System-orientierte Informatik - Mikrocontroller, Sensor- und Aktoranbindung

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1 Fakultät Informatik Institut für Technische Informatik, Professur Mikrorechner System-orientierte Informatik - Mikrocontroller, Sensor- und Aktoranbindung Prof. Dr.-Ing. Christian Hochberger

2 Ausgangslage Gesamtsystem, bestehend aus Prozess (Steuer-)Rechner Sensoren Aktoren Fragestellung hier: Wie werden Rechner, Sensoren und Aktoren in der Praxis realisiert? E in g a b e - P e rip h e rie ( z. B. T a s t a t u r ) S t e ll - P e rip h e rie ( z. B. A k t o r e n ) A ö f f n e n E le k t ro m o t o r A u s g a b e - P e r i p h e r i e ( z. B. B i l d s c h i r m ) I - E in g a b e I - A u s g a b e R e c h n e r I n f o r m a t i o n s - V e r a r b e i t u n g I - N u t z u n g I - G e w i n n u n g % 0 % S c h i e b e r - p o s i t i o n M Z s c h l i e ß e n M e ß - P e r i p h e r i e ( z. B. S e n s o r e n ) S e n s o r ( F o t o z e l l e ) F l ü g e l - r a d L a m p e D u r c h f l u ß S t r ö m u n g s - g e s c h w in d ig k e it V S Christian Hochberger Folie 2 von 33

3 Mikrocontroller Wunsch: Alle Komponenten auf einem Chip System-on-Chip (SoC) Minimalausstattung: Prozessorkern (EP)ROM RAM I/O (digital, analog, seriell) Timer (fast immer, oft mit Capture und Compare) Christian Hochberger Folie 3 von 33

4 Mikrocontroller Speicherausstattung Auswirkungen des SoC-Prinzips Auch Speicher mit auf Chip Probleme bei der Technologie-Integration Typischerweise kein DRAM zusammen mit CMOS RAM nur als SRAM Bei großem RAM-Bedarf: Externe Speicherbausteine (DRAM, SDRAM, DDR,...) Intern komplette Ansteuerung (DRAM-Kontroller) Christian Hochberger Folie 4 von 33

5 Mikrocontroller Programmierung Prozessorkern Oft RISC, meistens einfache Befehlssätze Bessere Berechenbarkeit der Ausführungszeiten Verzicht auf Komfort -Befehle (z.b. Multiplikation, Division, Floating-Point) Einfache Speicherverwaltung (keine MMU, evtl. einfache Schutzmechanismen) Echtzeitbetriebssystem nur wenn Multitasking gebraucht wird oder Treiber für Schnittstellen gebraucht werden (z.b. USB, Ethernet/TCP/IP,...) Christian Hochberger Folie 5 von 33

6 Mikrocontroller Beispiele MSP 430 Familie von TI 16-Bit Prozessorkern, RISC Speziell für energieeffiziente Systeme konzipiert 0,5µA im Shutdown-Mode, 1µS Wakeup-Time Speicherausstattung 128B 18KB SRAM KB Flash-EPROM Peripherieausstattung USB, SPI, I2C, UART, LIN OpAmp, ADC, DAC, Multiplier, AES, LCD (segmentbasiert) Timer, WDT, RTC Christian Hochberger Folie 6 von 33

7 Mikrocontroller Beispiel MSP430F4152 Christian Hochberger Folie 7 von 33

8 Mikrocontroller Beispiel MSP430F1101A Christian Hochberger Folie 8 von 33

9 Mikrocontroller Beispiele (2) LPC 17XX Familie NXP ARM Cortex M3 Prozessorkern bis 120MHz Speicherausstattung KB Flash-EPROM KB SRAM Peripherieausstattung Ethernet, USB, CAN I2C, I2S, SPI, UART, analoge Eingänge, verschiedene Timer, PWM Christian Hochberger Folie 9 von 33

10 Mikrocontroller Beispiel LPC17XX Christian Hochberger Folie 10 von 33

11 Rückblick Operationsverstärker Wird für Anbindung der Außenwelt oft gebraucht Synonyme: OPV, OpAmp Grundkonzept: 2 Eingänge (+ und -) Spannungsdifferenz wird -fach verstärkt (in der Praxis ) Durch Eingänge fließt kein Strom Problem: Braucht gute analoge Transistoren + - Christian Hochberger Folie 11 von 33

12 OPV Grundschaltung Spannungsfolger Prinzip: Eingangsspannung ändert sich Differenz wächst Ausgangswert wirkt auf Null- Differenz zurück Natürlich nicht verzögerungsfrei Christian Hochberger Folie 12 von 33

13 OPV Sample & Hold Schalter geschlossen: Kondensator folgt Eingangsspannung Verzögerung aufgrund der Umladung Schalter offen: Kondensator hält seinen Wert (da kein Strom über OpAmp) Wert driftet mit der Zeit weg Christian Hochberger Folie 13 von 33

14 D/A Wandlung Umwandlung binärer Werte in analoge Ausgangsgrößen Häufig Strom oder Spannung Werden oft als Steuergröße für Folgesysteme gebraucht Viel einfacher als A/D Wandlung Hier zwei Verfahren: Erzeugen einer Spannung mit R2R-Netzwerk Pulsbreitenmodulation für größere Leistungen Andere Verfahren bei Synchronmaschinen Christian Hochberger Folie 14 von 33

15 D/A Wandlung Erzeugen von Spannungen Typische Realisierung: R2R-Netzwerk Nur zwei verschiedene Widerstandswerte nötig Schnell Aber: Keine Belastung des Ausgangs Daher meist mit OpAmp Christian Hochberger Folie 15 von 33

16 D/A Wandlung Steuerung großer Lasten z.b. Helligkeit einer Lampe Hängt vom Strom ab Lässt sich z.b. durch Widerstand regeln Probleme: Schlecht vom Mikrocontroller zu regeln Strom fließt auch durch Widerstand Widerstand erhitzt sich Leistung wird nicht genutzt Wann geht eigentlich am meisten Leistung verloren? VCC Christian Hochberger Folie 16 von 33

17 D/A Wandlung Steuerung großer Lasten Widerstand kann durch MOS- Transistor ersetzt werden Drain-Source Widerstand proportional zu Gate-Spannung Leicht durch Mikrocontroller zu steuern Problem: Strom erhitzt auch den Transistor Leistung wird verheizt (Verlustleistung) VCC Christian Hochberger Folie 17 von 33

18 D/A Wandlung Pulsbreitenmodulation Transistor voll gesperrt: Kein Strom durch Transistor, keine Verlustleistung Transistor voll leitend: Widerstand nahe an Null, Verlustleistung sehr klein Idee der Pulsbreitenmodulation Nutze nur die beiden Zustände des Transistors Schalte schnell/oft genug um Schalten nicht mehr zu bemerken Christian Hochberger Folie 18 von 33

19 D/A Wandlung Pulsbreitenmodulation (2) t on t cyc Resultierende Leistung entspricht dem Verhältnis aus Zykluszeit und Einschaltzeit Voraussetzung: Verbraucher muss filternde/integrierende Wirkung haben Zykluszeit muss hinreichend klein sein Christian Hochberger Folie 19 von 33

20 Timer Sehr häufig in Mikrocontrollern vorhanden Anwendung: Zum Messen von Zeiten: Externes Event erzeugt IRQ, Kern ließt Zählerstand aus Zum Erzeugen vorgegebener Zeitintervalle IRQ nach Ablauf des Timers, Kern kann Aktion ausführen Viele Formen möglich Auf-/Abwärts zählen, programmierbarer Start-/End-Wert Wahl des Eingangstaktes (Systemtakt, Peripherietakt, externer Takt) Einstellbarer Vorteiler Christian Hochberger Folie 20 von 33

21 Timer Output Compare Unit Zusatzeinheit in Kombination mit Timer Programmierbares Register Bei Gleichheit mit Zählerstand wird Aktion ausgelöst Aktion programmierbar (IRQ, Port An/Aus/Invert) Mehrere pro Timer möglich Erlauben autonome Signalerzeugung (ohne Kern- Beteiligung) Kann als PWM-Einheit verwendet werden Christian Hochberger Folie 21 von 33

22 Timer Output Compare Unit: PWM-Erzeugung Beispiel: MSP430F1101 Mehrere Capture/Compare Register Zykluslänge in CCR0 CCR2 auf t on setzen Output Mode: Port ein bei Nulldurchgang Port aus bei Erreichen von CCR2 Christian Hochberger Folie 22 von 33

23 Timer Input Capture Unit Ziel: Autonomes Festhalten eines Zeitpunktes Funktionsweise: Externes Event löst Takt am Capture-Register aus Eingang des Capture-Registers hängt am Zählerstand Optional: IRQ auslösen Möglicher Nutzen: Hochgenaue Messung von Ereigniszeitpunkten Keine Verfälschung bei hoher IRQ-Last des Kerns Auf mehreren Kanälen gleichzeitig möglich Anwendung z.b. bei Slope-Wandlungen Christian Hochberger Folie 23 von 33

24 A/D Wandlung Kriterien bei der Auswahl Geschwindigkeit Genauigkeit Technologische Integrierbarkeit Betrachtete Verfahren: Flash A/D Wandlung Dual-Slope Wandlung Sukzessive Approximation (aber es gibt viele weitere!) Christian Hochberger Folie 24 von 33

25 Flash A/D Wandlung Prinzip: Bilde eine Referenzspannung für alle Spannungsstufen Vergleiche alle Referenzspannungen mit dem Eingang Eingang größer -> OpAmp liefert 1 Eingang kleiner -> OpAmp liefert 0 Ermittle Binärcodierung des Umschlagpunktes Aufwand: Bei n Bit Auflösung: 2 n OpAmps Christian Hochberger Folie 25 von 33

26 VCC Flash A/D Wandlung (2) Wandlung arbeitet zeitkontinuierlich! Schnellstes Wandlungsverfahren Wg. hoher Zahl analoger Transistoren: Schlecht integrierbar Praktisch immer in separaten Chips Priority Encoder Christian Hochberger Folie 26 von 33

27 Single Slope Wandlung Grundidee: Vergleiche Eingangsspannung mit Kondensatorspannung während Entladevorgang Kondensatorspannung: V 0 *e (-RC*t) t z.b. durch OpAmp und Input Capture ermitteln Probleme: Berechnung von e (-RC*t) Toleranzen von V 0 und C Christian Hochberger Folie 27 von 33

28 Single Slope Wandlung (2) Christian Hochberger Folie 28 von 33

29 Dual Slope Wandlung Verbesserung des Verfahrens: Vergleichende Messung C aufladen, über Referenz-Widerstand entladen C nochmal aufladen, über Mess-Widerstand entladen Formeln: V cmp =V 0 e R ref C t ref t ref =R ref C ln V cmp V 0 t meas =R meas C ln V cmp V 0 R t meas C ln V cmp meas V = 0 t ref R ref C ln V cmp V 0 t meas t ref = R meas R ref Christian Hochberger Folie 29 von 33

30 Dual Slope Wandlung (2) Referenz-Messung Sensor-Messung Christian Hochberger Folie 30 von 33

31 Dual Slope Wandlung (3) Vorteile: Negative Einflussgrößen fallen raus (V 0, C) Berechnung viel einfacher Nachteile: Nur Messung von Widerständen (nicht Spannungen) Kann in der Praxis oft leicht verschmerzt werden (Licht, Druck, Temperatur) Christian Hochberger Folie 31 von 33

32 Sukzessive Approximation Prinzip: Wie Balkenwaage Größten Gewichtsstein auflegen Gewicht zu schwer: Wieder runternehmen Ansonsten: Drauf lassen Mit nächst kleinerem Gewicht fortfahren Optimaler Kompromiss: Nur ein OpAmp (leicht zu integrieren) Wandlungszeit proportional zur Auflösung Christian Hochberger Folie 32 von 33

33 Sukzessive Approximation (2) Sample&Hold damit Wert konstant D/A Wandler als R2R- Netzwerk Bei höchstwertigem Bit anfangen D/A Naeherungswert S&H Steuerung Christian Hochberger Folie 33 von 33