ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ ΜΟΥΣΕΙΟΥ ΜΥΛΩΝΑΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Α.Ε.Μ 227

Transcript

1 ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ ΜΟΥΣΕΙΟΥ ΜΥΛΩΝΑΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Α.Ε.Μ 227 ΕΠΙΒΛΕΠΟΝΤΕΣ ΝΙΚΟΛΑΡΟΠΟΥΛΟΣ ΕΥΑΓΓΕΛΟΣ (ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΟΣ ΣΥΝΕΡΓΑΤΗΣ) ΜΗΤΣΑ ΚΑΤΕΡΙΝΑ (ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ) Τμήμα Βιομηχανικής Πληροφορικής Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ιδρυμα Καβάλας Καβάλα 2007

2 ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ ΜΟΥΣΕΙΟΥ ΜΥΛΩΝΑΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Α.Ε.Μ 227 ΕΠΙΒΛΕΠΟΝΤΕΣ ΝΙΚΟΛΑΡΟΠΟΥΛΟΣ ΕΥΑΓΓΕΛΟΣ (ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΟΣ ΣΥΝΕΡΓΑΤΗΣ) ΜΗΤΣΑ ΚΑΤΕΡΙΝΑ (ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ) Τμήμα Βιομηχανικής Πληροφορικής Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ιδρυμα Καβάλας Καβάλα

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται σημαντική αύξηση στην χρήση των μικροελεγκτών στα συστήματα συναγερμών. Ο μικροελεγκτής είναι ένα μικρουπολογιστικό σύστημα το οποίο διαθέτει επεξεργαστή, μνήμη για προγραμματισμό, μνήμη για αποθήκευση δεδομένων, μετατροπείς αναλογικού σήματος σε ψηφιακό και διάφορες επαφές που διευκολύνουν την επικοινωνία του με τον υπολογιστή και με περιφερειακές συσκευές. Διαθέτει την ικανότητα να επικοινωνήσει με το περιβάλλον του είτε λαμβάνοντας σήματα μέσω των μετατροπέων είτε εκπέμποντας σήματα μέσω των ακροδεκτών εξόδου. Για την δημιουργία ενός πρότυπου συστήματος συναγερμού μουσείου σε μακέτα απαιτείται η γνώση προγραμματισμού του μικροελεγκτή, η γνώση λειτουργίας των διαφόρων αισθητήρων και του μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό και η γνώση της οθόνης LCD και του πληκτρολογίου Matrix για την διεπαφή του ανθρώπου με το σύστημα. Η επιλογή του κατάληλλου μικροελεγκτή πραγματοποιήθηκε ανάλογα με τις απαιτήσεις του συστήματος. Για να μην χρησιμοποιηθεί εξωτερικός A/D μετατροπέας επιλέχθηκε μικροελεγκτής με εσωτερικό μετατροπέα ο οποίος διαθέτει 8 κανάλια μετατροπής με 10 bits το καθένα. Επιπλέον είναι αναγκαία η διαθεσιμότητα πολλών ακροδεκτών εισόδου/εξόδου. Πρόσθετα χρειάζεται ένας μικροελεγκτής με ικανοποιητική σε μέγεθος μνήμη για την αποθήκευση και την εκτέλεση μεγάλου προγράμματος. Συνοψίζοντας τις απαιτήσεις επιλέχθηκε ο μικροελεγκτής ATMega16 της οικογένειας AVR. Στο σύστημα που κατασκευάστηκε είναι αντιληπτό ότι έγινε η χρήση πολύπλοκων αισθητήρων και δύσκολων σε χρήση οργάνων. Εφαρμόστηκε τεχνική ανατροφοδότησης ώστε το σύστημα να ανταποκρίνεται και να ελέγχει τις συνθήκες καλής λειτουργίας. Στόχος της εργασίας να αναπτύξει ένα σύστημα συναγερμού με μικροελεγκτή και πολλών ειδών αισθητήρες. Επίσης κρίνεται αναγκαίο να σχεδιαστεί και να υλοποιηθεί και να καλύπτει όλα τα αναγκαία μέτρα ασφαλείας για τον χώρο που τοποθετείται ο συναγερμός

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 - ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Εισαγωγή... 4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 - ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΠΤΥΧΙΑΚΗΣ - ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ - ΛΥΣΕΙΣ...8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 - ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗ 3.1 Εισαγωγή στα Μικρουπολογιστικά συστήματα Περιγραφή του Μικροελεγκτή AVR ATMega ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 - ΒΑΣΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΟΘΟΝΗ - ΠΛΗΚΤΡΟΛΟΓΙΟ - Α/D 4.1 Οθόνη LCD Πληκτρολόγιο Matrix Μετατροπέας Αναλογικού σήματος σε Ψηφιακό A/D...49 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 - ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 5.1 Πιεζοηλεκτρικός αισθητήρας Υδραργυρικός αισθητήρας Αισθητήρας Φωτοαντίστασης Πομποδέκτης Υπερύρθρων Αισθητήρας Θερμοκρασίας Κινητήρας DC Ανιχνευτής Κίνησης...66 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 - ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ 6.1 Σχεδιασμός και Υλοποίηση Μακέτας Έλεγχος καλής λειτουργίας...68 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 7.1 Συμπεράσματα

5 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α Εγχειρίδιο Χρήσης...73 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β Απαιτήσεις Συστήματος...75 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ Προδιαγραφές Συστήματος ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Δ Διάγραμμα Ροής...87 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Ε Πίνακες περιγραφής των ηλεκτρονικών στοιχείων ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΣΤ Κώδικας Προγράμματος Μικροελεγκτή σε γλώσσα προγραμματισμού ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 - ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Εισαγωγή Η εργασία έχει αντικείμενο μελέτης την κατασκευή προσομοιωτή συναγερμού με χρήση μικροελεγκτή και πολλών τύπων αισθητήρων. Στόχος είναι η προστασία από την παραβίαση των εσωτερικών χώρων του μουσείου όσο και κάποιες επιπλέον παραμέτρους καλής λειτουργίας, όπως ο έλεγχος της θερμοκρασιακής μεταβολής. Στην προσπάθεια να κατασκευαστεί ένα αξιόπιστο και ασφαλές σύστημα συναγερμού χρησιμοποιήθηκε μικροελεγκτής. Ο μικροελεγκτής με την χρήση προγραμματισμού μπορεί να οδηγήσει και να χειριστεί πάρα πολλές εφαρμογές με ηλεκτρονικά κυκλώματα και πολλών ειδών αισθητήρων. Στο εμπόριο υπάρχουν πολλοί τύποι και διάφορες μάρκες μικροελεγκτών (π.χ Motorola, Microchip, Atmel). Για λόγους πρακτικούς, ευχρηστίας και οικονομίας επιλέχθηκε μικροελεγκτής της Atmel και συγκεκριμένα ο ATMega16. Ο συγκεκριμένος μικροελεγκτής διακρίνεται από την παρακάτω ιδιότητα: έχει ενσωματωμένο αναλογικό σε ψηφιακό μετατροπέα για να μπορεί να προσαρμόσει τους αισθητήρες οι οποίοι, όπως είναι γνωστό, δίνουν διάφορες τάσεις στα άκρα τους. Ο μικροελεγκτής μπορεί να καταλάβει από τις εισόδους του τάση 0V ή 5V. Για να μπορεί να ανιχνεύσει τάσεις από 0 έως 5V χρειάζεται ο μετατροπέας αναλογικού σε ψηφιακό. Για την επικοινωνία του μικροελεγκτή με το περιβάλλον, εκτός από τον μετατροπέα του αναλογικού σε ψηφιακό, χρησιμοποιήθηκαν διάφοροι αισθητήρων. Επιλέχθηκε ο υδραργυρικός αισθητήρας, ο οποίος τοποθετήθηκε στους τοίχους του μουσείου για να εντοπίζει τυχόν παραβιάσεις από τους τοίχους. Χρησιμοποιήθηκε ο πιεζοηλεκτρικός αισθητήρας, ο οποίος τοποθετήθηκε στο πάτωμα του μουσείου για να εντοπίζει ανθρώπινη παρουσία που κινείται περπατώντας στο πάτωμα, είτε παραβίαση από το έδαφος. Για τον οποιοδήποτε εντοπισμό κίνησης στον χώρο χρησιμοποιήθηκε ανιχνευτής κίνησης υπέρυθρης ακτινοβολίας. Επίσης, τοποθετήθηκε στην είσοδο πομποδέκτης υπερύθρων ώστε να ανιχνεύει οποιαδήποτε κίνηση στην είσοδο. Η χρήση ενός επιπλέον αισθητήρα, της φωτοαντίστασης, παρέχει πληροφορίες σχετικά με την φωτεινότητα του χώρου. Επιπρόσθετα, χρησιμοποιήθηκε ο αισθητήρας θερμοκρασίας LM35, ο οποίος έχει διακριτική ικανότητα 1 C, για την παρακολούθηση των θερμοκρασιακών αλλαγών μέσα στο μουσείο. Ο ίδιος χρησιμοποιήθηκε για τον έλεγχο θερμοκρασίας μέσω ανατροφοδότησης. Οταν η θερμοκρασία κατέβει ένα συγκεκριμένο όριο ο μικροελεγκτής, ο οποίος ελέγχει την θερμοκρασία κάθε 100ms περίπου, ενεργοποιεί ένα ανεμιστήρα για να ψύξει τον κλειστό χώρο του μουσείου έως ότου η θερμοκρασία να φτάσει στην επιθυμητή τιμή. Σε περίπτωση συναγερμού ενεργοποιείται η σειρήνα (buzzer) και ενεργοποιείται η πτώση του κλωβού ασφαλείας. Για την επαφή του μικροελεγκτή με τον χρήστη επιλέχθηκαν να χρησιμοποιηθούν μια οθόνη υγρών κρυστάλλων LCD και ένα πληκτρολόγιο Matrix 16 ψηφίων. Χρησιμοποιήθηκε οθόνη 2 γραμμών και 16 χαρακτήρων για την απεικόνιση πολλών χαρακτήρων και λειτουργιών. Συγκεκριμένα η οθόνη απεικονίζει συνέχεια την θερμοκρασία χώρου και την φωτεινότητα του. Επίσης, απεικονίζει ποιός αισθητήρας ενεργοποιήθηκε όταν χτύπησε ο συναγερμός. Τέλος επιλέχθηκε πληκτρολόγιο matrix 16 χαρακτήρων για την διαθεσιμότητα πολλών χαρακτήρων για την επιλογή κωδικού και για την χρήση πρόσθετων λειτουργιών (enter, delete κ.α.). Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται το αντικείμενο της πτυχιακής και αναλύονται τα προβλήματα που έπρεπε να λυθούν και οι λύσεις τους

7 Στο τρίτο κεφάλαιο της εργασίας αναφέρονται τα μικρουπολογιστικά συστήματα και γίνεται μια εισαγωγή στους μικροελεγκτές ιδιαίτερα της οικογένειας AVR της Atmel. Περιγράφεται και αναλύεται η μνήμη ενός μικρουπολογιστικού συστήματος και του μικροελεγκτή. Στην συνέχεια περιγράφεται το ρολόι του συστήματος και αναφέρονται οι χρήσεις και οι λειτουργίες του αναλυτικά. Γίνεται μια διεξοδική αναφορά στους κύκλους εντολής μηχανής και ρολογιού. Επίσης εξηγούνται οι θύρες Εισόδου / Εξόδου και η σειριακή θύρα χρήσιμες για την επικοινωνία του μικροελεγκτή με το περιβάλλον και τον υπολογιστή. Ακόμη περιγράφονται ειδικές λειτουργίες όπως οι Χρονιστές και οι Μετρητές, ο ελεγκτής διακοπών και η λειτουργία της μνήμης απευθείας προσπέλασης. Στο δεύτερο κομμάτι του κεφαλαίου αναγράφεται μια αναλυτικότερη περιγραφή του μικροελεγκτή ATMega16. Συγκεκριμένα αναλύονται τα χαρακτηριστικά του, η αρχιτεκτονική του, το ρολόι συστήματος και την μνήμη που χρησιμοποιεί και περιγράφεται με λεπτομέρεια η κάθε θύρα του. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναφέρονται αναλυτικά βασικά στοιχεία του συστήματος την οθόνη, το πληκτρολόγιο και ο αναλογικός σε ψηφιακό μετατροπέας. Αναλύεται η οθόνη LCD, η λειτουργία της, η χρήση της, οι δυνατότητες της και η χρησιμότητα της. Ομοίως περιγράφεται η λειτουργία του πληκτρολογίου και η χρήση του σε συνδυασμό με τον μικροελεγκτή. Τέλος αναλύεται ο A/D μετατροπέας, εξηγείται ποιά είναι η χρησιμότητα του και πώς μετατρέπει το αναλογικό σήμα σε ψηφιακό. Το πέμπτο κεφάλαιο αναφέρεται στους αισθητήρες που χρησιμοποιούνται στην εργασία. Αυτοί είναι ο πιεζοηλεκτρικός αισθητήρας, ο υδραργυρικός αισθητήρας, ο αισθητήρας θερμοκρασίας, ο πομποδέκτης υπερύθρων, ο ανιχνευτής κίνησης και η φωτοαντίσταση. Επίσης περιγράφεται η λειτουργία του σερβοκινητήρα και η χρήση του για την ενεργοποίηση του κλωβού προστασίας. Για κάθε αισθητήρα γίνεται αναφορά στο κύκλωμα που χρησμοποιήθηκε για την προσαρμογή του στην είσοδο του A/D, όπως επίσης και ο κώδικας που χρησιμοποιήθηκε από τον μικροελεγκτή για την λειτουργία του. Στο έκτο κεφάλαιο γίνεται μια μικρή αναφορά για τον σχεδιασμό και την υλοποίηση της μακέτας. Επίσης αναφέρεται ο έλεγχος καλής λειτουργίας και η κοστολόγηση του συστήματος. Στο έβδομο και τελευταίο κεφάλαιο συνοψίζονται τα συμπεράσματα του συστήματος συναγερμού του μουσείου. Στο τέλος της εργασίας υπάρχουν παραρτήματα που βοηθούν στην καλύτερη κατανόηση του έργου. Συγκεκριμένα υπάρχει εγχειρίδιο χρήσης (Παράρτημα Α) για να βοηθήσει τον κάθε χρήστη του συναγερμού να τον χειριστεί. Στο Παράρτημα Β γίνεται αναφορά στις απαιτήσεις ενώ στο Παράρτημα Γ αναφέρονται οι προδιαγραφές του συστήματος. Στο Παράρτημα Δ δίνεται το διάγραμμα ροής του προγράμματος που χρησιμοποιήθηκε και στο Παράρτημα Ε συνοψίζονται τα εργοστασιακά χαρακτηριστικά των ηλεκτρονικών στοιχείων που χρησιμοποιήθηκαν. Τέλος, στο τελευταίο παράρτημα παρατίθεται ο κώδικας του προγράμματος σε γλώσσα C

8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 - ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΠΤΥΧΙΑΚΗΣ - ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ-ΛΥΣΕΙΣ Η εργασία έχει αντικείμενο μελέτης την κατασκευή προσομοιωτή συναγερμού με χρήση μικροελεγκτή και πολλών τύπων αισθητήρων. Στόχος είναι η προστασία από την παραβίαση των εσωτερικών χώρων του μουσείου όσο και κάποιες επιπλέον παράμετροι καλής λειτουργίας, όπως ο έλεγχος της θερμοκρασιακής μεταβολής. Για να υλοποιηθεί ένα, όσον το δυνατόν, πιο ρεαλιστικό και αξιόπιστο σύστημα συναγερμού γίνεται χρησιμοποιήθηκαν πολλοί διαφορετικοί τύποι αισθητήρων. Χρησιμοποιήθηκαν υδραργυρικοί αισθητήρες οι οποίοι τοποθετήθηκαν στους εξωτερικούς τοίχους. Σε περίπτωση παραβίασης από τον τοίχο ενεργοποιείται ο αισθητήρας αντιλαμβάνοντας μια τέτοιου είδους δόνηση. Οι πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες τοποθετήθηκαν κάτω από το πάτωμα (σε τυχαίες θέσεις-πλακάκια) ώστε σε κάθε μεταβολή δύναμης-βάρος του παραβάτη να ενεργοποιείται ο συναγερμός. Επίσης τοποθετήθηκε (ενδεικτικά ένας) ανιχνευτής κίνησης σε σε συγκεκριμένη γωνία του χώρου με μεγάλο οπτικό πεδίο, ο οποίος ελέγχει για οποιαδήποτε κίνηση στο χώρο. Στην είσοδο του μουσείου εγκαταστάθηκε ένας πομποδέκτης υπερύθρων. Όταν ο παραβάτης διακόψει την συνεχή (αόρατη) δέσμη υπερύθρων που εκπέμπει ο πομπός στον δέκτη ενεργοποιείται ο συναγερμός. Ο στόχος του αισθητήρα θερμοκρασίας είναι να ελέγχει διαρκώς τις κλιματολογικές συνθήκες ώστε να είναι σε λογικά όρια. Όταν η θερμοκρασία ανέβει πάνω από ένα συγκεκριμένο όριο (30 C) ενεργοποιείται ένας ανεμιστήρας ο οποίος ελλατώνει την θερμοκρασία στον χώρο μέχρι να φτάσει στην επιθυμητή τιμή (24-29 C). Στις επιπλέον παραμέτρους καλή λειτουργίας του μουσειακού χώρου συμβάλλει και η φωτοαντίσταση, η οποία ελέγχει την φωτεινότητα στον χώρο. Για την επιπλέον προστασία ενός εκθέματος κρίθηκε αναγκαία η χρήση ενός κλωβού ασφαλείας. Η κίνηση του κλωβού και προς τις δύο κατευθύνσεις (βύθισηανύψωση) πραγματοποιείται με την αλλαγή πολικότητας σε έναν μηχανισμό σερβοκινητήρα (ένας απλός κινητήρας π.χ ανεμιστήρας μπορεί να κινηθεί μόνο προς μια κατεύθυνση). Για την απεικόνιση διαφόρων μηνυμάτων όπως η θερμοκρασία περιβάλλοντος σε oc, η φωτεινότητα χώρου και ποιός αισθητήρας έθεσε τον συναγερμό σε λειτουργία τοποθετήθηκε οθόνη LCD 16x2 (δύο γραμμές από δεκαέξι χαρακτήρες). Η χρήση της συγκεκριμένης LCD οθόνης ήταν επιβεβλημένη καθώς οθόνες με περισσότερους χαρακτήρες και καλύτερης ποιότητας κρίνονται λόγω τιμής απαγορευτικές. Η εισαγωγή ενός τετραψήφιου κωδικού μέσω ενός πληκτρολογίου Matrix 4x4 συμπληρώνει την αξιοπιστία του συναγερμού. Η χρήση όλων των παραπάνω (καθώς και η μεταξύ τους αλληεπίδραση) γίνεται με την χρήση ενός μικροελεγκτή, οποίος διαθέτει το επιπλέον χαρακτηριστικό του ενσωματωμένου A/D controller (μετατροπέας από αναλογικό σε ψηφιακό). Για αυτό τον λόγο επιλέχθηκε ο μικροελεγκτής ATMega16 της AVR ανάμεσα σε πολλούς άλλους. Έτσι, λοιπόν, χάρη στον ADC ο ATMega16 μπορεί να διαβάσει την τάση στα άκρα του κάθε αισθητήρα (πχ. αισθητήρας θερμοκρασίας LM35 ), να το μετατρέψει σε βαθμούς C και να το απεικονίσει στην LCD οθόνη. Πρέπει να αναφερθεί οτι η χρήση των παραπάνω αισθητήρων στην μακέτα 1m x 1m μπορεί να είναι μόνο ενδεικτική καθώς η ενεργοποίηση του ADC (προγραμματιστικά) στον μικροελεγκτή ATMega16 δεσμεύει 8 από τους 32 διαθέσιμους ακροδέκτες. Συνεπώς η τοποθέτηση περισσότερων αισθητήρων ( για να επιτευχθεί μεγαλύτερη ασφάλεια ) απαιτεί και χρήση δεύτερου μικρελεγκτή. Για λόγους όμως οικονομίας και πρακτικότητας χρησιμοποιήθηκε μόνο ένας

9 Επίσης ο συγκεκριμένος μικροελεγκτής διαθέτει 32 ακροδέκτες (είσοδοι/έξοδοι) Ο κώδικας του μικροελεγκτή γράφτηκε σε γλώσσα C και πραγματοποιήθηκε με το AVR Studio 4 και με την βοήθεια του C compiler gcc (διατίθενται και άλλοι στην αγορά π.χ CodeVision). Χωρίς την χρήση compiler το Studio 4 καταλαβαίνει μόνο assembly. Η C είναι πιο εύχρηστη, προσιτή και έχει πολύ μεγάλες δυνατότητες. Ο προγραμματισμός και το download στον μικροελεγκτή από τον υπολογιστή πραγματοποιήθηκε μέσω σειριακής επικοινωνίας του υπολογιστή με την πλακέταπρογραμματιστή STK 500 της ATMEL (πάνω στον οποίο τοποθετείται ο μικροελεγκτής). Επιλέχθηκε ο συγκεκριμένος προγραμματιστής για λόγους ευχρηστίας και οικονομομίας. Το συγκεκριμένο σύστημα παρέχει ένδειξη καλής λειτουργίας όσον αφορά την τροφοδοσία από ενδεικτικό Led (κόκκινο) στην πλακέτα AVR STK500. Δεν κάνει ουσιώδη έλεγχο τον εαυτό του. Ο μικροελεγκτής έχει την δυνατότητα σε περίπτωση ανώμαλης λειτουργίας να ξαναεκκινεί το πρόγραμμα που εκτελείται στον μικροελεγκτή. Επίσης το συγκεκριμένο σύστημα ελέγχει με σχεδόν παράλληλη επεξεργασία τους αισθητήρες. Ο μικροελεγκτής ελέγχει την κατάσταση του κάθε αισθητήρα κάθε 100ms, ο οποίος είναι ελάχιστος χρόνος ώστε να θεωρηθεί το σύστημα γρήγορο. Μια πιο λεπτομερής επεξήγηση του τρόπου λειτουργίας του κάθε αισθητήρα ή γενικά στοιχείου που χρησιμοποιήθηκε στον συναγερμό του μουσείου γίνεται στα αμέσως επόμενα κεφάλαια. Παρακάτω στο σχήμα 2.1 παρουσιάζεται ο χώρος του μουσείου με ενδεικτικά τοποθετημένους αισθητήρες ενώ στο σχήμα 2.2 χωρίς περιορισμούς. Σχήμα 2.1. Χώρος μουσείου (ενδεικτικά τοποθετημένοι αισθητήρες) - 9 -

10 Πιεζοπλεκτρικος Αισθητήρας Υόραργυρικος Αισθητήρας Ιερβοκινητηρας Κλούβα Ασφαλείας Ανιχνευτής Κίνησης Υόραργυρικος Αισθητήρας Ανιχνευτής Κίνησης Φ ωτοοντισταση Δωμάτιο Ελέγχου Ο Αισθητήρας Θερμοκρασίας m Ανεμιστήρας Δωμάτιο Ελέγχου ΙΧ Θ Οθόνη Πομττος ^ Υπέρυθρων πιεζοηλεκτρικος Αισθητήρας Δέκτης I Υ π έρυθρω ν Περιφερειακό κυκλώματα Matrix Πληκτρολονιο Εισοόος Σειρήνα Σχήμα 2.2 Χώρος μουσείου με περισσότερους αισθητήρες (χωρίς περιορισμούς) Η αρχιτεκτονική του συστήματος σε διάγραμμα φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 2.3. Αρχιτεκτονική Συστήματος

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 - ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗ 3.1 Εισαγωγή στα Μικρουπολογιστικά συστήματα Αν συγκρίνει κανείς τις δυνατότητες των μικροεπεξεργαστών ή μικροελεγκτών που χρησιμοποιούνται σε μικροϋπολογιστικά συστήματα με τις αντίστοιχες των επεξεργαστών των μεγάλων συστημάτων (mainframes) ή ακόμα και των προσωπικών υπολογιστών (PC) η διαφορά είναι μεγάλη σε πολλά επίπεδα. Οι ταχύτητες λειτουργίας είναι χαμηλότερες, τα μεγέθη μνήμης που μπορούν να διαχειριστούν πολύ περιορισμένα κλπ. Όμως μια τέτοια σύγκριση είναι άδικη δεδομένου ότι δεν προορίζονται για τις ίδιες εφαρμογές. Παρότι πριν από χρόνια επεξεργαστές 8- bit χρησιμοποιούνταν ευρέως σε προσωπικούς υπολογιστές, σήμερα η χρήση τους είναι τελείως διαφορετική. Υπάρχει μια σειρά από εφαρμογές ειδικού σκοπού που δεν έχουν την ανάγκη των επιδόσεων των σύγχρονων επεξεργαστών 32-bit. Σαν τέτοιες εφαρμογές μπορεί να αναφέρει κανείς τους ενσωματωμένους μικροϋπολογιστές σε οικιακές συσκευές, συστήματα ασφαλείας, συστήματα ελέγχου αυτοκινήτων, ρομποτικά συστήματα, παραγωγικές μονάδες όπως θερμοκήπια και βιοτεχνίες, όργανα μετρήσεων όπως ιατρικά και ηλεκτρονικά όργανα, μετεωρολογικοί σταθμοί, παιχνιδομηχανές κλπ. Σε τέτοιες εφαρμογές η χρήση ισχυρότερων επεξεργαστών από αυτούς που πραγματικά χρειάζονται προσθέτει όχι μόνο κόστος που μπορεί να είναι πολύ κρίσιμο αλλά και ανεπιθύμητη αύξηση πολυπλοκότητας, κατανάλωσης, διαστάσεων κλπ. Για το λόγο αυτό διατίθεται σήμερα μια πλειάδα μικροελεγκτών που ενσωματώνουν στο ίδιο ολοκληρωμένο κύκλωμα την ΚΜΕ μαζί με έναν αριθμό περιφερειακών (μνήμη, χρονιστές/μετρητές, ακροδέκτες γενικής χρήσης, DAC και ADC, σειριακές και παράλληλες θύρες επικοινωνίας κα). Διαλέγοντας τον κατάλληλο μικροελεγκτή για μία εφαρμογή μπορεί να ελαχιστοποιηθεί το πλήθος των απαιτούμενων εξωτερικών εξαρτημάτων. Σε εφαρμογές που οι ανάγκες μνήμης ξεφεύγουν πολύ από τα μεγέθη που διαθέτουν οι ενσωματωμένες μνήμες σε μικροελεγκτές, είναι δυνατή η χρήση κάποιου μικροεπεξεργαστή στους διαύλους του οποίου μπορούν να συνδεθούν μνήμη κατάλληλου μεγέθους και τα απαραίτητα περιφερειακά. Ξεκινώντας από τα πιο στοιχειώδη τμήματα ενός υπολογιστή, μπορεί να ειπωθεί ότι ανεξάρτητα από τα μεγέθη όλα τα μικροϋπολογιστικά συστήματα καθώς και οι μεγαλύτεροι υπολογιστές αποτελούνται από τα ίδια βασικά τμήματα: ΚΜΕ, μονάδες I/O, μνήμη, και σύστημα χρονισμού (ρολόι). Η ΚΜΕ διαχειρίζεται πληροφορία σύμφωνα με τις οδηγίες ενός προγράμματος εντολών. Διαχειρίζεται επίσης ένα πλήθος γραμμών ελέγχου που της δίνουν τη δυνατότητα να ελέγξει τα περιφερειακά και να επικοινωνήσει με τον έξω κόσμο. Μερικά περιφερειακά εισόδου χρειάζεται να μετατρέψουν αναλογικά σήματα σε δυαδικά ψηφία που σε επίπεδο κυκλώματος αντιστοιχούν σε 0 και 5V τάση (πχ αισθητήρας θερμοκρασίας). Αλλες μονάδες εισόδου που στηρίζονται στη χρήση διακόπτουν μπορούν να παράσχουν κατευθείαν τις δύο αυτές καταστάσεις όπως ένα πληκτρολόγιο. Τις καταστάσεις αυτές τις δέχεται η ΚΜΕ σαν είσοδο. Στις συσκευές εξόδου η ΚΜΕ αποστέλλει ψηφιακά δεδομένα τα οποία οι συσκευές αυτές μπορούν να μετατρέψουν σε άλλης μορφής σήματα για να δώσουν στον έξω κόσμο τα αποτελέσματα της επεξεργασίας των δεδομένων εισόδου. Τέτοιες συσκευές μπορεί να είναι οθόνες, beeper, ρελέ κλπ. Ένα υπολογιστικό σύστημα διαθέτει συνήθως περισσότερες από μία μονάδες εισόδου/εξόδου

12 Σχήμα 3-1. Αρχιτεκτονική ενός μικροϋπολογιστικού συστήματος Υπάρχει συχνά σημαντική διαφορά μεταξύ των μονάδων εισόδου και εξόδου ενός μικροϋπολογιστικού συστήματος και των άλλων υπολογιστών όπως πχ ενός προσωπικού υπολογιστή. Σε έναν προσωπικό υπολογιστή η βασική μονάδα εισόδου είναι το πληκτρολόγιο και το ποντίκι ενώ συμπληρωματική είσοδος μπορεί να δοθεί από συσκευές όπως ο σαρωτής, το μικρόφωνο κλπ. Επίσης σε ένα PC η κύρια έξοδος είναι η οθόνη και ο εκτυπωτής. Δεδομένου όμως ότι ένα μικροϋπολογιστικό σύστημα προορίζεται σήμερα κυρίως για εφαρμογές ελέγχου, οι είσοδοι και έξοδοι του είναι σήματα από αισθητήρες (sensors) και ενεργοποιητές (actuators) ή διακόπτες. Πχ, σε ένα σύστημα συναγερμού ο ενσωματωμένος μικροεπεξεργαστής δέχεται είσοδο από αισθητήρες υπερύθρων ακτινών, θορύβου, καπνού, υγρασίας κλπ για να ανιχνεύσει αν εισήρθε κάποιος ή αν έχει εκδηλωθεί πυρκαγία/πλημμύρα στον προστατευόμενο χώρο. Η κύρια έξοδος ενός τέτοιου συστήματος είναι η σειρήνα, ο φάρος και η κλήση τηλεφώνου (dialer). Στα περισσότερα συστήματα συναγερμού υπάρχει ένα στοιχειώδες πληκτρολόγιο (keypad) και μια LCD οθόνη, των ρποίων όμως η χρήση είναι περισσότερο βοηθητική Κυριότερες Περιφερειακές Συσκευές Η Μνήμη σε μικροϋπολογιστικά συστήματα Η μνήμη ενός μικροϋπολογιστικού συστήματος αποθηκεύει τα προγράμματα και τα δεδομένα. Σε Von Neumann αρχιτεκτονικές η μνήμη έχει ένα ενιαίο χώρο φυσικών διευθύνσεων. Για παράδειγμα, ένας μικροεπεξεργαστής με 16-bit δίαυλο διευθύνσεων μπορεί να δει μέχρι θέσεις μνήμης με ίδιο μήκος λέξης. Κάποια τμήματα αυτού του χώρου διευθύνσεων μπορεί να χρησιμοποιηθούν από μνήμη RAM, ROM ή και περιφερειακά. Ακόμα και στην RAM είναι δυνατό να μεταφερθούν προγράμματα από την ROM ή από κάποια εξωτερική συσκευή και να εκτελεστούν. Η αρχιτεκτονική Harvard που είναι πολύ δημοφιλής στους μικροελεγκτές διαφέρει στο ότι ο χώρος διευθύνσεων προγράμματος είναι τελείως ανεξάρτητος από εκείνον των δεδομένων

13 Το μήκος των λέξεων στο χώρο του προγράμματος μπορεί να είναι διαφορετικό από το μήκος των λέξεων στο χώρο των δεδομένων. Οι εντολές (εκτός από εκείνες άλματος) στα προγράμματα μπορούν να πάρουν σαν ορίσματα διευθύνσεις του χώρου των δεδομένων. Όσον αφορά τα είδη μνήμης ROM που συναντάμε σε μικροϋπολογισπκά συστήματα σήμερα, θα πρέπει να σταθούμε στη μνήμη Flash που είναι ο οικονομικότερος επαναπρογραμματιζομενος τύπος. Η μνήμη αυτή διατίθεται συχνά σε μεγέθη που φτάνουν αρκετά KB ενσωματωμένη σε μικροελεγκτές αλλά και σε ανεξάρτητα ολοκληρωμένα κυκλώματα. Ο επαναπρογραμματισμός της γίνεται ηλεκτρονικά με την τάση λειτουργίας του υπολοίπου κυκλώματος αφού εγγραφούν ειδικοί κωδικοί που ξεκλειδώνουν τη μνήμη. Σε κάθε επανεγγραφή θα πρέπει να σβηστεί ένα ολόκληρο μπλοκ αλλά πάντως δεν χρειάζεται να επανεγγραφεί ολόκληρη. Η EEPROM είναι μια ηλεκτρικά επανεγγράψιμη μνήμη που όμως είναι αρκετά πιο ακριβή από τη Flash. Κάθε θέση μνήμης μπορεί να επανεγγραφεί μεμονωμένα. Στους μικροελεγκτές διατίθεται σαν περιορισμένος αριθμός θέσεων και χρησιμοποιείται κυρίως για να αποθηκεύονται πληροφορίες διαμόρφωσης (configuration) του συστήματος. Μια άλλη επανεγγράψιμη μνήμη προγράμματος είναι η EPROM της οποίας το σβήσιμο γίνεται με υπεριώδεις ακτίνες. Οι παραπάνω τύποι μνήμης χρησιμοποιούνται κυρίως κατά την ανάπτυξη του μικροϋπολογιστικού συστήματος επειδή το πρόγραμμα εφαρμογής (firmware) μπορεί εύκολα να τροποποιηθεί ή να ξαναγραφτεί πολλές φορές. Όταν το firmware φτάσει στην τελική μορφή του αντί της Flash ή της EPROM που χρησιμοποιήθηκε για την ανάπτυξη του, μπορεί να χρησιμοποιηθεί συμβατή One Time Programmable (OTP) ROM για την παραγωγή. Η ΟΤΡ ROM δεν είναι επανεγγράψιμη αλλά είναι πολύ πιο φτηνή από τους άλλους τύπους. Τα τελευταία χρόνια το κόστος της flash έχει μειωθεί σημαντικά προσφέροντας τη δυνατότητα να χρησιμοποιείται ακόμα και στην παραγωγή σε συστήματα που έχουν την ανάγκη να αναβαθμίζουν το λογισμικό εφαρμογής τους σε τακτά διαστήματα. Όσον αφορά την RAM, στα περισσότερα μικρούπολογιστικά συστήματα χρησιμοποιείται στατική μνήμη παρότι είναι πιο ακριβή δεδομένου ότι το απαιτούμενο πλήθος θέσεων μνήμης ανάγνωσης-εγγραφής είναι συνήθως μικρό. Σε μικροϋπολογιστικά συστήματα με επεξεργαστές και εξωτερική μνήμη μπορούν να χρησιμοποιηθούν δυναμικές ή άλλοι τύποι RAM που προσφέρουν μεγάλα μεγέθη με πολύ χαμηλό κόστος Ρολόι Συστήματος Το ρολόι είναι η καρδιά κάθε υπολογιστικού συστήματος. Ουσιαστικά οι ακμές του σήματος αυτού πυροδοτούν κάθε στοιχειώδη ενέργεια στο εσωτερικό της ΚΜΕ ή των περιφερειακών μονάδων. Για παράδειγμα σε μία ακμή του ρολογιού βγαίνει στο δίαυλο διευθύνσεων η διεύθυνση της θέσης που βρίσκεται η επόμενη εντολή που πρέπει να προσκομιστεί. Στην επόμενη ακμή του ρολογιού μπορεί να ενεργοποιηθεί το σήμα που επιτρέπει στη μνήμη να βγάλει στο δίαυλο δεδομένων το op code της εντολής. Στην επόμενη ακμή το op code αυτό μπορεί να προσκομιστεί στη μονάδα αποκωδικοποίησης εντολών της ΚΜΕ κοκ

14 Σχήμα 3-3. Σύνδεση κρυστάλλου Οι πρώτοι μικροεπεξεργαστές απαιτούσαν περισσότερα του ενός σήματα ρολογιού με ίση συχνότητα αλλά με μη επικαλυπτόμενους παλμούς. Ο λόγος που υπήρχε η ανάγκη αυτή είναι γιατί περισσότερα σήματα ρολογιού παρέχουν περισσότερες ακμές στην ίδια μονάδα χρόνου οπότε περισσότερες ενέργειες μπορούν να δρομολογηθούν στο εσωτερικό της ΚΜΕ. Στίς σημερινές ΚΜΕ δεν υπάρχει η ανάγκη για περισσότερα του ενός σήματα ρολογιού γιατί έχουν ενσωματωμένα κυκλώματα που από ένα μπορούν να παράγουν όσα άλλα σήματα ρολογιού χρειάζεται εσωτερικά η αρχιτεκτονική τους. Μάλιστα στις περισσότερες περιπτώσεις το μόνο που απαιτείται είναι ένας κρύσταλλος που μπορεί να πετύχει την ακριβή συχνότητα λειτουργίας. Το Σχήμα 3 δείχνει ένα παράδειγμα του πως μπορεί να συνδεθεί ένας κρύσταλλος σε ένα μικροελεγκτή. Σε πολλές περιπτώσεις είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί ένα έτοιμο τετραγωνικό σήμα σαν ρολόι. Το σήμα αυτό θα πρέπει να συνδεθεί σε μία από τις εισόδους του μικροελεγκτή (πχ την 0801). Σε μια τέτοια περίπτωση ο δεύτερος ακροδέκτης (0802) μπορεί να παρέχει σαν έξοδο το ίδιο ρολόι ενισχυμένο, για χρήση από τα περιφερειακά. Επίσης πολλοί μικροελεγκτές παρέχουν έτοιμο έναν εσωτερικό ταλαντωτή Κ0 χαμηλής ακρίβειας στην ονομαστική συχνότητα που μπορεί να επιτύχει. Μια τέτοια επιλογή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μείωση κόστους (αφού δεν απαιτείται κρύσταλλος) σε εφαρμογές που δεν έχουν μεγάλες απαιτήσεις ακριβείας. Όλοι οι επεξεργαστές έχουν μια μέγιστη συχνότητα στην οποία μπορούν να λειτουργήσουν. Στις περισσότερες περιπτώσεις είναι δυνατό να χρησιμοποιηθεί και κάποια χαμηλότερη συχνότητα ρολογιού (πχ, για μείωση κατανάλωσης). Υπάρχουν ωστόσο και περιπτώσεις επεξεργαστών με εσωτερικά δυναμικά κυκλώματα στους οποίους η συχνότητα λειτουργίας δεν πρέπει να βρίσκεται έξω από κάποια άνω και κάτω όρια

15 Κύκλοι Εντολής, Μηχανής και Ρολογιού Instruction Fetch Decode Memory Read Memory Read Memory Write MCI MC2 MC3 MC4 ΤΙ Τ2 Τ3 Τ4 ΤΙ Τ2 Τ3 ΤΙ Τ2 Τ3 ΤΙ Τ2 Τ3 Σχήμα 2-4. Κύκλοι εκτέλεσης της εντολής STA mmmm Όπως είδαμε στην προηγούμενη παράγραφο το ρολόι είναι ουσιαστικά ένας τετραγωνικός παλμός σταθερής συχνότητας. Η περίοδος του ρολογιού λέγεται Κύκλος Ρολογιού (Clock Cycle). Μια εντολή γλώσσας μηχανής απαιτεί έναν αριθμό από κύκλους ρολογιού. Το σύνολο αυτό των κύκλων ρολογιού που απαιτεί η εκτέλεση μιας εντολής λέγεται Κύκλος Εντολής (Instruction Cycle). Η εκτέλεση κάθε εντολής απαιτεί μερικά διακριτά βήματα όπως είναι η προσκόμιση της εντολής, η προσπέλαση μνήμης για ανάγνωση ορίσματος, η προσπέλαση μνήμης για εγγραφή αποτελέσματος κλπ. Κάθε ένα από αυτά τα βήματα αποτελεί έναν Κύκλο Μηχανής. Στο παράδειγμα του Σχήματος 4 παρουσιάζεται ο κύκλος εκτέλεσης της εντολής STA mmmm του μικροεπεξεργαστή 8080Α που αποθηκεύει το περιεχόμενο του συσσωρευτή στη θέση μνήμης που καθορίζεται από την 16-bit διεύθυνση mmmm. Η εντολή αποτελείται από τέσσερις κύκλους μηχανής. Ο πρώτος (MC1) είναι η προσκόμιση της εντολής. Στο στάδιο αυτό προσκομίζεται από τη μνήμη το op code της εντολής, και αποκίοδικοποιείται για να καταλάβει η ΚΜΕ ποια ορίσματα πρέπει να φέρει από τη μνήμη και ποια πράξη/ενέργεια να κάνει. Αυτός ο κύκλος μηχανής διαρκεί 4 κύκλους ρολογιού. H προσκόμιση συνεχίζεται για άλλους 2 κύκλους μηχανής εφόσον για την συγκεκριμένη εντολή πρέπει να έρθουν από τη μνήμη προγράμματος τα δύο bytes της διεύθυνσης (mmmm) στην οποία θα αποθηκευθεί το περιεχόμενο του συσσωρευτή. Κάθε ένας από τους δύο αυτούς κύκλους μηχανής (MC2, MC3) αποτελείται από 3 κύκλους ρολογιού. Ο τελευταίος κύκλος μηχανής (MC4) πραγματοποιεί την εγγραφή τιις τιμής του συσσωρευτή στη μνήμη mmmm και αποτελείται από 3 κύκλους ρολογιού Θύρες Εισόδου/Εξόδου (I/O Ports) Οι I/O θύρες παρέχουν συνήθως έναν αριθμό από ακροδέκτες γενικού σκοπού. Οι ακροδέκτες αυτοί είναι ομαδοποιημένοι κατά 8 σε θύρες (ports). Για κάθε θύρα υπάρχει ένας καταχωρητής κατεύθυνσης και ένας καταχωρητής δεδομένων. Ο καταχωρητής κατεύθυνσης καθορίζει ποιοι από τους ακροδέκτες της θύρας θα είναι είσοδοι και ποιοι έξοδοι. Οι έξοδοι οδηγούνται γράφοντας μια τιμή στον καταχωρητή δεδομένων ενώ τα επίπεδα των ακροδεκτών εισόδου απεικονίζονται στα αντίστοιχα bits του καταχωρητή δεδομένων όταν αυτός διαβαστεί από την ΚΜΕ. Συχνά κάποιοι ακροδέκτες I/O θύρας έχουν πολυπλεγμένες και άλλες λειτουργίες. Μεταβολές στους ακροδέκτες εισόδου μιας θύρας I/O μπορούν να προκαλέσουν διακοπές στην ΚΜΕ Χρονιστές/Μετρητές (Timers/Counters) Οι Χρονιστές/Μετρητές είναι καταχωρητές των οποίων η τιμή αυξάνεται ή μειώνεται με βάση κάποιον παλμό αναφοράς. Αν η τιμή αυτού του καταχωρητή μεταβάλλεται με βάση κάποιο εσωτερικό ρολόι σταθερής συχνότητας τότε λέμε ότι

16 το περιφερειακό λειτουργεί ως χρονιστής. Είναι φανερό ότι στην περίπτωση αυτή εξετάζοντας το πάσο έχει αλλάξει η τιμή του χρονιστή και γνωρίζοντας τη συχνότητα του εσωτερικού ρολογιού μπορούμε να υπολογίσουμε χρονικά διαστήματα. Αν όμως ο καταχωρητής αλλάζει με βάση παλμούς που δίνονται σε έναν εξωτερικό ακροδέκτη (άρα ουσιαστικά «μετράει» τέτοιους παλμούς), λέμε ότι λειτουργεί ως Μετρητής. Συνήθως σε μια τέτοια περίπτωση μπορεί να καθορισθεί αν η τιμή του καταχωρητή θα αλλάζει στη θετική ή αρνητική ακμή του εξωτερικού παλμού. Οι Χρονιστές/Μετρητές μπορεί να είναι 8 ή 16 bit και συχνά συνοδεύονται με διαιρέτη συχνότητας που ονομάζεται Prescaler. Ο Prescaler μπορεί να δώσει στο Χρονιστή/Μετρητή τη δυνατότητα να μεταβάλλει κατά 1 την τιμή του ανά έναν αριθμό παλμών του εσωτερικού ρολογιού ή του εξωτερικού ακροδέκτη. Πχ, θέτοντας τον Prescaler στην τιμή 1/32 σημαίνει ότι η τιμή του Χρονιστή/Μετρητή θα μεταβάλλεται κατά 1 ανά 32 παλμούς του ρολογιού. Με τον τρόπο αυτό μπορούν να μετρηθούν μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα με μικρότερη όμως ακρίβεια. Οι Χρονιστές/Μετρητές μπορούν να προκαλέσουν διακοπές όταν υπερχειλίσουν δηλαδή όταν η τιμή τους μειούμενη φτάσει στο μηδέν, ή αυξανόμενη ξεπεράσει το μέγιστο (πχ, 255 για 8-bit). Επίσης μπορεί να προκαλέσουν διακοπή όταν η τιμή του καταχωρητή αυξανόμενη ή μειούμενη γίνει κάποια στιγμή ίση με μια προκαθορισμένη τιμή. Η τελευταία περίπτωση χρησιμοποιείται για την παραγωγή παλμοσειρών με ρυθμιζόμενη συχνότητα και duly cycle (Pulse Width Modulation). Επίσης είναι δυνατή η μεταφορά της τρέχουσας τιμής ενός μετρητή/χρονιστή σε κάποιο άλλο καταχωρητή όταν συμβεί ένα γεγονός σε κάποιο ακροδέκτη (Input Capture), ή να προκληθεί ένας παλμός ή μια μετάβαση δυναμικού σε κάποιο ακροδέκτη όταν ο μετρητής/χρονιστής φτάσει μια προκαθορισμένη τιμή (Output Compare) Ελεγκτής Διακοπών (Interrupt Controller) Πολλοί μ/ε διαθέτουν παραπάνω από μία εισόδους εξωτερικών διακοπούν οι οποίες έχουν διαφορετικές προτεραιότητες. Πχ, σε όλους σχεδόν τους μ/ε υπάρχουν γραμμές όπως οι ΤΝΤ, ΝΜΊ και RESET. Η πρώτη (ΤΝΤ) είναι maskable πηγή διακοπής δηλαδή μπορεί και να αγνοηθεί εσωτερικά, η ΝΜΙ δεν μπορεί να αγνοηθεί και χρησιμοποιείται για την ανίχνευση πχ, πτώσης τάσης στην τροφοδοσία. Τέλος, η RESET χρησιμοποιείται για τη σωστή αρχικοποίηση ή επανεκκίνηση του μ/ε. Η ιεράρχηση της προτεραιότητας ενός πλήθους τέτοιων διακοπών και η σωστή οδήγηση του διαύλου συστήματος για την εξυπηρέτηση τους μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση ενός ελεγκτή διακοπών. Σε παλιότερους μικροεπεξεργαστές ένας ελεγκτής διακοπών όπως ο 8259 της Intel ήταν απαραίτητος δεδομένου ότι όλες οι διακοπές προέρχονταν από περιφερειακά έξω από το ολοκληρωμένο της ΚΜΕ. Στους σημερινούς μικροελεγκτές εντούτοις, οι ελεγκτές διακοπών είναι ενσωματωμένοι μαζί με τα περιφερειακά στο ίδιο ολοκληρωμένο. Σε κάποιες περιπτώσεις η ΚΜΕ περιμένει από το περιφερειακό που προκάλεσε την διακοπή να της δώσει τη διεύθυνση της ρουτίνας εξυπηρέτησης (Ζ80) ή και να της παράσχει μια πλήρη εντολή διακλάδωσης στη ρουτίνα αυτή (8080Α). Ένας ελεγκτής διακοπών μπορεί να αναλάβει ένα τέτοιο έργο το οποίο αλλιώς θα απαιτούσε αρκετά πολύπλοκη εξωτερική λογική. Επίσης η ιεράρχηση της προτεραιότητας διακοπών μπορεί να γίνει με αρκετά εξελιγμένους δυναμικούς τρόπους (πχ, Round Robin) με τη χρήση ενός ελεγκτή διακοπών. Αν το πλήθος των διακοπών είναι περισσότερες από εκείνες που μπορεί να χειριστεί ένας ελεγκτής διακοπών τότε περισσότεροι από ένας ελεγκτές μπορούν να συνδεθούν σε αλυσιδωτή διάταξη

17 Απευθείας Προσπέλαση Μνήμης (Direct Memory Access) Σε ένα σύστημα το οποίο δεν υποστηρίζει Απευθείας Προσπέλαση της μνήμης από τις περιφερειακές συσκευές θα πρέπει η μεταφορά δεδομένων από το περιφερειακό στη μνήμη ή αντίστροφα να γίνει με τη μεσολάβηση της ΚΜΕ. Πχ, για κάθε byte που θα πρέπει να μεταφερθεί από το περιφερειακό στη μνήμη θα πρέπει η ΚΜΕ να διαβάσει το byte αυτό από το περιφερειακό στο συσσωρευτή και με μια εντολή αποθήκευσης να το μεταφέρει στην κύρια μνήμη. Η ΚΜΕ θα πρέπει να ασχοληθεί αποκλειστικά με τη μεταφορά αυτή για όσο διάστημα υπάρχουν δεδομένα που πρέπει να μετακινηθούν από το περιφερειακό στη μνήμη. Ακόμα κι αν η ΚΜΕ δεν έχει άλλη εργασία να επιτελέσει οι εντολές που πραγματοποιούν αυτή τη μεταφορά εισάγουν καθυστέρηση. 3.2 Περιγραφή του Μικροελεγκτή AVR ATMega16 Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα σύγχρονων μικροελεγκτών είναι εκείνοι της οικογένειας AVR της εταιρείας ATMEL. Οι μικροελεγκτές αυτοί προσφέρονται με ένα πλήθος εναλλακτικού αριθμού ακροδεκτών ξεκινώντας από μικρά και φτηνά ολοκληρωμένα των 8 ακροδεκτών για εφαρμογές πολύ χαμηλού κόστους με περιορισμένες απαιτήσεις σε πλήθος προγραμματιζόμενων ακροδεκτών γενικού σκοπού. Οι πιο εξελιγμένοι μικροελεγκτές της οικογένειας διαθέτουν περισσότερους από 60 προγραμματιζόμενους ακροδέκτες γενικού σκοπού. Επίσης πολλά μέλη της σειράς διατίθενται σε τρεις παραλλαγές: τους απλούς μικροελεγκτές που λειτουργούν στα 5V, τους χαμηλής κατανάλωσης στα 2.7V (κατάληξη L) και τους πολύ χαμηλής κατανάλωσης στα 1.8 V (κατάληξη V). Συνήθως οι ακροδέκτες γενικού σκοπού έχουν πολυπλεγμένες περισσότερες από μία λειτουργίες όπως για παράδειγμα είσοδοι με ικανότητα να προκαλούν διακοπή (interrupt) στον εσωτερικό επεξεργαστή, είσοδοι αναλογικών συγκριτών ή μετατροπέων αναλογικού σε ψηφιακό (ADC), είσοδοι κεντρικού ρολογιού (oscillator) ή ασύγχρονης οδήγησης μετρητών (counters), ακροδέκτες για σύνδεση με διάφορες διεπαφές όπως USART, SPI κ.α. Στα πιο εξελιγμένα μέλη της οικογένειας διατίθενται ενσωματωμένα περιφερειακά ακόμα και για την οδήγηση LCD οθόνης ή τη σύνδεση, με USB interface. Στο εσωτερικό ενός μικροελεγκτή όπως ο AVR υπάρχει ένας αριθμός από διαφορετικούς τύπους μνήμης όπως Flash για την εγγραφή του λογισμικού συστήματος (firmware), eeprom για την αποθήκευση διαφόρων παραμέτρων, καθώς και κάποιος αριθμός θέσεων μνήμης RAM για τις μεταβλητές του λογισμικού. Για το λόγο αυτό οι AVR δεν βγάζουν σε ακροδέκτες την εσωτερική αρτηρία διευθύνσεων ή δεδομένων παρά μόνο ακροδέκτες γενικού σκοπού. Το βασικό μειονέκτημα μιας τέτοιας αρχιτεκτονικής μικροελεγκτή είναι η δυσκολία επεκτασιμότητας. Πχ, αν οι απαιτήσεις σε μνήμη RAM είναι μεγάλες, ο μικροελεγκτής δεν είναι εύκολο να συνδεθεί με εξωτερική μνήμη μια και δεν έχει αρτηρία διευθύνσεων και δεδομένων. Για να γίνει αυτό θα πρέπει να υλοποιηθούν τέτοιες αρτηρίες με τη χρήση ακροδεκτών γενικού σκοπού οι οποίες ωστόσο θα ήταν αδύνατο να επιτύχουν γρήγορους χρόνους προσπέλασης της μνήμης. Επίσης η συχνότητα ρολογιού στην οποία λειτουργούν τέτοιοι μικροελεγκτές δεν ξεπερνά τα 40 Μ ^, στα πιο εξελιγμένα μοντέλα μιας σειράς όπως οι AVR. Στις παρακάτω παραγράφους θα εξετάσουμε ένα μεσαίο μοντέλο μικροελεγκτή AVR όπως είναι ο ATMega

18 3.2.1 Γενικά Χαρακτηριστικά του ATMega16 RISC Αρχιτεκτονική με 131 εντολές που εκτελούνται σε ένα κύκλο ρολογιού με ελάχιστες εξαιρέσεις. 32x8 bit γενικού σκοπού καταχωρητές. 16 MIPS στα 16 MHz. 16 Kbytes Flash μνήμη 1 Kbytes SRAM. 512 bytes EEPROM. Ένας 8-bit και ένας 16-bit χρονιστής/μετρητής (timer/counter) και ένας Watchdog timer. Ένας αναλογικός συγκριτής (analog comparator). 8 κανάλια, 10 bits το κάθε κανάλι ADC Ενσωματωμένο ρολόι. 4 PWM κανάλια SPI bus για τον προγραμματισμό της μνήμης. UART διπλής κατευθύνσεως. 32 γενικής χρήσης ακροδέκτες ομαδοποιημένοι σε 4 θύρες (Port A, Port B, PortC,PortD). Μοναδική τάση τροφοδοσίας V Συχνότητα ρολογιού έως 16 MHz PDIP (XCK.'TD) -ED (ΤΙ} ΡΕ1 (ΙΝΤ2.Ά ND) = Ε: (OCa.'ANI) -Ε3 ;ES) RE4 (MQH) -Ε5 (H ISO) -Ε6 {5CK) -E7 RESET VCC GND JCTAL2 XTAL1 :rxdpod rxd:. poi (INTO;. P02 (INT 1j P03 (OC1B;. P04 (OC1Aj P05 (IOP;. P06 PAD (AD CO j PA1 (ADC 1) PA2 (A.CC2) PA3 (A.DC3) PA4 (ADC4) PAS (ADCS) PAS (A.CC3) PA7 (A.DC7) ΑΡΞ F GND AVCC PC7 rosc 2) PCS fcsc1) PC; Γ 0Ι) PCi ΓΟΟ) PCS ΓΜ 3) PC2 fc K ) PC1 (EDA; pcg (ecl: pot (oc:: Σχήμα 3-5. Διάταξη ακροδεκτών Η διάταξη ακροδεκτών παρουσιάζεται στο Σχήμα 3-5. Από τα ονόματα των ακροδεκτών είναι προφανής η πολύπλεξη των λειτουργιών των εσωτερικών περιφερειακών με τη χρήση των ακροδεκτών ως γενικού σκοπού. Η εξωτερική μορφή του ολοκληρωμένου παρουσιάζεται στο Σχήμα

19 Σχήμα 3-6. Εξωτερική μορφή του ΑΤΜυμα16 Το σχήμα αυτό δίνεται για να καταλάβει ο χρήστης τις διαστάσεις περίπου του ολοκληρωμένου που χρησιμοποιείται στο σύστημα Η αρχιτεκτονική του ΑΤΜΘ9β16 In Bus3-tal Progrnm Memory πgran Courttr :.:j: j" i d C ortra 32* e r :TJCT;n i r i ;r Furpose ή true ban tt: in?2 HecisTcrs InlErrunl Uni 'rtaiehdra T n c r muog : V d i t 11' 1 VkxJjte U MMU2 Γ :. res Σχήμα 3-7. Αρχιτεκτονικό διάγραμμα της αρχιτεκτονικής του ATMega16 Στο παραπάνω σχήμα μπορεί κανείς να διακρίνει τα βασικότερα τμήματα τα οποία υπάρχουν στο εσωτερικό ενός ATMega16. Οι 32 γενικής χρήσης καταχωρητές των 8 bits συνδέονται στην Αριθμητική και Λογική Μονάδα (ALU) και κατά συνέπεια μπορούν να χρησιμοποιηθούν απευθείας σαν έντελα στις εντολές του μικροελέγκτή

20 Φυσικά υπάρχει καταχωρητής κατάστασης (Status), Μετρητής Προγράμματος (Program Counter - 10bits) καθώς και κάποιοι καταχωρητές ειδικής χρήσης όπως για τον προγραμματισμό της Flash ή την αποκωδικοποίηση των εντολών. Στην εσωτερική αρτηρία των 8-bit η οποία προσπελαύνει τους γενικής και ειδικής χρήσης καταχωρητές συνδέονται επίσης και τα περιφερειακά που αναφέρθηκαν νωρίτερα όπως οι μετρητές/χρονιστές, η EEPROM, το τμήμα χειρισμού διακοπών (interrupt unit), τα SPI και UART interfaces και η λογική για τις θύρες Α, Β, C και D οι οποίες παρέχουν τους ακροδέκτες γενικού σκοπού Ρολόι Συστήματος Στους ακροδέκτες XTAL1/XTAL2 μπορεί να συνδεθεί ένας κρύσταλλος (crystal ή resonator) για να οδηγηθεί ο εσωτερικός ταλαντωτής είτε μέχρι τα 4 MHz ή τα 16 MHz ανάλογα με το μοντέλο του μικροελεγκτή. Η σύνδεση παρουσιάζεται στο Σχήμα 3-8. Επίσης το ολοκληρωμένο μπορεί να τροφοδοτηθεί με ένα εξωτερικό ρολόι το οποίο θα πρέπει να συνδεθεί στην είσοδο XTAL1. Στην περίπτωση αυτή η είσοδος XTAL2 δεν συνδέεται πουθενά

21 3.2.4 Η Μνήμη του Συστήματος Σχήμα 3-9. Η Περιοχή Μνήμης Προγράμματος και Δεδομένων Το λογισμικό συστήματος (firmware) αποθηκεύεται στη Μνήμη Προγράμματος που υλοποιείται με τεχνολογία Flash. Μια Flash Memory μπορεί να σβηστεί και να επανεγγραφεί ακόλουθωντας κάποια συγκεκριμένα βήματα προσπέλασης πλασματικών διευθύνσεων μνήμης. Η διαδικασία εγγραφής μιας τέτοιας μνήμης θα παρουσιαστεί αναλυτικότερα σε επόμενη παράγραφο. Εφόσον το μέγεθος της Flash είναι 16 Κ στον συγκεκριμένο μικροελεγκτή η μνήμη προγράμματος εκτείνεται από 0 έως 0x1FFF. Οι θέσεις της Μνήμης Προγράμματος δεν μπορούν να προσπελαστούν από το firmware

22 Όσον αφορά τη Μνήμη Δεδομένων, αυτή καταλαμβάνει τις διευθύνσεις από 0 έως 0χ045Ε. Οι πρώτες 32 θέσεις καταλαμβάνονται από τους καταχωρητες γενικού σκοπού. Οι επόμενες 64 από ειδικούς καταχωρητες που ελέγχουν τα περιφερειακά τα οποία είναι ενσωματωμένα στον μικροελεγκτή. Οι τελευταίες θέσεις (από την 0x0060 και πάνω) είναι θέσεις μνήμης ΚΛΜ γενικού σκοπού. Σχήμα Καταχωρητες γενικού σκοπού Οι ονομασία των καταχωρητών γενικού σκοπού παρουσιάζεται στο Σχήμα Όλες οι εντολές μπορούν να πάρουν σαν όρισμα κάποιον από τους καταχωρητές γενικού σκοπού εκτός από τις SBCI, SUBI, CPI ANDI, ORI των οποίων το ένα όρισμα είναι μια σταθερά και το άλλο ένας από τους R16-R31. Οι R26-R31 μπορούν να ορίσουν τρεις 16-bit καταχωρητες που ονομάζονται Χ,Υ,Ζ και χρησιμοποιούνται για την έμμεση διευθυνσιοδότηση (indirect addressing) άλλων θέσεων μνήμης και έχουν τη δυνατότητα αυτόματης μείωσης/αύξησης (auto increment/decrement) της τιμής τους Θύρες Γενικού Σκοπού Όπως είδαμε σε προηγούμενες παραγράφους, όλοι οι ακροδέκτες εκτός τροφοδοσίας, Reset και ρολογιού έχουν τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν σαν γενικού σκοπού είσοδοι/έξοδοι (general purpose I/O). Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι μπορούν να οριστούν από το λογισμικό σαν έξοδοι και να οδηγούνται σε 1 ή 0 γράφοντας κατάλληλες τιμές σε ειδικούς καταχωρητές ή να οριστούν σαν είσοδοι των οποίων η στάθμη απεικονίζεται στην τιμή αυτών των καταχωρητών

23 Port Pin Alternate Function ΡΑ7 ADC7 (ADC input channel 7) ΡΑ6 ADC6 (ADC input channel 6) ΡΑ5 ADCS (ADC input channel S) ΡΑ4 ADC4 (ADC input channel 4) ΡΑ3 ADC3 (ADC input channel 3) ΡΑ2 ADC2 (ADC input channel 2) ΡΑ1 ADC1 (ADC input channel 1) PAO ADCO (ADC input channel 0) Port Pin PB7 PE6 PB5 PB4 PB3 PB2 PB1 P B O Alternate Functions SCK (SPI Bus Serial Clock) Ml SO (SPI Bus Masler Input/Slave Output) MOSI (SPI Bus Master Output/Slave Input) SS (SPI Slave Selecl Input) AIN1 (Analog Comparator Negative Input) QCO (Timer/CounterO Output Compare Match Output} AINO (Analog Comparator Positive Input) INT2 (External Interrupt 2 Input) T1 (Timer/Counterl External Counter Input) TO (Timer/CounterO External Counter Input) XCK (JSART External Clock Input/Qutput) Port Pin Alternate Function PC7 TOSC2 (Timer Oscillator Pin 2) p e e TOSG1 (Timer Oscillator Pin 1) PCS PC4 PC3 PC2 PC1 PCO TDI (JTAG Test Data In) TDG (JTAG Test Data Out) TM S (JTAG Test Mode Select) TCK (JTAG Test Clock) SDA (Two-wre Serial Bus Data Input/Output Lne) SCL (Two-wire Serial Bus Clock Line) Port Pin PD7 PD6 PD5 PD4 PD3 PD2 PD1 PDO Alternate Function OC2 (Tirner/Counler2 Output Compare Match Output) ICP (Timer/Counterl Input Capture Pin) OC1A (Timer/Counterl Output Compare A Match Output) OC1B (Timer/Counterl Output Compare B Match Output) INT1 (External Interrupt 1 Input) INTO (External Interrupt 0 Input) TXD (USART Output Pin} FtXD (USART Input Pin) Σχήμα Οι καταχωρητές των θυρών Α εως και Ό με τις εναλλακτικές λειτουργίες τους

24 Οι ακροδέκτες γενικού σκοπού στο ATMega16 ομαδοποιούνται σε 4 θύρες. Κάθε θύρα χρησιμοποιεί 2 καταχωρητές για τον έλεγχο της, έναν για τον καθορισμό της φοράς κάθε ακροδέκτη (Data Direction Register: DDRΑ, DDRB,DDRC, DDRD) και έναν (PORTA, PORTB,PORTC,PORTD) για τον καθορισμό της λογικής τιμής του αν είναι έξοδος. Αν είναι είσοδος, τότε το αντίστοιχο bit στο PINA, PINB, PINC ή PIND απεικονίζει τη στάθμη του τη στιγμή της ανάγνωσης. Γράφοντας τιμή 1 σε κάποιο bit του DDRA, DDRB, DDRC ή DDRD ο αντίστοιχος ακροδέκτης γίνεται έξοδος ενώ με 0 γίνεται είσοδος. Ολοι οι ακροδέκτες έχουν πολυπλεγμένες λειτουργίες που περιγράψαμε στις προηγούμενες παραγράφους (UART. Αναλογικός Συγκριτής,Αναλογικός σε Ψηφιακός Μετατροπέας, Χρονιστές/Μετρητές, Εξωτερικές Διακοπές, SPI και SCI bus κ.α) Σχήμα Γενικού Σκοπού Είσοδος/Εξοδος To flip-flop DDxn επιτρέπει ή όχι να βγει η τιμή του PORTxn στον ακροδέκτη ανάλογα αν ο ακροδέκτης έχει οριστεί σαν είσοδος ή έξοδος. Στην περίπτωση που ο ακροδέκτης έχει οριστεί σαν είσοδος, το σήμα RP επιτρέπει να περάσει η τιμή του ακροδέκτη στο Data bus. Με τη βοήθεια των σημάτων RD, RL είναι επίσης δυνατή η ανάγνωση των τιμών που είναι αποθηκευμένες σε κάθε bit των καταχωρητών DDx, PORTx. Ένα άλλο χαρακτηριστικό των ακροδεκτών είναι δυνατότητα ενεργητικής pull up αντίστασης μέσω του p-mos που φαίνεται στο Σχήμα 3-12 το οποίο ενεργοποιείται όταν ο ακροδέκτης έχει οριστεί σαν είσοδος και η τιμή στο PORTxn flip-flop έχει τεθεί σε λογικό

25 3.2.6 Μετατροπέας Αναλογικού σε Ψηφιακό Ο ελεγκτής ATmegal6 διαθέτει ένα πλήθος εισόδων για μετατροπή αναλογικής τάσης σε ψηφιακή αναπαράσταση. Μέχρι οκτώ κανάλια μπορούν να έχουν σημείο αναφοράς την τάση στον ακροδέκτη AREF ή την εσωτερική που ορίζεται από τον προγραμματιστή. Η ανάλυση του μετατροπέα είναι 10 bits. Τροφοδοτείται με ξεχωριστή τάση από τον ακροδέκτη AVCC. Εναλλακτικά σαν τάση τροφοδοσίας μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια εσωτερική τάση 4V. Ο χρόνος περάτωσης της μετατροπής κυμαίνεται από 13μsec-260μsec. Με την ολοκλήρωση της μετατροπής είναι δυνατή η πρόκληση διακοπής από το κύκλωμα του A/D μετατροπέα. Ο A/D αναλυτικά θα περιγραφεί σε επόμενη παράγραφο

26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΒΑΣΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΟΘΟΝΗ - ΠΛΗΚΤΡΟΛΟΓΙΟ - Α/D 4.1 Οθόνη LCD Μια μονάδα οθόνης υγρών κρυστάλλων (σχ. 4.1) σποτελείται αττό μία οθόνη, έναν Η οθόνη της μονάδας είναι μία οθόνη υγρών κρυστάλλων (Liquid Crystal Display). Ο κάθε χαρακτήρας στην οθόνη δημιουργείται σε μία μήτρα από τελείες (dot matrix). Η μήτρα της μονάδας (σχ. 4.2) αποτελείται από 5 στήλες και 7 γραμμές από τελείες (5x7 τελείες). Μετά την έβδομη γραμμή της μήτρας υπάρχει και μία όγδοη γραμμή η οποία εξυπηρετεί στην εμφάνιση του δρομέα (cursor) στην οθόνη. Μήτρα 5x7 Γραμμή δρομέα Σχήμα 4.2. Μήτρα χαρακτήρων Η οθόνη της μονάδας (σχ. 4.3) αποτελείται από 2 γραμμές και κάθε γραμμή από 20 χαρακτήρες. Έτσι στο σύνολο μπορούν να απεικονιστούν μέχρι και 40 χαρακτήρες

27 Σχήμα 4.3. Οθόνη της μονάδας Ο ελεγκτής της οθόνης διαθέτει τρία είδη καταχωρητές. μνήμης και τέσσερις βασικούς Τα είδη της μνήμης είναι: η μνήμη ROM της γεννήτριας χαρακτήρων (Character Generator ROM ή CG ROM) που αποτελείται από 7200 bits η μνήμη RAM της γεννήτριας χαρακτήρων (Character Generator RAM ή CG RAM) που αποτελείται αττό 512 bits η μνήμη RAM δεδομένων απεικόνισης (Display Data RAM ή DD RAM) που αποτελείται από 80 χ 8 bits. Οι τέσσερις καταχωρητές είναι: Ο καταχωρητής εντολών (Instruction Register ή IR) μεγέθους 8-bits Ο καταχωρητής δεδομένων (Data Register ή DR) μεγέθους 8-bits Ο μετρητής διευθύνσεων (Address Counter ή AC) μεγέθους 7-bits Η σημαία απασχολημένου (Busy Flag ή BF) μεγέθους 1-bit Στην μνήμη ROM της γεννήτριας χαρακτήρων (CG ROM) είναι αποθηκευμένα μόνιμα τα δεδομένα για τους χαρακτήρες που μπορεί να απεικονίσει η οθόνη. Για τον κάθε χαρακτήρα έχουν αποθηκευτεί τα δεδομένα της μήτρας έτσι ώστε να είναι δυνατή η εμφάνιση του. Στο σχ. 4.4 εμφανίζονται τα δεδομένα που είναι αποθηκευμένα έτσι ώστε να είναι δυνατή η απεικόνιση του χαρακτήρα Κ Χαρακτήρας Κ Αποθηκευμένα δεδαμε'νο Ν I ;.ι ' Σχημα 4.4. Δεδομένα οτη CG ROM για τον χαρακτήρα Κ

28 Στην μνήμη είναι αποθηκευμένα τα δεδομένα για 160 χαρακτήρες της μήτρας 5x7 τελειών και για 32 χαρακτήρες της μήτρας 5x10 τελειών. Στον πίνακα 1 εμφανίζονται οι χαρακτήρες που μπορεί να απεικονίσει η οθόνη. Στις δυο τελευταίες στήλες Ε16 και Fi6 είναι αποθηκευμένοι χαρακτήρες μήτρας 5x10 τελειών

29 ΠΙΝΑΚΑΣ 4.1 Χαρακτήρες που μπορεί να απεικονίσει η LCD Α ν^ηλοτειρα Qrra (DEU Γ_ Θ7) TCV KOfiJUA ΧΑΡΑΚΤΚΡΠΜ ΑΕΚΑ =ΑΔΙ KOJ 0 1 a 3 4 a T a $ A C D E F 0 c a R A M (1) Pfcp B «ah «B i i 1V B ' ϊ τ a y ' B * Γ β ιβ" p..... " l l ir * ^ a n I B a n n * B B, ί C G R A M ί ί } ;fc * " " B CHP t : I H -! Bl B Φ s <1 W 1 B 1 J- h., ι β «" a b b b " b m j P j 1 ' ilr g M J * Ρ β «u ' if "... J ϊ " ϊ 1 ί c g R A M 0 ) i- U f l m y * * * * * BB'HB H B* BH * w b * " B *m 2 * B u Ϊ If pi m b * m y P r " r *" h i m B P * P ΐ C G P.A M < 4 E " i B i BBB # " b 5 P > * f * I R * B 1 B B B 1 BBB 1 Bl t P R m B B P l i t * j * a a. ν ϊ B * B ο ϋ 4 C G H A M lk # B n a m m M. a B w*m \ *" Ρ Β *Β ί t \ a I -Ί B B BB # 9 m : i a : BH* «i " ; e. TJJ S - 7 C η, δ < 7 C G R A M C G H A M P > C G R A M n 4 15 M * m * m B #^b b Ρ«Ρ J IB KBHB P P ' HI B g" B i l l 4b! S w w IH * P * " " i B ' B a P «V B a- a B P 1 B * B P k β Μ : : B ii m # # B B B S * fe» P B B B a i f f i a B i A B B I B S P 0 ΐ b " a p B l IBB i i B 9 UR BB * ib B B PBB-HB Λ P**M IHf oe m< Bi B B ii BP# P «P " bb* - f p Π "*! b m ^ k / Γ3 Q > Μ α UI 1 θ αο \2 S a C G H A M fl> C G H A M C2> It B " P # B B l i ta - B " # S P * *" k B B HB'flk : : T B BB P B B - ' Bt B # ' B!.,. 1 h : e «B IK B BB kb,*k a b b""s A M m J *" Ψ Hmmmm m - -"a B' ib w v * n * k - i. 1. i BBB m P P / p m * * 5 P P :. u J φ < Π. IU ί 1 1ί «J A Β C G ΓίΑ Μ (3 ) C G P A M M m rn m a - T - A P B B BB WB BB 1 '*> BB k B R ' Bi ί y ' ' m *, ak Ik m-m wm m * B P m * B # RPRBV BB» * I M - * * " A B B i i M k U-BiB * * B p a RB C»y s g * * PB i P ^B^ BB B * ΒΒΪ.Β B B m ψ C 0 C G R A M <5> C G R A M (6) 4 B * Bl ", PfrPBS * Μ Β ψ v\ I P i -. if f B 1 * Ba " t a g " V 1 P - B { V ; P * Bi 4 ii IB' * B * B B f i «Β B m» BBB^B * * 1 B P * Γ IB B ί B ^B k B B 1 k * IK BBB * " " «* ΐ P M W m i # 1 F C G r a m 0 ) m 9 * * > i m * «1' * j "! : 1 R * h > «IH ( t i jj * m 4 4 * Λ BVB j " F C G S a m & " / I! P i * B B 1 B B Λ P» B mm B * aa*" " ' ί * Ρ Ρ p - p " b-+ * ' B i l l M M i R B I I i M T M

30 Ο κάθε χαρακτήρας~έχει ένα ξεχωριστό κωδικό ο οποίος ονομάζεται κωδικός χαρακτήρα και είναι η ταυτότητα του. Ο κωδικός του χαρακτήρα (στην δεκαεξαδική του μορφή) συμπεραίνεται από την σειρά και την στήλη που έχει ο χαρακτήρας στον ττίνακα (σειρά:στήλη16). Έτσι ο χαρακτήρας W έχει τον κωδικό 57. Για την απεικόνιση του χαρακτήρα στην οθόνη θα πρέπει ο κωδικός του να αποθηκευτεί στην κατάλληλη θέση της μνήμης απεικόνισης DD RAM λειτουργία που θα περιγραφεί. Οι χαρακτήρες των Θέσεων 2 0 μέχρι και 7F16 είναι τοποθετημένοι σύμφωνα με τον κώδικα ASCII. Έτσι είναι δυνατή η απευθείας αποστολή χαρακτήρων στην οθόνη εφόσον οι χαρακτήρες ανήκουν στην περιοχή αυτή. Στην μνήμη RAM της γεννήτριας χαρακτήρων (CG RAM) είναι δυνατή η δημιουργία μέχρι 8 νέων χαρακτήρων στην μήτρα των 5x7 τελειών ή 4 χαρακτήρων στην μήτρα των 5 x 10 τελειών. Για την μήτρα των 5x7 τελειών οι χαρακτήρες λαμβάνουν τους κωδικούς 00ι6 έως 07ι6 και επαναλαμβάνονται στις θέσεις 08ι6 έως OFie του χάρτη των κωδικών χαρακτήρων (πίνακας 1). Εάν οι χαρακτήρες που είναι σχεδιασμένοι από τον κατασκευαστή δεν καλύπτουν τις τρέχουσες ανάγκες, είναι δυνατή η δημιουργία νέων χαρακτήρων (π.χ. χαρακτήρων του ελληνικού αλφαβήτου που δεν συμπεριλαμβάνονται στον χάρτη των κωδικών χαρακτήρων).. Στην μνήμη RAM των δεδομένων απεικόνισης (DD RAM) αποθηκεύονται οι κωδικοί των χαρακτήρων που εμφανίζονται στην οθόνη. Το μέγεθος της μνήμης είναι 80 bytes 80 x 8 bits. Εφόσον στην οθόνη απεικονίζονται συνεχώς 40 χαρακτήρες, μία περιοχή της μνήμης δεδομένων απεικόνισης εμφανίζεται (εμφανίζονται οι χαρακτήρες των οποίων οι κωδικοί έχουν αποθηκευτεί στις θέσεις της μνήμης δεδομένων απεικόνισης) αλλά όχι όλη η μνήμη. Οι δύο σειρές της οθόνης δεν απεικονίζουν συνεχόμενες διευθύνσεις της μνήμης RAM των δεδομένων απεικόνισης. Το σχ. 4.5 δίδει τη σχέση μεταξύ των θέσεων της μνήμης δεδομε'νων απεικόνισης που εμφανίζονται στην οθόνη μετά την αρχικοποίηση της μονάδας. ψηφίο 1η γραμμή ι [ η γραμμή 40 ΊΟ Α Ο >. ΟΒ 0C 0 0 0Ε OF 10 n & 4C 4D 4Ε 4 f 50 i l k S3 θέοη ~ατγίΐκ<5ν<ση<; ^έϋη μνήμης δεδομένων crrui κόντης που εμφανίζεται Σχήμα 4.5. Σχέση θέσεων απεικόνισης και θέσεων μνήμης ΌΌ ΚΛΜ Με τις εντολές ολίσθησης που διαθέτει η οθόνη είναι δυνατόν να επιλεγεί για εμφάνιση μια άλλη περιοχή της μνήμης ΚΛΜ των δεδομένων απεικόνισης. Στο σχ. 4.6 εμφανίζεται η περιοχή απεικόνισης στην οθόνη μετά από ολίσθηση κατά μία θε'ση αριστερά ή κατά μία θέση δεξιά από την αρχική θέση