Podstawy projektowania systemów mikroprocesorowych, cz. 2.pdf

K U R S

Podstawy projektowania systemów

mikroprocesorowych, czêæ 2

W drugiej czêci artyku³u przedstawiamy zagadnienia zwi¹zane

z zerowaniem oraz taktowaniem mikrokontrolerów. Zagadnienia

te, doæ czêsto lekcewa¿one, maj¹ ogromny wp³yw na jakoæ

dzia³ania wszelkich urz¹dzeñ cyfrowych.

zwieraj¹cy wypro-

wadzenie RST do masy.

Du¿y rozrzut wartoci tego

rezystora nie pozwala na

odpowiednie dobranie czasu

zerowania - kondensator zalecany

przez producenta w takim uk³adzie

pracy powinien mieæ wartoæ 2,2

piêcia zasilania i w razie potrzeby gene-

ruj¹ sygna³ zeruj¹cy o odpowiednich pa-

rametrach (np. DS1812, MAX810 i inne).

Schemat aplikacyjny uk³adu DS1812 po-

kazano na rys. 5 .

W uk³adach pracuj¹cych z podtrzyma-

niem bateryjnym lub spe³niaj¹cych odpo-

wiedzialne funkcje czêsto stosuje siê

uk³ady nadzoruj¹ce watchdog. S¹ to za-

zwyczaj odpowiednio zbudowane liczni-

ki, które musz¹ byæ cyklicznie zerowane

przez odpowiednie rozkazy programowe -

zaniechanie zerowania przez d³u¿szy

okres (np. w wyniku zawieszenia siê pro-

cesora) powoduje wygenerowanie sygna³u

zeruj¹cego (RESET). Choæ uk³ady takie

wbudowane s¹ w bardziej rozbudowane

uk³ady rodziny '51, to jednak

atmelowskie wersje mikrokontrolerów

'51 ich nie posiadaj¹. Na szczêcie mo¿-

na zbudowaæ taki system, wykorzystuj¹c

popularne uk³ady cyfrowe. Podobnie jak

w przypadku zerowania, tak¿e tutaj mo¿-

na zastosowaæ jaki specjalizowany uk³ad

scalony, najtaniej jednak jest u¿yæ pod-

zespo³ów powszechnie dostêpnych i ta-

nich. Na rys. 6 przedstawiony zosta³

uk³ad zeruj¹cy wzbogacony o licznik re-

alizuj¹cy funkcjê watchdog. Wykorzysta-

no tutaj popularny i niedrogi uk³ad cza-

sowy CMOS 4541, tranzystor PNP i kilka

elementów R i C. Elementy R3, R4 i C2

stanowi¹ obwód wyznaczaj¹cy czêstotli-

woæ pracy wewnêtrznego generatora.

Wytwarzane przez niego impulsy s¹ zli-

czane w liczniku, a przepe³nienie licznika

powoduje ustawienie wyjcia Q w stan

niski, co spowoduje wyzerowanie proce-

sora. Stopieñ licznika okrelony jest

przez po³¹czenie wyprowadzeñ A i B. Dla

uk³adu przedstawionego na rysunku nie-

zerowany licznik przepe³ni siê po czasie

oko³o 0,5 sekundy. Wejcie zerowania

licznika watchdog sterowane jest z wy-

Czêsto wykorzystywan¹ par¹ elementów

stanowi¹c¹ uk³ad zerowania jest konden-

sator 10

- wartoci

te zapewniaj¹ czasy zerowania w grani-

cach 50...70 ms (z uwzglêdnieniem

wp³ywu wewnêtrznego rezystora), co

z odpowiednim zapasem spe³nia warunek

prawid³owego sygna³u RESET.

Czasami zachodzi potrzeba rêcznego

zerowania mikrokontrolera. Do tego celu

wykorzystuje siê uk³ad zwieraj¹cy kon-

densator obwodu zerowania w celu po-

nownego wprowadzenia stanu wysokiego

na wyprowadzenie RST. Mo¿e to byæ

wykonane zarówno przy pomocy przy-

cisku, styku przekanika, jak i przy po-

mocy elementu elektronicznego - tran-

zystora. Nie zaleca siê zerowania przez

do³¹czenie do wyprowadzenia RST ra-

zem z obwodem RC wyjcia bramki

uk³adu cyfrowego CMOS czy TTL, a to

ze wzglêdu na znaczny pr¹d roz³adowa-

nia kondensatora - do³¹czona bramka nie

ulegnie uszkodzeniu, jednak krótki im-

puls cyfrowy mo¿e nie daæ rady roz³a-

dowaæ kondensatora z powodu ograniczo-

nej wydajnoci pr¹dowej bramki. Je¿eli

chcemy zastosowaæ taki obwód, musimy

zapewniæ zerowanie przy w³¹czeniu za-

silania zrealizowane po stronie wejæ

dodatkowego uk³adu cyfrowego ( rys. 4 ).

Wówczas wystarczy zewnêtrzny impuls

zeruj¹cy o wydajnoci zwyk³ej bramki

cyfrowej - lecz musi on trwaæ minimum

2 cykle maszynowe. W przedstawionym

uk³adzie stanem aktywnym zewnêtrznego

impulsu RESET jest stan niski. W celu

zapewnienia zerowania po w³¹czeniu za-

silania zastosowano podobny do standar-

dowego obwód RC, lecz zamieniaj¹c

miejscami elementy i uwzglêdniaj¹c

w ten sposób negacjê wprowadzan¹

przez bramkê NAND. Z powodu ma³ej

szybkoci narastania napiêcia na konden-

satorze konieczne jest zastosowanie

bramki z wejciem Schmitta.

Warto wspomnieæ, ¿e istnieje wiele

uk³adów zerowania zbudowanych w po-

staci scalonej. Uk³ady te monitoruj¹ na-

3, 2, 1, start!

Zerowanie mikrokontrolera

W ka¿dym systemie wykorzystuj¹cym

mikrokontroler musi istnieæ uk³ad za-

pewniaj¹cy generacjê sygna³u zeruj¹cego.

W wyniku zerowania (RESET) wszystkie

linie portów mikrokontrolera przyjmuj¹

stan 1, licznik rozkazów przyjmuje war-

toæ 0000h, rejestry SFR przyjmuj¹ od-

powiednie dla siebie wartoci pocz¹tko-

we. Minimalna d³ugoæ trwania sygna³u

RESET wynosi 2 cykle maszynowe (24

takty zegara), zak³adaj¹c, ¿e uk³ad jest

zasilany i pracuje generator sygna³u ze-

garowego. Jeli zerowanie nastêpuje przy

w³¹czeniu napiêcia zasilania (lub jako

wyjcie ze stanu Power Down ), to trze-

ba uwzglêdniæ czas potrzebny na osi¹g-

niecie przez napiêcie zasilania wartoci

nominalnej oraz czas wzbudzenia siê ge-

neratora sygna³u zegarowego - bezpiecz-

ny czas trwania impulsu RESET wynosi

minimum 10 ms. Omawiane mikrokont-

rolery firmy Atmel wymagaj¹ podania na

wejcie RST stanu 1 w celu wykonania

operacji zerowania.

Wejcie zerowania mikrokontrolerów

'51 jest wejciem Schmitta, pozwala to

na zastosowanie najprostszych uk³adów

zerowania w postaci obwodu RC (rys.

2 i 3, EP3/2003). Mo¿liwe jest wykorzys-

tanie samego kondensatora, poniewa¿

mikrokontrolery Atmel posiadaj¹ wbudo-

wany rezystor o wartoci z przedzia³u

Rys. 4

Rys. 5

Elektronika Praktyczna 4/2003

20...300 k

F i rezystor 10 k

K U R S

Rys. 6

W przypadku urz¹dzenia zawieraj¹ce-

go uk³ady wspó³pracuj¹ce wymagaj¹ce

zerowania wraz z mikrokontrolerem, syg-

na³ zeruj¹cy mo¿na uzyskaæ z sygna³u

zeruj¹cego mikrokontroler. Najprociej

jest to zrealizowaæ w przypadku uk³adu

zerowania przedstawionego na rys. 4 -

wystarcza wówczas bezporednie po³¹-

czenie koñcówek RESET wszystkich

uk³adów z koñcówk¹ RST mikrokontro-

lera (lub poprzez negator, je¿eli wspó³-

pracuj¹ce uk³ady s¹ zerowane zerem lo-

gicznym). W pozosta³ych przypadkach

nale¿y zastosowaæ bufor (lub je¿eli po-

trzeba negator) z wejciem Schmitta po-

zwalaj¹cy na sterowanie wolnozmien-

nym przebiegiem ³adowania kondensato-

ra. Je¿eli potrzebne jest zerowanie nie-

zale¿ne od wewnêtrznego zerowania

mikrokontrolera, to nale¿y jako ród³o

sygna³u zeruj¹cego wykorzystaæ jedn¹

z linii portów i do niej do³¹czyæ wy-

prowadzenia RESET wspó³pracuj¹cych

uk³adów. Je¿eli aktywnym stanem wy-

prowadzeñ RESET bêdzie stan wysoki,

to uk³ady zewnêtrzne zostan¹ wyzero-

wane równie¿ podczas zerowania mik-

rokontrolera - wszystkie linie portów

ustawiane s¹ wtedy w stan 1.

