Διπλωματική Εργασία. του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ: ΕΝΣΥΡΜΑΤΗΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΑΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Λιάκη Ιωάννη του Παναγιώτη Αριθμός Μητρώου: 7037 Θέμα «Κατασκευή φωτοπαγίδας με τη χρήση του μικροελεγκτή STM32F103RBT6» Επιβλέπων Αναπληρωτής Καθηγητής Ευάγγελος Δερματάς 1

2 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Μάιος 2015 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Κατασκευή φωτοπαγίδας με τη χρήση του μικροελεγκτή STM32F103RBT6» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Λιάκη Ιωάννη του Παναγιώτη Αριθμός Μητρώου:7037 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../05/2015 2

3 Ο Επιβλέπων Αναπληρωτής Καθηγητής Ευάγγελος Δερματάς Ο Διευθυντής του Τομέα Καθηγητής Ευθύμιος Χούσος Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Κατασκευή Φωτοπαγίδας με χρήση του μικροελεγκτή STM32F103RBT6» Φοιτητής: Λιάκης Ιωάννης Επιβλέπων: Αναπληρωτής Καθηγητής Ευάγελλος Δερματάς. 3

4 Περίληψη Οι γόνοι, θαλάσσιοι ασπόνδυλοι οργανισμοί, έχουν θετική απόκριση στις φωτεινές πηγές, στη διάρκεια της νύκτας. Στην παρούσα διπλωματική εργασία σχεδιάσαμε και κατασκευάσαμε ένα σύστημα αυτοματοποιημένης λειτουργίας μιας φωτοπαγίδας για την προσέλκυση τέτοιων οργανισμών, με χρήση του μικροελεγκτή STM32F103RBT6. Στην εργασία περιλαμβάνονται 7 κεφάλαια. Πιο συγκεκριμένα στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στις φωτοπαγίδες, τη λειτουργία τους, τον τρόπο κατασκευής τους καθώς και στην συμπεριφορά των ψαριών απέναντί τους. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται η λειτουργία των διόδων και των φωτοδιόδων. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται η λειτουργία των LED καθώς και των LED ισχύος. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφεται η λειτουργία των τελεστικών ενισχυτών. Στο πέμπτο κεφάλαιο περιγράφεται η λειτουργία των καρτών SD και ο τρόπος προγραμματισμού τους. Στο έκτο κεφάλαιο περιγράφεται η πλακέτα που χρησιμοποιήθηκε και αναλυτικά ο επεξεργαστής STM32F103RBT6 και τα περιφερειακά του. Τέλος, δίνεται ο κώδικας του προγράμματος με κάποια σχόλια που αναφέρουν λεπτομερώς την λειτουργία του. 4

5 Fish larvae, are aspondylous and they have a positive phototactic behavior, during the night time. For the current paper, we designed and built an automated system for a lighttrap device, using the microprocessor STM32F103RBT6. In this paper there are 7 chapters. The first chapter refers to lighttraps and their usage, their cnstruction and the way fish larvae respond to them. In the second chapter the operation of the lighttraps is described. In the third chapter, power LEDs and normal LEDs are described. In the fourth chapter, the operation of operational amplifiers is described. In the fifth chapter the operation of the sd cards is described, along with the proper way to program one. In the sixth chapter, the circuit used is described and the microprocessor in detail. Finaly, in the seveth chapter, there are parts of the code and the full operation of the system is descrived in detail. 5

6 1 Φωτοπαγίδες Οι φωτοπαγίδες είναι χρήσιμες παθητικές συσκευές για την δειγματοληψία προνυμφών ψαριών σε υδροβιότοπους και έχουν παίξει πολύ σημαντικό ρόλο στην κατανόηση του μοτίβου της αφθονίας των ψαριών κατά μήκος του Μεγάλου Βόρειου Ύφαλου (Doherty). Οι φωτοπαγίδες έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως στη δειγματοληψία προνυμφών ψαριών σε υφάλους, ψαριών που βρίσκονται λίγες μέρες πριν την μόνιμη εγκατάστασή τους στον βιότοπο, και έχουν χρησιμοποιηθεί ελάχιστα και για την μελέτη της κάθετης κατανομής, σε διάφορα βάθη δηλαδή, ψαριών σε υφάλους. Σπανίως έχουν χρησιμοποιηθεί, οι φωτοπαγίδες, για δειγματοληψία σε εύκρατα νερά, επομένως δεν είναι ιδιαιτέρως γνωστό κατά πόσον είναι χρήσιμες σε αυτές τις περιοχές που παρουσιάζουν και λιγότερη ποικιλία. Για παράδειγμα, τα νερά της νότιας Νέας Ζηλανδίας, φιλοξενούν 70 είδη ψαριών ενώ του Μεγάλου Βορείου Υφάλου φιλοξενούν πάνω από 1500 είδη. Οι φωτοπαγίδες στηρίζονται στην θετική αντίδραση των προνυμφών και νεαρών ψαριών απέναντι στο φως. Επομένως στηρίζονται στην ικανότητα των τελευταίων να δουν το φως, να κολυμπήσουν προς αυτό, και να εισέλθουν στο φωτισμένο δοχείο/περιβάλλον. Είναι γενικά αποδεκτό ότι οι φωτοπαγίδες είναι επιλεκτικές συσκευές δειγματοληψίας τόσο ως προς τα είδη των ψαριών όσο και ως προς το μέγεθος. 1.1 Φωτοπαγίδα του Doherty:Μία επιλεκτική αλλά χρήσιμη συσκευή για την ποσοτικοποίηση της κατανομής και της αφθονίας προνυμφών ψαριών. Μία φτηνή και αυτοματοποιημένη λύση, η φωτοπαγίδα, έχει δείξει ότι έχει μεγάλες δυνατότητες σαν εργαλείο για την ποσοτικοποίηση, χρονική και χωρική, σε διάφορα σύνολα προνυμφών ψαριών. Αυτοματοποιημένη λύση γιατί μπορούν να συλλεχθούν δείγματα ταυτόχρονα, μέσα σε μικρά χρονικά διαστήματα, από πολλαπλές τοποθεσίες. Με τον σωστό σχεδιασμό για τη δειγματοληψία, μπορούν να σχεδιαστούν συνοπτικοί χάρτες της αφθονίας των προνυμφών σε σχέση με την πυκνότητα των φωτοπαγίδων. Επειδή οι φωτοπαγίδες, σε αντίθεση με άλλες τεχνικές, δεν σκοτώνουν τα ψάρια, είναι πολύ πιο εύκολο να μελετήσουμε την κατανομή μεμονωμένων ειδών και οι ζωντανές προνύμφες να χρησιμοποιηθούν για περεταίρω πειράματα. Κάποια δεδομένα από το νησί Lizard, στον Μεγάλο Βόρειο Ύφαλο ( NorthernGreatBarrierReef ), δείχνουν την χρησιμότητα αλλά και τους περιορισμούς αυτής της τεχνικής. Υλικά και Μέθοδος 6

7 Στην εικόνα δεξιά φαίνεται μια τομή, σε μήκος του πρωτότυπου σχεδίου της φωτοπαγίδας. Φαίνονται τα τρία (3) δοχεία (C1,C2,C3) και ο κεντρικός πυρήνας ο οποίος περιέχει φωτιζόμενες κυλινδρικές μπάρες. Το επάνω μέρος του κεντρικού πυρήνα περιέχει την μπαταρία (Β) και το ρολόι/χρονοδιακόπτη. Τα ψάρια εισέρχονται μέσω της οριζόντιας σχισμής μεταβλητού μήκους (VS) και ύστερα από δύο σετ σχισμών αμετάβλητου πλάτους (FS). Το διάγραμμα φυσικά είναι σχεδιασμένο σε κλίμακα, αφού τα πάνω δοχεία είναι το καθένα 30x30 εκατοστά (cm). Τα τρία δοχεία της συσκευής είναι τοποθετημένα κάθετα το ένα πάνω στο άλλο και συνδέονται εσωτερικά με κωνικές σχισμές. Τα δυο πάνω δοχεία είναι φτιαγμένα από καθαρό πλεξιγκλάς. Το τρίτο δοχείο είναι από πλαστικό (PVC) και λειτουργεί ως η τελική δεξαμενή για το δείγμα. Ο κεντρικός πυρήνας, κάθετα στη μέση, που περικλείει τα φώτα και τον μηχανισμό ελέγχου είναι ένας κυλινδρικός σωλήνας επίσης από πλεξιγκλάς. Σε κατάλληλες θέσεις αυτού του σωλήνα, υπάρχουν 3 λάμπες φθορισμού, από 6 watt, οι οποίες φωτίζουν κάθε ένα από τα 3 δοχεία με άσπρο φως. Το επάνω μέρος του κεντρικού πυρήνα έχει μεγαλύτερη διάμετρο και περιέχει: την επαναφορτιζόμενη μπαταρία μολύβδου (12 Volt, 6.5 A.h), έναν 12 VoltDC μηχανικό χρονοδιακόπτη και ένα μικρό ηλεκτρονικό κύκλωμα το οποίο ελέγχει τη λειτουργία των επιμέρους φώτων. Ο μηχανικός χρονοδιακόπτης αποτελείται από ένα ψηφιακό 24ωρο ρολόι που τροφοδοτείται από ένα 12Voltμηχανικό κινητήρα και Εικόνα μπορεί να ρυθμιστεί σύμφωνα με την πραγματική ώρα. Γύρω από το καντράν του ρολογιού υπάρχει μια οδοντωτή στεφάνη. Γυρίζοντάς την είναι δυνατή η αλλαγή ενός μηχανικού διακόπτη. Το μικρότερο επιτρεπόμενο διάστημα σύμφωνα με την βαθμονόμηση της στεφάνης είναι 15 (δεκαπέντε) λεπτά από το άνοιγμα μέχρι το κλείσιμο του διακόπτη. Εικόνα Στο πίσω μέρος του χρονοδιακόπτη υπάρχουν 2 τερματικά εισόδου (E,F) τα οποία τροφοδοτούν το ρολόι και τρία άλλα τερματικά (Χ,Υ,Ζ). ο χρονοδιακόπτης κλείνει εναλλακτικά το κύκλωμα μεταξύ Χ-Υ και Υ-Ζ. Όταν το Χ-Υ είναι κλειστό τροφοδοτείται άμεσα το κάτω φως και έμμεσα (μέσω του τυπωμένου κυκλώματος) τα υπόλοιπα φώτα (όπως φαίνεται και στην εικόνα 2). Το τερματικό Ζ δεν χρησιμοποιείται, οπότε όταν ο χρονοδιακόπτης κλείσει το Υ-Ζ, τα φώτα και το κύκλωμα αποσυνδέονται. Το ψάρεμα ξεκινά όταν ο διακόπτης Χ-Υ κλείσει πάλι και τροφοδοτήσουμε ξανά τα φώτα. 7

8 Εικόνα 1.1.3: Κυκλωματικό διάγραμμα για τον έλεγχο του Επάνω (T), Μεσαίο (Μ) και Κάτω (Β) φωτός. Οι τιμές των στοιχείων R1-R3 (όλες 0,25 Watt) και C1-C2 είναι 10KOhm, 3.3MOhm, 2MOhm, 47KpFκαι 100 μfαντίστοιχα. Το ρελέ μπορεί να αντέξει ως 1 Αμπέρ. Η λειτουργία εξηγείται στο κείμενο. Το κύκλωμα περιέχει ένα μικρό ολοκληρωμένο με μια ασταθή έξοδο στην ακίδα 3 (εικόνα 3), η οποία ανοιγοκλείνει ένα διακόπτη ρελέ. Ανάλογα την θέση στην οποία βρίσκεται ο διακόπτης, τροφοδοτεί το φως στο επάνω δοχείο ή το φως στο μεσαίο. Δεν γίνεται να είναι ανοιχτά και τα δύο φώτα ταυτόχρονα. Η συχνότητα εναλλαγής του διακόπτη εξαρτάται από τις διάφορες τιμές των αντιστάσεων και των πυκνωτών στο κύκλωμα. Μπορεί να ρυθμιστεί σε κάποιο βαθμό με το ποτενσιόμετρο R3. Το κύκλωμα που φαίνεται παραπάνω επιτρέπει στα φώτα του επάνω και του μεσαίου δοχείου να εναλλάσσονται με συχνότητα που κυμαίνεται από 3 έως 8 λεπτά. Το κάτω φώς ανάβει όποτε το Χ-Υ είναι κλειστό. Αρχικά, σε μια υποθετική περίοδο ψαρέματος, το επάνω φως και το κάτω φως είναι αναμμένα.το επάνω φως, μέσα από τα διαφανή τοιχώματα του επάνω δοχείου, δημιουργεί μια δέσμη φωτός ικανή να φωτίσει τουλάχιστον σε μια ακτίνα 5 μέτρων γύρω από την παγίδα. Φωτόφιλοι οργανισμοίπλησιάζουν το φως και εισέρχονται στην παγίδα μέσω τεσσάρων οριζόντιων σχισμών. Το πλάτος αυτών των κωνικών σχισμών είναι σταθερό κάθε στιγμή αλλά μπορεί να αλλάξει, με εύρος ρύθμισης από 0 έως 5 εκατοστά (cm). Ύστερα από μια ορισμένη χρονική περίοδο, το κύκλωμα αλλάζει την τροφοδοσία και ανάβει το μεσαίο φως, οπότε σβήνει το πάνω. Οι οργανισμοί που βρίσκονται στο πάνω δοχείο ακολουθούν το φως περνώντας στο μεσαίο δοχείο μέσα από τις κωνικές σχισμές που βρίσκονται στο πάτωμα του επάνω δοχείου. Το μεσαίο φως εξυπηρετεί δύο σκοπούς παρασύρει τους οργανισμούς βαθύτερα στην παγίδα και συνεχίζει να την κάνει ελκυστική στους περαστικούς οργανισμούς, εξηγείται έτσι και ο λόγος για τον οποίο και το μεσαίο δοχείο είναι διαφανές. Όταν ανάβει ξανά το επάνω φως, νέοι οργανισμοί εισέρχονται στο επάνω δοχείο και αυτοί στο μεσαίο δοχείο μεταναστεύουν χαμηλότερα στο κάτω δοχείο ξανά μέσα από ακόμα ένα σετ κωνικών σχισμών. Με αυτόν τον τρόπο, οι οργανισμοί βαθμιαία συσσωρεύονται στο χαμηλότερο δοχείο μέχρι ο χρονοδιακόπτης να σβήσει όλα τα φώτα. Αφού κλείσουν όλα τα φώτα, η παγίδα παραμένει ανοιχτή. Δεν έχει βρεθεί κανένας αρκετά ικανοποιητικός τρόπος να κλείνει η παγίδα, χωρίς αυτό να συνεπάγεται αμελητέα αύξηση της πολυπλοκότητας της παγίδας, του κόστους της και μείωση της αξιοπιστίας της. Ο επιτυχής περιορισμός των οργανισμών στο χαμηλότερο δοχείο εξαρτάται 1ον από τη δυσκολία που 8

