theorie Analoges Signal wird abgetastet, wobei die Abtastfrequenz über die Genauigkeit entscheidet Also: Je größer die Abtastfrequenz im Bezug auf das Eingangssignal, um so genauer kann das Signal reproduziert werden (?) Nicht ganz: Die Bitrate entscheidet dabei über die Höhe des Dynamikbereiches Nyquist-Shannon-Abtasttheorem: Abtastfrequenz >= 2x Frequenz des Eingangssignal Der Vorgang der Digitalisierung eines Werte wird Quantisierung genannt Das Ergebnis sind einheitslose Digitalwerte, die mit Hilfe eines Referenzwertes gedeutet werden können (s. MCP3008) 15

16 Analog-Digital-Wandlung - Verfahren Flash-Wandler: Hohe Abtastrate bis über 1000 Msps Geringe Auflösung bis etwas über 10 Bit Pipeleine-Wandler: Etwas geringere Abtastrate als Flash-Wandler Höhere Auflösung bis etwas 14 Bit Slope-Wandler Abtastraten nur im Ksps Bereich Auflösungen bis 17 Bit Sigma-Delta-Wandler Abtastraten unter 10 Msps Höchste Datenauflösung bis 20 Bit SAR-Wandler Geringe Abtastrate bis zu 1 Msps Hohe Auflösung bis zu 17 Bit 16

17 Analog-Digital-Wandlung - Verfahren Parallelumsetzer (Flash-Wandler) Viele Comparatoren und entsprechend viele Spannungsteiler. Ein Eingang der Comparatoren hat die U in der andere die entsprechende Abteilung von U REF Pipeline-Wandler Mehrstufiger A/D Wandler, bestehend aus mehreren Parallelumsetzern, was höhere Auflösungen ermöglicht bei ähnlich hohen Abtastraten Slope-Verfahren U in wird mit einem Sägezahnverglichen, dieser Start bei 0 V und steigt an bis er gleich U in ist. Im Hintergrund läuft ein Zähler, der beim Erreichen von U in, den Spannungswert weiter gibt und dann für den nächsten Wert resetet wird Sigma-Delta-Wandler Im einfachsten Fall steht 1 für steigende Spannung und 0 für fallende Spannung, was die Analog-Kurve in einem Zickzack-Muster nachstellt SAR-Verfahren Später genauer Erklärt 17

18 Analog-Digital-Wandlung MCP Bit Auflösung: 2 10 Bitkombinationen = 1024 Pins: V DD Spannungsversorgung (3,3 V) V REF Referenzspannung (3,3 V) AGND CLK D OUT D IN Analoge Masse Serial Clock Serial Data-Out (vom MCP3008) Serial Data-In (vom Raspberry Pi)! CS/SHDN Chip-Select, Low-Aktiv / Shutdown Input DGND CHX Digitale Masse Analoger Eingang X, Channel X 18

19 Analog-Digital-Wandlung MCP3008 Durch die Referenzspannung und die Anzahl der Bitkombinationen lässt sich der Spannungssprung von einem zum nächsten Bitwert berechnen U = U REF / 1024 = 3,3 V / 1024 = 0, V = 3,2 mv Als Beispiel: wir empfangen am Raspberry Pi einen Wert von 42, d.h. am analogen Eingang liegt eine Spannung von U = 42 * 3,2 mv = 0,1344 V an. Info zum Fotowiderstand: Je stärker die Beleuchtung um so geringer der elektrische Wiederstand Der MCP3008 kann bis zu eine Umwandelrate von 200ksps arbeiten (sps = samples per second) 19

20 Analog-Digital-Wandlung - Funktionalität DAC = Digital Analog Wandler SAR = Successive Approximation Register Ablauf: Über das Sample-and-Hold Glied wird U in geholt Im Comparator wird die analoge Eingangsspannung mit V REF /2 verglichen Im ersten Durchlauf wird das MSB auf 1 (U in > U REFVergleich ) oder auf 0 (U in < U REFVergleich) gesetzt Darauf hin wird V REFVergleich halbiert und im DAC zum Comparator zurückgegeben für den nächsten Vergleich. Je nach Ausgang des Vergleiches wird V REFVergleich /2 vom vorherigen U REFVergleich abgezogen oder zuaddiert Ist U in > U REFVergleich wird das nächste Bit auf 1 gesetzt. Dies geschieht solange bis das LSB erreicht ist Die Anzahl der gesetzten Bits ist gleich der Auflösung (hier 10 Bit) Zum Schluss wird ein neues U in aus der Sample-and-Hold Schaltung geholt Pro Bit wird ein Taktzyklus gebraucht 20

21 Analog-Digital-Wandlung - Funktionalität 21

22 MCP3008 und SPI Zu Beginn muss der!cs Pin von HIGH auf LOW gezogen werden um Kommunikation zu initialisieren Die erste Clock wo D IN HIGH ist während!cs auf LOW gezogen ist stellt den Start dar Als nächstes folgt das SGL/!DIFF Bit welches bestimmt in welchem Mode die Eingänge Betrieben werden (1 = single ended, 0 = differential) Danach wird über D2, D1, D0 der Channel angewählt (Bei uns single-ended CH0 = ) Nun ist D IN Don t Care. Bei der nächsten fallenden Falke wird D OUT LOW ausgeben. Die nächsten 10 Bit sind die Daten (MSB first) 22

