ΤΗΛΕίΩΝΟ PSTN ΜΕ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗ

Transcript

1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕ ΘΕΜΑ: ΤΗΛΕίΩΝΟ PSTN ΜΕ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ; Δρ. Ανδρέας Σοϊλεμές ΣΠΟΥΔΑΣΤΗΣ: Θεόδωρος Παντσιαρίδης Α.Ε.Μ.: 3570 ΚΑΒΑΑΑ 2010

2 T. e. l - TM^ATmEKpOAOr.AI ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΛΡ 01* " " 'f...ί ^ ^ y p " % J f O Ημερομ-νια... ά. \... Τηλέφωνο Ιστορική εξέλιξη του τηλεφώνου Η σημασία του τηλεφώνου Οι πρόδρομοι του τηλεφώνου Η εφεύρεση Το μαγνητικό τηλέφωνο του Bell και η εξέλιξη του τηλεφώνου Τα μέρη ενός τηλεφωνικού συνόλου Είδη τηλεφωνικών συνδέσεων Τηλεφωνικά κέντρα DTMF (Double Tone Multiple Frequency) Ιστορία Συχνότητες τόνου DTMF Περιγραφή συσκευών και εξαρτημάτων που χρησιμοποιήθηκαν AVR Butterfly AVR Studio AVR Dragon Συμβατά Πρωτόκολλα Θύρες Προγραμματισμού Θύρες Εξομοίωσης: Απαιτήσεις συστήματος Θύρα JTAG:... Joint Test Action Group (JTAG) Επισκόπηση Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά Μικροεπεξεργαστής ATmega Η πλακέτα μικροεπεξεργαστή

3 Πλακέτα αντικατάστασης του πληκτρολογίου Οθόνη LCD DOOM 163 A Προγραμματισμός του μικροελεγκτή ATmegal28 με τη γλώσσα προγραμματισμού C Περιγραφή που προγράμματος

4 Πρόλογος Θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Καθηγητή του Τ.Ε.Ι. Καβάλας κ. Σοϊλεμέ Ανδρέα για την καθοδήγηση που μου παρείχε, την στενή συνεργασία που είχαμε και την αμέριστη και έμπρακτη συμπαράστασή του στα προβλήματα που αντιμετώπισα. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαίτερα τους γονείς μου που σε όλες τις στιγμές της ζωής μου είναι δίπλα μου και με τη μοναδική τους αγάπη και την έμπρακτη συμπαράστασή τους βοηθήσανε με τον τρόπο τους έτσι ώστε να πετύχω τους στόχους που είχα θέσει στη ζωή μου. Παντσιαρίδης Θεόδωρος

5 Τηλέφωνο Εικόνα 1: Alexander Graham Bell To τηλέφωνο είναι μία συσκευή συνδιάλεξης η οποία μεταφέρει τον ήχο μέσω ηλεκτρικών σημάτων. Συγκεκριμένα πρόκειται για συσκευή που μετασχηματίζει τις ηλεκτρικές ταλαντώσεις σε ηχητικές. Η συσκευή αυτή αποτελείται από πομπό και δέκτη και συνδέεται με καλώδιο με το τηλεφωνικό κέντρο. Ο πομπός έχει μέσα σ' ένα σωλήνα μια μετάλλινη πλάκα μπροστά σε ηλεκτρομαγνήτη. Μόλις ακουστεί η φωνή μας επάνω στην πλάκα, αυτή αρχίζει να κάνει παλμικές κινήσεις ισχυρές ή αδύνατες, ανάλογα με την ένταση της φωνής μας, που επηρεάζουν τον ηλεκτρομαγνήτη. Με τη βοήθεια του ηλεκτρικού ρεύματος, τα ηχητικά κύματα περνούν από το καλώδιο και φτάνουν στο δέκτη που έχει κι αυτός έναν ηλεκτρομαγνήτη μ' ένα διάφραγμα μπροστά του. Το διάφραγμα του δέκτη με τη σειρά του αρχίζει να έχει παλμικές κινήσεις από τα ηχητικά κύματα του πομπού που μεταδίδει ο ηλεκτρομαγνήτης. Μ' αυτόν τον τρόπο η ανθρώπινη ομιλία ξανακούγεται στο ακουστικό με την αναπαραγωγή των ήχων. Ο πομπός και ο δέκτης ενός τηλεφώνου είναι τοποθετημένοι σ' ένα όργανο που λέγεται ακουσηκό.

6 Ιστορική εξέλιξη του τηλεφώνου Στις σι'ιγχρονες κοινωνίες είναι κοινώς αποδεκτό το γεγονός ότι οι τηλεπικοινωνίες έχουν γίνει αναπόσπαστο κομμάτι της καθημερινότητας του κάθε ανθρώπου. Σε αυτό συμβάλουν κυρίως οι τεχνολογικές εξελίξεις που έχουν σημειωθεί τις τελευταίες δεκαετίες. Μέσα σε αυτές βρίσκονται το τηλέφωνο, η τηλεόραση και ο ηλεκτρονικός υπολογιστής ' συσκευές που επιτρέπουν την πληροφόρηση και την ανταλλαγή δεδομένων μέσα σε ελάχιστο χρονικό διάστημα ανεξάρτητα από την απόσταση. Παρ' όλα αυτά, η ανάγκη του ανθρώπου για επικοινωνία είχε δημιουργηθεί πολύ πριν από την εφεύρεση αυτών των καινοτόμων συσκευών. Από τα προϊστορικά χρόνια μέχρι και τον Μεσαίωνα είχαν επικρατήσει δύο βασικά είδη τηλεπικοινωνιών: η οπτική τηλεπικοινωνία και η ακουστική. Η οπτική τηλετηκοινωνία ξεκίνησε από τη στιγμή που ανακαλύφθηκε η φωτιά. Οι άνθρωποι επινόησαν διάφορους κώδικες και με τη βοήθεια σημάτων καπνού, ττυρσών ή ακόμα και πολύχρωμων σημαιών (μεταγενέστερα) μπορούσαν να επικοινωνούν από μακρινές αποστάσεις. Η αρχαιότερη, όμως, μορφή τηλεπικοινωνίας είναι η ηχητική. Πρώτος την χρησιμοποίησε ο προϊστορικός άνθρωπος και περιοριζόταν σε ηχητικά σήματα που προέρχονταν από διάφορα είδη τυμπάνων. Στη συνέχεια αυτά αντικαταστάθηκαν με διάφορα άλλα όργανα (κόρνες, τρομπέτες) και χρησιμοποιούνταν ευρέως για στρατιωτικούς σκοπούς μέχρι την εμφάνιση πιο αποτελεσματικών μέσων. Στα πλαίσια των παραπάνω τάσεων αρκετές εφευρέσεις παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Οι πιο χαρακτηριστικές από αυτές είναι εκείνες των αρχαίων Ελλήνων. Οι αρχαίοι Έλληνες είχαν καταφέρει να αναπτύξουν ένα πρωτότυπο σύστημα τηλεπικοινωνιών που βασιζόταν τόσο στο οπτικό όσο και στο - 6 -

7 ηχητικό τηλεπικοινωνιακό πρότυπο. Εφευρέσεις όπως το ακουστικό κέρας, ο οπτικός τηλέγραφος (ή ττυρσεία), ο υδραυλικός τηλέγραφος και το σύστημα των φρυκτωριών έπαιξαν σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη των τηλεπικοινωνιών. Πολλοί, λοιπόν, ήταν εκείνοι που στα ύστερα χρόνια τις βελτίωσαν ή έκαναν εφευρέσεις βασισμένες πάνω σε αυτές. Αρκετά χρόνια αργότερα, με την βιομηχανική επανάσταση η ανάγκη για ένα γρήγορο και αξιόπιστο μέσο ετηκοινωνίας είχε γίνει πλέον επιτακτική. Έτσι δεν άργησε να εμφανιστεί ο σπουδαιότερος πρόδρομος του τηλεφώνου, ο τηλέγραφος. Η ιδέα του τηλεγράφου αν και προέρχεται, όπως είδαμε προηγουμένως, από τα αρχαία χρόνια υλοποιήθηκε το 1774 από τον Ελβετό George Luis που κατασκεύασε μια πρώιμη μορφή τηλεγράφου, αργότερα εμφανίστηκαν οι τηλέγραφοι του Semmering (1810), του Ampere και των Cooke και Wheaton. Ο Αμερικανός, όμως, Samuel Morse ( ) το 1837 παρουσίασε τον τηλέγραφό του που είχε την δυνατότητα να μεταδίδει μηνύματα σε πολύ μακρινές αποστάσεις γρήγορα και χωρίς μεγάλο κόστος. Το πρώτο μήνυμα από αυτόν τον τηλέγραφο στάλθηκε το 1844 από την Ουάσιγκτον στην Βαλτιμόρη. Καθώς, λοιπόν, οι παραπάνω εφευρέσεις τελειοποιήθηκαν και οι δυνατότητές τους χρησιμοποιήθηκαν στο έπακρο δημιουργήθηκε η ανάγκη κατασκευής μιας συσκευής που θα μπορούσε να μεταφέρει ήχους και πάνω από όλα την ανθρώπινη ομιλία. Πολλοί, λοιπόν, ήταν εκείνοι που προσπάθησαν να κατασκευάσουν ένα μηχάνημα που θα μπορούσε να μεταβιβάσει τον ήχο διαμέσου του ηλεκτρισμού. Αυτό το κατάφερε ο Αμερικανός φυσικός Αλεξάντερ Γκράχαμ Μπελ το 1876 (Εικόνα 1). Η αρχή λειτουργίας της μηχανής του Γκράχαμ Μπελ ήταν πολύ απλή σε σύγκριση με τις σημερινές πολύπλοκες μηχανές. Η συσκευή που χρησιμοποιήθηκε περιελάμβανε μια ελαστική μεμβράνη από σίδηρο, η οποία βρισκόταν μπροστά από σιδηρομαγνητικό πυρήνα, περιτυλιγμένο

8 με μονωμένο αγωγό. Μια γραμμή από δυο καλώδια συνέδεε τη συσκευή αυτή με μια άλλη παρόμοια. Και οι δυο συσκευές χρησιμοποιήθηκαν ως δέκτες και ως πομποί. Στη συσκευή του Μπελ η φωνή έπεφτε πάνω στη μεμβράνη και την έκανε να πάλλεται. Από αυτή την κίνηση της μεμβράνης δημιουργούνταν επαγωγικά κύματα τα οποία μεταφέρονταν διαμέσου καλωδίου στον άλλο μαγνήτη όπου βρισκόταν ο άλλος ομιλητής. Εδώ σχηματίζονταν και πάλι επαγωγικά ρεύματα που κινούσαν τη μεμβράνη. Έτσι ακουγόταν η φωνή από τον άλλο ομιλητή. Η συσκευή αυτή χρησίμευε μόνο για ομιλίες σε κοντινή απόσταση. Μετά την εφεύρεση όμως του μικροφώνου από τον Αμερικανό Χίγκες το 1877, το τηλέφωνο άρχισε να εξελίσσεται και να χρησιμοποιείται για τη σύνδεση μακρινών αποστάσεων. Το μικρόφωνο αυτό περιλάμβανε μικρή ράβδο από άνθρακα η οποία περιβαλλόταν από δυο στρώματα άνθρακα. Στην αρχή μικρόφωνο και ακουστικό ήταν τοποθετημένα μαζί. Το τηλέφωνο πέρασε διάφορες εξελίξεις για να φτάσει στη σημερινή του μορφή. Η σημασία του τηλεφώνου Η συσκευή αυτή είναι μία από τις πιο σημαντικές για τον άνθρωπο. Με την ανακάλυψή της ο τρόπος με τον οποίο εξελισσόταν η ανθρώπινη ιστορία άλλαξε άρδην. Πριν την εφεύρεση του τηλεφώνου, τα μέσα που υπήρχαν (για παράδειγμα τα διάφορα ήδη τηλεγράφου) δεν ήταν επαρκή για την επικοινωνία μεταξύ των ανθρώπων. Το τηλέφωνο ήταν η συσκευή που επέτρεψε την άμεση και ταχύτατη επικοινωνία. Με αυτόν τον τρόπο έγινε δυνατή η ενημέρωση για οποιοδήποτε γεγονός από κάθε άκρη του κόσμου μέσα σε λίγα λεπτά.

9 Οι πρόδρομοι του τηλεφώνου Στις σύγχρονες κοινωνίες είναι κοινώς αποδεκτό το γεγονός ότι οι τηλεπικοινωνίες έχουν γίνει αναπόσπαστο κομμάτι της καθημερινότητας του κάθε ανθρώπου. Σε αυτό συμβάλλουν κυρίως οι τεχνολογικές εξελίξεις που έχουν σημειωθεί τις τελευταίες δεκαετίες. Μέσα σε αυτές βρίσκονται το τηλέφωνο, η τηλεόραση και ο ηλεκτρονικός υπολογιστής, συσκευές που επιτρέπουν την πληροφόρηση και την ανταλλαγή δεδομένων μέσα σε ελάχιστο χρονικό διάστημα ανεξάρτητα από την απόσταση. Παρ' όλα αυτά, η ανάγκη του ανθρώπου για επικοινωνία είχε δημιουργηθεί πολύ πριν από την εφεύρεση αυτών των καινοτόμων συσκευών. Η εφεύρεση ο Bell γεννήθηκε στις 3 Μαρτίου του 1847, στο Εδιμβούργο της Σκωτίας και σπούδασε στα πανεπιστήμια του Εδιμβούργου και του Λονδίνου. Μετακινήθηκε στον Καναδά το 1870 και στις Ηνωμένες Πολιτείες το 1871 όπου άρχισε να διδάσκει σε κωφάλαλους το σύστημα ορατής (οπτικής) ομιλίας. Το σύστημα αυτό που αναπτύχθηκε από το πατέρα του, Alexander Melville Bell, δείχνει πώς τα χείλη, η γλώσσα, και ο λαιμός χρησιμοποιούνται στην άρθρωση του λόγου. Το 1872 το Bell ίδρυσε ένα σχολείο για τους κωφαλάλους στη Βοστόνη της Μασαχουσέτης. Το σχολείο έγινε στη συνέχεια μέρος του πανεπιστημίου της Βοστόνης, όπου ο Bell διορίστηκε καθηγητής της φωνητικής φυσιολογίας. Έγινε αμερικάνος πολίτης το Από την ηλικία των 18 ο Bell εργαζόταν πάνω στην ιδέα της διαβίβασης της ομιλίας. Το 1874, ενώ δούλευε σε ένα είδος τηλεγράφου, ανέπτυξε τις βασικές ιδέες του για το τηλέφωνο. Το καλοκαίρι του 1875 ο Bell κάνοντας πειράματα μαζί με το βοηθό του Thomas Watson παρατήρησε

10 ότι ένα έλασμα από ατσάλι όταν δονείτο από διάφορους ήχους επηρέαζε το ρεύμα ενός ηλεκτρομαγνήτη. Παρατήρησε ακόμη ότι σε κάποιο άλλο σημείο ένας άλλος ηλεκτρομαγνήτης επηρεαζόταν από αυτές τις αλλαγές του ρεύματος και με τη σειρά του έκανε ένα άλλο έλασμα να πάλλεται. Τα πειράματά του αυτά αποδείχθηκαν τελικά ετητυχή στις 10 Μαρτίου του 1876, όταν διαβιβάστηκε η πρώτη πλήρης πρόταση μέσω του τηλεφώνου: "Watson, έλα εδώ, σε θέλω Οι επόμενες επιδείξεις, ιδιαίτερα μια το 1876 στη Φιλαδέλφεια της Πενσυλβανία, εισήγαγαν το τηλέφωνο στον κόσμο και οδήγησαν στην οργάνωση της τηλεφωνικής επιχείρησης του Bell το Άλλοι εφευρέτες προσπάθησαν ετήσης να δημιουργήσουν μία συσκευή επικοινωνίας. Ειδικά ο Antonio Meutsi, ο οποίος εφηύρε μια ακουστική συσκευή στις αρχές του 1870 και ο Elisha Gray που υπέβαλε μία αίτηση ευρεσιτεχνίας με τη κατασκευή του τηλεφώνου λίγες ώρες μετά τον Bell στο Σικάγο. Το 1880 η Γαλλία απονέμει στο Bell το βραβείο Volta, το οποίο συνοδευόταν από χρηματικό έπαθλο φράγκων, για την εφεύρεσή του. Με αυτά τα χρήματα ίδρυσε το εργαστήριο Volta στην Ουάσιγκτον, όπου τον ίδιο χρόνο οι συνεργάτες του και εκείνος εφηύραν το φωτόφωνο (photophone), το οποίο διαβιβάζε την ομιλία μέσω ακτίνων φωτός. Ο Bell ήταν ένας από τους ιδρυτές της National Geographic Society και υπηρέτησε ως πρόεδρός της από το 1896 έως το Ίδρυσε ετήιτης το περιοδικό Science το Μετά από το 1895 τα ενδιαφέροντα του Bell στράφηκαν στην αεροναυτική στα πλαίσια της οποίας μαζί με τους συνεργάτες του δημιούργησε μερικές ενδιαφέρουσες εφευρέσεις. Ο Bell συνέχισε αργότερα τις μελέτες του πάνω στις αιτίες και στην κληρονομικότητα της κώφωσης. Πέθανε στις 2 Αυγούστου του 1922, στο Baddeck του Καναδά όπου

11 σήμερα υπάρχει ένα μουσείο που είναι αφιερωμένο στο έργο και στη ζωή του. Το μαγνητικό τηλέφωνο του Bell και η εξέλιξη του τηλεφώνου Το 1854 ο Γάλλος εφευρέτης Charles Bourseul σκέφτηκε ότι οι δονήσεις που προκαλούνται από την ομιλία σε έναν εύκαμπτο δίσκο ή ένα διάφραγμα θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να συνδέσουν και να αποσυνδέσουν ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, παράγοντας με αυτόν τον τρόπο παρόμοιες δονήσεις σε ένα διάφραγμα που βρίσκεται σε μια άλλη θέση, όπου ο αρχικός ήχος θα αναπαραγόταν. Μερικά έτη αργότερα, ο Γερμανός φυσικός Johann Philip Reis εφηύρε ένα όργανο που διαβίβαζε τους μουσικούς τόνους αλλά που δε μπορούσε να αναπαραγάγει την ομιλία. Μια μορφή ακουστικής συσκευής επικοινωνίας αναπτύχθηκε γύρω στα 1870 από τον ιταλοαμερικάνο Antonio Meucci. To 1876, ανακαλύπτοντας ότι μόνο ένα σταθερό ηλεκτρικό ρεύμα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να διαβιβάσει την ομιλία, ο αμερικανικός εφευρέτης Alexander Graham Bell παρήγαγε το πρώτο τηλέφωνο ικανό και την ανθρώπινη ομιλία με την ποιότητα και τη χροιά της. Τη βασική μονάδα της εφεύρεσης του Bell αποτελούσαν μια συσκευή αποστολής σημάτων (πομπός), μια συσκευή λήψης σημάτων (δέκτης) και ένα ενιαίο καλώδιο που τις συνέδεε. Ο πομπός και ο δέκτης ήταν ίδιοι, κάθε ένας περιείχε ένα εύκαμπτο μεταλλικό διάφραγμα και ένα πεταλοειδή μαγνήτη με μια σπείρα καλωδίων. Τα ηχητικά κύματα χτυπούσαν το διάφραγμα αναγκάζοντάς το να δονηθεί στο πεδίο του μαγνήτη. Αυτή η δόνηση παρήγαγε ηλεκτρικό ρεύμα στη σπείρα των καλωδίων. Το ρεύμα ταξίδευε μέσω των καλωδίων σε έναν άλλο δέκτη, ο οποίος μετέφερε τις αλλαγές αυτές στη δύναμη του μαγνητικού πεδίου με

12 αποτέλεσμα να προκαλεί τη δόνηση του διαφράγματος και έχοντας ως σκοπό την αναπαραγωγή του αρχικού ήχου. Στο ακουστικό του σύγχρονου τηλεφώνου ο πεταλοειδής μαγνήτης έχει αντικατασταθεί από έναν επίπεδο μαγνήτη και το μαγνητικό πεδίο που ενεργεί στο διάφραγμα έχει γίνει εντονότερο και ομοιόμορφο. Η σύγχρονη συσκευή αποστολής σημάτων - πομπός αποτελείται ένα λεπτό διάφραγμα που τοποθετείται πίσω από μια διατρυπημένη σχάρα. Στο κέντρο του διαφράγματος υπάρχει ένας μικρός θόλος που διαμορφώνει μια περίφραξη που περιέχει κόκκους άνθρακα. Τα ηχητικά κύματα που περνούν μέσω της σχάρας αναγκάζουν το θόλο να κινείται μέσα και έξω. Όταν το διάφραγμα τηέζει προς τα μέσα το θόλο, οι κόκκοι συμπυκνώνονται, δημιουργώντας μια αύξηση στη ροή του ρεύματος. Τα μέρη ενός τηλεφωνικού συνόλου Ένα βασικό τηλεφωνικό σύνολο περιέχει μια συσκευή αποστολής σημάτων (πομπός - transmitter), έναν δέκτη (receiver), έναν πίνακα με πλήκτρα (dial), ένα κουδούνι (ringer) και ένα δίκτυο καλωδίων (antisidetone network). Στα ενιαία τηλεφωνικά σύνολα, η συσκευή αποστολής σημάτων και ο δέκτης τοποθετούνται στο ακουστικό, το κουδούνι είναι χαρακτηριστικά στη βάση και τα πλήκτρα και το δίκτυο καλωδίων μπορεί να είναι είτε στη βάση είτε στο ακουστικό αλλά βρίσκονται συνήθως και στα δύο. Τα πολυπλοκότερα τηλέφωνα έχουν ένα μικρόφωνο και ένα μεγάφωνο στη βάση εκτός από τη συσκευή αποστολής σημάτων και έναν δέκτη στο ακουστικό (τηλεφωνικές συσκευές με δυνατότητα ανοιχτής ακρόασης). Σε ένα ασύρματο τηλέφωνο το καλώδιο του ακουστικού αντικαθίσταται από μια ράδιο σύνδεση μεταξύ του ακουστικού και της βάσης, αλλά ένα τηλεφωνικό καλώδιο χρησιμοποιείται ακόμα. Ένα κυψελοειδές τηλέφωνο (cellular phone) περιέχει ένα πομπό και ένα δέκτη εξαιρετικά μικρού μεγέθους

13 Για τη λειτουργία του δεν απαιτείται κανένα απολύτως καλώδιο, δηλαδή είναι μια φορητή και αυτόνομη συσκευή. Παρακάτω βλέπουμε ένα σχηματικό διάγραμμχχ ενός τηλεφώνου (Εικόνα 2). Εικόνα 2 Τυπικό σχηματικό διάγραμμα ενός κοινού τηλεφώνου Είδη τηλεφωνικών συνδέσεων Η επικοινωνία μεταξύ ανθρώπων που βρίσκονται στην ίδια πόλη γίνεται με τα αστικά τηλεφωνικά κέντρα. Αυτά διακρίνονται σε χειροκίνητα, ημιαυτόματα και αυτόματα. Εκτός όμως από τα αστικά τηλεφωνικά κέντρα υπάρχουν και τα υπεραστικά τηλεφωνικά κέντρα διαμέσου των οποίων ο συνδρομητής μπορεί να μιλήσει με τις άλλες πόλεις ακόμα και με άλλες χώρες του κόσμου. Μέχρι σήμερα η υπεραστική τηλεφωνική σύνδεση γινόταν με ασύρματο. Τα τελευταία όμως χρόνια άρχισαν να χρησιμοποιούνται και άλλοι τρόποι σύνδεσης όπως, καλώδια χαλκού, οπτικές ίνες και δορυφόροι με - 13-

14 την συνδυασμένη χρήση ηλεκτρονικών μηχανών. Μ' αυτόν τον τρόπο η σύνδεση με άλλες πόλεις και χώρες γίνεται αυτόματα χωρίς τη μεσολάβηση του κέντρου. Λέγοντας τηλέφωνο, εννοούμε συνήθως την σταθερή τηλεφωνία. Εκτός από αυτή, τα τελευταία χρόνια, η τηλεφωνική επικοινωνία, έχει επεκταθεί στην κινητή τηλεφωνία και στην επικοινωνία μέσω Διαδικτύου. Τηλεφωνικά κέντρα Στα χειροκίνητα τηλεφωνικά κέντρα ο συνδρομητής για να καλέσει το κέντρο στρέφει μια μαγνητοηλεκτρική μηχανή που έχει το τηλέφωνό του. Στο κέντρο ανάβει ένα λαμπάκι. Η τηλεφωνήτρια ρωτάει τον συνδρομητή με ποιον αριθμό θέλει να μιλήσει. Μετά συνδέει τους δυο ομιλητές. Σήμερα τα χειροκίνητα τηλεφωνικά κέντρα χρησιμοποιούνται σε αραιοκατοικημένες περιοχές. Στα ημιαυτόματα τηλεφωνικά κέντρα ο συνδρομητής συνδέεται με το κέντρο αμέσως μόλις σηκώσει το ακουστικό. Στη συνέχεια η σύνδεσή με τον αριθμό που ζητάει γίνεται όπως και στα χειροκίνητα κέντρα. Τα ημιαυτόματα κέντρα χρησιμοποιούνται σε περιοχές που θα εγκατασταθούν αυτόματα κέντρα. Τα αυτόματα τέλος τηλεφωνικά κέντρα είναι η πιο εξελιγμένη μορφή που χρησιμοποιείται σήμερα σ' όλο τον κόσμο. Ο συνδρομητής, χωρίς να έχει καμιά επαφή με το κέντρο, μπορεί να μιλήσει απευθείας με τον αριθμό που ζητάει, αρκεί να σχηματίσει τον αριθμό αυτό πάνω στο δίσκο που έχει η συσκευή του.

15 Παρακάτω βλέπουμε ένα από τα πρώτα τηλεφοονικά κέντρα (Εικόνα 3) και μια σύνδεση καλωδίων σε ένα σημερινό τηλεφωνικό κέντρο (Εικόνα 4). Εικόνα 3: Ένα από τα πρώτα τηλεφωνικά κέντρα Εικόνα 4: Σύνδεση καλωδίων σε ένα τηλεφωνικό κέντρο Σήμερα τα τηλεφωνικά κέντρα είναι (3) ειδών: Αναλογικά (POTS). Η επικοινωνία γίνεται μέσω ειδικού δικτύου τηλεφωνίας. Δεν έχουν Εναλλακτικούς Φορείς. Λεν έχουν δωρεάν τηλεφωνία.

16 ψηφιακά ISDN. Η επικοινωνία γίνεται όπως στα αναλογικά αλλό μετατρέπεται η φωνή σε δεδομένα, αποστέλλεται μέσω του δικτύου τηλεφωνίας και μετατρέπεται και πάλι σε φωνή. Η τηλεφωνία μπορεί να μην είναι δωρεάν επειδή δεν είναι εφικτή η ανακατεύθυνση μέσω των Εναλλακτικών Φορέων. Έχει μεγάλο κόστος και τηθανό να έχει κόστος αναβάθμισης. Ψηφιακά VoIP. Ψηφιακά κέντρα όπου η φωνή ταξιδεύει σε μορφή δεδομένων μέσω δικτύων υπολογιστών και του Διαδικτύου. Η επικοινωνία με αυτό τον τρόπο είναι υποχρεωτικό να μεταφέρεται μέσα από ειδικές τηλεφωνικές γραμμές που έχουν περιορισμούς ταχύτητας και χρειάζονται ειδικές εγκαταστάσεις.

17 DTMF (Double Tone Multiple Frequency) To DTMF είναι ένα βασικό σύστημα σηματοδοσίας, που αρχικά αναπτύχθηκε για τη μετάδοση απλών εντολών από τηλεφωνικές συσκευές προς τα τηλεφωνικά δίκτυα. Πρόκειται για τους χαρακτηριστικούς ήχους που «δημιουργούνται» με τη πίεση των πλήκτρων 0 έως 9, * και # σε οποιοδήποτε σταθερό τηλέφωνο, κατά τη διάρκεια της τηλεφωνικής κλήσης. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν μεταξύ άλλων, για την κλήση ενός αριθμού, αλλά και την πρόσβαση σε αυτόματα συστήματα τεχνικής υποστήριξης, τηλεφωνητές, τηλεχειρισμοί κ.α. Όλα τα δημόσια τηλεφωνικά δίκτυα, αλλά και οι κινητές και σταθερές συσκευές (τερματικά) υποχρεούνται να υποστηρίζουν τη χρήση τόνων DTMF για διατερματική σηματοδοσία σε όλο το δίκτυο. Χαρακτηριστικό των τόνων DTMF είναι ότι μπορούν να γίνουν αντιληπτοί, ακόμη και υπό τις πιο αντίξοες συνθήκες και φυσικά κατά τη διάρκεια των τηλεφωνικών κλήσεων. Κάθε «τόνος», δηλαδή κάθε ήχος που ακούγεται με τη πίεση ενός πλήκτρου κάποιας τηλεφωνικής συσκευής, αποτελείται από δύο διαφορετικές συχνότητες (υψηλή και χαμηλή), ώστε να εξαλειφθούν τα λάθη κατά τη σηματοδοσία. Αυτοί οι τόνοι αποκωδικοποιούνται έπειτα από το κέντρο μετατροπής για να καθορίσουν ποιο πλήκτρο πιέστηκε. Οι συχνότητες που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία των τόνων με το πάτημα κάθε πλήκτρου, παρουσιάζονται αναλυτικά στον πίνακα που παρατίθεται (Εικόνα 5).

18 Υψηλή Ομάδα Σι^2[οτ^των(Ηζ^ 1209! Χαμηλή Ομάδα Συχνοτήτων (Ηζ) Εικόνα 5: Πίνακας DTMF 3x4 Ιστορία Στο διάστημα που προηγείται της ανάπτυξης του DTMF, τα τηλεφωνικά συστήματα χρησιμοποίησαν ένα σύστημα που λεγόταν συνήθως παλμικά («Dial Pulse» ή DP στις ΗΠΑ) ή σηματοδότηση βρόγχου αποσύνδεσης (Loop Disconnect) για κλήση των αριθμών, για τη λειτουργία της οποίας εκτελούνται γρήγορες συνδέσεις και αποσυνδέσεις της τηλεφωνικής γραμμής του καλούντος, παρόμοια με το να αναβοσβήνουμε γρήγορα ένα φως. Οι επαναλαμβανόμενες συνδέσεις και οι αποσυνδέσεις, ακούγεται σαν μια σειρά από κλικ. Το τηλεφωνικό κέντρο μετρά τα κλικ ή τους παλμούς κλήσης για να καθορίσει αυτό που λέγεται αριθμός. Με όλα αυτά υπήρχε δυνατότητα κλήσεων τηα σε μεγαλύτερες αποστάσεις που απαιτείται είτε τηλεφωνητής είτε παροχή εξοπλισμού στον συνδρομητή. Το σύστημα κλήσεων DTMF έχει τις ρίζες του σε μια τεχνική που αναπτύχθηκε από τα εργαστήρια Bell στη δεκαετία του '50 αποκαλούμενη Multiple Frequency (πολυσυχνοτικό) που επεκτάθηκε μέσα στο τηλεφωνικό δίκτυο της AT&T στις άμεσες κλήσεις μεταξύ των τηλεφωνικών κέντρων χρησιμοποιώντας σηματοδότηση in-band (δηλαδή με σήματα που βρίσκονται μέσα στο εύρος συχνοτήτων του κυρίου σήματος που μεταδιδόταν, δηλαδή της φωνής). Στις αρχές της δεκαετίας του 1960, προσφέρθηκε από την AT&T μέσω των εταιρειών συστημάτων τηλεφωνίας Bell ως «σύγχρονος» τρόπος πραγματοποίησης κλήσεων από τους χρήστες. Στο δελτίο συμβατότητας με αριθμό 105, η AT&T

19 περιέγραψε το προϊόν ως «μέθοδο σηματοδότησης με πάτημα κουμπιού που κάνει το σήμα από τους σταθμούς πελατών να χρησιμοποιεί την ίδια διαδρομή με την μετάδοση φωνής.» Το καταναλωτικό προϊόν διατέθηκε στην αγορά από την AT & Τ με το κατοχυρωμένο εμπορικό σήμα touch-tone. Οι άλλοι πωλητές του συμβατού τηλεφωνικού εξοπλισμού αποκαλούσαν το ίδιο σύστημα «Tone» dialing ή «DTMF,» ή χρησιμοποίησαν τα καταχωρημένα εμπορικά σήματά τους όπως το «Digitone» της (γνωστή σήμερα ως δίκτυα Nortel). Northern Electric Συχνότητες τόνου DTMF Οι συχνότητες του τόνου, όπως καθορίζονται από το ακριβές σχέδιο τόνου, επιλέγονται έτσι ώστε οι αρμονικές και τα παράγωγα της ενδοδιαμόρφωσης να μην προκαλέσουν αναξιόπιστο σήμα. Καμία συχνότητα δεν είναι ένα πολλαπλάσια της άλλης, η διαφορά μεταξύ των οποιωνδήποτε δύο συχνοτήτων δεν είναι ίση με οποιεσδήποτε από τις συχνότητες, και το άθροισμα οποιωνδήποτε δύο συχνοτήτων δεν είναι ίσο με οποιεσδήποτε από τις συχνότητες. Οι συχνότητες σχεδιάστηκαν αρχικά με μια αναλογία του 21/19, η οποία είναι ελαφρώς μικρότερη από έναν ολόκληρο τόνο. Οι συχνότητες δεν μπορούν να διαφέρουν περισσότερο από ±1.8% από την ονομαστική τους συχνότητα, ειδάλλως το κέντρο μετατροπής θα αγνοήσει το σήμα. Οι υψηλές συχνότητες μπορούν να είναι ίδιας έντασης ή δυνατότερες με τις χαμηλές συχνότητες όταν στέλνονται σε ολόκληρη τη γραμμή. Η ηχητική διαφορά μεταξύ των υψηλών και χαμηλών συχνοτήτων μπορεί να είναι έως 3 decibels (db). Η ελάχιστη διάρκεια του τόνου πρέπει να είναι 70 msec τουλάχιστον, αν και σε μερικές χώρες και σε εφαρμογές με δέκτη DTMF πρέπει να είναι σε θέση να ανιχνεύσουν σωστά τους τόνους DTMF γρηγορότερα από 45ms.

20 Περιγραφή συσκευών και εξαρτημάτων που χρησιμοποιήθηκαν AVR Butterfly Η AVR Butterfly (Εικόνα 6) είναι μια πλακέτα ετήδειξης ανεξάρτητα τροφοδοτούμενη από μπαταρία η οποία τρέχει με έναν μικροεπεξεργαστή AVR ATmega 169PV. Η πλακέτα περιλαμβάνει μια οθόνη υγρών κρυστάλλων (LCD), joystick, πιεζοηλεκτρικό μεγάφωνο, σειριακή θύρα, ένα ρολόι πραγματικού χρόνου (RTC), εσωτερική μνήμη flash και αισθητήρες θερμοκρασίας και τάσης. Ο AVR Butterfly I Μ Μ Μ Εικόνα 6: AVR Butterfly Η AVR Butterfly έχει προεγκατεστημένο λογισμικό με το οποίο ο χρήστης μπορεί να ανακαλύψει πολλές από τις δυνατότητες των μικροεπεξεργαστών της σειράς AVR. Μετακινώντας το joystick μπορούμε να εμφανίσουμε το όνομά μας, να δούμε ης τιμές που

21 καταγράφουν τα αισθητήρια (θερμοκρασία και τάση) και την ώρα. Επίσης διαθέτει ένα πιεζοηλεκτρικό μεγάφωνο το οποίο μπορεί να αναπαράγει ήχους και μουσική. Όπως είπαμε και παραπάνω, η AVR Butterfly πωλείται με προεγκατεστημένο το πρόγραμμα επίδειξης και εμείς μπορούμε να αλλάξουμε κάποιους παραμέτρους με το joystick και με την σειριακή θύρα RS232. Το λογισμικό που τρέχει στην πλακέτα μπορεί να γραφτεί είτε σε assembly ATMEL AVR ή σε γλώσσα προγραμματισμού C. Όλη αυτή η διαδικασία μπορεί να γίνει με τη βοήθεια του προγράμματος Studio 4 που μπορούμε να το κατεβάσουμε ελεύθερα από το website της ATMEL και να το εγκαταστήσουμε στον υπολογιστή μας. Η πλακέτα χρησιμοποιεί τις θύρες ISP και JTAG για τον προγραμματισμό της και για τον εντοπισμό λαθών μέσα στο πρόγραμμα. Μπορούμε να δούμε όλες τις διαθέσιμες θύρες και όλα τα υλικά που χρησιμοποιεί η AVR Butterfly στις παρακάτω εικόνες, Εικόνα 7 και Εικόνα 8. Εττίσης βλέπουμε αναλυτικά το Block διάγραμμα της πλακέτας (Εικόνα 9).

22 Χρησιμοποιήσαμε την πλακέτα αυτή για εξοικείωση με την οικογένεια μικροεπεξεργαστών της ATMEL. Ακόμη έπρεπε να δούμε τις δυνατότητές του ούτως ώστε να αναπτύξουμε την εφαρμογή που εμείς θέλουμε φτιάχνοντας μια κατασκευή από την αρχή με δικά μας υλικά, οθόνη και κώδικα που θα ήταν κοντά στις δικές μας απαιτήσεις. Εικόνα 8: Πίσω όψη

23 UART USI ISP Εικόνα 9: Block διάγραμμα της πλακέτας AVR Butterfly

24 AYR Studio 4 Γ ια να δουλέψουμε με έναν μικροεπεξεργαστή Atmel AVR χρησιμοποιώντας τη γλώσσα προγραμματισμού C είναι απαραίτητα τα παρακάτω δύο εργαλεία: Το AFJ? Studio και το WinAVR. Και τα δυο εργαλεία είναι δωρεάν. Το AVR Studio είναι ένα ολοκληρωμένο πρόγραμμα το οποίο περιλαμβάνει έναν επεξεργαστή κειμένου, τον assembler, μια εφαρμογή με την οποία μπορούμε να κατεβάζουμε δυαδικά αρχεία σε μορφή intel.hex (HEX) και μια εφαρμογή εξομοίωσης. Το αρχείο εγκατάστασης του AVR Studio και οι διάφορες εκδόσεις βρίσκονται διαθέσιμα στο: card.asp?tool id=2725 Αφού εγκαταστήσουμε το πρόγραμμα ξεκινάμε να δημιουργήσουμε ένα καινούριο project. Ανοίγοντας το πρόγραμμα επιλέγουμε Project New Project και εμφανίζεται η παρακάτω εικόνα (Εικόνα 10). Στη συνέχεια στο μενού Project t\pe πρέπει να επιλέξουμε AVR GCC, να ονομάσουμε το αρχείο και να καθορίσουμε τη θέση αποθήκευσης. Όταν είμαστε έτοιμοι πατάμε το Finish για να πάμε στο επόμενο στάδιο. Εικόνα 10: Είδος και ονομασία του project Cancel

25 Στη συνέχεια εμφανίζεται το παρακάτω παράθυρο (Εικόνα 11). Αυτό μας καλεί να ετπλέξουμε πως θα γίνεται το debugging και τη συσκευή που θα χρησιμοποιήσουμε. Στην περίπτωσή μας επιλέγουμε AVR Simulator και συσκευή τον επεξεργαστή που δουλέψαμε δηλαδή τον ATmegal69PV για το Butterfly και ATmega 128 για τη δική μας πλακέτα. Αφού δηλώσουμε όλα τα παραπάνω πατάμε Finish. AVR Diogon Simularw AVR >nubtotv2 (ptsvba') ICE200 ICE40 ICE5D icice JTAGICE mkll ATmega12Bl ATmegjIEI ATraega162 ATr»eoa163 ATr»ega1G4P ATraegalEG ATraegaieSP ATrafoaiee ATmcgoieeP ATraegaieS I Rriih I Cancel Εικόνα 11: Επιλογή συσκευής και Debugging Μετά από όλα αυτά εμφανίζεται (Εικόνα 12) το περιβάλλον που θα δουλέψουμε τον κώδικα, θα ελέγξουμε για τυχόν λάθη και θα κάνουμε δοκιμές.

26 Εικόνα 12: Περιβάλλον επεξεργασίας του προγράμματος Αριστερά φαίνεται ο κενός φάκελος του project που δημιουργήσαμε κατά το άνοιγμα του προγράμματος. Δεξιά φαίνεται μια κενή σελίδα όπου θα γράψουμε και θα επεξεργαστούμε τον κώδικά μας με τη γλώσσα C. Στο κάτω μέρος εμφανίζεται ένα παράθυρο που μας δείχνει όλα τα σχόλια και τα λάθη που κάναμε κατά την λειτουργία του προγράμματος. Αφού γράψουμε τον κώδικα πατάμε στο μενού Project Save Project. Με αυτόν τον τρόπο αποθηκεύουμε το πρόγραμμα που γράψαμε μέσα στο φάκελο που δημιουργήσαμε στην αρχή κατά το άνοιγμα του προγράμματος. Τα αρχεία των project στο AVR Studio χρησιμοποιούν την επέκταση.aps. Στη συνέχεια αφού έχουμε γράψει το κώδικα κάνουμε Compiling για την μετατροπή του κώδικα από C σε μορφή HEX. Πατάμε στο μενού Build Rebuild All για να κάνουμε compile (Εικόνα 13). Εάν δεν εμφανιστεί κάποιο μήνυμα λάθους το αρχείο μας πλέον έχει την κατάληξη hex που σημαίνει ότι το αρχείο περιέχει τον κώδικα σε τέτοια μορφή που είναι κατάλληλη να κατεβεί στον μικροεπεξεργαστή ATmegal69PV ή ATmegal28.

27 Μετά από τα παραπάνω και αφού έχουν γίνει όλα σωστά πηγαίνουμε στο μενού Tools Program AVR Connect ανοίγει ένα παράθυρο διαλόγου και επιλέγουμε ποιον programmer θα χρησιμοποιήσουμε. Στην περίπτωσή μας επιλέγουμε τον AVR Dragon. Στην συνέχεια επιλέγουμε Connect και ξεκινάει η επικοινωνία. Εάν είναι σωστή η επικοινωνία και εντοπιστεί ο AVR Dragon τότε ανοίγει ένα παράθυρο στο οποίο καλούμαστε να επιλέξουμε στο πρώτο μενού (main) ποια συσκευή χρησιμοποιούμε (ATmegal28) και το Programming Mode (JTAG mode). Στο δεύτερο μενού (Program), στο τμήμα που αναφέρεται στη μνήμη Flash επιλέγουμε Input HEX File. Μετά πατάμε Άνοιγμα, βρίσκουμε που έχουμε αποθηκεύσει το αρχείο μας σε μορφή HEX π.χ. C:\Documents and Settings\Administrator\Ta έγγραφά μoυ\avr_projects\ω_ _2300\default\led_001_sim.hex. Στο τέλος πατάμε Program και στο κάτω μέρος μας δείχνει ότι το πρόγραμμα έχει κατέβει στην συσκευή (ATmegal28) κανονικά.

28 AYR Dragon Εικόνα 14: Μπροστινή και πίσω όψη του AVR Dragon Με το AVR Dragon (Εικόνα 14) η Atmel έχει θέσει νέα στάνταρ στα εργαλεία χαμηλού κόστους. Το AVR Dragon υποστηρίζει όλους τους τρόπους προγραμματισμού για την οικογένεια συσκευών της Atmel. Προσφέρει επίσης πλήρη υποστήριξη εξομοίωσης για συσκευές με μνήμη Flash 32kB ή και λιγότερη. Συμβατά Πρωτόκολλα Θύρες Προγραμματισμού * Ιη System Programming ( ISP )

29 * High Voltage Serial Programming ( HVSP ) * Parallel Programming ( PP ) * JTAG Programming ( JTAG Prog) Θύρες Εξομοίωσης: (διαθέσιμο μόνο για συσκευές με μνήμη Flash 32kB ή λιγότερο) * JTAG (JTAG) * debug WIRE ( dw ) To AVR Dragon τροφοδοτείται από ένα καλώδιο USB. Επίσης μπορεί να τροφοδοτηθεί από εξωτερική πηγή με ένταση μεγαλύτερη από 500mA κατά τον προγραμματισμό ή κατά το debugging. Το AVR Dragon υποστηρίζεται πλήρως από το AVR Studio. Αυτό επιτρέπει στο firmware του Dragon να ενημερώνεται αυτόματα οποτεδήποτε ενημερώνεται η έκδοση του AVR Studio για υποστήριξη νέων συσκευών και πρωτόκολλων. Απαιτήσεις συστήματος Οι ελάχιστες απαιτήσεις σε hardware και σε software είναι: 1. Επεξεργαστής Pentium (Κατά προτίμηση Pentium II ή καλύτερος) 2. Αειτουργικό Windows 98, Windows ME, Windows 2000, Windows XP, Windows 7 ή Vista. 3. Μνήμη RAM 64 MB. 4. AVR Studio 4.12 με Service Pack 3

30 5. Θύρα USB, για σύνδεση με τον υπολογιστή και για τροφοδοσία με ρεύμα μικρότερο των 500mA. 6. Σύνδεση στο Internet για ενημέρωση του προγράμματος Note: Τα Windows 95 και Windows NT δεν υποστηρίζουν USB, οπότε δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν με AVR Dragon. Θύρα JTAG: Τα 10-pin της θύρας του JTAG είναι συμβατά σε λειτουργία και διάταξη με τις τυπικές απολήξεις του συνδέσμου του JTAG (Εικόνα 9). Όταν συνδέεται η θύρα JTAG του AVR Dragon σε μια εξωτερική συσκευή, μέσω μιας καλωδιοταινίας, οι στάθμες των σημάτων εξισώνονται σε στάθμες συμβατές με την τάση λειτουργίας της συσκευής προορισμού. Pin Signal lad Description TCK Output Test Clock, clock signal from AVR Dragon to target JTAG port 2 GND Grouxl 3 TOO Input Test Data Output, data signal from target JTAG port to AVR Dragon 4 VTref Input Target reference voltage VDD from target used to control level-converter 5 IM S Output Test Mode Select, mode select signd from AVR Dragon to target JTAG port 6 nsrst In/Output Open collector output from adapter to the target system reset This pin is also an input to the adapter so that the reset initiated on the target may be reported tothe AVR Dragon 7 Not connected 8 Not Connected, ntrst NC reserved for compatibility with other (Output) equipmefit (JTAG port reset) 9 TDI Output Test Data Input, data signal from AVR Dragol to target JTAG port 10 GND Groird

31 Chib, ntrst^. nsrst^ * m c JTAe HEAOER AVR Oregon qtoi ^ y ^ l y jrog qtck gno^ 3V3, nsrst, ntrst^ SNO^ ConZA ATMESA128 V^Vsiyply vrgi Εικόνα 15: Header του JTAG στον AVR Dragon και στον ATMEGA128 Τουλάχιστον έξι καλώδια είναι απαραίτητα για την επικοινωνία του AVR Dragon με μια εξωτερική συσκευή. Τα σήματα είναι: TCK, TDO, TDI, TMS, VTrefKai GND. Προαιρετικά χρησιμοποιείται το σήμα nsrst. Το σήμα ntrst δεν χρησιμοποιείται και είναι αποκλειστικά για τη συμβατότητα με άλλες συσκευές. Το nsrst χρησιμοποιείται για τον έλεγχο και την παρακολούθηση της γραμμής reset της εξωτερικής συσκευής. Παρακάτω φαίνεται η σύνδεση JTAG του AVR Dragon και μιας εξωτερικής συσκευής που θέλουμε να προγραμματίσουμε (Εικόνα 16). Εικόνα 16: Σύνδεση JTAG του AVR Dragon με τον ATmegal28 μέσω μιας καλωδιοταινίας.

32 Joint Test Action Group (JTAG) Είναι η κοινή ονομασία για αυτό που ττήρε την πιστοποίηση αργότερα ως IEEE Standard Test Access Port and Boundary-Scan Architecture. Αρχικά είχε σχεδιαστεί για τη δοκιμή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων χρησιμοποιώντας σάρωση και εξακολουθεί να χρησιμοποιείται γι αυτήν την εφαρμογή. Σήμερα το JTAG χρησιμοποιείται ευρέως για τον εντοπισμό σφαλμάτων στα ports των ολοκληρωμένων (1C). Στην ενιαία αγορά των επεξεργαστών, στην ουσία όλοι οι σύγχρονοι επεξεργαστές υποστηρίζουν το JTAG όταν έχουν πολλά pins. Τα ψηφιακά ηλεκτρονικά προϊόντα όπως κινητά τηλέφωνα ή γενικά ένα ασύρματο σημείο πρόσβασης δεν έχει διασύνδεση για εντοπισμό σφαλμάτων ή τεστ. Επισκόπηση Το JTAG ήταν μια ομάδα στην βιομηχανία που συγκροτήθηκε από τον Harry Wardrop το 1985 για να αναπτύξει μια μέθοδο για τον έλεγχο τυπωμένων κυκλωμάτων μετά την κατασκευή. Εκείνη την εποχή, οι πλακέτες πολλαπλών στρώσεων και τα ολοκληρωμένα χωρίς μόλυβδο γινόταν πρότυπο και οι συνδέσεις μεταξύ των ολοκληρωμένων δεν ήταν διαθέσιμα για ανίχνευση. Το πρότυπο της βιομηχανίας τελικά έγινε πιστοποιημένο πρότυπο IEEE το 1990 ως πρότυπο IEEE Std μετά από πολλά χρόνια από την αρχική του χρήση Την ίδια χρονιά η Intel κυκλοφόρησε τον πρώτο επεξεργαστή με JTAG, τον η οποία οδήγησε σε ταχύτερη υιοθέτηση από όλα τα εργοστάσια κατασκευής. Από το 1990, το πρότυπο αυτό έχει υιοθετηθεί από εταιρείες ηλεκτρονικών σε όλο τον κόσμο. Η σάρωση σφαλμάτων είναι κυρίως συνώνυμη πλέον με το JTAG, αλλα το

33 JTAG έχει ουσιαστικές χρήσεις πέραν των κατασκευαστικών του εφαρμογών. Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά Η θύρα JTAG, είναι ειδική θύρα που αποτελείται από 4 ή 5 pins, τα οποία έχουν προστεθεί σε ένα τσιπ, σχεδιασμένο έτσι ώστε (α) να υπάρχει πρόσβαση στις θύρες και στις λειτουργίες του ολοκληρωμένου αυτού και (β) να μπορούν και τα υπόλοιπα ολοκληρωμένα της πλακέτας που έχουν γραμμές JTAG, να συνδεθούν σε μια αλυσίδα (JTAG chain) (Εικόνα 17). Για την εκτέλεση μιας δοκιμής ελέγχου χρειάζεται οι συσκευές προγραμματισμού ή/και ελέγχου να συνδεθούν στη θύρα JTAG της αλυσίδας ώστε να έχουμε πρόσβαση σε όλα τα ολοκληρωμένα της πλακέτας. Τα pins της θύρας είναι: 1. TD1 (Test Data In) 2. TDO (Test Data Out) 3. TCK (Test Clock) 4. TMS (Test Mode Select) 5. TRST (Test Reset) optional.

34 Μικροεπεξεργαστής ATmega 128 ο ATmega 128 είναι ένας μικροεπεξεργαστής χαμηλής ισχύος και μεγάλης απόδοσης των 8bit. Έχει μνήμη Flash 128k bytes, μνήμη EEPROM 4k bytes και άλλα 4k bytes εσωτερική μνήμη SRAM. Διαθέτει 7 I/O Ports, 2 σειριακές θύρες και 2 τρόπους προγραμματισμού (JTAG και ISP). Τα Ports που χρησιμοποιούμε εμείς είναι: > Port A (ΡΑ7..ΡΑ0) που καταλήγει στο Con2B πάνω στο οποίο έχουμε συνδέσει την οθόνη LCD ΕΑ DOGM163-A. PIN Con2B LCD EA DOGM163-A 3,3V 8Bit 1 PAl D5 2 PAO D7 3 PA3 D4 4 PA2 D6 5 PAS E 6 PA4 R/W 7 PA7 N.C 8 PA6 RS 9 +3V3 D0,D1,D2,RESET,PSB,VDD,VIN 10 GND VSS, CSB > Port C (PC7..PC0) που καταλήγει στο Con4B πάνω στο οποίο συνδέσαμε την πλακέτα που αντικαθιστά το πληκτρολόγιο.

35 DARLINGTON ULN2003 GND Σειριακή θύρα από την οποία συνδέονται μόνο τα pins 2, 3 και 5 τα οποία είναι RXD, TXD και GND αντίστοιχα. Σημειώνεται πως οι αγωγοί που συνδέονται στα pins 2 και 3 πρέπει να κάνουν crossover, όπως σε κάθε σύνδεση RS232 μεταξύ DCE (Data Carrier Equipment) και DCE (Data Terminal Equipment). PIN JIB PC CABLE 1 CD N.C 2 RXD TXD 3 TXD RXD 4 DTR N.C 5 GND GND 6 DSR N.C

36 7 RTS N.C 8 CTS N.C 9 RI N.C JTAG Programming που καταλήγει στο Con2A, σχεδόν όλα τα pins συνδέονται έμμεσα ή αμεσα στον ATmegal28. PIN Con2A 1 TCK 2 GND 3 TDO 4 +3V3 5 TMS 6 nsrst 7 VSupply 8 ntrst 9 TDI 10 GND

37 Εξωτερική τροφοδοσία από τροφοδοτικό 6V/800mA (Εικόνα 18). Εικόνα 18: Εξωτερική τροφοδοσία

38 I Στις εικόνες που ακολουθούν φαίνονται τα pinout του ATmegal28 (Εικόνα 19) και η εσωτερική δομή του (Εικόνα 20). 8 Q Q ο U. S. S. < < S. S. < S. < < < 0QuJo..-c\it<5-»meKCl0o^<N πππππππππππππηππ 2 S α PENC 48 ΡΑ3 (AD3) RXD0/(PDI) ΡΕΟ C! 47 3 ΡΑ4 (AD4) (TXDCVPDO) ΡΕ1 C : 46 ΡΑ5 (AD5) (XCK0/AIN0) ΡΕ2 C - 45 D ΡΑ6 (AD6) (OC3A/AIN1) ΡΕ3 C! 44 3 ΡΑ7 (AD7) (Ο03ΒΛΝΤ4) ΡΕ4 C ι 43 DPG2(ALE) (0030ΛΝΤ5) ΡΕ5 Ε 42 DPC7(A15) (Τ3ΛΝΤ6) ΡΕ6 C 41 DPC6(A14) (ΙΟΡ3ΛΜΤη ΡΕ7 C 40 DPC5(A13) (SS)PBOC 39 DPC4(A12) (SCK) ΡΒΙ C 38 DPC3(A11) (MOSI) ΡΒ2 C 37 DPC2(A10) (MISO) ΡΒ3 C 36 D PCI (A9) (OCO) ΡΒ4 C 35 3 PCO (A8) (OCIA) ΡΒ5 C 34 DPGI(RD) (OCIB) ΡΒ6 C ^33 3 PG0(WR) ^ S S U U U U U U U U U U U U U U U U 0??7;E XXo-R'S'i='"P'c3 «gs' s r Q w CO^ ^ δ t Εικόνα 19: Διάγραμμα συνδέσεων (pinout) του ATmegal28

39 Εικόνα 20: Εσωτερική δομή του ATmegal28 Στις παρακάτω δύο εικόνες φαίνεται το σχηματικό διάγραμμα της πλακέτας (Εικόνα 21(α), Εικόνα 21(β)). Η τελική της μορφή παρουσιάζεται στην εικόνα 22. Ο σχεδιασμός του κυκλώματος (σχηματικό, PCB) έγινε από τον επιβλέποντα καθηγητή και η κατασκευή (τοποθέτηση υλικών, κολλήσεις) έγιναν από εμένα.

40

41

42 Εικόνα 23: Τελική μορφή της πλακέτας

43 Πλακέτα αντικατάστασης του πληκτρολογίου Παρακάτω θα δείξουμε πως αντικαθιστούμε ένα πληκτρολόγιο επιλογής. Αυτήν τη φορά τη δουλειά των πλήκτρων την κάνουν οι επαφές των relays. Στην εφαρμογή μας, η επιλογή αριθμού κλήσης, γίνεται με τη βοήθεια ενός προγράμματος τερματικού, όπως το Hyper Terminal των Windows. Η επικοινωνία με τον επεξεργαστή της πλακέτας μας (ATmegal28) γίνεται μέσω μιας σειριακής θύρας. Η διάταξη λειτουργεί πληκτρολογώντας στο terminal τον επιθυμητό αριθμό κλήσης και στη συνέχεια πατώντας Enter. Ο αριθμός κλήσης μπαίνει σε μια buffer. Με το πάτημα του πλήκτρου Enter ξεκινά η κλήση των ψηφίων του αριθμού. Για την επιλογή κάθε ψηφίου οπλίζονται δύο relays, εκ των οποίων το ένα βραχυκυκλώνει την επιθυμητή γραμμή (row) και το άλλο την επιθυμητή στήλη (column). Δηλαδή επιλέγουμε έναν συνδυασμό δύο συχνοτήτων, όπως θα κάναμε και με το χέρι μας αν πατούσαμε στο πληκτρολόγιο, π.χγια τον αριθμό 1 ενεργοποιούνται τα relays R1-C1. Στη συνέχεια φαίνεται το σχηματικό διάγραμμα αυτής της κατασκευής (Εικόνα 24) και η τελική μορφή της κατασκευής που αντικαθιστά το πληκτρολόγιο (Εικόνα 25).

44 Εικόνα 24: Σχηματικό διάγραμμα της πλακέτας αντικατάστασης του πληκτρολογίου Εικόνα 25: Τελική μορφή της πλακέτας

45 Στο παραπάνω σχέδιο φαίνεται ετήσης ο σύνδεσμος επικοινωνίας των relays με το PORT C του ATmegal28 ενώ ανάμεσά τους μεσολαβεί μια συστοιχία Darlington ULN2003 (Εικόνα 24) η οποία τροφοδοτείται με 6V και οδηγεί τα relays παίρνοντας σαν εισόδους τα pins του συνδέσμου Con4B (PortC). Τα ρελέ που χρησιμοποιούνται είναι της εταιρείας FEME, με μία ανοιχτή επαφή (Ν.Ο) και το πηνίο τους είναι στα 6VDC. ΙΝ OUT 2 ΙΝ 3 3 I U OUT 3 3 OUT ^ : l2 OUT 5 11 OUT G [l0 OUT 7 Q COMMON FREE ^ WHEELING 0100ES Εικόνα 26: Συστοιχία Darlington ULN2003

46 Οθόνη LCD DOGM163A Όπως αναφέραμε στο κεφάλαιο των PORT του επεξεργαστή χρησιμοποιούμε και μια οθόνη στην οποία εμφανίζεται ο αριθμός και η κατάσταση της κλήσης. Η LCD οθόνη είναι η DOOM 163 Α. Η τροφοδοσία της είναι 3V3, όπως και η έξοδος του PORTA με το οποίο συνδέεται. Επιλέξαμε να συνδέσουμε την οθόνη στα 4bit όπως φαίνεται η συνδεσμολογία στο σχηματικό διάγραμμα παρακάτω (Εικόνα 27). Η τελική μορφή της κατασκευής και τοποθέτησης της οθόνης φαίνεται στην εικόνα 28. VDO VSS CAP1N 0ΛΡ1Ρ VM νουτ E A D O G M x x x - A PS8 3, 3 V 4 B it RESET g S 8 S 8 S a 8 u l s l Εικόνα 27: Σχηματικό διάγραμμα της LCD οθόνης DOGM163A.

47 Εικόνα 28: Τελική μορφή κατασκευής και τοποθέτησης της οθόνης.

48 Προγραμματισμός του μικροελεγκτή ATmegal28 με τη γλώσσα προγραμματισμού C Ξεκινώντας με το πρόγραμμα, στην αρχή δηλώνουμε όλες τις βιβλιοθήκες που μπορεί να έχουν σχέση με την εφαρμογή που θέλουμε να έχει το πρόγραμμα. Οι βιβλιοθήκες βοηθάνε στο να γίνονται κατανοητές από το πρόγραμμα οι εντολές που δίνουμε κάθε φορά. π.χ. Η βιβλιοθήκη που περιέχει τις εντολές του μικροελεγκτή είναι η avr/io.h, για την οθόνη η Icd.h και για τη σειριακή θύρα η uart.h. Αρχίζουμε από την υπορουτίνα της οθόνης για την οποία δηλώνουμε αρχικά με ποιο PORT θα είναι συνδεδεμένη και ποια θα είναι τα datapins. Δηλαδή από ΡΑΟ μέχρι ΡΑ4 θα είναι τα αντίστοιχα D4 έως D7 pins της οθόνης. Τα pins ΡΑ5, ΡΑ6 και ΡΑ4 θα είναι αντίστοιχα τα pins enable, RS και RW στην οθόνη. Συνεχίζουμε στο κυρίως πρόγραμμα που φαίνεται από την εντολή int main (void). Στην αρχή του κυρίως προγράμματος αφού δηλώσουμε κάποιες σταθερές a,b,c που θα βοηθήσουν στις πράξεις παρακάτω, θέτουμε το PORTB και το PORTC σαν εξόδους του μικροελεγκτή. Αυτό φαίνεται από τις εντολές DDRB=0xFF και DDRC=0xFF. Στην συνέχεια καταλήγουμε στην υπορουτίνα που μας ενδιαφέρει σε ότι έχει σχέση με τις κλήσεις και τους αριθμούς. Δηλώνοντας τον πίνακα unsigned char lookup[10] βάζουμε ένα όριο στους αριθμούς που θα δεχτεί το πρόγραμμα με ανώτατο όριο τους δέκα. Δηλαδή αν εισάγουμε παραπάνω από δέκα αριθμούς το πρόγραμμα αγνοεί τους περιττούς. Στην συνέχεια φτιάχνουμε έναν πίνακα όπου κάνουμε την αντιστοιχία των αριθμών που θα εισάγουμε σε δεκαεξαδικούς που αντιστοιχούν στο συνδυασμό των relays που πρέπει να κλείσουν. Υπενθυμίζεται ότι έχουμε επτά relays και

49 για την κλήση κάθε αριθμού πρέτιει όλα τα relays να είναι απενεργοποιημένα εκτός από δύο. Αυτό φαίνεται και στον επόμενο πίνακα (το μηδέν αντιστοιχεί σε απενεργοποιημένο relay και το ένα σε ενεργοποιημένο). Μόνο έτσι μπορεί να το αναγνωρίσει το πρόγραμμα. lookup[0] = 0x14; lookup[l] = 0x22; lookup [2] = 0x12: lookup[3] = 0x82 lookup[4] ^= 0x21 lookup[5] = 0x11 lookup[6] = 0x81 lookup[7] = 0x28 lookup[8] = 0x18 lookup[9] ^= 0x88 Παρακάτω συναντάμε μια while(l) με την οποία δίνουμε εντολή ότι οι παρακάτω συνθήκες που βρίσκονται μέσα στις αγκύλες { } θα εκτελούνται καθ όλη τη διάρκεια του προγράμματος. Υπάρχουν λοιπόν οι εντολές που θέτουν τις αρχικές συντεταγμένες του κέρσορα της οθόνης και που θα γράφεται το μήνυμα Calling κατά τη διάρκεια της κλήσης. Στην συνέχεια με την εντολή if την while και την φ π η ίί λέμε στο πρόγραμμα να εμφανίζει τους αριθμούς στην οθόνη κάθε φορά αλλά όχι σε δεκαεξαδική μορφή. Στο τέλος της υπορουτίνας βάζουμε κάποια χρονοκαθυστέρηση στην ενεργοποίηση των δυο εξόδων, της πλακέτας αντικατάστασης του πληκτρολογίου και της οθόνης.

50 Περιγραφή που προγράμματος main.c #define F CPU #define BAUD 9600 tdefine BAUD TOL 2 #include <avr/io.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> tinclude <avr/interrupt.h> #include <util/delay.h> #include <util/delay_basic.h> #include <util/setbaud.h> ttinclude <util/parity.h> #include <ctype.h> #include <inttypes.h> #include <avr/pgmspace.h> #include "Icd.h" tinclude "uart.h" static void ioinit(void) { uart init (); FILE uart str = FDEV_SETUP_STREAM(uart_putchar, uart getchar, _FDEV_SETUP_RW); FILE~lcd str = FDEV_SETUP_STREAM(lcd_putchar, NULL, FDEV SETUP_WRITE);

51 #define LCD_PORT PORTA #define PIN_ENABLE PAS #define PIN_RS PA6 ttdefine PIN_RW PA4 #define CHARACTER_BUFFER_BASE_ADDRESS #define CHARACTERS PER ROW #define INSTRUCTION CLEAR_DISPLAY #define i n s t r u c t i o n FUNCTION_SET_INIT_0 #define INSTRUCTION^]f u n c t i o n _s e t_i n i t_i #define i n s t r u c t i o n ' f u n c t i o n _ s e t_ i n i t_2 #define i n s t r u c t i o n ]]lnstruction_set_0 tdefine i n s t r u c t i o n ] lnstruction_set_l #define i n s t r u c t i o n ] b i a s _ s e t #define INSTRUCTION_ P0WER_C0NTR0L ttdefine INSTRUCTION_ FOLLOWER_CONTROL #define INSTRUCTION_ CONTRAST_SET #define INSTRUCTION_ DISPLAY_ON #define INSTRUCTION ENTRY MODE OblOOOOOOO 16 ObOOOOOOOl ObOOllOOll ObOOllOOlO ObOOlOlOOl ObOOlOlOOO ObOOlOlOOl ObOOOlOlOl ObOlOlOlOl ObOllOlllO ObOlllOOlO ObOOOOllOO ObOOOOOllO #include <avr/io.h> ttinclude <util/delay.h> void write(char data) { char port_buffer = LCD_PORT; char nibble = (data & OxFO)» 4; LCD_PORT 1= nibble; LCD_PORT 1= (1 «PIN_ENABLE); _delay_ms(1); LCD_PORT = port_buffer; _delay_ms(1); nibble = data & OxOF; LCD_PORT 1= nibble; LCD PORT 1= (1 «PIN_ENABLE); _delay_ms(1); LCD_PORT = port_buffer;

52 v o i d w r i t e _ i n s t r u c t i o n ( c h a r i n s t r u c t i o n ) LCD_PORT &= ~(1 «PIN_RS) write(instruction); void write_data(char data) LCD_PORT 1= (1 «PIN_RS); write(data); void set_cursor(char row, char column) { write_instruction(character_buffer_base_address + row * CHARACTERS_PER_ROW + column); } void write_string(char* string) { while (*string) { write_data(*string); *string++; void write_string2(char* string) { while (*string) { if ( *string >= 0x30 ) { write_data(*string); } *string++;

53 v o i d i n i t i a l i z e _ d i s p l a y ( ) { _delay_ms(50); write write write instruction(instruction_function_set_init 0); nstruction(instruction_function_set~init~l); instruction(instruction_function_set_init_2); write_instruction (INSTRUCTION BIAS_SET) ; write_instruction (i n s t r u c t i o n POWER_CONTROL); write_instruction (i n s t r u c t i o n _FOLLOWER_CONTROL); write_instruction (i n s t r u c t i o n _CONTRAST_SET) ; write_instruction (i n s t r u c t i o n ' lnstruction_set_0) ; write_instruction (i n s t r u c t i o n ' display_on) ; write_instruction (i n s t r u c t i o n CLEAR_DISPLAY) ; write instruction (INSTRUCTION ENTRY_MODE); int main(void) { unsigned char a,b; unsigned int c; C l i o ; DDRB = Oxff; PORTB = 0x00; DDRC = Oxff; PORTC = 0x00; a=0; b=0; c=0; DORA = OxFF; LCD PORT &= ~(1 «PIN_RW); //my addition

54 i n i t i a l i z e _ d i s p l a y ( ) ; set_cursor(ο, 0); write_string(" Hello World! "); set_cursor (1,0); write_string("code written by:"); set_cursor (2,0); write_string(" Andy uint8_t i; char bbb [20], buf[20], s[20]; unsigned char k,l,lh,ll; ioinit(); stdout = stdin = &uart_str; stderr = &lcd str;

55 unsigned char lookup[10]; lookup[0] = 0x14; lookup[1] = 0x22; lookup[2] = 0x12; lookup[3] = 0x82; lookup[4] = 0x21; lookup[5] = 0x11; lookup[6] = 0x81; lookup[7] = 0x28; lookup[8] = 0x18; lookup[9] = 0x88; while (1) { fgets(buf, sizeof buf - 1, stdin); if ( buf[0]!= NULL ) { write_instruction(instruction_clear_display); set_cursor(0,0); write_string("calling"); set_cursor(1,0); write_string2(buf); set_cursor(2,0); } i=0; while ( buf[i]!= NULL ) { if ((buf[i]>=0x30) && (buf[i]<=0x39)) *bbb = buf[i]; *(bbb+l) = 0; write_string2(bbb);

56 k = buf[i] & OxOf; 1 = lookup[k]; lh=l&0xf0; lh=lh»4; lh=lh+0x30; ll=l&0x0f; 11=11+0x30; fprintf (&uart_str, fprintf(&uart_str, fprintf (&uart_str, fprintf(&uart_str, fprintf(&uart_str, PORTC = 1; _delay_ms(500); PORTC = 0x00; _delay_ms(500); "Ox"); "%c",(0x30+k)); ", Ox"); "%c%c", Ih, 11) "\n\r"); set_cursor(2,0); write_string("finished return (0); }