Kapitola 6

Prvá podkapitola je zameraná na problematiku rozhraní mikropočítačov. Rozhrania slúžia na rozšírenie možností mikropočítačov. Štandardizované rozhrania umožňujú jednoduché pripojenie dodatočných obvodov k mikropočítaču a tým zvyšujú jeho možnosti. Vybrané sú niektoré typy rozhraní s ich opisom a spôsobom komunikácie. V závere je uvedený stručný prehľad niektorých ďalších rozhraní.

Druhá podkapitola je venovaná vybraným periférnym zariadeniam mikropočítačov.

6.1.1 CAN ( Controller Area Network )

CAN – je sériovú obojsmernú zbernicou slúžiacou na zosieťovanie „inteligentných“ zariadení ako sú napríklad rôzne senzory a pohony systémov. Vyvinutá bola predovšetkým pre automobilový priemysel, no v súčasnosti má však široké použitie.

- automobilový priemysel – prepojenie elektronických súčastí, prenos dát

- simultánny prístup – na zbernicu môže pristupovať súčastne viacero zariadení

- rýchlosť od 1 Mbit/s pri dĺžke 40 m cez 125 kbit/s pri dĺžke 500 m, až po max. dĺžku 1 km s rýchlosťou komunikácie 50 kbit/s

Jednotlivé zariadenia sú na CAN zbernicu pripojené spôsobom uvedeným na obr. 6.1.

Prenos informácie funguje na základe posielania správ označených identifikátorom jedinečným v celej sieti tvorenej CAN zbernicou. Po vyslaní správy opatrenej identifikátorom všetky zariadenia v sieti testujú zhodnosť identifikátora v správe s vlastným. Ak je identifikátor zhodný z daným zariadením, tak zariadenie prijme správu. Jedinečný identifikátor taktiež určuje prioritu správy, čím je numerická hodnota identifikátora nižšia, tým má správa vyššiu prioritu. Na základe priority je taktiež rozhodované o poradí vyslania správy v prípade, že o komunikáciu požiadajú dve zariadenia, čím nenastane strata informácie. Komunikačný protokol požíva NRZ (Non Return to Zero) kódovanie čo zvyšuje odolnosť voči možnosti rušenia.

Komunikácia je založená na posielaní Message Frames – rámcov správ jednému alebo viacerým zariadeniam súčastne.

Na komunikáciu sa používa štandard 2.0A – s 11-bitovým identifikátorom a rozšírený štandard 2.0B podporujúci 29-bitový a spätne aj 11-bitový identifikátor.

Počiatok rámca je identifikovaný s SOF – Start Of Frame. Nasleduje arbitračné pole – Arbitration field pozostávajúce z 11-bitového identifikátoru, Control field – kontrolného poľa obsahujúceho RTR bit identifikujúci, či sa dáta vysielajú alebo prijímajú, dvoch rezervovaných bitov r1 a r0 a zo štvorice bitov DLC – data length code – indikujúce koľko bajtov obsahuje nasledujúci blok dát (0...8). Následuje Data Field – pole dát z obsahom 0 až 8 bajtov. CRC field – pozostáva z pätnástich bitov CRC - cyklického redundantného zabezpečovacieho kódu a jedného bitu Delimiter. ACK pole obsahuje 2 bity, prvý z nich sa vysiela ak prenos je úspešný, druhý je delimiter. Koniec rámca správy sa identifikuje EOF poľom 7 bitov.

Na obr. 6.3 je znázornený spôsob pripojenia mikropočítača P8xC592 (8051 kompatibilného) ku zbernici CAN prostredníctvom obvodu 82C520.

CAN rozhranie je implementované aj priamo do niektorých mikropočítačov, čím odpadá nutnosť využitia obvodov typu 82C520. Príkladom je mikropočítač C8051F040 vybavený CAN rozhraním vo verzii 2.0.

6.1.2 I²C (Inter-Integrated Circuit)

Dvojžilová obojsmerná zbernica vyvinutá firmou Philips začiatkom 90-tych rokov.

Touto zbernicou je vybavených v súčasnosti veľké množstvo rôznych obvodov. Táto zbernica ponúka možnosť jednoduchého rozširovania mikroprocesorových systémov o dodatočné obvody.

- periférne obvody: RAM, EEPROM, AD/DA prevodníky, ovládacie obvody LCD displejov, a iné...

- obvody digitálneho ladenia a číslicového spracovania signálu pre rádio a video systémy, DTMF generátory pre telefóny s tónovou voľbou

- dvojvodičová zbernica – SDA (Serial DAta) – vodič sériových dáta a SCL (Serial Clock ) – vodič synchronizácie - hodinové impulzy

- zbernica typu MULTIMASTER – na jednej zbernici môže byť viacero obvodov, ktoré riadia komunikáciu, umožňuje detekcie kolízie. Ďalšou možnosťou je arbitrácia – dohľad nad komunikáciou viacerých master obvodov na jednej zbernici

- vysokorýchlostná – komunikačná rýchlosť od STANDARD módu – 100 kbit/s, cez FAST mód – 400 kbit/s až po HIGH-SPEED mód – 3,4 Mbit/s

- možnosť pripojenia viacerých zariadení na jednu zbernicu – 7-bitová adresa

Komunikácia prebieha medzi nadradeným zariadením master a podradeným zariadením slave. Komunikáciu riadi master, či sa jedná o posielanie dát zariadeniu typu slave, alebo čítanie dát zo zariadenia slave. Komunikáciu viacerých zariadení master riadi arbiter, čo je master nadradený ostatným master zariadeniam.

