Prinzipien und Komponenten eingebetteter Systeme

Transkript

1 1 Prinzipen und Komponenten Eingebetteter Systeme (PKES) (3) Mikrocontroller II Sebastian Zug Arbeitsgruppe: Embedded Smart Systems

2 2 Veranstaltungslandkarte Fehlertoleranz, Softwareentwicklung Mikrocontroller Architekturen Sensoren Scheduling Arithmetik Anwendungen Aktoren Kommunikation Energieversorgung

3 3 Literaturhinweise M. Mitescu I. Susnea Microcontrollers in Practice Springer, 2012 H. Bähring Anwendungsorientierte Mikroprozessoren Mikrocontroller und Digitale Signalprozessoren Springer, 2010 Atmel Corporation ATmega640/1280/1281/2560/ Datasheet

4 4 Fragen an die Veranstaltung Welche Speichertypen werden bei Mikrocontrollern eingesetzt? Welcher Idee steht hinter dem Memory-Mapped-IO? Warum haben unterschiedliche Komponenten des Mikrocontrollers verschiedene Taktraten? Welche Aufgabe haben die Pull-Up-Widerstände für Pins? Welche Grundbestandteile hat ein disassembliertes AVR Mikrocontrollerprogramm? Welche Herausforderung liegt in der Erfassung analoger Signale? Welche Fehler können dabei auftreten? Wodurch unterscheiden sich die ADC-Wandler? Beschreiben Sie den Aufbau eines Flash-Wandlers! Warum ist, bei der sequentiellen Wandlung, ein DAC Voraussetzung für einen ADC? Beschreiben Sie die Aufgabe der Sample-and-Hold Komponenten! Wonach richtet sich die Taktrate, mit der ein analoger Wert erfasst werden sollte?

5 5 Wie weiter? obligatorisch Takt generator fakultativ Interrupts Speicher Mikrocontroller Timer Energieversorgung Resetsystem Digitale I/O Analoge I/O

6 6 Digitale IO Schnittstelle zur Umgebung D 7 D 6 D 5 D 4 D 3 D 2 D 1 D 0 PD 7 PD 6 PD 5 PD 4 PD 3 PD 2 PD 1 PD 0 Decoder A15 A14 A13 CS A2 A1 A0 RS1 RS0 00=Schreiben PORTx 01=Lesen PINx 10=Schreiben DDRx Dekoder DDR 1=Ausgang 0=Eingang IHIN Input Handshake

7 7 Beschaltung digitaler Schnittstellen Taster bei Benutzung des interen Pullup Eingang Ausgang Standard Taster Anschluss

8 8 Zeitverhalten digitaler Input-Pins Das Latch entkoppelt die Eingangsspannung und deren Erfassung, bewirkt aber eine Verzögerung Hz (x Prescaler) -> t = Mikrosekunden (x Prescaler) Worst Case 1.5 x t (x Prescaler) Best Case 0.5 x t (x Prescaler)

9 9 Resetsystem Implementierung beim AVR Quellen für Reset: 1. Power-on Reset 2. External Reset 3. Watchdog Reset 4. Brown-out Reset 5. JTAG AVR Reset SUT = Start Up Time

10 10 Was passiert beim Reset? Einschwingen des Oszilatoren Initialisieren des Speichers Konfiguration der Schlafmodi, Clocks entsprechend den FUSE-Bits Prozessorstart an der Adresse An dieser Adresse MUSS ein Sprungbefehl an die Adresse des Hauptprogrammes stehen (RJMP, JMP) Initialisieren des Stacks Beginn der Programmabarbeitung

11 11 Und nun? Unser Mikrocontroller ist mit Strom versorgt, hat einen Taktgeber, ein Resetsystem, einen Programm- und einen Arbeitsspeicher... Wartet drauf programmiert zu warden!

