Highspeed- Controller-Board

Transkript

1 erkennt man nichts Ungewöhnliches für ein 8051-Board. Es ist zwar ein EPROM vorhanden, für viele Anwendungen reicht aber der 16 Kilobyte große Flashspeicher auf dem Controller-Chip. Es spricht nichts dagegen, diesen Programmspeicher extern auf 64 KB aufzustocken, allerdings ist das Programmieren dann nicht mehr so einfach wie mit dem internen Flash-Speicher. Außerdem gibt es mit dem internen Speicher garantiert keine Timing-Probleme und das bei maximaler Geschwindigkeit. Zum Timing des externen Speichers später noch mehr. Wie schon erwähnt, ist der DS89C420 vollständig pinkompatibel zu anderen Mikrocontrollern aus der 8051-Reihe. Aufmerksame Leser werden aber schon festgestellt haben, dass die Oszillatorschaltung etwas abweicht, was mit der höheren Frequenz zusammenhängt. Während Quarze bis etwas 25 MHz so genannte Grundton-Quarze sind, verwendet man für höhere Frequen- Highspeed- Controller-Board Teil 2: Schaltung und Aufbau Von Luc Lemmens Der Mikrocontroller für dieses Board wurde schon im ersten Artikel in der Juni-Ausgabe beschrieben: Der DS89C420 von Dallas Semiconductor ist kompatibel mit anderen Controllern der 8051-Reihe, bietet aber eine viel höhere Arbeitsgeschwindigkeit und weitere Extras. Das hier vorgestellte Board bildet zusammen mit der kostenlosen Software von Dallas ein leistungsfähiges und bezahlbares Entwicklungssystem. Die 8051er-Controller-Famile ist so weit verbreitet, dass man zu Recht von einem Industriestandard sprechen kann. Das hat den nicht geringen Vorteil, dass es dafür am meisten Software, Tools und Literatur gibt und das schon seit vielen Jahren, was natürlich auch dazu beiträgt, dass vieles davon kostenlos im Internet zur Verfügung steht. Der ursprüngliche Controller wurde von verschiedenen Herstellern in zahlreichen Varianten mit zusätzlicher Peripherie und höherer Taktfrequenz weiter entwickelt, wobei der Prozessorkern aber beibehalten wurde. Dieser Prozessorkern teilt die Taktfrequenz praktisch durch 12, ein Maschinenzyklus benötigt daher zwölf Taktzyklen. Im Gegensatz dazu hat Dallas auch die Struktur des Prozessorkerns verändert mit dem Ergebnis, dass ein Maschinenzyklus beim DS89C420 nur einen Taktzyklus beansprucht, wodurch der Controller bei gleicher Taktfrequenz um den Faktor 12 schneller ist als seine Vorgänger. Wie im ersten Artikel beschrieben wurde, hat der neue Controller noch mehr Extras zu bieten, ist aber trotzdem noch in älteren Anwendungen einzusetzen. Ein 8051 oder 8032 kann ohne weiteres durch einen DS89C420 ersetzt werden. Das IC ist pinkompatibel, und auch ältere Software wird von einigen Timingaspekten abgesehen mit dem neuen Controller funktionieren. Ein Flash-Programmspeicher auf dem Chip ist eine große Hilfe und Erleichterung für das Entwickeln und Testen neuer Applikationen. Der Programmspeicher kann sehr schnell und fast unbegrenzt neu programmiert werden. Durch das in einem speziellen Speicherbereich auf dem Chip befindliche Monitorprogramm kann ein neues Programm sehr einfach über die serielle Schnittstelle vom PC in den Controller geladen werden. Dafür benötigt man auf dem Board natürlich auch die entsprechende Hardware, die jetzt vorgestellt werden soll. Hardware In Bild 1 ist das Schaltbild des Entwicklungsboards mit dem DS89C420 zu sehen. Auf den ersten Blick 64 Elektor 9/2002

2 die gewünschte Frequenz dimensioniert wird. In Tabelle 1 sind die maximalen Werte für L1 bei üblichen Frequenzen angegeben. Der Adresslatch (IC4) und das RAM (IC5) sind Standard-Bestandteile jeder 8051-Applizen Quarze, die auf der 3. Oberwelle schwingen. Die Schaltung des Oszillators muss dann ein Schwingen auf der richtigen Frequenz sicherstellen und verhindern, dass der Quarz wie in einer Grundtonschaltung statt zum Beispiel auf 33 MHz auf 11 MHz schwingt. Das ist der Grund für die zusätzliche LC-Kombination (L1 und C18), die für Bild 1. Der Schaltplan des DS89C420-Entwicklungsboards. 9/2002 Elektor 65

3 Tabelle 1. Maximalwerte für L1 bei verschiedenen Quarzfrequenzen Quarzfrequenz L1 (max.) 20 MHz 12 mh 25 MHz 8,2 mh 32 MHz 4,7 mh kation. Die wichtigsten Anschlüsse der Schaltung sind an den Stiftleisten K1 und K2 zugänglich, so dass zusätzliche Hardware relativ einfach anzuschließen ist. Als Betriebsspannung wird der Platine über K5 eine Spannung zwischen 9 und 15 V zugeführt. Wie üblich, erzeugt ein Spannungsregler (IC2) daraus geregelte +5 V zur Versorgung der Controllerschaltung. D1 dient als Verpolschutz, um bei einer Verpolung der an K5 angeschlossenen Betriebsspannung Beschädigungen zu vermeiden. Die Reset-Schaltung (C17, S1, R1 und R2) ist auch keine völlige Neuentwicklung. C17 und R2 sorgen dafür, dass der Mikrocontroller beim Einschalten der Betriebsspannung und bei Betätigung des Tasters S1 zuverlässig ein Reset-Signal erhält. R1 begrenzt den Strom durch C17 beim Drücken von S1, hat aber auf das Reset-Signal selbst kaum Einfluss. Beim seriellen Interface mit dem MAX232 (IC1) gibt es einen kleinen Unterschied zu der üblichen Beschaltung: Data Terminal Ready (DTR) der RS232-Schnittstelle wird verwendet, um über IC1 drei Tri-state-Puffer anzusteuern. Diese Puffer werden aktiviert, wenn DTR an K4 High ist. Pin 7 von IC1 ist dann Low, und die Signale RESET, EA (External Access) und PSEN (Program Storage Enable) des Mikrocontrollers werden dann in den hochohmigen Zustand gebracht. Dabei ist zu beachten, dass PSEN normalerweise ein Ausgangssignal des Controllers ist und dass es nicht zulässig ist, einem Ausgang von außen auf einen bestimmten Logikpegel (hier 0 V) zu ziehen. Diese Kombination von Logikpegeln an den drei Anschlüssen des Controllers ist für den DS89C420 aber das Signal für das Starten des internen Monitorprogramms, das es unter anderem ermöglicht, über die serielle Verbindung mit dem Controller zu kommunizieren und den Programmspeicher zu löschen, zu programmieren, zu lesen und zu verifizieren. Das Monitorprogramm steht in einem speziellen Speicherbereich im Mikrocontroller, der nur angesprochen wird, wenn der DS89C420 in diesen Monitor-Modus geschaltet wird. Der Monitor steht daher nicht im normalen internen Speicher, sondern eigentlich in einem speziellen Boot-ROM für den Mikrocontroller, das normalerweise unsichtbar ist und nur dann aktiv wird, wenn die drei Puffer IC6a...c aktiviert sind. Sobald die Ausgänge der Puffer wieder in den hochohmigen Zustand gehen, verhält sich der 89C420 wie ein normaler Mikrocontroller, der das Programm ausführt, das im Programmspeicher steht. Wenn der Jumper JP1 nicht gesetzt ( offen ) ist, wird der Monitor ausgeschaltet. Das kann erforderlich sein, wenn der Controller über ein normales Terminalprogramm (z.b. Hyperterminal von Windows) mit dem PC kommuniziert. Es kann nämlich passieren, dass derartige Programme das DTR- Signal auf High stehen lassen, wodurch der Controller im Monitor- Modus verbleibt. Der