ЦОС АГТУ 5лр. ЦОС. Лабораторная работа 5. Лабораторная работа 5 (часть 2) Работа с микроконтроллером atmega128. Контрольные вопросы
 Скачать 414.4 Kb.
|
|
Лабораторная работа №5 (часть 2) Работа с микроконтроллером ATmega128. Контрольные вопросы 1. Что представляет собой современный микроконтроллер? Микроконтроллер представляет из себя микросхему, внутри которой располагаются процессор, оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), генератор тактовой частоты и периферийные устройства, такие как аналоговые и цифровые порты, интерфейсы, компараторы, таймеры и т.п. То есть это настоящий мини компьютер в одном маленьком кристалле, предназначенный для решения относительно простых задач. 2. Из каких основных блоков состоит микроконтроллер? Микроконтроллеры семейства AVR имеют единую базовую структуру. Обобщенная структурная схема микроконтроллера (МК) изображена на рис.VCC OND  В состав микроконтроллера входят: ■ генератор тактового сигнала (GCK); ■ процессор (CPU); ■ постоянное запоминающее устройство для хранения программы, выполненное по технологии Flash, (FlashROM); ■ оперативное запоминающее устройство статического типа для хранения данных (SRAM); ■ постоянное запоминающее устройство для хранения данных, выполненное по технологии EEPROM, (EEPROM); ■ набор периферийных устройств для ввода и вывода данных и управляющих сигналов и выполнения других функций. В состав процессора (CPU) входят: ■ счетчик команд (PC); ■ арифметико-логическое устройство (ALU); ■ блок регистров общего назначения (GPR, General Purpose Registers) и другие элементы 3. Какие функции может выполнять микроконтроллер? Микроконтроллер представляет собой микросхему, которая используется для управления электронными устройствами. В типичном микроконтроллере имеются функции и процессора, и периферийных устройств, а также содержится оперативная память и/или ПЗУ (постоянное запоминающее устройство). Если говорить кратко, то микроконтроллер - это компьютер, функционирующий на одном кристалле, который способен выполнять относительно несложные операции. 4. Основные фирмы-производители микроконтроллеров?  Microchip Technology - один из мировых лидеров в области производства электронных компонентов. Головной офис компании находится в Чандлере, США, общее число сотрудников Microchip превышает 14 тысяч. Помимо микроконтроллеров Microchip предлагает широкий спектр других цифровых и аналоговых решений: энергонезависимую память, микросхемы программируемой логики, компоненты для тактирования, интерфейсные решения, расширители портов ввода-вывода, драйверы дисплеев и светодиодов, компоненты для беспроводной связи, микросхемы с блоками криптографии, сенсорные решения, а также операционные усилители, компараторы, АЦП и ЦАП, датчики температуры и дыма, ультразвуковые решения, драйверы двигателей, высоковольтные интерфейсы и решения для управления питанием. В 2016 году компания Microchip приобрела фирму Atmel, это позволило Microchip добавить в свою программу поставки микроконтроллеры с процессорными ядрами AVR и ARM. Сайт производителя: www.microchip.com  Американская фирма Silicon Labs (SiLabs), головной офис которой находится в Остине, штат Техас, была основана в 1998 году и в настоящее время является одним из мировых лидеров в разработке технологических и архитектурных решений микроэлектроники для совместной обработки аналоговых и цифровых сигналов. Silicon Labs выпускает широкий спектр продукции специального и общего назначения, которые используются в бытовой технике, индустриальной и автомобильной промышленности, в телекоммуникационных системах и офисном оборудовании. Помимо 8- и 32-разрядных микроконтроллеров Silicon Labs выпускает решения для управления питания и гальванической развязки, микросхемы для радиовещания и беспроводных телекоммуникаций, генераторы и ГУНы, микросхемы для проводных коммуникаций и микросхемы встраиваемых проводных модемов ISOmodem. Сайт производителя: www.silabs.com  Компания WIZnet (Южная Корея) занимается производством и поставкой уникальных аппаратных решений класса Embedded Internet и Embedded Ethernet. Микросхемы WIZnet применяются для организации удаленного доступа, в системах IP-телефонии и IP-телевидения, в системах охраны, безопасности и контроля доступа, а также других приложений, использующих для коммуникации проводные каналы связи и сети Ethernet с развитым стеком протоколов TCP/IP. Основной продукцией компании Wiznet являются интегральные микросхемы сетевых контроллеров: аппаратные Ethernet-мосты и специализированные микроконтроллеры. В последних на одном кристалле объединяются аппаратный блок Ethernet-моста со встроенными уровнями MAC и PHY и процессорное ядро ARM или MSC-51 . Сайт производителя: www.wiznet.co.kr  Компания FTDI специализируется на производстве микросхем сопряжения микропроцессорных устройств с USB. Решения FTDI позволяют организовать обмен данными по USB простейшим образом благодаря аппаратной реализации протокола и наличию бесплатных драйверов для ОС Windows, MAC OS, Linux, Android. На кристаллах FTDI реализуются мосты между USB и такими микропроцессорными интерфейсами, как UART, FIFO, JTAG, SPI, PS/2, I2C, IrDA. В режиме "Bit Bang" они могут использоваться для конфигурирования микросхем программируемой логики через USB или для ввода/вывода по USB цифровых логических сигналов без использования дополнительного микроконтроллера. Сайт производителя: www.ftdichip.com  Фирма Infineon Technologies AG учреждена 1 апреля 1999 года корпорацией Siemens AG. Штаб-квартира компании расположена в городе Нойбиберг, недалеко от Мюнхена. Сегодня производственные и исследовательские подразделения компании расположены в Азии, Европе и Америке. Следует отметить, что все производства по изготовлению полупроводниковых структур (Front-End фабрики) размещены в Европе. Среди приоритетных направлений развития компании можно выделить микросхемы для управления мощностью (Power Management ICs), для автомобильного применения, а также широкую линейку микроконтроллеров разрядностью 8-, 16- и 32-бит. Сайт производителя: www.infineon.com  Texas Instruments – американская корпорация с более чем восьмидесятилетней историей и один из наиболее крупных игроков на рынке полупроводниковых приборов. Центральный офис компании расположен в Далласе (штат Техас, США). Texas Instruments занимает лидирующие позиции во многих сегментах рынка электроники, включая цифровые сигнальные процессоры, высокоскоростные микросхемы ЦАП и АЦП, микроконтроллеры общего применения, решения в области управления электропитанием и высокотехнологичные аналоговые устройства. Также Texas Instruments производит микросхемы и готовые решения для беспроводных коммуникаций и различных специальных применений. Сайт производителя: www.ti.com  Компания IAR Systems® более 20 лет занимается разработкой интегрированных средств программирования. Сегодня IAR Systems® является одним из признанных мировых лидеров по поставке C/C++ компиляторов для встраиваемых микропроцессорных устройств и систем на базе 8051, ARM, AVR, MSP430, HC11/HC12, PIC, Z80 и многих других 8-, 16-, 32-разрядных процессоров. Сайт производителя: www.iar.com 5. Каким образом можно задать область применения микроконтроллеров? Применения МК – гигантская, каждый современный автомобиль, холодильник и любой электрический прибор, если не учитывать различные адаптеры и модули, содержат в себе тот самый однокристальный (чаще поликристальный) чип. Ведь без него было бы невозможно, в принципе, контролировать приборы и каким-либо образом ими манипулировать. 6. Что такое программа прошивки? Прошивка – это программное обеспечение, управляющее работой аппаратной части устройства. Без прошивки большинство электронных устройств, используемых нами ежедневно, не смогут работать; благодаря ей устройство выполняет свои функции. Прошивка может быть простой микропрограммой, выполняющей ограниченное число функций, а также полноценной, многофункциональной операционной системой. В смартфонах как раз используется операционная система, а её установку можно назвать процессом прошивки. 7. Каким образом можно проверить работоспособность микроконтроллера? - Проверяем микроконтроллер без инструментов Начните с внешнего осмотра: корпус должен быть целым, пайка выводов должна быть безупречной, без микротрещин и окислов. Если устройство вообще не работает – проверьте температуру микроконтроллера, если он сильно нагружен, он может греться, но не обжигать, т.е. температура корпуса должна быть такой, чтобы палец терпел при долгом удерживании. Больше без инструмента вы ничего не сделаете. - Проверка мультиметром Проверьте, приходит ли напряжение на выводы Vcc и Gnd. Если напряжение в норме нужно замерить ток, для этого удобно разрезать дорожку, ведущую к выводу питания Vcc, тогда вы сможете локализоровать измерения до конкретной микросхемы, без влияния параллельно подключенных элементов. Не забудьте зачистить покрытие платы до медного слоя в том месте, где будете прикасаться щупом. Если разрезать аккуратно, восстановить дорожку можно каплей припоя, или кусочком меди, например из обмотки трансформатора. Как вариант можно запитать микроконтроллер от внешнего источника питания 5В (или другого подходящего напряжения), и замерить потребление, но дорожку резать все равно нужно, чтобы исключить влияние других элементов. Для проведения всех измерений нам достаточно сведений из даташита. Не будет лишним посмотреть, на какое напряжение рассчитан стабилизатор питания для микроконтроллера. Дело в том, что разные микроконтроллерные схемы питаются от разных напряжений, это может быть и 3.3В, и 5В и другие. Напряжение может присутствовать, но не соответствовать номиналу. Если напряжения нет – проверьте, нет ли КЗ в цепи питания, и на остальных ножках. Чтобы быстро это сделать отключите питание платы, включите мультиметр в режим прозвонки, поставьте один щуп на общий провод платы (массу). Обычно она проходит по периметру платы, а на местах крепления с корпусом имеются залуженные площадки или на корпусах разъёмов. А вторым проведите по всем выводам микросхемы. Если он где-то запищит – проверьте что это за пин, прозвонка должна сработать на выводе GND (8-й вывод на atmega328). Если не сработала – возможно, оборвана цепь между микроконтроллером и общим проводом. Если сработала на других ножках – смотрите по схеме, нет ли низкоомных сопротивлений между пином и минусом. Если нет – нужно выпаять микроконтроллер и прозвонить повторно. То же самое проверяем, но теперь между плюсом питания (с 7-м выводом) и выводами микроконтроллера. При желании прозваниваются все ножки между собой и проверяется схема подключения. - Проверка осциллографом Осциллограф – глаза электронщика. С его помощью вы можете проверить наличие генерации на резонаторе. Он подключается между выводами XTAL1,2 (ножки 9 и 10). Но щуп осциллографа имеет ёмкость, обычно 100 пФ, если установить делитель на 10 ёмкость щупа снизится до 20 пФ. Это вносит изменения в сигнал. Но для проверки работоспособности это не столь существенно, нам нужно увидеть есть ли колебания вообще. Сигнал должен иметь форму наподобие этой, и частоту соответствующую конкретному экземпляру. Если в схеме используется внешняя память, то проверить можно очень легко. На линии обмена данными должны быть пачки прямоугольных импульсов. Это значит, что микроконтроллер исправно выполняет код и обменивается информацией с памятью. - Используем программатор Если выпаять микроконтроллер и подключить его к программатору можно проверить его реакцию. Для этого в программе на ПК нажмите кнопку Read, после чего вы увидите ID программатора, на AVR можно попробовать читать фьюзы. Если нет защиты от чтения, вы можете считать дамп прошивки, загрузить другую программу, проверить работу на известном вам коде. Это эффективный и простой способ диагностики неисправностей микроконтроллера. 8. Общие принципы кодирования сигналов  Задача кодирования сообщений представляется как преобразование числовых данных в заданной системе счисления. Процесс кодирования заключается в представлении различных сообщений условными комбинациями, составленными из небольшого количества элементарных сигналов (например, посылка и пауза в коде Бодо, «точка» и «тире» в коде Морзе). Число используемых при этом различных элементарных сигналов называют основанием кода, а число элементов, образующих кодовую комбинацию – значностью кода. Если все комбинации имеют одинаковую значность, то код равномерный. Операция кодирования применяется для цифровых сигналов. Для непрерывных сигналов требуется предварительное преобразование аналогового сигнала в цифровой. Кодирование заключается в представлении передаваемого сигнала последовательностью простых элементов – цифр, знаков, электрических импульсов различной формы, по которым на приемной стороне можно однозначно восстановить сигнал. Устройство, выполняющее кодирование, называется кодером. Обратное преобразование принятых сигналов в сообщение называется декодированием, а устройство - декодером. Набор отличающихся возможных значений сигнала называется алфавитом. При кодировании используется двоичная система счисления. Двоичным цифрам соответствуют два элементарных сигнала, которые технически легко сформировать. Например, одним элементарным сигналом может быть посылка напряжения (тока), вдвое превышающая помеху, а другим – отсутствие посылки. 9. Кодирование речи, кодирование изображений Кодирование речи Кодирование речи основано на особых свойствах речевых сигналов, использование которых позволяет понизить требования к полосе частот, занимаемой речевыми сигналами. Большинство речевых кодеров используют периодичность «огласованных» звуков и отбрасывают часть сигнала, которую мы плохо слышим. Кодирование изображенийКодеры изображений с целью сжатия данных используют главным образом преобразования, фракталы и вейвлеты. В них также применяют специальные методы кодирования движущихся изображений, которые базируются на сходстве между кадрами. Видеоизображения сопровождаются звуком. В большинстве кодеров видеоизображений для эффективного сокращения полосы частот видеосигналов речевые кодеры и кодеры изображений объединяют. 10. Кодирование аналоговых сигналов (АИМ, ФИМ, ШИМ) Существуют три основных метода кодирования аналоговых сигналов: Амплитудно-Импульсная Модуляция (АИМ); Широтно-Импульсная Модуляция (ШИМ); Фазово-Импульсная Модуляция (ФИМ). Каждый из перечисленных методов использует различные свойства импульса для описания изменений в аналоговом сигнале. Амплитудно-импульсная модуляция Амплитуда импульсов модулируется поступающим аналоговым сигналом. Амплитуда импульса пропорциональна амплитуде аналогового сигнала в момент отсчета. Частота следования импульсов должна, по меньшей мере, в два раза превосходить наивысшую частоту аналогового сигнала (вспомним предел Найквиста и теорему отсчетов Шеннона из предыдущих лекций). Широтно-импульсная модуляция Ширина импульсов в последовательности модулируется аналоговым сигналом. На приеме аналоговый сигнал восстанавливается пропорционально ширине принятых импульсов. Фазово-импульсная Модуляция Фазы (положения) импульсов пропорциональны амплитуде модулирующего сигнала. Импульсы сдвигаются относительно нормального положения в зависимости от амплитуды модулирующего сигнала. ФИМ широко используется в цифро-аналоговых преобразователях. 11. Реализация кодирования (кодеки) Цифровые процессоры обработки сигналов представляют собой прекрасное средство реализации кодеров аналоговых и цифровых сигналов. Многие виды ИКМ требуют КИХ- и БИХ-фильтров, так же как и других функций обработки сигналов. Такие требования могут быть эффективно реализованы с использованием ЦПОС. Коль скоро разработка испытана и готова к производству, цифровые процессоры можно изготовлять серийно вместе с программой ЦОС. Это снижает стоимость и экономит место на плате.  Методы кодирования аналоговых и цифровых сигналов, рассмотренные выше, до сих пор применяются к любой группе сигналов или данных. Однако, если мы знаем некоторые главные свойства сигнала, который намерены кодировать, можно воспользоваться этими свойствами, чтобы в дальнейшем снизить требования к ширине полосы пропускания. 12. Вокодеры Вокодер (англ. voice coder — кодировщик голоса) — устройство синтеза речи на основе произвольного сигнала с богатым спектром. Изначально вокодеры были разработаны в целях экономии частотных ресурсов радиолинии системы связи при передаче речевых сообщений. 13. Полосовой вокодер – анализатор  Полосовой вокодер расщепляет речевой сигнал на расширяющиеся, неперекрывающиеся частотные субполосы. Полный диапазон охватывает все частоты, которые может слышать человеческое ухо. Поступающий речевой сигнал разделяется на сегменты длительностью примерно 20 мс. Сигнал на выходе каждой субполосы выпрямляется и фильтруется для определения его спектральной огибающей. Далее огибающая преобразуется в цифровую форму и поступает на устройство временного уплотнения (мультиплексор) для передачи по каналу связи. Обычно используются 16 субполос, охватывающих полный диапазон звуковых частот. 14. Полосовой вокодер – синтезатор  Задача синтезатора состоит в изменении процесса кодирования на обратный. Полученный сигнал сначала демультиплексируется, чтобы выделить различные параметры сигнала. Часть сигнала, несущая информацию об огибающей спектра, преобразуется в аналоговую форму. Если она принадлежит сегменту огласованной речи, для возбуждения используется последовательность импульсов с частотой основного тона, в результате чего «заполняется» огибающая спектра. Если огибающая принадлежит неогласованному сегменту, для восстановления звука используется генератор шума. Наконец, сегмент сигнала фильтруется полосовым фильтром в его первоначальной частотной области. 15. Кодирование изображений. Общие принципы.  До сих пор рассматривалось кодирование аналоговых, цифровых и речевых сигналов, но если мы подходим к необходимости хранить пространственный сигнал, оказывается, что изображения следует выделить в особый класс сигналов. В частности, для цветных изображений потребности в памяти без труда укладываются в несколько мегабайтов. Главным доводом этому является чувствительность видеосистемы человека. Мы можем различать множество деталей и обнаруживать мгновенные изменения, которые происходят с изображением. 16. Кодирование преобразованием  Кодирование преобразованием является, вероятно, наиболее распространенным методом сжатия изображений. Подобно вокодерам большинство кодеров изображений не претендует на славу устройств сжатия «без потерь». Поэтому в жертву эффективному сжатию они приносят небольшое ухудшение качества изображения. Обычно нетренированный глаз эту потерю в качестве не воспринимает. Кодирование преобразованием использует тот факт, что основная информация содержится в низкочастотных компонентах изображения. Низкочастотные компоненты с наибольшими коэффициентами преобразуются и сохраняются. Высокочастотные компоненты с наименьшими коэффициентами могут быть опущены. Сохранение низкочастотных компонент более важно для поддержания качества изображения. Изображения, кодированные преобразованием, не подходят для непосредственной передачи. После преобразования изображение кодируется с использованием ДИКМ и АДИКМ, что дополнительно сокращает полосу. Один из методов преобразования нами уже был рассмотрен – это быстрое преобразование Фурье (БПФ). БПФ не годится для целей сжатия, т.к. оно формирует мнимые коэффициенты. Эти коэффициенты требуют дальнейшей обработки и усложняют программу. 17. Дискретное косинусное преобразование (ДКП) Дискретное косинусное преобразование (в английской терминологии Discrete Cosine Transforms - DCT), по всей вероятности, является наиболее распространенным преобразованием для изображений. Коэффициент сжатия при ДКП может достигать значения 20. Например, при 10241024 пикселах 8-разрядное изображение требует пространства памяти в 1 Мбайт. Применяя ДКП, это же изображение можно было бы представить 50 килобайтами – ощутимое сокращение. Изображение обычно предварительно делится на блоки 8 8 пикселов и затем передается. Для этого существует ряд причин. Одна из них состоит в том, что сокращается сложность вычислений. Путем деления изображения на блоки мы можем преобразовывать их за разумное время, которое необходимо для обработки изображения в реальном времени. Во-вторых, при делении изображения на блоки можно избежать избыточности, если в изображении обнаружены похожие области. Суть дела очень проста: если преобразование одного блока очень похоже на преобразование следующего блока, тогда нет необходимости передавать эти два преобразования, вполне достаточно передать одно. Наконец, при делении изображения на блоки мы можем на приемном конце использовать последовательное, от блока к блоку, восстановление изображения. Это замечательное свойство полностью отвечает нуждам интернета и телефонии. Подводя итог приведенному ТВ-примеру, можно сказать, что передача цветного изображения полного экрана требует канальной скорости в 200 Мбит/с. Использование комбинации из ДКП и ДИКМ сокращает требуемую скорость до 34 Мбит/с при коэффициенте сжатия до 6. 18. Кодирование по Хаффмену Код Хаффмена является представителем энтропийного кода, т.е. он связан со статистикой источника информации. Код Хаффмена по существу опирается на тот факт, что все элементарные сигналы не равновероятны. Те выходные сигналы, которые появляются часто, используют более короткие коды. Редкие сигналы используют более длинные коды. Общий эффект такого кодирования состоит в совершенно поразительном сокращении полосы первоначального сигнала. 19. Сжатие видеоизображений Сжатие изображений широко применяется в видеофонах, для неподвижных изображений и передачи движущихся изображений. Именно алгоритмы эффективного сжатия делают возможным хранение и передачу изображений. Видеофоны и видеоконференции нынче продвигаются от специализированных систем к массовому рынку и общедоступному использованию. Персональные компьютеры уже могут хранить и восстанавливать цветные изображения. Даже полноценное видео становится обычным во многих приложениях. Существуют три главных промышленных стандарта для сжатия и кодирования изображений: Стандарты серии Н для сжатия видеоизображений (Н.261, Н.320), JPEG для сжатия неподвижных изображений, MPEG для сжатия подвижных изображений. Рекомендации серии Н являются стандартами МККТТ (Международного Консультативного Комитета по Телеграфии и Телекоммуникации)), или в английской аббревиатуреCCITT (Consultative Committee for International Telegraph and Telecommunication). 20. Восстановление видеоизображений  21. Стандарты серии H Стандарты Н.261 и Н.320 являются гибкими по использованию скоростей передачи и применения. Это позволяет производителям разрабатывать такое оборудование, как видеофоны и системы видеоконференций с разнообразными возможностями. Например, некоторые видеофоны используют маленькие экраны, которые требуют низких скоростей, в то время как системы видеоконференций с большими экранами несомненно требуют очень больших скоростей. 22. Стандарт сжатия JPEG  Стандарт, предложенный объединенной фотографической экспертной группой (Joint Photographic Expert Group - JPEG), предназначен для сжатия неподвижных изображений. Во многих чертах он подобен кодированию с помощью стандартов серии Н, но не имеет отношения к подвижным изображениям. |