12 12 Und nun? #include <avr/io.h> int main( void ) { // Led - output DDRB = (1<<DDB7); // switch on led PORTB = (1<<7); // Endlosschleife while(1); return 0; }

13 13 Programmaufbau Intel Hex Format Byte Count Adresse Type (00-Data, 01-EOF, 02- ) Daten (hier 16 Byte) Checksumme : C C947E000C947E000C947E0084 : C947E000C947E000C947E000C947E0068 : C947E000C947E000C947E000C947E0058 :1000A0000C947E000C947E000C947E000C947E00D8 :1000B0000C947E000C947E000C947E000C947E00C8 :1000C0000C947E000C947E000C947E000C947E00B8 :1000D0000C947E000C947E000C947E000C947E00A8 :1000E0000C947E FBECFEFD1E2DEBFCDBF46 :1000F00000E00CBF0E C C :0A A2F98FFCFF894FFCF 45 : FF

14 14 Was steht im Speicher? C C947E000C947E000C947E0084 0x0000: 0C 0x0001: 94 0x0002: 72 0x0003: 00 0x0004: 0C 0x0005: 94 0x0006: 7E 0x0007: c = Read the Opcode (Little Endian) k rot Word Address Byte Address = > xWord Address = = 0xe4

15 15 Beispiel < vectors>: 0: 0c jmp 0xe4 ; 0xe4 < ctors_end> e0: 0c 94 7e 00 jmp 0xfc Interrupt-Vektor-Tabelle ; 0xfc < bad_interrupt> e4 < ctors_end>: e4: eor r1, r1 e6: 1f be out 0x3f, r1 ; 63 e8: cf ef ldi r28, 0xFF ; 255 ea: d1 e2 ldi r29, 0x21 ; 33 ec: de bf out 0x3e, r29 ; 62 ee: cd bf out 0x3d, r28 ; 61 f0: 00 e0 ldi r16, 0x00 ; 0 f2: 0c bf out 0x3c, r16 ; 60 f4: 0e call 0x100 ; 0x100 <main> f8: 0c jmp 0x106 ; 0x106 <_exit> SREG = 0 Stackpointer am Ende des Speichers 0x21FF=8703Byte Sprung zum Programm fc < bad_interrupt>: fc: 0c jmp 0 ; 0x0 < vectors>

16 16 Beispiel - Fortsetzung cbi clear bit in register sbi set bit in register <main>: // Led output DDRB = (1<<DDA7); 100: 27 9a sbi 0x04, 7 ; 4 // switch on led PORTB = (1<<7); 102: 2f 98 sbi 0x05, 7 ; 5 // Endlosschleife while (1); 104: ff cf rjmp.-2 ; 0x104 <main+0x4> <_exit>: 106: f8 94 cli < stop_program>: 108: ff cf rjmp.-2 ; 0x108 < stop_program> Obligatorische Endlosschleife

17 17 Speicher - Registertabelle

18 18 Analoge Schnittstelle Wert (v) wertbezogene Diskretisierung Zeit (t) zeitliche Diskretisierung

19 19 Wandlungskette im Mikrocontroller Analog Digital Sensor Analog Multiplexer Verstärker (Sample and Hold) Sensor.. A/D-Wandler E/A- Kontrolle CPU Sensor

20 20 Parallele Wandlung - Flash Wandler Vorteil Hohe Geschwindigkeit V in V ref R Komparatoren 2 n zu n Dekoder Nachteil Energieverbrauch größer Hardwareaufwand für höhere Auflösungen R R Latch R cntrl. R

21 21 Prinzip eines sequentiellen Analog/Digital-Wandlers Clock

22 22 Voraussetzung: DA Wandler D Q d 0 Schalter C Digitale Eingabe D C Q d 1 V 0 V 1 Schalter Analog Addierer V Analoger Ausgang D Q d n-1 Schalter Latch Clock C V n-1 V= d n-1 V n-1 + d n-2 V n d 1 V 1 + d 0 V 0

