13оппс5-сфа

11

5.2.2. Расширение функциональных возможностей МК

Структурное решение БМК может быть централизованным (см. рис. 5.5а), в котором все каналы ввода-вывода радиально подключаются непосредственно к МК или с децентрализованным подключением структурных составляющих, реализующих функции ввода-вывода сигналов, с использованием шины приборного канала передачи данных (см. рис. 5.5б).

Дискретные			Дискретные каналы
каналы
			Аналоговые каналы
Аналоговые	МК*	Шина приборного канала передачи данных
каналы
Канал
передачи		Каналы	Каналы	Структурные
		ввода-	передачи
данных				составляющие
		вывода	данных
				прибора по
				рис.5.1.1.

МК

Шина внешнего канала передачи данных

а)

б)

Рис.5.5. Варианты организации внешних связей МК

5.2.2.1. Централизованный вариант по рис.5.5а в составе БМК может быть реализован на основе одного МК, в соответствии с п.5.2.1, или на основе нескольких МК, работающих во взаимодействии, но один из которых определяется как «управляющий» .

Взаимодействие различных МК в составе БМК может осуществляться по по шине передачи данных приборного интерфейса в соответствии с рисунком, на котором МК0 - управляющий МК:

МК0		МК1	,,,	МКn

Шина приборного канала передачи данных (приборный интерфейс)

Организация одного из решений «приборного интерфейса» будет рассмотрена далее.

Если МК0 определить как ядро БМК, то БМК с несколькими МК можно определить как многоядерный, по аналогии с современным различием гаджитов. Понятно, что создании БМК «многоядерного» исполнения проектировщик получает возможность из множества МК с различными техническими характеристиками по п.5.2.1.1 создать «свой» МК* с такими техническими характеристиками, которые являются уникальными и по этой причине не производятся фирмами, изготавливающими микросхемы микроконтроллеров.

МК, объединенные шиной в МК* с эксклюзивными техническими характеристиками, могут быть как однотипными ( т.е. с одинаковыми техническими характеристиками по п. 5.2.1.1), так и разнотипными: в одних могут быть более

12

развитыми вычислительные функции и функции хранения информации, а в других − функции ввода-вывода сигналов и передачи данных.

Многоядерный подход к проектированию БМК позволяет не только «привести его функциональные возможности в соответствие» с индивидуальными потребностями проектируемого прибора, но также позволяет:

существенно повысить производительность прибора путем «распараллеливания» функций обработки сигналов между различными МК;

существенно облегчить разработку программного обеспечения прибора благодаря распределению программных задач разного функционального назначения.

Указанные преимущества многоядерного БМК будут тем активнее использоваться при проектировании приборов, чем дешевле будут микропроцессоры,

ичем меньше будут их геометрические размеры и энергопотребление.

5.2.2.2. По рис.5.5б показан МК, в котором есть внешние каналы (дискретные и аналоговые) для непосредственного ввода и вывода сигналов по аналогии с МК по рис.5.5а, и дополнительно есть шина приборного канала передачи данных. И к этой шине могут быть подключены периферийные устройства, расширяющие функциональные возможности одноядерного МК. Это могут быть устройства ввода-вывода аналоговых или дискретных сигналов, устройства бит-последовательной передачи данных, устройства памяти, устройства индикации и т.д. К этой же шине могут непосредственно подключаться и СС прибора по рис. 5.1.

Если структура проектируемого БМК соответствует рис. 5.5б, то выбор МК может выполняться на основе требований к быстродействию (тактовая частота) и вычислительным возможностям (количество шин) микропроцессора, а также из минимальных требований к количеству и составу каналов ввода-вы- вода. А решение об увеличении количества каналов ввода-вывода МК и о перспективе развития функциональных возможностей ПМ может приниматься с ориентацией на использование возможностей децентрализации.

Преимущества реализации БМК по рис. 5.5б состоят в следующем:

при выборе МК в большей мере можно руководствоваться его характеристиками как процессора и в меньшей – количеством каналов ввода-вывода;

состав и количество каналов ввода-вывода определяется выбором структурных составляющих, которые подключаются к шине последовательной передачи сигналов с использованием минимального количества соединительных проводов: два − для электропитания и два (или 4) − информационных;

количество структурных составляющих в создаваемом ПМ всегда можно добавить, убавить или изменить;

«точки» ввода-вывода сигналов могут быть удалены от МК и это может быть реализовано достаточно просто, т.к. количество линий связи с МК минимально;

структурные составляющие, через которые осуществляется ввод-вывод в МК различной информации, осуществляют предварительную обработку сигналов и, следовательно, разгружают МК от решения этой задачи.

13

5.3. Приборный интерфейс с синхронной передачей сигналов.