Komunikácia začína vyslaním START bitu indikujúceho (obr. 6.5). START bit predstavuje zmenu vysokej úrovne napätia na nízku najprv na vodiči SDA a bezprostredne na to aj na vodiči SCL.

Bajt nasledujúci za START bitom obsahuje adresu (7 bitov) zariadenia slave s ktorým master komunikuje a 1 bit – LSB indikujúci operáciu čítanie LSB = ´1´ alebo zápis LSB = ´0´. Grafické znázornenie je na obrázku 6.6:

Existuje možnosť takzvaného rozšíreného adresovacieho módu – Extended mode adresssing, keď sa používa 10-bitová adresa pre zaadresovanie zariadenia slave.

Akonáhle je vyslaná adresa na zbernicu, všetky zariadenia slave ju porovnávajú zo svojou. Ak žiadne zariadenie nekorešponduje s danou adresou, zariadenia čakajú na uvolnenie zbernice signálom stop. Jeho znázornenie je na obrázku 6.7:

V prípade, že je prítomné zariadenie slave, ktorého adresa korešponduje s vyslanou adresou zariadením master, slave túto udalosť indikuje signálom ACK – acknowledge-potvrdenie príjmu. Bezprostredne po prijatí posledného bitu (1) slave nastaví hodnotu na vodiči SDA na low – nízku úroveň (2), master vyšle hodinový impulz na SCL (3) a slave po jeho uplynutí uvoľní SDA (4). Signál ACK je na obr. 6.8:

Potom nasleduje prenos dát medzi master a slave. Komunikácia sa ukončí opäť pomocou znaku stop. Príklad prenosu dát medzi zariadením master a slave je na obr. 6.9:

Obr. 6.9: zápis do slave

Postup zápisu do slave zariadenia spočíva vo vyslaní START znaku S. Nasleduje 7-bitová adresa slave zariadenia spolu s bitom W nastavujúcim režim zápisu do slave. V prípade že na zbernici je zariadenie slave, ktoré korešponduje z vyslanou adresou, nastaví ACK signál A indikujúci potvrdenie príjmu. Nasleduje vyslanie datového bajtu 1 potvrdené v prípade úspešného príjmu ACK signálom. Po potvrdení príjmu je vyslaný ďalší dátový bajt 2 opäť potvrdený ACK signálom. Transfer sa ukončí nastavením P – STOP znaku.

Na obrázku 6.10 je príklad zapojenia využitia RTC (Real Time Clock) – obvodu hodín reálneho času PCF8583 pripojeného prostredníctvom I²C zbernice k mikropočítaču ADuC836 (8051 kompatibilný).

Obr. 6.10: RTC+ADuC836

6.1.3 SPI ( Serial Peripheral Interface )

SPI je štvorvodičová synchrónna sériová zbernica slúžiaca na prepojenie periférií s mikropočítačmi.

- najčastejšie je použitá v aplikáciách s kde je požadovaný duplexný kontinuálny alebo prerušovaný prenos dát. Typickým príkladom je tok dát medzi AD prevodníkom a mikropočítačom

- plne duplexná štvorvodičová synchrónna sériová zbernica, obsahuje vodiče SCLK – clock – taktovacie hodiny, MOSI – master data output-slave data input – výstup dát z master zariadenia-vstup pre slave, MISO – master data input-slave data output – vstup dát pre master – výstup zo slave zariadenia, SS – slave select – voľba slave zariadenia

- prenosová rýchlosť v niektorých verziách kompatibilných s SPI dosahuje 10-ky Mbitov/s

- zbernica je typu MASTER/SLAVE, pričom pozostáva z jedného riadiacého zariadenia MASTER jedného, prípadne viacerých zariadení SLAVE

SPI rozhranie je využité najčastejšie v spojitostí s jedným master a jedným slave zariadením, pretože na realizáciu komunikácie vacerých slave zariadení je nutné disponovať potrebným počtom SS – slave select vývodov. SPI nepodporuje komunikačný protokol zabezpečujúci potvrdenie prijatia dát slave zariadením, preto je tento protokol jednoduchý. SPI je vhodná pre takzvané data stream (dátový tok) aplikácie, kde je realizovaný iba jednoduchý zápis alebo čítanie dát ako pri ADC, DAC prevodníkoch alebo kodekoch napríklad v spojitosti so signálovými procesormi

V prípade zapojenia viacerých slave zariadení, je schéma zapojenia na obr. 6.12.

Komunikáciu začína master generovaním taktovania signálom SCLK a voľbou slave zariadenia SS – slave select, čím môže prebehnúť prenos dát buď simultánny alebo iba jedným smerom. Väčšina mikropočítačov, ktoré majú SPI rozhranie integrované obsahuje aj konfiguračný register SPI rozhrania imožňujúci nastaviť 4 režimy činnosti tohto rozhrania odlišné stavom SS a SCLK určujucími platnosť dátového bitu. Dátový bit je platný pri zostupnej ale nábežnej hrane časovacieho impulzu a invertovanom alebo neinvertovanom priabehu časovacieho impulzu. Možnosť nastavenia týchto režimov umožňuje kompatibilitu prepájaných zariadení. Okrem klasickej komunikácie s prenosom kontinuálneho dátového toku ak je to napríklad v prípade ADC prevodníka, umožňuje SPI pripojenie zariadení s možnosťou adresácie ako sú pamäte. Spôsob adresovania spočíva vo vyslaní operačného kódu operácie, ktorá sa bude vykonávať slave zariadeniu bezprostredne po jeho výbere (aktivácii) signálom SS. Na základe tohto kódu je nastavený režim operácie slave zariadenia. Následne je možné vyslať napríklad 16-bitovú adresu ak je to v prípade adresovania EEPROM pamäte uvedeného na obr. 6.12. Bezprostredne po zaadresovaní nasleduje vysielanie dát slave zariadením.

Pomocou SPI rozhrania je k mikropočítaču ADuC836 pripojený digitálny potenciometer AD5160. V vstupné napätie U_in na vývode A je regulovateľné v celkovom počte 256 rôznych pozícií. Vyslaním príslušných dát sa riadi register bežca potenciometra. Na vývode W je potom možné odoberať regulované napätie U_out. Týmto spôsobom je možná náhrada mechanického potenciometra v aplikáciách s potrebou regulácie napätia ako je napríklad regulácia hlasitosti pri zosilňovačoch alebo regulácia referenčného napätia pre stabilizovaný zdroj a iné.

Obr. 6.14: Pripojenie digitálneho potenciometer AD5160 ku mikropočítaču ADuC836

6.1.4 SMBus (System Management Bus)

SMBus je dvojvodičové sériové rozhranie umožňujúce prepojenie zriadení typu bus master – nadradených zariadení riadiacich komunikáciu spolu so zariadeniami bus slave – podradenými zariadeniami. Vo všeobecnosti zariadenie master inicializuje komunikáciu medzi ním a slave zariadením a súčastne distribuuje slave zariadeniu hodinový synchronizačný signál. Simultánne dokáže master komunikovať aj s viacerými slave zariadeniami súčastne. Slave dáta prijíma alebo na požiadanie vysiela master zariadeniu.

SMBus umožňuje existenciu viacerých master zariadení súčastne, no v jednom okamihu môže komunikáciu po zbernici riadiť iba jeden master. SMBus disponuje arbitračným mechanizmom spravujúcim komunikáciu viacerých master zariadení.

Linky SMBus sú označené ako SMBDATA – dátová linka a SMBCLK – linka pre distribúciu synchronizačných hodinových impulzov, čo pripomína I²C zbernicu, od ktorej sa odlišuje elektricky, časovaním a komunikačným protokolom.

Oblasti využitia SMBus:

- pôvodne určená ako komunikačná linka pre prepojenie inteligentných batériových systémov

- prepojenie zariadení počítača na základnej doske, ako sú teplotné senzory, regulátory napätia a podobne so systémom

 
             Spôsob komunikácie je do určitej miery podobný ako u I2C zbernice. Prenáša sa 8-bitová informácia.

Na obr. 6.15 je ukážka spôsobu zapojenia zariadení na zbernicu SMBus s možnosťou pripojiť zariadenia s

rôznym napájacím napätím.

Obr. 6.15: Spôsob zapojenia zariadení na SMBus zbernicu

Obr. 6.16: SMBus vyslanie 8-bitových dát slave zariadeniu

Pri verzii SMBus 2.0 je navyše komunikácia zabezpečená pomocou PEC (Packet Error Checking) 8-bitového CRC (Cyclic Redundancy Check) kódu. Podmienkou je aby ako naster zariadenia, tak aj slave zariadenie podporovalo PEC. Implementácia PEC je znázornená na obr. 6.17. Master zariadenia vysiela slave zariadeniu dátový bajt zabezpečený pomocou PEC.

Obr. 6.17: Implemetácia PEC v protokole SMBus 2.0  - vyslanie dátového bitu slave zariadeniu

Rovnakým spôsobom je vyslaná aj informácia od slave zariadenia master zariadeniu v prípade, že master pracuje v režime prijímača.
V prípade použitia viacerých rovnakých zariadení v systéme (viaceré teplotné senzory na základnej doske PC) je konflikt v adresovaní jednotlivých slave zariadení ošetrený pomocou dynamického pridelenia novej adresy každému slave zariadeniu prostredníctvom ARP (Address Resolution Protocol). Na zabezpečenie možnosti aplikácie tejto funkcie je každé SMBus zariadenie vybavené 128-bitovým UDID (Unique Device Identifier) obsahujúcim identifikačné údaje výrobcu, zariadenia, typu verzie a iné. Dynamické pridelenie adresy je realizované iba raz po štarte systému, čiže pripojení na napájacie napätie. Vypnutím systému sa pôvodná konfigurácia zruší a po novom štarte je nutné pridelenie adries vykonať nanovo.

Na obr. 6.18 je zapojenia mikropočítača 80C51 a vysielača SMBus/I2C PCA9564. Použitím PCA9564 je možné jednoduchým spôsobom realizovať pripojenie mikropočítača, ktorý nie je priamo vybavený SMBus rozhraním a zariadení určených pre toto rozhranie.

Mikropočítač komunikuje s vysielačom prostredníctvom dátovej 8-bitovej zbernice vyvedenej na port P0.

Princíp komunikácie spočíva v mapovaní vysielača do priestoru externej RAM pamäte, keď aktivácia zariadenia je realizovaná vyslaním príslušnej adresy na porty P0, P2 a pomocou ALE signálu. Zápis alebo čítanie je aktivované rovnakými signálmi (RD a WR) ako pri zápise/čítaní z externej RAM.

6.1.5 1-Wire® bus

1-Wire®bus je jednovodičové sériové rozhranie s možnosťou poloduplexnej obojsmernej komunikácie. Okrem komunikačného vodiča samozrejme zemniaci vodič. Komunikačný vodič je navyše využitý aj k napájaniu zariadení pripojených k tomuto rozhraniu. Rozhranie je typu single master – multiple slave – jedno nadradené zariadenie a viaceré podradené zariadenia. Nadradené zariadenie – master komunikuje s podradenými zariadeniami.

Takéto riešenie umožňuje jednoduchší vývoj systémov vďaka možnosti využiť jednu linku súčastne na komunikáciu aj napájanie slave zariadenia.

- na jednu linku je možné pripojiť do 150 zariadení s unikátnym sériovým číslom

- identifikácia zariadenia na základe 8-bajtového sériového čísla a 1-bajtovej informácie o type zariadenia

Každé zariadenie obsahuje výrobcom nastavenú 64-bitovú informáciu v internej ROM pamäti. Prvých horných 8 bitov slúži na zabezpečenie CRC kódom, potom nasleduje 48-bitové sériové číslo zariadenia a dolných 8 bitov tvorí kód identifikujúci typ zariadenia. Táto 64-bitová informácia je unikátna pre každé vyrobené zariadenie s možnosťou tak jednoznačnej identifikácie aj viacerých zariadení rovnakého typu pripojených na jednu linku.

Zariadenia vybavené týmto rozhraním sa pripája k mikropočítaču spôsobom zobrazeným na obr. 6.19.

Obr. 6.19: Spôsob pripojenia zariadení s rozhraním 1-Wire k mikropočítaču

Zariadenia sú trvalo pripojené na napájacie napätie „zdvíhací“ rezistor.

Komunikácia je inicializovaná mikropočítačom zmenou úrovne napätia na zbernici na 0 V. Komunikácia je založená na takzvaných „časových slotoch“, čiže od závislosti doby trvania poklesu úrovne napätia je slave zariadením identifikovaný typ operácie (zápis log.1 alebo log.0, čítanie log.1 alebo log.0 reset a identifikácia zariadenia).

Zápis log. 0 do slave zariadenia je realizovaný znížením úrovne napätia na zbernici na 0 V po dobu Tx od 60 ms do 120 ms. Obdobným spôsobom je realizovaný zápis a vysielanie log. 0 a 1 do slave zariadenia.

Bližšie informácie a možnosti aplikácie spolu s katalógmi zariadení disponujúcimi týmto rozhraním sú na stránke výrobcu: http://www.maxim-ic.com/1-Wire.cfm

6.1.6 USB (Universal Serial Bus )

USB rozhranie je doménou skôr v oblasti PC techniky na pripojenie periférií ako sú myši, skenery, tlačiarne, digitálne fotoaparáty a podobne. Rozhranie disponuje možnosťou automatickej konfigurácie zariadení a možnosťou pripojenia/odpojenia za prevádzky. Na zabezpečenie opráv chýb pri prenose je použitý CRC (Cyclic Redundancy Check) kód.

USB rozhranie umožňuje jednoduché pripojenie až 127 zariadení v usporiadní do stromovej štruktúry v siedmych úrovniach zobrazenej na obr. 5.21. Na root hub na prvej úrovni je priamo pripojené ďalšie zariadenie alebo hub rozvetvujúci štruktúru a rozširujúci tak možnosť pripojiť iné zariadenia.

Obr. 6.21 USB štruktúra

- prenosová rýchlosť pre štandard USB 1.1 je 1,5Mbit/s a 12Mbit/s, pri USB 2.0 je to 480Mbit/s

- stromová štruktúra umožňujúca prepojenie až 127 zariadení (7-bitová adresa)

- 4 vodičové rozhranie s použitím 2 vodičov pre diferenčný signál, 1 napájací a 1 zemniaci vodič

Dáta sú USB zbernicou prenášané dvojvodičovým diferenčným párom liniek D+ a D- (obr. 6.22).

Obr. 6.22 USB rozhranie

USB komunikačný protokol je založený na princípe prenosu paketov. Prenos dát je možný oboma smermi, od host zariadenia do pripojeného zariadenia a opačne. Rozoznávame viacero typov paketov:

- Handshake paket – paket riadenia komunikácie - tento paket je použitý na oznámenie stavu prenosu dát a môže indikovať úspešné prijatie dát, príkazu alebo zamietnutia príkazu, riadenie toku dát alebo podmienku zastavenia komunikácie

- Dátový paket – slúži na prenos dát, dátove pole môže obsahovať 0 až 1024 bajtov informácie zabezpečenej 16-bitovým CRC kódom.

- riadiaci – inicializuje hostiteľ za účelom nastaviť podmienky komunikácie

- irzochrónny – periodický, kontinuálny prenos dát pre časovo kritické aplikácie ako je napríklad snímanie dát s kamery

- prerušovaný – použitý v spojitosti s pomalými zariadeniami nenáročnými na objem prenesených dát

- hromadný – pre veľké množstvo dát bez nároku na čas ( tlačiareň, skener )

Príkladom priamej implementácie USB rozhrania do mikropočítača je C8051F320.

6.1.7 RS 232, RS 422/423, RS 485

Je sériové viacvodičové rozhranie umožňujúce plne duplexnú prevádzku. Pôvodné určenie rozhrania bolo na prepojenie koncového dátového zariadenia (napríklad počítač) s komunikačným koncovým zariadením (napríklad modem). RS232 disponuje vodičmi slúžiacimi na zabezpečenie riadenia prevádzky (obr. 6.23).

Obr. 6.23: Zapojenie RS232 liniek

Na prenos dát slúžia RxD (príjem dát) a TxD (vysielanie dát). Vyšné vodiče slúžia na zabezpečenie riadenia komunikácie.

- umožnenie režimu prenosu paritného bitu indikujúceho párnu paritu prenesených 8 bitov dát

Niektoré mikropočítače ( napr. Intel 8051 a kompatibilné) sú štandardne vybavené týmto rozhraním v modifikácii NULLMODEM (bezmodemové pripojenie). Bezmodemové pripojenie je trojvodičovou modifikáciou (obr. 6.24) bez možnosti riadenia prevádzky pomocou dodatočných liniek ako je to na obr. 6.23.

Obr. 6.24 Trojvodičové zapojenie RS232

Prepojenie zariadení je iba pomocou vysielacej a prijímacej linky TxD a RxD. V prípade Intel 8051 je umožnená synchrónna aj asynchrónna prevádzka. Pri asynchrónnej prevádzke je komunikácia riadená pomocou START a STOP bitu. Prenášajú sa 8-bitové dáta. Spôsob prenosu dát je na obr. 6.25.

RS 232 disponuje iba obmedzenými možnosťami komunikácie a pripojenia viacerých zariadení. Zvýšenie prenosovej rýchlosti a dĺžky prepojovacieho vedenia s možnosťou prepojenia viacerých zariadení umožňujú rozhrania RS 422/423/485.

Hlavnou odlišnosťou týchto modifikácii je možnosť pripojenia viacerých zariadení navzájom (RS232 umožňuje iba 1 vysielač a 1 prijímač). Odlišnosť modifikácii od RS232 rozhrania spočíva aj v niektorých ďalších vlastnostiach uvedených v tab. 6.1.

Tab. 6.1: Parametre rozhraní RSxxx

Obr. 6.26: Zapojenie RS422

RS 422 disponuje symetrickým pripojením linky, čiže vyžaduje 4 vodiče, 2 páry pre vysielanie a príjem.

6.2 Ostatné rozhrania

So súčastným rozvojom elektrotechnického priemyslu bolo definovaných viacero typov rozhraní pre bežné aplikácie alebo aj špeciálne nasadenie. Niektoré sú menej známe a používané iba v určitých prípadoch. V krátkosti kvôli prehľadu sú uvedené niektoré rozhrania, ktoré neboli spomenuté v predchádzajúcich kapitolách. Na problematiku rozhraní je bližšie zameraný predmet AČR (Analógovo číslicové rozhrania) vyučovaný na KEMT FEI TUKE

6.2.1 IEEE 1394 – FireWire: - vysoko rýchlostné sériové poloduplexné rozhranie realizované dvoma pármi diferenčných liniek TPA a TPB. Umožňuje prenosové rýchlosti 100, 200 a 400Mbit/s. Pripojenie je možné až u 63 zariadení.

