Podstawy projektowania systemów mikroprocesorowych, cz. 1.pdf

K U R S

Podstawy projektowania systemów

mikroprocesorowych, czêæ 1

Dlaczego '51 i dlaczego Atmel? Odpo-

wied jest prosta: ze wzglêdu na wbudo-

wan¹ pamiêæ Flash, nisk¹ cenê i ³atw¹

dostêpnoæ s¹ to mikrokontrolery bardzo

popularne, a ze wzglêdu na du¿¹ popu-

larnoæ ³atwo jest znaleæ tanie, czêsto

bezp³atne, programy narzêdziowe. Umo¿-

liwia to amatorom-elektronikom realizacjê

kompleksowych projektów bez ponoszenia

jakichkolwiek kosztów. Co wiêcej, gwa-

rantowana przez producenta minimalna

liczba cykli zapisu przekracza 1000, co

w zupe³noci wystarcza do przygotowania,

przetestowania i wprowadzenia poprawek

do dowolnie skomplikowanego programu

- nie ma wiêc koniecznoci kupowania

emulatora sprzêtowego.

Zapewne niektórzy Czytelnicy stwier-

dz¹, ¿e s¹ lepsze, szybsze, nowoczeniej-

sze konstrukcje (np. rodzina AVR Atme-

la, PIC-e, czy inne) i bêd¹ mieli trochê

racji, jednak w wiêkszoci typowych za-

stosowañ nie jest potrzebna ani zawrot-

na moc obliczeniowa, ani rozbudowane

peryferie wbudowane w mikrokontroler -

potrzebny jest tani uk³ad, ³atwy do ku-

pienia w sklepie elektronicznym w ma-

³ym miecie, dobrze opisany i prosty

w programowaniu.

Na rynku wydawniczym, w czasopis-

mach i w publikacjach elektronicznych

jest dostêpnych wiele informacji na te-

mat mikrokontrolerów rodziny '51, ich

parametrów, budowy wewnêtrznej, dzia-

³ania uk³adów peryferyjnych i zasad pro-

gramowania. Brakuje pozycji w przystêp-

ny sposób przekazuj¹cej praktyczne in-

formacje dotycz¹ce projektowania uk³a-

dów elektronicznych wykorzystuj¹cych

mikrokontrolery. Choæ w tym artykule

i cyklu nastêpnych skoncentrujemy siê

na najprostszych mikrokontrolerach ro-

dziny '51 firmy Atmel (AT89Cx051,

AT89C51, AT89C52), to podane tutaj in-

formacje przydadz¹ siê równie¿ (poza

wykorzystaniem specyficznych cech wy-

mienionych procesorów) przy realizacji

projektów, w których zastosujemy proce-

sor z rodziny AVR, PIC, uk³ady Motoro-

li czy innych producentów. Poka¿emy

najprostsz¹ drogê prowadz¹c¹ do reali-

zacji konkretnego celu, przedstawimy

najczêciej pope³niane b³êdy i sposoby

ich unikania, omówimy wspó³pracê mik-

Rozpoczynamy cykl artyku³ów, w których zostan¹ przedstawione

najwa¿niejsze zagadnienia zwi¹zane z projektowaniem

systemów mikroprocesorowych. Na modelowy mikrokontroler

wybralimy atmelowskie wersje 8051, które ciesz¹ siê bardzo

du¿ym powodzeniem wród projektantów w naszym kraju.

rokontrolera z uk³adami analogowymi,

ilustruj¹c wszystko schematami i w razie

potrzeby przyk³adowymi procedurami

w asemblerze.

W realiach obecnej elektroniki,

zw³aszcza cyfrowej, bez mikroprocesorów

ani rusz, dlatego najwy¿sza pora, aby

zapoznaæ siê z niezbyt trudn¹ sztuk¹

praktycznego projektowania urz¹dzeñ wy-

korzystuj¹cych mikrokontrolery, która ot-

wiera drogê nowym zastosowaniom nie-

dostêpnym lub trudnym w realizacji przy

u¿yciu zwyk³ych uk³adów cyfrowych

TTL czy CMOS i pozwala na realizacjê

elastycznych rozwi¹zañ dziêki po³¹czeniu

i wspó³pracy uk³adów sprzêtowych i pro-

gramu. Zatem zaczynamy...

