Gingl Zoltán Mikrovezérlők - Informatikai Intézet – üdvözlet a …gingl/micro/01_MikrovezerloAlapok.pdf · 2015-12-06 · Gingl Zoltán, 2015, Szeged Mikrovezérlők Alkalmazástechnikája

Gingl Zoltán, 2015, Szeged

Mikrovezérlők Alkalmazástechnikája

2015.12.06. 10:40 Mikrovezérlők Alkalmazástechnikája - Alapok 1

Z. Gingl, R. Mingesz: Laboratory practicals with the C8051Fxxx microcontroller family, 2014, Digitális Tankönyvtár

Chew Moi Tin, Gourab Sen Gupta: Embedded Programming with Field-Programmable Mixed-Signal µControllers http://www.silabs.com/Marcom%20Documents/Resources/Embedde

d_Programming_Textbook.zip Silicon Laboratories MCUniversity Course Material

http://www.silabs.com/Marcom%20Documents/Resources/MCUniversity_Course_Material.zip

Silicon Labs MCUniversity Program http://www.silabs.com/products/mcu/Pages/MCUniversity.aspx

Keil 51 Assembler http://www.keil.com/c51/a51kit.asp

SDCC (Small Device C Compiler) http://sdcc.sourceforge.net/


http://www.silabs.com/Marcom Documents/Resources/Embedded_Programming_Textbook.zip

http://www.silabs.com/Marcom Documents/Resources/Embedded_Programming_Textbook.zip

http://www.silabs.com/Marcom Documents/Resources/MCUniversity_Course_Material.zip

http://www.silabs.com/Marcom Documents/Resources/MCUniversity_Course_Material.zip

http://www.silabs.com/products/mcu/Pages/MCUniversity.aspx

http://www.keil.com/c51/a51kit.asp

http://sdcc.sourceforge.net/

80C51 family architecture http://www.semiconductors.philips.com/acrobat/various/

80C51_FAM_ARCH_1.pdf 80C51 family hardware description

http://www.semiconductors.philips.com/acrobat/various/80C51_FAM_HARDWARE_1.pdf

80C51 family programmer’s guide and instruction set http://www.semiconductors.philips.com/acrobat/various/

80C51_FAM_PROG_GUIDE_1.pdf 8051 könyvek

http://www.keil.com/books/8051books.asp


http://www.semiconductors.philips.com/acrobat/various/80C51_FAM_ARCH_1.pdf

http://www.semiconductors.philips.com/acrobat/various/80C51_FAM_ARCH_1.pdf



http://www.semiconductors.philips.com/acrobat/various/80C51_FAM_PROG_GUIDE_1.pdf

http://www.semiconductors.philips.com/acrobat/various/80C51_FAM_PROG_GUIDE_1.pdf

http://www.keil.com/books/8051books.asp

Silicon Laboratories Application Notes http://www.silabs.com/products/mcu/Pages/ApplicationN

otes.aspx Silicon Laboratories Knowledge Base

http://www.silabs.com/support/knowledgebase/pages/default.aspx

Silicon Laboratories User Forum http://www.silabs.com/support/forums/Pages/default.asp

x Analog Devices Analog Microcontrollers

http://www.analog.com/en/processors-dsp/analog-microcontrollers/products/index.html


http://www.silabs.com/products/mcu/Pages/ApplicationNotes.aspx

http://www.silabs.com/products/mcu/Pages/ApplicationNotes.aspx



http://www.silabs.com/support/forums/Pages/default.aspx

http://www.silabs.com/support/forums/Pages/default.aspx






Analog Devices Books High Speed Design Techniques Op Amp Applications Mixed Signal and DSP Design Techniques High Speed System Applications Practical Design Techniques for Sensor Signal Conditioning Practical Analog Design Techniques http://www.analog.com/en/training-tutorials-

seminars/books-seminars/resources/analog-to-digital-converters/ad-converters/listing.html

The Data Conversion Handbook http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/

39-06/data_conversion_handbook.html


http://www.analog.com/en/training-tutorials-seminars/books-seminars/resources/analog-to-digital-converters/ad-converters/listing.html
















http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/39-06/data_conversion_handbook.html




Kónya László-Kopják József: PIC mikrovezérlők alkalmazástechnikája

http://www.chipcad.hu

Roland Dilsch: A 8051 Mikrokontroller-család

Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1993

Lambert Miklós: Szenzorok - elmélet és gyakorlat

Invest - Marketing Bt., ISBN 13: 9789638740113, 2009


Kónya László-Kopják József: PIC mikrovezérlők alkalmazástechnikája

Development/evaluation kit: http://www.silabs.com/products/mcu/Pages/mcu-

development-kits.aspx

Toolstick minikit:

http://www.silabs.com/products/mcu/Pages/ToolStick.aspx

Laboron: C8051F410DK kit

http://www.silabs.com/products/mcu/Pages/C8051F410DK.aspx


http://www.silabs.com/products/mcu/Pages/mcu-development-kits.aspx









Honlapok:

http://www.inf.u-szeged.hu/

https://www.coosp.etr.u-szeged.hu/

Labor: http://www.inf.u-szeged.hu/~mingesz/Education/MicLab/

Áramkörszimulátor: http://www.ti.com/tool/tina-ti





http://www.inf.u-szeged.hu/~mingesz/Education/MicLab/



http://www.ti.com/tool/tina-ti



Előadáson elhangzottak követése

a legrészletesebb magyarázatok, kérdésekre válaszok

diasor használata

legfontosabb dolgok lejegyzése

Jegyzet angol nyelven Egyéb szakirodalom tanulmányozása Szükséges az önálló szakirodalmazás! Fontos az angol nyelv alapvető ismerete (olvasás)

2015.12.06. 10:40 Elektronika - Alapok 9

A fontosabb dolgok, kiegészítések jegyzetelése Érdemes a megadott forrásoknál utánanézni

részletesebben Gyakorlófeladatok a jegyzetben Kérdések, konzultáció lehetősége Fordító, IDE használata Szimulátorok használata Valódi hardver, fejlesztőkitek használata


Számonkérés előadáson? Az előadásra járás kötelezővé tétele? Előadásjegyzet, magyar nyelvű irodalom? Hallgatói kidolgozott anyagok ellenőrzése?


Cél: magabiztos alaptudás tesztje Alapismereti kérdések

3 kérdés a vizsgán, mindet tudni kell

Két tételből szóbeli felelet

20 perc készülés, 20 perc felelet

az anyag ismerete és alapvető értése szükséges (nélküle nincs alkalmazható tudás).


Irányadó: ETR és szabályzat 150% feletti alkalom Időben érdemes jelentkezni Első 3-4 héten is ésszerű jelentkezni Pótvizsga, utóvizsga

cél: nem várt események okozta gondok megoldása

nem ésszerű próbálkozgatni

a tudás mérésének következetessége nem függ ezektől

a hallgatón is múlik, tud-e élni a lehetőségekkel






Valódi rendszer

érzékelés

beavatkozás

Feldolgozás


jelátalakítás

jelátalakítás

Gépi feldolgozás

külső jelek

beavatkozás

A működés matematika műveletekkel írható le Jelek - változók Információnyerés a jelekből - műveletek,

egyenletek A feldolgozás eredményeként beavatkozás Azaz

fizikai, kémiai folyamatok, jelek

matematikai leírás, illetve ennek numerikus megfelelője közelítése



A/D konverter

egész számok

elektromos jelek

FIZIKA ELEKTRONIKA

INF/MAT

VALÓS VIRTUÁLIS

külső jelek

szenzor jel-

kondicionálás

jel- kondicionálás

aktuátor hatás

Processzor és

szoftver

D/A konverter

Jeleken végezhető műveletek széles köre A feldolgozás a leghatékonyabb, rugalmas Azonos hardver, bővíthető funkciók Tárolás, másolás Továbbítás:

vezetékes

vezeték nélküli

helyi

távoli


1. Jelek átalakítása: szenzorok 2. Jelek megfelelő formába hozása:

Analóg elektronika, jelkondicionálás

3. Digitális formába alakítás:

A/D konverter (ADC)

