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System-orientierte Informatik - Mikrocontroller, Sensor- und Aktoranbindung

Prof. Dr.-Ing. Christian Hochberger

Fakultät Informatik Institut für Technische Informatik, Professur Mikrorechner

©Christian Hochberger Folie 2 von 33

Ausgangslage

• Gesamtsystem, bestehend aus– Prozess– (Steuer-)Rechner– Sensoren– Aktoren

• Fragestellung hier:– Wie werden Rechner,

Sensoren und Aktorenin der Praxis realisiert?

E i n g a b e - P e r ip h e r i e ( z . B . T a s t a t u r )

M e ß - P e r i p h e r i e( z . B . S e n s o r e n )

S t e l l - P e r i p h e r i e( z . B . A k t o r e n )

A u s g a b e - P e r i p h e r i e ( z . B . B i l d s c h i r m )

R e c h n e r

Aö f f n e n

Zs c h l i e ß e n

ME l e k t r o m o t o r

1 0 0 %

0 %

S c h ie b e r -p o s i t i o n

D u r c h f l u ß

S t r ö m u n g s -g e s c h w i n d ig k e i t V S

S e n s o r( F o t o z e l l e )

L a m p e

F l ü g e l -r a d

I n f o r m a t i o n s - V e r a r b e i t u n g

I - E in g a b e I - A u s g a b e

I - N u t z u n g I - G e w in n u n g


Mikrocontroller

• Wunsch:– Alle Komponenten auf einem Chip– System-on-Chip (SoC)

• Minimalausstattung:– Prozessorkern– (EP)ROM– RAM– I/O (digital, analog, seriell)– Timer (fast immer, oft mit Capture und Compare)


Mikrocontroller – Speicherausstattung

• Auswirkungen des SoC-Prinzips– Auch Speicher mit auf Chip– Probleme bei der Technologie-Integration– Typischerweise kein DRAM zusammen mit CMOS– RAM nur als SRAM

• Bei großem RAM-Bedarf:– Externe Speicherbausteine (DRAM, SDRAM, DDR, ...)– Intern komplette Ansteuerung (DRAM-Kontroller)


Mikrocontroller – Programmierung

• Prozessorkern– Oft RISC, meistens einfache Befehlssätze– Bessere Berechenbarkeit der Ausführungszeiten– Verzicht auf “Komfort”-Befehle

(z.B. Multiplikation, Division, Floating-Point)– Einfache Speicherverwaltung (keine MMU, evtl. einfache

Schutzmechanismen)

• Echtzeitbetriebssystem nur– wenn Multitasking gebraucht wird– oder Treiber für Schnittstellen gebraucht werden

(z.B. USB, Ethernet/TCP/IP, ...)


Mikrocontroller – Beispiele

• MSP 430 Familie von TI– 16-Bit Prozessorkern, RISC– Speziell für energieeffiziente Systeme konzipiert

• 0,5µA im Shutdown-Mode, 1µS Wakeup-Time– Speicherausstattung

• 128B – 18KB SRAM• 1 – 256 KB Flash-EPROM

– Peripherieausstattung• USB, SPI, I2C, UART, LIN• OpAmp, ADC, DAC, • Multiplier, AES, LCD (segmentbasiert)• Timer, WDT, RTC


Mikrocontroller – Beispiel MSP430F4152


Mikrocontroller – Beispiel MSP430F1101A


Mikrocontroller – Beispiele (2)

• LPC 17XX Familie NXP– ARM Cortex M3 Prozessorkern bis 120MHz– Speicherausstattung

• 128 – 512 KB Flash-EPROM• 32 – 64 KB SRAM

– Peripherieausstattung• Ethernet, USB, CAN• I2C, I2S, SPI, UART,• analoge Eingänge, verschiedene Timer, PWM


Mikrocontroller – Beispiel LPC17XX


Rückblick – Operationsverstärker

• Wird für Anbindung der Außenwelt oft gebraucht– Synonyme: OPV, OpAmp

• Grundkonzept:– 2 Eingänge (+ und -)– Spannungsdifferenz wird ∞-fach verstärkt

(in der Praxis 10000 – 100000)– Durch Eingänge fließt kein Strom

• Problem:– Braucht gute analoge Transistoren

+-


OPV – Grundschaltung Spannungsfolger

• Prinzip:– Eingangsspannung ändert sich– Differenz wächst– Ausgangswert wirkt auf Null-

Differenz zurück

• Natürlich nicht verzögerungsfrei


OPV – Sample & Hold

• Schalter geschlossen:– Kondensator folgt Eingangsspannung– Verzögerung aufgrund der Umladung

• Schalter offen:– Kondensator hält seinen Wert (da kein Strom über OpAmp)– Wert driftet mit der Zeit weg


D/A Wandlung

• Umwandlung binärer Werte in analoge Ausgangsgrößen– Häufig Strom oder Spannung– Werden oft als Steuergröße für Folgesysteme gebraucht– Viel einfacher als A/D Wandlung

• Hier zwei Verfahren:– Erzeugen einer Spannung mit R2R-Netzwerk– Pulsbreitenmodulation für größere Leistungen

• Andere Verfahren– bei Synchronmaschinen


D/A Wandlung – Erzeugen von Spannungen

• Typische Realisierung:– R2R-Netzwerk– Nur zwei verschiedene

Widerstandswerte nötig– Schnell

• Aber:– Keine Belastung des

Ausgangs– Daher meist mit OpAmp


D/A Wandlung – Steuerung großer Lasten

• z.B. Helligkeit einer Lampe– Hängt vom Strom ab– Lässt sich z.B. durch Widerstand regeln

• Probleme:– Schlecht vom Mikrocontroller zu regeln– Strom fließt auch durch Widerstand– Widerstand erhitzt sich– Leistung wird nicht genutzt

• Wann geht eigentlich am meisten Leistung verloren?

VCC


D/A Wandlung – Steuerung großer Lasten

• Widerstand kann durch MOS-Transistor ersetzt werden– Drain-Source Widerstand proportional zu

Gate-Spannung– Leicht durch Mikrocontroller zu steuern

• Problem:– Strom erhitzt auch den Transistor– Leistung wird “verheizt”

(Verlustleistung)

VCC


D/A Wandlung – Pulsbreitenmodulation

• Transistor voll gesperrt:– Kein Strom durch Transistor, keine Verlustleistung

• Transistor voll leitend:– Widerstand nahe an Null, Verlustleistung sehr klein

• Idee der Pulsbreitenmodulation– Nutze nur die beiden Zustände des Transistors– Schalte schnell/oft genug um– Schalten nicht mehr zu bemerken


D/A Wandlung – Pulsbreitenmodulation (2)

• Resultierende Leistung entspricht dem Verhältnis aus Zykluszeit und Einschaltzeit

• Voraussetzung:– Verbraucher muss filternde/integrierende Wirkung haben– Zykluszeit muss hinreichend klein sein

tcyc

ton


Timer

• Sehr häufig in Mikrocontrollern vorhanden• Anwendung:

– Zum Messen von Zeiten:Externes Event erzeugt IRQ, Kern ließt Zählerstand aus

– Zum Erzeugen vorgegebener ZeitintervalleIRQ nach Ablauf des Timers, Kern kann Aktion ausführen

• Viele Formen möglich– Auf-/Abwärts zählen, programmierbarer Start-/End-Wert– Wahl des Eingangstaktes (Systemtakt, Peripherietakt,

externer Takt)– Einstellbarer Vorteiler


Timer – Output Compare Unit

• Zusatzeinheit in Kombination mit Timer– Programmierbares Register– Bei Gleichheit mit Zählerstand wird Aktion ausgelöst– Aktion programmierbar (IRQ, Port An/Aus/Invert)

• Mehrere pro Timer möglich• Erlauben autonome Signalerzeugung (ohne Kern-

Beteiligung)• Kann als PWM-Einheit verwendet werden


Timer – Output Compare Unit: PWM-Erzeugung

Beispiel: MSP430F1101• Mehrere Capture/Compare

Register• Zykluslänge in CCR0• CCR2 auf ton setzen

• Output Mode:– Port ein bei Nulldurchgang– Port aus bei Erreichen von

CCR2


Timer – Input Capture Unit

• Ziel: Autonomes Festhalten eines Zeitpunktes• Funktionsweise:

– Externes Event löst Takt am Capture-Register aus– Eingang des Capture-Registers hängt am Zählerstand– Optional: IRQ auslösen

• Möglicher Nutzen:– Hochgenaue Messung von Ereigniszeitpunkten– Keine Verfälschung bei hoher IRQ-Last des Kerns– Auf mehreren Kanälen gleichzeitig möglich– Anwendung z.B. bei Slope-Wandlungen


A/D Wandlung

• Kriterien bei der Auswahl– Geschwindigkeit– Genauigkeit– Technologische Integrierbarkeit

• Betrachtete Verfahren:– Flash A/D Wandlung– Dual-Slope Wandlung– Sukzessive Approximation– (aber es gibt viele weitere!)


Flash A/D Wandlung

• Prinzip:– Bilde eine Referenzspannung für alle Spannungsstufen– Vergleiche alle Referenzspannungen mit dem Eingang– Eingang größer -> OpAmp liefert 1– Eingang kleiner -> OpAmp liefert 0– Ermittle Binärcodierung des Umschlagpunktes

• Aufwand:– Bei n Bit Auflösung: 2n OpAmps


Flash A/D Wandlung (2)

Prio

rity

En

code

r

VCC

• Wandlung arbeitet zeitkontinuierlich!

• Schnellstes Wandlungsverfahren

• Wg. hoher Zahl “analoger” Transistoren: Schlecht integrierbar

• Praktisch immer in separaten Chips


Single Slope Wandlung

• Grundidee:– Vergleiche Eingangsspannung mit Kondensatorspannung

während Entladevorgang– Kondensatorspannung: V0*e(-RC*t)

– t z.B. durch OpAmp und Input Capture ermitteln

• Probleme:– Berechnung von e(-RC*t)

– Toleranzen von V0 und C


Single Slope Wandlung (2)


Dual Slope Wandlung

• Verbesserung des Verfahrens:– Vergleichende Messung– C aufladen, über Referenz-Widerstand entladen– C nochmal aufladen, über Mess-Widerstand entladen

• Formeln:

V cmp=V 0∗e−R ref∗C∗t ref

tref=Rref∗C∗lnV cmp

V 0

tmeas=Rmeas∗C∗lnV cmp

V 0

tmeas

t ref

=

−Rmeas∗C∗lnV cmp

V 0

−Rref∗C∗lnV cmp

V 0

tmeas

t ref

=Rmeas

Rref


Dual Slope Wandlung (2)

Referenz-Messung Sensor-Messung


Dual Slope Wandlung (3)

• Vorteile:– Negative Einflussgrößen fallen raus (V0, C)

– Berechnung viel einfacher

• Nachteile:– Nur Messung von Widerständen (nicht Spannungen)– Kann in der Praxis oft leicht verschmerzt werden

(Licht, Druck, Temperatur)


Sukzessive Approximation

• Prinzip:– Wie Balkenwaage– Größten Gewichtsstein auflegen– Gewicht zu schwer: Wieder runternehmen– Ansonsten: Drauf lassen– Mit nächst kleinerem Gewicht fortfahren

• Optimaler Kompromiss:– Nur ein OpAmp (leicht zu integrieren)– Wandlungszeit proportional zur Auflösung


Sukzessive Approximation (2)

• Sample&Hold damit Wert konstant

• D/A Wandler als R2R-Netzwerk

• Bei höchstwertigem Bit anfangen

D/A

S&HSteuerung

Naeherungswert

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