prowadzenia P3.5 za porednictwem uk³a-

du ró¿niczkuj¹cego - uk³ad zerowany jest

przy narastaj¹cym zboczu sygna³u na

P3.5. B³êdem by³oby bezporednie po³¹-

czenie wyprowadzenia zeruj¹cego uk³adu

watchdog i wyprowadzenia procesora, po-

niewa¿ uk³ad nie zadzia³a³by w przypad-

ku zawieszenia siê programu, gdy na

P3.5 by³by stan wysoki (watchdog by³by

ca³y czas zerowany).

Obs³uga programowa uk³adu nadzo-

ruj¹cego watchdog polega na cyklicznym

(czêciej ni¿ raz na 0,5 sekundy dla

opisanego uk³adu) generowaniu zbocza

narastaj¹cego (impulsów), powoduj¹cego

wyzerowanie licznika. B³êdem jest u¿y-

cie do tego celu podprogramu obs³ugi

przerwania, gdy¿ mimo zawieszenia siê

programu g³ównego przerwania mog¹ na-

dal funkcjonowaæ w pe³ni sprawnie. Naj-

lepiej jest umieciæ rozkaz negacji wy-

prowadzenia (lub rozkazy ustawiania

i zerowania) w pêtli g³ównej programu

oraz w wywo³ywanych procedurach, jeli

mog¹ one realizowaæ siê d³u¿ej ni¿ czas

potrzebny na przepe³nienie licznika wat-

chdog. Przyk³adowy program móg³by wy-

gl¹daæ tak:

Podprogram FUNKCJA3 nale¿y zreali-

zowaæ tak:

FUNKCJA3:

;(rozkazy danej funkcji)

PETLA:

SETB P3.5

;ustawienie linii zeruj¹cej

;(rozkazy w pêtli)

CLR P3.5

;wyzerowanie linii zeruj¹cej

CJNE A,#25,PETLA

;przyk³adowy warunek wykonywania

;pêtli

;(rozkazy danej funkcji)

RET ;powrót do programu g³ównego

Elektroniczny Tam-Tam, czyli

taktowanie mikrokontrolera

Ka¿dy synchroniczny uk³ad cyfrowy,

a takim uk³adem jest te¿ mikrokontroler,

potrzebuje do pracy sygna³u taktuj¹cego

(zegarowego) w celu synchronizacji prze-

p³ywu informacji miêdzy poszczególny-

mi blokami. Sygna³ zegarowy wyznacza

równie¿ szybkoæ pracy mikrokontrolera.

W wiêkszoci mikrokontrolerów rodziny

'51 cykl maszynowy trwa 12 cykli zega-

rowych, czyli rozkazy (te trwaj¹ce jeden

cykl maszynowy) s¹ wykonywane z czês-

totliwoci¹ równ¹ 1/12 czêstotliwoci ge-

neratora sygna³u zegarowego.

Taktowanie omawianych mikrokont-

rolerów jest bardzo ³atwe - wystarcza

pod³¹czenie do wyprowadzeñ XTAL1

i XTAL2 rezonatora kwarcowego lub ce-

ramicznego i dwóch kondensatorów ( rys.

7 ). W przypadku rezonatorów kwarco-

wych producent zaleca do³¹czenie kon-

densatorów o pojemnoci 20 do 40 pF,

dla rezonatorów ceramicznych - 30...50

pF. Czasami zdarza siê jednak, ¿e ge-

nerator nie chce siê wzbudziæ - zw³asz-

cza dla kwarców o niskich czêstotliwo-

ciach (np. popularny zegarkowy

32768 Hz) - najczêciej pomaga wtedy

zwiêkszenie pojemnoci wspó³pracuj¹-

cych kondensatorów (do np. 470 pF

dla kwarców zegarkowych) lub obni-

¿enie (!) napiêcia zasilania (co spraw-

Nale¿y pamiêtaæ tak¿e o tym, ¿e

przedstawiony uk³ad watchdog rozpoczy-

na pracê po w³¹czeniu zasilania, wiêc

rozkaz zerowania powinien byæ umiesz-

czony tak¿e w czêci inicjuj¹cej proce-

sor (rejestry, timery, itp.), szczególnie

gdy procedury inicjuj¹ce s¹ czasoch³on-

ne, np. zerowanie ca³ej pamiêci danych,

odczyty nastaw z pamiêci zewnêtrznej

lub inicjalizacja wolnych uk³adów do³¹-

czonych do procesora. Je¿eli oka¿e siê,

¿e podprogram inicjuj¹cy nie wyrobi

siê w czasie potrzebnym na przepe³nie-

nie licznika watchdog, mikrokontroler

bêdzie cyklicznie zerowany i program

g³ówny nie ruszy.