D/A konverter (DAC)

4. A kapott adatok (számok) feldolgozása

processzor

szoftver


Processzor Boot memória Adat és programmemória Interfész a perifériákhoz:

Felhasználói felület

Adattárolás

Adattovábbítás

Távelérés

Szoftverek, operációs rendszer Tápellátás





A legtöbb komponens integrálása egyetlen lapkára komplett számítógép egyetlen integrált áramkörben

Célszámítógép, adott feladathoz Kis méret, fogyasztás Kommunikáció már áramkörökkel, PC-vel Univerzális digitális+szoftver(+analóg) építőelem

(mint a műveleti erősítő az analóg elektronikában) Beágyazott vezérlések, szenzorok, Mechanikai, mechatronikai rendszerek Alternatívák – nagysebességű valós idejű működés:

DSP, DSC, FPGA


Megbízható, folyamatos működés Nincs operációs rendszer, önálló kód fut A programnak „nincs vége” Külső események, perifériák eseményei

Megszakítások bármikor keletkezhetnek

Bármikor bekövetkezhet RESET (számos ok) Korlátozott erőforrások Optimalizált szoftver Hardverközeli programozás A hardver/assemlber ismerete


CPU regiszterek cím és adatbuszrendszer RAM, ROM , EEPROM, flash Integrált perifériák CPU-periféria kommunikáció

Intel processzorokon külön utasítás

IN AX,ADDRESS

Memory mapping módszer (mintha memória lenne)

SFR egy speciális memory mapping


MICROCONTROLLER CORE

ANALOG PERIPHERALS


A/D CONVERTER

D/A CONVERTER

VOLTAGE REFERENCE

TEMPERATURE SENSOR

MU

X

PGA

VOLTAGE REGULATOR

DIGITAL PERIPHERALS

TIMER COUNTER

COUNTER ARRAY

USB/WIRELESS

UART

SMBUS/I2C

SPI BUS

CAN/LIN BUS

CRC CALCULATION

MULTIPLY/ ACCUMULATE

PORT INPUT AND OUTPUT

PROCESSOR SUPPORT PERIPHERLS

POWER ON RESET

SUPPLY MONITOR

WATCHDOG TIMER

OSCILLATOR AND PLL

REAL TIME CLOCK

PROCESSOR CORE

INTERRUPT HANDLER

MEMORY RAM/FLASH

DEBUG INTERFACE

DMA

CAPACITANCE TO DIGITAL

Megnevezés Feladat, leírás

Power On Reset Megfelelő RESET jel generálása a tápfeszültség bekapcsolásakor

Power supply monitor (Brown-out detector)

A tápfeszültség folyamatos monitorozása, ha túl alacsony, RESET generálása

Watchdog timer A program futásának folyamatos monitorozása, zavarjelek, hiba esetén RESET generálása

Oscillator, PLL A processzor ütemjelének előállítása, a frekvencia sokszorozása (PLL, phase-locked loop)

LDO regulator Tápfeszültség alacsony feszültségeséses stabilizálása

Debug interface JTAG (Joint Test Action Group) vagy más port, amivel működés közben le lehet kérdezni az áramkör belső állapotát, a kivezetéseken levő jelszinteket.



Flash A program és adatok tárolása tápfeszültség nélkül is Boot memória és programmemória is

Flash/EEPROM Törölhető permanens adattároló memória

PORT I/O, GPIO Logikai értékeket reprezentáló jelek előállítása és olvasása

Timer/Counter Időzítések, események számlálása, periodikus események generálása

PCA (Programmable Counter Array)

Sokcsatornás időzítések, PWM jelek előállítása

RTC (Real-Time clock)

Valós idejű óra, időzített riasztások, processzor ébresztés

CRC (Cyclic Redundancy Check)

Adatok integritásának, hibáinak ellenőrzése

MAC (Multiply and Accumulate)

Gyorsított szorzás és összeadás (sok művelethez hasznos, pl. FFT spektrális analízis, FIR, IIR szűrés



EMI (External memory interface)

Külső memória vagy hasonló peiféria (ADC, DAC, stb.) kezelése, írása, olvasása. Adat-, címbusz, vezérlőjelek.

UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)

Egyszerű, igen elterjedt aszinkron soros adatátviteli mód, kommunikáció számos más eszközzel, számítógéppel

SPI (Serial Peripheral Interface)

Szinkronizált soros adatátvitel integrált áramörök között

I2C (Inter Integrated Circuit)

Szinkronizált soros adatátvitel integrált áramörök között, a két vezetékre sok eszköz csatlakozhat.

CAN (Controller Area Network) LIN (Local Interconnect Network)

Autóiparban és más kritikus alkalmazásokban használt soros adatátviteli hálózati interfész.

USB (Universal Serial Bus) USB eszközként működés és kommunikáció biztosítása

Wireless Vezeték nélküli kommunikáció biztosítása



Comparator Feszültségkülönbség előjelének megfelelő logikai jelet ad

ADC (Analog-to-Digital Converter)

Feszültséget egész számmá konvertál. Az egész szám lehet előjeles vagy előjel nélküli 8-24 bites szám

DAC (Digital-to-Analog Converter)

Egész számmal arányos feszültséget vagy áramot ad. Az egész szám szám lehet előjeles vagy előjel nélküli 8-16 bites szám.

MUX (Multiplexer)

A bemenetén levő több analóg jelből egyet ad a kimenetén.

PGA (Programmable Gain Amplifier)

Analóg jelek szoftveresen kiválasztható erősítését végzi, az erősítés értéke tipikusan 1-128 között állítható

Temperature Sensor A mikrovezérlő hőmérsékletétől függő jelet ad.

CDC (Capacitance-to-Digital Converter)

Kapacitív nyomógombok, csúszóérintkezők megvalósítását támogatja az érintés által megváltozott kapacitásérték digitalizálásával.



11-bit felbontás 50000 adat/s 48cm x 38 cm x 66cm 68kg $8500 1954-ben…

forrás: Walt Kester, Analog-Digital Conversion, Analog Devices, 2004

Fent: C8051F060

Egycsipes számítógép

2 x A/D: 16-bit, 1M adat/s

2 x D/A: 12-bit

25 MIPS

Középen: C8051F530

Egycsipes számítógép

A/D: 12-bit, 200k adat/s

Lent: LM73

Hőmérsékletszenzor

14-bit A/D






Architektúra, sebesség 8-bit, 16-bit, 32-bit CISC, RISC (DC) – 32768Hz – 1MHz/20MHz – 25MHz/100MHz

Általános mikrovezérlők (general purpose) digitális vezérlési feladatok Kétállapotú, digitális jelek

Speciális mikrovezérlők (special function) USB MCU wireless MCU networked MCU secure MCU


Kevert jelű mikrovezérlők (mixed-signal MCU)

valós jelek kezelése

analóg perifériák

analog MCU, analog-intensive MCU

Kapacitív érintésérzékelő mikrovezérlők (capacitive touch sensing MCU)

modern felhasználói felület

kapacitás digitalizálása sok bemeneten


Kisfogyasztású mikrovezérlők (low-power) 100-300uA/MHz <1uA nyugalmi módok adatmegőrzés elemes alkalmazásokhoz

Alacsonyfeszültségű mikrovezérlők (low-voltage) 1,8V–2,7V, de akár 0,9V is elegendő a működéshez elemes táplálás gyakran kis fogyasztásúak is a működési sebesség is függhet ettől


Kisméretű mikrovezérlők (small form factor) 2mm x 2mm – 3mm x 3mm – 7mm x 7mm

6-48 kivezetés Ipari, járműipari mikrovezérlők

(industrial, automotive) speciális kommunikációs perifériák (CAN, LIN, …)

extra megbízhatóság

széles hőmérséklettartomány

szigorúbb specifikációk





http://www.silabs.com/applications/Pages/default.aspx

http://www.silabs.com/applications/Pages/default.aspx


Galvanic isolation

CAN, RS232,…

micro-controller

Galvanic isolation

Motor drivers

Motor

Galvanic isolation

A/D converter

System controller

Position, current

PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER


micro-controller

Galvanic isolation

Output drivers

Galvanic isolation

Input circuitry

Galvanic isolation

CAN, RS232,…


micro-controller

Motor drivers

Pump Motor

ADC Pressure sensor

LCD DISPLAY


Processor

RF interface

CODEC

A/D D/A

Flash

USB CCD

sensor ADC

LCD

Touch screen

micro- controller

micro- controller

LENS

ZOOM

Vibration motor driver

http://www.silabs.com/applications/automotive/Pages/default.aspx

Ablakemelő motorok Riasztórendszer Akkumlátortöltés Tükrök mozgatása, fűtése Szellőzés, klimatizálás Guminyomás mérése – menet közben …







Hallgatói részvétel: Nyári szakmai gyakorlat

Szakdolgozat, diplomamunka

PhD munka

Ipari fejlesztések Információk:

http://www.inf.u-szeged.hu/tanszekek/muszakiinformatika/szakdolgozat.php

http://www.noise.physx.u-szeged.hu/Instruments/index.aspx









Kajakba rögzíthető Start/stop Akkuról SD kártyára ment USB 2.0 upload JAVA PC-szoftver



C8051F580

ADC PORT I/O

UART

SPI SD

MU

LTIP

LEX

ER




Madarak viselkedése Légnyomás ±50Hgmm USB port Linux vezérlőszoftver

nyomásmérés hőmérsékletmérés pumpa vezérlés mikrofonjel mérése


C8051F410

Motor driver

Pump Motor

ADC Pressure sensor

USB UART

PWM

RH, T sensor

PORT I/O

UART

12-bit felbontás 40 millió adat/s USB port


A/D converter

FIFO uC USB


DC-1MHz jeltartomány LCD kijelző Amplitúdó, fázis mérése

DDS technológia Frekveniafelbontás

24-bit


C8051F060

DDS

16-bit ADC

USB UART

SPI

16-bit ADC

10-bit ADC

UART

PORT I/O

PORT I/O

LCD DISPLAY

Tápegység I, V mérése Biztonsági

lekapcsolás LED állapotjelzés Mérés és

adatgyűjtés laboron



C8051F410

ADC

USB UART

PORT I/O

UART

MU

X

R

Biofizika Baktériumok

fotoszintézise Fényimpulzusos

gerjesztések Keletkezett fény mérése


2A lézerdióda Logaritmikus pulzusok 1us felbontás Sok műszer kiváltása

oszcilloszkóp, jelgenerátor, lézermeghajtó


C8051F060

LASER DRIVER

16-bit ADC

USB UART

16-bit ADC

UART

12-bit DAC



EKG és vérnyomás-jelek Önálló műszer LCD kijelző, gombok USB adattárolás


C8051F060

16-bit ADC

USB UART

16-bit ADC

UART #2

PORT I/O

PORT I/O LCD DISPLAY

VINCULUM USB HOST

UART #1




Típus Tulajdonságok

C8051Fxxx www.silabs.com

Eredeti INTEL: 8-bit CISC, 12 cycles/clock C8051Fxxx: 1 cycle/clock

PIC www.microchip.com

8-bit RISC, 4 cycles/clock népszerű, magyar nyelvű könv

Atmel AVR (ATMEGA) www.atmel.com

8-bit RISC, 1 cycle/clock Arduino

ARM (uP/MPU, uC/MCU) www.arm.com

32-bit RISC 1 cycle/clock egylapos PC-k, okostelefonok


PIC16F87X C8051F410

Speed 5MIPS @ 20MHz @ 4V-5V 10MHz @ <3,5V

50MIPS @ 50MHz, 2V..5V

ADC 10-bit, 34kHz, 8 channel 12-bit, 200kHz, 27 channel

DAC - 2x12 bit

Timer 2x8 bit, 1x16 bit 4x16 bit, 6x16 bit PCA

Memory 8kx14 flash, 368 byte SRAM 32kx8 flash 2304 byte SRAM

Idd 20uA @ 8kIPS 0,6mA @ 1MIPS

13uA @ 32kIPS 0,3mA @ 1MIPS

I/O tolerance 0V-VDD 0V-5,5V



ATMEGA328 C8051F410

Speed 20MIPS @ 20MHz @ 4,5V-5V 5MIPS @ 2V

50MIPS @ 50MHz, 2V..5V

ADC 10-bit, 15kHz, 8 channel 12-bit, 200kHz, 27 channel

DAC - 2x12 bit

Timer 2x8 bit, 1x16 bit 4x16 bit, 6x16 bit PCA

Memory 32kx8 flash, 2048 byte SRAM 32kx8 flash 2304 byte SRAM

Idd 0,3mA @ 1MIPS 0,3mA @ 1MIPS 13uA @ 32kIPS

I/O tolerance 0V-VDD 0V-5,5V




8051 – 8-bit CISC @ 25MHz-100MHz ARM – 32-bit RISC @ 80MHz

sokkal egyszerűbb programozás kisebb kódméret kisebb feladatok 8-bites adatokkal írhatók le kisebb fogyasztás

nagyobb számítási kapacitás, pontosság modern architektúra bonyolultabb algoritmusok gyorsabb végrehajtás valós idejű számítások

nyomógombok, billentyűzet kezelése LED-ek, kijelzők kezelése szenzorok jelének digitalizálása intelligens szenzorok elemről működő modulok, adatgyűjtők vezeték nélküli szenzorhálózatok mechanikai rendszerek vezérlése járműelektronika beágyazott vezérlések

motorvezérlés gyors időfüggő jelek kezelése digitális szűrés USB eszközök multiprocesszoros vezérlőrendszerek ipari automatizálás otthoni automatizálás egylapos PC-k, beágyazott PC-k

AM3359 ARM Cortex-A8 700MHz @ 5V, 500mA 256MB RAM, SDCARD LAN, USB, GPIO 12-bit ADC Valós idejű? Boot idő?


Broadcom BCM2835 (ARM1176) CPU/FPU/GPU

700MHz @ 5V, 700mA 256MB RAM, SDCARD AUDIO, HDMI LAN, USB, GPIO Valós idejű? Boot idő?

Raspbian “wheezy” Hardveres lebegőpontos számítás támogatással gyorsabb, multimédia alkalmazásokhoz is megfelelő

Soft-float Debian “wheezy” Szoftveres lebegőpontos számítással (lassabb)

Arch Linux ARM Az Arch Linux portolása ARM architektúrára

QtonPi Qt5 alkalmazások támogatására fejlesztő környezet beépítve a csomagba

Részletek: http://www.raspberrypi.org/downloads


http://www.raspberrypi.org/downloads

5x16-bit timer, 6xPCA 0,5% OSC, RTC 3 ADC (8-24 bit, 10Hz-1MHz) 2 DAC (8-12 bit), 3 CMP Vref, Temp Sensor, Cap Sense 2x2mm 160uA at 1MHz, 13uA at 32768Hz VDD: 0,9V-5V


25MHz-100MHz (100MIPS) 128k flash, 8k SRAM 64 I/O UART, SPI, I2C, CAN, LIN, USB,

EMIF, Wireless JTAG, USB debug, IDE, SDCC

Teljes hőmérséklettartomány Teljes órafrekvencia-tartomány Teljes tápfeszültség-tartomány Digitális perifériák minősége, gazdagsága Analóg perifériák minősége, gazdagsága Azonos mag, széles választék, sok szoftver Rendkívül jó dokumentáltság Hatékony fejlesztőkörnyezet, debug Egyszerű programozás Oktatási kedvezmények