23 MCP3008 SPI Mode 0 23

24 MCP3008 mit Microcontrollern Da viele Microcontroller in Byte Schritten arbeiten (8 Bit) pausiert die Clock alle 8 Takte So ist zu beachten, dass bei dem 10 Bit Wert die ersten zwei Bits noch im vorherigen Datenblock liegen 24

25 Die Aufgabe 25

26 Die Aufgabe Bestimmen Sie die am Fotowiderstand abfallenden Spannungen. Nutzen Sie hierfür den MCP3008 A/D Converter und lesen Sie diesen über seine SPI Schnittstelle aus. Das zu schreibende Programm soll in C (wenn möglich) objektbasiert programmiert werden und ohne die Nutzung der wiringpi Bibliothek arbeiten. Optional: Wenn um den Fotowiderstand herzu zu dunkel wird soll eine LED auf dem Testboard eingeschaltet werden. 26

27 SPI Einstellungen sudo nano /etc/modprobe.d/raspi-blacklist.conf blacklist spi-bcm2708 -> #blacklist spi-bcm2708 sudo reboot ls /dev/spidev* /dev/spidev0.0 /dev/spidev0.1 27

28 SPI Einstellungen Includes: #include <fcntl.h> #include <unistd.h> #include <sys/ioctl.h> #include <linux/types.h> #include <linux/spi/spidev.h> 28

29 SPI Einstellungen spidev.h struct spi_ioc_transfer { u64 tx_buf; /* Zeiger zu ein Buffer */ u64 rx_buf; /* Zeiger zu ein Buffer */ u32 len; /* Länge von tx und rx Buffers */ u32 speed_hz; /* Übertragungsfrequenz */ u16 delay_usecs; /* Verzögerung nach die letzte Bitübertragung */ u8 bits_per_word; /* Bits pro Wort */ u8 cs_change; u32 pad; }; 29

30 SPI Einstellungen spidev.h Makros für ioctl(): SPI_IOC_WR_MODE SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ SPI_IOC_MESSAGE(N) 30

31 SPI Einstellungen Spi Initialisierung: static uint8_t mode = 0; // CPOL = 0, CPHA = 0 static uint8_t bpw = 8; // 8 bits per word static uint32_t speed = ; // Up to 1MHz clock frequency static uint16_t delay = 0; // No delay after last bit transfer fd = open("/dev/spidev0.0", O_RDWR); // Device 0, CS0 ioctl (fd, SPI_IOC_WR_MODE, &mode); ioctl (fd, SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD, &bpw); ioctl (fd, SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ, &speed); 31 Jose Gutierrez & Ole Gebert Embedded Software

32 SPI Einstellungen Übertragung: Full- oder Halb-Duplex Halb-Duplex: read() and write() Befehle. Full-Duplex: ioctl() Befehl. Full-Duplex: struct spi_ioc_transfer tr; ioctl(fd, SPI_IOC_MESSAGE(1), &tr); 32

33 Aufbau Raspberry Pi Pins MCP

34 Aufbau 34

35 Hilfestellungen uint8_t spidata[3]; spidata[0] = 1; spidata[1] = 0x80; spidata[2] = 0; //start bit //single-ended, channel 0 of the MCP3008 //"don't care bits" 35

36 GPIO Steuerung Beispiel für GPIO15: Initialisierung: Export GPIO: fd = open("/sys/class/gpio/export", O_WRONLY); write(fd, "15", sizeof("15")); close(fd); GPIO als Ausgang: fd = open("/sys/class/gpio/gpio15/direction", O_WRONLY); write(fd, out", sizeof( out")); close(fd); 36

37 GPIO Steuerung Beispiel für GPIO15: Steuerung: GPIO schalten: fd = open("/sys/class/gpio/gpio15/value", O_WRONLY); write(fd, 1", sizeof( 1")); // 1 : Auf, 0 : Aus close(fd); Am Ende: Unexport GPIO: fd = open("/sys/class/gpio/unexport", O_WRONLY); write(fd, "15", sizeof("15")); close(fd); 37

38 GPIO Steuerung mypins.h und mypins.c: typedef struct pin_struct{ PinClass *class; int pinnumber; int pinmode; } PinInstance; typedef struct pin_class{ int (*init)(pin apin); int (*remove)(pin apin); int (*set)(pin apin, int pinstate); } PinClass; Konstruktor: //pinnumber: GPIO number //pinmode: INPUT or OUTPUT Pin newpin(int pinnumber, int pinmode); 38 Jose Gutierrez & Ole Gebert Embedded Software

39 GPIO Steuerung Benutzung: Pin led = newpin(15, OUTPUT); //GPIO 15, Ausgang if(led->class->init(led) < 0){ } //Fehlerhandlungsroutine led->class->set(led, ON); //LED auf led->class->set(led, OFF); //LED aus led->class->remove(led); 39 Jose Gutierrez & Ole Gebert Embedded Software

40 Unsere Lösung 40

41 Unsere Lösung Klassen: 41

42 Unsere Lösung Signale: 42

43 Quellen Foliendesign: aster.pptx Bilder: hold.signal.svg/500px-zeroorderhold.signal.svg.png 882).jpg 43

44 Quellen v.h spidev_test.c