WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |

«В Устройства управления роботами схемотехника и микроконтроллеров PICmicro, управление исполнительными устройствами, подключение периферийных устройств, датчиков, детекторов I помощь радиолюбителю ...»

-- [ Страница 3 ] --

// внутренний тактовый генератор, // RA6/RA7 используются для ввода-вывода, // используется внешний сигнал сброса, таймер PWRT включен, // сторожевой таймер выключен, // защита кода отключена, // детектор падения напряжения питания включен.

Unsupported selected // Ошибка: неправильно выбран тип // Глобальные переменные:

volatile unsigned int RTC = 0;

// Счетчик реального времени.

// Обработчик прерываний от таймера:

void interrupt if (TOIF) { // Если запрос на прерывание поступил от таймера TMRO, TOIF = 0;

// то сбросить флаг прерывания RTC++;

// и выполнить инкремент счетчика времени.

// Здесь можно описать дополнительные действия // для обработки прерываний от таймера.

} // Конец условного оператора.

// Здесь можно разместить код для обработки // от других источников.

} // Конец обработчика прерываний.

// Главная программа:

void TMRO = 0;

// Начальное значение счетчика // реального времени.

Подключение к микроконтроллеру периферийных устройств OPTION = OxOD1;

// Использовать предделитель совместно // с таймером коэффициент деления 4.

TOIE = 1;

// Разрешить прерывания от таймера.

GIE = 1;

// Разрешить обработку прерываний.

// Здесь надо выполнить инициализацию периферийных while (1 1) // Бесконечный цикл.

// Здесь надо разместить код для реализации // функций уровня.

} // Конец оператора while.

) // Конец главной программы.

Поясним назначение каждой строки, чтобы вы до конца разобрались в том, как строится приложение при использований компилятора Lite.

В первой строке к программе подключается заголовочный файл pic.h, в кото ром определена информация, специфичная для микроконтроллеров PICmicro.

В частности, в нем содержатся прототипы библиотечных функций, названия ре гистров и имена их отдельных разрядов.

Как уже упоминалось, компилятор PICC Lite может выполнять трансляцию только для микроконтроллеров PIC16C84, PIC16F84, PIC16F84A и PIC16F627. Следует помнить, что компиляция программ для других микрокон троллеров PICmicro может завершиться неудачно без каких бы то ни было пре дупреждающих сообщений.

Затем в нашем шаблоне содержится информация об используемых аппарат ных средствах. Эта часть не является обязательной, но я рекомендую всегда пояс нять в начале программы, какие особенности микроконтроллеров и периферий ных устройств используются в приложении.

Далее указана директива условной компиляции Она вы полняется во время компиляции программы, а не во время ее выполнения, в отли чие от обычного условного оператора Здесь мы используем различные значе ния слова конфигурации в зависимости от для какого микроконтроллера компилируется программа.

Кроме этого, используется еще одна директива - ttwarning: с ее помощью выводится предупреждающее сообщение о типе микроконтроллера, для которого в данный момент производится компиляция. В интегрированной среде MPLAB разработчик должен указать микроконтроллер того же самого типа. Об этом не следует забывать, особенно если новый проект создается на основе старого, кото рый был рассчитан на работу с другим микроконтроллером.

Если указанный тип не совпадает ни с одним из двух описанных вариантов (если используется МК PIC16C84), то выдается сообщение об ошибке - для это го предназначена директива Для отсчета времени в программе служит беззнаковая переменная RTC (real time counter - счетчик реального времени). Ее значение увеличивается на 1 каждый раз, когда очередной раз выполняется код обработчика прерываний от 136 Устройства управления роботами таймера, а происходит это каждые 1024 мкс. Эта переменная используется для ре ализации задержек заданной длительности.

Переменная RTC является Она объявлена в программе вне какой бы то ни было функции и поэтому может быть использована для чтения и/или записи внутри любой из них, в том числе и в процедуре обработки прерываний.

Модификатор указывает, что компилятор не будет оптимизировать доступ к этой переменной, подставлять во все выражения ее предыдущее значение, ведь оно может в любой момент (незаметно для главной программы) измениться в результате выполнения обработчика прерываний.

Переменная RTC описана как беззнаковая (unsigned), поэтому ее значение мо жет быть в диапазоне от 0 до 65535 (OxOFFFF). Напомним, что возможные значе ния обычных переменных типа int лежат в диапазоне от -32768 до +32767.

Код процедуры обработки прерываний располагается отдельно от остальной программы, в микроконтроллерах PICmicro он начинается с адреса 0x0004.

Главная программа и вызываемые функции размещаются в конце памяти про грамм.

Функция, описанная как обработчик прерываний (с модификатором inter rupt), будет вызываться каждый раз, когда произойдет какое-нибудь прерыва ние. Поэтому в первую очередь требуется определить источник запроса. Для это го мы проверяем, установлен ли IF прерывания от таймера. Если он установлен, значит произошло переполнение таймера и надо выполнить инкре мент счетчика RTC. В противном случае прерывание было запрошено другим устройством, поэтому никаких действий со счетчиком реального времени выпол нять не следует.

Если в нашем приложении требуется обрабатывать запросы и других источников, то соответствующий код надо поместить после условного оператора В начале каждого фрагмента обработчика, относящегося к своему источнику прерываний, сле дует использовать условный оператор, проверяющий состояние соответствующего флага. При этом не стоит забывать о необходимости сбрасывать этот флаг до того, как завершится обработка прерывания.

Что касается шаблона основной программы, то он предельно прост. Здесь ини циализируется значение коэффициента деления прескалера и разрешается его работа совместно с таймером TMRO. Устанавливается начальное значение счет чика таймера (что гарантирует выполнение 1024 командных циклов, прежде чем первый раз будет сгенерировано прерывание от таймера). Если этого не сделать, то начальное значение счетчика окажется неопределенным, а в результате первый запрос может быть сформирован еще до того, как будет кон троллер прерываний.

Затем следует выполнить инициализацию периферийных устройств. Соответ ствующий код зависит от того, какие устройства используются.

В этом случае функцию логичнее назвать как-нибудь по-другому. - Прим.

Подключение к микроконтроллеру периферийных устройств В конце главной программы указан оператор цикла с условием про должения, которое всегда выполняется == 1). Это приводит к бесконечному лу, который будет закончен только при выключении микроконтроллера или при подаче сигнала сброса. Внутри этого бесконечного цикла выполняется код, реа лизующий функции биологического уровня.

Компилятор Lite всегда размещает функцию main в конце памяти про грамм. Поэтому машинные команды, соответствующие последнему оператору главной программы, оказываются записанными в последних ячейках памяти.

После выполнения этих команд программный счетчик PC снова обнуляется, и программа продолжает выполняться с самого начала. Поэтому даже без явно го использования оператора цикла можно добиться зацикливания главной про граммы.

Как мы увидим в дальнейшем, реализация приложений на основе представлен ного шаблона не должна вызывать каких-либо затруднений. Вы будете удивлены тем, с какой легкостью удастся добавлять к проектам новые функции.

4.3. МАКЕТИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ PICMICRO Работая над книгой, я ни на секунду не пожалел о том, что выбрал для своих про ектов микроконтроллер PIC16F627. Вы увидите, что с этим МК очень легко рабо тать, а современные инструментальные средства MPLAB IDE и PICC Lite пре вращают эту работу в истинное удовольствие, позволяя реализовывать достаточно сложные устройства, нисколько не уступающие по своим возможностям коммер ческому программному обеспечению.

Но сначала перечислим необходимый набор инструментов, который пригодит ся для реализации любой из описанных в этой книге конструкций. Вам потребу ется рабочий стол для размещения персонального компьютера (включая монитор, клавиатуру и мышь);

программатор для загрузки программ в микроконтроллер;

место для макетирования устройств (защищенное от воздействия электричества);

цифровой измерительный прибор (мультиметр). По возможнос ти следует располагать компьютер и программатор вблизи от того места, где вы будете выполнять макетирование своих устройств.

Итак, чтобы повторить конструкции, приведенные в этой главе, вам потребу ется:

• персональный компьютер;

• программатор для микроконтроллера PIC16F627;

• цифровой мультиметр;

• источник питания +5 В;

• макетная плата;

• набор монтажных проводов;

138 Устройства управления роботами • кусачки;

• приспособление для зачистки проводов;

• остроносые плоскогубцы;

• небольшая отвертка с плоским наконечником;

• два (или больше) микроконтроллера PIC16F627.

Персональный компьютер должен иметь:

• процессор не ниже Pentium II, • 64 Мб оперативной памяти;

видеоадаптер поддерживающий разрешение экрана не ниже 1024x768, объем видеопамяти по крайней мере 2 Мб;

• мышь;

• параллельный порт для подключения программатора;

• последовательный порт (используется в некоторых конструкциях).

На вашем жестком диске должны быть установлены:

• операционная система Microsoft Windows • Web-браузер (MS Internet Explorer или Netscape Navigator);

• Adobe Acrobat Reader (для чтения документации в формате PDF);

• связь с Internet;

• интегрированная среда разработки программ MPLAB;

• компилятор Lite.

При выборе программатора (если вы почему-либо не желаете использовать тот, что описан в предыдущей главе) имейте в виду, что большинство программато ров, рассчитанных на работу с микроконтроллерами PIC16C84/PIC16F84/ PIC16F84A должны без всяких модификаций работать и с PIC16F627.

Если желаете поэкспериментировать с другими микроконтроллерами PIC рекомендую приобрести программатор PICSTART Plus фирмы Microchip.

Он постоянно модифицируется, чтобы поддерживать все новые и новые типы микроконтроллеров На рис. показан внешний вид простой платы для макетирования электрон ных схем. Отверстия печатной платы должны быть рассчитаны на установку кор пусов микросхем DIP (dual inline package - корпус с двухрядным расположением выводов).

Если вы имеете некоторый опыт работы с высокочастотными схемами, то знаете, что разъемы универсальных макетных плат имеют значительную пара зитную емкость и не рассчитаны на работу с высокочастотными сигналами (больше 10 МГц). К счастью, все описанные здесь устройства работают на более низких частотах.

Здесь автор явно завышает требования к аппаратному обеспечению. Все описанные в книге програм мы работают даже на с памятью 16 Мб. - Прим.

Подключение к микроконтроллеру периферийных устройств Рис. Плата макетирования Однако я не советую использовать макетные платы в окончательных конструкци ях. Они недолго выдержат вибрацию двигателей, используемых для перемещения робота;

к тому же на них собирается очень много пыли, которая может нарушить работу устройства.

Отвертка с плоским наконечником может использоваться для извлечения мик росхем из специально предназначенных для них панелек. Но еще лучше приме нять разъем ZIF (с «нулевым» усилием), который может оказаться весьма доро гим, но позволяет производить демонтаж микросхем без особых хлопот и, что самое главное, без риска повредить их выводы.

Отвертка также может пригодиться для подачи сигнала сброса на вход _MCLR микроконтроллера. С ее помощью можно быстро закоротить этот вывод на массу (вывод Vss), не применяя для этого никаких дополнительных проводов. Но, чтобы воспользоваться этим способом, вы должны предварительно соединить вывод _MCLR с положительной шиной питания (вывод через резистор сопротивле нием около кОм (если, как обычно, соединить их непосредственно друг с другом, то при соединении вывода _MCLR с массой произойдет короткое замыкание).

Иногда потребуется по крайней мере два одинаковых микроконтроллера PIC 16F627, чтобы иметь возможность оценить влияние некоторых изменений в управ ляющей программе на поведение робота. Разумеется, для этого хватило бы одного но в этом случае вы не смогли бы наблюдать особенности их работы одновре менно. Кроме того, следует ожидать, что рано или поздно ваши эксперименты закончатся повреждением одного из микроконтроллеров - тогда наличие запас ной микросхемы позволит не делать перерыва для похода в магазин.

Все описанные в книге устройства могут быть проверены с помощью цифро вого мультиметра. Разумеется, вы можете также использовать логический проб ник, осциллограф, логический анализатор или даже внутрисхемный эмулятор.

Это поможет вам лучше понять работу приведенных здесь электронных схем.

140 Устройства управления роботами Для большинства устройств требуется один источник напряжения питания +5 В.

Потребляемый ток не превышает 100 Если бы не двигатели или ультразвуко вой дальномер, то во всех конструкциях можно было бы использовать 9-вольто элемент питания с интегральным стабилизатором 78L05 или четыре никель кадмиевых батарейки, включенных последовательно.

Не забывайте выключать источник питания во время подключения или от ключения микросхем (в том числе и самого микроконтроллера). Разумеется, для этого достаточно вытащить одну из батареек, но лучше использовать спе циальный выключатель, установленный в разрыве положительной шины пи тания.

Для выполнения соединений между элементами схемы следует использо вать провод минимальной длины. Это облегчит поиск ошибок в схеме, а также уменьшит влияние электромагнитных наводок.

На рис. 4.2 показана базовая схема, на основе которой будут выполнены все описанные в книге конструкции. В боль шинстве случаев неважно, какой микро контроллер используется: PIC16F84 или PIC16F627. Мы будем особо отмечать случаи, когда нам придется использовать функции, имеющиеся только у PIC 16F627. Печатная плата и размещение компонентов на рис. 4.3.

В схеме могут быть использованы бые конденсаторы емкостью 0,1 мкФ. Ре комендую вам по возможности брать тан таловые конденсаторы, рассчитанные на Рис. 4.2. Базовая схема подключения напряжение или микроконтроллера ?

Я предпочитаю располагать обе шины питания (Vcc и Gnd) у каждого края ма кетной платы. Обратите внимание, что одноименные шины на разных концах платы соединены друг с другом. При подключении элементов следует стараться, чтобы провода питания были минимально возможной длины и чтобы разноимен ные провода ни в коем случае не пересекались.

На рис. 4.3 также показано место размещения микроконтроллера, обозначен ное особым образом (при помощи отрезка монтажного провода). Этот способ сто ит применять во всех случаях, когда не используются специальные панельки для микросхем.

Здесь и далее все рисунки с изображениями макетных как и в оригинале, на 10-15% мень ше натуральной величины. Читатель без труда может вычислить реальные размеры, используя тот факт, что расстояние между соседними выводами микросхем должно составлять 2,5 мм. Прим.

Здесь и далее, если кварцевый резонатор не имеет встроенных конденсаторов, то следует исполь зовать два внешних конденсатора емкостью по 15 пФ каждый, как показано на рис. 3.23. - Прим.

перев.

Подключение к микроконтроллеру периферийных устройств Vcc Рис. 4.3. Рисунок печатной платы и размещение компонентов базовой схемы 4.4. КОММУНИКАЦИИ Можно перечислить несколько причин, по которым возникает необходимость в информацией между процессорами (одним из которых или сразу обо ими может оказаться микроконтроллер). Самые распространенные из них:

• отладка программ микроконтроллера;

• мониторинг операций, выполняемых роботом;

• реализация интерфейсных функций с помощью отдельного микроконтроллера.

Существует несколько способов загрузки и размещения программ для управ работой автоматических устройств. Самый очевидный - это программиро вание самого микроконтроллера, но может также использоваться метод, типичный для персональных компьютеров, когда в памяти микроконтроллера располагается только специальная программа-загрузчик, а основное программное обеспечение размещается во внешней оперативной памяти. В последнем случае программа обычно загружается в память с использованием какого-нибудь последовательно го интерфейса, например RS-232, работой которого управляет специальная про грамма-монитор. Заметим, что способ загрузки и хранения программы не влияет на методы ее проектирования, поэтому описанные в этой книге приемы разработ ки программного обеспечения будут действенны в любом случае.

Обычно при использовании микроконтроллеров PIC16F84 или PIC16F управляющее устройство размещается внутри робота, а не снаружи. Для внутрисхем ного программирования микроконтроллера необходимо, чтобы выводы RB и RB7 во время загрузки программы в память микроконтроллера были отключены от основной схемы и подключены к программатору. Для этого разумно использо вать переключатель, установленный на плате. Кроме того, желательно, чтобы про граммирующее напряжение подавалось от какого-либо внешнего источника.

142 Устройства управления роботами Связь микроконтроллера с компьютером необходима для загрузки программ, а также для работы внутрисхемного эмулятора Emulator - ICE). Обыч но в этом случае используется стандартный последовательный протокол RS-232.

Кроме широкой распространенности, еще одно преимущество его применения при отладке автоматических устройств заключается в том, что он использует до статочно высоковольтные цифровые уровни, устойчивые к помехам, возникаю щим при включении-отключении двигателей. Если в некоторых случаях затруд нительно обеспечить проводное подключение мобильного робота к компьютеру, то последовательный протокол обмена информацией можно реализовать с ис пользованием радиосвязи.

Что касается мониторинга состояния робота, то я бы рекомендовал воздер жаться от применения компьютеров в этом случае. Хорошо продуманное разме щение нескольких светодиодных индикаторов на самом роботе может оказаться полезнее, чем компьютерный дисплей. Кроме того, подобное решение проблемы исключает необходимость обеспечения связи робота с компьютером. Жидкокри сталлический дисплей для этих целей менее пригоден, так как при настройке по движного механизма большую часть времени он будет находиться под к вам, и вы не сможете прочитать то, что на нем отображается.

Заметим, что индикация текущего состояния программы — не то же самое, что и ее отладка. Ведь в первом случае вы не можете на время приостановить выпол нение программы и тем более взять на себя функции по управлению роботом, как в процессе пошаговой отладки Наконец, связь между контроллерами может потребоваться для управления различными периферийными устройствами. Часто при этом используется интер фейс PC (синхронный последовательный протокол) или RS-485 (обладающий отличной устойчивостью к помехам).

Следует воздержаться от искушения заставить микроконтроллер делать сразу две вещи - выполнять какую-либо операцию с периферийным устройством и обмениваться информацией с компьютером или другим микроконтроллером.

В противном случае либо передаваемая информация окажется некорректной (в ре зультате выполнения операции с периферийным устройством изменится текущее состояние), либо при передаче произойдет потеря или искажение данных из-за того, что микроконтроллеру придется отвлекаться и окажутся нарушенными дли тельности промежутков времени между моментами изменения сигналов, опреде ляемые протоколом В результате многочасовых экспериментов над своими устройствами я выра ботал следующие общие рекомендации по методам реализации межпроцессорно го обмена информацией:

• скорость обмена некритична для большинства приложений, поэтому обычно вполне достаточно Кбит/с в случае использования RS-232 или несколь ко больше для Ethernet и других сетевых протоколов. Но даже при таких ско ростях не следует стремиться к максимальному использованию пропускной способности канала связи. На более низких скоростях передачи улучшается помехоустойчивость, снижается потребляемая мощность и уменьшаются электромагнитные наводки;

Подключение к микроконтроллеру периферийных устройств связь с локальными периферийными устройствами должна иметь более вы сокий приоритет, чем с удаленными;

при реализации межпроцессорной связи следует стремиться к максимальной надежности и помехоустойчивости. Все соединения должны быть надежно про паяны или монтаж накруткой должен быть высокого качества, чтобы снизить сопротивление соединительных проводов. Ненадежная связь может стать при чиной многочасовых безуспешных попыток найти неисправность в программе.

4.5. РЕАЛИЗАЦИЯ ИНТЕРФЕЙСА RS- Интерфейс RS-232 получил широкое распространение;

он достаточно надежен и прост в реализации. Поэтому в большинстве микроконтроллеров есть встроен ные средства, обеспечивающие связь с другими устройствами на основе данного интерфейса. При этом используется кодирование сигналов по методу NRZ, кото рый уже упоминался в главе 3. Программное обеспечение для реализации после довательного обмена информацией с персональным компьютерами широко до ступно, соответствующие функции поддерживаются интерфейсами прикладных программ (API) всех известных операционных систем.

Обычно применяется протокол 8-N-1, что означает 8-разрядные без бита четности (No parity), один бит. Проверка на четность не проводит ся, поскольку современные компьютеры в большинстве случаев позволяют осу ществить достаточно надежную передачу данных на разумных скоростях.

На рис. 4.4 показано, как обычно реализуется последовательная связь с исполь зованием интерфейса RS-232.

Рис. 4.4. Передача данных двумя компьютерами с использованием модемов Согласно стандарту на интерфейс RS-232, по исполняемым функциям разли чают два типа оборудования. Оконечное оборудование обработки данных (Data Terminal Equipment, DTE) — это компьютеры, сканеры, принтеры, плоттеры и дру гие устройства, передающие и/или принимающие данные. Оборудование передачи данных (Data Communication Equipment, DCE) - это модем и другие устройства, обеспечивающие прием и/или передачу данных.

К сожалению, стандарт RS-232 разрабатывался достаточно давно, когда аппарат ные средства были довольно примитивны и не слишком надежны, поэтому некото рые недостатки этого интерфейса достались нам в наследство с тех старых времен.

144 Устройства управления роботами Прежде всего, это цифровые уровни, кодирующие двоичные состояния. Они от личаются от стандартных уровней ТТЛ или микросхем. Логическая едини ца передается напряжением в диапазоне от -5 до -12 В, а логический нуль - от + до +12 В (рис. 4.5). Так как при передаче наблюдается затухание сигнала, то на при емной стороне порог переключения снижен до -3 и +3 В соответственно.

Рис. 4.5. логические уровни сигналов интерфейса RS- В результате возникает необходимость использования дополнительных аппа ратных средств, с помощью которых на передающей стороне уровни сигналов, вырабатываемые в микроконтроллере, переводятся в уровни интерфейса RS-232, а на приемной стороне осуществляют обратное преобразование. Чуть ниже мы опишем несколько способов решения этой проблемы. Наша задача облегчается тем, что многие реализации интерфейса RS-232 в современных компьютерах мо гут работать со стандартными уровнями пятивольтовой ТТЛ/КМОП логики.

На задней панели вашего персонального компьютера вы можете увидеть стан дартный 25- или 9-контактный разъем-вилку последовательного пор та для подключения внешних Назначение контактов разъемов обоих типов показано на рис. 4.6.

DB-25 (вилка) DB-9 (вилка) Рис. 4.6. последовательного порта и к В большинстве современных устройств (и не только радиолюбительских) линии подтвержде ния не используются. Они были добавлены в стандарт, когда средства межкомпьютерных коммуникаций еще не отличались высокой на дежностью. Сейчас в большинстве случаев до статочно трех линий, показанных на рис. 4.7.

Проверка того, что коммуникационный ка бель вставлен в разъем, и имитация сигналов подтверждения обеспечиваются простым за мыканием двух пар линий: (Data Ter minal Ready - готовность DTE к работе) и DSR Рис. 4.7. Передача (Data Set Ready - готовность DCE к работе), по трем линиям интерфейса RS- а также RTS (Request to Send - запрос на пе редачу) и CTS (Clear to Send - готовность DCE к приему данных). Линии DCD (Data Carrier Detected - несущая обнаружена) и (Ring Indicator - индикатор вызова) при этом не используются.

Так как линии запроса/подтверждения соединены, то сигналы подтверждения готовности приему данных вырабатываются автоматически, простым дублиро ванием сигналов запроса, поэтому программное обеспечение может теперь не за ботиться о реализации протокола квитирования (handshaking).

Обращаем ваше внимание на то, что DTE и DCE должны иметь общую «зем лю» (Ground - Gnd), иначе приемник не сможет распознать передаваемые логи ческие уровни. Однако сигнальная «земля» ни в коем случае не должна быть со единена с «землей» источника питания или корпусом устройства. В противном случае через эту линию будет протекать слишком большой ток. Даже если резуль татом не явится поломка интерфейсных устройств, то наверняка заметно сместят ся принимаемые электрические что приведет к искажению информации.

Чтобы избежать возможных неприятностей, перед питания с по мощью омметра следует убедиться, что сопротивление между нулевой шиной источника питания и сигнальной «землей» достаточно велико (сотни килоом).

Стандартные скорости обмена через интерфейс RS-232 составляют 300, или 9600 бит/с. Передача информации на малых скоростях использовалась рань ше для телетайпов, потому что механическим устройствам требовалось много времени на печать одного символа. Нетрудно заметить, что стандартные скорости отличаются друг от друга в число раз, являющееся степенью двойки. Например, 9600 - это пятикратно увеличенное вдвое число 300.

Такое соглашение удобно для аппаратной реализации приемопередатчиков Для изменения скорости передачи или приема в этом случае достаточно всего лишь изменить рабочий коэффициент делителя тактовой частоты. Если ваш микроконтроллер не имеет встроенного модуля USART, то всегда можно восполь зоваться его программной реализацией, имеющейся в стандартной библиотеке При большом токе согласно закону Ома на соединительных проводах падает заметное напряжение. Прим.

146 Устройства управления роботами компилятора Lite. Может показаться, что самостоятельная программная реализация последовательного протокола связи - не такая уж простая задача, но дело существенно облегчается благодаря тому, что в алгоритме вычисления за держки, требуемой для передачи одного бита информации, мистическим образом возникает число 13.

Если для определения задержки, необходимой для передачи одного бита, вы захотите найти число, обратное к величине стандартной скорости передачи дан ных, то обнаружите, что искомый период, выраженный в микросекундах, делится на число 13 (с небольшой погрешностью). А это означает, что любая стандартная скорость передачи, определенная в интерфейсе RS-232, может быть реализована уже при частоте тактирования, не превышающей 1 МГц.

Рассмотрим пример. Пусть частота системного тактового генератора составля ет 20 МГц и требуется вести передачу со скоростью 9600 бит/с. Тогда для опреде ления числа командных циклов, в течение которых будет передаваться каждый бит информации, надо выполнить следующие действия:

1. Разделить на скорость передачи, чтобы найти период в микросекундах.

Для скорости 9600 бит/с получим около 104 мкс/бит.

2. Разделить найденный период на 13. Для нашего примера получим число 8.

Если тактовый генератор работает на частоте 20 МГц, то период тактовых импульсов равен 50 следовательно, один командный цикл длится 50 х 4 = Значит, за 1 мкс выполняется пять командных циклов. Тогда количество команд ных циклов, которые пройдут за время передачи одного бита (то есть за 5 командных х 13 х 8 мкс/бит = 520 командных циклов/бит = 520 х 4 тактов/бит = 1280 тактов/бит.

Но почти то же самое получается и без использования операции деления:

20 х 13 х 5 мкс/бит = 1300 тактов/бит.

Для реализации интерфейса RS-232 в ваших конструкциях обычно удобнее всего использовать 9-контактный разъем и стандартный кабель. Это избавляет от необходимости следить за правильной распайкой кабеля. Соединение двух пар контактов запроса/подтверждения, как показано на рис. 4.7, желательно выпол нять внутри самого устройства, а не внутри кабеля или, тем более, со стороны персонального компьютера. В этом случае и кабель, и последовательный порт компьютера не требуют какой-либо переделки и их можно будет использовать для работы с другими устройствами.

Теперь обсудим способы согласования уровней интерфейса RS-232 и обычных микросхем. При этом нам не потребуется дополнительный источник Если отвлечься от мистики, то формула для вычисления периода передачи одного бита (в команд ных циклах) довольно проста: n = F / (4V), где F - тактовая частота, Гц;

V - скорость передачи, бит/с.

Что касается числа 13, то предоставляем читателю самому проверить, появляется ли оно в выклад ках при других тактовых частотах и на других стандартных скоростях передачи. - Прим. перев.

Подключение к микроконтроллеру периферийных устройств питания для формирования напряжения ±12 В, так как большинство устройств прекрасно работает при обычном для цифровых микросхем напряжении +5 В.

наиболее распространенный способ преобразования уровней основан на использовании микросхемы МАХ232 (рис. 4.8).

в Интерфейс Процессор RS- микроконтроллера конденсаторы конденсаторы 0,1 мкФ Рис. 4.8. Согласование уровней с помощью микросхемы Эта микросхема имеет встроенный преобразователь для формирования напря жения ±12 В и идеально подходит для реализации трехпроводной последователь ной передачи данных. Сигнальная «земля» в этом случае совпадает с «землей» источника питания микросхем.

Кроме МАХ232, имеется большое число аналогичных микросхем других про изводителей, предназначенных для выполнения этой же функции;

они дают воз можность осуществлять преобразование большего числа сигналов (включая ли нии квитирования). Многие из них удобны тем, что не требуют подключения внешних конденсаторов. Разумеется, за эти достоинства, как обычно, приходится платить.

Другой способ преобразования логических уровней интерфейса RS- в стандартные уровни микросхем заключается в использовании инвертора сигнала. Соответствующая схема приведена на рис. 4.9. Недостаток этой схемы - возможность работы только в полудуплексном режиме, то есть в каждый момент передача информации может вестись только в одном направ лении.

Когда внешнее устройство хочет передать информацию компьютеру, оно по сылает данные в виде импульсов и пауз между ними. При высоком уровне сигна ла на выходе ТХ транзистор закрыт и на входе RX действует сигнал низкого уровня, 148 Устройства управления роботами Рис. 4.9. Подключение периферийного устройства к последовательному порту Рис. Сопряжение уровней с помощью микросхемы 1) а при низком уровне выходного сигнала транзистор открывается и на вход пода ется сигнал высокого уровня.

Описанный способ достаточно прост и недорог;

к тому же транзистор потреб ляет небольшой ток. Однако он требует инвертирования входного сигнала, при нимаемого микроконтроллером, а большинство МК не имеют для этого встроен ных аппаратных средств. Как следствие, часто используют микросхему 1) фирмы Dallas Semiconductor, которая аналогична предыдущей схеме на навесных компонентах, но имеет еще и встроенный инвертор (рис.

4.6. ПРОГРАММА HYPERTERMINAL Для того чтобы посылать данные от компьютера к микроконтроллеру и прини мать их, требуется специальная программа - эмулятор терминала, - которая обеспечивает выполнение следующих функций:

• эмуляцию телетайпа (TTY) и стандартного терминала ANSI (American Natio nal Standards Institute — Американский национальный институт стандартов);

• изменение скорости передачи/приема данных;

• передачу/прием данных в формате 8-N-1;

•. моноширинные шрифты для отображения информации на экране;

• изменение настроек последовательного порта;

Подключение к микроконтроллеру периферийных устройств • выбор метода квитирования;

• сохранение настроек;

• передачу/прием текстовых файлов.

Автор рекомендует использовать для этих целей программу HyperTerminal фирмы Hilgraeve Inc. Она имеется в комплекте стандартной поставки большин ства версий операционной системы Microsoft Windows и поддерживает все необ i стандартные функции. Эту программу можно свободно скачать с сайта j www.hilgraeve.com. После инсталляции программы необходимо правильно ее i сконфигурировать.

Запустите программу Внешний вид окна программы показан рис. 4.11.

Рис. Окно программы Далее отключите текущее соединение (которое могло установиться автомати чески при запуске программы), выбрав пункты меню Call Disconnect (Связь Затем выполните команды File Properties (Файл Свойства) экране появится диалоговое окно настройки параметров (рис. 4.12).

Обычно для этого достаточно выполнить команды Пуск Программы Стандартные Связь HyperTerminal (Start Programs Accessories Media HyperTerminal). Если появится диалого вое окно для ввода параметров нового закройте нажав кнопку Отмена (Cancel). Прим. пере».

Русские варианты названий пунктов меню могут варьироваться в зависимости от версий програм мы. - Прим. перев.

150 Устройства управления роботами Перейдите на вкладку Settings (Настройка) и убедитесь, что параметр Terminal Keys (клавиши терминала) активизирован, в поле выбора Emulation (Эмуляция терминала) выбран пункт ANSI, в поле ввода Telnet Terminal ID (Терминал Telnet) также записано значение ANSI, а в поле Backscroll buffer lines (Размер буфера) указано значение 500 строк. Все необходимые настройки показаны на рис. 4.13.

Отмена Рис. Окно настройки параметров программы Рис. Настройки терминала Нажав кнопку Terminal Setup (Настройка), можно изменить вид курсора. Пос ле нажатия кнопки ASCII Setup (Параметры ASCII) можно задать форматы передаваемых и принимаемых данных. Эти настройки зависят от используемых про токолов обмена, поэтому пока оставим те режимы, что установлены по умолчанию.

Теперь перейдите на вкладку Connect To к) и в раскрывающем ся списке Connect Using (Подключаться через) выберите используемое соедине ние (рис. 4.14). Необходимо указать номер последовательного порта, к которому подключено ваше устройство. Кроме одного из имеющихся на вашем компьютере последовательных портов можно указать модем или сетевой адрес (сокет) для подключения по протоколу TCP/IP.

После выбора соединения надо нажать кнопку Configure (Настройка). В по явившемся диалоговом окне (рис. 4.15) надо установить скорость передачи (Bits per second - количество битов в секунду), количество информационных (Data Bits) и стоповых битов (Stop Bits), наличие бита четности (Parity) и метод управ ления потоком (Flow Control). Мы договорились использовать формат 8-N-1, по этому надо указать 8 информационных битов, 1 проверку на четность. Также необходимо выключить управление потоком (так как мы т Подключение к микроконтроллеру периферийных устройств Рис. Установки параметров, Настройки параметров соединения последовательного порта соединение по трем проводам без использования сигналов квитирова ния). В наших проектах мы будем выбирать скорость передачи 1200 бит/с.

Далее нажмите кнопку Advanced (Дополнительно) и снимите галочку Use FO Buffers (Использовать буферы FIFO).

Теперь можно подтвердить все настройки, нажав два раза подряд кнопку ОК.

После этого надо выбрать шрифт, который будет использоваться для отображе информации на терминале. Для этого предназначены команды меню View Font (Вид Шрифт). Желательно выбрать какой-нибудь моноширинный например Courier New (рис.

Рис. Выбор шрифта 152 Устройства управления роботами Наконец, желательно сохранить все настройки. Выполните команды File Save As (Файл Сохранить как). Укажите нужную папку, а в качестве имени файла выберите что-нибудь информативное, например:

DIRECT СОМ 1 - 1200 bps и нажмите на кнопку Save (Сохранить).

Теперь, если установить соединение, выполнив команды Call Call (Вызов Вызов), то при каждом обращении к клавиатуре через последовательный порт ва шего компьютера внешнему устройству будет посылаться ASCII-код нажатой клавиши. А данные, приходящие от внешнего устройства, будут сразу отображать ся на экране терминала.

Кроме того, вы можете передать целый файл - это позволяет легко реализо вать различные тестовые ситуации, избавляя вас от необходимости каждый раз вводить необходимые данные вручную. Для этого может быть использована ко манда меню Send File (Передача Отправить файл), но предпочтительна коман да Send Text File (Передача Отправить текстовый файл), поскольку в послед нем случае данные передаются точно в том виде, как если бы вы вводили их с клавиатуры, включая специальные символы перевода строки, возврата каретки и конца файла.

4.7. РЕАЛИЗАЦИЯ ИНТЕРФЕЙСА RS- ДЛЯ СВЯЗИ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА С ПЕРСОНАЛЬНЫМ КОМПЬЮТЕРОМ В нашем первом проекте мы реализуем передачу данных между микроконтролле ром и персональным компьютером, используя для этого приемопередатчик ART, встроенный в микроконтроллер. Для согласования уровней интерфейса RS- и стандартной ТТЛ/КМОП логики можно применить любой из способов, опи санных в предыдущем разделе.

Так как МК PIC16F84 не имеет модуля USART, а мы не хотим пока прибегать к его программной реализации, имеющейся в стандартной библиотеке функций компилятора Lite, то в этом проекте МК не может быть заменен Мы будем предполагать, что микроконтроллер подключен к компьютеру с по мощью стандартного кабеля, имеющего разъем-вилку на одном конце и разъем розетку на другом (этот кабель широко применяется для подключения к последо вательному порту персональных компьютеров различных периферийных устройств).

Если для преобразования уровней используется микросхема МАХ232, то схе ма нашего устройства принимает вид, показанный на рис. Схема размеще ния элементов на монтажной плате показана на рис. 4.18.

Контакты 2, 3 и 5 разъема D-9 последовательного порта должны быть припая ны к проводникам монтажной платы. При этом желательно использовать провода трех разных цветов (красный, зеленый или голубой для контактов 2 и 3, черный для контакта 5).

Подключение к микроконтроллеру периферийных устройств Рис. 4. IS. Схема размещения элементов на монтажной плате Все используемые в схеме элементы и материалы перечислены в табл.

Наша цель заключается в том, чтобы показать, каким образом можно осуще ствить обмен данными между микроконтроллером и персональным компьютером.

Поэтому пока не будем нагружать наше устройство какой-либо интеллектуаль ной обработкой информации. Допустим, мы всего лишь хотим, чтобы микрокон получал коды символов, набираемых на клавиатуре компьютера, перево дил их в верхний регистр и отправлял назад, чтобы они отображались на экране эмулятора терминала.

154 Устройства управления роботами Таблица Перечень элементов, использованных в схеме на рис.

Примечание U1 PIC16F627 Микроконтроллер или МАХ232А Микросхема преобразователя уровней R1 10 0,25 Вт Для «подтягивания» напряжения на выводе _MCLR до положительной шины питания С1 Для фильтрации напряжения питания микроконтроллера 1 или мкФ Для микросхемы МАХ232 требуются конденсаторы емкостью 1 мкФ, а для микросхемы МАХ232А мкФ Керамический резонатор Для генератора импульсов на 4 МГц, имеющий микроконтроллера встроенный конденсатор Материалы монтажные провода, источник питания +5 В Приведенный ниже текст программы можно найти в электронном приложении к этой книге в файле Code\Serial\serial.c:

// 22 апреля 2002.

// Передача данных через последовательный порт компьютера.

// Введенная строка передается микроконтроллеру после // нажатия клавиши Enter.

// Принимаемые символы микроконтроллер переводит в верхний регистр // и посылает обратно на компьютер.

// // Используется модуль USART микроконтроллера PIC16F627.

// Для согласования уровней служит микросхема Используемые аппаратные Микроконтроллер PIC16F627, внешний тактовый генератор работает на частоте 4 МГц.

Вывод RB1 - приемник последовательных данных, вывод RB2 - передатчик последовательных данных.

// Глобальные переменные:

unsigned int RTC = 0;

// Счетчик времени.

char // 1 2 345678 9 0 unsigned char = 0;

unsigned char 3;

unsigned char = 0;

// Для передачи одного символа // строки CharOutlndex.

// Слово «warning PIC16F627 with external XT oscillator selected Подключение к микроконтроллеру периферийных устройств // Выбран PIC16F627 с внешним кварцевым генератором.

CONFIG(Ox03F61);

// Слово конфигурации МК PIC16F627:

// внешний кварцевый генератор;

// RA6/RA7 используются для ввода-вывода;

// внешний сигнал сброса;

// таймер PWRT включен;

// сторожевой таймер выключен;

// защита кода отключена;

// детектор падения напряжения питания Unsupported selected // Неправильно выбран тип микроконтроллера.

Sendif // Обработчик прерываний:

void interrupt unsigned char temp;

if { // Если запрос на прерывание был от таймера:

TOIF = 0;

// Сбросить флаг прерывания // и выполнить инкремент счетчика.

} // Конец обработчика прерываний от таймера.

if (TXIF) { // Если запрос на прерывание получен от передатчика:

TXIF = 0;

// Сбросить флаг прерывания.

if = == if (SingleCharFlag) // Только отправить обратно?

= 0;

else // Нет, новая строка.

else { TXREG = temp;

// Вывод очередного символа.

// Передвинуть указатель // к следующему символу.

> > // Конец обработчика прерываний от передатчика.

if (RCIF) { // Если запрос на прерывание получен от приемника:

if = RCREG) < 0x020) // Получен управляющий символ?

if (temp == 0x008) // Это символ Backspace?

if > 3) = Charlnlndex] = temp;

StringOut[CharInIndex + 1] = StringOut[CharInIndex + 2] = temp;

+ 3] = 1;

SingleCharFlag = 1;

} else;

else if (temp == OxOOD) { // Enter - конец строки.

156 Устройства управления роботами = StringOut[CharInIndex++] = StringOut[CharInIndex] = = 3;

= 0;

= 1;

} else;

else { // Обычные символы if >= (temp <= 'z')) temp -= if (Charlnlndex < 23) { // назад.

= Charlnlndex] = temp;

= // Символ конца строки.

TXIF = 1;

• SingleCharFlag = 1;

' = 0;

// Сбросить флаг прерывания.

} // Конец обработчика прерываний от приемника.

} // Конец обработчика прерываний.

// программа:

void main(void) unsigned char temp;

// Служебная переменная.

OPTION = OxOD1;

// работает с THRO, // коэффициент деления равен 4.

= 0;

// Начальный сброс таймера = 1;

// Разрешить прерывания от таймера TMRO.

// Разрешить обработку прерываний.

= 1;

SPBRG = 51;

// Скорость передачи 1200 бит/с // при тактовой частоте 4 МГц.

TXEN = 1;

// Разрешить работу модуля USART.

CREN = 1;

SPEN = 1;

= 1;

// Разрешить прерывания от периферийных устройств.

temp = RCREG;

RCIF = 0;

// Разрешить от приемника = 1;

TXIF = 1;

// Вызвать прерывание от передатчика USART.

= 1;

while (1 1) { // Бесконечный цикл.

} // Конец главной программы.

Возможно, вы не нашли в этой программе того, что ожидали увидеть. Мы же до говорились, что микроконтроллер будет получать ASCII-код символа, переводить его Подключение к микроконтроллеру периферийных устройств |в верхний регистр и отправлять обратно компьютеру. Поэтому логично было бы написать нечто вроде следующей «if PIC16F627 Selected «else Unsupported MCU selected void // Получение строки символов, // преобразование их к верхнему регистру // и отправка назад.

unsigned char temp;

SP8RG = 51;

// 1200 бит/с на частоте 4 МГц.

TXEN = 1;

// Разрешить работу модуля USART.

CREN = 1;

SPEN = 1;

= 0;

// Очистить прерывания от приемника.

while (1 == 1) // Бесконечный цикл.

if (RCIF) // Ждем сигнал от приемника.

temp = RCREG;

// Получили код if (temp temp -= - // Перевели символ в верхний регистр.

TXREG temp;

// Записали его в буфер передатчика.

RCIF = 0;

// Сбросили флаг приема // для ожидания следующего символа.

} // Конец главной программы.

Эта программа прекрасно справляется с поставленной но она не мо работать совместно с другими задачами, которые мы захотим добавить к на проекту. Поэтому следует использовать такой метод программирования, позволил бы вести раздельную разработку различных интерфейсов и без добавлять к проекту новые функции.

Поэтому все операции, связанные с реализацией последовательной передачи дан интерфейс RS-232, а также все другие функции электронного или механи ского уровней мы будем выполнять не в главной программе, а внутри процедуры бработки прерываний от таймера, которые вырабатываются каждую Подчеркну, что такой метод программирования должен использоваться во всех Программа исправлена при переводе. В оригинале автор использует директиву CONFIG внутри функции main (поэтому компиляция заканчивается сообщением об ошибке), а также забывает за крыть фигурную скобку для оператора По видимому, те программы в книге, которые не содер жатся в электронном приложении, не проверялись на компьютере. — Прим. перев.

I Строго говоря, в описанной программе прерывания генерируются не только по запросу таймера, который срабатывает каждые 1024 мкс, но и после приема очередного символа, представленного кодом ASCII, и по окончании передачи очередного символа. Поэтому название функ не слишком корректно. - Прим. перев.

158 Устройства управления роботами случаях, даже если решаемая задача на первый взгляд вообще не требует обработ ки каких-либо прерываний.

Для того чтобы программа могла как можно быстрее реагировать на приход очередного символа, используется прерывание от приемника модуля USART, а для записи очередного символа в буфер передатчика - прерывание от передат чика USART, которое вырабатывается каждый раз по окончании передачи преды дущего символа. Такой метод работы с данными мы будем применять и в других наших проектах, например для управления жидкокристаллическим дисплеем.

Если бы мы использовали только прерывания от модуля USART, то програм ма могла бы выглядеть следующим «warning PIC16F627 Selected CONFIG(Ox03F61);

Unsupported selected void interrupt serial_int(void) // Обработчик прерываний.

{ unsigned char temp;

if // Если получен Запрос на прерывание:

temp = RCRE6;

// Получить код if <= ('a'-'A');

// Преобразовать к верхнему регистру.

TXREG = temp;

RCIF = 0;

// Сбросить флаг прерывания.

} } // Конец процедуры обработки прерывания.

// Главная программа:

void main(void) { // 1200 бит/с на частоте 4 МГц.

TXEN = 1;

// Разрешить работу USART.

CREN = 1;

SPEN = 1;

RCIF = 0;

// Сбросить флаг while (1 == 1);

// Бесконечный цикл.

} // Конец главной программы.

Эта программа выглядит намного лучше. Здесь интерфейсная часть вынесе на за пределы главной программы и располагается в обработчике прерываний.

Программа исправлена при переводе. В оригинале автор не только повторяет ошибку предыдущей программы, используя директиву CONFIG внутри функции main, но также располагает чик прерываний внутри главной программы. Разумеется, компилятор Lite, как и все ные компиляторы языка С, не допускает вложенных определений функций. - Прим. перев.

Подключение к микроконтроллеру периферийных устройств ' программы заключается в том, что она может передавать в основную (или принимать из основной программы) только один символ за один вызов обработчика.

На первый взгляд все выглядит правильно, но что нам при полу от компьютера какой-либо строковой команды, например Send Left Light Sensor Value (Узнать состояние левого светового датчика) надо выполнить эту команду, отправив компьютеру через последовательный порт байт, характеризующий освещенность этого датчика, например Для реализации этой функции необходимо дождаться приема всей строки, чтобы выяснить, какую команду требуется выполнить, и только после этого пере ее в главную программу для исполнения.

Лучший способ обмена данных между интерфейсной частью программы и био логическим кодом - использование стандартных для языка С строк в формате ASCIIZ, оканчивающихся нулевым байтом. В этом случае ограничитель строки символ NUL с кодом 0x000 - играет роль флага, который позволяет управлять работой программы. При получении очередного байта в интерфейсной части про граммы производится его сравнение с нулем, и если принятый байт отличен от нуля, то ожидается приход следующего символа, а если равен нулю, то вся полу ченная строка передается в основную программу.

Когда данные передаются микроконтроллеру с помощью эмулятора терми нала, то ввод очередной строки пользователь завершает нажатием клавиши Enter. В результате генерируется символ с кодом (CR - возврат карет ки). Поэтому при получении данных микроконтроллер должен заменить симво лы с кодом 0x0 OD нулевыми байтами. Тогда фрагмент кода для обработки преры вания от приемника модуля USART будет выглядеть примерно так:

(RCIF) { // Если запрос на прерывание был от приемника:

temp = RCREG;

RCIF = 0;

if (temp < 0x020) { // Это управляющий символ?

if == 0x008) != // Это символ Backspace?

// Стираем предыдущий else if (temp == OxOOD) // Символ возврата каретки.

StringIn[StringlnIndex] = = 1;

// Прием строки закончен.

} else ;

// Нет других символов.

} else // Обычные символы ASCII.

= temp;

} Этот фрагмент уже почти не отличается от того, что мы использовали в нашей программе. Теперь данные принимаются построчно. Разница только в том, что обратно на компьютер они все еще отправляются отдельными символами.

160 Устройства управления роботами Вы, вероятно, заметили, что в приложение включена возможность стирания предыдущего принятого символа нажатием клавиши Backspace. Эта функция весьма полезна, если вы набираете данные для микроконтроллеру на клавиатуре компьютера. При этом обязательно рано или поздно возникнет необ ходимость исправить уже введенный внесем последние исправления в наш код, чтобы реализовать по строчную отправку символов на компьютер. С этой целью мы используем тот факт, что после отправки предыдущего байта, когда освобождается регистр TXREG, автоматически устанавливается флаг прерывания от передатчика TXIF. Поэтому для отправки всех остальных символов при обработке каждого прерывания от передничка USART надо проверять, не достигнут ли конец строки, и если нет, то записывать в регистр TXREG новый символ для отправки:

if (TXIF) { // Если регистр передатчика пуст:

if ( ( temp = ) != О ), TXREG = temp;

// Очередной else = 1;

// Достигнут конец строки.

} Тогда в главной программе для отправки строки достаточно использовать дующие четыре оператора:

Message = // Указатель на отправляемую строку.

= 0;

TXREGEmptyFlag = 0;

// Передатчик теперь занят.

TXIF = 1;

// Генерируем запрос на прерывание.

Как только флаг прерывания от передатчика TXIF установлен в 1, происходит переход на процедуру обработки прерывания (если предварительно установлены флаги разрешения обработки прерываний). В обработчике этот флаг сбрасывает ся, а затем устанавливается автоматически, когда передача очередного байта за вершается. В результате все остальные символы будут отправлены автоматичес ки. Когда указатель достигнет конца строки (нулевого байта) будет установлен программный флаг TXREGEmptyFlag, указывающий, что боль ше передавать Теперь мы уже почти вплотную подошли к тому, что напи сано в нашем приложении. Не хватает только обработки принятых символов, то есть преобразования их к верхнему регистру, но в этом вы без труда разберетесь сами.

Внимательно проанализировав код приложения, вы обнаружите, что в начале работы на компьютер посылается строка приветствия Чтобы сделать это, достаточно двух команд:

TXIE =. 1;

// Разрешить прерывания от передатчика.

TXIF = 1;

// Сгенерировать прерывание от передатчика.

Эмулятор терминала отправляет данные побайтно, не дожидаясь конца строки. — В этом примере автор для простоты нигде не проверяет состояние флага TXREGEmptyFlag. Реаль ное приложение должно это делать. - Прим. перев.

к микроконтроллеру периферийных устройств В отладчике MPLAB можно увидеть, что в результате компилятор добавит к программе две машинные команды.

Для тестирования нашего устройства надо запустить программу HyperTerminal и установить соединение на скорости 1200 бит/с. Если теперь мы включим пита ние микроконтроллера, то увидим на экране терминала приветствие. На рис.

показан внешний вид окна программы HyperTerminal после того, как в ответ на приветствие пользователь нажал пять клавиш ABCDE, а затем клавишу Enter.

Как и положено, микроконтроллер вернул все пять символов.

Рис. Внешний вид окна программы HyperTerminal во время тестирования устройства При разработке кода электронного уровня я советую по возможности всегда передавать данные в виде строк в формате ASCIIZ. Чуть позже в этой главе мы будем использовать их для отображения информации на жидкокристаллическом дисплее и для реализации дистанционного управления роботом с помощью инф ракрасных лучей. При этом, как и в нашем первом обработка информа ции будет производиться не по отдельным символам, а целыми блоками.

Но прежде чем перейти к описанию следующего устройства, необходимо сде лать три замечания по только что рассмотренному.

Первое касается соединительных проводов. Можно, конечно, подвешивать их к потолку, но это не самое оптимальное решение проблемы. Провода любой дли ны рано или поздно оказываются слишком короткими и ограничивают площадь, доступную для передвижения робота;

кроме того, провода могут намотаться на ось колеса. Наилучшее решение - использование стандартных радиопередающих/ приемных модулей для реализации беспроводного интерфейса RS-232.

Второе замечание относится к скорости передачи данных. В нашем примере мы установили ее равной бит/с. Разумеется, по сегодняшним меркам это очень мало.

Не удивлюсь, если ваш домашний Ethernet работает на скорости Мбит/с, а это 6- 162 Устройства управления роботами на пять порядков больше, чем 1200 бит/с. Но прежде чем пытаться протестиро вать работу нашего устройства на более высоких скоростях, следует убедиться, что оно работает на низких. Кроме того, при невысоких скоростях передачи сни жаются электромагнитные наводки и повышается надежность канала связи, что позволяет работать с более длинными соединительными проводами и более про стой аппаратурой передачи/приема данных.

Более высокие скорости требуются только при объеме передаваемых данных (например, если ваш робот оснащен телекамерой). Что касается рассмат риваемого устройства, вы все равно не сможете нажимать клавиши чаще, чем не сколько раз в секунду.

Последнее замечание - о системе команд, которыми компьютер обменивается с роботом. Конечно, быстрее и проще передавать закодированные короткие коман ды (не длиннее одного байта), но я все же рекомендую использовать удобочитае мые строковые команды. Даже если в дальнейшем вы захотите разработать гра фический интерфейс пользователя (Graphical User Interface - GUI), с помощью которого закодированные короткие команды будут переводиться в формат, удоб ный для восприятия, предлагаемый мной подход упростит процесс отладки ва ших приложений. Ведь еще до разработки специальных программ вы сможете проводить тестирование своего устройства с помощью простого эмулятора тер минала, используя обычные строковые команды.

4.8. ДВУНАПРАВЛЕННЫЙ СИНХРОННЫЙ ИНТЕРФЕЙС Интерфейс RS-232 использует асинхронный протокол передачи данных, потому что приемник не получает какого-либо сигнала тактирования в явном виде.

На рис. 4.20 показаны временные диаграммы сигналов при синхронной пере даче данных. Здесь приемник фиксирует данные на линии Data по переднему или заднему фронту синхроимпульсов Clock.

Рис. 4.20. Синхронная передача данных Имеется большое число различных синхронных последовательных протоколов.

Многие из них широко примеряются, и для их реализации доступны необходимые аппаратные средства. Недостаток этих интерфейсов состоит в том, что при под ключении нескольких устройств они требуют использования как минимум одной дополнительной управляющей линии для выбора активного устройства, которое в настоящий момент должно передавать или получать информацию.

Этот недостаток отсутствует у интерфейса PC. Он был первоначально разрабо тан фирмой Philips в конце 1970-х годов специально для того, чтобы обеспечивать Подключение к микроконтроллеру периферийных устройств такой способ подключения периферийных устройств к микропроцессорам, кото рый не требовал бы использования традиционных шин адреса, данных и управле ния, а кроме того, позволял бы нескольким микропроцессорам работать с одними и теми же периферийными устройствами Интерфейс PC использует всего две линии - они именуются SCL (Serial Clock) и SDA (Serial Data). Первая предназначена для передачи синхроимпуль сов (они формируются тем устройством, которое в настоящий момент передает данные), а вторая — для передачи самих данных и команд, управляющих этим процессом. Обе линии имеют открытый коллектор (как и во многих других слу чаях, когда необходимо, чтобы к одной линии могло подключаться несколько раз личных устройств), поэтому требуют подключения «подтягивающих» резисторов сопротивлением 1-10 кОм.

Для примера на рис. 4.21 показана структурная схема устройства управления стереосистемой.

Рис. Устройство управления стереосистемой на основе интерфейса В обмене информацией по шине PC всегда принимают участие два устройства ведущее (master, и ведомое. Ведущее устройство вырабатывает синхро импульсы, а принимать или передавать данные может как задатчик, так и ведомое устройство.

Пока ни одно устройство не начало передачу данных, благодаря «подтягиваю щим» резисторам на обоих линиях шины PC действует напряжение высокого уровня. Если какое-либо устройство собирается начать передачу данных, оно сна чала проверяет, свободна ли шина. Ведь в каждый момент времени ведущим на шине может быть только одно устройство. Напряжение высокого уровня на ли нии SCL показывает, что шина пока свободна.

Перед началом процесса передачи задатчик устанавливает напряжение низ кого уровня сначала на линии SDA а затем на линии SCL (рис. 4.22). В процессе передачи данных такое состояние линий невозможно, поскольку сигнал на ли нии SDA не должен изменяться во время действия тактового импульса на ли нии SCL.

Затем начинается передача данных от ведущего устройства к ведомому (slave) или наоборот, но в любом случае источником синхроимпульсов является задат Данные фиксируются приемником по заднему фронту синхроимпульсов.

164 Устройства управления роботами Линия Стартовая Передава- Стоповая Линия не занята бит комбина- не занята ция ция Рис. 4.22. Начало и конец передачи данных по интерфейсу PC В конце передачи ведущее устройство прекращает генерацию синхроимпуль сов;

в результате на линии SCL благодаря «подтягивающему» резистору устанав ливается напряжение высокого после этого отключается передатчик, из-за чего устанавливается высокий уровень на линии SDA — иными словами, повторя ется ситуация, обратная той, что наблюдалась перед началом передачи.

В отличие от интерфейса RS-232, передача данных производится начиная со старшего бита;

при этом используются обычные логические уровни микросхем ТТЛ/КМОП. После передачи последнего (восьмого) бита каждого байта во вре мя действия очередного синхроимпульса передатчик отключается от линии SDA чтобы дать возможность приемнику подтвердить получение данных. Для этого приемник должен выставить на линии SDA сигнал низкого уровня. Перед посыл кой очередного бита сигнал низкого уровня действует на обеих линиях. Времен ные диаграммы на рис. 4.23 иллюстрируют процесс передачи одного байта дан ных по интерфейсу PC.

Бит 7 Бит 6 Бит 5 Бит 4 Бит 3 Бит 2 Бит 1 Бит 0 Бит подтверждения - - - - Приемник Рис. 4.23. Передача данных по интерфейсу В некоторых случаях бит подтверждения передается высоким уровнем сигнала, даже если прием прошел успешно. Это показывает, что обмен закончен и передатчик (обычно являющийся либо ведущим устройством, либо который не Подключение к микроконтроллеру периферийных устройств должен сам начинать операцию обмена) может подготовиться к получению сле дующего л Минимальная скорость передачи по интерфейсу PC ничем не ограничена. И пе редатчик, и приемник могут при необходимости замедлять процесс обмена на не определенное время. делает это, удерживая сигнал низкого уровня на линии SCL после приема или передачи предыдущего бита. Ведомое устройство может замедлить работу удерживая сигнал на линии SCL на низком уровне после приема или передачи очередного бита (увидев не смо жет выставить на линии SCL следующий синхроимпульс).

Но существуют две максимальные скорости передачи. В так называемом стан дартном режиме это 100 Кбит/с (частота синхроимпульсов 100 кГц), а в быстром режиме - 400 Кбит/с (частота синхроимпульсов 400 кГц). На рис. 4.24 показаны минимальные временные задержки для обоих режимов (все значения указаны в микросекундах).

Линия Стартовая Передава- Стоповая Линия не занята емый бит комбина- не занята ция ция Указаны минимально допустимые временные промежутки (мкс) Рис. 4.24. временные задержки при двух режимов передачи данных по интерфейсу PC На рис. 4.25 показан формат команд, используемых для управлением процес сом передачи данных по интерфейсу PC.

Адрес получателя данных задается семью битами. Старшие четыре бита адре са определяют тип устройства, а оставшиеся три младших бита указывают, како му именно устройству (из восьми возможных) этого типа предназначена посыла емая информация.

Этот режим используется, когда микроконтроллер запрашивает данные у какого-либо периферий ного устройства. В этом случае микроконтроллер является приемником данных. Если вместо бита подтверждения микроконтроллер выставит сигнал высокого уровня, то ведомое устройство «пой мет», что следующую порцию данных пересылать не нужно. - Прим.

166 Устройства управления роботами Рис. 4.25. управляющих интерфейса PC В некоторых случаях требуется чуть усложнять протокол обмена. Например, при чтении информации из памяти EEPROM (или записи данных в память) за датчик должен сначала установить стартовую последовательность, чтобы пере слать адрес нужной ячейки памяти, а затем снова выполнить стартовую последо вательность, чтобы теперь уже считать данные из памяти (или записать их).

Для того чтобы ведущими на шине могли быть различные устройства, необхо дим какой-либо протокол разрешения коллизий (конфликтов). Коллизия возни кает, когда два устройства, одновременно проверив состояние шины и обнаружив, что она пока свободна, начинают передачу данных.

Конфликты разрешаются благодаря тому, что на линии с открытым коллекто ром подача сигнала высокого уровня реализуется на самом деле простым отклю чением активного устройства (вспомните о «подтягивающих» резисторах). В этом случае побеждает всегда то устройство, которое выставило сигнал низкого уров ня. Тогда второе устройство, «увидев», что действующий на линии уровень на пряжения не совпадает с тем, который оно пытается установить, «понимает», что на шине активен еще один и на время отключается, чтобы дать ему воз можность беспрепятственно закончить обмен информацией.

Реализация интерфейса с помощью микроконтроллеров весьма проста. Однако из-за программной его реализации трудно достичь высоких ростей передачи. Даже максимальная скорость стандартного режима (100 Кбит/с) может оказаться недостижимой.

Я считаю, что программная реализация интерфейса все же является наи лучшим решением, если кроме микроконтроллера на шине не может быть других Ведь в этом случае не требуется синхронизировать его работу с каки ми-либо быстрыми устройствами, в которых используется аппаратная реализа ция этого интерфейса.

4.9. УСТРОЙСТВА ИНДИКАЦИИ Программные такие как MPLAB, могут дать разработчику рую уверенность в том, что его устройство работает правильно. К сожалению, они оказываются бессильны при необходимости смоделировать сложные операции Подключение к микроконтроллеру периферийных устройств ввода-вывода. В ряде случаев вы не можете с достаточной точностью задать вход ные сигналы, а следовательно, и проверить, как на них реагирует микроконтрол. лер. Для более точного моделирования различных ситуаций необходим внутри схемный эмулятор, но он требует непосредственного подключения отлаживаемой схемы к компьютеру;

в результате соединительные провода оказываются еще од ной причиной того, что попытки точно смоделировать поведение робота в реаль ной ситуации терпят неудачу.

В некоторых случаях решение проблемы оказывается довольно простым: для ин дикации текущего состояния робота и управляющей программы можно использовать и/или звуковые излучатели. Часто более изощренные методы индика ции (вроде жидкокристаллического дисплея) оказываются менее эффективными.

При добавлении световых или звуковых индикаторов своему проекту (их можно было бы назвать устройствами обратной связи - ведь они помогают пользователю или разработчику понять, что происходит с роботом, застрявшим в дальнем углу комнаты) важно помнить, что неумелое их использование может обернуться именно теми проблемами, которые мы пытались решить с их помо щью. Ведь световой или звуковой сигнал, вырабатываемый этими индикаторами, может воздействовать на свето- или датчики робота, мешая их нормальной работе.

Для индикации различных ситуаций можно использовать комбинации свето диодов разного цвета, а также звуковой зуммер, вырабатывающий разное количе ство гудков или генерирующий сигналы различной высоты.

Тем не менее я не рекомендую использовать сигналы разной тональности или различной длительности, так как не у всех людей идеальный слух или хорошее чувство ритма. Проще подавать сигналы при помощи разного количества гудков одинаковой длительности и высоты. Однако учтите: если число гудков превыша ет 3, всегда найдется кто-нибудь, кто ошибется при счете.

Если вы не желаете добавлять к своему устройству световую или звуковую сигнализацию, так как боитесь, что из-за этого он станет больше походить на иг рушку, примите во внимание, что после отладки программы вы всегда можете отключить ее.

4.10. СВЕТОДИОДНЫЕ ИНДИКАТОРЫ Светодиодные индикаторы - это наиболее распространенные устройства вывода информации в современной электронике. Они недороги, и их крайне легко ис пользовать в разных ситуациях. Они могут различаться по форме и цвету;

на их основе могут быть выполнены числовые и текстовые дисплеи.

Для использования в схемах нам потребуется знать некоторые электрические характеристики светодиодов. Прежде всего, не следует забывать, что они, как и обычные диоды, проводят ток только в одном направлении. Современные све тодиоды начинают светиться уже при токе 5 мА, хотя многим (особенно самым ярким) требуется для этого не менее 20 мА.

168 Устройства управления роботами При подключении к микроконтроллеру анод светодиода обычно соединяют с положительной шиной питания, а катод соединяют с нужным выводом микро контроллера через ограничивающий резистор, как показано на рис. 4.26. В этом случае светодиод загорается, если на выходе микроконтроллера действует сигнал низкого уровня.

Vcc Микроконтроллер • Светодиод Ограничивающий резистор Рис. 4.26. Подключение светодиодного излучателя к микроконтроллер/ Если подключить светодиод между выводом микроконтроллера и нулевой шиной питания, то может оказаться, что выходной ток микроконтроллера (на пример, будет слишком мал, чтобы обеспечить достаточное свечение све тодиода.

Падение напряжения на светодиоде в прямом включении обычно составляет около 2 В, что заметно отличается от аналогичного показателя у простого крем ниевого диода (0,6-0,7 В). Это напряжение необходимо знать при выборе сопро тивления ограничивающего резистора. Обычно для работы с сиг налами я использую резисторы сопротивлением 470 ' Для изменения яркости свечения можно ис ]А пользовать модуляцию ]В (ШИМ) выходного сигнала микроконтроллера.

Это проще, чем пытаться управлять сопротивле ] Катод нием резистора. Мы рассмотрим соответствую Катод [ X щий пример чуть позже в этой главе.

Для отображения цифр и некоторых букв час то используется светодиодный индикатор (рис. 4.27). В таких индикаторах като ]С ды или аноды всех светодиодов соединены друг с другом и имеют один общий вывод. Поэтому Рис. 4.27. Семисегментный различают светодиодные индикаторы с общим ка светодиодный индикатор тодом или с общим анодом.

Формула расчета сопротивления ограничивающего резистора: R - - / где - напря жение питания;

падение напряжения на светодиоде в прямом включении;

- номинальный ток, необходимый для свечения светодиода. Таким образом, при = 5 В, 2 В и R 470 Ом ток через светодиод равен 6,4 мА. — Прим. перев.

Подключение к микроконтроллеру периферийных устройств Кроме того что при этом уменьшается количество внешних выводов, такое соединение позволяет легко реализовать управление группой одинаковых инди каторов, как показано на рис. 4.28. Здесь четыре светодиодных индикатора с об щим катодом подключены к одним и тем же выводам микроконтроллера, а с по мощью дополнительных выводов осуществляется их включение и выключение.

Рис. Подключение светодиодного индикатора к микроконтроллеру Индикаторы включаются по очереди. В каждый момент времени на информа ционные выходы микроконтроллера выводятся данные, предназначенные для одного индикатора;

в это время все остальные отключены, для чего на затворы соответствующих транзисторов подается сигнал низкого уровня. Чтобы не было заметно мерцания светодиодов, каждый из них должен включаться и выключать ся по крайней мере раз в секунду. Если микроконтроллер управляет четырь мя индикаторами, то длительность работы каждого из них со ставляет не более 25% всего времени. Увеличение числа индикаторов приводит к уменьшению той доли времени, в течение которой ток течет через Для управления индикаторами хорошо подходит наш стандартный метод реа лизации интерфейсных функций с помощью прерываний от таймера, генерируе мых каждую 1 мс. Соответствующий фрагмент обработчика прерываний:

// Управление четырьмя семисегментными светодиодными = 0;

// Выключить текущий индикатор.

= RTC & 3;

// Младшие два бита используются // для адресации индикаторов.

DataOut = // Данные для текущего индикатора.

ControlPin[01dRTC] = 1;

// Разрешить вывод нового символа.

Здесь предполагается, что - это порт ввода-вывода, например PORTB микроконтроллера PIC16F627. ControlPin - это массив, состоящий из четырех одноразрядных элементов, которые используются для включения соответствующих Устройства управления роботами индикаторов (в приложении указано, как на языке С описать битовую структу ру). Массив Data заполняется в главной программе и определяет информацию, отображаемую на индикаторах.

При выполнении этой программы каждый индикатор включается примерно 250 раз в секунду, поэтому глаз человека не может заметить мигания светодиодов.

УПРАВЛЕНИЕ СВЕТОДИОДНЫМ ИНДИКАТОРОМ Рассмотрим пример схемы и управляющей программы, которая демонстрирует пример подключения светодиодных индикаторов к микроконтроллеру. Допустим, мы хотим, чтобы светодиод, подключенный к выводу RB1 микроконтроллера PIC16F627, зажигался примерно раз в секунду. Здесь мы, как и в предыдущем примере, имеем дело с функциями электронного уровня.

Схема подключения показана на рис. 4.29, а в табл. 4.2 перечислены использу емые в ней элементы.

Vcc Vcc Vcc Рис. 4.29. Микроконтроллер управляет Таблица 4.2. Перечень элементов, используемых в схеме на рис. 4. Обозначение Элемент Примечание U1 или PICJ6F84 Микроконтроллер. Можно использовать отечественный светодиод красного свечения номинал резистора R2 при этом необходимо снизить до 300 Ом CR1 Светодиод Любой видимого диапазона R1 10 0,25 Вт Для «подтягивания» напряжения на выводе _MCLR до напряжения положительной шины питания R2 470 Ом;

0,25 Вт Для ограничения тока через светодиод а Для фильтрации напряжения питания микроконтроллера Керамический резонатор Для генератора тактовых импульсов микроконтроллера на 4 МГц, имеющий Для не встроенный конденсатор Материалы Макетная плата, монтажные провода, питания +5 В Подключение к микроконтроллеру периферийных устройств Схема размещения элементов приведена на рис. 4.30. От рис. 4.3 она ся только наличием светодиода CR1 и резистора R2. При монтаже обратите вни мание на правильную полярность подключения светодиода.

Рис. 4.30. Схема размещения элементов В случае применения микроконтроллера PIC16F627 из схемы надо исключить керамический резонатор;

в слове конфигурации для этого МК мы указываем, что используется внутренний тактовый генератор.

Управляющая программа лишь в нескольких местах отличается от нашего шаблона. Вы можете найти ее в файле // Включение светодиода каждую секунду.

// ' • // Используется прерывание от таймера // генерируемое каждую 1 мс.

// // 9 апреля 2002 - последняя модификация.

// 28 марта 2002 - адаптировано для МК PIC16F627/PIC16F84.

// 23 января 2002 - разработано Майклом Предко.

// // Используемое аппаратное обеспечение:

// микроконтроллер PIC16F84/PIC16F627, // частота тактирования 4 МГц, МК PIC16F627 использует внутренний тактовый генератор, // сигнал сброса // светодиод подключен к выводу RB1.

// // Слово «if defined «warning PIC16F84 selected _CONFIG(Ox03FF1);

// Для МК PIC16F84:

// кварцевый тактовый генератор, // таймер PWRT включен, // сторожевой таймер выключен, // защита кода отключена.

«warning PIC16F627 internal oscillator selected CONFIG(Ox03F70);

// Для PIC16F627:

// внутренний генератор, // RA6/RA7 используются для ввода-вывода, // внешний сигнал сброса, // таймер включен, // сторожевой таймер выключен, // защита кода отключена, // детектор включен.

Unsupported selected // Глобальные переменные и константы:

volatile unsigned int RTC = 0;

// Счетчик реального времени.

static bit trisLEO $ (unsigned) // Биты управления светодиодом.

static bit LED (unsigned) const int LEDon = 0;

// Включить светодиод.

const int LEDoff = 1;

// Выключить светодиод.

// Обработчик прерываний:

void interrupt if { // Обработчик прерываний от таймера TOIF = 0;

// Сбросить флаг прерывания от таймера TMRO.

// Инкремент счетчика реального времени.

// Здесь можно разместить дополнительный код // для реализации функций электронного и механического уровней, // которые надо выполнять каждую 1 мс.

if ( ( RTC % 512 ) == 0 ) LED = LED " 1;

// Переключать состояние светодиода каждые 512 мс.

> // Конец обработчика прерываний от таймера TMRO.

// Здесь можно разместить другие обработчики прерываний.

// Конец обработки прерываний.

// Служебная void enableLED(int LEDstate) // Установить состояние вывода LED // в соответствии с LEDstate.

LED = LEDoff;

// Сначала светодиод if (LEDstate) trisLED = 0;

// Вывод МК, управляющий состоянием // светодиода, теперь работает как else trisLED = 1;

// Вывод МК, управляющий состоянием // светодиода, теперь работает как входной.

Подключение к микроконтроллеру периферийных устройств // Главная программа:

I void = 0;

// Начальный сброс таймера TMRO.

OPTION OxOD1;

// Предделитель будет работать с TMRO, // коэффициент деления равен 4.

1;

// Разрешить прерывания от таймера TMRO.

= 1;

// Разрешить обработку всех прерываний.

// Здесь можно разместить дополнительный код для управления // периферийными устройствами.

// Вначале светодиод должен while (1 == 1) { // Бесконечный цикл.

// Здесь можно разместить код, // реализующий функции биологического уровня.

} // Конец биологического кода.

} // Конец главной программы.

По сравнению с описанным в начале главы шаблоном программы, здесь внесе ны следующие изменения:

• добавлены комментарии, относящиеся к управлению состоянием светодиода;

• описаны те биты аппаратных регистров, которые используются для управле ния светодиодом, и объявлены константы, служащие для переключения его состояния;

• для определения момента переключения светодиода в противоположное со стояние используется операция взятия остатка % от деления текущего значе ния счетчика реального времени на 512. Это приводит к тому, что состояние светодиода изменяется каждые 512 мс. Напомним, что записываемое в выход ной порт значение защелкивается во внутреннем регистре и изменяет факти ческое состояние вывода только в том случае, если этот вывод сконфигури рован для работы в качестве выходного;

• для управления состоянием вывода, к которому подключен светодиод, ис пользуется функция enableLED. Если надо включить светодиод, эта функ ция должна быть вызвана с ненулевым параметром - тогда вывод, к которо му подключен светодиод, переводится в режим выходного и состояние светодиода (горит или не горит) устанавливается в зависимости от последне го записанного в порт значения. Если надо потушить светодиод, данная функ ция вызывается с нулевым значением тогда вывод, к которому подключен светодиод, переводится в режим входного. В этом случае любая записываемая в порт информация не может включить светодиод;

• начальное состояние светодиода задается при старте программы вызовом функции enableLED (1);

Эта программа убедительно демонстрирует, как необходимо разделять выпол нение функций электронного и биологического уровней. Нигде в главной програм ме, содержащей биологический код, мы не обращаемся к аппаратным регистрам 174 Устройства управления роботами микроконтроллера. Непосредственное управление светодиодом производится в про цедуре обработки прерываний.

Возможно, вам захочется упростить предложенную программу. Для этого нет необходимости изменять обработчик прерываний, а в текст главной программы надо добавить строки:

LED = LEDoff;

// Сначала выключен.

trisLED = 0;

// Вывод LED является while (1 == 1) {.

if ((RTC % 512) 0) { // Прошло 0,5 с?

LED = LED " 1;

// Да, переключить светодиод.

while ( ( RTC % 512 ) == 0 ) ;

// Ждать изменения счетчика реального времени.

Этот код проще понять, и он несколько короче. Но представьте, что будет, если мы должны управлять многими внешними устройствами? Мы хотим иметь воз можность разрабатывать и отлаживать различные интерфейсы независимо друг от друга, поэтому первоначальный вариант лучше подходит для нашей цели.

Еще один вопрос, который может возникнуть у внимательного читателя, почему состояние светодиода изменяется каждые 512, а не 500 мс. Вы можете попробовать изменить это значение и проверить, какой длины машинный код будет сгенерирован компилятором Lite. Он окажется почти в два раза длин нее! Дело в том, что при включенном режиме оптимизации компилятор PICC Lite использует эффективные алгоритмы для упрощения машинного кода.

Без оптимизации результат компиляции фрагмента программы if ( ( RTC % 500 ) == 0 ) LED = LED 1;

выглядит примерно так:

Вычислить остаток от деления RTC на О О и запомнить результат в служеб ной переменной temp.

2. Если temp равно нулю, то инвертировать LED.

Выполнение первого требует использования библиотечной функции для реализации операции деления. Дело в том, что в системе команд микрокон троллеров отсутствует машинная команда для выполнения этой опера ции, поэтому компилятор вынужден заменять ее на вызов заранее подготовлен ной подпрограммы, которую в таком случае необходимо добавить к машинному коду программы. Это увеличивает объем программы и время ее выполнения.

Но если делитель является степенью двойки (как, например, число 512), то можно использовать формулу А % В = А & (В - при В = Тогда приведенный фрагмент программы на языке С может быть представлен в виде if ( ( RTC & 511 ) 0 ) LED = LED 1;

Подключение к микроконтроллеру периферийных Другими словами, для проверки того, делится ли заданное число на 512 (или любую другую степень двойки), компилятор при включенной оптимизации мо жет заменить длинную операцию деления и получения остатка на короткую по разрядную операцию AND с битовой маской, которая находится вычитанием еди ницы из константы, задающей значение делителя.

Этот вариант при компиляции генерирует более короткий код и к тому же не требует никаких дополнительных подпрограмм. Разумеется, пока рассматривае мые программы достаточно просты и нет особой необходимости экономить про граммную память, но разработчик может столкнуться с проблемами, если захочет добавить к данному примеру более сложные функции. Поэтому в любом случае следует выбирать самое эффективное решение.

После успешной компиляции нашего приложения вызовите на Рабочий стол интегрированной среды MPLAB окно Stopwatch и загрузите файл кон фигурации окна просмотра который находится в папке Code\ Procwat. Создайте еще одно окно Watch для просмотра значения счетчика реального времени RTC (при желании произведите необходимые настройки самостоятельно или же воспользуйтесь файлом RTC.WAT). Внешний вид окна MPLAB после всех необходимых приготовле ний показан на рис. 4.31.

// End enableLED // // - 0;

// Reset the Timer for Start - // Assign to // Prescaler is - 1;

Enable Timer Interrupts - 1: // Enable Interrupts / Put hardware interface initialization code here // start the LED Flashing Address Symbol status flddress Symbol fsr RTC 81 option reg ~ intcon 106 1 Sim Рис. Окно MPLAB перед началом моделирования 176 Устройства управления роботами Теперь надо щелкнуть мышью где-нибудь внутри окна с исходным текстом программы на языке С (чтобы оно получило фокус ввода) и выполнить сброс микроконтроллера. Напомним, что для этого можно использовать команды глав ного меню Debug Run Reset (Отладка Старт Сброс) или нажать кла вишу F6. В результате первая выполняемая строка нашей программы подсветит ся, и все будет готово для начала пошаговой отладки. Один шаг отладки выполняется с помощью команды Debug Run Step (Отладка Старт Шаг) или при нажатии клавиши F7. С каждым выполненным шагом подсветка перемещается на следующую строку программы. Когда выполнение дойдет до вызова функции мы увидим, что подсветка перемещается в начало программы, показывая процесс выполнения всех операторов этой функции, а за тем снова возвращается в основную программу.

В конце концов мы попадем в бесконечный цикл = и единствен ное, что будет меняться на экране при нажатии F6, - это значение счетчика ко мандных циклов в окне Stopwatch и значение счетчика таймера в окне просмотра содержимого регистров микроконтроллера. Чтобы продолжить процесс отладки в менее скучном режиме, щелкните правой кнопкой мыши по строке \ TOIF = 0;

в самом начале процедуры обработки прерываний от таймера. На экране появит ся контекстное меню (рис. 4.32), в котором надо выбрать команду Break Point(s) (Точка (точки) останова). В результате соответствующая строка будет выделена красным цветом.

Задав точку останова, можно продолжить выполнение программы в свободном (не пошаговом) режиме. Для этого воспользуйтесь командой меню Debug Run Run (Отладка Выполнить Выполнить) или просто нажмите клавишу F9.

Программа продолжит работу в автоматическом режиме, но затем будет останов лена перед тем, как выполнить строку, подсвеченную красным цветом.

Когда я проводил отладку программы, то останов произошел во время 1087-го командного цикла, то есть на 1,09-й миллисекунде. Это чуть больше, чем можно было бы ожидать. Разница объясняется тем, что перед инициализацией контрол лера прерываний и таймера проходит некоторое время. После того как я снова нажал клавишу F9, останов программы пришелся на команд ный цикл, что ровно на 1024 циклов больше, чем в первый раз. Это что выполнение прерываний от таймера TMRO моделируется Уберите точку останова, опять же щелкнув правой кнопкой мыши и выбрав команду Break Point(s).

Теперь поставьте точку останова в строке, изменяющей состояние светодиода:

LED = LED 1;

Нажмите клавишу F9 и ждите, пока выполнение не дойдет до контрольной точки. После этого в окне Watch проверьте состояние порта PORTB. Оно будет подсвечено синим цветом. Нажав F7, выполните еще один шаг;

только теперь Подключение к микроконтроллеру периферийных устройств interrupt // Interrupt Handler // Reset Interrupt Flag the // Put or 1 interrupt here LED - LED // Toggle LED Bit // Put interrupt handlers for other interface code 03 status Address Ualue fsr MHz option_reg ~ On intcon Close I Help I Рис. 4.32. Указание точек останова PORTB выделится красным. Значит, в результате выполнения последнего шага значение регистра изменилось. В данном случае первый его бит (считая с нуля) изменил свое состояние с 1 на 0. Для нашего устройства это значит, что светодиод загорелся.

В моих экспериментах загорание светодиода произошло на 524368-м коман дном цикле. При использовании микроконтроллера PIC16F627, работающего на тактовой частоте 4 МГц, момент срабатывания таймера на самом деле может на ;

5-10% отличаться от заданного в программе значения. Разумеется, если инди • кация предназначена для человека, то такая погрешность не имеет особого зна чения.

Теперь вам уже известна приблизительно половина тех сведений, которые не бходимо знать для отладки приложений. Мы обсудили самые необходимые чуть позже, при рассмотрении следующих конструкций, описанных в этой затронем и другие важные вопросы. ' Автору повезло. Приращение счетчика командных циклов между прерываниями обычно на один цикл в ту или другую сторону отличается от точной величины поэтому в наших экспериментах оно никогда не принимало четного значения. - Прим.

178 Устройства управления роботами Убедившись в правильности программы, пора проверить работу схемы. Я со ветую всегда проводить моделирование программы с помощью встроенного в MPLAB симулятора, прежде чем начинать программирование настоящего мик роконтроллера. Но еще перед началом проектирования программы желательно со брать саму схему. Дело в том, что в процессе сборки вы можете для удобства или по необходимости изменить некоторые внешние соединения, например подклю чить светодиод к другому выводу микроконтроллера. В нашем простом примере для таких изменений нет особого повода, но в сложных случаях, когда к микро контроллеру подключается большое количество периферийных устройств, всегда лучше иметь возможность маневра.

После загрузки программы в микроконтроллер отключите его от программа тора и вставьте в схему. Включите питание и убедитесь, что светодиод мигает приблизительно один раз в секунду.

Если что-то не так, вам придется внимательно проверить правильность всех соединений и наличие необходимых уровней напряжения на выводах микрокон троллера. Обратите внимание на полярность включения светодиода.

Не разбирайте устройство после тестирования, оно потребуется нам для сле дующего проекта.

4.12. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДУЛЯЦИИ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ АНАЛОГОВЫМИ УСТРОЙСТВАМИ Микроконтроллеры как и большинство других цифровых микросхем, не слишком-то приспособлены для непосредственного управления аналоговыми устройствами. Особые трудности возникают, если выходное устройство потреб ляет слишком большой ток. Самый простой способ решения проблемы заключа ется в использовании последовательности импульсов одинаковой амплитуды и частоты, но изменяющейся длительности (ширины), то есть так называемой ши модуляции (ШИМ, Pulse Width Modulation - PWM). Обычно именно этот способ применяется для управления двигателями постоянного тока или для вывода аналоговых сигналов нужной величины.

Г Ширина импульса Период Рис. 4.33.

Подключение к микроконтроллеру периферийных устройств Пример сигнала, подвергнутого широтно-импульсной модуляции, представлен на рис. 4.33.

Для генерации можно использовать следующий код:

Period PWMPeriod;

// Параметры выходного сигнала: длительность On // периода и длительность while ( 1 == 1 ) { // Бесконечный цикл.

= ON;

// Подать очередной импульс.

for ( i = 0;

i < On;

i++ );

// Держать высокий уровень в течение // времени, заданного значением On.

PWM OFF;

// Закончить импульс.

for ( ;

i < PWMPeriod;

i++ );

// Ждать до конца периода.

> Здесь - имя вывода (то есть бита выходного порта), с которого должен сниматься Это простая программа, но ее трудно совместить с ка кими-либо другими задачами, которые, возможно, должен выполнять робот. По этому, как обычно, нам придется вынести функцию электронного уровня в проце дуру обработки прерываний от таймера:

void interrupt (void) // Обработчик прерываний.

if ( PWM ON ) { // Если сейчас высокий уровень, то PWM OFF;

// сделать его низким TMRO PWMPeriod - PWMOn;

// и установить таймер, else { PWM = ON;

// в противном случае сделать уровень высоким TMRO = PWMOn;

// и установить таймер.

) // Конец обработчика прерываний.

Здесь мы изменяем значение счетчика таймера, чтобы следующий запрос на прерывание возник в тот момент, когда надо будет переключить уровень выход ного сигнала на противоположный. Выглядит все очень неплохо, но этот код ни куда не годится! Мы монополизировали аппаратный ресурс (таймер TMRO), ис ключив для других задач возможность работы с ним.

Программа, приведенная в следующем разделе, будет построена немного по другому, и тогда мы покажем, как лучше работать с таймером для решения нашей задачи.

Если ШИМ-сигнал используется для управления двигателем, то при выборе его частоты следует убедиться, что она лежит за пределами слышимого диапазо на, то есть превышает 20 кГц, иначе при работе робот будет издавать не слишком приятные звуки (с другой стороны, следует иметь в виду, что не воспринимаемые человеком ультразвуковые колебания могут оказывать неблагоприятное воздей ствие на животных, например на собак).

180 Устройства управления роботами Если выбрать очень высокую частоту, то некоторые устройства (да и сам мик роконтроллер) могут оказаться не в состоянии реагировать на слишком частые переключения.

Для всех рассмотренных в книге примеров есть возможность уменьшить период срабатывания таймера TMRO, чтобы можно было генерировать более высокочастот ный сигнал, но при этом могут возникнуть проблемы с другими периферийными В итоге вы даже можете решить, что разумнее было бы разработать какую-либо специальную схему, работой которой можно было бы управлять с помо щью микроконтроллера и которая позволяла бы формировать высокочастотный Но лучше всего использовать для этих целей специальный модуль ШИМ, имеющийся во многих микроконтроллерах PICmicro среднего семейства.

Другое очевидное решение задачи заключается в том, чтобы работать на часто тах, которые лежат ниже слышимого диапазона. Многие производители исполь зуют частоты 30-60 Гц. Однако в таком режиме допустимо управлять только дви гателями малой мощности, рабочий ток которых не превышает 500 мА, иначе могут возникнуть проблемы с вибрацией, вызываемой из-за низкой частоты вклю чения-выключения двигателей. Низкочастотные может генериро вать даже PIC16F84, не для этого специальных аппаратных средств.

4.13. УПРАВЛЕНИЕ ЯРКОСТЬЮ СВЕТОДИОДНОГО ИНДИКАТОРА На основе нашего предыдущего проекта в этой главе мы продемонстрируем, как мик роконтроллер может управлять аналоговыми устройствами. Допустим, имеются три светодиода, и мы хотим независимо задавать яркость свечения каждого из них.

Схема устройства показана на рис. 4.34, схема размещения элементов на ма кетной плате - на рис. 4.35, а перечень использованных элементов приведен в табл. 4.3.

Рис. 4.34. Принципиальная схема яркостью свечения индикаторов Подключение к микроконтроллеру периферийных устройств Рис. 4.35. Схема размещения элементов устройства управления яркостью свечения индикаторов 4.3. Перечень использованных Элемент Примечание Микроконтроллер - CR3 Любые видимого диапазона Для «подтягивания» на выводе _MCLR до напряжения положительной шины питания 470 Ом;

0,25 Вт Для ограничения тока через а Для фильтрации напряжения питания микроконтроллера Керамический резонатор Для генератора тактовых импульсов микроконтроллера на 4 МГц, имеющий PIC16F84. Для PIC16F627 не требуется встроенный конденсатор Материалы Макетная плата, монтажные провода, источник питания +5 В Для подключения трех светодиодов мы отвели выводы - RB3. Надеюсь, вы еще не макет предыдущего устройства, так как наш новый проект отличается от него всего лишь двумя новыми светодиодами. Для управления яр костью их свечения мы будем использовать сигнал частотой 32 Гц. Это очень низкая частота, особенно если учесть, что микрокон троллер PIC16F627 имеет встроенные аппаратные средства для генерации сигна лов достаточно высокой частоты. Но способы их применения мы рассмотрим в наших следующих проектах.

Заметим, что возможность независимой генерации сразу нескольких ШИМ-сиг важна для управления скоростью вращения разных электродвигателей. В этом случае можно управлять направлением движения и избежать проскальзывания колес. К сожалению, микроконтроллер PIC16F627 имеет всего один модуль ШИМ и не может генерировать несколько независимых сигналов. Поэтому такую функцию приходится реализовывать программно. Зато 182 Устройства управления роботами при этом остается возможность использовать модуль ШИМ для других целей, например для инфракрасного детектора столкновений.

Но вернемся к нашему проекту. Сначала я реализовал управление только одним светодиодом CR1, подключенным к выводу RB1 микроконтроллера. Как и в пре дыдущих наших программах, функция электронного уровня реализована в проце дуре обработки прерываний от таймера.

Приведенную ниже программу вы найдете в электронном приложении к этой книге в файле // Управление яркостью свечения светодиодного индикатора, // подключенного к выводу RB1, с помощью // // Используется прерывание от таймера генерируемое каждую 1 мс.

// Частота ШИМ-сигнала 32 Гц.

//.

// 28 марта 2002 - адаптировано для PIC16F627/PIC16F84.

// 23 января 2002 - разработано Майком Предко.

// // Используемое аппаратное обеспечение:

// микроконтроллер PIC16F84/PIC16F627, // тактовая частота 4 МГц, // МК PIC16F627 использует внутренний тактовый генератор, // внешний сигнал сброса // светодиод подключен к выводу RB1.

// Слово конфигурации:

defined PIC16F84 selected _CONFIG(Ox03FF1);

// Для МК PIC16F84:

// Кварцевый тактовый генератор, // таймер включен, // сторожевой таймер выключен, // защита кода отключена.

flelif PIC16F627 with internal oscillator selected CONFIG(Ox03F70);

// Для МК PIC16F627:

// внутренний тактовый генератор, // RA6/RA7 используются для ввода-вывода, // внешний сигнал сброса, // таймер включен, // сторожевой таймер выключен, // защита кода отключена, // детектор BODEN включен.

«else Unsupported selected // Глобальные переменные и константы:

volatile int RTC = 0;

// Счетчик реального времени.

char // Счетчик циклов (от 0 до 29).

Подключение к микроконтроллеру устройств char // Длительность импульса.

volatile int // Счетчик периодов static bit trisLED (unsigned) &TRISB*8+1;

// Биты управления выводом RB1, static bit LED (unsigned) const int LEDon = 0;

// Включить const int = 1;

// Выключить светодиод.

// Обработчик прерываний:

void interrupt if { // Обработчик прерываний от таймера TOIF = 0;

// Сбросить флаг прерывания.

// Инкремент счетчика реального времени.

// Здесь можно разместить дополнительный код // для обработки прерываний от таймера.

{ // Проверить на крайние значения.

case 0: // Если задана нулевая ширина импульсов, LED = LEDoff;

// то держать низкий break;

case 29: // Если ширина импульсов равна периоду, LED = LEDon;

// то держать высокий break;

default: противном случае:

// если значение счетчика циклов // меньше заданной ширины импульса, if <= PWMDuty) LED = LEDon;

// то держать высокий уровень, else // в противном случае уровень низкий.

LED = LEDoff;

} // Конец оператора switch.

if == 30) { // Конец текущего периода?

PWMCycle = 0;

// Да, сброс счетчика циклов PWMLoop++;

// и инкремент счетчика периодов.

// Здесь можно разместить код для обработки других прерываний.

// Конец обработки прерываний.

// Служебная void enableLED(int LEDstate) // Установить состояние светодиода // в соответствии со значением LEDstate.

LED = LEDoff;

// Сначала светодиод не горит.

if (LEDstate) { PWMCycle = 0;

// Обнулить счетчик циклов.

PWMDuty = 29;

// Сначала ширина импульсов равна периоду.

PWMLoop = 0;

// Счетчик периодов равен 0.

184 Устройства управления роботами trisLED = 0;

// управления светодиодом // переведен в режим выходного.

> else trisLED = 1;

// Вывод управления светодиодом // переведен в режим входного, // потушен.

} // Конец служебной подпрограммы.

// Главная программа:

void OPTION = OxOD1;

// работает с таймером // коэффициент деления равен 4.

= 0;

// Начальный сброс таймера TOIE = 1;

// Разрешить прерывания от таймера.

GIE = 1;

// Разрешить обработку прерываний.

// Здесь можно разместить код для инициализации // других периферийных устройств.

// Включить светодиод // и выполнить инициализацию параметров.

while (1 == 1) ( // Бесконечный цикл (биологический код).

// Здесь можно разместить код для реализации // функций биологического уровня.

// Алгоритм изменения ширины импульсов во времени:

if == 2) { // Каждые две if == 0) = 29;

// ширина else // Уменьшить ширину импульсов.

PWMLoop II Сбросить счетчик периодов.

} // Конец главной программы.

В этой программе один период выходного сигнала делится на 30 подынтерва лов. Длительность периода выбрана равной 32 Гц, дли тельность одного подынтервала - около 1 мс, то есть в точности равна промежут ку между срабатываниями таймера TMRO.

Ширина импульсов задается значением переменной PWMDuty, оно может быть от 0 (все время низкий уровень сигнала, импульсы отсутствуют, светодиод поту шен) до 29 (ширина импульсов равна периоду, все время высокий уровень управ ляющего сигнала, светодиод горит с максимальной яркостью).

Каждый раз при срабатывании таймера производится инкремент счетчика циклов его текущее значение сравнивается с величиной PWMDuty и по результатам сравнения формируется низкий или высокий уровень управляюще го сигнала. Как только счетчик циклов становится больше 29, он обнуляется, и на чинается новый период.

Подключение к микроконтроллеру периферийных устройств Для изменения яркости свечения светодиодного индикатора с течением вре мени используется счетчик периодов При запуске программы уста навливается максимальная яркость 29), затем она постепенно уменьшается пока не достигнет нулевой отметки. После этого счет чик периодов обнуляется, и все повторяется с самого начала.

После выполнения моделирования работы этой программы с помощью симу лятора MPLAB и загрузки ее в микроконтроллер можно проверить, что светоди од чуть уменьшает яркость свечения каждые 2 с, пока не погаснет совсем, после чего вспыхивает с максимальной яркостью. Благодаря инерционности челове ческого глаза мы не замечаем мигания светодиода, которое происходит с частотой 32 Гц. При уменьшении той доли в течение которого ток протекает через светодиод, нам кажется, что он горит менее ярко.

Испытав описанный проект в работе, я добавил к микроконтроллеру еще два светодиода и, разумеется, внес необходимые изменения в управляющую програм му. Можно предложить по крайней мере четыре способа добавления новых неза висимых выходов для генерации и я испытал все четыре.

Первый светодиод, подключенный к выводу микроконтроллера, как и преж де, должен был уменьшать яркость свечения каждые 2 с. Второй светодиод, под ключенный к выводу RB2, должен был делать то же самое, но с периодом 5 с.

Наконец, третий светодиод, подключенный к выводу RB3, должен был увеличи вать свою яркость каждые 7 с.

Первый (экстенсивный) способ добавления новых независимых выходов к наше му устройству заключается в том, что в процедуре обработки прерываний от таймера дописывается код, относящийся к новому ШИМ-генератору, который в точности дублирует тот, что уже имеется для реализации предыдущего. Соответствующим образом измененный текст программы для управления двумя светодиодами вы най дете в файле Code\Ledpwm\ledpwm2.c, а для управления тремя светодиодами в файле Но это не слишком изящное решение. Гораздо привычнее в этом случае было бы использование массивов. Как известно, индексы элементов массивов в языке С нумеруются с 0, поэтому, чтобы не менять нумерацию светодиодов и избежать лишних вычислений, в программе проще указать размер массивов на 1 больше требуемого и не использовать нулевой элемент.

В этом случае текст обработчика прерываний от таймера выглядит следующим образом:

for 1 < 4;

i++) { // Повторять для трех светодиодов.

// Проверка на крайние значения.

case 0: // Нулевая ширина импульсов.

writeLED(i LEDoff);

break;

case 29: // Ширина импульсов равна периоду.

break;

, default: // В противном случае:

if <= LEDon);

186 Устройства управления роботами else LEDoff);

} // Конец оператора switch.

if 30) { // Конец периода?

= 0;

// Да.

// Инкремент счетчика периодов.

} } // Конец цикла.

Как видим, здесь первоначальный текст лишь немного изменен, чтобы можно было работать с элементами массивов. Но еще здесь фигурирует вызов некоей функции На самом деле это не функция, а макрос:

value) ( (PORTB) = (PORTB & | (value * (1 ) Параметрами макроса являются номер разряда регистра и флаг, который ука зывает, надо ли этот разряд сбросить в 0 или установить в Сначала нужный бит сбрасывается с помощью поразрядной операции AND, а затем в результате выпол нения поразрядной операции OR с подготовленной битовой маской принимает нужное значение.

Аналогичные макросы можно использовать и для чтения отдельных разрядов регистра:

readLED(bit) (PORTB & ( Описанный способ наращивания количества выходов будем называть про граммным циклом.

Если вы выполните моделирование измененной программы с помощью симу лятора, то, вероятно, удивитесь тому, какого количества командных циклов по требует изменение состояния разрядов порта PORTB. Возможно, это из-за неэф фективной реализации нашего макроса? Чтобы решить эту проблему, придется манипулировать битами явно:

void writeLED(int LEDbit, int value) // Запись указанного бита.

, { case LED1 = value;

break;

case 2:

LED2 = value;

break;

case 3:

LED3 = value;

break;

Назовем этот способ циклом с переключателем. Соответствующим образом измененный код программы можно найти в файлах и Подключение к микроконтроллеру периферийных устройств Еще один способ заключается в том, чтобы не отказываться от макросов, но изменить способ доступа к отдельному биту регистра. Возможно, компилятор Lite не слишком эффективно реализует операцию умножения на ( которая была указана в нашем предыдущем макросе, поэтому можно попы таться использовать условный оператор:

value) if (value == 0) PORTB "(1 bit);

else (1 bit);

Здесь мы сначала проверяем значение параметра value, а затем либо сбрасы ваем, либо устанавливаем нужный бит. Полный текст программы вы найдете в файле Для работы с двумя светодиодами достаточ но только уменьшить на единицу количество повторений цикла заменив 4 на 3.

Назовем этот способ модифицированным программным циклом.

В табл. 4.4 проведено сравнение всех четырех способов наращивания числа независимых по четырем показателям: размеру обработчика пре рываний, размеру главной программы, размеру всего приложения и количеству циклов, требуемых для обработки каждого запроса на прерывание.

Таблица 4.4. Сравнительная характеристика различных способов наращивания количества программных модулей ШИМ Имя Количество Метод Размер Размер Количество программы обработчика главной всего прерывания программы приложения требуемых для обработки прерываний } Базовый код 63 44 2 Копирование кода 86 80 166 3 Копирование кода 109 116 225 2 Программный цикл 140 319 3 Программный цикл 179 152 2 Цикл 116 210 326 с переключателем 3 Цикл 116 256 372 с переключателем I 2 Модифицированный 133 программный цикл I 3 Модифицированный 235 цикл I, При использовании экстенсивного способа (копирование кода) размер обра прерываний увеличивается на 23 машинных команды при каждом добав одного выхода, а количество командных циклов, требуемых на обработку увеличивается на 14. Как и следовало ожидать, размер обработчика при использовании программного цикла не зависит от количества выходов, но его выполнения увеличивается на 63 командных цикла на каждый добавля выход. Цикл с переключателем также не увеличивает размер обработчика при 188 Устройства управления роботами добавлении новых светодиодов, но требует 66 циклов на каждый новый выход.

Как видим, наш первый вариант макроса не слишком-то плох: явное обращение к отдельным разрядом регистра менее эффективно. Наконец, при использовании программного цикла с модифицированным макросом размер обработчика снова не зависит от количества светодиодов, а время его выполнения увеличивается на 63 для каждого нового светодиода.

Модификация макроса почти не повлияла на время выполнения обработчика прерываний, но позволила заметно уменьшить размер кода.

На рис. 4.36 показано, как растет размер обработчика прерываний при увели чении числа программно реализованных модулей ШИМ. Как видим, простое ко пирование кода при не слишком большом количестве выходов эффективнее всех остальных методов. Поскольку немногие роботы имеют количество двигателей, большее то для управления ими можно рекомендовать наш самый первый метод. Только если количество независимых превышает шесть, копирование становится менее эффективным, чем программный цикл, с точки зрения размера обработчика прерываний.

Программный цикл о Цикл с переключателем о т 1 2 3 4 5 6 7 Число выходов Рис. 4.36. Рост размера обработчика прерываний при количества программно реализованных модулей ШИМ На рис. 4.37 показано, как при добавлении новых выходов растет время вы полнения обработчика прерываний (в командных циклах). Как здесь преимущество за методом копирования, так как наклон прямой в случае его при менения меньше, чем для всех остальных методов.

Результаты проведенного тестирования не слишком-то изменили мое мнение:

я по-прежнему предпочитаю для выполнения похожих действий использовать про граммные циклы. Дело в том, что при копировании кода и его исправлении (которое в этом случае сводится к приписыванию числовых индексов к именам переменных) Подключение к микроконтроллеру периферийных устройств 2?

о х (О а Число выходов I Рис. 4.37. Рост времени выполнения обработчика прерываний при увеличении количества программно реализованных мод/лей легко допустить ошибку, которую потом будет не так-то просто заметить и исправить.

Кроме того, многократное копирование похожих участков кода проигрывает про граммному циклу с точки зрения простоты и легкости понимания программы.

Итак, тестирование было проведено с целью выяснить, как изменяются размер кода и скорость его выполнения при добавлении новых периферийных устройств к микроконтроллеру. Должен признаться, что результаты оказались совершенно противоположными чего я ожидал, приступая к эксперименту. Но здесь рассматривалась несколько искусственная ситуация с одинаковыми периферий ными устройствами. В реальной жизни они чаще оказываются разными, поэтому соответствующие фрагменты обработчика прерываний в принципе не могут быть объединены в одном программном цикле.

Итак, можно сделать вывод, что при использовании микроконтроллера PIC16F627 (или PIC16F84) и компилятора Lite наиболее эффективный метод добавления новых выходных устройств - это простое размещение в обра ботчике прерываний от таймера соответствующих фрагментов кода, напрямую работающих с добавляемыми устройствами. Разумеется, для какого-нибудь дру гого микроконтроллера или другого компилятора результаты аналогичного экс перимента могут оказаться совершенно другими.

4.14. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ И ЗВУКОВЫХ ДИНАМИКОВ Надо сказать, что микроконтроллеры мало приспособлены к тому, чтобы управ лять звуковыми выходными устройствами. Большинство МК не имеют аппарат средств для выполнения операции умножения, не работают с числами в фор ате с плавающей точкой и не могут непосредственно оперировать даже целыми 190 Устройства управления роботами числами, если их разрядность превышает 8 бит. Архитектура микроконтроллеров оптимизирована для работы с цифровой информацией в реальном времени и не рассчитана на вывод аналоговой информации.

Несмотря на это, не так уж сложно добавить к нашему устройству простой звуковой сигнализатор. Разумеется, возможности индикации в этом случае све дутся всего лишь к нескольким гудкам или щелчкам, количество которых и будет сигнализировать о текущем состоянии робота. Как уже говорилось, такое реше ние имеет многие преимущества по сравнению с использованием жидкокристал лического дисплея.

Схема подключения (или звукового динамика) к микрокон показана на рис. 4.38. Благодаря конденсатору на динамик подается напряжение только в момент изменения сигнала на выходе микроконтроллера (постоянная составляющая отфильтровывается).

Эпюры напряжений на динамике и на выводе микроконтроллера показаны на рис. 4.39. Внешний конденсатор и внутренняя емкость и индуктивность звукового Vcc (R = Ом) (R = 15 Ом) 0, Рис. 4.38. Схема подключения звукового индикатора к • ;

на выводах • динамика.

Напряжение на выводе микроконтроллера 1:

,,, Рис. 4.39. Осциллограммы сигналов на звуковом излучателе и на выводе Подключение к микроконтроллеру периферийных устройств излучателя приводят к тому, что цифровой сигнал на выходе микроконтроллера искажается.

Реализовать подачу сигнала нужной частоты в выходной порт, к которому подключен звуковой индикатор, можно либо с помощью аппаратного модуля ШИМ, либо с помощью прерываний от таймера. При этом на каждый период выводимого колебания должно приходиться два вызова обработчика, чтобы сфор мировались два всплеска противоположной полярности.

Если прерывания от таймера генерируются каждую 1 мс, то частота сигнала составит 500 Гц - получится нечто среднее между нотами «си» и «до». Нельзя сказать, что этот звук слишком неприятен, но он заметно отличается от чистого «ля» (440 Гц), обычно используемого в электронных приборах.

Разумеется, мы могли бы период срабатывания таймера TMRO, но это отразится и на работе всех остальных интерфейсов, которые мы договорились реализовывать с помощью прерываний.

4.15. УСТРОЙСТВО ЗВУКОВОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ Как было показано в предыдущем разделе, не слишком трудно заставить микро контроллер генерировать звуковые сигналы. Как и раньше, для реализации функ ций нижних уровней используются прерывания от таймера. В этом разделе мы рассмотрим законченное приложение для звуковой сигнализации и, кроме этого, обсудим еще один важный вопрос: как в коде биологического уровня можно реа лизовать задержки указанной длительности.

Схема устройства мало отличается от двух предыдущих, только вместо свето диода к выводу микроконтроллера подключены конденсатор и звуковой динамик (рис. 4.40). Размещение элементов на макетной плате показано на рис. 4.41, а спи сок используемых элементов содержится в табл. 4.5.

Vcc U Vcc + 0, C RB R1 10К 0,47 мкФ 4 МГц I Osc Vss С Gnd Рис. 4.40. Принципиальная схема сигнализации 192 Устройства управления роботами Рис. Схема размещения элементов на плате Таблица 4.5. Список используемых элементов Обозначение Элемент Примечание UI PIC16F627 или PIC16F84 Микроконтроллер R1 10 0,25 Вт Для «подтягивания» напряжения на выводе _MCLR до напряжения положительной шины питания С1 0, 7 Для фильтрации напряжения питания С2 0,47 мкФ Для подключения динамика;

можно использовать конденсатор любого типа SPKR пьезоэлектрический преобразователь Керамический резонатор Для генератора тактовых импульсов микроконтроллера на 4 МГц, со встроенными PIC16F84. Для PIC16F627 не требуется конденсаторами Материалы Макетная плата, монтажные провода, источник питания +5 В Исходный текст управляющей программы можно найти в файле Code\ Beeper\beeper.c:

// Звуковая сигнализация.

// Звуковой динамик включается на 1 с, а затем выключается на 1 с.

// // Используются прерывания от таймера TMRO, генерируемые каждую 1 мс.

// Частота сигнала составляет около 500 Гц.

// // Используемое аппаратное обеспечение:

// микроконтроллер PIC16F84/PIC16F627, // тактовая частота 4 МГц, // PIC16F627 использует внутренний тактовый генератор, Подключение к микроконтроллеру периферийных устройств // внешний сигнал сброса _MCLR, // подключен к выводу RB // через конденсатор емкостью 0, // Слово defined PIC16F84 selected _CONFIG(Ox03FF1);

// Для PIC16F84:

// кварцевый тактовый генератор, // таймер включен, // сторожевой таймер выключен, // защита кода PIC16F627 with internal oscillator selected _CONFIG(Ox03F70);

// Для МК PIC16F627:

// внутренний тактовый генератор, // RA6/RA7 используются для ввода-вывода, // внешний сигнал сброса, // таймер включен, таймер выключен, // защита кода отключена, // детектор BODEN «else Unsupported selected // Глобальные переменные:

volatile unsigned int RTC // Счетчик реального времени.

unsigned char BeeperFlag = 0;

// Флаг разрешения звучания.

static bit trisBeeper (unsigned) // Биты управления выводом RB4.

static bit Beeper (unsigned) // Обработчик прерываний:

void interrupt { if { // Обработчик прерываний от таймера.

= 0;

// Сброс флага прерываний.

RTC++;

// Инкремент счетчика реального времени.

// Здесь можно разместить другой код // для обработки прерываний от таймера.

if (BeeperFlag) // Переключить состояние звукового динамика.

"= 1;

} // Конец обработчика прерываний от таймера.

// Здесь можно разместить код // для обработки других прерываний.

} // Конец обработчика прерываний. ' void Dlay(unsigned int // Задержка на указанное число миллисекунд.

7- 194 Устройства управления роботами unsigned int DlayEnd = RTC + + 1;

while (DlayEnd != RTC);

} // Конец функции void // Разрешить работу звукового динамика.

trisBeeper = 0;

// Вывод, к которому подключен динамик, // перевести в режим выходного.

} // Конец функции разрешения работы динамика.

// Главная программа:

void = 0;

// Начальный сброс таймера.

OPTION = OxOD1;

// Предделитель работает с // коэффициент деления равен 4.

= 1;

// Разрешить прерывания от таймера.

= 1;

// Разрешить обработку прерываний.

// Здесь можно разместить код для инициализации // других периферийных устройств.

// Разрешить работу звукового динамика.

while (1 == 1) { // Бесконечный цикл.

// Здесь можно разместить код для реализации // функций биологического уровня.

BeeperFlag = 1;

// Включить звуковой динамик // на 1 секунду.

BeeperFlag = 0;

// Выключить динамик Dlay(1000);

// на 1 секунду.

} // Конец главной программы.

Как и прежде, таймер срабатывает каждую миллисекунду. Если флаг разреше ния работы звукового динамика установлен, то состояние выходного порта изме няется на противоположное. В результате генерируется сигнал частотой пример но 500 Гц. Так продолжается секунду, после чего флаг разрешения работы динамика сбрасывается, и в течение еще одной секунды он молчит.

В этой программе нам впервые понадобилась функция задержки. Здесь она реализована с помощью счетчика реального времени. Замечу, что к количеству миллисекунд, в течение которых длится задержка, была прибавлена 1 мс, чтобы в любом случае время ожидания не оказалось чуть меньше заданной длительнос ти (этот вопрос уже обсуждался раньше).

Однако необходимо заметить, что такую функцию задержки внутри кода, реа лизующего функции верхнего (биологического) уровня, надо очень внимательно Подключение к микроконтроллеру периферийных устройств использовать в реальных приложениях, так как во время ее выполнения не могут выполняться другие операции верхнего уровня. Мы еще вернемся к этой пробле ме в главе 5.

4.16. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ДИСПЛЕЯ Жидкокристаллические часто используются для вывода информации о те кущем состоянии управляющей программы и для показа получаемых от входных датчиков. К сожалению, для считывания показаний на жидкокристалли ческом экране часто приходится бегать вслед за роботом по всей комнате. Более удобны в этом отношении вакуумные люминесцентные индикаторы;

многие из них по своему внешнему интерфейсу аналогичны жидкокристаллическим.

Для подключения ЖКИ к процессору (микроконтроллеру) обычно использу ется специальный контроллер (чаще всего - микросхема 44780 фирмы Hitachi).

Хотя некоторые радиолюбители неохотно такого типа в своих конструкциях, почему-то считая, что для них трудно найти хорошую документацию (к тому же такие контроллеры обычно не слишком дешевы), я ис пользую их уже много лет - и вам рекомендую. Для управления ЖКИ в большин стве случаев достаточно всего трех (а то и двух) дополнительных линий;

система их команд достаточно проста, а что касается высокой стоимости, то всегда можно найти старое устройство с еще работающим жидкокристаллическим дисплеем.

У большинства ЖКИ, которые рассчитаны на работу с контроллером, совмес тимым с микросхемой 44780, имеется 14 внешних выводов, расположенных на расстоянии дюйма (2,5 мм) друг от друга. Назначение этих выводов описано в табл. 4.6.

Таблица 4.6. жидкокристаллических дисплеев Вывод Обозначение Назначение 1 «Земля» (общий) 2 Vcc Положительное напряжение питания 3 Contrast Регулировка контрастности 4 R/S регистра 6 Е Тактовые импульсы Data Данные: DO - 7,..., D7 - Запись информации происходит в параллельном коде по фронту тактовых импульсов Е. Можно не только записывать данные в регистры ЖКИ, но и читать (их;

для выбора режима доступа используется линия Типичные временные сигналов показаны на рис. 4.42.

Также распространено название жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ). - Прим. перев.

196 Устройства управления роботами Рис. 4.42. Временные диаграммы сигналов Здесь показано, как ASCII-код символа записывается в регистр ЖКИ. В коде ASCII символы кодируются одним байтом, все 8 бит которого можно записать в регистры ЖКИ одновременно или в два приема, группами по 4 бита (их называ ют Сначала записываются старшие 4 бита, а затем младшие. Стро бирование данных осуществляется сигналом Е (Enable - разрешение).

Разработчик должен решить, какой из двух режимов записи он будет использо вать в своем проекте: 4-разрядный или 8-разрядный. Для реализации первого тре буется всего шесть внешних выводов (используются только старшие четыре выво да данных), а для последнего - десять, зато в этом случае скорость работы выше.

Специальная управляющая линия R/S предназначена для указания типа ин формации, которая в данный момент подается на выводы данных. При уровне сигнала R/S на выводы Data можно подавать ASCII код символа, который должен отображаться в текущей позиции курсора (если напряжение на линии имеет низкий уровень), или прочитать код символа, который отображается в данный момент в этой позиции (при высоком уровне сигнала При низком уровне сигнала на линии R/S на выводы Data подается код команды = 0) или с этих выводов читается текущее состояние ЖКИ.

Команды контроллера ЖКИ 44780 (и его многочисленных аналогов) приведе ны в табл. 4.7.

Таблица 4.7. Команды контроллера D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 DO Команда 4 5 14 13 12 11 10 9 8 7 Входы/выходы данных 0 0 0 0 0 0. 0 0 0 1 ' дисплея 0 0 0 0 0 0 0 0 Перемещение курсора * в верхний левый угол (Ноте) 0 0 0 0 0 0 0 S Указание направления перемещений курсора 0 0 0 0 0 0 1 DE С В Включение/выключение дисплея/курсора 0 0 0 0 0 1 SC RL * Смещение курсора/ * сдвиг изображения * 0 0 0 0 1 DL N F * Выбор режимов Подключение к микроконтроллеру периферийных устройств Таблица 4.7. Команды контроллера 44780 (окончание) R/S D6 D5 03 DO Команда 0 0 0 1 А А А А А А Выбор курсора в области программируемых символов 0 0 1 А А А А А А А Выбор позиции курсора на дисплея * Прочесть занятости 0 1 BF * * * * * ] 0 D D D D D D D D Записать код символа ] 1 D D D D D D D Прочитать код символа Примечания:

отмечены биты, состояние которых безразлично.

ID - если этот бит установлен, то после записи очередного символа курсор перемещается в следующую позицию.

S - если этот бит установлен, то после записи очередного символа изображение на дисплее сдвигается.

DE - (1) или выключить (0/ экран.

С - включить или выключить (0) курсор.

В - включить (1) или выключить (0) мигание курсора.

SC - включить или выключить режим сдвига изображения на экране.

- направление сдвига курсора/экрана: вправо или влево (0).

- разрядность данных: 8-разрядные или (0).

N г число строк на экране: одна (0) или две символов: или - бит устанавливается, если занят выполнением операции.

А - адрес.

D - данные.

Режим чтения кода символа, находящегося в текущей позиции курсора, поле зен в тех случаях, когда включена прокрутка изображения. Флаг занятости (Busy Flag - BF) используют, чтобы узнать, завершено ли выполнение предыдущей команды. Этот флаг сбрасывается, если команда уже выполнена.

В большинстве конструкций, в которых используется ЖКИ, вывод R/W под соединен к общей шине питания, так как обычно нет необходимости использо вать режим чтения. Это упрощает схему устройства, потому что в режиме чте ния выводы Data становятся выходными и интерфейсная часть схемы должна обеспечить переключение направления передачи данных. Следует учесть, что если вывод R/W заземлен, то уже нет возможности прочитать состояние флага занятости, поэтому после подачи текущей команды приходится делать задерж ку перед началом следующей, причем длительность этой задержки следует вы бирать, исходя из максимально возможного времени выполнения команд.

На выполнение команд ЖКИ затрачивает разное время. Например, для стира ния экрана и/или перемещения курсора в начальную (левую верхнюю) позицию требуется около 4,1 мс, а на многие другие команды достаточно и 160 мкс. Вообще говоря, скорость выполнения команд может заметно отличаться у различных ЖКИ, поэтому при составлении программы желательно рассчитывать на самый 198 Устройства управления роботами медленный вариант. В противном случае при замене дисплея придется заново программировать микроконтроллер.

Что касается режимов отображения символов, то обычно используемый раз мер символов — 5x7, что соответствует сброшенному биту F при подаче команды Перед тем как подавать команды или записывать данные, необходимо проини ЖКИ. Если используется 8-разрядный режим, то алгоритм ини циализации выглядит следующим образом:

1. Ждать не менее 15 мс после включения питания.

2. Записать в ЖКИ команду 0x030 и ждать 5 мс, пока она не выполнится.

3. Опять записать в ЖКИ команду 0x030 и ждать 160 мкс.

4. В третий раз подать команду 0x03 0 и ждать 160 мкс (или пока не сбросится флаг занятости).

5. Установить режимы:

- подать команду выбора режимов работы и тем самым установить разряд ность данных, число строк и размер символов;

- подать команду чтобы выключить экран;

- подать команду чтобы стереть изображение на экране;

- установить направление перемещения курсора/экрана;

- подать команду включения экрана и, если необходимо, курсора.

Для инициализации 4-разрядного режима необходимо:

1. Ждать не менее 15 мс после включения питания.

2. Записать в ЖКИ команду 0x03 и ждать 5 мс, пока она не выполнится.

3. Опять записать в ЖКИ команду 0x03 и ждать 160 мкс.

4. В третий раз подать команду 0x03 и ждать 160 мкс (или пока не сбросится флаг занятости).

5. Установить режимы:

- подать команду 0x02 для установки курсора в начальную позицию;

- подать команду 0x028 для выбора 4-битного режима, после чего все по следующие команды и данные будут передаваться в два приема;

- установить число строк и размер символов;

- подать команду 0x00/0x08 (то есть команду 0x008), чтобы выключить экран;

- подать команду 0x00/0x01 (то есть команду 0x001), чтобы стереть изоб ражение на экране;

- установить направление смещения курсора/экрана;

- подать команду включения экрана и, если необходимо, курсора.

Запись данных производится так же, как и запись команд, только в первом случае на линии R/S должно быть напряжение высокого уровня. Во время ини циализации ЖКИ мы задали режим смещения курсора/экрана, поэтому каждый раз после записи очередного символа либо курсор, либо все изображение на Подключение к микроконтроллеру периферийных устройств экране будет смещаться в нужную сторону - налево или направо. Обычно биты SC и RL устанавливают в 1, то есть ЖКИ работает в режиме телетайпа, когда текст пишется слева направо, а ранее написанный текст уходит за пределы экрана.

Можно производить запись символов в различные позиции жидкокристалли ческого дисплея. В табл. 4.8 приведены форматы различных ЖКИ, совместимых с контроллером 44780.

4.8. Форматы наиболее распространенных жидкокристаллических дисплеев Формат Верхняя Девятый Начало Начало Начало Наличие левая символ второй третьей четвертой встроенного позиция верхней строки строки строки строки контроллера Нет 0 - 0 0x040 - • Нет 16x1 0 8 - Да 8x2 Нет 0 • 0x /0x2 0 8 0x040 До 0 8 0x040 Да 20x2 0 8 0x040 Да 0 8 0x040 Да 0x2 0 8 0x040 Да •2x2 0 8 Да 0 8 0x040 Да 6x4 0 8 0x040 0x020 0x060 Да 0 8 0x040 0x020 0x060 Да Для включения курсора (он обычно реализован в виде знака подчеркивания) надо установить бит С. Что касается режима мигания символов (бит В), я не сове тую его использовать, так как в результате начинается мигание всей прямоуголь ной области, занятой символом, а это выглядит не слишком привлекательно.

Если прокрутка экрана выключена и задано смещение курсора вправо, то при записи очередного символа курсор автоматически передвигается в соседнюю пра вую позицию, а по достижении правого края очередной строки производится пе реход на начало следующей. Однако, когда будет заполнена нижняя правая пози ция, надо подать команду очистки дисплея, чтобы можно было продолжить вывод информации.

При подаче команды установки позиции курсора на экране дисплея семь младших разрядов (биты А в табл. 4.7) используются для указания номера пози ции, на которую должен переместиться курсор. Нужный номер можно узнать с помо щью табл. 4.8. Используя семь битов, можно адресовать до 128 различных пози ций, что более чем достаточно для существующих типов жидкокристаллических дисплеев.

Коды символов, отображаемые дисплеем 44780 (и совместимыми с ним), в большинстве случаев совпадают с обычным кодом ASCII. Но есть и отличия.

200 Устройства управления роботами Например, не реализован символ «обратный слэш» (\), имеющий ASCII-код Что касается управляющих символов с кодами от до то они не распознаются ЖКИ как управляющие, а соответствуют различным символам (часто это японские иероглифы).

ЖКИ 44780 могут отображать восемь различных символов, которые запро граммировал пользователь;

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.