23 23 Varianten sequentieller Wandler Zählverfahren Vorteil sehr hohe Auflösungen möglich schaltung einfach umsetzbar kritisches Element DAC/Komperator Nachteil Analog Variierende Wandlungsdauer IN langsam Latch n-bit- DAC Spannungs- Komparator - + S Q R Q n-bit Digitalwert Takt n-bit- Zähler Reset Clock Start

24 24 Varianten sequentieller Wandler sukzessive Approximation/Wägeverfahren Nachteil Spannungsbereich Vorteil Gleiche Wandlungsdauer Eingangsspannung Wandlungsschritte

25 25 Transferfunktion eines idealen 3-Bit ADC Binärcode Q d analoger ADC 2 d 1 Eingang d ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,54,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 Spannung (V)

26 26 Fehlertypen Quantisierungsfehler sind bedingt durch die Auflösung des Wandlers Offsetfehler ergeben sich aus einer Abweichung der Referenzspannung und führen zu einem konstanten Fehler. Verstärkungsfehler im Analog-Digitalwandler wirken einen wertabhängigen Fehler. Der Linearitätsfehler ist die Abweichung von der Geraden. Linearitätsfehler lassen sich nicht abgleichen. Missing Codes kommen als Kombination nie vor, weil zum Beispiel ein Flashwandler wegen einer Temperaturabhängigkeit vor dem anderen schaltet.

27 27 Fehler bei der Wandlung Binärcode Offset- und Verstärkungsfehler Verst. Fehler resultierender Gesamtfehler Offset Fehler 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,54,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 Spannung (V)

28 28 Parameter eines Analog-Digitalwandlers Auflösung Messdauer Leistungsaufnahme, Schwankungen bei der Versorgungsspannung (interne Referenz vorhanden) Unipolare/Bipolare Messungen, Zahl der Eingänge Ausgangsinterface Rauschverhalten

29 29 Wie schnell soll ich messen? Anforderungen: AD-Conv./sek Conv.-Zeit [ms] Temperaturmessung im Heizkessel Abstandsmessung bei mobilem Roboter Audio in CD Qualität Webcam (1024 x 768x30) ,01 Erkenntnis: Maßgeblich ist die Dynamik des beobachteten Systems

30 30 Sample & Hold Sample V IN V OUT V OUT Hold V IN V OUT t s : Sample t s t a t s : Hold t a t

31 31 Wie häufig sollte ich denn messen? Wenn ein kontinuierliches Signal, das keine Frequenzkomponenten hat, die über einer Frequenz f c liegen mit einer Häufigkeit von 2f c abgetatstet wird, kann das Originalsignal aus den gewonnenen Punkten unverzerrt rekonstruiert werden. Diese minimale Abtastrate wird als Nyquist Rate bezeichnet

32 32 Analog-Digital-Wandlers auf AtMega Bit Auflösung bis zu 15 KSps 16 Kanäle Eingangsverstärker Störungensreduzierung mittles Schlafmodus

33 33 Zeitverhalten Eine Wandlung dauer 13 Taktzyklen der ADC-Clock. Die Sample-and-Hold Schaltung fixiert die anliegende Spannung nach 1.5 Takten. Zu diesem Zeitpunkt werden Änderungen an den Konfigurationsregistern übernommen.

34 34 Zusammenfassung ADC Analoge Werte, die kontinuierlich in der Zeit- und Wertdomäne sind, werden in zeit- und wertdiskrete Repräsentationen gewandelt. Dadurch entstehen entsprechende Wandlungsfehler. Eine Wandlung erfolgt durch Vergleich des analogen Wertes mit einem bekannten Referenzwert. Der digitale Referenzwert wird häufig durch ein binäres Suchverfahren erzeugt (successive approximation) und durch einen Digital-Analog-Wandler entsprechend umgesetzt. Gesteuert wird die Wandlung durch Kontrollregister, in denen die entsprechende Konfiguration, der Anstoß zur Wandlung und die Fertigstellung reflektiert werden.

35 35 Bis zur nächsten Woche