Typické aplikácie tohto rozhrania sú v oblasti pripojenia periférií náročných na prenosovú rýchlosť ako je digitálna kamera a podobne.

- izochrónny – pre pravidelné prenosy sa cyklicky prideľuje prenosová kapacita

6.2.2 SSI ( Synchronnous Serial Interface ) bus: - špeciálna zbernica vytvorená pre prenos informácie z optických kóderov otočenia v Grayovom kóde cez synchrónnu sériovú linku. Pozostáva z dvoch párov diferenčných liniek, čím zabezpečíme potlačenie rušenia od okolia.

6.2.3 GPIB ( General Purpose Interface Bus ): - rozhranie slúžiace na prepojenie meracích systémov. Je to paralelné rozhranie s doplňujúcimi signalizačnými a adresovacími vodičmi. Umožňuje vytvárať komplexné meracie systémy.

6.2.4 Fieldbus: - tento pojem pokrýva súbor priemyselných protokolov, navzájom od seba odlišných. Dané protokoly špecifikujú systém prepojenia rôznych zariadení v priemysle. Medzi najznámejšie patria: ASI, DeviceNet, Profibus, Interbus, Filbus, Bitbus, CAN

6.3 Periférne zariadenia mikropočítačov

6.3.1 Analógovo číslicové prevodníky – ADC (Analog digital converters) , Číslicovo analógové prevodníky – DAC (Digital-to-Analog Converters)

Nevyhnutnou súčasťou mikropočítačového systému v prípade interakcie so spojito meniacimi sa signálmi sú prevodníky meniace spojitý – analógový signál do číslicového tvaru vhodného pre spracovanie mikropočítačom.

Prevod analógového signálu do číslicovej formy pozostáva s fázy vzorkovania analógového signálu, kvantovania do konečného počtu úrovní a kódovania číslicovej informácie (bližšie vysvetlenie tejto problematiky v predmete ČSS). ADC prevodníky je možné deliť podľa rôznych kritérií (princípmi prevodníkov a ich parametrami sa zaoberá predmet AČR):

- spôsob prevodu – princíp akým sa prevádza analógová hodnota do číslicovej, rôzne metódy ponúkajú špecifické výhody a nevýhody ako je napríklad rýchlosť prevodu

- rozlíšenie – počet bitov, koľko sa použije na zakódovanie analógovej hodnoty do číslicového formátu, čo znamená do koľkých úrovní sme schopný rozdeliť rozsah vstupného analógového signálu

- rýchlosť prevodu – určuje väčšinou koľko vzoriek za sekundu je možné prevodníkom vygenerovať, rýchlosť prevodu je úzko spätá s princípom prevodu signálu do číslicového tvaru, je to podstatný parameter vzhľadom k Shannon-Kotelnikovej teoréme hovoriacej o minimálnej rýchlosti vzorkovania vzhľadom k frekvencii spracovávaného signálu, čiže sa má zachytiť informačná podstata signálu, musí platiť:

- šumové a chybové parametre – neexistuje elektronické zariadenie, ktoré nepridáva ku spracovanému signálu navyše šum a daný signál do určitej miery neskresľuje, rovnako sa to týka aj ADC, technológia výroby a spôsob vyhotovenia prevodníka ovplyvňujú tieto parametre, navyše u ADC vzniká takzvaný kvantizačný šum spôsobený konečným počtom kombinácii číslicového signálu, ktorým môžeme analógový signál vyjadriť

- AD7705 - presný 16-bitový S-D ADC prevodník, pripojiteľný prostredníctvom SPI, Microwire rozhraní

- AD9058 - dvojitý rýchly ADC prevodník (50 MSPS - miliónov vzoriek za sekundu) s paralelným výstupom s 8-bitovým rozlíšením Prevodníky sú výrobkom Analog Devices (http://www.analog.com).

Podstata DAC spočíva v prevode číslicového signálu z mikropočítača na analógový, spojito sa meniaci. Rovnako ako ADC, aj DAC je možné rozdeliť podľa nasledujúcich kritérií:

- spôsob prevodu – existuje viacero princípov ako z číslicového signálu môžeme dostať analógový

- rozlíšenie – určuje akú maximálnu šírku vstupného číslicového signálu je DAC schopný naraz spracovať, tým sa určuje počet úrovní, v ktorých sa mení výstupný analógový signál

- rýchlosť prevodu – predstavuje ako rýchlo sa môže na výstupe meniť analógový signál, čiže ako rýchlo je DAC schopný meniť vstupné číslicové hodnoty na výstupný spojitý signál

- šumové a chybové parametre – ako u ADC, tak aj u DAC je prevod ovplyvňovaný parametrami a spôsobom prevodu

- MX7228 - obsahuje 8 nezávislých 8-bitových DAC prevodník paralelným vstupom

- MAX5383 - 8-bitový ADC prevodník pripojiteľný prostredníctvom rozhrania SPI alebo Microwire

6.3.2 Senzory

Riadenie procesov v odvetví priemyslu a bežnej praxe vyžaduje okrem snímania elektrický veličín aj snímanie neelektrický veličín (teplota, hmotnosť, dĺžka, otáčky a podobne). Aby bolo mikroprocesorovému systému umožnené spracovať takéto dáta, je nutné neelektrickú veličinu previesť na elektricky merateľnú (prúd, napätie, frekvencia, zmena kapacity alebo indukčnosti, elektrický odpor) pomocou senzora, ktorý vykonáva daný prevod na základe určitého fyzikálneho princípu.

Senzory sú delené do rôznych skupín podľa snímanej veličiny, spôsobu prevodu a iných kritérií. Bližšou problematikou senzorovej techniky sa zaoberá predmet SeS (Senzorové systémy) vyučovaný na KTEEM FEI TU.

o odporové kovové teplomery – približne lineárna závislosť odporu kovu od teploty, najpoužívanejší je Platina

o odporové polovodičové teplomery – využíva sa závislosť odporu polovodiča od teploty, najpoužívanejšie sú polykryštalické termistory

o kryštálové – oscilátor v ktorom sú zabudované mení svoju frekvenciu v závislosti od teploty

o termočlánkové teplomery – založené sú na termoelektrickom jave vznikajúcom na kontakte dvoch rozdielnych kovov, sú to aktívne senzory, pretože sú zdrojom napätia úmerného teplote

o pyrometre – merajú intenzitu infračerveného vyžarovania meraného objektu

o odporové tenzometre – zmena odporu vplyvom deformácie tenzometra, tenzometer je prichytený na teleso známych mechanických vlastností na základe ktorých môžeme deformáciu merať

o elastomagnetické snímače – na špeciálne jadro cievky alebo transformátora pôsobí sila, ktorá ho deformuje. V závislosti od deformácie sa mení hodnota impendancie cievky alebo veľkosť indukovaného napätia v sekundárnom vinutí tranformátora

o piezoelektrické snímače – niektoré kryštály sa pôsobením sily elektricky polarizujú, na ich povrchu vzniká elektrický náboj úmerný sile. Náboj snímame naparenými elektródami.

- meranie tlaku a krútiaceho momentu: princíp je totožný ako pri meraní sily, no mechanické usporiadanie meracej aparatúry je odlišný

o odporové senzory dĺžky – využitie závislosti odporu vodiča od dĺžky, napríklad zmenou polohy bežca meníme odpor prislúchajúci polohe bežca

o kapacitné senzory dĺžky – elektródy kondenzátora sú pohyblivé a jeho kapacita závisí od ich vzdialenosti, meníme hodnotu kondenzátora, ktorý môže byť súčasťou oscilačného obvodu, ktorého frekvencia je závislá od jeho kapacity

o indukčné senzory dĺžky – pohybom časti magnetického obvodu meníme parametre tohto obvodu, pri cievke sa mení impendancia a pri transformátore veľkosť indukovaného napätia

o laserové merače dĺžky – pracujú na princípe interferencie dvoch lúčov, odrazeného od meraného objektu a porovnávacieho lúča

o inkrementálny merač dĺžky – meraná dráha je tvorená clonou rozdelenou prúžkami rovnakých rozmerov, meraná poloha sa určí na základe počtu načítaných impulzov od referenčnej polohy

- meranie uhla natočenia: principiálne meranie totožné s meraním dĺžky

o číslicový merač uhla natočenia – predstavuje absolútny merač polohy s výstupným signálom v číslicovom tvare, pozostáva z určitého počtu kruhových dráh vhodne rozdelených a tvoriacich tak clonu pre optický snímač

o inkrementálny snímač – pracuje na rovnakom princípe ako pri meraní dĺžky, no počet inkrementov súvisí z uhlom natočenia

o fotoodpor – snímač využívajúci zmenu vodivosti polovodiča v závislosti od dopadajúceho svetelného žiarenia

o hradlové fotodiódy - využívajú fotovoltaický jav na prechode PN, sú aktívne snímače generujúce elektrické napätie v závislosti od osvetlenia

o turbínkový prietokomer – rýchlosť otáčania turbínky v potrubí určitého prierezu určuje objem pretečenej kvapaliny – prietok

o ultrazvukový prietokomer – na základe Dopplerovho javu a známej rýchlosti šírenia sa vysielaného signálu v danej kvapaline vieme určiť rýchlosť jej prúdenia

o indukčný prietokomer – indukčnosť vhodne usporiadaného meracieho zapojenia sa mení s rýchlosťou prúdenia kvapaliny

o tepelný prietokomer – vyhrievacie teleso ohrieva kvapalinu, v smere prúdenia kvapaliny je následne umiestnený teplomer snímajúci teplotu