DS89C420 wäre dann nicht in der Lage, ein Anwendungsprogramm auszuführen. Aufbau Die doppelseitige, durchkontaktierte Platine in Bild 2 (EPS ) weist beim Bestücken keine Besonderheiten auf. Die ICs sollten mit Fassungen versehen werden. Für JP1 kann man anstelle eines Jumpers auch einen einpoligen Schalter einsetzen. Software Für die Kommunikation mit der Außenwelt hat der Mikrocontroller sein Monitorprogramm. Auf der PC- Seite wird ebenfalls etwas Software benötigt, um den DS89C420 programmieren und auslesen zu können. Auf dem FTP-Site von Dallas Semiconductor (ftp://ftp.dalsemi.com/pub/microcontroller/) sind dafür zwei kostenlose Programme zu finden: Mikrocontroller Toolkit (MTKbeta.ZIP) und Loader420 (loader420.zip). In Bild 3 sind diese beiden Anwendungen gemeinsam auf dem Bildschirm zu sehen, in der Praxis benötigt man aber nur eine der beiden. Obwohl die Funktionalität ähnlich ist, geben wir dem Loader420 den Vorzug, da er speziell für den DS89C420 geschrieben wurde. MTK eignet sich hingegen auch für andere Mikrocontroller von Dallas Semiconductor, hat dementsprechend mehr 66 Elektor 9/2002

4 Einstellmöglichkeiten und ist dadurch weniger übersichtlich. Außerdem bietet uns MTK einen schönen blauen Windows-Bildschirm, wenn das Scroll-Fenster zu voll wird. Das war bei dem Beispielprogramm der Fall, das im Folgenden noch besprochen wird. Dabei wird das externe RAM ausgelesen und von jedem Speicherplatz Adresse und Inhalt auf dem Bildschirm angezeigt: Das Fenster läuft voll und MTK wird mit einer Fehlermeldung von Windows beendet. Aus diesem Grund verwenden wir in den Beispielen nur den Loader420. Anschließen und Einschalten Das DS89C420-Board wird mit einer freien seriellen Schnittstelle des PCs über ein 9-poli- Stückliste Widerstände: R1 = 1 k R2 = 39 k R3,R4 = 10 k Kondensatoren: C1,C7...C9,C12,C13,C16 = 100 n C2...C6,C17 = 10 µ/25 V stehend C10 = 470 µ/25 V stehend C11 = 47 µ/16 V stehend C14,C15 = 27 p C18 = 220 p Induktivität: L1 = siehe Tabelle 1 Halbleiter: D1 = 1N4001 IC1 = MAX232CP IC2 = 7805 IC3 = DS89C420-MCL oder -MNL (DIP40, Dallas Semiconductor/Maxim) IC4 = 74HCT573 IC5 = (8 x 32 K, min. 100 ns) IC6 = 74HCT125 Außerdem: JP1 = Jumper K1 = 20-poliger SIL-Steckerleiste K2 = 34-polige Steckerleiste mit Schutzkragen K4 = 9-polige Sub-D-Buchse, gewinkelt, für Platinenmontage K5 = 2-polige Anschlussklemme, Rastermaß 5 mm S1 = Taster (Schließer) X1 = Quarz, 33 MHz Platine EPS (Layout-Download und Bestellung siehe Service-Seiten in der Heftmitte oder Bild 2. Die doppelseitige und durchkontaktierte Platine des Highspeed-Controller-Boards. 9/2002 Elektor 67

5 Bild 3. Beide PC-Programme auf dem Bildschirm. ges Sub-D-Verlängerungskabel (KEIN Nullmodem-Kabel!) verbunden. Die Stromversorgung übernimmt ein 12-V-Steckernetzteil. Dann startet man den Loader420. Das Programm wählt beim ersten Hochfahren automatisch COM1 als serielles Port. Diese Einstellung lässt sich im Menü Ports / Select Port Settings ändern, ebenso kann man in diesem Menü die Baudrate einstellen. Beim Beenden von Loader420 werden die Einstellungen gespeichert, so dass der nächste Start mit den zuletzt verwendeten Parametern erfolgt. Noch eine Anmerkung Bild 4. Das Programm Loader420 mit Befehls-Prompt (Eingabeaufforderung). hierzu: In der DS89C420-Dokumentation wird das Monitorprogramm des Mikrocontrollers meist als Serial Bootstrap Loader bezeichnet. Um Verwechslungen mit dem Loader420 (Programm auf dem PC) zu vermeiden, verwenden wir für das Monitorprogramm des Mikrocontrollers weiter die Bezeichnung Monitor. Die serielle Schnittstelle wird mit einem Klick auf den Knopf Open (logo!) geöffnet, was aber noch keine Kommunikation mit dem Mikrocontroller bedeutet. Das passiert erst nach Anklicken des Knopfes Loader: die DTR-Leitung der Schnittstelle geht auf High und die Puffer schalten den Controller in den Monitor- Modus. Der DS89C420 meldet sich dann mit einem Befehls-Prompt wie in Bild 4. Der Controller bestimmt die Baudrate der Kommunikation folgendermaßen: Das Monitorprogramm probiert eine Anzahl möglicher Baudrates aus, indem es den Reload-Wert von Timer1 im DS89C420 anpasst. Erscheint der Prompt nicht auf dem Bildschirm, ist keine Kommunikation mit dem Controller zustande gekommen. Fehlersuche ist angesagt: Platine (Lötstellen, Bestückung, Polarität der Elkos beim MAX232, IC1), Stromversorgung (Spannungen messen), Verbindungskabel und Portauswahl am PC. Wenn das alles in Ordnung ist und noch immer kein Prompt auf das Anklicken des Loader-Knopfes folgt, muss auf dem PC eine andere Baudrate eingestellt werden. Wer nicht rechnen möchte, muss so lange Werte probieren, bis der DS89C420 reagiert. Bevor eine neue Baudrate eingestellt werden kann, muss immer erst mit Close beendet, das Port anschließend wieder geöffnet (open) und Loader angeklickt werden, sonst bleiben die alten Einstellungen erhalten. Wer einen Taschenrechner zur Hand hat, geht von folgender Überlegung aus: Das Monitorprogramm kann (innerhalb bestimmter Grenzen) die Baudrate detektieren und den Mikrocontroller auf diesen Wert einstellen. Der Monitor verwendet das serielle Port 0 des Mikrocontrollers im Mode 1 (asynchron, ein Startbit, acht Datenbits, keine Parität, ein Stoppbit, Vollduplex), mit internem Timer1 im 8-bit-auto-reload-Mode, PCON.7 High. Eine schöne Aufzählung, die 68 Elektor 9/2002

6 auch die Signale RD, WR, ALE und PSEN verlängern, wodurch sich langsamerer externer Programm- und Datenspeicher doch noch verwenden lässt. Sind diese Bits einmal eingestellt, geht der Rest automatisch, der Programmierer muss sich nicht weiter damit befassen. Dazu gibt es eine eigene Application-note: AN26, Ultra High-Speed Microcontroller Memory Interface Timing (siehe appnotes.cfm?appnote_number=954). Bei den meisten modernen SRAMs mit Zugriffszeiten von 100 ns und weniger gibt es ohnehin kein Problem. Das Programm schreibt und liest in das externe RAM, was relativ einfach mit dem Befehl MOVX zu erledigen ist. Es ist vor allem die serielle Kommunikation zwischen dem DS89C420 und dem PC-Programm Loader420, die aus der einfachen Applikation ein umfangreicheres Programm werden lässt. Es besteht im Wesentlichen aus zwei größeren Teilen: Dem Einstellen des seriellen Ports des DS89C420, um die Kommunikation mit dem PC zu ermöglichen. Dem Übersetzen der Adressen und Daten ins ASCII-Format, so dass diese leserlich auf dem Bildschirm erscheinen. Beide Programmteile stammen aus dem Monitor-Programm, dass von Prof. Dr.-Ing. Martin Oßmann für den ersten 8031/51- Assemblerkurs in Elektor geschrieben wurde. Die Routinen für den zweiten Teil des Proletztendlich bedeutet, dass Baudrate, Quarzfrequenz und Reload-Wert wie folgt zusammenhängen: Serial_Loader_Baudrate = Quarzfrequenz 192 (256 - Timer Reload) (Timer-reload-Werte, die vom Loader ausprobiert werden: FF, FE, FD, FC, FB, FA, F8, F6, F5, F4, F3, F0, EC, EA, E8, E6, E0, DD, D8, D4, D0, CC, C0, BA, B0, A8, A0, 98, 80, 60, 40) Das Monitorprogramm probiert die angegebenen Werte als Reload von Timer1 aus und kontrolliert, ob mit diesen Werten einwandfreie Kommunikation zustande kommt. Auf geht s! Sobald der Befehls-Prompt des DS89C420 auf dem PC-Bildschirm zu sehen ist, können wir endlich loslegen. Das Monitorprogramm erkennt Befehle, die nach dem Prompt eingegeben werden (siehe hierzu Kapitel Command Line Interface, ab S. 183 im DS89C420 User s Manual). Im Windows-Programm Loader420 sind diese Befehle aber alle mit Knöpfen und Menüs zugänglich, was natürlich einfacher ist als Eintippen. Loader420 hat verschiedene Funktionen, um Speicherbereiche, Register und Einstellungen des DS89C420 analysieren und ändern zu können. Die wichtigste Funktion ist aber das Programmieren des internen Flash-Speichers, da wir mit dieser Funktion eigene Programme einfach in den Controller laden können. Das Programm erwartet als Dateiformat das bekannte Intel-HEX- Format, das mit (fast) jedem Assembler oder Compiler erzeugt werden kann. Wenn sich schon ein Programm im Flash-Speicher des DS89C420 befindet, muss dieses erst mit dem Knopf Erase gelöscht werden, bevor ein neues Programm geladen werden kann. Ein Klick auf den Knopf Load öffnet ein Dialogfenster, in dem die gewünschte Hex-Datei ausgewählt wird. Loader420 programmiert diese Datei in den Controller, worauf es mit Klick auf Run gestartet werden kann. Die DTR-Leitung der seriellen Bild 5. Das Beispielprogramm wurde in den Flash-Speicher geladen. Schnittstelle wird dadurch Low, der Mikrocontroller verlässt den Monitor- Mode und startet das Programm im Flash-Speicher ab Adresse 0H (dem Reset-Vektor). Einfaches Beispielprogramm Das Board selbst hat weder LEDs noch sonstige Anzeigen zur Funktionskontrolle. Einen einfachen Funktionstest bietet das erste Beispielprogramm, das in das externe RAM schreibt, die zuletzt beschriebene Speicherstelle zurückliest und Adresse und Inhalt auf dem Bildschirm anzeigt. Dieses kleine Programm (Listing 1) führt also einen einfachen RAM-Test durch und lässt so sofort erkennen, ob die Kommunikation zwischen Prozessor und externem RAM einwandfrei funktioniert. Wie schon im ersten Artikel erwähnt wurde, ist der DS89C420 so schnell, dass beim Lesen und Schreiben von externem Speicher Timingprobleme auftreten können. Der Controller verfügt aber über die Möglichkeit, externe Peripherie mit verringerter Geschwindigkeit anzusprechen: 3 Bits im Register CKCON können einen Speicherzyklus und damit 9/2002 Elektor 69

7 Listing 1. Einfacher RAM-test. ; ****** FILE RAMTEST.A51 **************************************** ; Register addresses DPL EQU 082H ; DPTR, 2 registers DPH EQU 083H ; PSW EQU 0D0H ; program status word ACC EQU 0E0H ; accumulator PCON EQU 087H TCON EQU 088H TMOD EQU 089H TL1 EQU 08BH ; Timer1 registers TH1 EQU 08DH SCON EQU 098H SBUF EQU 099H DPS EQU 086H ; Data Pointer Select, SFR in DS89C420 ; reload for Timer1, baudrate generator V24SPD EQU ; speed for V24 ; ORG 00H ; program runs from 00H (reset vector) AJMP START ORG 030H CNT1 DS 1 ORG 200H START MOV PSW,#0 ; reset register banks MOV PCON,#080H ; SMOD=1 MOV TMOD,#22H ; modes are timer MOV TH1,#V24SPD ; preload value MOV TL1,#V24SPD SETB TCON.6 ; start counter MOV SCON,#052H ; mode 1, Enable receiver=10h MOV A,#0 MOV DPH,A MOV DPL,A ;The Data Pointer Select bits are set to use both DPTR s ;bit 5: toggle select, auto toggle between DPTR s after MOVX ;bit 4: AID, auto increment DPTR after MOVX ;bit 0: SEL is set to select DPTR1, DPTR0 is already initialised MOV A,DPS ORL A,# B MOV DPS,A ;now initialise DPTR1 MOV A, #0 MOV DPH,A MOV DPL,A LOOP MOV A,DPH ;#0AAH ; Write using DPTR1 MOV A,DPH ACALL BYTE MOV A,DPL ACALL BYTE MOV A,# : ACALL SND MOVX A,@DPTR ; Read using DPTR0 ACALL BYTE gramms sind im Listing ab dem Label BYTE zu finden. Einstellung der seriellen Schnittstelle Obwohl der DS89C420 bei gleicher Taktfrequenz um den Faktor 12 schneller ist als seine Vorgänger, werden die internen Timer nicht schneller getaktet (bei Standardeinstellung nach Reset). Dadurch ist sichergestellt, dass der neue Controller bei zeitkritischen Einstellungen wie etwa bei der seriellen Schnittstelle kompatibel mit älteren Controllern bleibt. Mit den Einstellungen ab dem Label START wird das Verhältnis zwischen Quarzfrequenz, Baudrate und Reload-Wert des Timers festgelegt: Baudrate = Quarzfrequenz / ((12 16) (256-reload)) Bei einer Quarzfrequenz von 27 MHz für den DS89C420-Takt und einer Baudrate von (eingestellt im Loader420) bedeutet das einen Reload-Wert von 5, der in Listing 1 bei der Definition von V24SPD zu finden ist. Bei einer anderen Quarzfrequenz oder einer anderen Baudrate im Loader420 muss diese Zeile angepasst werden. Zweiter Datapointer Auch wenn es bei diesem einfachen Beispielprogramm übertrieben erscheint, wird dennoch vom zusätzlichen 16-bit-Datenzeiger des DS89C420 Gebrauch gemacht. Pointer DPTR0, den auch jeder 8051er hat, wird für die Adresse verwendet, die ausgelesen wird, während der zusätzliche Pointer DPTR1 die Adresse enthält, in die geschrieben wird. Außerdem erhält der aktive Datenzeiger automatisch ein Inkrement nach dem MOVX-Befehl, wobei dieser verwendet wird (Bit AID des SFR Data Pointer Select), anschließend wird automatisch auf den anderen Datenzeiger umgeschaltet (bit Toggle Select). Das hohe Byte von DPTR1 wird immer in das externe RAM geschrieben. Nachdem Adresse 7FFF beschrieben und gelesen wurde, sind alle Adressen in IC5 durchlaufen worden. Das Programm landet in der Endlosschleife FOREVER. 70 Elektor 9/2002

8 Zum Schluss Der DS89C420 ist dank seiner hohen Geschwindigkeit, der einfachen Flash-Programmierung und der Kompatibilität mit älteren Vertretern der MCS51-Familie ein sehr interessanter, leistungsfähiger Mikrocontroller. Das hier vorgestellte Board ist sehr gut für das Entwickeln und Testen von neuen Applikationen mit diesem Controller geeignet. Nicht alle der zahlreichen Extras des neuen Controllers konnten in den beiden Artikeln ausführlich behandelt werden. Wer sich intensiver mit den neuen Möglichkeiten beschäftigen möchte, der findet auf der Webseite von Maxim/Dallas Semiconductor das Datenblatt, das Benutzerhandbuch und Application-notes als Vertiefungsstoff. ( e) Literatur: DS89C420 Datasheet: DS89C420.pdf DS89C420 User s Manual: Design/89c420_userguide.pdf ACALL CRLF MOV A, DPH CJNE A,#80H,LOOP FOREVER SJMP FOREVER BYTE PUSH ACC ; send BYTE hexadecimal, destroy ACC only SWAP A LCALL NIBBLE POP ACC NIBBLE ANL A,#0FH ADD A,#246 JC HEXOUT ADD A,#58 SJMP SND HEXOUT ADD A,#65 SJMP SND ; CRLF MOV A,#13 ; send a CRLF LCALL SND MOV A,#10 LCALL SND RET ; SND JNB SCON.1,SND ; must not destroy any reg CLR SCON.1 MOV SBUF,A CJNE A,#10,OK2 WAITCR MOV CNT1,#100 ; wait for slow scrolling terminals LOP1 MOV A,#255 LOP2 DJNZ ACC,LOP2 DJNZ CNT1,LOP1 MOV A,#10 OK2 RET END 9/2002 Elektor 71