Материал: КР2

UPMn1:0 (UART Parity Mode) – установка проверки на четность, в наших практических работах данная опция не используется, по умолчанию в оба бита записаны логические нули, передача данных ведется без проверки на четность.

USBSn (UART Stop Bit Select) – определяет количество стоповых битов, здесь возможно всего два варианта (табл. 2).

Таблица 2. Выбор количества стоп-бит

UCSZn1:0 (UART Character Size) – определяет количество передаваемых битов данных – от 5 до 9, в соответствии с таблицей 3.

Таблица 3. Выбор количества передаваемых бит данных

Скорость передачи данных

 Здесь всё зависит от значения, записанного в регистровую пару UBBRH:UBBRL. Вычисляется требуемое значение по следующей формуле:

 для U2X=0 (обычная скорость передачи);

для U2X=1 (удвоенная скорость передачи),

где XTAL – рабочая тактовая частота контроллера; baudrate – требуемая скорость. Чем выше скорость, тем больше ошибка рассинхронизации, поэтому на высоких скоростях целесообразно использовать специализированные кварцы (те самые, с неровным значением вроде 11.0592 МГц).

Теперь можно приступить к процедуре непосредственной инициализации, используется стандартный протокол передачи  и единственный канал UART, доступный для нашего микроконтроллера.

5. Структурная схема встроенного аналого-цифрового преобразователя, его основные параметры. Настройка ацп, управляющие регистры. Прерывания по завершению цикла преобразования.

В большинстве (возможно, во всех) встроенных в микроконтроллеры АЦП используются АЦП последовательного приближения. Его схема представлена ниже.

О АЦП последовательного приближения написано в вопросе № 4

Параметры АЦП бывают статические и динамические.

Статические:

• Максимальный (Vref) и минимальный (обычно 0) уровни входного сигнала — устанавливают диапазон шкалы преобразования, относительно которой будет оцениваться входной сигнал (рис. 1). Также этот параметр может обозначаться как FS — full scale. Для дифференциального АЦП шкала определяется от -Vref до +Vref, однако для упрощения далее будем рассматривать только single-ended шкалы.

• Разрядность (N) — разрядность выходного кода, характеризующая количество дискретных значений (2^N), которые преобразователь может выдать на выходе (рис. 1).

• Ток потребления (Idd) — сильно зависит от частоты преобразования, поэтому информацию об этом параметре лучше искать на соответствующем графике.

• МЗР (LSB) – младший значащий разряд (Least Significant Bit) — минимальное входное напряжение, разрешаемое АЦП (по сути, единичный шаг в шкале преобразования). Определяется формулой: LSB = Vref/2^N(рис. 1).

• Ошибка смещения (offset error) – определяется как отклонение фактической передаточной характеристики АЦП от передаточной характеристики идеального АЦП в начальной точке шкалы. Измеряется в долях LSB. При ошибке смещения переход выходного кода от 0 в 1 происходит при входном напряжении отличном от 0.5LSB (рис. 2).

Рисунок 7

Рисунок 8

Динамические:

• Частота дискретизации (fs — sampling frequency) — частота, при которой происходит преобразование в АЦП (ну или 1/Ts, где Ts — период выборки). Измеряется числом выборок в секунду. Обычно под данным обозначением подразумевают максимальную частоту дискретизации, при которой специфицированы параметры преобразователя (рис. 3).

Рисунок 9

• Отношение сигнал/шум (SNR — Signal-to-Noise Ratio) — определяется как отношение мощности обрабатываемого сигнала к мощности шума, добавляемого в процессе преобразования. SNR обычно выражается в децибелах (дБ) и рассчитывается по следующей формуле:

• время кодирования – время, в течение которого осуществляется непосредственное преобразование установившегося значения входного сигнала (время от начала импульса запуска до появления выходного кода).

Из лекции (Attiny 104)

Все микроконтроллеры семейства AtMega и некоторые из семейства Tiny (как наш микроконтроллер AtTiny104) имеют встроенный блок аналого-цифрового преобразования (далее в тексте – АЦП). Он может использоваться для замены простого, но значительно менее функционального компаратора. Этот АЦП десятиразрядный и многоканальный (количество каналов может варьироваться от 4 до 16 в зависимости от модели микроконтроллера). Модуль АЦП у нас всего один, на его входе стоит аналоговый мультиплексор, подключающий этот вход к различным выводам МК, что позволяет проводить разделенные во времени измерения сразу нескольких независимых аналоговых величин. Входы мультиплексора могут работать как по отдельности (в несимметричном режиме, измеряя напряжение относительно земли), так и объединяться в пары (только для некоторых моделей микроконтроллеров), измеряя дифференциальное напряжение. Также опционально возможно усиление входного сигнала с фиксированным коэффициентом 10 или 100.

Встроенный АЦП представляет собой преобразователь последовательного приближения с устройством выборки-хранения и фиксированным числом тактов преобразования, равным 13 (14 для дифференциального измерения). Данный класс АЦП занимает промежуточное положение по быстродействию, стоимости и разрешающей способности между последовательно-параллельными и сигма-дельта АЦП и находит широкое применение в системах управления, контроля и цифровой обработки сигналов.

Для выполнения первого преобразования (при первоначальной настройке АЦП) требуется 25 тактов. Тактовая частота преобразования формируется с помощью делителя от опорной частоты микроконтроллера при помощи соответствующего управляющего регистра, рекомендованная частота преобразования – от 50 до 200кГц, в этом диапазоне наиболее вероятно получение наиболее достоверного результата измерения. Модуль АЦП имеет разрешение в 10 бит, и, по заявлениям разработчиков, абсолютная погрешность не превышает двух младших значащих разрядов (погрешность не более 0,25 % шкалы измерения). Для достижения подобных результатов необходимо применение как аппаратных, так и программных способов повышения точности измерений, с которыми можно дополнительно ознакомиться в фирменной документации.

Также возможно два режима преобразования: непрерывный (free-running mode), когда по завершении одного цикла преобразования сразу же следует другой, и одиночный (single), когда последовательность циклов регулируется вручную. Первый способ не отличается высокой точностью измерений и целесообразен только при необходимости максимальной скорости преобразований.

Настройка АЦП. Ознакомимся с регистрами, задающими режим работы аналого-цифрового преобразователя.

ADMUX (ADC Multiplexer Selection Register) – регистр, определяющий текущий канал АЦП, источник опорного напряжения и режим хранения данных. В этом регистре нас больше всего интересуют биты, описанные далее.

REFS1:0 (Reference Selection Bits) – определяют источник опорного напряжения, относительно которого будет происходить преобразование. Опорное напряжение должно быть как можно более стабильным, без помех и колебаний по напряжению – от этого во многом зависит точность работы АЦП. Все возможные варианты приведены в табл.7.1.

Таблица 7.1. Выбор источника опорного напряжения АЦП

Внутренний источник опорного напряжения не очень точный и подходит только для нетребовательных приложений.

MUX4:0 (Analog Channel and Gain Selection Bits) – данные биты определяют текущий вход, с которого мы будем считывать аналоговый сигнал. Также с помощью этих битов выставляется коэффициент усиления при измерении в дифференциальном режиме. Возможные конфигурации для выбора текущего источника входного сигнала представлены в табл. 7.2.

Таблица 7.2. Выбор текущего канала АЦП

Данные с АЦП записываются в регистровую пару ADCH:ADCL, откуда их можно считать для дальнейшей обработки. Причем здесь есть один важный момент. Регистровая пара 16 разрядная, а АЦП имеет разрядность 10 бит. В итоге лишь один регистр занят полностью, а второй занимают лишь оставшиеся два бита. Исходя из этого факта, выравнивание может производиться как по правому краю – старшие два бита в ADCH, а младшие в ADCL, так и по по левому – старшие биты в ADCH, а два младших бита в ADCL:

[9][8][7][6][5][4][3][2]:[1][0][x][x][x][x][x][x]

[x][x][x][x][x][x][9][8]:[7][6][5][4][3][2][1][0]

Для чего же хранение данных АЦП-преобразования организовано именно таким образом? Так как в двух младших битах чаще всего достаточно сложно получить значимые данные (скорее всего, мы получим там всякий мусор и помехи), мы можем использовать выравнивание по правому краю и считывать данные преобразования только из одного регистра ADCH, экономя время и программный код. За выравнивание отвечает бит ADLAR. Записывая в него логический ноль, получаем выравнивание по правой границе, записываем единицу – по левой.

Рассмотрим подробнее управляющий регистр ADCSRA (ADC Control and Status Register A), отвечающий за работу АЦП:

ADEN (ADC Enable) – записывая единицу в этот бит, разрешаем использование АЦП.

ADIE (ADC Interrupt Enable) – разрешение прерывания по завершению цикла преобразования.

ADPS2:0 (ADC Prescaler Select Bits) – позволяет выбрать коэффициент делителя тактовых импульсов для установки частоты преобразований (в непрерывном режиме). Значение коэффициента делителя определяется в соответствии с табл. 7.3.

Таблица 7.3. Выбор коэффициента деления

ADFR (ADC Free Running Select) – записывая единицу в этот бит, выбираем непрерывный режим преобразования.

ADSC (ADC Start Conversion) – записывая единицу в этот бит, мы начинаем очередной цикл преобразования в одиночном режиме работы (или первый цикл при непрерывном), который занимает 13 тактов (первый цикл – 25 тактов, здесь осуществляется первоначальная инициализация АЦП), при условии, что с помощью бита ADEN разрешено использование АЦП.

При установке прерывания при помощи требуемых регистров по завершении цикла преобразования происходит прерывание. При возникновении прерывания микроконтроллер завершает текущую команду, сохраняет в стеке содержимое счетчика команд и совершает переход на адрес соответствующего вектора прерывания. По этому адресу, как правило, находится команда безусловного (JMP или RJMP) перехода к подпрограмме обработки прерывания. За каждым аппаратным прерыванием микроконтроллера закреплен свой адрес, и все вместе они образуют таблицу векторов прерываний, которая расположена в самом начале памяти программ. Поскольку у каждого микроконтроллера набор периферии разный, вектор прерываний также будет отличаться. (У Attiny14 для АЦП – это 0x00B)

Контроллер стартует с адреса 0x00 (нулевого адреса памяти программ). Далее мы делаем безусловный переход на метку RESET. Если этого не сделать, то контроллер начнёт выполнять команды из таблицы векторов прерываний, что нам совершенно не нужно. После перехода по метке первым делом необходимо проинициализировать стек. Потом, используя команду SEI, разрешаем глобальные прерывания. За разрешение конкретных прерываний для каждого вида периферии отвечают соответствующие регистры управления (ADIE для АЦП) локальными прерываниями.

Когда возникает прерывание, выполнение текущих операций приостанавливается и микроконтроллер переходит по соответствующей метке на подпрограмму обработки прерывания. Последней командой подпрограммы обработки прерывания должна быть команда RETI, которая обеспечивает возврат в основную программу и восстановление предварительно сохраненного счетчика команд и данных, заблаговременно перенесённых в стек.

6, Передача данных с использованием асинхронного последовательного интерфейса UART. Общая структура асинхронного приёмопередатчика. Протокол передачи данных RS-232. Настройка и программирование интерфейса UART. Скорость передачи данных.

Общая структура асинхронного приёмопередатчика. Протокол передачи данных RS-232.

Первым делом попробуем ответить на вопрос: в чем главное отличие между последовательным и параллельным интерфейсом? Параллельные интерфейсы позволяют передавать по несколько бит информации за один раз. Обычно для этого используются шины данных, состоящие из восьми или шестнадцати проводов, поэтому данные передаются большими блоками. Последовательные интерфейсы передают свои данные по одному биту за такт, что в идеале требует всего одного провода. Вот и всё основное различие, вполне очевидное.

Рис. 1. Последовательные и параллельные интерфейсы

Параллельные интерфейсы, безусловно, имеют свои преимущества. Они крайне просты в реализации с точки зрения аппаратного и программного обеспечения. Но они требуют слишком много проводов и, как ни парадоксально, из-за этого работают слишком медленно.

Все сигналы от передатчика к приёмнику должны поступать одновременно. Но гарантировать время прохождения сигнала для всех линий параллельного интерфейса на больших частотах очень тяжело, при этом неизбежно искажается форма передаваемого сигнала. Таким образом, даже если вы передаете меньше данных за один такт при помощи последовательного интерфейса, становится возможным использовать гораздо более высокие частоты, что и приводит к более высокой скорости передачи данных.