Принцип синхронной передачи сигналов поясняется рисунком:

Сигнал

информационный

Тактовый, синхронизация

1	1	0	1	0	1	0	0	1	1	1

На рисунке показаны две шины: по верхней передается информационный сигнал, а по нижней − тактовый сигнал. Смысл «синхронности» состоит в том, что уровень дискретного сигнала в информационной шине (значения − 0 или 1) определяется только в момент появления импульса на шина тактовой синхро-

низации.

В ПМ чаще всего используются приборные интерфейсы: SPI или I2С.

SPI – это стандарт последовательной синхронной передачи данных в режиме полного дуплекса (т.е.возможности одновременной передачи сигналов в обоих направлениях).

I2С– это стандарт последовательной синхронной передачи данных в полудуплексном режиме, т.е в таком режиме, в котором в определенный момент времени сигнал по шине может передаваться только в одном из направлений.

Вданном курсе лекций рассмотрим интерфейса I2С, который был разра-

ботан для осуществления эффективного междумикросхемного (IC– интегральная микросхема) взаимодействия. Отсюда и название: InterIC, IIC, I2C или окончательно – I2C, которое мы здесьбудем использовать.

Дешевизна, простота и эффективность технического решения интерфейса позволили I2C стать промышленным стандартом, универсальным средством построения взаимодействия микроконтроллерных средств.

Внастоящее время только фирма Philips производит более 150 наименований I2C-совместимых устройств (микросхем) различного назначения, предназначенных для работы в приборах. Аналогичные устройства выпускаются и другими фирмами. Это обстоятельство определяет перспективу широкого и эффективного использования шины I2C при проектировании приборов.

5.3.1. Особенности интерфейса I2C.

1) Схемная реализация шины I2C представлена на рис.5.6.

СС-I2C	СС-I2C	СС-I2C

ОП

Рис.5.6. Схема интерфейса I2C

14

I2C ─ это трехпроводная шина: информационные сигналы передаются по линии SDA, сигналы синхронизации передаются по линии SCL, а ОП ─ это общий провод.

Резисторы Rp сопротивлением в диапазоне от 1,8кОм до 47кОм предназначены для питания линий SCL и SDA (т.е. ─ для задания на линиях определенного потенциала).

К линиям SCL и SDA относительно ОП подключаются структурные составляющие ПМ (СС-I2C), отвечающие требованиям интерфейса I2C.

2)Магистральное подключение СС-I2C к шине I2C имеет конструктивные

итехнологические достоинства.

С конструкторской позиции применение СС-I2C позволяет при проектировании ПМ:

удешевить и ускорить процесс разработки ПМ от функциональной схемы до опытного образца. Поскольку СС-I2C подключаются непосредственно к шине, то в макете или в опытном образце прибора некоторые СС-I2C могут быть изменены, добавлены или убраны без влияния на другие СС-I2C;

упростить разработку прибора благодаря тому, что в СС-I2C адресация и протокол передачи данных позволяют прибору быть полностью программно определяемым;

сократить время разработки программного обеспечения благодаря использованию библиотеки повторно используемых программных модулей.

Спозиции технологичности создания ПМ достоинства использования I2C состоят в следующем:

шина реализуется минимальным количеством линий связи (4): SCL, SDA, электропитания, общий провод;

обработка интерфейсных сигналов реализуется в микросхеме, поддерживающей интерфейс I2C, и устраняет необходимость в дешифраторах адреса

идругих микросхемах низкого уровня интеграции;

I2C-совместимые микросхемы выпускаются в корпусах любого типа, что позволяет подобрать микросхему в нужном корпусе для установки на печатной плате, изготавливаемой по выбранной технологии.

5.3.2. Принцип работы шины I2C

СС-I2C, подключенные к шине, различаются как «ведущая-ведомая». Ведущая (master) − это СС-I2C, которая управляет работой шины: «захва-

тывает» шину; владеет шиной, формируя синхронизирующие сигналы; осуществляет передачу сигналов в шине.

Ведомая (slave) –это СС-I2C, которая принимает сигналы ведущего и формирует ответные сигналы по сигналам синхронизации.

Принцип «ведущий-ведомый» означает, что в каждый момент времени на шине может быть только один master. Остальные СС-I2C − slaves.

Особенностью интерфейса I2C является то, что каждая СС-I2C может стать ведущей. Для этого инициативная СС-I2C должна «захватить» управление шиной. Если в одно и то же время управление шиной потребуется двум или более СС-I2C, то возникнет состязание за «захват» шины.

15

1) Захват шины СС-I2C осуществляет посредством формирования сигна-

лов start и stop.

Рис. 5.8. Состояния start и stop

В исходном состоянии в линиях SDA и SCL устанавливается высокий уровень напряжения. При этом все СС-I2C находятся в состоянии контроля уровня напряжения в линии SDA.

Процедура «захвата» шины начинается с того, что инициативная СС-I2C активизируется и формирует состояние start изменением в линии SDA уровня напряжения: исходным был высокий уровень напряжение и он изменился − стал низким уровнем. При этом уровень напряжения в линии SCL остается неизменным − высоким. Такое состояние характеризуется на рис. 5.8 как start condition.

Изменение состояние напряжения в линии SDA воспринимается всеми остальными СС-I2C как признак того, что в шине уже есть ведущее устройство, что активность по захвату шины запрещается до окончания процедуры передачи сигнала ( до stop condition) и что передача сигналов между ведущим и ведомым устройствами разрешается.

Процедура «отказа от захваченной шины» (или «процедура освобожде-

ния шины») осуществляется в следующем порядке: ведущая СС-I2C формирует состояние stop, изменяя уровень напряжения в линии SDA с «низкого» на «высокий» при «высоком» уровне напряжения в линии SCL (см. рис.5.8, stop condition ).

Таким образом, состояния start и stop всегда вырабатывает ведущая ССI2C: фиксация состояния start определяет «захват» шины, а фиксации состояния stop определяет «освобождение» шины.

2)В захваченной шине передача сигналов осуществляется в соответствии

срис. 5.9: по линии SCL передаются синхроимпульсы, а по линии SDA передаются информационные сигналы.

Рис. 5.9. Временная диаграмма протокола передачи данных

Ведущее устройство формирует сигналы синхронизации в линию SCL, Синхронизирующие сигналы в линии SCL всегда идут в одном направле-

нии: от ведущего устройства к ведомому.

16

Скорость передачи сигналов в I2C определяется скоростью передачи сигнала синхронизации в линии SCL: в стандартном режиме передача сигналов синхронизации осуществляется со скоростью до 100 кбит/с, в "быстром" режиме ─ со скоростью до 400 кбит/с. Существует возможность передачи сигнала синхронизации со скоростью до 3.4MГц.

Информационные сигналы в линии SDA могут передаваться в двух направлениях, но в каждое из направлений сигналы передаются в разное время. Напомним, что такой режим передачи сигналов по одной линии, но попеременно в разные направления, определяется как полудуплексный.

3) Формат передачи данных стандартом I2C определен как 8-ми битный байт плюс один бит – служебный, предназначенный для подтверждения приема байта.

SDA	7b	6b	5b	4b	3b	2b	1b	0b	ask

SCL	1	2	3	4	5	6	7	8	9
			Рис. 5.10. Структура байта

Стандартом I2C предусмотрена передача информации последовательностями байт из 8 бит. При этом в линию связи сначала посылается старший байт, а за ним младший. В байтах биты передаются в линию SDA, начиная с MSB (Most Significant Bit)− Наибольшего Значащего Бита.

4) Структура сигналов в линии SDA при выполнении операций «запись данных» и «чтение данных» представлена на рис.5.10.

а) запись

б) чтение

Рис. 5.10. Структура сигнала

При выполнении этих операций в первом байте сообщения передается информация о СС-I2C (идентификатор изделия) и о характере выполняемой операции:

старшие биты 7b, 6b, 5b, 4b определяют тип устройства (например, − микросхема флэш-памяти);

следующие три бита 3b, 2b, 1b определяют номер устройства данного типа (например, − по номеру могут различать микросхемы по объему памяти);

17

битом 0b определяется характер операции (R/W): 0b = 0 − запись информации в ведомое СС-I2C (W), 0b = 1 − чтение информации из ведомого ССI2C(R).

Например, если СС-I2C выпускается с прошивкой: 1100 000 (C0h), то адресация с операцией записи данных в эту СС-I2C должна осуществляться байтом C0h, а операция чтения должна осуществляться байтом C1h.

После приема 8-ми бит ведомое устройство должно сформировать в линию SDA бит подтверждения − ASK (ответный бит).

Ведущее устройство, передающее информацию, должно контролировать уровень напряжения в линии SDA на 9-том синхроимпульсе в линии SCL:

сигнал ASK =1 передается низким уровнем напряжения и подтверждает прием байта;

сигнал ASK=0 передается высоким уровнем напряжения и информирует о том, что байт не принят (например, − принятый идентификатор не соответствует записанному в ведомом устройстве).

При выполнении команды «запись информации» вторым байтом передается адрес, начиная с которого в ведомом устройстве должна быть записана переданная информация.

Далее передается та информация, которая должна быть записана в ведомом устройстве. Передача этой информации осуществляется байтами пока ведущее устройство «удерживает» шину, т.е. до состояния «stop condition». Прием каждого байта подтверждается формированием сигнала ASK =1.