Przy projektowaniu urz¹dzenia nie

nale¿y zapominaæ, ¿e uk³ady zeruj¹ce

i watchdoga powinny pracowaæ wtedy,

gdy pracuje mikrokontroler, wiêc jeli

korzystamy z obwodu zasilania awaryjne-

go, te uk³ady musz¹ byæ zasilane rów-

nie¿ z uk³adu podtrzymania napiêcia za-

silaj¹cego. W przeciwnym razie, w przy-

padku zaniku g³ównego napiêcia zasila-

j¹cego, mikrokontroler zostanie zabloko-

wany przez stale podawany sygna³ RE-

SET lub zostanie pozbawiony nadzoru

sprawowanego przez uk³ad watchdoga.

PETLA_GLOWNA:

;(rozkazy w pêtli g³ównej)

LCALL FUNKCJA1

;wywo³anie procedury szybkiej

;(rozkazy w pêtli g³ównej)

LCALL FUNKCJA2

;wywo³anie procedury szybkiej

CPL P3.5 ;negacja wyprowadzenia

;sygna³u zeruj¹cego

;uk³ad watchdog

;(rozkazy w pêtli g³ównej)

LCALL FUNKCJA3

;wywo³anie procedury wolnej

LJMP PETLA_GLOWNA

;skok do pocz¹tku pêtli g³ównej

Rys. 7

Elektronika Praktyczna 4/2003

K U R S

Rys. 8

strajaj¹ce dzia³anie pod³¹czanej sondy

(najlepiej stosowaæ sondy sprzêgane bez-

po³¹czeniowo lub sondy z wysok¹ impe-

dancj¹ wejciow¹, ewentualnie stosowaæ

po³¹czenie za porednictwem kondensa-

tora rzêdu 1...2pF). W przypadku stoso-

wania du¿ych Atmeli mo¿liwy jest po-

miar czêstotliwoci wystêpuj¹cej na wy-

prowadzeniu ALE. Je¿eli mikrokontroler

nie wspó³pracuje z zewnêtrzn¹ pamiêci¹

danych (program nie zawiera instrukcji

MOVX), to czêstotliwoæ na wyprowa-

dzeniu ALE jest równa dok³adnie 1/6

czêstotliwoci generatora zegarowego.

Uk³ady rodziny '51 umo¿liwiaj¹

równie¿ pracê z zewnêtrznym ród³em

sygna³u zegarowego ( rys. 8 ). Mikrokon-

trolery Atmel wymagaj¹ w takiej sytua-

cji pozostawienie niepod³¹czonego wy-

prowadzenia XTAL2, a sygna³ zegarowy

(sygna³ prostok¹tny o poziomach odpo-

wiadaj¹cych stanom 0 i 1) nale¿y dopro-

wadziæ do wyprowadzenia XTAL1. Nie

jest konieczne zachowanie wype³nienia

impulsów na poziomie 50%. Mo¿liwe

jest zatem zastosowanie scalonych ge-

neratorów oferuj¹cych du¿¹ dok³adnoæ

i stabilnoæ czêstotliwoci, a w trakcie

uruchamiania mo¿na wykorzystaæ jako

ród³o sygna³u zegarowego generator

funkcyjny z wyjciem TTL - p³ynna

zmiana czêstotliwoci taktowania umo¿-

liwia zwolnienie pracy mikrokontrolera

praktycznie do jego zatrzymania, co po-

zwala na ³atw¹ weryfikacjê generowa-

nych przez mikrokontroler przebiegów

w przypadku k³opotów z uruchomieniem

oprogramowania.

Dobór czêstotliwoci zegarowej mo¿-

na rozpatrywaæ z dwóch punktów widze-

nia: je¿eli potrzebujemy du¿ej szybkoci

dzia³ania, to wybierzemy czêstotliwoæ

blisk¹ maksymalnej, je¿eli budujemy

uk³ad energooszczêdny, to zastosujemy

kwarc zegarkowy lub rezonator cera-

miczny o czêstotliwoci kilkuset kHz.