- meranie chemických veličín: ( uvedieme si iba niektoré princípy merania vybraných veličín)

o meranie pH – vodíkového komponentu – pomocou elektród so špeciálnym vyhotovením meriame napätie na nich závislé od pH faktora

o meranie koncentrácie rozpustných solí – meriame vodivosť roztoku striedavým napätím

o meranie vlhkosti vzduchu – pomocou látok, ktoré udržujú svoju vlhkosť v rovnováhe s vlhkosťou vzduchu, tento jav sprevádza zmena objemu alebo vodivosti, ktorú meriame

o LM 335 - je precízny senzor s rozsahom –40 °C až + 100 °C, výstupnou veličinou je napätie, takže nevyhnutnosťou je pripojenie ADC prevodníka

o DS18B20 – je teplotný senzor s rozsahom –55 °C do + 125 °C, disponuje rozhraním 1-Wire, pomocou ktorého je ho možné jednoducho pripojiť k mikropočítaču na niektorý z jeho univerzálnych vývodov, pomocou ktorého bude dané rozhranie realizované

- meranie vlhkosti a teploty – SHT11 – je senzor merajúci vlhkosť v rozmedzí od 0 do 100 % a teplotu od –40 °C do + 123 °C, ku mikropočítaču sa pripája prostredníctvom štandardného rozhrania I²C, ktorou je v súčasnej dobe vybavených mnoho mikropočítačov, čím je uľahčené pripojenie tohto senzora k mikropočítačovému systému

6.3.3 Podporné obvody

Medzi podporné obvody mikropočítača je možné zaradiť obvody rady PSD. PSD obvod v sebe zlučuje nevyhnutné prostriedky potrebné pre realizáciu externého pamäťového systému (dátovú aj programovú pamäť) pre mikropočítač za použitia jedného obvodu.

- dve programovateľné logické polia - možnosť dodatočnej konfigurácie obvodu podľa potrieb aplikácie

- programovateľné vstupné/výstupné porty – na rozšírenie počtu portov mikropočítača

V prípade potreby rozšíriť mikropočítač o pamäť dát a programu je možné pomocou PSD3xx obvodu eliminovať počet nutných pripojených obvodov k mikropočítaču z 3 (externá RAM, externá pamäť programu a LATCH obvod, , PSD obvody zlučujúci v sebe všetky tieto funkcie) na jeden.

6.3.4 Dohliadacie obvody

Dohliadacie obvody slúžia na monitorovanie a zabezpečenie správnej činnosti mikropočítača.

- obvodyPOR (Power-On Reset) – zabezpečujú správny nábeh mikropočítača po jeho pripojení na napájacie napätie. V prípade príliš pomalého nábehu napájacieho napätia môže dôjsť k stvavu, keď na výstupoch mikropočítača sa objaví náhodná sekvencia stavov. Tento negatívny jav je možné eliminovať použitím obvodu POR, ktorý zabezpečí resetovanie mikropočítača po ustálení napájacieho napätia na požadovanej úrovni. Príkladom je obvod TL7705 zabezpečujúci správnu funkciu mikropočítača operujúceho na napätí 5 V

- obvody PF (Power Fail) – v prípade výpadku napájacieho napätia môže v niektorých aplikáciách viesť k nedefinovanému ukončeniu práce mikropočítača. Na elimináciu tohto javu je možné použiť PF obvod monitorujúci napájacie napätie. V prípade výpadku napájania, keď začne napätie v obvode klesať, tento obvod upozorní mikropočítač na pokles napájania (nemaskovateľným prerušením) a mikropočítač môže zálohovať potrebné údaje napríklad do EEPROM pamäte. Pri opätovnom pripojení napájania je na základe odložených údajov umožnený korektný nábeh systému. Príkladom je MAX803L zabezpečujúci danú funkciu

- watchdog – mikropočítač môže v dôsledku rušenia okolitými zariadeniami (iné okolité elektronické súčiastky) alebo v dôsledku chyby výkonu programu dospieť do stavu nekorektného výkonu programu (zacyklenie a podobne), čiže program nevykonáva svoju pôvodnú funkciu. Na odstránenie možnosti vzniku tohto stavu je určený watchdog dohliadací obvod. Watchdog obsahuje časovač nastavený na určitý časový okamžik t_W. Vhodne napísaný program v mikropočítači v pravidelných časových intervaloch pomocou niektorého z univerzálnych vývodov mikropočítača generuje impulz. Impulz indikuje obvodu watchdog správnu funkciu. Ak daný impulz nepríde za čas t_W, watchdog generuje reset, ktorý reštartuje mikropočítač a ten sa vráti do definovaného stavu. Príkladom obvodu watchdog je MAX6814.

V súčasnej dobe sú tieto obvody už súčasťou niektorých mikropočítačov (AduC836) alebo sú integrované do jedného obvodu. Príkladom je MAX690. Zapojenie tohto obvodu spolu s mikropočítačom Intel 8051 je na obr. 6.27

Obvod MAX690 je doplnený navyše o funkciu možnosti zálohovania pripojenej RAM pamäte z batérie.

6.0 Rozhrania a periférie mikropočítačov