При выполнении операции «чтение информации» ведомая СС-I2C после

приема адресуемого к ней сообщения начинает передачу запрошенной информации. Передача начинается с байта своего идентификатора по рис.5.10, а затем − побайтно осуществляется передача запрошенной информации с формированием сигналов ASK =1 до завершающего сигнала stop.

5.3.3. Примеры СС-I2C в микросхемном исполнении

СС-I2C могут иметь следующие функциональные назначения:

ведения часов и календаря для присвоения результатам измерений и событий метки времени (в общем случае: дата, время− часы, минуты, секунды, милисекнды), а также для поддержки архива данных;

увеличения емкости энергонезависимой памяти (EEPROM) до необходимого объема вне зависимости от емкости памяти выбранного МК;

увеличения количества портов ввода-вывода дискретных сигналов, расширяющих функциональные возможности портов ввода-вывода МК;

осуществление аналого-цифрового(АЦП) или цифро-аналогового (ЦАП) преобразований при использовании МК без каналов ввода и вывода аналоговых сигналов или для расширения возможностей выбранного МК;

визуализации данных при их выводе оператору (табло, дисплеи);

преобразователей интерфейса типа «I2C-RS232», позволяющих увеличить до необходимого количества возможность подключения устройств с интерфейсом типа RS232.

18

1) Микросхема последовательного электрически стираемого ППЗУ (EEPROM), емкостью 64К x 8 (512 Кбит) предназначенная для работы в широком диапазоне напряжений питания (от 1.8 В до 5.5 В) и в широком диапазоне температур окружающей среды в рабочем состоянии: -40 °C до +125°С.

Конструктивное исполнение устройства в пластиковом 8-выводном корпусе SOIC представлено на рис. 5.11:

Рис. 5.11. СС-I2C - EEPROM

Устройство способно к случайному и последовательному чтению вплоть до 512-килобитной границы. Vcc и Vss − вводы питания. Вводы А1, А2, А3 − настраиваемый пользова-телем выбор микросхемы при подключении к шине до 8-и аналогичных микросхем памяти. Ввод WP можно подключить либо к Vss, либо к Vcc. Если он подключен к Vss, − разрешена нормальная работа с памятью (чтение/запись всей память); если подключен к Vcc, то опе-рации записи запрещены. На операции чтения это не влияет.

2) Микросхема часов реального времени (RTC) с календарем представлена на рис.5.12.

Рис. 5.12. СС-I2C - часы и календарь

Устройство имеют встроенную систему калибровки и систему автоматического переключения на резервный источник питания.

3) Микросхема маломощного 12-ти разрядного АЦП в компактном корпусе представлена на рис.5.13а: со встроенной схемой фиксации сигнала (T/H), со встроенными источником опорного напряжения, тактовым генератором и двухпроводным интерфейсом I2C. А на рис. 5.13б показан десятиразрядный цифровой индикатор.

19

	а)		б)

Рис.5.13. Примеры СС-I2C: АЦП и 10-ти разрядный индикатор

Вопросы для самопроверки:

1)Объясните перспективность развития микропроцессорного направления при создании приборов.

2)Нарисуйте обобщенную структурную схему микропроцессорного прибора и объясните функциональное назначение каждой структурной составляющей.

3)Каково роль блока микроконтроллерного управления БМК в составе

ПМ?

4)Что понимается под микроконтроллером? Перечислите и объясните назначение составных частей МК.

5)По каким характеристикам осуществляется выбор микроконтроллера для конкретного прибора? Объясните эти характеристики.

6)Что понимается под микроконтроллером с RISC архитектурой? Поясните эту архитектуру по структурной схеме микроконтроллера типа MSP430.

7)Объясните функциональное назначение различных видов памяти, «сторожевого» таймера, супервизора питания. Что понимается под понятием «прерывания» и где хранится «таблица прерываний»?

8)Что понимается под портами параллельного ввода-вывода дискретных сигналов?

9)Объясните функциональное назначение и характеристики компаратора, преобразователей аналого-цифрового и цифро-аналогового типа.

10)Объясните функциональное назначение UARTинтерфейса.

11)Перечислите и объясните функции, реализуемые в приборе программмными средствами БМК.

12)В чем состоит смысл проектирования «многоядерного» БМК?

13)В чем состоит смысл проектирования БМК с децентрализованной структурой подключения устройств?

14)Объясните назначение и основные принципы работы приборного интерфейса I2С.

20

15)Перечислите конструкторские и технологические достоинства применения I2C при проектировании прибора.

16)Как в интерфейсе I2C реализуются: «захват» шины, прием сигналов и передача сигналов структурными составляющими?

17)Объясните принцип реализации функции «чтения информации».

18)Объясните принцип реализации функции «записи информации».

19)Объясните работу устройств с интерфейсам I2C: ППЗУ, микросхемы часов и календаря.

20)Объясните работу устройства АЦП с интерфейсам I2C.