Microcontroller Dipl-Inf. Swen Habenberger 11.02.2009.

Microcontroller

Dipl-Inf. Swen Habenberger

11.02.2009

Dipl.Inf. Swen Habenberger - Microcontroller

211.02.2009

Datentransport

Ein Mikrocontroller benötigt zum arbeiten Daten.

Diese Daten stammen von Internen Quellen z.B. von Timern

(Signalgeneratoren) Externen Quellen z.B. andere Microcontroller


311.02.2009

Datenübertragung

ParallelMehrere Bits gleichzeitigEine Leitung pro BitMeist interne Kommunikation

SeriellEin Bit hinter dem anderenEine Leitung reicht ausMeist externe Kommunikation


411.02.2009

Parallele Kommunikation

Das interne Bussystem ist eine parallele KommunikationsstrukturJe nach Busbreite (8, 16, 32 Bit) werden

entsprechend viele Bits übertragen Die Datenraten sind bei gleicher Taktrate

um das Vielfache der Busbreite höher als bei serieller Übertragung


511.02.2009

Parallele externe Schnittstelle

Fa. Centronics entwickelte in den 70er Jahren einen Stecker zur Parallelen Datenübertragung von PC zu PeripheriegerätenUrsprünglich 36 Pins IBM brachte beim IBM-PC abgespeckte

Version mit 25 Pin Stecker heraus, der sich zum Standard entwickelte


611.02.2009

Pinbelegung

36 Pins am Drucker17 Pins für Daten und Handshake19 Pins für Masse

25 Pins am PC17 Pins für Daten und Handshake8 Pins für Masse


711.02.2009

Bild der Anschlüsse


811.02.2009

Parallele Schnittstelle

Es war nur die Kommunikation zwischen 1 PC und einem Peripheriegerät (Drucker/Plotter) möglich

Rückmeldung nur z.B. BUSY, ERROR, ONLINE Enhanced Parallel Port

Bidirektionale Datenübertragung Extended Capabilities Port

4 MByte pro Sekunde Microsoft und HP entwickeln Standard


911.02.2009

General Purpose Interface Bus (GPIB) IEC-625-Bus

Standard: IEEE 488 bzw. IEEE 60488 Standard wurde Anfang der 70er Jahre verabschiedet

Datenrate bis zu 1MByte/s Anbindung von bis zu 15 Messgeräten 24 Pin-Centronics Stecker bei IEE488

(Standard) oder 25 Pin-Centronics Stecker bei IEC-625


1011.02.2009

Fragen?


1111.02.2009

Externe Serielle Datenübertragung

Für die serielle Datenübertragung gibt es 3 gebräuchliche StandardsRS 232RS 485RS 422, wobei dieser Standard sehr ähnlich

zum Standard RS485 ist


1211.02.2009

Hardware / Software

Neben der Spezifikation der Hardware d.h. der Signalcodierung ist auch die Spezifikation der Softwareschnittstelle des Datenübertragungsprotokoll wichtig Wie erkennt man das eine Übertragung anfängt oder

aufhört? Datenempfang oder Datensendung? Wer ist Empfänger? Ist wichtig wer der Sender ist? Korrektheit der übermittelten Daten


1311.02.2009

Prinzipielle Arten in der Datenübertragungstechnik Strombasierte Übertragung

Der übertragene Strom wird kurzfristig unterbrochen und so ein Flankenwechsel generiert

Spannungsbasierte ÜbertragungDie übertragene Spannung wird kurzfristig

erhöht/erniedrigt um einen Flankenwechsel zu generieren


1411.02.2009

Strombasierte Übertragung

Die Strombasierte Übertragung ist über 100 Jahre alt: Fernschreiber und Morsegeräte arbeiten nach diesem Prinzip

20mA (Ruhezustand) logisch 1, idle, mark

0mA logisch 0, break, space


1511.02.2009

TeleTypeWriter (TTY)


1611.02.2009

Spannungsbasierte Übertragung

Es wird zwischen 2 Spannungen gemessen um den Zustand zu ermittelnAktuelle Spannung zu MasseSpannung Leitung 1 zu Spannung Leitung 2

Differenz größer als ein bestimmter Wert => logische 1

Differenz kleiner als ein bestimmter Wert => logische 0


1711.02.2009

Single-Ended Übertragung

Die Daten werden über eine einzige Leitung versendet

Die (De-)codierung erfolgt immer im Bezug zur Masse des Senders bzw. Empfänger

Dies kann zu Problemen führen, da die Masse evtl. nicht immer gleich ist.

Äußere Störfelder können die Spannung der Datenleitung ändern und dadurch ein falsches Signal erzeugen


1811.02.2009

Differentielle Übertragung

Es werden 2 Leitungen benötigt. Für logisch 0 oder 1 sind hier nicht die Absolutwerte,

sondern die Differenz von 2 Pegeln maßgeblich. 5V an + und –5V an – ergibt +10 V -5V an + und 5V an – ergibt -10V

Ist das +Signal in einem Leitungspaar positiver als das -Signal, dann entspricht das dem Zustand WAHR.

Ist das +Signal negativer als das -Signal, dann ist das der Zustand FALSCH und gleichzeitig der Ruhezustand.

Äußere Einflüsse beeinflussen beide Leitung gleich, so dass sich eine Potentialverschiebung nicht auf das Signal auswirkt


1911.02.2009

Weitere Begriffe

Pseudodifferentielle Übertragung: Anstelle der invertierenden Spannung kann als zweites Signal auch die Masse übertragen werden.

Twisted-Pair: Werden beide Leitungen miteinander verdrillt, d.h. ineinander gedreht, nennt man das Twisted-Pair Dies ermöglicht eine größere Schirmung gegen

externe Störeinflüsse


2011.02.2009

Prinzipielle Arten in der Datenübertragungstechnik Punkt zu Punkt

RS232 Ein Sender, mehrere Empfänger

RS422 Mehrere Sender, mehrere Empfänger

RS485


2111.02.2009

Punkt zu Punkt

Bei der Punkt zu Punkt Kommunikation wird nur zwischen 2 Geräten kommuniziert

Einsparung der Empfänger- und Sendercodierung im Übertragunsgprotokoll ermöglicht eine Erhöhung der Geschwindigkeit


2211.02.2009

Bussystem

Mehrere Sender und mehrere Empfänger werden im allgemeinen als Bussystem bezeichnet

Erfordert im Übertragungsprotokoll eine entsprechende Codierung des Senders und des Empfängers


2311.02.2009

Prinzipielle Arten in der Datenübertragungstechnik Synchrone Datenübertragung

Ein Taktsignal wird parallel zu den Daten über eine eigene Leitung übermittelt.

Asynchrone DatenübertragungDas Datenübertragungsprotokoll muss eine

Regulierung zur Synchronisation beinhalten


2411.02.2009

Synchrone Datenübertragung

Bei der Synchronen Datenübertragung wird die Übertragung einzelner Bits zwischen Sender und Empfänger mit einem Taktsignal zeitlich synchronisiert.

Dieses Taktsignal kann über eine eigene Schnittstellenleitung gesendet werden

Taktrückgewinnung: Empfänger gewinnt Taktsignal aus dem Datensignal zurück


2511.02.2009

Asynchrone Datenübertragung

Bei diesem Verfahren werden die Zeichen asynchron, d.h. zu beliebigen Zeiten, übertragen.

Einzelne Bits werden plesiochron übertragen Das Verfahren wird auch Start-Stopp-Verfahren

genannt, da jeweils mindestens ein Start und Stopp Bit gesendet werden muss.

Durch diese mindestens 2 Bits ist die Datenrate geringer als bei synchroner Datenübertragung


2611.02.2009

Universal Synchronous and Asynchronous serial Receiver and Transmitter (USART) Die USART Schnittstelle eines

Microcontrollers ist die universelle Schnittstelle zur seriellen Schnittstelle

Durch Einstellungen in den Registern kann die Schnittstelle den Anwendungseinstellungen entsprechend konfiguriert werden


2711.02.2009

Fragen?


2811.02.2009

Konfiguration der USART Schnittstelle Synchrone oder asynchrone

Datenübermittlung Datenrate

BaudrateAnzahl Datenbits

In Abhängigkeit vom Protokoll nochFehlererkennung und Anzahl Stoppbits


2911.02.2009

Kommunikation mit RS232

Startbit, Datenbits, Paritybit, StoppbitSynchrone oder Asynchrone Übertragung?

Zwischen 5 und 9 Datenbits Paritätsbit

Keins, gerade, ungerade, 0, 1 1 oder 1,5 oder 2 Stoppbits


3011.02.2009

RS232

Sender und Empfänger müssen zunächst sich darüber einig werden wie die Bits der Übertragung interpretiert werden

5 -9 DatenbitsÜblicherweise 8 Bit (gelegentlich 7 Bit)9 Bits erfordern zusätzliche Betrachung von

Registern


3111.02.2009

Partität / Parity

Es kann zur Fehlererkennung ein Bit angehängt werden. Häufig wird dieses Bit nicht verwendet (none) Even/Gerade: Es wird auf eine gerade Anzahl 1

ergänzt Odd/Ungerade: Es wird auf eine ungerade Anzahl an

1 ergänzt Mark: Immer 1 Space: immer 0

Es kann maximal ein 1-Bitfehler erkannt werden


3211.02.2009

Beispiel Parity

00101010EvenParity: ergänze 1OddParity: ergänze 0MarkParity: ergänze 1SpaceParity: 0


3311.02.2009

Stoppbits

Nach übermittlung von Startbit, Datenbits und evtl. Paritybit wird das Stoppbit übermittelt

Die Dauer des Stoppbits beträgt entweder 1 oder 1,5 oder 2 mal der Zeitdauer (Länge) eines DatenbitsMan spricht aber von 1, 1,5 oder 2 Stoppbits


3411.02.2009

Hardwaredaten vs. Softwaredaten

Der Benutzer bestimmt im allgemeinen nur den Inhalt der Datenbits

Die Berechnung des Paritybits sowie das Senden des Startbits und des Stoppbits übernimmt in der Regel die HardwareEinstellungen aus den Registern ermöglichen

die Konfiguration


3511.02.2009

Fragen?


3611.02.2009

Übertragungsgeschwindigkeit

Die Übertragungsgeschwindigkeit wird in Baud angegeben.1 Baud entspricht 1 Symbol pro Sekunde

1 Symbol entspricht nicht immer 1 Bit 1 Symbol entspricht einer Änderung des

Signals


3711.02.2009

Modulation

Durch Einsatz von mehreren Spannungen können mit einem Symbol mehrere Zustände übermittelt werden.2 Spannungen: 2 Bits (0 und 1)4 Spannungen: 0, 1V, 2V, 3V (00, 01, 10, 11)Usw.

Hierdurch können in einem Symbol auch mehrere Bits codiert sein


3811.02.2009

Typische Baudraten bei RS232

Häufige Baudraten 9600 19200 115200 57600 38400

Seltene Baudraten 28800 14400 4800 2400 1200 300 75


3911.02.2009

Baudgenerator

Als Taktgenerator dient ein Quarz mit der Taktrate von 1,8432 MHz oder Ganzzahlige Vielfache davon Als Alternative: 2,4567 MHz (4/3*1,84) oder 6,144

MHz (10/3*1,84 MHZ) oder ganzzahlige Vielfache

Baudrate = Taktfrequenz / (8*(2-Over)*CD) Over = 0 oder 1: Multiplikation mit 8 oder 16 CD = CounterDivider / ClockDivider


4011.02.2009

Baudratenberechnung mit Teiler 16

Clock Baud-rate

Ergebnis CD Baud-rate

Fehler

12 MHz 38400 19,53 20 37500 2,40%

12,288 38400 20 20 38400 0,00%

18,432 38400 30 30 38400 0,00%

24 Mhz 38400 39,06 39 38461 0,16%

40 Mhz 38400

50 Mhz 38400

60 Mhz 38400


4111.02.2009

Beispielübertragung

TXD ist die Transmit eXchange Data Line (Übertragungsleitung)


4211.02.2009

Non-Return to Zero (NRZ)

Die Daten werden beim NRZ-Modus übertragen wie sie anfallen, d.h.1 = Hoher Pegel0 = Niedriger Pegel

Zwischen 2 oder mehr Einsen wird nicht auf den Grundpegel zurückgegangen

Problem: Übermittlung von 0en kann nicht unterschieden werden von Leitungsbruch


4311.02.2009

Manchester Encoding

Anstelle die Daten als reiner Pegel zu übertragen, werden die Daten bei der asynchronen Datenübertragung häufig als Manchester-Codierung übertragen

Hierbei wird in der Mitte des Taktes das Signal invertiert

Zu Beginn wird bei einer 0 das Signal invertiert und bei einer 1 das Signal beibehalten


4411.02.2009

Daten und Manchesterencoding


4511.02.2009

Preamble = Lernen der Bits


4611.02.2009

Empfang von Daten

Der Datenempfang wird durch eine oversampelte Clock überwacht Die Receiveclock arbeitet mit der 8- oder 16- Fachen

Geschwindigkeit der Baudrate

Bei Empfang des Stoppbits wird automatisch auf den Beginn des nächsten Startbits gewartet Es ist egal ob 1, 1,5 oder 2 Stoppbits eingestellt sind


4711.02.2009

Empfang von Daten


4811.02.2009

Synchroner Empfang

Empfang bei jeder steigenden Taktflanke


4911.02.2009

Handshaking DTE-DCE

DTE - data terminal equipment : PC/ComputerTerminal (schnell)

DCE - data communication equipment: MODEM (langsam)

Einführung von Steuerleitungen:RTS: Request to Send: Darf Ich?CTS: Clear To Send: Ja du darfst!


5011.02.2009

Hardwarehandshake

µC: Setzt des RTS Empfänger: Setzt CTS µC: Sendet Datenbits, Start und Stop Empfänger

Verarbeitet DatenFalls zu schnell Daten kommen, Rücksetzung

des CTS-Signals


5111.02.2009

Timeguard

Mit Hilfe des Time-Guards können Verzögerungszeiten nach jedem Datenblock eingesetzt werden.

Dies verlängert de facto das Stoppbit um eine gewisse Zeit

Wird benötigt falls der Empfänger sehr viel langsamer arbeitet als der Sender und so ein Überlaufen des Empfangsbuffers zu vermeiden Wirkungsvoller ist wahrscheinlich aber die Senkung

der Baudrate


5211.02.2009

Overrun Error

Nach jedem empfangenen Datum wird das RXRDY-Status Bit gesetzt und die Datenbits in das Empfangsregister kopiert

Beim nächsten Startbit wird das RXRDY-Status-Bit zurückgesetzt

Falls das RXRDY-Bit bereits gesetzt ist werden die Daten überschrieben und das Overrun-Error-Bit gesetzt

Es kann dann ein Interrupt ausgelöst werden, der die Datenkontrolle neuregelt


5311.02.2009

Drift Compensation

Beim Empfang wird das Signal oversampelt. Hierdurch kann es zu Ungenauigkeiten kommen, z.B. eine Abweichung um 1 Bit nach 10 Durchläufen, dann wird ein zusätzliches Clocksignal in diese Periode eingefügt

Es kann auch ein Clocksignal aus der Periode ausgelassen werden


5411.02.2009

Framing Error

Der Zeitraum zwischen den Start- und Stopbits ist konstant und hängt vom Baudrate und einer Anzahl Daten- und Paritätsbits ab.

Das Startbit wird immer mit einem Space Niveau angegeben, das Stoppbit mit dem Mark Niveau.

Wenn der Empfänger einen anderen Wert als Mark in dem Moment entdeckt, zu dem das Stopbit hätten empfangen werden müssen,

=> Framing Error aufgetreten ist Neusynchronisation erforderlich


5511.02.2009

DTR und DSR

DTR: data terminal ready DSR: data set ready Diese beiden Leitungen werden immer auf

ON gehalten um zu signalisieren, dass eine Verbindung besteht


5611.02.2009

Pegel

Die Pegel werden pseudo-differentiell übertragen, d.h. es werden 2 Leitungen miteinander verglichen, wobei die eine Leitung auf Masse gezogen ist

Die Pegel betragen ca. 12V und ca. -12 VSpezifikation: +5V bis +15V (0), und -5V bis -

15V (1)


5711.02.2009

Pinbelegung


5811.02.2009

Anschluss am PC


5911.02.2009


6011.02.2009

Nutzdaten / Datenrate


6111.02.2009

Vergleich Baud / Bitlänge

Datenrate [baud] 300 2400 9600 19200 38400 57600 115200

Bitlänge 3,33 ms 417 µs 104 µs 52,08 µs 26,04 µs 17,36 µs 8,68 µs


6211.02.2009

ISO7816 protocol

Neben den herkömmlichen Protokollen wie RS232 und RS485 können auch Smartcard, also Chipkarten mit dem USART gelesen und geschrieben werden


6311.02.2009

IrDA protocol

Es ist auch möglich, Infrarot-Geräte über den USART anzusprechen.

Die Übertragung ähnelt sehr der Übertragung von RS232


6411.02.2009

Fehlerkorrektur

Paritybits ermöglichen nur die Fehlererkennung einzelner Bits

Zur Fehlerkorrektur müssen in den Datenbits fehlerkorrigierende Codes eingebaut werden.

Ein Beipiel für fehlererkennenden Code ist der CRC


6511.02.2009

RS485

Ähnlicher Standard wie RS232 Voll differntielle Datenübertragung Abschlusswiderstand notwendig Bis zu 32 Empfänger Leitungslänge bis zu 1200 m


6611.02.2009

Modbus-Protokoll

Modbus ist ein in der Industrie verbreitetes Standard-Kommunikationsprotokoll zur Kommunikation in einer Master-Slave Umgebung

Ist ein beliebtes Datenprotokoll für die Kommunikation in RS485-Netzen


6711.02.2009

Fragen?

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