Zawsze nale¿y pamiêtaæ o tym, ¿e w da-

nej aplikacji mo¿emy potrzebowaæ wy-

konywania jakiego podprogramu ze sta-

³¹ czêstotliwoci¹ - warto wiêc dobieraæ

takie czêstotliwoci taktowania, które po

podzieleniu przez liczbê ca³kowit¹ (naj-

lepiej potêgê dwójki) dadz¹ czêstotliwoæ

jak najbli¿sz¹ tej potrzebnej. Dodatkowo

nale¿y zwróciæ uwagê na fakt, ¿e czês-

totliwoæ zegarowa nie jest dostêpna od

strony programowej - program widzi

jedynie 1/12 tej czêstotliwoci, co nale-

¿y uwzglêdniæ przy wyznaczaniu po-

trzebnej czêstotliwoci zegarowej.

Nale¿y równie¿ wspomnieæ, ¿e uk³ad

wbudowanego w mikrokontroler generato-

ra taktuj¹cego powoduje wzbudzenie siê

kwarcu na jego czêstotliwoci podstawo-

wej (choæ niekiedy rezonatory wzbudza-

j¹ siê na owertonie - zw³aszcza cera-

miczne o niewielkich czêstotliwociach),

wiêc nie da siê bez dodatkowych ob-

wodów taktowaæ mikrokontrolera '51

(nawet jeli jest to przewidziane przez

producenta) z czêstotliwoci¹ wiêksz¹ ni¿

30 MHz (kwarce o wy¿szych czêstotli-

wociach s¹ budowane niemal wy³¹cz-

nie jako owertonowe). Je¿eli zastosujemy

taktowanie zewnêtrzne (np. przy pomo-

cy scalonego generatora), to mo¿na zmu-

siæ niektóre egzemplarze 24 MHz uk³a-

dów firmy Atmel, zarówno 20- jak i 40-

nó¿kowych, do pracy z czêstotliwoci¹

przekraczaj¹c¹ 60 MHz! Obowi¹zuje tu-

taj podobna zasada jak przy overcloc-

kingu procesorów komputerów PC -

uk³ad mo¿e pracowaæ niestabilnie przy

tak du¿ych czêstotliwociach. Je¿eli jed-

nak z powodu wymaganych przez pro-

gram zale¿noci czasowych potrzebujemy

czêstotliwoci taktowania do kilku MHz

wiêkszej od maksymalnej czêstotliwoci

pracy uk³adu, to zazwyczaj nie ma siê

czego obawiaæ i mia³o takie niewielkie

przetaktowanie mo¿na stosowaæ.

Pawe³ Hadam

dzono w praktyce). Zwiêkszanie pojem-

noci pomaga równie¿ wtedy, gdy rezo-

nator wzbudzi siê na czêstotliwoci

owertonowej. Czêstotliwoæ taktowania

dla najszybszych wersji AT89Cx051

i AT89C51 i 52 mo¿e przyjmowaæ war-

toci od 0 do 24 MHz.

Projektuj¹c uk³ad mikroprocesorowy

czêsto zale¿y nam na du¿ej dok³adnoci

czêstotliwoci sygna³u taktuj¹cego, który

mo¿e byæ wykorzystywany np. jako wzo-

rzec czêstotliwoci do realizowanego na

drodze programowej zegara czasu rzeczy-

wistego. Czêstotliwoæ wzbudzenia siê

rezonatora mo¿e ró¿niæ siê od czêstotli-

woci znamionowej i wtedy zrealizowa-

ny zegar bêdzie spieszy³ lub spó-

nia³. W przypadku niewielkich odchy³ek

(np. dla zegara wynosz¹cych kilka-kilka-

nacie sekund na dobê) nale¿y dokonaæ

korekty pojemnoci uk³adu generatora -

zwiêkszanie pojemnoci zmniejsza czês-

totliwoæ (spowalnia zegar). Je¿eli od-

chy³ki s¹ wy¿sze, to pomóc mo¿e szere-

gowe w³¹czenie z rezonatorem indukcyj-

noci (rzêdu

Elektronika Praktyczna 4/2003

H) lub pojemnoci (kil-

ka...kilkanacie pF). W³¹czenie pojemno-

ci zwiêksza czêstotliwoæ, indukcyjnoæ

czêstotliwoæ zmniejsza. Dobrym pomys-

³em jest zastosowanie tutaj trymera lub

cewki z rdzeniem mog¹cym zmieniaæ po-

³o¿enie. Umo¿liwi to naprawdê dok³ad-

ne ustawienie ¿¹danej czêstotliwoci.

Mo¿liwoæ bezporedniego pomiaru czês-

totliwoci pracy wbudowanego generato-

ra jest ograniczona ze wzglêdu na od-

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: