Embedded Systems

Transkript

1 Embedded Systems II Themen am : RTOS für AVR; Multitasking auf einem AVR; Serielle Schnittstelle mit / ohne Interrupts; Auftrag: Sternenhimmel, GPIO-Chips, I2C/TWI Einblick in die Medizintechnik Bitte OHP-/Tafel-Notizen selbst mitschreiben! ES217-V4 Ulrich Schaarschmidt HS Düsseldorf, SS 2017 Literatur und Internetquellen Jörg Wiegelmann: Softwareentwicklung in C für Mikroprozessoren und Mikrocontroller, 3 Aufl 2004, Hüthig Verlag, Heidelberg wwwatmelcom wwwmikrocontrollernet wwwkreatives-chaosde wwwavrfreaksnet/ wwwroboternetzde wwwavr-asm-tutorialnet/avr_de/indexhtml wwwsiwawiarubiuni-klde/avr_projects/ //Homepagesunrisech/meitel/avr/indexhtml //jkdesignde/avrproject/ Bollow,F; Homann,M; Köhn, K-P: C und C++ für Embedded Systems; mitp-verlag / Bonn (VMI) UG Schaarschmidt, HS - D 2 HS Düsseldorf (c) USchaarschmidt 1

2 Quellenhinweise wwwmikrocontrollernet Atmel Application Note: AVR244: AVR UART as ANSI Terminal Interface Atmel Application Note: AVR305: Half Duplex Compact Software UART Contiki - The Operating System for Connecting the Next Billion Devices - the Internet of Things - Contiki ein konfigurierbares, freies Betriebssystem mit IPv6wLoPan Stack Günter Schmitt: Mikrocomputertechnik mit Controllern der Atmel AVR-RISC-Familie 3 Überarbeitete und erweiterte Auflage 2007, Oldenbourg Verlag Hans-Gerd Lipinski: Einführung in die medizinische Informatik 1999, Oldenbourg Verlag UG Schaarschmidt, HS - D 3 Quellen- und Literaturhinweise AVR315: Using the TWI module as I2C master 2004, Atmel Application Note doc2564pdf, Rev 2564B-AVR-09/04 MAX7313pdf Maxim 16-Port I/O Expander with LED Intensity Control, Interrupt, and Hot-Insertion Protection MAX6964pdf Maxim 17-Output LED Driver/GPO with Intensity Control and Hot-Insertion Protection MCP23016 Microchip 16-Bit I2C I/O Expander PCA9554/PCA9554A Philips 8-bit I2C and SMBus I/O port with interrupt Philips_I2C_Handbookpdf AN469 Application Note I2C/SMBus general purpose I/O expanders Datasheet ATmega8 / ATmega8L 2003, Rev 2486M-AVR-12/03 AVR245: Code Lock with 4x4 Keypad and I2C LCD 2005, Atmel Application Note doc8013pdf, Rev 8013A-AVR-10/ UG Schaarschmidt, HS - D 4 HS Düsseldorf (c) USchaarschmidt 2

3 Richard Barry (avrfreaksnet): Multitasking on an AVR RTOS Tick UG Schaarschmidt, HS - D 5 RTOS - Multitasking Ausführungskontext unmittelbar vor der Unterbrechung CPU Stack Ptr Prog Counter Program Memory 0 1 Data Memory Reg1 Reg2 Reg3 FA E2 00 LDI Reg1, 0xFA LDI Reg2, 0xE2 ADD Reg1, Reg2 Der Task wird unterbrochen (suspend), während er gerade die Addition durchführt! Die vorherigen Befehle haben bereits die Register gesetzt, die vom ADD genutzt werden Wenn der Task wieder aufgenommen wird (resume), wird der ADD-Befehl der erste sein, der ausgeführt wird Der Task wird jedoch nicht wissen, ob die Register Reg1 oder Reg2 in der Zwischenzeit von einem anderen Task verändert wurden UG Schaarschmidt, HS - D 6 HS Düsseldorf (c) USchaarschmidt 3