tak¿e spadek napiêcia wyjciowego,

zmniejszy siê t³umienie têtnieñ zasilania

i stabilizator - ogólnie mówi¹c - przesta-

nie pe³niæ swoj¹ funkcjê (choæ mikro-

kontroler i uk³ady wspó³pracuj¹ce ci¹gle

mog¹ dzia³aæ - nie bêdzie to jednak

praca pewna). Kondensatory C1 i C2 po-

winny byæ umieszczone jak najbli¿ej wy-

prowadzeñ stabilizatora - zapobiegaj¹

one jego wzbudzeniu. W pobli¿u wypro-

wadzeñ zasilania mikrokontrolera, jak

i ka¿dego innego uk³adu cyfrowego, mu-

sz¹ byæ umieszczone kondensatory blo-

kuj¹ce zasilanie (C4, C5) zapobiegaj¹ce

zak³ócaj¹cemu dzia³aniu uk³adów na szy-

nê zasilania i zabezpieczaj¹ce inne ele-

menty przed zak³óceniami przenoszony-

mi t¹ szyn¹. Pojemnoæ kondensatora C3

nie powinna byæ zbyt du¿a (dla syste-

mów pobieraj¹cych kilkanacie...kilka-

dziesi¹t mA kondensator C3 jest zby-

teczny), du¿o wa¿niejsza jest wartoæ

pojemnoci C przed stabilizatorem, daj¹-

ca odpowiedni zapas energii redukuj¹cy

têtnienia sieci.

Ze stabilizatora 7805 mo¿na uzyskaæ

pr¹d o maksymalnym natê¿eniu 1 A, co

jest wartoci¹ ca³kowicie wystarczaj¹c¹

dla wiêkszoci aplikacji. Wa¿n¹ spraw¹

jest moc tracona w stabilizatorze, która

przy napiêciu zasilaj¹cym rzêdu 12

V i wy¿szym (max. 24 V), zmusza nas

do stosowania radiatora, czasem o doæ

pokanych rozmiarach.

Pobór pr¹du przez mikrokontroler

jest zale¿ny od napiêcia zasilania oraz

od czêstotliwoci taktowania. Producent

podaje pobór pr¹du dla czêstotliwoci

oscylatora 12 MHz, który dla uk³adów

89C5x wynosi 25 mA, a dla uk³adów

89Cx051 wynosi 5,5 mA przy zasilaniu

3 V i 15 mA przy 6 V. Z tego powodu

ma³e Atmele s¹ bardzo atrakcyjn¹ pro-

pozycj¹ dla aplikacji z zasilaniem bate-

Bez pr¹du ani rusz, czyli

zasilanie mikrokontrolera

Wa¿n¹, lecz niejednokrotnie lekcewa-

¿on¹ spraw¹ jest zasilanie mikrokontrole-

ra. Czêsto w³anie niefortunne rozwi¹za-

nie obwodów zasilania jest przyczyn¹ nie-

stabilnej pracy, objawiaj¹cej siê niekontro-

lowanym zerowaniem uk³adu lub genera-

cj¹ zak³óceñ na szynach zasilania i wp³y-

waj¹cych na pracê innych podzespo³ów

wspó³pracuj¹cych z mikrokontrolerem.

Mikrokontrolery AT89C5x mog¹ byæ

zasilane napiêciem 5 V ±20%, natomiast

uk³ady AT89Cx051 umo¿liwiaj¹ zasilanie

ze ród³a o napiêciu od 2,7 do 6 V.

Najbardziej popularnym rozwi¹zaniem

jest zasilanie mikrokontrolera napiêciem

5 V i zastosowanie stabilizatora scalonego

w uk³adzie jak na rys. 1 . Nale¿y pamiê-

taæ, ¿e uk³ady stabilizatorów serii 78xx

potrzebuj¹ do prawid³owej pracy napiê-

cia wejciowego o oko³o 3 V wy¿szego

ni¿ napiêcie wyjciowe, co dla uk³adu

7805 daje minimaln¹ wartoæ napiêcia

wejciowego oko³o 8 V. Je¿eli napiêcie

na wejciu bêdzie ni¿sze, spowoduje to

Rys. 1

Elektronika Praktyczna 3/2003

K U R S

List. 1.

ORG 0000H

LJMP POCZATEK

niu siê napiêcia g³ównego nast¹pi do³a-

dowanie kondensatora C3 od napiêcia

zapewnianego przez obwód rezerwowy

do wartoci 4,4...4,7 V (w zale¿noci od

typu D1). Przy niskim napiêciu akumu-

latorka rezerwowego istnieje mo¿liwoæ,

¿e przep³yw pr¹du przez obwód C3 i R2

(oraz wewnêtrzny rezystor mikroproceso-

ra) wywo³a spadek napiêcia na R2, któ-

ry mo¿e wyzerowaæ mikrokontroler.

Obecnoæ C1 oraz rezystancja dynamicz-

na diody D1 ograniczaj¹ prêdkoæ naras-

tania napiêcia, a co za tym idzie war-

toæ pr¹du do³adowuj¹cego C2, zatem

napiêcie na R2 nie osi¹gnie wartoci

gro¿¹cej wyzerowaniem mikrokontrolera.

Opisany uk³ad nie jest zalecany do pra-

cy z mikrokontrolerami AT89C5x, ponie-

wa¿ w przypadku tych uk³adów nale¿a-

³oby zastosowaæ akumulatorek o napiêciu

4,8 V - pojemnoæ akumulatorka 3,6

V nigdy nie bêdzie ca³kowicie wykorzys-

tana, gdy¿ du¿e Atmele nie dzia³aj¹

przy tak niskich napiêciach jak ma³e.

W praktyce czêsto wykorzystywane s¹

urz¹dzenia, które zasilane powinny byæ

tylko w chwili zaistnienia odpowiednie-

go zdarzenia zewnêtrznego - najczêciej

wciniêcia przycisku (np. nadajniki zdal-

nego sterowania, itp.), gdy przez pozo-

sta³y czas uk³ad pozostaje bezczynny, co

przy zasilaniu bateryjnym jest czystym

marnotrawstwem. Na rys. 3 pokazano

fragment schematu przyk³adowego urz¹-

dzenia, którego zasilanie jest w³¹czane

tylko na czas obs³ugi wciniêcia przy-

cisku. Wciniêcie któregokolwiek z przy-

cisków powoduje do³¹czenie ujemnego

bieguna zasilania do masy urz¹dzenia.

Po rozpoczêciu pracy przez mikrokont-

roler, pierwsz¹ instrukcj¹ jest wyzerowa-

nie linii portu P1.3, co powoduje w³¹-

czenie tranzystora T2 i podanie napiêcia

na bazê T1. Nastêpuje w³¹czenie T1

i podtrzymanie zasilania mimo zwolnie-

nia naciniêtego przycisku. Po wykona-

niu programu odpowiedzialnego za ob-

s³ugê naciniêcia konkretnego przycisku

mikroprocesor ustawia liniê P1.3, powo-

duj¹c zatkanie T2 i T1, i od³¹czenie za-

silania. Obwód zasilania mikrokontrolera

;(procedury obs³ugi przerwañ)

POCZATEK:

CLR P1.3

;w³¹czenie podtrzymania zasilania

MOV A,P1 ;odczyt stanu klawiszy

ANL A,#0F0h ;wyzerowanie niepotrzebnych bitów

SWAP A

;zamiana czêci bajtu

MOV R7,A

; otrzymujemy w rejestrze R7 stan klawiszy:

;bit 0 - stan klawisza P1 (0-wciniêty)

;bit 1 - stan klawisza P2 (0-wciniêty)

;bit 2 - stan klawisza P3 (0-wciniêty)

;bit 3 - stan klawisza P4 (0-wciniêty)

;(inicjalizacja liczników, zerowanie zmiennych, itp.)

;(w³aciwa czêæ programu)

SETB P1.3 ;wy³¹czenie podtrzymania po wykonaniu programu

SJMP $

;pozostañ w pêtli (ewentualne oczekiwanie na puszczenie

;d³ugo trzymanego klawisza, mimo wy³¹czenia tranzystorów

;dopiero po jego puszczeniu wy³¹czy siê zasilanie)

ryjnym lub wymagaj¹cych bateryjnego

zasilania awaryjnego. Na rys. 2 przed-

stawiono jeden z wielu mo¿liwych wa-

riantów rezerwowego zasilania mikrokon-

trolera. Jako ród³o rezerwowe zastoso-

wano akumulatorek 3,6 V. Dobrze w tej

roli sprawdzaj¹ siê akumulatorki NiCd

3,6 V/60 mAh, stosowane dawniej

w p³ytach g³ównych komputerów PC.

Mo¿na równie¿ zastosowaæ akumulatorki

wykorzystywane w s³uchawkach telefo-

nów bezprzewodowych, posiadaj¹ one

wiêksz¹ pojemnoæ, lecz s¹ dro¿sze. Dio-

da D2 powinna byæ diod¹ Schottky'ego,

ze wzglêdu na ni¿szy ni¿ w standardo-

wych diodach spadek napiêcia na z³¹-

czu, D1 mo¿e byæ zwyk³¹ diod¹ krze-

mow¹ - stanowi ona zabezpieczenie

przed zasilaniem ca³ego urz¹dzenia ze

ród³a rezerwowego. Rezystor R1 dobie-

ramy w celu uzyskania po¿¹danego pr¹-

du ³adowania akumulatorka - nale¿y

przy tym pamiêtaæ, ¿e akumulatorek bê-

dzie do³adowywany przez ca³y czas pra-

cy zasilania g³ównego, wiêc nale¿y ogra-

niczyæ pr¹d ³adowania do wartoci dla

niego bezpiecznej. Dla rezystora R1

maksymalny pr¹d ³a-

dowania przy roz³adowanym akumulator-

ku osi¹ga 0,05 mA, co daje nam ponad

miesi¹c czasu potrzebny do pe³nego na-

³adowania. Taka wartoæ pr¹du nie za-

gra¿a nawet w pe³ni na³adowanemu aku-

mulatorkowi. Je¿eli przewiduje siê czês-

tsze przerwy w zasilaniu (ze wzglêdu

np. na przenoszenie urz¹dzenia), warto

zastosowaæ wiêksze pr¹dy ³adowania,

niezbêdne do uzupe³niania zu¿ytej ener-

gii. Wówczas dioda D1 powinna byæ

diod¹ krzemow¹, co przy zasilaniu

5 V ograniczy maksymalne napiêcie na

akumulatorku do bezpiecznej wartoci

oko³o 4,4 V bez koniecznoci ogranicza-

nia pr¹du ³adowania, gdy akumulatorek

zostanie w pe³ni na³adowany.

Zastosowany kondensator C2 blokuje

zasilanie, natomiast C1 jest odpowie-

dzialny za stabiln¹ pracê w momentach

wy³¹czania, a zw³aszcza w³¹czania zasi-

lania g³ównego. Kondensator C1 powi-

nien mieæ pojemnoæ kilka razy wiêksz¹

ni¿ kondensator obwodu zerowania mik-

rokontrolera (C3, R2). Spowodowane jest

to tym, ¿e przy braku C1 po pojawie-

Rys. 2

Rys. 3

Elektronika Praktyczna 3/2003

o wartoci 47 k

K U R S

F, gdy¿ wyd³u¿¹ one czas w³¹cza-

nia i mog¹ spowodowaæ trudnoci z wy-

³¹czeniem (uk³ad mo¿e siê zatrzasn¹æ

ze wzglêdu na niestabiln¹ pracê mikro-

kontrolera przy powolnym opadaniu na-

piêcia zasilania). Pewnoæ dzia³ania

uk³adu zwiêkszy dodanie dodatkowego

obci¹¿enia w postaci rezystora (np. 330

energii osi¹gniemy tak¿e, obni¿aj¹c na-

piêcie zasilania. Jest to jednak mo¿liwe

tylko w uk³adach AT89Cx051, ze wzglê-

du na szeroki zakres napiêæ zasilaj¹cych

- uk³ady AT89C5x przestaj¹ poprawnie

pracowaæ ju¿ przy napiêciu zasilania

rzêdu 3,5 V. Niektóre egzemplarze uk³a-

dów AT89Cx051 pracuj¹ poprawnie ju¿

od napiêcia rzêdu 1,8...1,9 V, co z po-

wodzeniem pozwala na zasilanie ich

z dwóch akumulatorków Ni-Cd (2,4 V)

lub dwóch zwyk³ych ogniw cynkowych

czy alkalicznych (3 V).

Jeszcze wiêksze obni¿enie napiêcia

zasilania mo¿liwe jest po wprowadzeniu

mikrokontrolera w tryb Power Down

(przez ustawienie bitu PD rejestru

PCON), co pozwala na obni¿enie napiê-

cia zasilania zarówno du¿ych, jak

i ma³ych Atmeli do wartoci 2 V (gwa-

rantowane przez producenta), a praktycz-

nie nawet do 1,2...1,3 V. Niestety pro-

cesor w takim stanie nie pracuje, pod-

trzymywana jest jedynie zawartoæ we-

wnêtrznej pamiêci danych i rejestrów

SFR. Powrót do normalnej pracy mo¿li-

wy jest tylko przez generacjê sygna³u

RESET (po uprzednim przywróceniu pe³-

nego napiêcia zasilania). Wejcie w stan

Power Down powinno nast¹piæ zatem

przed zanikiem napiêcia zasilania. Reali-

zacja uk³adu wykrywania zaniku g³ów-

nego napiêcia zasilania jest bardzo pros-

(na

rys. 2 - rezystor R3). W chwili zaniku

napiêcia g³ównego na linii zasilania po-

jawi siê potencja³ bliski masy (ze wzglê-

du na do³¹czone inne odbiorniki), co

spowoduje wprowadzenie linii portu

w stan niski - wykrycie stanu niskiego

oznacza brak zasilania i koniecznoæ

podjêcia okrelonych dzia³añ, np. wej-

cie w stan Power Down . Wyjcie z tego

stanu jest mo¿liwe wy³¹cznie po naci-

niêciu przycisku P1 (rys. 2.). Mo¿liwe

jest równie¿ wejcie w tryb pracy Idle

(upienie), który równie¿ zatrzymuje pra-

cê mikrokontrolera, dzia³aj¹ jednak prze-

rwania i generator sygna³u zegarowego.

Wyjcie z trybu Idle nastêpuje w momen-

cie nadejcia zg³oszenia dowolnego prze-

rwania (lub sygna³u RESET) - umo¿li-

wia to realizacjê wielu zadañ, np. reali-

zacjê zegara czasu rzeczywistego pobie-

raj¹cego z zasilania rezerwowego pr¹d

du¿o mniejszy ni¿ przy normalnej pra-

cy. Mo¿liwy jest te¿ powrót do normal-

nej pracy przy do³¹czeniu do linii prze-

rwañ zewnêtrznych obwodu wykrywaj¹-

cego powrót g³ównego napiêcia zasilania

(generuj¹cego na wyjciu stan 0 po po-

jawieniu siê napiêcia).

Pawe³ Hadam

) pod³¹czonego miêdzy szynami Vcc

i GND mikrokontrolera - spowoduje to

jednak wzrost poboru pr¹du podczas

dzia³ania urz¹dzenia. Wad¹ przedstawio-

nego rozwi¹zania jest koniecznoæ przy-

trzymania przycisku tak d³ugo, jak trwa

czas zerowania mikroprocesora, plus czas

potrzebny na wykonanie rozkazów od-

powiedzialnych za w³¹czenie podtrzyma-

nia i odczyt wyprowadzeñ poszczegól-

nych klawiszy (okrelenie, który klawisz

zosta³ naciniêty) - dlatego te czêci

programu powinny byæ jednymi z pierw-

szych rozkazów. Mo¿na to zrealizowaæ

w sposób pokazany na list. 1 . Niew¹tp-

liw¹ zalet¹ tej metody jest praktycznie

zerowy pobór pr¹du, gdy uk³ad jest nie-

aktywny.

Zmniejszanie poboru mocy mo¿na

dokonaæ na drodze zmniejszania czêstot-

liwoci taktowania, która niemal linio-

wo wp³ywa na pobór pr¹du, du¿y zysk

Elektronika Praktyczna 3/2003

i pozosta³ych uk³adów nie powinien po-

siadaæ filtruj¹cych kondensatorów elek-

trolitycznych o pojemnociach powy¿ej

ta - wystarcza do³¹czenie któregokolwiek

wyprowadzenia dowolnego portu mikro-

kontrolera do linii zasilania g³ównego

przez rezystor rzêdu 1 do 10 k

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: