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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Come collegare un microcontrollore e un computer tramite RS-232. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / microcontrollori Questo articolo è stato concepito come un esempio dell'implementazione dello sviluppo di un dispositivo a microcontrollore controllato da un personal computer tramite un canale seriale. È destinato a coloro che non hanno ancora esperienza in tali sviluppi. Una volta compreso come il PC controlla il microcontrollore, visualizza, elabora e memorizza le informazioni ricevute da esso, è possibile applicare questa conoscenza ai propri sviluppi. Inoltre, il dispositivo descritto ha anche un valore indipendente: è un voltmetro digitale controllato, i cui risultati di misurazione, prima della visualizzazione, possono essere elaborati da un computer secondo un algoritmo prestabilito, e anche salvati in un file sul disco rigido del tuo PC guidare, visionato e stampato. Tutto ciò fa del dispositivo descritto la base per un semplice sistema di raccolta, elaborazione e documentazione dei dati, utile per gli ingegneri elettronici che non hanno una conoscenza sufficiente della tecnologia dei microcontrollori per uno sviluppo autonomo. Introduzione Lo scopo di questo lavoro è stato quello di sviluppare e realizzare il più semplice dispositivo di misura basato sul microcontrollore della famiglia x51, ancora oggi il più diffuso, in grado di scambiare informazioni con un personal computer. Doveva implementare un misuratore di tensione nel dispositivo, che in seguito potrebbe essere integrato con vari prefissi che convertono in tensione altre grandezze fisiche misurate direttamente. Un tale dispositivo renderebbe facile eseguire una serie di misurazioni, essendo controllato da un computer, nonché accumulare i risultati ed eseguire la loro elaborazione al computer. Sottoposto a piccole modifiche, potrebbe facilmente trasformarsi in un sistema per il monitoraggio e il controllo remoto di apparecchiature o altri strumenti e dispositivi. Descrizione generale del dispositivo. Parte elettrica del dispositivo Il dispositivo (Fig. 1), infatti, è un voltmetro digitale. All'ingresso del voltmetro è presente un amplificatore operazionale (DA1), che ha un'elevata impedenza di ingresso. L'amplificatore operazionale è seguito da un ADC (DD2), che ci permette di digitalizzare la tensione di nostro interesse per la successiva trasmissione al microcontrollore. Il microcontrollore DD3 è l'elemento di controllo principale del dispositivo, poiché legge le informazioni dall'ADC e comunica con un personal computer tramite un canale seriale. Il dispositivo include anche convertitori di potenza per generare +5 V per la parte digitale e per generare +/-10 V per l'amplificatore operazionale, nonché un chip di conversione di livello (logico <0> e <1> a -15: +15 V e viceversa) per lo scambio di informazioni su un canale seriale come RS232.
Il valore inviato al computer è compreso nell'intervallo 0...4095 (che corrisponde alla profondità di bit dell'ADC), 0 corrisponde al livello di ingresso 0V, 4095 - il livello 5V, la dipendenza è lineare. Il tasso di scambio delle informazioni può essere selezionato come inferiore a 9600 baud e superiore - fino a 115 baud. Su computer abbastanza vecchi, come 200 e precedenti, il limite superiore è molto più basso: 386 baud. Questo perché i chip della porta seriale installati in questi computer non sono stati progettati per velocità più elevate. Descrizione delle patatine Convertitore di alimentazione MAX680 Gli amplificatori operazionali in genere richiedono un'alimentazione bipolare (ad esempio, +10 V e -10 V a terra). I radioamatori che hanno poca familiarità con la base dell'elemento moderno di solito usano un trasformatore con due avvolgimenti secondari (o con uno, ma con una presa dal centro), due condensatori di filtro, due stabilizzatori, ecc. se si ha a disposizione una tensione stabilizzata di 5V, e l'amplificatore operazionale utilizzato, che richiede un'alimentazione bipolare, può cavarsela solo con +7:10 V, consumando 1:2 mA, allora i due avvolgimenti e i due stabilizzatori menzionati sono non necessario. È sufficiente utilizzare il chip MAX680 di Maxim (si noti che tali chip sono prodotti da Linear Technology e da numerose altre aziende note). All'ingresso del microcircuito viene fornita una tensione Uin, compresa tra 3:5 e 6:10 V (a seconda del tipo), alle sue uscite si formano tensioni pari a circa + 2Uin. È notevole che, in primo luogo, oltre al MAX8 o LT680 a 1026 pin, sono necessari solo 4 piccoli condensatori elettrolitici per formare queste tensioni (vedi Fig. 1), e in secondo luogo, quando la tensione di ingresso cambia, la tensione di uscita raddoppiata cambia in fase, che praticamente non influisce sul segnale di uscita dell'amplificatore operazionale. Per una conoscenza più dettagliata di tali microcircuiti, l'autore consiglia di fare riferimento alle corrispondenti descrizioni dell'azienda. ADC MAX1241 Negli ultimi anni, nella tecnologia dei microcontrollori, sono stati ampiamente sviluppati i microcircuiti controllati tramite un canale seriale. Uno di questi microcircuiti è l'ADC MAX12 a 1241 bit. Come nel caso di MAX680, MAX1241 ha molti analoghi esatti e approssimativi (MAX187 di Maxim, LTC1286, LTC1298 di Linear Technology, AD7894 di Analog Devices e molti altri). MAX1241 è confezionato in un contenitore a 8 pin, alimentato da una tensione da 2,7 a 5 V, che consuma una corrente di circa 5 mA. Richiede l'utilizzo di una sorgente di tensione di riferimento esterna (in questo caso viene utilizzato un diodo zener di precisione KR142EN19, che genera una tensione di 2,50 V) e utilizza solo 3 linee per comunicare con il microcontrollore. Il funzionamento del MAX1241 è illustrato dai diagrammi di temporizzazione riportati in fig. 2. Prima della conversione e dello scambio, l'ingresso CS# MAX1241 deve essere mantenuto dal microcontrollore in un singolo stato. Per avviare la conversione è necessario applicare a questo ingresso un livello zero logico. Il processo di conversione in MAX1241 richiede poco meno di 8 µs. Durante l'intero tempo di conversione, MAX1241 mantiene un livello logico 0 sulla sua uscita DOUT.Dopo che la conversione è stata completata, MAX1241 imposta l'uscita DOUT su uno stato singolo.
Prima di iniziare la conversione, il microcontrollore all'ingresso SCLK MAX1241 deve impostare il livello logico zero. Quando il processo di conversione all'interno dell'ADC è completato, il microcontrollore deve generare una sequenza di almeno 12 impulsi positivi all'ingresso SCLK (Fig. 2). Il fronte di salita del primo impulso prepara il MAX1241 per la trasmissione dei dati. Al declino dell'impulso su DOUT, il dodicesimo bit più significativo appare come uno zero o uno logico. Il microcontrollore legge questo bit, genera il fronte del secondo impulso su SCLK e, dopo un po ', il suo declino. Alla caduta del secondo impulso, l'undicesimo bit, che viene poi letto dal microcontrollore, appare su DOUT, ecc. Al declino del 12° impulso, all'uscita DOUT viene impostato il 1° bit meno significativo. La discesa del 13° impulso pone DOUT nello stato zero, in cui si trova prima che l'ingresso CS# sia impostato a 1. Trasferendo CS# in un singolo stato, il microcontrollore informa MAX1241 del completamento del processo di lettura del risultato della conversione. La successiva conversione MAX1241 può richiedere circa 1 µs dopo aver impostato CS# su 1. Gli algoritmi operativi di LTC1286, LTC1298 di Linear Technology e AD7894 di Analog Devices differiscono leggermente da quelli descritti per MAX1241. Maggiori dettagli possono essere trovati facendo riferimento alle rispettive descrizioni aziendali. Convertitore di livello MAX202E Non è un segreto per nessuno che nella logica standard uno sia rappresentato da un livello di tensione da 2,4 a 5 V e zero da 0 a 0,8 V. Tuttavia, i principianti potrebbero non essere consapevoli del fatto che zero e uno vengono trasmessi tramite RS- 232 canali sono codificati con lo stesso valore (da 5 a 12 V), ma diversi nei segnali di segno. Nell'ambito di questo articolo, non si intende spiegare perché è consuetudine farlo e non altrimenti: ci limiteremo ad affermare questo fatto. Poiché i segnali logici standard devono essere convertiti in segnali di un altro livello per la trasmissione tramite RS-232, è necessario prevedere opportuni mezzi di conversione nel circuito. Circa 10 anni fa, a tale scopo sono state utilizzate cascate appositamente progettate di tre o quattro transistor, una coppia di diodi e quasi una dozzina di resistori. Ora la situazione è cambiata in modo significativo: i principali produttori di microcircuiti producono convertitori completamente finiti che richiedono un numero minimo di elementi aggiuntivi. Questi includono MAX202E e AD232 di MAXIM di Analog Devices, che è completamente identico ad esso, fino al pinout. All'interno, entrambi i microcircuiti contengono un convertitore di tensione da +5 V a +10 V, identico al MAX680 sopra descritto, e cascate che convertono i segnali logici di livello standard in segnali di livello RS-232. Ciascuno di questi microcircuiti contiene convertitori di livello logico per due ricevitori e due trasmettitori. Useremo un solo canale del ricetrasmettitore. Modalità di funzionamento dell'MK con un canale seriale Come sapete (vedi, ad esempio, i numeri 10 e 11 della rivista Radio per il 1994), i microcontrollori della famiglia x51 hanno quattro modalità di funzionamento del ricetrasmettitore. Saremo interessati alla modalità 1 come la più semplice e accettabile. La modalità 1 è caratterizzata dai seguenti parametri:
Questa è una modalità comoda per la programmazione: è necessario pochissimo codice di programmazione per impostare e utilizzare il ricetrasmettitore. Sebbene sia possibile utilizzare altre modalità operative, se lo si desidera. Lo scopo di questo articolo è descrivere un dispositivo che ha la capacità di comunicare con un personal computer. Non daremo qui una descrizione di come funziona esattamente il ricetrasmettitore. Queste informazioni possono essere raccolte dalle riviste citate "Radio" o altra letteratura. Routine di base per MK Le routine principali per il microcontrollore saranno: lettura dei dati dall'ADC, inizializzazione dell'UART, ricezione di un byte e invio di un byte. Lettura dei dati da ADC Configurazione di un PC per lo scambio di informazioni su un collegamento seriale. Per configurare un PC per lo scambio di informazioni su un canale seriale, è necessario eseguire le seguenti operazioni:
Un esempio di codice progettato per un tasso di cambio di 9600 bps per un risonatore al quarzo con una frequenza di risonanza di 11,059 MHz:
GET_VOLT: SETB DOUT ; INSERIMENTO DATI CONSENTITO DA ADC SETB CS ; IMPOSTA STATO INIZIALE ADC CLR SCLK ; IMPOSTA STATO INIZIALE ADC CLR CS ; SEGNALATO A LEGGERE I DATI MUL AB; 4 MKS A 12 MHZ\ MUL AB ; 4 ISS | MUL AB ; 4 ISS} ASPETTA LA FINE; | DIGITAZIONI MUL AB ; 4 MKS/MOV R0,#12 ; LEGGI 12 BIT GET_VC: SETB SCLK ; \ NO ; | NOP; | CLR SCLK ; }HO GENERATO UN IMPULSO PER LA LETTURA DEL BIT NOP ; | NOP; /MOV C, DOUT ; LEGGI BIT MOV A, R2 ; \ RLC A ; | MOV R2,A ; | MOV A, R3 ; } PUSH BIT IN WORD; |RISULTATO - R3R2 RLC A ; | MOV R3,A ; /DJNZ R0,GET_VC ; LOOP ANL A,#0FH MOV R3,A ; BIT ALTI CANCELLATI R3R2 SETB CS ; NON VUOI LEGGERE; (BIT RESTANTI = 0) MUL AB ; 4 MKS A 12 MHZ \ MUL AB ; 4 ISS | MUL AB ; 4 ISS | MUL AB ; 4 µs }MIN RITARDO ; | PRIMA DEL PROSSIMO MUL AB ; 4 ISS | MUL AB ; 4 ISS / RET Questa subroutine è chiamata la primissima nel programma principale del microcomputer. In linea di principio, non può nemmeno essere progettato come subroutine. Ricezione e invio di un byte Le routine per ricevere e inviare un byte su un collegamento seriale sono molto semplici.
SERINIT: MOVIMENTO IE, #0 ; Disabilita tutti gli interrupt MOV TMOD, #20H ; Impostare la modalità 2 per il timer 1 MOV TH1, #REL96 ; Valore per l'autocaricamento del contatore MOV TL1, #REL96 ; Valore iniziale del contatore per 9600 bps; con SMOD = 0 ANL PCON, #7FH ; Eliminato SMOD MOV SCON, #50H; Modalità per 8 bit di dati e baud rate, ; dipendente dal timer SETB TR1 ; Avvia timer/setter 1 RET dove REL96 è una costante uguale a 0FDh Un byte può essere letto dalla porta SBUF I/O solo quando il bit RI nel registro di controllo/stato SCON è impostato, indicando la presenza di un byte nel buffer di ricezione. Dopo aver letto questo byte, il bit RI deve essere resettato. Dopo aver scritto un byte sulla porta I/O, è necessario attendere l'impostazione del bit TI, che segnalerà la fine dell'invio del byte alla linea. Quindi anche il bit TI dovrà essere reimpostato. Sottoprogramma per la ricezione di un byte nell'accumulatore:
GETCH: JNB RI, GETCH MOV A, SBUF CLR RI RET Sottoprogramma per l'invio di un byte dall'accumulatore:
PUTCH: MOV SBUF, A SEND: JNB TI, SEND CLR TI RET Si noti inoltre che il microcomputer non dispone di alcun mezzo per rilevare errori di I/O. Al fine di organizzare il controllo in modo hardware-software, è possibile ampliare il numero di linee di ingresso/uscita attraverso le quali verranno trasmessi ulteriori segnali, e sarà possibile determinare gli stati in cui si trovano i partecipanti al dialogo localizzato, oltre a rilevare gli errori. È possibile aumentare l'affidabilità della ricezione/trasmissione delle informazioni in un altro modo: trasmettere un bit in più con otto bit di dati: il bit di parità, calcolato in modo simile al flag di parità nella parola di stato del programma (bit 0 PSW). Dovrebbe essere calcolato solo per il byte trasmesso o ricevuto. Dopo aver ricevuto il byte e il bit di parità, è necessario confrontarli in modo che corrispondano. Se non corrispondono, si è verificato un errore di I/O. Per trasmettere un ulteriore 9° bit di informazione, è necessario utilizzare la modalità 2 o 3 del timer/contatore. Programma generale per MK. Diagramma di stato del dispositivo Il programma generale del microcomputer si basa sull'algoritmo descritto di seguito. L'algoritmo è piuttosto complicato, perché tuttavia, è necessario in qualche modo, almeno a livello di codice, rilevare errori di input / output e rispondere al loro aspetto. Per maggiore chiarezza, l'algoritmo, descritto in parole ordinarie, è accompagnato da una figura, il cosiddetto diagramma di stato del dispositivo (Fig. 3), che mostra i quattro stati principali del dispositivo in termini di scambio di informazioni con un computer.
Stabiliamo in anticipo il fatto che il nostro microcomputer è uno schiavo e un personal computer è un leader nello scambio di dati. In altre parole, il dispositivo stesso, senza un ordine dal PC, non dovrebbe fare nulla. È completamente subordinato al computer di controllo. Il personal computer viene scelto come leader per il semplice motivo che ha più potenza ed è in grado di controllare il dispositivo senza particolari problemi. Inoltre, può fornire all'utente più funzioni di servizio. Stato uno - Aspetta Il dispositivo si trova in questo stato subito dopo l'inserimento della tensione di alimentazione. Qui attende una richiesta di inizializzazione dal computer, che si esprime nel computer che invia il carattere NUL. Il dispositivo, a sua volta, deve, in risposta alla richiesta ricevuta, abilitare e configurare, se necessario, moduli e risorse aggiuntivi, quindi, se tutto è andato a buon fine, inviare un simbolo di ACK al computer. In caso di errore, dovrebbe inviare un NAK. Avviene così la prima "comunicazione" di due "interlocutori". Se vuoi, dovrebbero "scambiarsi saluti" o "stringersi la mano". Se il dispositivo viene inizializzato correttamente e quindi invia un carattere ACK, passa automaticamente allo stato successivo. Questa transizione è indicata dalla freccia 1 nel diagramma. Stato pronto In questo stato, il nostro microcomputer è in attesa di una richiesta del PC per inviare il valore misurato letto dall'ADC. La richiesta è un carattere XON. Dopo l'accettazione di questo simbolo, il dispositivo entra in un nuovo stato: Invio. La freccia 2 corrisponde alla transizione. Stato di invio Arrivando qui, il microcontrollore legge un numero binario a dodici bit dall'ADC con il metodo precedentemente indicato e lo invia in parti al computer. Questa implementazione converte il numero binario nel suo equivalente esadecimale di tre caratteri, ad esempio <1FF> per il decimale 511. Invia prima <1>, quindi Al termine del trasferimento del valore al computer, il microcomputer passa allo stato successivo secondo la freccia 4. Stato inviato Questo stato è l'ultimo e, per così dire, chiude il cerchio di un unico atto di comunicazione tra il dispositivo e il computer. In questo caso, il computer dovrebbe confermare di aver ricevuto correttamente il valore che gli era stato indirizzato. Ci sono diverse opzioni per il PC per rispondere al numero inviato: può rispondere di ricezione riuscita con il simbolo XOFF, il che significa che non sono ancora richiesti altri valori, oppure può rispondere con il simbolo XON, che significa che è necessario un altro valore. Se viene ricevuto XOFF, il dispositivo torna allo stato Pronto (transizione 7 nel diagramma). Se viene ricevuto il simbolo XON, allora il dispositivo si ritrova nello stato Invio (transizione 5) e ripete la lettura dall'ADC con il successivo trasferimento del numero sulla linea. L'unico caso che non è stato considerato è stato quando al PC non è piaciuto ciò che ha ricevuto: ad esempio, invece di caratteri nell'intervallo <0>...<9>, ... Le transizioni indicate dalle frecce 3 e 8 del diagramma sono rimaste non descritte. Se il computer rileva un grave errore di I/O o deve interrompere la comunicazione con il dispositivo, invierà semplicemente un NUL di inizializzazione, che inizializzerà il dispositivo e lo metterà nello stato Pronto. Quelli. Qualunque sia lo stato in cui si trova il nostro dispositivo, deve rispondere alla richiesta di inizializzazione come durante l'inizializzazione iniziale (vedi la voce Stato di attesa). Se il microcomputer ha ricevuto un carattere o una richiesta imprevisti o errati, dovrebbe sempre rispondere con il carattere NAK. Tale strategia è vantaggiosa, poiché una tale organizzazione del programma per il dispositivo semplifica l'esecuzione di più attività contemporaneamente: microcomputer e PC non riprodurranno un telefono danneggiato e, in secondo luogo, saranno in grado di "comunicare" in modo semplice ed efficace " l'uno con l'altro. con un amico. Passiamo al PC. Programma generico per pc. Diagramma di stato del PC Fondamentalmente, un programma comune per un computer non differirà in alcun modo da quello utilizzato in un microcontrollore. L'algoritmo sarà simile e il diagramma di stato sarà simile. Inizializzazione del primo stato Il computer arriva qui quando l'utente preme un tasto sulla sua tastiera che corrisponde all'accettazione di un singolo valore. In questo stato, il computer invia un carattere di inizializzazione NUL al dispositivo e attende una risposta ACK o NAK. Se è stato ricevuto un ACK, l'inizializzazione è andata a buon fine e puoi continuare a lavorare: vai allo stato successivo secondo la freccia 2 nel diagramma. Se viene ricevuto il NAK, l'operazione dovrebbe interrompersi e il computer dovrebbe passare allo stato finale Done lungo la freccia 1. Stato pronto In questo stato il computer si predispone a ricevere i caratteri che comporranno il valore richiesto al microcomputer. Ci sono due richieste per inviare un valore. La prima è una normale richiesta di valore e corrisponde al carattere XON. La seconda richiesta è una richiesta per inviare nuovamente l'ultimo valore. Questo è necessario se il valore non è stato accettato completamente per un certo tempo oggettivo o sono stati ricevuti caratteri errati che non rientrano nei range da <0> a <9> e da a Successivamente, dopo essersi preparati a ricevere i caratteri del valore, si verifica una delle due richieste di cui sopra al nostro dispositivo, quindi il computer si sposta lungo la freccia 4 fino allo stato di ricezione del valore. Stato ricevente Qui il PC legge semplicemente tre caratteri del valore misurato e convertito dall'ADC. Come accennato in precedenza, c'è un tempo oggettivo per il computer per attendere un personaggio. Se il carattere non è stato letto durante questo periodo, questa situazione viene interpretata come errata, ad es. si è verificato un errore di I/O. A proposito, a velocità di scambio di informazioni piuttosto elevate (più di 19200 bps) o quando si lavora nel sistema operativo MS-Windows (qualsiasi versione), capita spesso che un computer riceva solo due dei tre caratteri che gli sono stati inviati e talvolta ancor meno - uno . Per evitare che il computer "si blocchi" - in attesa di un carattere mancante o mancante infinitamente lungo - viene introdotto del tempo per limitare questa aspettativa. Sfortunatamente, queste omissioni non vengono rilevate dal metodo hardware. Questa implementazione definisce due tipi di timeout che possono essere impostati dall'utente dalla tastiera. Il primo tipo è il timeout per 1 di 3 caratteri. Permette al dispositivo di misurare con calma, senza fretta, digitalizzare il numero di cui abbiamo bisogno e convertirlo in un equivalente simbolico. E il secondo tipo è il limite di tempo per l'invio del secondo e del terzo carattere. Passiamo ora alle possibili transizioni dallo stato Ricezione ad altri stati. Se tutti e 3 i caratteri del valore non sono stati ricevuti nel tempo assegnato, il computer deve chiedere al nostro dispositivo di inviargli nuovamente il valore. Questa situazione corrisponde alla transizione lungo la freccia 5, cioè il computer effettua una richiesta con un carattere NAK e torna allo stato Pronto. Se è stato rilevato un errore I/O durante la ricezione da parte del computer (e il PC ha tale opportunità di analizzare sufficientemente il registro dello stato della porta seriale), allora è meglio ripristinare sia il computer che il microcomputer allo stato originale , cioè. ripetere l'inizializzazione. Pertanto, la freccia 3 è presente anche nel diagramma. E, infine, se il computer ha ricevuto tutti e tre i caratteri dal dispositivo, entra nello stato di analisi del valore ricevuto - nello stato Ricevuto lungo la freccia 8. Pubblicazione: cxem.net
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