4 Ausführungskontext General Purpose Registers R0 Stack R1 Status SREG R25 R26[XL] R27[XH] Program Counter PC R28[YL] R29[YH] R30[ZL] Stack Pointer SPH SPL 0xff 0xee R31[ZH] UG Schaarschmidt, HS - D 7 Speichern und Wiederherstellen des Kontext #define portsave_context() \ asm volatile ( \ "push r0 \n\t" \ (1) "in r0, SREG \n\t" \ (2) "cli \n\t" \ (3) "push r0 \n\t" \ (4) "push r1 \n\t" \ (5) "clr r1 \n\t" \ (6) "push r2 \n\t" \ (7) "push r3 \n\t" \ "push r4 \n\t" \ "push r5 \n\t" \ : UG Schaarschmidt, HS - D 8 HS Düsseldorf (c) USchaarschmidt 4

5 Speichern und Wiederherstellen des Kontext : "push r30 \n\t" \ "push r31 \n\t" \ "lds r26, pxcurrenttcb \n\t" \ (8) "lds r27, pxcurrenttcb + 1 \n\t" \ (9) "in r0, SP_L \n\t" \ (10) "st x+, r0 \n\t" \ (11) "in r0, SP_H \n\t" \ (12) "st x+, r0 \n\t" \ (13) ); UG Schaarschmidt, HS - D 9 Vor dem RTOS Tick Interrupt TaskA wird ausgeführt TaskA Code TaskA Stack General Purpose Registers Status SREG(A) LDI R0, 0 LDI R1, 1 R0(A) Program Counter ADD R0,R1 R1(A) PC(A) R30(A) Stack Pointer 0xff R31(A) SPH SPL 0xee UG Schaarschmidt, HS - D 10 HS Düsseldorf (c) USchaarschmidt 5

6 RTOS Tick Interrupt ausgelöst PC wird durch Interrupt auf dem TaskA-Stack abgelegt TaskA Code TaskA Stack General Purpose Registers Status SREG(A) LDI R0, 0 LDI R1, 1 R0(A) Program Counter ADD R0,R1 R1(A) PC(A) PC(A) R30(A) Stack Pointer 0xff R31(A) SPH SPL 0xee UG Schaarschmidt, HS - D 11 RTOS Tick Interrupt ausgelöst TaskA-Kontext ist jetzt der TaskA-Stack TaskA Stack Stack Pointer SPH SPL Der Kernel speichert eine Kopie des Stack Pointers für jeden Task Kopie von SP(A) SPH SPL Kopie von SP(B) SPH SPL R31(A) R30(A) R1(A) SREG(A) R0(A) PC(A) 0xff 0xee Kontext wird auf Stack gespeichert: portsave_context() PC durch Interrupt auf Stack gespeichert Applikations-Stack TaskA UG Schaarschmidt, HS - D 12 HS Düsseldorf (c) USchaarschmidt 6

7 RTOS Tick Interrupt ausgelöst Stack Pointer zeigt jetzt auf die oberste Stelle des TaskB-Kontext TaskB Stack R31(B) Stack Pointer SPH(B) SPL(B) Der Kernel speichert eine Kopie des Stack Pointers für jeden Task Kopie von SP(A) SPH SPL Kopie von SP(B) SPH SPL R30(B) R1(B) SREG(B) R0(B) PC(B) 0x12 0x34 Kontext von TaskB bei der Unterbrechung von TaskB Applikations-Stack TaskB UG Schaarschmidt, HS - D 13 Wiederherstellen des TaskB-Kontext TaskB-Kontext wurde wieder hergestellt TaskB Code TaskB Stack General Purpose Registers Status SREG(B) CLR R15 MOVW R18, R14 R0(B) Program Counter CALL 0xC4 R1(B) PC(B) PC(B) R30(B) Stack Pointer 0x12 R31(B) SPH SPL 0x UG Schaarschmidt, HS - D 14 HS Düsseldorf (c) USchaarschmidt 7

8 RTOS tick wird beendet TaskB wird jetzt nach Unterbrechung wieder ausgeführt TaskB Code TaskB Stack General Purpose Registers Status SREG(B) CLR R15 MOVW R18, R14 R0(B) Program Counter CALL 0xC4 R1(B) PC(B) R30(B) Stack Pointer 0x12 R31(B) SPH SPL 0x UG Schaarschmidt, HS - D 15 Auftrag: Sternenhimmel Es ist ein Lichternetz (halbkugelförmig) aus Leuchtdioden, die mittels I/O- Expandern in PWM angesteuert werden, zu entwerfen Bestimmte Sternbilder sollen erkennbar sein (Schwan, grosser Wagen, ) Die Helligkeit der Sterne bzw Sternbilder soll veränderlich (programmiert) sein UG Schaarschmidt, HS - D 16 HS Düsseldorf (c) USchaarschmidt 8

9 Cassiopeia UG Schaarschmidt, HS - D 17 Großer Bär UG Schaarschmidt, HS - D 18 HS Düsseldorf (c) USchaarschmidt 9

10 Krebs UG Schaarschmidt, HS - D 19 Auftrag: Eingebettetes System als Master für I2C-Bus-Gerät auswählen und prog Auftrag! Welche Controller aus meinem Bekanntenkreis haben die benötigte Schnittstelle an Board? Wenn keiner: Welche Schnittstelle kann die gewünschte emulieren? > Aufwandsabschätzung Gibt es einfach zuzuschaltende IC, die diese Aufgabe übernehmen? UG Schaarschmidt, HS - D 20 HS Düsseldorf (c) USchaarschmidt 10

11 Auftrag: Eingebettetes System als Master für I2C-Bus-Gerät auswählen und prog 2 Datenblatt heraussuchen und wichtige Stellen heraussuchen und durcharbeiten Datenblatt sehr schön, aber nicht alles verständlich umsetzbar Nach Application Notes suchen, die die Schnittstelle (in irgendeiner Form) behandeln Im Internet nach Lösungen suchen, die eine ähnliche Aufgabe gemeistert habenaber nicht zu viel Zeit dabei vertrödeln! UG Schaarschmidt, HS - D 21 Application Notes / Datenblätter AVR307: Half duplex UART using the Universal Serial Interface UG Schaarschmidt, HS - D 22 HS Düsseldorf (c) USchaarschmidt 11

12 Auftrag: Eingebettetes System als Master für I2C-Bus-Gerät auswählen und prog 3 uns kommt etwas komisch vor der Compiler / das Entwicklungssystem / der Assembler meldet Fehler, die wir nicht verstehen Im Internet nach aktuellen Bug-Beschreibungen und damit Bugfixes oder neuen Versionen der Entwicklungssoftware suchen -> Installieren Hardware elektrisch überprüfen, Kurzschlüsse zwischen einzelnen Leiterbahnen / Pins (Lupe), Leiterbahnunterbrechungen (Haarrisse, kalte Lötstellen, Lupe) Bauelemente im Design oder beim Einlöten vergessen? UG Schaarschmidt, HS - D 23 Erweiterung einer AVR-MCU zur V24 Pegelanpassung UG Schaarschmidt, HS - D 24 HS Düsseldorf (c) USchaarschmidt 12

13 Pegelanpassung Der MAX232 ist ein Pegelkonverter, der die -12V/+12V Signale an der seriellen Schnittstelle des PCs zu den 5V/0V des AVRs kompatibel macht Die 5 Kondensatoren sind 22µF-Elkos Auf die richtige Polung achten! Der exakte Wert ist hier relativ unkritisch, in der Praxis sollte alles von ca 10µF bis 50µF funktionieren X2 ist ein 9-poliger SUB-D-Verbinder, female Es gibt auch funktionsgleiche Bausteine in miniaturisierter Bauform, die kleinere Kapazitäten benötigen UG Schaarschmidt, HS - D 25 Software zum Senden Als erstes muss die gewünschte Baudrate im Register UBRR festgelegt werden Der in dieses Register zu schreibende Wert errechnet sich nach der folgenden Formel: UBRR = Taktfrequenz / 16 * Baudrate - 1 Beim ATmega8 gibt es für UBRR zwei Register: UBRRL (Low-Byte) und UBRRH (High-Byte) Im Normalfall steht im UBRRH 0, da der berechnete Wert kleiner als 256 ist und somit in UBRRL alleine passt Um den Sendekanal des UART zu aktivieren, muss das Bit TXEN im UART Control Register UCSRB auf 1 gesetzt werden UG Schaarschmidt, HS - D 26 HS Düsseldorf (c) USchaarschmidt 13

14 Software zum Senden 2 Danach kann das zu sendende Byte in das Register UDR eingeschrieben werden - vorher muss jedoch sichergestellt werden, dass das Register leer ist, die vorhergehende Übertragung also schon abgeschlossen wurde Dazu wird getestet, ob das Bit UDRE ("UART Data Register Empty") im Register UCSRA auf 1 ist Genaueres über die UART-Register findet man im Datenblatt des Controllers Der ATmega8 bietet noch viele weitere Optionen zur Konfiguration des UARTs, aber für die Datenübertragung zum PC sind im Normalfall keine anderen Einstellungen notwendig UG Schaarschmidt, HS - D 27 Test Programm (1) include "m8definc" def temp = r16 equ CLOCK = equ BAUD = 9600 equ UBRRVAL = CLOCK/(BAUD*16)-1 ldi temp, LOW(RAMEND) out SPL, temp ldi temp, HIGH(RAMEND) out SPH, temp ldi temp, LOW(UBRRVAL) out UBRRL, temp ldi temp, HIGH(UBRRVAL) out UBRRH, temp ldi temp, (1<<URSEL) (3<<UCSZ0) out UCSRC, temp sbi UCSRB,TXEN ; Stackpointer initialisieren ; Baudrate einstellen ; Frame-Format: 8 Bit ; TX aktivieren UG Schaarschmidt, HS - D 28 HS Düsseldorf (c) USchaarschmidt 14

15 Test Programm (2) loop: serout: ldi temp, 'T' rcall serout ; Unterprogramm aufrufen ldi temp, 'e' rcall serout ; Unterprogramm aufrufen ldi temp, 's' rcall serout ; ldi temp, 't' rcall serout ldi temp, '!' rcall serout ldi temp, 10 rcall serout ldi temp, 13 rcall serout rjmp loop sbis UCSRA,UDRE ; Warten bis UDR für das nächste ; Byte bereit ist rjmp serout out UDR, temp ret ; zurück zum Hauptprogramm UG Schaarschmidt, HS - D 29 Test Programm (3) Der Befehl rcall serout ruft ein kleines Unterprogramm auf, das zuerst wartet bis das Datenregister UDR von der vorhergehenden Übertragung frei ist, und anschließend das in temp (=r16) gespeicherte Byte an UDR ausgibt Bevor serout aufgerufen wird, wird temp jedesmal mit dem ASCII-Code des zu übertragenden Zeichens geladen Der Assembler wandelt Zeichen in einfachen Anführungsstrichen automatisch in den entsprechenden ASCII-Wert um Nach dem Wort "Test!" werden noch die Codes 10 (New Line) und 13 (Carriage Return) gesendet, um dem Terminalprogramm mitzuteilen, dass eine neue Zeile beginnt UG Schaarschmidt, HS - D 30 HS Düsseldorf (c) USchaarschmidt 15

16 Empfangen (1) Natürlich kann der AVR nicht nur Daten senden sondern auch vom PC empfangen Dazu muss man, nachdem die Baudrate wie oben beschrieben eingestellt wurde, das Bit RXEN setzen Sobald das UART dann ein Byte über die serielle Verbindung empfängt, wird das Bit RXC im Register UCSRA gesetzt, um anzuzeigen, dass das Byte im Register UDR zur Weiterverarbeitung bereitsteht Sobald es aus UDR gelesen wird, wird RXC automatisch wieder gelöscht, bis das nächste Byte angekommen ist UG Schaarschmidt, HS - D 31 Empfangen (2) Das erste einfache Testprogramm soll das empfangene Byte auf den an Port x angeschlossenen LEDs ausgeben Dabei sollte man daran denken, dass PD0 (RXD) bereits für die Datenübertragung zuständig ist, so dass das entsprechende Bit im Register PORTD keine Funktion hat und damit auch nicht für die Datenanzeige verwendet werden kann UG Schaarschmidt, HS - D 32 HS Düsseldorf (c) USchaarschmidt 16

17 Empfangen (3) Nachdem das UART konfiguriert ist, wartet das Programm einfach in der Hauptschleife darauf, dass ein Byte über das UART ankommt (zb indem man im Terminalprogramm ein Zeichen eingibt), also RXC gesetzt wird Sobald das passiert, wird das Register UDR, in dem die empfangenen Daten stehen, nach temp eingelesen und an den Port x ausgegeben UG Schaarschmidt, HS - D 33 Empfangs Test - Programm (1) include "m8definc" def temp = R16 equ CLOCK = equ BAUD = 9600 equ UBRRVAL = CLOCK/(BAUD*16)-1 ldi temp, LOW(RAMEND) out SPL, temp ldi temp, HIGH(RAMEND) out SPH, temp ldi temp, 0xFF out DDRD, temp ldi temp, LOW(UBRRVAL) out UBRRL, temp ldi temp, HIGH(UBRRVAL) out UBRRH, temp ; Port D = Ausgang ; Baudrate einstellen ; Frame-Format: 8 Bit UG Schaarschmidt, HS - D 34 HS Düsseldorf (c) USchaarschmidt 17

18 Empfangs Test - Programm (2) ; Frame-Format: 8 Bit ldi temp, (1<<URSEL) (3<<UCSZ0) out UCSRC, temp sbi UCSRB, RXEN ; RX (Empfang) aktivieren receive_loop: sbis UCSRA, RXC rjmp receive_loop in temp, UDR out PORTD, temp rjmp receive_loop ; warten bis ein Byte angekommen ist ;empfangenes Byte nach temp kopieren ; und an Port D ausgeben ; zurück zum Hauptprogramm UG Schaarschmidt, HS - D 35 UART mit Interrupt (1) include "m8definc" def temp = R16 equ CLOCK = equ BAUD = 9600 equ UBRRVAL = CLOCK(BAUD*16)-1 org 0x00 rjmp main org URXCaddr ; Interruptvektor für UART-Empfang rjmp int_rxc ; Hauptprogramm main: ldi temp, LOW(RAMEND) out SPL, temp ldi temp, HIGH(RAMEND) out SPH, temp ldi temp, 0xFF ; Port D = Ausgang out DDRD, temp UG Schaarschmidt, HS - D 36 HS Düsseldorf (c) USchaarschmidt 18

19 UART mit Interrupt (2) ; Baudrate einstellen ldi temp, LOW(UBRRVAL) out UBRRL, temp ldi temp, HIGH(UBRRVAL) out UBRRH, temp ; Frame-Format: 8 Bit ldi temp, (1<<URSEL) (3<<UCSZ0) out UCSRC, temp sbi UCSRB, RXCIE ; Interrupt bei Empfang sbi UCSRB, RXEN ; RX (Empfang) aktivieren sei ; Interrupts global aktivieren loop: rjmp loop ; Endlosschleife ; Interruptroutine: wird ausgeführt sobald ein Byte über das UART empfangen wurde int_rxc: push temp ; temp auf dem Stack sichern in temp, UDR out PORTD, temp pop temp ; temp wiederherstellen reti ; Interrupt beenden UG Schaarschmidt, HS - D 37 Softwareengineering für Embedded Systems Planungsphase Wesentliche Funktionen und Eigenschaften des geplanten Projektes definieren; Machbarkeit auch unter ökonomischen Aspekten eruieren; Pflichtenheft und Projektplan anfertigen; Definitionsphase Pflichtenheft verfeinern; genaue Spezifikation erstellen, Softwaremodule definieren; Testplan erstellen; UG Schaarschmidt, HS - D 38 HS Düsseldorf (c) USchaarschmidt 19

20 Softwareengineering für Embedded Systems Entwurfsphase Mit Softwaretechnik beginnen; Flussdiagramme oder Struktogramme zur Visualisierung von Abläufen; nach der Problemanalyse überschaubare Modularisierung (Teilaufgaben) bilden -> Daten- und Kontrollstrukturen aufstellen;; Codier und Implementierungsphase Quellcodeerzeugung mittels Softwareentwicklungstools (im kleinsten Fall mittels Editor); Dokumentation parallel dazu erzeugen; UG Schaarschmidt, HS - D 39 Softwareengineering für Embedded Systems Test- und Verifikationsphase Herausfinden, ob ein Programm in jeder erdenklichen Situation funktioniert; Hilfsmittel: Simulator - Einzelschrittabarbeitung; Vergleich der simulierten Ergebnisse mit den erwarteten Ergebnissen; Debugging (Fehlerbeseitigung); Wartungs- und Pflegephase Dokumentation erweitern / korrigieren, Fehlerbeseitigung, neue Revision / Version vorbereiten; UG Schaarschmidt, HS - D 40 HS Düsseldorf (c) USchaarschmidt 20

21 Interruptgesteuerte Programme (1) Diese Methode hat den großen Vorteil, dass das Hauptprogramm (hier nur eine leere Endlosschleife) völlig unbeeinflusst weiterläuft, während der Controller auf die Daten wartet Auf diese Weise kann man mehrere Aktionen quasi gleichzeitig ausführen, da das Hauptprogramm nur kurz unterbrochen wird um die empfangenen Daten zu verarbeiten UG Schaarschmidt, HS - D 41 Interruptgesteuerte Programme (2) Probleme können allerdings auftreten, wenn in der Interruptroutine die gleichen Register verwendet werden wie im Hauptprogramm, da dieses ja an beliebigen Stellen durch den Interrupt unterbrochen werden kann Damit sich aus der Sicht der Hauptschleife durch den Interruptaufruf nichts ändert, müssen alle in der Interruptroutine geänderten Register am Anfang der Routine gesichert und am Ende wiederhergestellt werden In diesem Zusammenhang wird der Stack wieder interessant: Um die Register zu sichern kann man sie mit push einfach oben auf den Stapel legen und am Ende wieder (in der umgekehrten Reihenfolge!) mit pop vom Stapel herunternehmen UG Schaarschmidt, HS - D 42 HS Düsseldorf (c) USchaarschmidt 21

22 Röntgenaufnahme Embedded Systems Medizintechnik-Überblick Embedded Systems mit DSP Embedded Controller sind von der Rechenleistung her in den letzten Jahren an die Signal-, Ton-, Bildverarbeitung herangeführt worden Dh, dass Diagnose- und Therapiegeräte in der Medizintechnik verkleinert werden konnten und portabel bzw mit erheblicher Energieeinsparung für den Rechenprozess entwickelt werden konnten UG Schaarschmidt, HS - D UG Schaarschmidt, HS - D 44 HS Düsseldorf (c) USchaarschmidt 22

23 Computertomographie Coputertomographie UG Schaarschmidt, HS - D UG Schaarschmidt, HS - D 46 HS Düsseldorf (c) USchaarschmidt 23

24 Ableitungen des Elektrokardiogramm Abbildungen: Medtronic UG Schaarschmidt, HS - D 47 Ablauf der EKG-Kurve durch Erregungsfunktion im Herzen UG Schaarschmidt, HS - D 48 HS Düsseldorf (c) USchaarschmidt 24

25 Schematische EEG- Ableitungen EKG - Elektrokardiogramm UG Schaarschmidt, HS - D UG Schaarschmidt, HS - D 50 HS Düsseldorf (c) USchaarschmidt 25

26 Elektroenzephalogramm (EEG) UG Schaarschmidt, HS - D 51 Rohrverengung (Blutgefäss nachempfunden) - Stenose UG Schaarschmidt, HS - D 52 HS Düsseldorf (c) USchaarschmidt 26

27 Ultraschalldiagnose - Dopplerultraschall Ähnlich wie die schon bekannte US- Entfernungsmessung wird von den Organen mit unterschiedlicher Dichte die Schallwellen unterschiedlich absorbiert bzw reflektiert Je feiner die messtechnische Auflösung realisiert werden kann desto besser wird die Bildauflösung Bei der Doppler-Ultraschall-Messung wird der Doppler- Effekt ausgenutzt, um die Geschwindigkeit des fließenden / pulsierenden Blutes zu analysieren UG Schaarschmidt, HS - D 53 HS Düsseldorf (c) USchaarschmidt 27