Mikrokontrolery_ARM_cz4.pdf

K U R S

Mikrokontrolery z rdzeniem ARM,

część 4

Poprzednio zajmowaliśmy

się opisem budowy jednostki

centralnej ARM7TDMI–S.

W dalszej części kursu będziemy

bazować na dwóch typach

mikrokontrolerów opartych na

tym rdzeniu: LPC213x oraz

jego młodszym bracie LPC214x.

Wybrano te dwa rodzaje

układów ze względu na ich

niską cenę, bogate wyposażenie

w układy peryferyjne oraz

zasilanie pojedynczym

napięciem. W bieżącym odcinku

zapoznamy się ze wstępną

charakterystyką mikrokontrolera,

sposobem podłączenia zasilania

i rezonatora kwarcowego,

układem zerowania oraz jego

architekturą wewnętrzną.

– zegar RTC z niezależnym genera-

torem 32,768 kHz oraz osobnym

wejściem zasilającym;

– 2 porty szeregowe UART (zgod-

ne programowo z układem

16550) służące do asynchronicz-

nej transmisji szeregowej;

– kontroler I2C – interfejs I2C

jest popularnym synchronicznym

interfejsem szeregowym opra-

cowanym przez ﬁrmę Philips,

służącym do ko-

munikacji z innymi

układami wewnątrz

systemu;

– kontroler SPI – in-

terfejs SPI jest

szybkim szerego-

wym interfejsem

synchronicznym

służącym do komu-

nikacji pomiędzy

procesorem a ukła-

dami peryferyjnymi;

– kontroler SSP – jest

rozbudowanym kon-

trolerem synchro-

nicznej transmisji

szeregowej, potra-

ﬁącym pracować

w trybach magistra-

li SPI, 4–wire SSI

oraz Microwire;

– wektoryzowany

kontroler przerwań

(VIC);

– wewnętrzną pętlę

PLL służącą do

powielania często-

tliwości kwarcu;

– d o d a t k o w o

LPC214x wyposa-

żono w kontroler

USB z kanałem DMA oraz do-

datkowy układ PLL.

Drobnym mankamentem mi-

krokontrolerów LPC213x/214x

jest brak wewnętrznej pamię-

ci EEPROM, jednak problem ten

można prosto rozwiązać dołączając

do magistrali I2C pamięć np. z ro-

dziny AT24Cxx.

W tab. 5 przedstawiono po-

szczególne typy układów LPC213x/

Podczas projektowania systemu

mikroprocesorowego często zasta-

nawiamy się jaki mikrokontroler

wybrać dla danego zastosowania.

Oprócz odpowiedniej mocy oblicze-

niowej kluczowe znaczenie ma także

bogate wyposażenie w układy peryfe-

ryjne. Im więcej zasobów będzie się

znajdować we wnętrzu mikrokontro-

lera, tym mniej dodatkowych ukła-

dów będziemy musieli dołączyć na

zewnątrz, a co za tym idzie projekt

płytki drukowanej będzie prostszy.

Mikrokontrolery LPC213x/214x

są dość bogato wyposażone w ukła-

dy peryferyjne. Oprócz wbudowanej

wewnętrznej pamięci Flash i ROM

w ich wnętrzu znajdują się ( rys. 6

i rys. 7 ):

– porty wejścia–wyjścia GPIO;

– jeden lub dwa 10–bitowe prze-

tworniki A/C z 8– (LPC213x) lub

6–wejściowym (LPC214x) multi-

plekserem;

– pojedynczy 10–bitowy przetwor-

nik C/A;

– dwa 32–bitowe timery z 32–bito-

wym preskalerem. Każdy z time-

rów posiada 4 kanały przechwy-

tujące, 4 kanały porównujące

oraz 6 kanałów PWM;

– układ watchdog;

Rys. 6.

Elektronika Praktyczna 3/2006

101

K U R S

214x wraz krótką

charakterystyką ich

zasobów.

Mikrokontro-

lery są dostęp-

ne w obudowach

TQFP64 i są ze

sobą kompatybilne

pod względem roz-

mieszczenia wypro-

wadzeń, różnią się

tylko rozmiarem

pamięci oraz licz-

bą wbudowanych

układów peryferyj-

nych. Do dyspozy-

cji mamy układy

o pojemności pa-

mięci od 32 kB do

512 kB Flash i od

8 do 40 kB RAM,

więc możemy wy-

brać odpowiedni

układ na miarę na-

szych potrzeb.

obudowach TQFP64. Pomimo małego

rastra wyprowadzeń (0,5 mm), przy

odrobinie wprawy, także w warun-

kach amatorskich nie powinno być

problemu z ich montażem.

Jak większość współczesnych

układów cyfrowych, mikrokontrolery

LPC213x/4x są dostosowane do zasi-

lania pojedynczym napięciem 3,3 V

±10%. Linie I/O są przystosowane

do współpracy z układami zasilany-

mi napięciem o wartości 5 V.

Mikrokontrolery wyposażono

w 32–bitowe porty wejścia–wyjścia

P0 i P1, przy czym port P1 ma wy-

prowadzone tylko 16 najstarszych bi-

tów (P1.16…P1.31). Wszystkie porty

są dwukierunkowe i mają maksymal-

ną wydajność prądową do 45 mA,

zarówno od plusa, jak i minusa na-

pięcia zasilającego. Każde z wypro-

wadzeń ma przypisaną od jednej do

trzech funkcji alternatywnych. (np.

wejście przetwornika A/C).

Ze względu na zakłócenia po-

wstające w cyfrowej części mikro-

kontrolerów, rozdzielono napięcia

zasilające część cyfrową i analo-

gową. Do zasilania części cyfro-

wej służą wyprowadzenia Vdd (+)

oraz Vss (–), natomiast zasilanie

części analogowej stanowią wypro-

wadzenia Vdda (+) oraz Vssa (–).

Rys. 7.

Porty IO oraz

zasilanie

mikrokontrolera

Mikrokontrolery

LPC213x/214x do-

stępne są w niewiel-

kich 64–pinowych

Rys. 8.

102

Elektronika Praktyczna 3/2006

K U R S

Tab. 5. Charakterystyka mikrokontrolerów LPC213x/214x

powinien być, więc zaprojektowany

tak, aby podczas normalnej pracy

zasilanie zegara RTC odbywało się

z napięcia głównego, a nie z baterii

podtrzymującej. Do prawidłowej pra-

cy zegara RTC wymagane jest pod-

łączenie do pinów RTXC1 i RTXC2

rezonatora kwarcowego o częstotli-

wości 32,768 kHz. Mikrokontrolery

LPC213x/214x nie posiadają wbu-

dowanego źródła napięcia referen-

cyjnego, dlatego do prawidłowej

pracy przetwornika A/C i C/A ko-

nieczne jest podanie do pinu Vref

napięcia referencyjnego. Napięcie to

powinno zawierać się w przedziale

(3,0…3,3 V). W przypadku, gdy za-

leży nam na dokładnych pomiarach

należy zastosować zewnętrzny układ

napięcia referencyjnego np. TL431.

Natomiast, gdy pomiary nie mu-

szą być precyzyjne pin Vref można

połączyć bezpośrednio z zasilaniem

analogowym mikrokontrolera (Vdda).

Mikrokontroler w stanie aktywnym

pobiera prąd rzędu 15 mA przy

częstotliwości taktowania 10 MHz,

natomiast przy 60 MHz pobór prą-

du wzrasta do ok. 55 mA. W trybie

uśpienia ( Power Down ) jest pobiera-

ny prąd o wartości około 60 mA.

Typ Flash RAM A/C C/A Timery RTC

SPI/

SSP

I2C UART USB

LPC2131 32 kB 8 kB 1 – 2 1 2 1 2 –

LPC2132 64 kB 16 kB 1 1 2 1 2 1 2 –

LPC2134 128 kB 16 kB 2 1 2 1 2 1 2 –

LPC2136 256 kB 32 kB 2 1 2 1 2 1 2 –

LPC2138 512 kB 32 kB 2 1 2 1 2 1 2 –

LPC2141 32 kB 8 kB 1 – 2 1 2 1 2 1

LPC2142 64 kB 16 kB 1 1 2 1 2 1 2 1

LPC2144 128 kB 16 kB 2 1 2 1 2 1 2 1

LPC2146 256 kB 40 kB 2 1 2 1 2 1 2 1

LPC2148 512 kB 40 kB 2 1 2 1 2 1 2 1

Podczas projektowania płytki dru-

kowanej musimy pamiętać o pra-

widłowym zasilaniu części analo-

gowej i cyfrowej. Masy analogowe

i cyfrowe powinny być prowadzone

oddzielnie i spotykać się w jednym

punkcie. Napięcie zasilające Vdda

powinno być odﬁltrowane chociaż-

by za pomocą prostego ﬁltru RC

lub jeszcze lepiej LC (jak choć-

by na rys. 8 ). W celu eliminacji

zakłóceń musimy także pamiętać

o kondensatorach blokujących, które

powinny znajdować się jak najbli-

żej wyprowadzeń mikrokontrolera.

Wbudowany układ RTC ma wypro-

wadzone oddzielne napięcie zasila-

jące Vbat, które można wykorzystać

do podtrzymania pracy zegara. Do

poprawnego działania zegara wyma-

gane jest napięcie zasilające o war-

tości od 2 do 3,6 V, przy poborze

prądu o wartości 20 mA, co pozwa-

la zasilać układ zegara np. z małej

baterii litowej. Przy projektowaniu

zasilania awaryjnego zegara RTC,

musimy pamiętać o tym, że pod-

czas pracy aktywnej mikrokontrole-

ra prąd pobierany przez zegar RTC

wzrasta do poziomu 80 mA. Układ

Rys. 9.

Magistrale wewnętrzne

Każda jednostka centralna do

prawidłowej pracy wymaga otocze-

nia, takiego jak pamięć operacyjna

czy układy peryferyjne. Układy te

są dołączane do CPU za pomo-

cą magistral. Proste 8/16–bitowe

systemy mikroprocesorowe posia-

dały najczęściej jedną magistralę,

do której podłączone były wszyst-

kie układy współpracujące. Szyb-

ko okazało się jednak, że takie

rozwiązanie jest niewystarczające

z uwagi na ograniczoną przepusto-

Elektronika Praktyczna 3/2006

103

K U R S

wość. Problemem było także to, że

do jednej magistrali były podłączo-

ne układy o bardzo różnej prędko-

ści działania. Przykładowo, dostęp

do bardzo wolnego urządzenia pe-

ryferyjnego powodował zablokowa-

nie całej magistrali na czas oczeki-

wania na dane z tego urządzenia.

W systemach 32–bitowych wprowa-

dzono kilka oddzielnych magistral,

co umożliwia znaczne zwiększenie

wydajności. W dużych systemach

mikroprocesorowych istotny jest

także problem kompatybilności,

gdyż wprowadzenie nowej szybszej

magistrali powoduje, że układy

współpracujące ze starą magistra-

lą stają się zupełnie bezużyteczne.

Poza tym nie wszystkie układy pe-

ryferyjne wymagają dużej szybkości

pracy. Rozwiązaniem tych proble-

mów jest opracowanie układu po-

mostu pośredniczącego pomiędzy

nową (szybką), a starą (wolną) ma-

gistralą. Rdzeń ARM7TDMI–S po-

siada dwie magistrale mianowicie:

magistralę lokalną ( local bus ) oraz

magistralę AHB ( Advanced High

Performance Bus ).

Magistrala lokalna wykorzystywa-

na jest najczęściej do podłączenia

pamięci operacyjnej, natomiast ma-

gistrala AHB służy do podłączenia

urządzeń peryferyjnych. Podłączenie

urządzeń peryferyjnych i pamięci do

oddzielnej magistrali zapewnia więk-

szą wydajność systemu. W mikro-

kontrolerach LPC213x do magistra-

li lokalnej podłączona jest pamięć

Flash i SRAM, natomiast do magi-

strali AHB podłączony jest kontroler

przerwań VIC ( Vectorized Interrupt

Controller ) oraz most do magistra-

li VBP ( VLSI perhipheral bus ). Ma-

gistrala VBP służy do podłączenia

wszystkich pozostałych układów pe-

ryferyjnych mikrokontrolera. Zastoso-

wanie dodatkowej magistrali (VPB)

umożliwia pracę wolniejszych urzą-

dzeń bez spowalniania pozostałych

układów mikrokontrolera. Po starcie

magistrala VPB pracuje z 1/4 prędko-

ści jednostki CPU, jednak wszystkie

wbudowane peryferia umożliwiają

pracę z pełną częstotliwością CPU

(60 MHz). Na rys. 9 przedstawiono

architekturę wewnętrzną mikrokon-

trolerów LPC213x/214x.

Warto w tym miejscu wspomnieć,

że w mikrokontrolerach LPC213x

porty wejścia–wyjścia (I/O) są pod-

łączone do CPU za pomocą magi-

strali VBP, tak więc dostęp do nich

jest stosunkowo wolny, co było już

sygnalizowane na łamach EP. Kon-

struktorzy Philipsa szybko zauwa-

żyli ten problem i w mikrokontrole-

rach LPC214x porty IO podłączone

są do magistrali lokalnej ( Local

Bus ), co zapewnia bardzo krótki

czas dostępu. W mikrokontrolerach

LPC2146/2148 do magistrali AHB

dołączono także dodatkowe 8 kB

pamięci RAM, która jest wykorzy-

stywana przez kanał DMA kon-

trolera USB. Wykorzystanie DMA

umożliwia transfer danych pomię-

dzy USB, a pamięcią, bez ingeren-

cji jednostki centralnej. Pomimo,

iż układy peryferyjne podłączone

są do różnych magistral, z punktu

widzenia programisty wszystkie za-

soby są widoczne w liniowej 32–bi-

towej przestrzeni adresowej.

Lucjan Bryndza, EP

lucjan.bryndza@ep.com.pl

ARM7TDMI ®

ADuC7000

…uk³ady i narzêdzia uruchomieniowe

- ju¿ dostêpne !

ANALOG

DEVICES

uznany dostawca

rozwi¹zañ dla

ANALOG

DEVICES

teraz, jako partner

www.analog.com/dsp/3rdparty

ALFINE P.E.P.

ul. Poznañska 30-32 • 62-080 Tarnowo Podgórne

tel.: (61) 89 66 934, 89 66 936 • fax: (61) 81 64 414, 81 64 076

e-mail: analog@alfine.pl • http: //www.alfine.pl

AlfineTeam likeneverbefore

104

Elektronika Praktyczna 3/2006

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: