ΜΔΣΡΖΖ ΣΑΥΤΣΖΣΑ ΑΝΔΜΟΤ ΚΑΗ ΑΠΔΗΚΟΝΗΖ ΜΔ ΜΗΚΡΟΔΛΔΓΚΣΖ

Transcript

1 ΣΔΥΝΟΛΟΓΗΚΟ ΔΚΠΑΗΓΔΤΣΗΚΟ ΗΓΡΤΜΑ ΚΑΒΑΛΑ ΥΟΛΖ ΣΔΥΝΟΛΟΓΗΚΧΝ ΔΦΑΡΜΟΓΧΝ ΣΜΖΜΑ ΖΛΔΚΣΡΟΛΟΓΗΑ ΜΔΣΡΖΖ ΣΑΥΤΣΖΣΑ ΑΝΔΜΟΤ ΚΑΗ ΑΠΔΗΚΟΝΗΖ ΜΔ ΜΗΚΡΟΔΛΔΓΚΣΖ ΠΣΤΥΗΑΚΖ ΔΡΓΑΗΑ ΒΑΙΛΔΙΟ ΔΤΑΓΓΔΛΟΤ ΓΗΜΗΣΡΙΟ ΚΔΥΑΓΙΑ Δπηβιέπσλ : ΑΝΓΡΔΑ ΟΪΛΔΜΔ Δγθξίζεθε απφ ηελ ηξηκειή εμεηαζηηθή επηηξνπή ηελ 12 ε Ννεκβξίνπ Αλδξέαο ντιεκέο Καθηγητής Ε.Μ.Π ΚΑΒΑΛΑ,Ννέκβξηνο

2 Τπεύθςνη Γήλυζη : Βεβαηψλνπκε φηη είκαζηε ζπγγξαθείο απηήο ηεο πηπρηαθήο εξγαζίαο θαη φηη θάζε βνήζεηα ηελ νπνία είρακε γηα ηελ πξνεηνηκαζία ηεο, είλαη πιήξσο αλαγλσξηζκέλε θαη αλαθέξεηαη ζηελ πηπρηαθή εξγαζία. Δπίζεο έρνπκε αλαθέξεη ηηο φπνηεο πεγέο απφ ηηο νπνίεο θάλακε ρξήζε δεδνκέλσλ, ηδεψλ ή ιέμεσλ, είηε απηέο αλαθέξνληαη αθξηβψο είηε παξαθξαζκέλεο. Δπίζεο βεβαηψλνπκε φηη απηή ε πηπρηαθή εξγαζία πξνεηνηκάζηεθε απφ εκάο πξνζσπηθά, εηδηθά γηα ηηο απαηηήζεηο ηνπ πξνγξάκκαηνο ζπνπδψλ ηνπ Σκήκαηνο Ηιεθηξνινγίαο ηνπ Σ.Δ.Ι. Καβάιαο. 2

3 Πεπίλητη Ο θιάδνο ησλ κηθξνυπνινγηζηψλ παξνπζηάδεη ζεκαληηθή αλάπηπμε θαη έρεη απεξηφξηζηεο εθαξκνγέο. Σν ζέκα ηεο πηπρηαθήο εξγαζίαο είλαη ε κέηξεζε ηεο ηαρχηεηαο ηνπ αλέκνπ θαη ηελ απεηθφληζε απηήο κε κηθξνειεγθηή. ηα πιαίζηα ηεο εξγαζίαο επειέγε ν κηθξνειεγθηήο ATmega128Α ηεο Atmel. ηε ζπλέρεηα θαηαζθεπάζηεθε πξσηφηππν θχθισκα, αλαπηχρζεθε ινγηζκηθφ ζε γιψζζα πξνγξακκαηηζκνχ C θαη κεηά απφ βειηηζηνπνηήζεηο θαηαζθεπάζηεθε ε ηειηθή πιαθέηα. Λέξειρ κλειδιά Μηθξνυπνινγηζηήο, κηθξνειεγθηήο, AVR, Atmel, ATmega128. 3

4 Δςσαπιζηίερ Θα ζέιακε λα επραξηζηήζνπκε ηνλ Καζεγεηή ηνπ Σ.Δ.Ι. Καβάιαο θ.ντιεκε Αλδξέα γηα ηελ θαζνδήγεζε πνπ καο παξείρε θαη ηελ ακέξηζηε θαη έκπξαθηε ζπκπαξάζηαζή ηνπ ζηα πξνβιήκαηα πνπ αληηκεησπίζακε. Με ηελ ζεηξά ζα ζέιακε λα επραξηζηήζνπκε φινπο ηνπο θίινπο πνπ καο ππνζηήξημαλ ςπρνινγηθά θαη βξέζεθαλ ζχκκαρνη ζε φιε απηή ηελ πξνζπάζεηα. Σέινο ζα ζέιακε λα επραξηζηήζνπκε ηδηαίηεξα ηνπο αγαπεκέλνπο καο γνλείο πνπ ζε φιεο ηηο ζηηγκέο ηεο δσήο καο είλαη δίπια καο θαη κε ηε κνλαδηθή ηνπο αγάπε θαη ηελ έκπξαθηε ζπκπαξάζηαζή ηνπο καο βνεζάλε έηζη ψζηε λα πεηχρνπκε ηνπο ζηφρνπο πνπ έρνπκε ζέζεη ζηε δσή καο. Κεσαγιάρ Γημήηπιορ Δςαγγέλος Βαζίλειορ 4

5 Πίνακαρ Πεπιεσομένυν Κεθάλαιο Κεθάλαιο 2 Ση είλαη ν άλεκνο Κιίκαθα Beaufort Σν αλεκφκεηξν θαη ηα είδε ηνπ Κεθάλαιο Καηαζθεπή αλεκνκέηξνπ Κεθάλαιο Κεθάλαιο Κεθάλαιο Η αθξίβεηα Resolution (Αλάιπζε) Τζηέξεζε Οξνινγία Αηζζεηεξίσλ Έλλνηεο θαη ζχγρπζε Γεληθά γηα ηε Υξεζηκφηεηα ησλ Μηθξνειεγθηψλ Ο κηθξνειεγθηήο θαη ηα κέξε ηνπ Η Αξρηηεθηνληθή ησλ Μηθξνειεγθηψλ Οη Μηθξνειεγθηέο ηεο Atmel Ο Μηθξνειεγθηήο ΑΣmega128A Κεληξηθή Μνλάδα Δπεμεξγαζίαο (CPU) Μλήκεο χζηεκα Υξνληζκνχ Θχξεο Δηζφδνπ-Δμφδνπ Μεηαηξνπέαο αλαινγηθνχ ζήκαηνο ζε ςεθηαθφ Γεληθά Υαξαθηεξηζηηθά AVR Butterfly Demo Kit AVR Dragon Βαζηθέο Πιεξνθνξίεο

6 Δμσηεξηθή Πεξηγξαθή ηνπ Dragon χλδεζε ζηνλ H/Y Ιζηνξία ηνπ JTAG Πεξηθεξεηαθή άξσζε Απνζθαικάησζε Οζφλε LCD (Display) Κεθάλαιο Κεθάλαιο Παπάπηημα Γεληθά Υαξαθηεξηζηηθά Σν AVR Studio 4 To WinAVR Λίγα ιφγηα γηα ηελ πιαθέηα Λίγα ιφγηα γηα ην πξφγξακκα Γηάγξακκα Ρνήο Κψδηθαο ρεκαηηθφ

7 ΚΔΦΑΛΑΗΟ Σί είναι ο άνεμορ Μπζνινγηθά ν Αίνινο ήηαλ ν ζεφο ησλ αλέκσλ,ν νπνίνο θξαηνχζε ηνπο αλέκνπο κέζα ζε αζθνχο θαη ηνπο άθελε κε εληνιή ηνπ Γία. Δικόνα 1.1: Αίνινο,ν ζεφο ησλ αλέκσλ. Δπηζηεκνληθά φκσο νη αέξηεο κάδεο ηηο αηκφζθαηξαο πνπ πεξηβάιινπλ ηελ Γε βξίζθνληαη ζε ζπλερή «νξηδφληηα» θαη «θάζεηε» θίλεζε. Όηαλ ε θίλεζε γίλεηαη αηζζεηή ζηνλ νξηδφληην άμνλα ηφηε νλνκάδνπκε ηελ θίλεζε,άλεκν ελψ φηαλ ηελ αηζζαλφκαζηε ζην θάζεην αλαθέξεηαη σο ξεχκα. Πξσηαξρηθή αηηία γέλεζεο ηνπ αλέκνπ είλαη ε δηαθνξά ζεξκνθξαζίαο ηνπ αέξνο πνπ κε ηε ζεηξά ηεο δεκηνπξγεί δηαθνξέο βαξνκεηξηθήο πίεζεο κεηαμχ παξαθείκελσλ ηφπσλ. Γειαδή αλ δπν ζπλερφκελεο πεξηνρέο δελ έρνπλ ηελ ίδηα ζεξκνθξαζία ηφηε ε αηκνζθαηξηθή πίεζε ηεο ςπρξφηεξεο ζα είλαη κεγαιχηεξε, κε απνηέιεζκα λα θηλεζεί αέξηα κάδα απφ ηελ ςπρξφηεξε ζηελ ζεξκφηεξε πεξηνρή. Σα ζηνηρεία ηνπ αλέκνπ ζεσξνχληαη ε δηεχζπλζε θαη ε έληαζή ηνπ. 7

8 Ζ δηεχζπλζε ηνπ αλέκνπ ραξαθηεξίδεηαη απφ ην ζεκείν ηνπ νξίδνληα, απ φπνπ πλέεη ν άλεκνο θαη φρη πξνο ηα πνπ πλέεη ν άλεκνο. Δθθξάδεηαη ζε κνίξεο αιιά θαη κε ζχκβνια αλεκνινγίνπ. Δπίζεο θαη κε πνιιά άιια νλφκαηα ραξαθηεξίδνληαη νη άλεκνη κε ηα ραξαθηεξηζηηθά ηνπο, ηνλ ηφπν, ηελ έληαζε θαη ηε δηεχζπλζε ηνπο. Ζ έληαζε ηνπ αλέκνπ εθθξάδεηαη είηε κε ηε πίεζε ηελ νπνία αζθεί ζηελ επηθάλεηα ησλ δηαθφξσλ ζσκάησλ, είηε κε ηελ ηαρχηεηα πνπ θηλείηαη. ηελ Μεηεσξνινγία ε έληαζε ηνπ αλέκνπ εθθξάδεηαη ζπλήζσο κε ηελ ηαρχηεηά ηνπ, νπφηε δίλεηαη ζε κέηξα/δεπηεξφιεπην, ή ζε ρηιηφκεηξα/ψξα, ζε κίιηα/ψξα είηε θαη ζε θφκβνπο. 1.2 Κλίμακα Beaufort Ζ θιίκαθα Μπνθφξ είλαη έλαο εκπεξηθφο ηξφπνο κέηξεζεο ηεο έληαζεο ησλ αλέκσλ πνπ βαζίδεηαη ζηελ παξαηήξεζε ησλ απνηειεζκάησλ ηνπ αλέκνπ ζηελ ζηεξηά ή ζηε ζάιαζζα. Ηζηνξηθά,ε θιίκαθα δεκηνπξγήζεθε ην 1806 απφ ηνλ Ναχαξρν Φξάλζηο Μπνθφξ πξνθεηκέλνπ λα ηππνπνηεζεί ε πεξηγξαθή ησλ θαηξηθψλ ζπλζεθψλ θαη λα δηεπθνιπλζεί ε ζπλλελφεζε ησλ λαπηηιινκέλσλ. 8

9 Δπηλνήζεθε κηα απιή θιίκαθα δεθαηξηψλ βαζκψλ (0-12) κε βάζε ηα απνηειέζκαηα ηνπ αλέκνπ ζηα παληά ελφο πινίνπ. Με ηελ έιεπζε ηεο αηκνθίλεζεο γχξσ ζην 1906, ε θιίκαθα ηξνπνπνηήζεθε έηζη ψζηε λα πεξηγξάθεη ηα απνηειέζκαηα ζηελ ζάιαζζα θαη φρη ζηα παληά. Αξγφηεξα επεθηάζεθε κέρξη θαη ην 17 (0-17) ψζηε λα κπνξεί λα πεξηγξάθεη θαη ηξνπηθνχο ηπθψλεο. Οη βαζκνί ηεο θιίκαθαο Μπνθφξ ζπζρεηίδνληαη κε ηελ ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ φπσο απηή κεηξηέηαη απφ έλα αλεκφκεηξν κε ηνπο εκπεηξηθνχο ηχπνπο: u [m/s] =0.836*B 3/2 u [km/h] =3.01*B 3/2 B= [ ] 1.3 Σο ανεμόμεηπο και ηα είδη ηος 9

10 Αλεκνκεηξηθά φξγαλα νλνκάδνληαη ηα φξγαλα εθείλα κε ηα νπνία πξνζδηνξίδεηαη θαη θαηαγξάθεηαη ε ηαρχηεηα θαη ε δηεχζπλζε ηνπ πλένληνο αλέκνπ ή ηνπ θαηλνκέλνπ αλέκνπ.σέηνηα φξγαλα είλαη ηα αλεκφκεηξα θαη νη αλεκνδείθηεο αληίζηνηρα.πλήζσο ηα φξγαλα απηά ζπλδπάδνληαη ζε έλα ζπγθξφηεκα.έηζη πνιιέο θνξέο ε αλαθνξά ζε αλεκφκεηξα ελλννχληαη ζπγρξφλσο θαη νη αλεκνδείθηεο.τπάξρνπλ πνιινί ηχπνη αλεκνκεηξηθψλ νξγάλσλ, είηε άκεζεο αλάγλσζεο, είηε απηνγξαθηθά.σν αλεκνκέηξν είλαη ε ζπζθεπή κέηξεζεο ηεο ηαρχηεηαο ηνπ αλέκνπ θαη είλαη έλα θνηλφ κέζν ζηνπο κεηεσξνινγηθνχο ζηαζκνχο.σα αλεκφκεηξα ρσξίδνληαη ζε δχν θαηεγνξίεο:ζε απηά πνπ κεηξνχλ ηελ ηαρχηεηα ηνπ αλέκνπ θαη ζε απηά πνπ κεηξνχλ ηελ πίεζε ηνπ αλέκνπ.έρνληαο σο δεδνκέλν ηελ πνιχ ζηελή ζρέζε αλακέζα ζηελ ηαρχηεηα θαη ζηελ πίεζε ηνπ αλέκνπ,έλα αλεκφκεηξν ζρεδηάδεηαη γηα λα δίλεη πιεξνθνξίεο ζρεηηθά θαη κε ηα δχν.αο δνχκε φια ηα είδε θαη ησλ δχν θαηεγνξηψλ. Ανεμόμεηπα Σασύηηηαρ Αλεκφκεηξν Κππέιινπ (Cup Anemometer) Αλεκφκεηξν Windmill Αλεκφκεηξν Εεζηνχ χξκαηνο Laser Doppler Anemometer Αλεκφκεηξν Sonic Ping-Pong Ball Anemometer Ανεμόμεηπα Πίεζηρ Αλεκφκεηξν Πηάην Αλεκέκεηξν σιήλα Δικόνα 1.2: Γηάθνξα Δίδε Αλεκνκέηξσλ 10

11 ΚΔΦΑΛΑΗΟ Καηαζκεςή Ανεμομέηπος Ζ αξρηθή ηεο θαηαζθεπήο ήηαλ λα θηηάμνπκε έλα δηθφ καο αλεκφκεηξν θππέιισλ (cup anemometer). Ξεθηλψληαο ηελ θαηαζθεπή θαη θαηα ηελ αλαδήηεζε ησλ θαηάιιεισλ πιηθψλ θαη πιεξνθνξηψλ έρνληαο σο γλψκνλα ηελ άςνγε θαηαζθεπή βξεζήθακε κπξνζηά ζε έλα ραιαζκέλν αλεκφκεηξν, ην νπνίν ηειηθψο επηδηνξζψζεθε θαη ρξεζηκνπνηήζεθε. Δικόνα 2.1: Σν δηθφ καο αλεκφκεηξν. 11

12 Απνθφςακε ην παιηφ θχθισκα θαη ρξεζηκνπνηήζακε κφλν ηηο επαθέο ψζηε λα παίξλνπκε θάπνηνπο παικνχο αλα πεξηζηξνθή ηνπ έιηθα καο. Δικόνα 2.2: Παιηά πιαθέηα αλεκνκέηξνπ. πγθεθξηκέλα ιακβάλνπκε 4 παικνχο αλα πεξηζηξνθή θάηη ην νπνίν ζα καο βνεζήζεη ζηνπο ππνινγηζκνχο παξαθάησ. Απνθαζίζακε λα ρξεζηκνπνηήζνπκε ηνλ κεηαηξνπέα απφ αλαινγηθφ ζε ςεθηαθφ πνπ δηαζέηεη ν κηθξνειεγθηήο καο. Έηζη ρξεηάζηεθε λα πινπνηήζνπκε ην παξαθάησ θχθισκα πνπ ρξεζηκνπνηεί ην LM2917 γηα ηελ κεηαηξνπή ησλ παικψλ (ζπρλφηεηα) ζε ηάζε. 12

13 Σν LM2917 είλαη έλαο κεηαηξνπέαο πνπ κεηαηξέπεη ηελ ζπρλφηεηα ζε ηάζε θαη ζρεδηάζηεθε γηα λα ρεηξίδεηαη ειεθηξνλφκνπο, ιάκπεο ή νπνηαδήπνηε άιιν θνξηίν φηαλ ε ζπρλφηεηα ζηελ είδνδν ηνπ αγγίμεη ή ππεξβεί κηα επηιεγκέλε ηηκή. Σν ηαρφκεηξν απηφ ρξεζηκνπνηεί ηελ ηερληθή charge pump πνπ έρεη σο απνηέιεζκα λα δηπιαζηάδεη ηελ ζπρλφηεηα γηα κηθξνχο παικνχο, έρεη νινθιεξσηηθή πξνζηαζία ζηελ είζνδν θαη ε έμνδνο ηνπ θηλείηαη θνληά ζην 0 φηαλ ε είζνδνο ηνπ είλαη κεδεληθή. Ο ζπγθξηηήο πνπ δηαζέηεη ην νινθιεξσκέλν είλαη πιήξσο ζπκβαηφο κε ην ηαρχκεηξν θαη έρεη ζπλδεδεκέλν ζηελ έμνδν ηνπ έλα ηξαλδίζηνξ. χκθσλα κε ην data sheet, ν ηχπνο πνπ δίλεη ηελ ηάζε εμφδνπ ζπλαξηήζεη ηεο ζπρλφηεηαο εηζφδνπ είλαη: V out =f in *V cc *R 1 *C 1 13

14 Σέινο κε ηε βνήζεηα κηαο δηφδνπ Zener πνπ δηαζέηεη ην LM2917 θαη πνπ ελψλεηαη εζσηεξηθά παξάιιεια κε ηελ ηάζε ηξνθνδνζίαο (βι. ζρήκα). 14

15 ΚΔΦΑΛΑΗΟ Η ακπίβεια Ζ αθξίβεηα είλαη ίζσο ε βαζηθφηεξε ζηαηηθή παξάκεηξνο, γηαηί θαζνξίδεη ην επί ηνηο εθαηφ ζθάικα. ηελ πξαγκαηηθφηεηα ε αθξίβεηα θαζνξίδεηαη ζαλ πνζνζηφ ζθάικαηνο. θάικα είλαη ε δηαθνξά κεηαμχ ηεο αιεζνχο (ζσζηήο) ηηκήο ηεο εμφδνπ απφ ηνλ κεηαηξνπέα θαη ηεο πξαγκαηηθήο ηνπ εμφδνπ πνπ κεηξάκε εκείο. Ζ αθξίβεηα ινηπφλ εθθξάδεηαη ζαλ πνζνζηηαίν ζθάικα. Ζ εξψηεζε πνπ πξνθχπηεη είλαη: πνζνζηφ ηνπ ηη; 15

16 Τπάξρνπλ ηξεηο δηαθνξεηηθέο απαληήζεηο. Ζ αθξίβεηα κπνξεί λα εθθξαζηεί ζαλ πνζνζηφ ηεο εμφδνπ πιήξνπο θιίκαθαο (% FSO), ζαλ πνζνζηφ ηεο αλαγλψζηκεο ηηκήο ή θαη ζε απφιπηεο ηηκέο ηεο εηζφδνπ. 3.2 Resolution (Γιακπιηικόηηηα ή ανάλςζη) Ο φξνο Resolution Γηαθξηηηθφηεηα ή αλάιπζε, είλαη ε κηθξφηεξε αιιαγή πνπ κπνξεί λα δηαθξίλεη ε είζνδνο ελφο κεηαηξνπέα ή ελφο αηζζεηήξα θαη ε νπνία κπνξεί λα δψζεη θάπνηα αληρλεχζηκε αιιαγή ζηελ έμνδφ ηνπ. Όζν κεγαιχηεξε είλαη ε δηαθξηηηθφηεηα, ηφζν κηθξφηεξν είλαη ην βήκα πνπ κπνξεί ν αηζζεηήξαο λα κεηξά. Γηα παξάδεηγκα έλαο νπηηθφο θσδηθνπνηεηήο έρεη έλα πεξηζηξεθφκελν δίζθν κε νθηψ ηξχπεο αλά 45 ε θάζε κία. Ο θσδηθνπνηεηήο απηφο έρεη θαη έλαλ νπηηθφ αηζζεηήξα πνπ είλαη πξνζαξκνζκέλνο πάλσ ζην δίζθν θαη κπνξεί λα πεξλά θσο αλά 45. Έηζη παξάγεηαη έλαο παικφο θάζε θνξά πνπ κία νπή ειεπζεξψλεη ηνλ νπηηθφ αηζζεηήξα θαη ζηε ζπλέρεηα κεηξάηαη απφ έλα αζξνηζηή παικψλ. Ζ κέηξεζε δείρλεη πφζν έρεη πεξηζηξαθεί ν άμνλαο. Παικφο παξάγεηαη κφλν θάζε 45. Ο αηζζεηήξαο ινηπφλ απηφο ιέκε φηη έρεη δηαθξηηηθφηεηα 45. Τπάξρνπλ βηνκεραληθνί ηχπνη ηέηνησλ αηζζεηήξσλ γηα ηε κέηξεζε ηαρχηεηαο αιιά θαη ζέζεο άμνλα πνπ δηαζέηνπλ κέρξη θαη 2000 παικνχο αλά πεξηζηξνθή νπφηε ε δηαθξηηηθφηεηά ηνπο είλαη 3600/2000= 0,180. Οη ππνινγηζηέο ρξεζηκνπνηνχληαη ζηνλ βηνκεραληθφ έιεγρν ζε ζπλδπαζκφ κε αλαινγηθνςεθηαθνχο (A/D) κεηαηξνπείο πνπ ραξαθηεξίδνληαη απφ έλα αξηζκφ Bits. Λέκε ινηπφλ φηη θάπνηνο A/D κεηαηξνπέαο έρεη 12 bit αλάιπζε θαη ελλννχκε φηη ε αλαινγηθή ηάζε πνπ δηαβάδεη ζηελ είζνδφ ηνπ κεηαθξάδεηαη ζηελ έμνδφ ηνπ ζε 2 12 ή 4096 δηαθνξεηηθέο ςεθηαθέο ηηκέο. Αο δνχκε θαιχηεξα έλα παξάδεηγκα πνπ καο βνήζεζε θαη εκάο λα ιχζνπκε πνιιά πξνβήκαηα ζηελ κειέηε θαη θαηαζθεπή. Έλαο αηζζεηήξαο ζεξκνθξαζίαο LM35 δίλεη 10 mvolt/ C. Ζ έμνδφο ηνπ ινηπφλ ζα είλαη 240mV ζηνπο 24 C. Θέινπκε λα ηνλ ρξεζηκνπνηήζνπκε γηα κέηξεζε ζεξκνθξαζίαο ζηελ ηεο αθξίβεηαο ηνπ, 0,4 C ζηνπο 25 C. Μπνξνχκε λα ρξεζηκνπνηήζνπκε έλα A/D κεηαηξνπέα ησλ 8 bit κε δπλαηφηεηα 5 Volt ζηελ πιήξε 16

17 θιίκαθα εηζφδνπ γηα λα δηαβάζνπκε ηε ζεξκνθξαζία θαη ζέινπκε λα έρνπκε δηαθξηηηθφηεηα αλάγλσζεο ηνπιάρηζηνλ 1 C. Ζ δηαθξηηηθφηεηα ηνπ κεηαηξνπέα A/D (8 bit) είλαη έλα κέξνο ζηα 256 (ή 2 8 ). Γηα 5 V πιήξε θιίκαθα εηζφδνπ θάζε bit αληηζηνηρεί ζε 5 Volt / 256 = 19,53 mvolt. O αηζζεηήξαο ζεξκνθξαζίαο δίλεη κφλν 10 mv /1 C κεηαβνιή ζηελ είζνδν ηνπ A/D θαη απηφο κπνξεί λα δηαθξίλεη θαη ειάρηζην 19,53mVolt. Έηζη βιέπνπκε φηη ν κεηαηξνπέαο A/D ησλ 8 bit δελ δείλεη θαιή δηαθξηηηθφηεηα (~2 C) γηα ην πξφβιεκά καο. Δπίζεο ζηε κέγηζηε ζεξκνθξαζία ησλ 100 C ζα έρνπκε έμνδν απφ ηνλ αηζζεηήξα 1Volt πνπ είλαη ιίγν κπξνζηά ζηελ δπλαηφηεηα εηζφδνπ ηνπ A/D (5Volt). Ζ ιχζε ινηπφλ είλαη λα εληζρχζνπκε ηελ έμνδν ηνπ αηζζεηήξα x5 νπφηε νη 100 C ζα αληηζηνηρνχλ ζε 5 Volt πνπ απηφ ηαηξηάδεη κε ηελ πιήξε θιίκαθα εηζφδνπ ηνπ κεηαηξνπέα. Σφηε έλαο βαζκφο κε ελίζρπζε Υ 5 ζα δίλεη ηάζε εηζφδνπ ζηνλ A/D : V in = 1 C x 10 mvolt/ C x 5 = 50 mvolt 17

18 είλαη ~ 0,4 C. Σψξα ν κεηαηξνπέαο ησλ 8 bit καο ηθαλνπνηεί δηφηη ε δηαθξηηηθφηεηά ηνπ ζα 50 mvolt /19,5 mvolt = 2,56 θαη 1/ 2,56 = 0,39 C. Δλαιιαθηηθά κπνξνχκε λα ρξεζηκνπνηήζνπκε θαη έλαλ 10 bit A/D νπφηε ε δηαθξηηηθφηεηά ηνπ ζα είλαη 1024 βήκαηα. Κάζε bit ηψξα ηνπ κεηαηξνπέα, ζα αληηζηνηρεί ζε 5Volt/1024 = 4,8828 mvolt. Απηφ γηα ηελ εθαξκνγή καο αληηζηνηρεί θαη αξρή ζε δηαθξηηηθφηεηα αλάγλσζεο ηνπ αηζζεηήξα κηθξφηεξε απφ 0,5 C. Χζηφζν ζηνπο 100 C ν αηζζεηήξαο ζα δψζεη κφλν 488,28 mvolt. 100 Υ 4,8828 =488,28 mvolt ( ~ 0,5 Volt) Θα πξέπεη ινηπφλ λα εληζρχζνπκε Υ 10 γηα λα εμαληιήζνπκε ηελ πιήξε θιίκαθα (4,88 Volt) εηζφδνπ ηνπ A/D ζηνπο 100 C. Έηζη ε έμνδνο ηνπ αηζζεηήξα θαη κε ελίζρπζε x 10 ζα είλαη : Vin = 1 C x 10 mvolt/ C x 10 = 100 mvolt/ C Αιιά Vin = 100 C x 10 mvolt / C x 10 = 10 Volt Αθνχ φκσο ν A/D δελ κπνξεί λα δερηεί ηα 10 Volt ζηελ είζνδν, είκαζηε αλαγθαζκέλνη λα ρακειψζνπκε ηελ ελίζρπζε γηα λα κπνξνχκε λα δνχκε θαη ηνπο 100 C. Έηζη ε έμνδνο ηνπ αηζζεηήξα εληζρχεηαη Υ 5 θαη ζα έρνπκε : Vin = 1 C x 10 mvolt/ C x 5 = 50 mvolt/ C Αιιά Vin = 100 C x 10 mvolt / C x 5 = 5 Volt Ο κεηαηξνπέαο ινηπφλ ησλ 10 bit καο δίλεη πνιχ θαιχηεξε δηαθξηηηθφηεηα αλάγλσζεο, ηεο ηάμεο ησλ ~ 0,1 C πνιχ θαιχηεξε απφ απηήλ πνπ επηζπκνχκε. 50 mvolt / 4,88 mvolt = 10,24 mvolt 18

19 θαη 1/ 10,24 = 0,0976 C Σεηξαπιαζηάδνληαο ινηπφλ ηα bit ηνπ A/D απφ 256 ζε 1024 ηεηξαπιαζηάζακε ηελ δηαθξηηηθφηεηα αλάγλσζεο ηνπ αηζζεηήξα απφ 0.4 C ζε 0.1 C. 3.3 Τζηέπηζη Δίλαη επίζεο κηα άιιε έλδεημε ηεο αλαπαξαγσγηθήο ηθαλφηεηαο ηεο εμφδνπ ηνπ αηζζεηήξα. Μία ζπγθεθξηκέλε ηηκή ζηελ είζνδν, φηαλ θζάλεη απμαλφκελα (δει. Απφ κηθξφηεξεο ηηκέο πξνο κεγαιχηεξεο) κπνξεί λα δίλεη δηαθνξεηηθή ηηκή ζηελ έμνδν, απφ φηαλ θζάλεη ειαηηνχκελα (δει. απφ κεγαιχηεξεο ηηκέο ζε κηθξφηεξεο) απφ ηελ πιήξε θιίκαθα. Δπηβάιιεηαη ινηπφλ ε βαζκνλφκεζε λα γίλεηαη θαη θαηά ηηο δχν θαηεπζχλζεηο, κία απμάλνληαο ην εξέζηζκα θαη κηα ειαηηψλνληαο. Ζ κεγαιχηεξε απφ ηηο ηηκέο πνπ θαηαγξάθνπκε δίλεη ηελ πζηέξεζε ζαλ πνζνζηφ ηεο πιήξνπο θιίκαθαο εμφδνπ. Ζ πζηέξεζε πξνθαιείηαη απφ έλα θπζηθφ κεραληζκφ ηνπ κεηαηξνπέα, παίξλνληαο κηα ηηκή ζαλ απνηέιεζκα ηελ ηζηνξίαο ηνπ, δειαδή ησλ εηζφδσλ πνπ έρεη ιάβεη. Ζ ηηκή ηεο πζηέξεζεο πνπ εκθαλίδεηαη εμαξηάηαη απφ ην κέγεζνο ησλ εηζφδσλ πνπ έρνπλ εθαξκνζηεί ζηνλ κεηαηξνπέα. ηε βαζκνλφκεζε πξέπεη λα ηξέμνπκε ηελ είζνδν κέρξη ηελ πιήξε θιίκαθα πξηλ λα επηζηξέςνπκε ζηελ ειάηησζε ησλ ηηκψλ εηζφδνπ. ηελ πξαγκαηηθφηεηα αλ ε είζνδνο δελ απμεζεί κέρξη ηελ πιήξε θιίκαθα, ε πζηέξεζε πνπ ππνινγίδνπκε είλαη κηθξφηεξε απφ ηελ θαλνληθή. Ζ αδξάλεηα θαη ε ηξηβή πξνθαινχλ έλα απνηέιεζκα πνπ εκθαλίδεηαη πνιχ φκνην κε ηελ πζηέξεζε. Αλ δψζνπκε ηηο ηηκέο ζε κία είζνδν κεηαηξνπέα κε ζάξσζε ρσξίο λα επηηξέπνπκε ζηελ έμνδν λα ζηαζεξνπνηείηαη πξηλ απφ θάζε λέα κεηαβνιή ηεο εηζφδνπ, ε αδξάλεηα θαη ε ηξηβή κπνξνχλ λα θάλνπλ ηεο έμνδν λα θαζπζηεξήζεη. Έηζη ε θακπχιε κεηαθνξάο ηνπ κεηαηξνπέα (είζνδνο σο πξνο έμνδν) θαίλεηαη ζαλ γξάθεκα πζηέξεζεο. Σν απνηέιεζκα είλαη ρεηξφηεξν φζν απμάλεηαη ε ηαρχηεηα ζάξσζεο ηεο εηζφδνπ. 19

20 3.4 Οπολογία Για Αιζθηηήπερ Κάπνηνη απφ ηνπο νξηζκνχο κπνξεί λα έρνπλ δηαθνξεηηθέο ζεκαζίεο ζε δηαθνξεηηθά πεδία ή θαη λα κελ εθαξκφδνληαη φινη γηα θάπνην είδνο αηζζεηήξα/ κεηαηξνπέα. πλνςίζνπκε εδψ ηνπο ηερληθνχο φξνπο θαη ηηο έλλνηεο πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη ζπρλά γηα λα πεξηγξάςνπλ ηα αηζζεηήξηα, ηνπο κεηαηξνπείο κεγεζψλ, ηα φξγαλα κέηξεζεο θαη ηελ απφθξηζή ηνπο. Αηζζεηήξαο κέηξεζεο (sensor): είλαη έλα εηδηθφ ζηνηρείν αίζζεζεο πνπ αληηδξά ζε αιιαγέο ηνπ πεξηβάιινληνο (π.ρ. αηζζεηήξην πίεζεο, ζεξκνθξαζίαο, πγξαζίαο θιπ) Μεηαηξνπέαο ελέξγεηαο (Transducer): είλαη ζπζθεπή γηα ηελ κεηαηξνπή ελέξγεηαο απφ κηα κνξθή ζε άιιε (π.ρ. κεηαηξνπή πεξηζηξνθηθήο θίλεζεο αλεκνκέηξνπ ζε ειεθηξηθνχο παικνχο, κεηαηξνπή ζεξκνθξαζίαο ζε ηάζε θιπ). ήκεξα πνιινί κεηαηξνπείο είλαη ελζσκαησκέλνη κέζα ζηνπο αηζζεηήξεο θαη ε έλλνηα έρεη ζρεδφλ ηαπηνπνηεζεί κε ηνλ αηζζεηήξα. πιιέθηεο δεδνκέλσλ (Data Logger or data processor): είλαη ζπζθεπή πνπ δέρεηαη εμφδνπο απφ δηάθνξα αηζζεηήξηα ή Transducers θαη ηα κεηαηξέπεη ζε κνξθή πνπ λα κπνξνχλ λα απνζεθεπηνχλ. ύζηεκα απόθηεζεο δεδνκέλσλ (Data Acquisition System): είλαη πιήξεο ζχζηεκα κε αηζζεηήξηα, transducers, Data Logger, κλήκε, θαηάιιειν Software θαη πηζαλφλ πνκπφ επηθνηλσλίαο. Βαζκνλόκεζε (calibration): ε έλλνηα αλαθέξεηαη ζηηο κνλάδεο πνπ βαζκνινγείηαη ε θιίκαθα εκθάληζεο ή θαηαγξαθήο ελφο νξγάλνπ. Γηα παξάδεηγκα αλ έλαο αηζζεηήξαο πνπ κεηξά ηαρχηεηα, παξάγεη κηα ειεθηξηθή έμνδν ζε κνξθή ηάζεο, ν δείθηεο ηνπ νξγάλνπ θηλείηαη αλάινγα κε ηελ ηάζε πνπ εθαξκφδεηαη ζ απηφλ, αιιά ε ζέζε ηνπ ραξαθηεξίδεηαη απφ θάπνηα ηηκή ηαρχηεηαο θαη φρη ηάζεο. Λέκε ινηπφλ φηη ην ηαρχκεηξν βαζκνλνκείηαη σο πξνο ηελ ηαρχηεηα. Αλεκνγξάθνο ή αλεκόκεηξν (Wind measuring system): είλαη ζχζηεκα πνπ πεξηιακβάλεη αηζζεηήξηα θαη Transducers, Data Logger, πξφγξακκα ζπιινγήο δεδνκέλσλ θαη ηζηφ ζηήξημεο, θαηάιιειν γηα ηε κέηξεζε ηαρχηεηαο θαη δηεχζπλζεο ηνπ αλέκνπ. 20

21 Αλεκόκεηξν (velocity sensor): είλαη αηζζεηήξαο πνπ κεηαηξέπεη ηελ πεξηζηξνθηθή θίλεζε ζε ηάζε αλάινγε ηεο ηαρχηεηαο ηνπ αλέκνπ ή θαη ζε έλα αξηζκφ παικψλ/sec. Αλεκνδείθηεο (Direction Sensor): είλαη αηζζεηήξαο πνπ κεηαηξέπεη ηελ θίλεζε ελφο αλεκνπξίνπ ζε ηάζε αλάινγε ηεο δηεχζπλζεο ηνπ αλέκνπ. θάικα (error): είλαη ε δηαθνξά αλάκεζα ζηελ κεηξνχκελε ηηκή κηαο πνζφηεηαο θαη ηελ πξαγκαηηθή ηηκή. πρλά εθθξάδεηαη θαη επί ηνηο εθαηφ νπφηε αληηπξνζσπεχεη ηελ αθξίβεηα ηνπ ζπζηήκαηνο. Αθξίβεηα νξγάλνπ (Accuracy): είλαη ν βαζκφο αμηνπηζηίαο κε ηνλ νπνίν έλα φξγαλν κπνξεί λα κεηξήζεη κηα κεηαβιεηή ζε ζχγθξηζε κε ην πξαγκαηηθφ ηεο κέγεζνο, π.ρ. +/- 0.2 m/s ζηα 10 m/s. Ζ αθξίβεηα δειαδή εθθξάδεη ην επί ηνηο εθαηφ ζθάικα σο πξνο ην εχξνο κέηξεζεο ηεο ζπζθεπήο ή ηνπ αηζζεηήξα. Γηαθξηηηθή ηθαλόηεηα ή αλάιπζε (Resolution): είλαη ε κηθξφηεξε κεηαβνιή ζην πεξηβάιινλ (ή ζηελ είζνδν ελφο κεηαηξνπέα), πνπ πξνθαιεί κηα αληρλεχζηκε κεηαβνιή ζηελ έλδεημε ελφο αηζζεηήξα ή νξγάλνπ π.ρ.+ 0.1m/sec. Όζν θαιχηεξε είλαη, ηφζν κηθξφηεξν είλαη ην βήκα πνπ κπνξεί ν αηζζεηήξαο λα κεηξά. Δπαηζζεζία (Sensitivity): είλαη ν ιφγνο ησλ ηηκψλ πιήξνπο θιίκαθαο εμφδνπ πξνο εηζφδνπ, θάησ απφ ζπγθεθξηκέλεο ζπλζήθεο θαη είλαη δηαθνξεηηθή απφ ηελ δηαθξηηηθή ηθαλφηεηα, π.ρ. 10 παικνί αλά m/s ή Volt/mm. Δπζηάζεηα (stability): είλαη ην κέηξν ηεο κεηαβνιήο ηεο εμφδνπ κηαο ζπζθεπήο,φηαλ ε είζνδνο θαη νη ζπλζήθεο παξακέλνπλ ζηαζεξά, θαηά ηε δηάξθεηα κηαο κεγάιεο ρξνληθήο πεξηφδνπ. Δύξνο (operating range) : είλαη ηα φξηα ηηκψλ εηζφδνπ πνπ κπνξεί ε ζπζθεπή λα ιεηηνπξγεί αμηφπηζηα. Δθθξάδεηαη κε ηελ κέγηζηε θαη ηελ ειάρηζηε ηηκή πνπ κπνξεί λα κεηξά. Αμηνπηζηία νξγάλνπ (Reliability): είλαη κηα κέηξεζε ηεο πηζαλφηεηαο ιεηηνπξγίαο ηνπ κέζα ζε πεξηνξηζκέλα φξηα ζθάικαηνο, γηα δεδνκέλε ρξνληθή πεξίνδν θαη θάησ απφ ζπγθεθξηκέλεο ζπλζήθεο. Δίλαη ζπγγελήο έλλνηα κε ην ρξφλν ιεηηνπξγίαο. Υξόλνο δσήο ή ιεηηνπξγίαο (operating life): είλαη ν σθέιηκνο ρξφλνο ιεηηνπξγίαο ελφο αηζζεηήξα γηα λα ιεηηνπξγεί ζηα πιαίζηα ησλ πξνδηαγξαθψλ ηνπ. Δθθξάδεηαη ζε κνλάδεο ρξφλνπ ή κε ηνλ αξηζκφ ησλ θχθισλ ιεηηνπξγίαο πνπ κπνξεί λα δηεθπεξαηψζεη επηηπρψο ( π.ρ. έλα ξειέ έρεη 108 επαλαιήςεηο κε ην νλνκαζηηθφ ηνπ θνξηίν). 21

22 Γξακκηθόηεηα (linearity): απνηειεί ην βαζκφ ζηνλ νπνίν ε γξαθηθή παξάζηαζε ηεο εμφδνπ σο πξνο ηελ είζνδν ηνπ αηζζεηήξα πξνζεγγίδεη κηα επζεία γξακκή. Ζ γξακκηθφηεηα ελφο αηζζεηήξα κπνξεί λα ππάξρεη κφλν γηα κία πεξηνρή ηηκψλ εμφδνπ(π.ρ. απφ C). Μπνξεί λα εθθξάδεηαη σο πξνο ην κέγηζην βαζκφ απφθιηζεο απφ ηελ επζεία γξακκή ζε φιν ην εχξνο ησλ ηηκψλ εηζφδνπ (πνζνζηφ επί ηνπ εχξνπο ιεηηνπξγίαο ή ηεο πιήξνπο θιίκαθάο ηνπ). Δπαλαιεςηκόηεηα νξγάλνπ (Repeatability or Reproducibility): είλαη ε πιεζηέζηεξε ζπκθσλία, κεηαμχ ελφο αξηζκνχ δηαδνρηθψλ κεηξήζεσλ ηνπ ίδηνπ κεγέζνπο, θάησ απφ ηηο ίδηεο ζπλζήθεο. Δθθξάδεηαη σο έλα +/ - % κέγηζην πνζνζηφ επί ηεο έλδεημεο, ή σο ηα φξηα αθξίβεηαο +/- θάζε έλδεημεο. Καηά άιινπο είλαη ην πφζν θαιά ε έμνδνο ελφο κεηαηξνπέα επηζηξέθεη ζε κηα δεδνκέλε ηηκή, φηαλ ε ίδηα είζνδνο εθαξκνζηεί κεξηθέο θνξέο. Πξνζνρή δελ πξέπεη λα ζπλδέεηαη κε ηελ αθξίβεηα. Τζηέξεζε (Hysteresis) : πξνθαιεί δηαθνξέο ζηελ έμνδν πνπ δίλεη έλαο αηζζεηήξαο, φηαλ ε θαηεχζπλζε κεηαβνιήο ηεο εηζφδνπ αληηζηξαθεί. Λφγσ ηεο πζηέξεζεο παξάγεηαη ζθάικα θαη επεξεάδεηαη ε αθξίβεηα ηεο ζπζθεπήο. ε κεραληθά ζπζηήκαηα πξνθαιείηαη απφ παξάγνληεο φπσο ε κεραληθή ηάζε θαη ε ηξηβή. Καζπζηέξεζε (Lag): είλαη ε θαζπζηέξεζε ηεο αιιαγήο ηεο ηηκήο εμφδνπ ελφο αηζζεηήξα σο πξνο ηελ αιιαγή ηεο εηζφδνπ ηνπ. ε ζπζηήκαηα ειέγρνπ κπνξεί λα επεξεάζεη ζεκαληηθά ηελ απφδνζε. Απόθξηζε (response): είλαη ν ρξφλνο πνπ απαηηεί κηα ζπζθεπή γηα λα ιάβεη ηελ ηειηθή ηηκή εμφδνπ ηεο γηα κηα δεδνκέλε είζνδν. Πνιιέο θνξέο εθθξάδεηαη θαη ζαλ πνζνζηφ επί ηεο ηειηθήο ηηκήο εμφδνπ. Π.ρ. ιέκε φηη ε ζπζθεπή ρξεηάδεηαη 3 sec γηα λα ιάβεη ε έμνδφο ηεο ην 95% ηεο ηειηθήο ηεο ηηκήο. Σαρύηεηα απόθξηζεο (Speed of Response): είλαη ν ρξφλνο πνπ κεζνιαβεί κεηά απφ κηα απφηνκε κεηαβνιή ζηελ είζνδν ελφο ζπζηήκαηνο, κέρξη ε έμνδνο λα ζηαζεξνπνηεζεί ή λα θζάζεη ην 90 % ηεο πιήξνπο κεηαβνιήο ηεο. ηαζεξά Υξόλνπ (Time Constant): είλαη ε ρξνληθή πεξίνδνο πνπ απαηηείηαη γηα έλα αηζζεηήξα, ψζηε λα αληαπνθξηζεί ζην 63.2 % (1-1/e) ηεο ηειηθήο ηνπ ηηκήο. ηηο κεηεσξνινγηθέο κεηξήζεηο γηα παξάδεηγκα ε έλδεημε πξνθαιείηαη απφ άιινπο πεξηβαιινληηθνχο παξάγνληεο θαη απηνί πξέπεη λα θαζνξίδνληαη. 22

23 ηαζεξά Απόζηαζεο (Distance Constant) : είλαη ην κήθνο ξεπζηνχ πνπ πξέπεη λα πεξάζεη απφ έλα αηζζεηήξην γηα λα απνθξηζεί απηφ ζην 63.2 % ηεο κεηαβνιήο ηεο ηαρχηεηαο ηνπ ξεπζηνχ. Λόγνο εμνκάιπλζεο (Damping Ratio): ρξεζηκνπνηείηαη γηα παξάδεηγκα ζηνπο αηζζεηήξεο δηεχζπλζεο αλέκνπ πνπ έρνπλ δεπηέξαο ηάμεο απφθξηζε ζην ζήκα δηέγεξζεο. Νεθξή Εώλε (Dead Band or zone) : είλαη ε πεξηνρή κέζα ζηελ νπνία κπνξεί λα κεηαβάιιεηαη ε είζνδνο ρσξίο λα πξνθαιεί κεηαβνιή ζην ζήκα εμφδνπ ηνπ νξγάλνπ, π.ρ. ζηα ζπλεζηζκέλα αηζζεηήξηα δηεχζπλζεο αλέκνπ κε θπθιηθφ πνηελζηφκεηξν έρνπκε 3 κνίξεο Dead Band. Ζ λεθξή δψλε πξνθχπηεη ζπλήζσο ιφγσ ζηαηηθήο ηξηβήο ή θαη πζηέξεζεο ζε άιια αηζζεηήξηα ή ζπζηήκαηα θαη δελ είλαη απαξαίηεην λα ππάξρεη πάληα ζε φιν ην εχξνο ελφο νξγάλνπ. Οιίζζεζε (Drift): είλαη ε θπζηθή ηάζε κηαο ζπζθεπήο ή ελφο ζπζηήκαηνο λα κεηαβάιιεη ηα ραξαθηεξηζηηθά ηνπ κε ην ρξφλν, ή ιφγσ πεξηβαιινληηθψλ κεηαβνιψλ ή αθφκα θαη γηα δηάθνξνπο άιινπο ιφγνπο. Ζ νιίζζεζε βέβαηα επεξεάδεη ηελ αθξίβεηα. Πνιχ ζπλεζηζκέλν αίηην είλαη ε αιιαγή ηεο ζεξκνθξαζίαο ηνπ πεξηβάιινληνο πνπ επεξεάδεη φια ηα ειεθηξνληθά εμαξηήκαηα θαη ηελ ηηκή ηνπο, φπσο επίζεο θαη ε γήξαλζε, ε νμείδσζε γηα άιια, ή θαη ε δηάβξσζε. Ζιεθηξηθόο Θόξπβνο (noise): νλνκάδεηαη ε παξνπζία αλεπηζχκεησλ ειεθηξηθψλ ζεκάησλ πνπ κπνξνχλ λα αιινηψζνπλ ή θαη λα απνθξχςνπλ ην ζήκα πνπ κεηαθέξεη ηε ρξήζηκε πιεξνθνξία. 23

24 ΚΔΦΑΛΑΗΟ Έννοιερ και ζύγσςζη (Μηθξνειεγθηήο,Μηθξνυπνινγηζηήο,Μηθξνεπεμεξγαζηήο) Έρνπκε ζπλεζίζεη λα αθνχκε ηνπο φξνπο απηνχο ρσξίο θαλέλα ηδηαίηεξν δηαρσξηζκφ. Χζηφζν, θάζε έλαο απφ ηνπο παξαπάλσ φξνπο έρεη δηαθξηηή ζεκαζία θαη είλαη ζεκαληηθφ λα θαηαλνήζνπκε ηηο δηαθνξέο πνπ ππάξρνπλ κεηαμχ ηνπο. Δικόνα 4.1: Ο πξψηνο κηθξνεπεμεξγαζηήο INTEL Έλαο κηθξνεπεμεξγαζηήο είλαη νπζηαζηηθά κηα κνλάδα θεληξηθήο επεμεξγαζίαο (ή CPU) πινπνηεκέλε κέζα ζε έλα νινθιεξσκέλν θχθισκα. Πξηλ απφ πνιιά ρξφληα κηα ηέηνηα κνλάδα επεμεξγαζίαο ζρεδηαδφηαλ κε ηε βνήζεηα πνιιψλ δηαθξηηψλ νινθιεξσκέλσλ κεζαίαο θαη κεγάιεο θιίκαθαο νινθιήξσζεο (MSI θαη LSI). Ζ γλσζηή εηαηξεία INTEL, παξνπζηάδνληαο ην 4004, έζεζε φιεο ηηο κνλάδεο πνπ πεξηιακβάλεη ηππηθά κηα CPU, εληφο ελφο απινχ νινθιεξσκέλνπ θπθιψκαηνο (chip) θαη έηζη γελλήζεθε ν κηθξνεπεμεξγαζηήο. Ο 4004 ήηαλ έλαο απιφο 24

25 κηθξνεπεμεξγαζηήο ησλ 4 δπαδηθψλ ςεθίσλ (bits), ν νπνίνο ζρεδηάζηεθε γηα λα ρξεζηκνπνηεζεί σο κνλάδα επεμεξγαζίαο αξηζκψλ ζε κηα αξηζκνκεραλή. Όηαλ κηα ηέηνηα δηάηαμε, φπσο έλαο κηθξνεπεμεξγαζηήο, καδί κε ηα απαξαίηεηα θπθιψκαηα ππνζηήξημεο (πεξηθεξεηαθέο κνλάδεο εηζφδνπ-εμφδνπ θαη κλήκε πξνγξάκκαηνο θαη δεδνκέλσλ) ηνπνζεηεζνχλ καδί ζηελ ίδηηα ζπζθεπή, έηζη ψζηε λα ζρεκαηίζνπλ έλαλ ζηνηρεηψδε ππνινγηζηή, εηδηθφηεξα ζε εθαξκνγέο ειέγρνπ θαη ιήςεο δεδνκέλσλ, ε δηάηαμε πνπ πξνθχπηεη θαιείηαη κηθξνυπνινγηζηήο. Με άιια ιφγηα αλ ζέιακε λα ζρεδηάζνπκε έλα θχθισκα βαζηζκέλν ζηνλ κηθξνεπεμεξγαζηή 8088, ή γηα ηνλ ίδην ιφγν αθφκε θαη ηνλ 8085, ηνπνζεηνχζακε επίζεο κλήκε EPROM γηα ηελ απνζήθεπζε ηνπ πξνγξάκκαηνο, κλήκε RAM γηα ηελ απνζήθεπζε κεηαβιεηψλ θαη απνηειεζκάησλ δηαθφξσλ πξάμεσλ, θαζψο επίζεο θαη κεξηθέο κνλάδεο εηζφδνπ-εμφδνπ γηα ηελ δηαζχλδεζε ηνπ ζπζηήκαηνο κε ην πεξηβάιινλ ηνπ, ζα είρακε νπζηαζηηθά ζρεκαηίζεη έλαλ κηθξνυπνινγηζηή. Δπεθηείλνληαο ηελ παξαπάλσ ινγηθή, φηαλ φιεο νη παξαπάλσ δηαθξηηέο κνλάδεο πνπ απνηεινχλ έλα κηθξνυπνινγηζηή ηνπνζεηεζνχλ κέζα ζην ζψκα ηνπ ίδηνπ νινθιεξσκέλνπ θπθιψκαηνο, ε δηαηάμε πνπ πξνθχπηεη θαιείηαη κηθξνειεγθηήο. Ζ εηαηξεία Texas Instruments πξαγκαηνπνηήζε ηελ είζνδν ηεο ζην ρψξν ησλ κηθξνειεγθηψλ, παξνπζηάδνληαο ηνλ πξψην κηθξνειεγθηή ηεο απφ νπνίν πξνέθπςε ε νηθνγέλεηα ησλ κηθξνειεγθηψλ TMS1000. Δικόνα 4.2: Μηθξνειεγθηήο TMS1000 ηεο Texas Instruments. 25

26 Σα κέιε ηεο ζεηξάο ησλ κηθξνειεγθηψλ TMS1000 δηέζεηαλ ηθαλνπνηεηηθά κεγέζε κλήκεο RAM θαη ROM θαζψο επίζεο θαη αξθεηέο κνλάδεο εηζφδνπ-εμφδνπ (Η/Ο) θαη ρξεζηκνπνηήζεθαλ επξχηαηα σο ειεγθηέο θνχξλνπ κηθξνθπκάησλ, ζε βηνκεραληθνχ ηχπνπ ρξνληζηέο (industrial timers) θαη ζε ζπζηήκαηα αξηζκνκεραλψλ. ήκεξα πιένλ έρνπλ εκθαληζηεί πνιιέο θαη δηαθνξεηηθέο νηθνγέλεηεο κηθξνειεγθηψλ, φπσο νη κηθξνειεγθηέο ηεο ζεηξάο 8048 θαη 8051 ηεο Intel, ε ζεηξά 68HC11 ηεο Motorola, ε ζεηξα Ε8 ηεο Zilog, νη κηθξνειεγθηέο PIC ηεο Microchip,ε ζεηξά H8 ηεο Hitachi θαη ε νηθνγέλεηα ησλ κηθξνειεγθηψλ AVR ηεο εηαηξείαο ATMEL. Μηα ζπγθεθξηκέλε νηθνγέλεηα κηθξνειεγθηψλ πξνζδηνξίδεη έλα ζχλνιν πνιιψλ δηαθνξεηηθψλ κηθξνειεγθηψλ, νη νπνίνη δηαζέηνπλ ηνλ ίδην θεληξηθφ ππξήλα αιιά θάζε έλαο απν απηνχο δηαηίζεηαη ζε δηαθνξεηηθή ζπζθεπαζία, πεξηιακβάλεη δηαθνξεηηθέο πεξηθεξεηαθέο κνλάδεο, ιεηηνπξγεί ζε δηαθνξεηηθέο ηαρχηεηεο θιπ. Όπσο είδακε νη νξηζκνί ησλ ελλνηψλ κηθξνειεγθηήο, κηθξνεπεμεξγαζηήο θαη κηθξνυπνινγηζηήο είλαη αθξηβείο θαη δηαθξηηνί κεηαμχ ηνπο, σζηφζν απνηειεί θνηλνηππία πιένλ ε ρξήζε ησλ παξαπάλσ φξσλ ρσξίο λα γίλεηαη πάληα ν ζσζηφο δηαρσξηζκφο. 4.2 Γενικά για ηη Υπηζιμόηηηα ηυν Μικποελεγκηών Δμεηάδνληαο θάζε θνξά ηηο αλάγθεο πνπ πξνθχπηνπλ απφ κηα εθαξκνγή,ζα πξέπεη λα αλαδεηνχκε ηελ βέιηηζηε δπλαηή ιχζε κε γλψκνλα ηελ απιφηεηα. Ζ αλάπηπμε κηαο νπνηαδήπνηε εθαξκνγήο πνπ βαζίδεηαη ζε θάπνηνλ κηθξνειεγθηή απαηηεί ζπρλά επέλδπζε ρξφλνπ, ρξεκάησλ θαζψο θαη αξθεηή πξνζπάζεηα. Σα πιενλεθηήκαηα κηαο ηέηνηαο δηαδηθαζίαο απνδεηθλχνληαη φρη θαη ηφζν ζεκαληηθά, ζε πεξηπηψζεηο φπνπ ε νπνηαδήπνηε αλαβάζκηζε ηνπ ζπζηήκαηνο πξαγκαηνπνηείηαη ζπλήζσο κε πνιχ κηθξέο αιιαγέο. πληειεί σζηφζν ζηελ δηαηήξεζε ζρεηηθά κηθξψλ αξηζκψλ εμαξηεκάησλ ζε παξαθαηαζήθε. 26

27 Οη πηζαλέο ελαιιαθηηθέο ιχζεηο κπνξνχλ λα είλαη: Υξήζε ελφο ςεθηαθνχ θπθιψκαηνο εηδηθνχ ζθνπνχ, Υξήζε ςεθηαθψλ θπθισκάησλ πνπ πεξηιακβάλεη έλα PLD (πξνγξακκαηηδφκελε ινγηθή δηάηαμε ή Programmable Logic Device), Τινπνίεζε βαζηζκέλε ζε Οινθιεξσκέλα Κπθιψκαηα Δμεηδηθεπκέλνπ εθαξκνγψλ (Application Specific Integrated Circuits ή ASIC). Οη παξαπάλσ κέζνδνη πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη θαηά ηελ ζρεδίαζε εθαξκνγψλ ελαιιαθηηθά κε ηνπο κηθξνεπεμεξγαζηέο εκθαλίδνπλ ζεκαληηθέο νκνηφηεηεο κεηαμχ ηνπο, ελψ νπζηαζηηθά δηαθέξνπλ κφλν σο πξνο ηελ πινπνίεζε. 4.3 Ο μικποελεγκηήρ και ηα μέπη ηος Ζ εξγαζία κε ηνπο κηθξνειεγθηέο είλαη νπζηαζηηθά δηαζθέδαζε. Οη κηθξνειεγθηέο απνηεινχλ ηελ θαξδηά πνιιψλ θνηλψλ θαη θαη θαζεκεξηλψλ εθαξκνγψλ. Σν θπξηφηεξν φκσο είλαη φηη απν ζρεδηαζηηθή άπνςε, ε ρξήζε ησλ κηθξνειεγθηψλ είλαη αξθεηά εχθνιε θαη πξνζηηή. Σν ιεηηνπξγηθφ δηάγξακκα ηεο παξαθάησ εηθφλαο παξνπζηάδεη νπζηαζηηθά ηηο δπλαηφηεηεο ελφο ζχγρξνλνπ κηθξνειεγθηή θαη ζπγθεθξηκέλα ελφο κηθξνειεγθηή PIC. Ζ κνλάδα πνπ εκθαλίδεηαη ζην θέληξν ηεο εηθφλαο αληηζηνηρεί νπζηαζηηηθά ζην ίδην ην κηθξνειεγθηή. Ζ κνλάδα απηή κπνξεί λα ζπλδεζεί θαηάιιεια κε δηάθνξα είδε θηλεηήξσλ, κε κηα πνηθηιία δηαηάμεσλ απεηθφληζεο (Display) σο ζπζθεπψλ εμφδνπ, λα επηθνηλσλήζεη κε έλαλ πξνζσπηθφ ππνινγηζηή (PC), λα δηαβάζεη ηηκέο απφ εμσηεξηθνχο αηζζεηήξεο, ελψ αθφκα κπνξεί λα ζπλδεζεί θαη ζε έλα είδνο ηνπηθνχ δηθηχνπ άιισλ παξφκνησλ κηθξνειεγθηψλ θαη φιεο απηέο νη δπλαηφηεηεο θαη φιεο απηέο νη δπλαηφηεηεο δελ απαηηνχλ ηδηαίηεξα κεγάιν αξηζκφ εμσηεξηθψλ εμαξηεκάησλ. Σν γεγνλφο απηφ νδεγεί ζε πην ζπκπαγή θαη γηα ηνλ ιφγν απηφ πην αμηφπηζηα ζπζηήκαηα, ζε ζρεηηθά ρακειφ θφζηνο. 27

28 Δικόνα 4.3: Λεηηνπξγηθφ δηάγξακκα ελφο PIC. Αο εμεηάζνπκε ηψξα ηα δηάθνξα ζπζηαηηθά ελφο κηθξνειεγθηή: 1. Μνλάδα θεληξηθήο επεμεξγαζίαο: Ζ κνλάδα θεληξηθήο επεμεξγαζίαο (CPU), απνηειεί ηελ θαξδηά ελφο κηθξνειεγθηή. Δθηειεί αλάθιεζε δεδνκέλσλ απν ηελ κλήκα πξνγξάκκαηνο ππφ κνξθή εληνιψλ, απνθσδηθνπνηεί ηηο εληνιέο απηέο θαη ζηε ζπλέρεηα ηηο εθηειεί. Ζ κνλάδα CPU απνηειείηαη απφ θαηαρσξεηέο (registers), ηελ αξηζκεηηθή ινγηθή κνλάδα (Arithmetic Logic Unit ή ALU), ηνλ απνθσδηθνπνηεηή εληνιψλ (instruction decoder) θαη δηάθνξα θπθιψκαηα ειέγρνπ. 2. Μλήκε πξνγξάκκαηνο: ηελ κλήκε πξνγξάκκαηνο απνζεθεχνληαη νη εληνιέο πνπ ζρεκαηίδνπλ ηνλ θνξκφ ηνπ πξνγξάκκαηνο. Γηα ηελ ρξήζε κεγαιχηεξσλ ζε κήθνο πξνγξακκάησλ, ην είδνο ηεο κλήκεο απηήο κπνξεί αλ ρσξηζηεί ζε εζσηεξηθή κλήκε πξνγξάκκαηνο θαη εμσηεξηθή κλήκε πξνγξάκκαηνο, φπσο ζπκβαίλεη ζε κεξηθνχο ηχπνπο κηθξνειεγθηψλ. 3. Μλήκε RAM: Ζ κλήκε ηπραίαο πξνζπέιαζεο ή RAM, απνηειεί ηελ κλήκε ησλ δεδνκέλσλ ηνπ ειεγθηή, δειαδή ρξεζηκνπνηείηαη απφ ηνλ ειεγθηή γηα ηελ απνζήθεπζε δεδνκέλσλ. Ζ CPU ρξεζηκνπνηεί ηελ κλήκε RAM γηα ηελ απνζήθεπζε κεηαβιεηψλ θαζψο επίζεο θαη ηελ ιεγφκελε ζηνίβα (Stack). Ζ ζηνίβα ρξεζηκνπνηείηαη γηα ηελ πξνζσξηλή απνζήθεπζε ησλ ιεγφκελσλ δηεπζχλζεσλ 28

29 επηζηξνθήο, κε ζθνπφ λα ζπλερίζεη ηελ εθηέιεζε ηνπ πξνγξάκκαηνο πνπ είρε δηαθνπεί γηα ηελ εμππεξέηεζε θάπνηαο ππνξνπηίλαο ή θάπνηαο ξνπηίλαο δηαθνπήο. 4. Σαιαλησηήο Υξνληζκνύ: Ο κηθξνειεγθηήο εθηειεί έλα πξφγξακκα φπσο απηφ εκθαλίδεηαη κέζα ζηελ κλήκε ηνπ πξνγξάκκαηνο, κε έλαλ θαζνξηζκέλν ξπζκφ. Ο ξπζκφο απηφο θαζνξίδεηαη απφ ηελ ζπρλφηεηα ιεηηνπξγίαο ηνπ ηαιαλησηή ρξνληζκνχ. Ο ηαιαλησηήο ρξνληζκνχ (Clock Oscillator) κπνξεί λα είλαη έλαο εζσηεξηθφο ηαιαλησηήο ηχπνπ RC ή έλαο ηαιαλησηήο πνπ πινπνηείηαη κε θάπνην εμσηεξηθφ ζηνηρείν ρξνληζκνχ, φπσο γηα παξάδεηγκα φπσο γηα παξάδεηγκα έλαο θξχζηαιινο ραιαδία (Quartz), έλα θχθισκα ζπληνληζκνχ LC ή αθφκα θαη έλα απιφ θχθισκα RC. Ζ ιεηηνπξγία ηνπ ηαιαλησηή μεθηλά ζρεδφλ ακέζσο κεηά ηελ εθαξκνγή ηεο ηάζεο ηξνθνδνζίαο. 5. ύζηεκα επαλαηνπνζέηεζεο θαη Κύθισκα αλίρλεπζεο βπζίζεσλ ηάζεο: Σν ζπζηεκα επαλαηνζέηεζεο ή απιά RESET πνπ δηαζέηεη έλαο κηθξνειεγθηήο, εμαζθαιίδεη ην γεγνλφο φηη φιεο νη εζσηεξηθέο κνλάδεο θαη ηα θπθιψκαηα ειέγρνπ ηνπ κδ ζα μεθηλήζνπλ λα ιεηηνπξγνχλ θαηά ηελ εθαξκνγή ηεο ηάζεο ηξνθνδνζίαο, απφ θάπνηα πξνθαζαξηζκέλε αξρηθή θαηάζηαζε ελψ φινη νη θαηαρσξεηέο ηνπ ζπζηήκαηνο βξίζθνληαη ζε θαηάιιειεο αξρηθέο ηηκέο. Απφ ηελ άιιε πιεπξά ην θχθισκα αλίρλεπζεο βχζηζεο ηάζεο ηξνθνδνζίαο (brownout detector) είλαη έλα επίζεο εζσηεξηθφ θχθισκα ειέγρνπ ην νπνίν παξαθνινπζεί ζπλερψο ην επίπεδν ηεο ηάζεο ηξνθνδνζίαο θαη εθφζνλ αληρλεπηεί θάπνηα ζηηγκηαία βχζηζε ζηελ ηάζε απηή, ηφηε απηφκαηα ζέηεη ηνλ κδ ζε ιεηηνπξγία επαλαηνπνζέηεζεο, έηζη ψζηε λα πξνζηαηεπηνχλ ηα πεξηερφκελα θαηαρσξεηψλ θαη ηεο κλήκεο απφ πηζαλή θαηαζηξνθή ή αιινίσζε,πξάγκα πνπ ζα νδεγνχζε ηνλ κδ ζε εζθαικέλε ιεηηνπξγία. 6. εηξηαθή ζύξα επηθνηλσλίαο: Έλα απφ ηα πιένλ εχρξεζηα ζπζηαηηθά ελφο κδ, απνηειεί ε ζεηξηαθή ζχξα επηθνηλσλίαο. Ζ ζχξα απηή ρξεζηκνπνηείηαη γηα ηελ επηθνηλσλία ηνπ ειεγθηή κε δηάθνξεο εμσηεξηθέο δηαηάμεηο ππφ ηελ κνξθή ζεηξηαθήο κεηάδνζεο δεδνκέλσλ. Ζ ζχξα απηή κπνξεί λα ιεηηνπξγήζεη ζε νπνηαδήπνηε ηαρχηεηα κεηάδνζεο δεδνκέλσλ ηπρφλ απαηηεζεί. Ζ ιεηηνπξγία ηεο βαζίδεηαη ζην φηη ιακβάλεη δεδνκέλα απφ ηνλ κδ,ηα νπνία νιηζζαίλεη πξνο ηελ έμνδν ππφ κνξθή ελφο δπαδηθνχ ςεθίνπ (bit) ηε θνξά. Δληειψο παξφκνηα, ιακβάλεη δεδνκέλα απφ ηελ αληίζηνηρε είζνδφ ηεο κε ηε κνξθή ελφο bit ηε θνξά, ζρεκαηίδνληαο έηζη κε 8 ηέηνηα ςεθία,κηα ιέμε ελφο byte, ηελ νπνία θαη αληηγξάθεη ζην εζσηεξηθφ ηνπ ειεγθηή. Οη ζεηξηαθέο ζχξεο απαληψληαη ζε δχν ηχπνπο, ηελ 29

30 αοχγρξνλε ζεηξηαθή ζχξα θαη ηελ ζχγρξνλε ζεηξηαθή ζχξα. Γηα ηελ ιεηηνπξγία ηεο δεχηεξεο απαηηείηαη ε παξνπζία ελφο πξφζζεηνπ ζήκαηνο ζπγρξνληζκνχ (clock). 7. Φεθηαθή ζύξα εηζόδνπ/εμόδνπ: Ο κηθξνειεγθηήο ρξεζηκνπνηεί ηηο ςεθηαθέο ζχξεο εηζφδνπ/εμφδνπ κε ζθνπφ ηελ αληαιιαγή δεδνκέλσλ απφ θαη πξνο ην εμσηεξηθφ πεξηβάιινλ.ε ζχγθξηζε κε κηα ζεηξηαθή ζχξα,κε ηελ νπνία ηελ νπνία ηα δεδνκέλα αληαιιάζζνληαη ππφ κνξθή ζπξκνχ κε εθπνκπή ελφο bit ηε θνξά,ε ςεθηαθή ζχξα αληαιιάζζεη δεδνκέλα ππφ κνξθή νκάδσλ ησλ 8 bits ή ηνπ 1 byte. 8. Αλαινγηθή ζύξα εηζόδνπ/εμόδνπ: Γεληθά κπνξνχκε λα έρνπκε αλαινγηθέο εηζφδνπο ρξεζηκνπνψληαο κεηαηξνπείο αλαινγηθνχ ζήκαηνο ζε ςεθηαθφ (Analog Digital Converter ή ADC). Έλαο ηππηθφο κδ κπνξεί λα δηαζέηεη κηα ελζσκαησκέλε κνλάδα κεηαηξνπήο ADC ή αθφκα θαη ζε κεξηθέο πεξηπηψζεηο, έλαλ απιφ ελζσκαησκέλν αλαινγηθφ ζπγθξηηή,ν νπνίνο ρξεζηκνπνηείηαη καδί κε θαηάιιειν ινγηζκηθφ έηζη ψζηε λα κπνξεί λα εθηειεί κεηαηξνπέο αλαινγηθνχ ζε ςεθηαθφ. Οη ADC ρξεζηκνπνηνχληαη γηα ηελ αλάγλσζε δεδνκέλσλ απφ αηζζεηήξεο, φπσο γηα παξάδεηγκα αηζζεηήξεο πίεζεο θαη ζεξκνθξαζίαο. Οη αηζζεηήξεο απηνί ζπλήζσο παξάγνπλ κηα ηάζε ε νπνία είλαη αλάινγε ηεο κεηξνχκελεο θπζηθήο παξακέηξνπ. Δπίζεο κπνξνχκε λα έρνπκε θαη αλαινγηθέο εμφδνπο, ρξεζηκνπνηψληαο θάπνηεο κνλάδεο νη νπνίεο θαινχληαη Μεηαηξνπείο Φεθηαθνχ ήκαηνο ζε Αλαινγηθφ (Digital to Analog Converter ή DAC). Αθφκε πεξηζζφηεξνη κδ είλαη εθνδηαζκέλνη κε Γηακνξθσηέο Δχξνπο Παικψλ (Pulse Width Modulator ή PWM),κε ηε βνήζεηα ησλ νπνίσλ κπνξνχκε λα ιάβνπκε αλαινγηθέο ηάζεηο κέζα απφ θαηάιιεια θίιηξα ηχπνπ RC. 9. Απαξηζκεηήο: Έλαο απαξηζκεηήο ρξεζηκνπνηείηαη απφ ηνλ κδ γηα ηνλ ρξνληζκφ ή θαη γηα ηελ ζεκαηνδφηεζε δηαθφξσλ γεγνλφησλ, γηα παξάδεηγκα, είλαη πηζαλφ λα επηζπκνχκε λα απνζηείινπκε δεδνκέλα ζε κηα εμσηεξηθή νζφλε κε έλαλ ζπγθεθξηκέλν ξπζκφ. Έλαο ρξνληζηήο κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί απφ ηνλ κδ γηα λα παξάγεη απηφλ ηνλ δεηνχκελν ξπζκφ. Δπίζεο κπνξεί λα ρξεζηκνπνεζεί θαη γηα ηελ θαηακέηξεζε γεγνλφησλ,ηα νπνία κπνξνχλ λα είλαη εζσηεξηθά ή εμσηεξηθά. ε κηα ηέηνηα πεξίπησζε ν ρξνληζηήο θαιείηαη απιά κεηξεηήο (Counter). 10. Υξνληζηήο Δπηηήξεζεο: Έλαο ρξνληζηήο εηδηθνχ ζθνπνχ είλαη θαη ν ρξνληζηήο επηηήξεζεο (WatchDog Timer ή WDT). Ο ρξνληζηήο απηφο ρξεζηκνπνηείηαη γηα ηελ απνθπγή ηεο πηζαλήο θαηάξξεπζεο ηνπ ζπζηήκαηνο (crash). Ζ ιεηηνπξγία ηνπ ρξνληζηή έρεη σο εμήο.απφ ηελ ζηηγκή πνπ ζα ελεξγνπνηεζεί, ιεηηνπξγεί απμαλφκελα έλαο εζσηεξηθφο κεηξεηήο ζε θάπνηνλ ζπγθεθξηκέλν 30

31 ξπζκφ.αλ ην πξφγξακκα δελ κεδελίζεη (ή επαλαζέζεη) ηνλ κεηξεηή απηφλ ηφηε θάπνηα ζηηγκή ζα επέιζεη ε ιεγφκελε ππεξρείιηζε (Overflow) ηνπ απαξηζκεηή θαη ζα επαλαηνπνζεηεζεί ν κηθξνειεγθηήο. Έηζη φηαλ ρξεζηκνπνηείηαη ν ρξνληζηήο επηηήξεζεο,ην πξφγξακκα ρξήζεο ζα πξέπεη λα είλαη εθνδηαζκέλν κε ηηο θαηάιιειεο εληνιέο, έηζη ψζηε ζε ηαθηά ρξνληθά δηαζηήκαηα λα κπνξεί λα κεδελίδεη ηνλ ρξνληζηή WDT, πιεξνθνξψληαο ηνλ έηζη φηη ην ζχζηεκα εξγάδεηαη θαη δελ έρεη θαηαξξεχζεη. 11. Ρνιόη Πξαγκαηηθνύ Υξόλνπ: Έλαο αθφκε εηδηθνχ ζθνπνχ ρξνληζηήο είλαη θαη ην ιεγφκελν Ρνιφη Πξαγκαηηθνχ Υξφλνπ (Real Time Clock ή RTC), ηνπ νπνίνπ ζθνπφο είλαη ε κέηξεζε θαη ε δηαηήξεζε ηεο ηξέρνπζαο ψξαο ηεο εκέξαο, ηεο εκεξνκελίαο θιπ. Μπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί γηα ηελ ζεκαηνδφηεζε ζπγθεθξηκέλσλ γεγνλφησλ κε γλψκνλα ηελ ηξέρνπζα ψξα. Δικόνα 4.4: 8 bit microcontroller. 31

32 4.4 Η Απσιηεκηονική ηυν Μικποελεγκηών Οη δηάθνξεο αξρηηεθηνληθέο ησλ κηθξνειεγθηψλ δηαθξίλνληαη κε βάζε ηα ηδηαίηεξα θάζε θνξά ραξαθηεξηζηηθά θαη ηηο ηδηφηεηεο πνπ παξνπζηάδεη θάζε ζχζηεκα.έλα πνιχ δηαδεδνκέλν ζρήκα, είλαη απηφ πνπ ιακβάλεη ππφςε ηνλ ζπλνιηθφ αξηζκφ εληνιψλ. Έηζη έρνπκε ηελ Αξρηηεθηνληθή CISC (Complex Instruction Set Computer), ηελ Αξρηηεθηνληθή RISC (Reduced Instruction Set Computer) θαη ηελ Αξρηηεθηνληθή MISC (Minimum Instruction Set Computer). Χζηφζν νη παξαπάλσ φξνη έρνπλ ππνζηεί πνιιέο παξαθξάζεηο απφ ηνπο δηάθνξνπο πσιεηέο ηνπ είδνπο. Έλαο κηθξνειεγθηήο αξρηηεθηνληθήο CISC παξνπζηάδεη πνιιέο θνηλέο ηδηφηεηεο κε εθείλνπο ηεο αξρηηεθηνληθήο RISC,γεγνλφο πνπ πξνθαιεί ζπρλά ζχγρπζε. Δικόνα 4.5: Αξρηηεθηνληθή Harvard. Έλα άιιν ζρήκα κε βάζε ην νπνίν δηαθξίλνπκε ηηο δηαηάμεηο ησλ κηθξνειεγθηψλ, αθνξά ζηνλ ηξφπν πνπ πξαγκαηνπνηείηαη ε πξφζβαζε ζηε κλήκε πξνγξάκκαηνο θαη ζηε κλήκε δεδνκέλσλ. Έλα ηέηνην κνλαδηθφ κνληέιν κλήκεο,ην νπνίν είλαη γλσζηφ κε ηελ νλνκαζία Αξρηηεθηνληθή Princeton ή Αξρηηεθηνληθή Von 32

33 Neumann θαη ην νπνίν έξρεηαη ζε αληίζεζε κε ηελ Αξρηηεθηνληθή Harvard,πξνβέπεη μερσξηζηφ ρψξν κλήκεο γηα ηελ απνζήθεπζε ηνπ πξνγξάκκαηνο θαη γηα ηελ απνζήθεπζε δεδνκέλσλ, αληίζηνηρα. χκθσλα κε κηα άιιε κνξθή ηαμηλφκεζεο ηα δηάθνξα ζπζηήκαηα κηθξνειεγθηψλ δηαθξίλνληαη κε βάζε ηνλ ηξφπν απνζήθεπζεο θαη δηαρείξηζεο πνπ πθίζηαληαη ηα δεδνκέλα εληφο ηεο CPU. 4.5 Οι μικποελεγκηέρ AVR ηηρ ATMEL Αο δνχκε μερσξηζηά ζε απηή ηελ παξάγξαθν ηελ νηθνγέλεηα AVR ηεο ATMEL κε αλαθνξά ζε ζέκαηα αξρηηεθηνληθήο θαη πεξηθεξεηαθσλ κνλάδσλ πνπ ζπλεξγάδνληαη κε ηελ CPU. Δικόνα 4.6: Σν ινγφηππν ηεο εηαηξείαο ATMEL. Ο κηθξνειεγθηήο AVR πεξηιακβάλεη έλαλ επεμεξγαζηή RISC ν νπνίνο έρεη ζρεδηαζηεί ζχκθσλα κε ηελ αξρηηεθηνληθή Harvard. Ζ αξρηηεθηνληθή Harvard αλαθέξεηαη ζην γεγνλφο φηη ε κνλάδα CPU ζπλεξγάδεηαη ηαπηφρξνλα κε κηα κλήκε πξνγξάκκαηνο θαη κηα μερσξηζηή κλήκε δεδνκέλσλ. 33

34 Ζ νηθνγέλεηα ησλ κηθξνειεγθηψλ AVR παξνπζηάδεη ηα αθφινπζα γεληθά ραξαθηεξηζηηθά: 1. Δλζσκαησκέλε (On-chip) κλήκε ηαρείαο απνζήθεπζεο ή απιά κλήκε Flash, κε δπλαηφηεηα Πξνγξακκαηηζκνχ Δληφο ηνπ πζηήκαηνο ή ISP (In-System Programmable), σο κλήκε πξνγξάκκαηνο. Γεληθά φινη νη κηθξνειεγθηέο απηήο δηαζέηνπλ κλήκε Flash σο κλήκε πξνγξάκκαηνο. Απηφ ζεκαίλεη φηη δελ ρξεηάδνληαη εμσηεξηθέο κλήκεο ηχπνπ EPROM ή ROM νη νπνίεο λα πεξηέρνπλ ηνλ θψδηθα ηνπ πξνγξάκκαηνο ρξήζεο. Δπίζεο, ε κλήκε πξνγξάκκαηνο κπνξεί λα πξνγξακκαηηζηεί ρσξίο λα απνκαθξπλζεί ν επεμεξγαζηήο απφ ην θχθισκα ηεο εθαξκνγήο. Σν γεγνλφο απηφ δηεπθνιχλεη θαη επηηαρχλεη ζε κεγάιν βαζκφ ηπρφλ κειινληηθέο αλαβαζκίζεηο. Σέινο, ε κλήκε πξνγξάκκαηνο κπνξεί λα πξνγξακκαηηζηεί κε δχν ηξφπνπο, ηνλ ζεηξηαθφ θαη ηνλ παξάιιειν. 2. πλνιηθά 32 θαηαρσξεηέο εξγαζίαο ησλ 8 bit. Έλαο κεγάινο ζρεηηθά αξηζκφο θαηαρσξεηψλ ζεκαίλεη φηη νη δηάθνξεο κεηαβιεηέο κπνξνχλ λα απνζεθεχνληαη εληφο ηεο CPU θαη φρη ζε θάπνηα κλήκε, δηφηη γεληθά ε δηαδηθαζία πξφζβαζεο ζηελ κλήκε ζεσξείηαη ρξνλνβφξα. Έηζη ην πξφγξακκα εθηειείηαη ηαρχηεξα. 3. Δλζσκαησκέλε κλήκε δεδνκέλσλ ηχπνπ EEPROM θαη RAM ζηηο πεξηζζφηεξεο δηαηάμεηο ηεο ζεηξάο ησλ κηθξνειεγθηψλ απηψλ. Όπσο αλαθέξζεθε, ε κνλάδα CPU είλαη ζρεδηαζκέλε ζχκθσλα κε ηελ αξρηηεθηνληθή Harvard, νπφηε ηφζν ε κλήκε EEPROM φζν θαη ε RAM, αληηκεησπίδνληαη σο κλήκε δεδνκέλσλ (Data Memory) γηα ηελ απνζήθεπζε ζηαζεξψλ ηηκψλ αιιά θαη κεηαβιεηψλ. 4. Λεηηνπξγία ζε ζπρλφηεηεο ρξνληζκνχ απφ 0 έσο 10MHZ. Οη πεξηζζφηεξεο εληνιέο ηεο γιψζζαο ησλ κηθξνειεγθηψλ AVR, νινθιεξψλνληαη ζε κηα κφλν πεξίνδν ηνπ θεληξηθνχ ζήκαηνο ρξνληζκνχ, γεγνλφο πνπ νδεγεί ζε κηα βειηησκέλε θαηα 10 θνξέο πεξίπνπ επίδνζε, ζε ζρέζε κε ηνπο θιαζηθνχο κηθξνειεγθηέο. 5. Δζσηεξηθφ θχθισκα Δπαλαηνπνζέηεζεο θαηά ηελ Δθαξκνγή ηεο Σάζεο Σξνθνδνζίαο ή Power On Reset (POR). 6. Δλζσκαησκέλν πξνγξακκαηηδφκελν ρξνληζηή κε ηδηαίηεξε κνλάδα δηαίξεζεο ζπρλφηεηαο (prescaler). Υξεζηκνπνηείηαη ζε εθαξκνγέο φπνπ απαηηείηαη θξίζηκνο ρξνληζκφο. 7. Πεγέο εζσηεξηθψλ ή εμσηεξηθψλ δηαθνπψλ. 34

35 8. Πξνγξακκαηηδφκελν ρξνληζηή επηηήξεζεο (WDT) νδεγνχκελν απφ ηδηαίηεξν ηαιαλησηή. Ζ κνλάδα απηή ρξεζηκνπνηείηαη γηα ηελ απνθπγή εζθαικέλσλ ιεηηνπξγηψλ εμαηηίαο θάπνηαο πηζαλήο θαηάξξεπζεο ηνπ πξνγξάκκαηνο ρξήζεο, αιιά σζηφζν κπνξεί επίζεο λα ρξεζηκνπνηεζεί θαη ζε άιιεο ελδηαθέξνπζεο εθαξκνγέο. 9. Λεηηνπξγίεο εξεκίαο (Sleep) θαη απνθνπήο (Power Down). Με ηνλ ηξφπν απηφ θαηαλαιψλεηαη ειάρηζηε ηζρχο ζε πεξηπηψζεηο φπνπ ν επεμεξγαζηήο δελ έρεη θακία δξαζηεξηφηεηα. 10. Πνιινί απφ ηνπο κηθξνειεγθηέο ηεο ζεηξάο AVR δηαζέηνπλ ελζσκαησκέλν ηαιαλησηή ηχπνπ RC.Όηαλ ελεξγνπνηνχκε ηνλ εζσηεξηθφ απηφ ηχπν ηαιαλησηή κεηψλεηαη γεληθά ν ζπλνιηθφο αξηζκφο ησλ απαηηνχκελσλ εμσηεξηθψλ εμαξηεκάησλ ηνπ θπθιψκαηνο ηεο εθαξκνγήο καο. 11. Ζ νηθνγέλεηα ησλ κηθξνειεγθηψλ AVR δηαζέηεη κεγάιε πνηθηιία δηαθνξεηηθψλ δηαηάμεσλ, νπφηε κπνξεί ν θαζέλαο λα επηιέμεη ηνλ θαηάιιειν επεμεξγαζηή γηα ηελ δεηνχκελε εξγαζία, ελψ κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεί ηα ίδηα αλαπηπμηαθά εξγαιεία. Δικόνα 4.7: Γηάθνξνη Μηθξνειεγθηέο ηεο Atmel. 35

36 ΚΔΦΑΛΑΗΟ Ο μικποελεγκηήρ ΑΣmega128A Ο ATmega128A είλαη έλαο κηθξνειεγθηήο ησλ 8 bits, ηερλνινγίαο CMOS ρακειήο ηζρχνο, πνπ πεξηιακβάλεη έλαλ επεμεξγαζηή RISC ζρεδηαζκέλν ζχκθσλα κε ηε αξρηηεθηνληθή Harvard. Δικόνα 5.1: Η δηάηαμε αθξνδεθηψλ ηνπ AΣmega128A 36

37 Ο ππξήλαο ηνπ AVR ζπλδπάδεη πινχζην ξεπεξηφξην εληνιψλ κε 32 θαηαρσξεηέο εξγαζίαο γεληθήο ρξήζεο. Οη 32 απηνί θαηαρσξεηέο ζπλδένληαη άκεζα ζηελ Αξηζκεηηθή Λνγηθή Μνλάδα (ALU ή Arithmetic Logic Unit) κε ηξφπν πνπ επηηξέπεη ηελ πξφζβαζε ζε δχν αλεμάξηεηνπο θαηαρσξεηέο κε κία κφλν εληνιή πνπ εθηειείηαη ζε έλα θχθιν ξνινγηνχ. Ζ αξρηηεθηνληθή πνπ πξνθχπηεη ινηπφλ είλαη πεξηζζφηεξν απνδνηηθή σο πξνο ηνλ θψδηθα ζε ζρέζε κε ζπκβαηηθνχο κηθξνειεγθηέο CISC. Ο AΣmega128A παξνπζηάδεη ηα αθφινπζα ραξαθηεξηζηηθά: Μλήκε πξνγξάκκαηνο 128K bytes ηαρείαο απνζήθεπζεο (flash memory) κε δπλαηφηεηα πξνγξακκαηηζκνχ εληφο ηνπ ζπζηήκαηνο (ISP - In System Programmable) θαη δπλαηφηεηα αλάγλσζεο θαηά ηε δηάξθεηα ηεο εγγξαθήο. Μλήκε δεδνκέλσλ πνπ απνηειείηαη απφ 4K byte ζηαηηθήο κλήκεο (SRAM - Static Random Access Memory) θαη 4K bytes ειεθηξηθά επαλαπξνγξακκαηηδφκελεο κλήκεο κφλν γηα αλάγλσζε (EEPROM - Electrically Erasable Programmable Read Only Memory). 53 γξακκέο εηζφδνπ - εμφδνπ γεληθήο ρξήζεο. 32 θαηαρσξεηέο εξγαζίαο γεληθνχ ζθνπνχ. Θχξα δηαζχλδεζεο JTAG (interface). Δλζσκαησκέλε ππνζηήξημε απνζθαικάησζεο (debugging) θαη πξνγξακκαηηζκνχ. 2 επέιηθηα ρξνλφκεηξα / απαξηζκεηέο (Timer / Counters) ησλ 8 bit. 2 επέιηθηα ρξνλφκεηξα / απαξηζκεηέο (Timer / Counters) ησλ 16 bit. 2 θαλάιηα 8 bit PWM. 6 θαλάιηα PWM κε πξνγξακκαηηδφκελε ιεηηνπξγία απφ 2-16 bit. Δζσηεξηθέο θαη εμσηεξηθέο δηαθνπέο. Πξνγξακκαηηδφκελε κνλάδα ζχγρξνλεο - αζχγρξνλεο ζεηξηαθήο επηθνηλσλίαο (USART - Universal Synchronous - Asynchronous Receiver Transmitter) Θχξα δηαζχλδεζεο I 2 C (interface). Μεηαηξνπέα αλαινγηθνχ ζήκαηνο ζε ςεθηαθφ (ADC - Analog to Digital Converter) κε 8 θαλάιηα ησλ 10 bits. 37

38 Πξνγξακκαηηδφκελν ρξνλφκεηξν - θχιαθα (Watchdog Timer) κε εζσηεξηθφ ηαιαλησηή. εηξηαθή ζχξα δηαζχλδεζεο πεξηθεξεηαθψλ (SPI - Serial Peripheral Interconnect). 6 θαηαζηάζεηο εμνηθνλφκηζεο ελέξγεηαο (power save modes). Σάζε ηξνθνδνζίαο Volt. Ζ ζπζθεπή θαηαζθεπάδεηαη κε ηελ ηερλνινγία κλήκεο πςειήο ππθλφηεηαο (volatile-πνπ δελ ράλεη ηα δεδνκέλα κε ηελ απνζχλδεζε ηεο ηξνθνδνζίαο) ηεο Atmel. Ζ ελζσκαησκέλε ISP Flash δίλεη ηε δπλαηφηεηα ζηε κλήκε πξνγξάκκαηνο λα επαλαπξνγξακκαηίδεηαη εληφο ηνπ ζπζηήκαηνο κέζσ κηαο ζεηξηαθήο ζχξα δηαζχλδεζεο SPI, είηε κέζσ ελφο ζπκβαηηθνχ πξνγξακκαηηζηή κλήκεο (volatile), είηε κέζσ ελφο ελζσκαησκέλνπ πξνγξάκκαηνο εθθίλεζεο (Boot program) ηνπνζεηεκέλνπ ζε εηδηθή ζέζε ζην ηέινο ηεο κλήκεο ηνπ AVR. Σν πξφγξακκα εθθίλεζεο κπνξεί λα ρξεζηκνπνηήζεη νπνηαδήπνηε ζχξα δηαζχλδεζεο (RS232, I 2 C ή I/O ports) γηα λα θαηεβάζεη ηελ εθαξκνγή ζην ηκήκα εθαξκνγψλ ηεο κλήκεο. Σν ινγηζκηθφ ζην ηκήκα εθθίλεζεο ηεο κλήκεο ζα ζπλερίζεη λα εθηειείηαη θαζψο ην ηκήκα εθαξκνγψλ ζα αλαβαζκίδεηαη. πλδπάδνληαο θεληξηθή κνλάδα επεμεξγαζίαο (CPU - Central Processing Unit) ησλ 8 bits κε αξρηηεθηνληθή RISC κε ελζσκαησκέλε απηνπξνγξακκαηηδφκελε κλήκε ηαρείαο πξφζβαζεο (In-System Self-Programmable Flash) πάλσ ζε έλα νινθιεξσκέλν θχθισκα, ν AΣmega128A είλαη έλαο ηζρπξφο κηθξνειεγθηήο θαη απνηειεί κηα επέιηθηε θαη νηθνλνκηθή επηινγή γηα πνιιέο εθαξκνγέο. Ο AΣmega128A ππνζηεξίδεηαη απφ πνιιά εξγαιεία αλάπηπμεο ινγηζκηθνχ. 38

39 Δικόνα 5.2: Σν ινγηθφ δηάγξακκα ηνπ κηθξνειεγθηή καο. 39

40 5.2 Κενηπική Μονάδα Δπεξεπγαζίαρ (CPU - Central Processing Unit) Ζ CPU ηνπ AΣmega128A νθείιεη λα εμαζθαιίδεη ηε ζσζηή εθηέιεζε ηνπ πξνγξάκκαηνο, πξέπεη ινηπφλ λα έρεη πξφζβαζε ζηε κλήκε, λα εθηειεί ππνινγηζκνχο, λα ειέγρεη πεξηθεξεηαθά θαη λα δηαρεηξίδεηαη δηαθνπέο. Ο κηθξνειεγθηήο έρεη ζρεδηαζηεί ζχκθσλα κε ηελ αξρηηεθηνληθή Harvard, έρεη δειαδή μερσξηζηέο κλήκεο θαη μερσξηζηνχο δηαχινπο γηα ην πξφγξακκα θαη γηα ηα δεδνκέλα. Οη εληνιέο ζηε κλήκε πξνγξάκκαηνο εθηεινχληαη κε δηνρέηεπζε ελφο επηπέδνπ (single level pipeline), δειαδή ελψ εθηειείηαη κία εληνιή, ε ακέζσο επφκελε θαιείηαη απφ ηε κλήκε πξνγξάκκαηνο. Με ηνλ ηξφπν απηφ εληνιέο εθηεινχληαη ζε θάζε θχθιν ξνινγηνχ. Σν αξρείν θαηαρσξεηψλ γξήγνξεο πξφζβαζεο πεξηιακβάλεη ηνπο 32 θαηαρσξεηέο εξγαζίαο θαη έρεη ρξφλν πξφζβαζεο έλα κφλν θχθιν ξνινγηνχ. Έηζη ε ιεηηνπξγία ηεο ALU γίλεηαη ζε έλα θχθιν κεραλήο. ε κηα ηππηθή πξάμε ηεο ALU, δχν ηειεζηέο θαινχληαη απφ ην αξρείν θαηαρσξεηψλ, ε εληνιή εθηειείηαη θαη ην απνηέιεζκα απνζεθεχεηαη πίζσ ζην αξρείν θαηαρσξεηψλ, θαη φια απηά ζπκβαίλνπλ ζε έλα θχθιν κεραλήο. Πέξα απφ εληνιέο κεηαμχ θαηαρσξεηψλ, εθηεινχληαη θαη εληνιέο κεηαμχ ελφο θαηαρσξεηή θαη κηαο ζηαζεξάο ή θαη εληνιέο κνλνχ θαηαρσξεηή. Οη ιεηηνπξγίεο ηεο ALU ρσξίδνληαη ζε ηξεηο βαζηθέο θαηεγνξίεο : αξηζκεηηθέο, ινγηθέο θαη εληνιέο ζε επίπεδν ελφο bit. Έμη απφ ηνπο θαηαρσξεηέο (νη R26 σο θαη R31) κπνξνχλ λα ρξεζηκνπνηεζνχλ ζε δεχγε σο θαηαρσξεηέο δεηθηψλ έκκεζεο δηεπζπλζηνδφηεζεο ησλ 16 bits, δηεπθνιχλνληαο έηζη ηνπο ππνινγηζκνχο δηεπζχλζεσλ. Έλαο απφ ηνπο θαηαρσξεηέο απηνχο κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί επηπιένλ θαη σο δείθηεο δηεχζπλζεο γηα πξφζβαζε ζε πίλαθεο δεδνκέλσλ απνζεθεπκέλσλ ζηελ Flash κλήκε πξνγξάκκαηνο (παξαβηάδνληαο ράξηλ απνηειεζκαηηθφηεηνο ηελ αξρηηεθηνληθή Harvard). Οη ηξεηο απηνί θαηαρσξεηέο θαινχληαη X, Y θαη Z. 40

41 Ζ ξνή ηνπ πξνγξάκκαηνο ειέγρεηαη κε εληνιέο άικαηνο (είηε ππφ ζπλζήθε είηε ρσξίο) θαη κε εληνιέο θιήζεο (jump θαη call), ηθαλέο λα αλαθεξζνχλ άκεζα ζε φιν ην εχξνο δηεπζχλζεσλ. Οη πεξηζζφηεξεο εληνιέο έρνπλ απιή κνξθνπνίεζε ιέμεο ησλ 16 bits. Κάζε δηεχζπλζε ηεο κλήκεο πξνγξάκκαηνο πεξηιακβάλεη κηα εληνιή ησλ 16 ή 32 bits. Ζ CPU πεξηιακβάλεη επηπιένλ ηνλ θαηαρσξεηή θαηάζηαζεο (status register) ν νπνίνο πεξηέρεη πιεξνθνξίεο γηα ην απνηέιεζκα ηεο πην πξφζθαηεο αξηζκεηηθήο εληνιήο. ηηο πιεξνθνξίεο απηέο βαζίδεηαη ε εθηέιεζε ησλ εληνιψλ άικαηνο ππφ ζπλζήθε. Έλαο άιινο θαηαρσξεηήο ηεο CPU είλαη ν δείθηεο ζηνίβαο (stack pointer) ν νπνίνο ρξεζηκεχεη ζηελ απνζήθεπζε πξνζσξηλψλ δεδνκέλσλ, ζηελ απνζήθεπζε ηνπηθψλ κεηαβιεηψλ θαη ζηελ απνζήθεπζε δηεπζχλζεσλ επηζηξνθήο κεηά απφ δηαθνπέο θαη ππνξνπηίλεο. 5.3 Μνήμερ Ζ αξρηηεθηνληθή ησλ κηθξνεπεμεξγαζηψλ AVR πξνβιέπεη δχν βαζηθνχο απνζεθεπηηθνχο ρψξνπο, ηε κλήκε δεδνκέλσλ θαη ηε κλήκε πξνγξάκκαηνο. Δπηπιένλ, ν AΣmega128A έρεη θαη ζπκπιεξσκαηηθή κλήκε EEPROM γηα απνζήθεπζε δεδνκέλσλ. Καη νη ηξεηο απηνί ρψξνη κλήκεο είλαη γξακκηθνί. Ο Atmega128A πεξηιακβάλεη 128K bytes ελζσκαησκέλεο κλήκεο Flash επαλαπξνγξακκαηηδφκελεο ζην ηειηθφ ζχζηεκα γηα ηελ απνζήθεπζε πξνγξακκάησλ. Ζ κλήκε απηή είλαη νξγαλσκέλε σο 64K x 16bits θαζψο φιεο νη εληνιέο ηνπ AVR έρνπλ κήθνο 16 ή 32 bits θαη έρεη αληνρή ηνπιάρηζησλ θχθινπο εγξαθήο/δηαγξαθήο. Γηα ηελ πξνζηαζία ηνπ ινγηζκηθνχ, ε κλήκε πξνγξάκκαηνο Flash είλαη ρσξηζκέλε ζε δχν πεξηνρέο, ηελ πεξηνρή ηνπ πξνγξάκκαηνο εθθίλεζεο (Boot Program) θαη ηελ πεξηνρή ηνπ πξνγξάκκαηνο εθαξκνγψλ (Application Program). Ζ αξρηηεθηνληθή ηνπ ATmega128A πεξηιακβάλεη θαη κεξηθέο δεθάδεο θαηαρσξεηέο νη νπνίνη πξνγξακαηίδνπλ ηε ιεηηνπξγία ησλ πεξηθεξεηαθψλ θαη απνηεινχλ ηηο δηεπαθέο κε απηά. πιινγηθά νη θαηαρσξεηέο απηνί νλνκάδνληαη κλήκε εηζφδνπ εμφδνπ. 41

42 Δικόνα 5.2: Υάξηεο ηεο κλήκεο πξνγξάκκαηνο. Όζν αθνξά ηψξα ζηε κλήκε δεδνκέλσλ, ζηηο θαηψηεξεο 1120 ζέζεηο ηεο βξίζθνληαη ην αξρείν θαηαρσξεηψλ, ε κλήκε εηζφδνπ - εμφδνπ θαη ε εζσηεξηθή κλήκε SRAM πνπ έρεη κέγεζνο 1K byte. Τπάξρνπλ πέληε ηξφπνη πξνζπέιαζεο ηεο κλήκεο δεδνκέλσλ : Άκεζα, Έκκεζα κε βάζε θαη κεηαηφπηζε, Έκκεζα, Έκκεζα κε κείσζε εθ ησλ πξνηέξσλ, Έκκεζα κε αχμεζε εθ ησλ πζηέξσλ. Γηα έκκεζε πξφζβαζε ρξεζηκνπνηνχληαη νη θαηαρσξεηέο X, Y ή Z (R26 έσο R31 ζε δεχγε) σο δείθηεο δηεπζχλζεο. Με ηνλ άκεζν ηξφπν πξνζπέιαζεο έρνπκε πξφζβαζε ζε νιφθιεξν ην ρψξν δεδνκέλσλ. ηελ έκκεζε πξνζπέιαζε κε κεηαηφπηζε, είλαη δπλαηή ε πξφζβαζε ζε 63 ζέζεηο δηεπζχλζεσλ κε αξρή ηε βάζε πνπ βξίζθεηαη ζηνλ θαηαρσξεηή Y ή ζηνλ θαηαρσξεηή Z. ηελ έκκεζε πξνζπέιαζε κε κείσζε εθ ησλ πζηέξσλ ή αχμεζε εθ ησλ πξνηέξσλ, νη θαηαρσξεηέο δηεπζχλζεσλ X, Y θαη Z κεηψλνληαη ή απμάλνληαη αληίζηνηρα. Ζ δηεπζπλζηνδφηεζε απηψλ ησλ ηξηψλ πεξηνρψλ (αξρείν θαηαρσξεηψλ, κλήκε εηζφδνπ εμφδνπ θαη SRAM) είλαη ζπλερφκελε φπσο θαίλεηαη ζηελ εηθφλα

43 Δικόνα 5.3: Υάξηεο ηεο κλήκεο δεδνκέλσλ. Ο ATmega128A πεξηιακβάλεη επηπιένλ κλήκε δεδνκέλσλ EEPROM ησλ 4Κ bytes πνπ είλαη νξγαλσκέλε ρσξηζηά θαη απφ ηελ νπνία κπνξνχλ λα δηαβαζηνχλ θαη λα γξαθνχλ κνλά bytes. Έρεη δηάξθεηα δσήο ηνπιάρηζηνλ θχθινπο εγγξαθήο / δηαγξαθήο θαη ε επηθνηλσλία ηεο κε ηελ CPU θαζνξίδεηαη κέζσ εηδηθψλ θαηαρσξεηψλ δηεχζπλζεο, δεδνκέλσλ θαη ειέγρνπ. 5.4 ύζηημα σπονιζμού ηελ εηθφλα 5.4 θαίλεηαη ην βαζηθφ ζχζηεκα ρξνληζκνχ ηνπ AVR θαζψο θαη ε δηαλνκή ησλ ξνινγηψλ. Γελ είλαη αλαγθαίν λα είλαη φια ηα ξνιφγηα ελεξγά θάζε ρξνληθή ζηηγκή. Γηα ιφγνπο νηθνλνκίαο ηεο ελέξγεηαο πνπ θαηαλαιψλεηαη, ηα ξνιφγηα πνπ δελ ρξεζηκνπνηνχληαη κπαίλνπλ ζε θαηάζηαζε χπλνπ (sleep mode). Σν ξνιφη ηεο CPU (clk CPU ) νδεγείηαη ζηα ηκήκαηα ηνπ ζπζηήκαηνο ηα ζρεηηθά κε ηε ιεηηνπξγία ηνπ ππξήλα ηνπ AVR, φπσο γηα παξάδεηγκα ην αξρείν θαηαρσξεηψλ γεληθήο ρξήζεο, ν θαηαρσξεηήο θαηάζηαζεο θαη ν δείθηεο ζηνίβαο. Παχζε ηεο ιεηηνπξγίαο ηνπ ξνινγηνχ ηεο CPU νδεγεί ηνλ ππξήλα ζε αδπλακία εθηέιεζεο γεληθψλ ιεηηνπξγηψλ θαη ππνινγηζκψλ. 43