9 παρουσιάζει το ταξίδι της επιστροφής μέσα από 3 σετ κωνικών σχισμών χωρίς φώτα και 2ον τον σχετικά μεγάλο όγκο του χαμηλότερου δοχείου σε σύγκριση με το μέγεθος και τη θέση των εξόδων από αυτό. Κάθε πλευρά του κάτω θαλάμου περιέχει ένα δοχείο (συνολικά τέσσερα, από 600 τετραγωνικά εκατοστά το καθένα) καλυμμένα με ανοξείδωτο μεταλλικό δίχτυ διαμέτρου 500μm (500 μικρόμετρα) που επιτρέπει ικανοποιητική ροή νερού στο κατώτερο δοχείο. Η ποιότητα νερού σε αυτό το δοχείο είναι πολύ σημαντική αφού με τις κατάλληλες συνθήκες διαβίωσης οι οργανισμοί μπορούν να κρατηθούν ζωντανοί ως την επόμενη μέρα οπότε και συλλέγεται η παγίδα. Τα τρία δοχεία περικλείονται από ένα σταθερό πλέγμα πάχους 10 χιλιοστών από ανοξείδωτο ατσάλι το οποίο παρέχει ασφαλή σημεία σύνδεσης επάνω και κάτω από την παγίδα. Αυτά επιτρέπουν στην παγίδα να κρέμεται με καλώδιο 3 μέτρα κάτω από μία σημαδούρα από πολυεστέρα. Η τελευταία επιτρέπει βάρη να κρέμονται κάτω από την παγίδα, συμβάλλοντας έτσι στην κατακόρυφη σταθερότητά της. Αυτά τα βάρη προσαρμόστηκαν έτσι ώστε ολόκληρη η πλατφόρμα ίσα που να επιπλέει. Το πλεονέκτημα αυτής της κατάστασης, της ουδέτερης πλευστότητας, είναι η λιγότερη βίαιη κίνηση της παγίδας σε περιόδους τρικυμίας. Αυτό θεωρούνταν σημαντικό, μιας και η αρχική δειγματοληψία γινόταν κοντά στην επιφάνεια της θάλασσας με τις σχισμές του επάνω δοχείου τοποθετημένες περίπου σε βάθος ενός μέτρου (1m). Κάθε παγίδα ήταν δεμένη με σχοινί μήκους 5 μέτρων, σε άλλη σημαδούρα στην επιφάνεια, η οποία ήταν αγκυροβολημένη. Στα άκρα της παγίδας, το σχοινί ήταν συνδεδεμένο με τον ατσάλινο σκελετό της μέσω μιας ανοξείδωτης ατσάλινης κλειδαριάς γρήγορης απελευθέρωσης η οποία επέτρεπε στο σχοινί να αποσυνδεθεί γρήγορα και να ανακτηθεί η παγίδα στο πλοίο. Αυτή η διάταξη είχε κι άλλο πλεονέκτημα. Η κλειδαριά λόγω βάρους έπεφτε περίπου μέχρι τα μισά του ατσάλινου σκελετού της παγίδας. Έτσι, τραβώντας οριζοντίως σε αυτό το σημείο, η παγίδα παρέμενε σε κάθετη θέση ανεξαρτήτως της ταχύτητας του νερού που την περιτριγύριζε. Ολόκληρη η συσκευή ήταν αρκετά ελαφριά για να την τραβήξει έξω από το νερό ακόμη και ένα μικρό βίντσι στο πλάι μιας βάρκας 6 μέτρων. Τα μεγάλα ανοίγματα του κατώτερου θαλάμου, επέτρεπαν στο νερό να φύγει άμεσα από την παγίδα αφήνοντας ένα υπόλειμμα περίπου 5 λίτρων. Αφότου η παγίδα έμπαινε πάνω στη βάρκα, οι οργανισμοί έβγαιναν από αυτήν μέσω του κατώτερου δοχείου από μια οπή 35 χιλιοστών που ήταν κλεισμένο με πώμα. Πείραμα Τέσσερα πρωτότυπα υλοποιήθηκαν σύμφωνα με τον παραπάνω σχεδιασμό και δοκιμάστηκαν στο νησί Lizard, στον Μεγάλο Βόρειο Ύφαλο. Είναι ένα σχετικά μεγάλο ηπειρωτικό νησί το οποίο κόβει τα κεντρικά ρεύματα. Στη θάλασσα τοποθετήθηκαν 2 ζευγάρια φωτοπαγίδων, περίπου 1 χιλιόμετρο από την ακτή. Το πρώτο ζευγάρι στην προσήνεμη πλευρά του νησιού, όπου η θάλασσα είχε βάθος 20 μέτρα και το δεύτερο ζευγάρι στην απάνεμη πλευρά του νησιού όπου η θάλασσα είχε βάθος 12 μέτρα. Επειδή δεν υπήρχε τρόπος να προβλέψουμε πως θα επηρεαστούν οι ψαριές από την ώρα ή από την παλίρροια, κάθε παγίδα ήταν προγραμματισμένη να ψαρεύει αρκετές φορές μέσα σε μια βραδιά ( 9 με 10, 12 με 1, 3 με 4 ). Ωστόσο τα δεδομένα που συλλέχθηκαν αντιπροσωπεύουν τον συνολικό πληθυσμό των οργανισμών που πιάστηκαν κατά τη διάρκεια της νύχτας και δεν υπάρχει τρόπος να διακρίνουμε πως συνετέλεσε κάθε περίοδος ψαρέματος. Αυτή η έλλειψη πληροφορίας θεωρήθηκε αποδεκτή κατά την πιλοτική δοκιμασία των παγίδων μιας και η σημαντικότερη δοκιμασία ήταν αν οι παγίδες θα καταφέρουν να προσελκύσουν οργανισμούς τελικά. Κάθε παγίδα ελεγχόταν καθημερινά για 25 μέρες τον Ιανουάριο του Τις περισσότερες μέρες αυτό απαιτούσε απλά την επίσκεψη σε κάθε παγίδα και το άδειασμα αυτής, το οποίο διαρκούσε κάτι λιγότερο από δέκα λεπτά σε κάθε παγίδα. Κάθε τρίτη μέρα, αλλάζονταν οι μπαταρίες με καινούργιε το οποίο πρόσθετε 10 ακόμη λεπτά στην όλη διαδικασία. 9

10 Πίνακας 1.1.1: Σύγκριση της ψαριάς προνυμφών από τις φωτοπαγίδες στις δυο πλευρές του νησιού (τα δεδομένα παρουσιάζονται σε φθίνουσα ταξινόμηση από την προσήνεμη πλευρά του νησιού). Αποτελέσματα Το πιλοτικό πείραμα έδειξε ότι οι φωτοπαγίδες προσελκύουν προνύμφες ψαριών αλλά και ζωοπλαγκτόν. Μέσα σε 25 μέρες οι παγίδες έπιασαν 1559 προνύμφες από τις οποίες πάνω από 98% αναγνωρίστηκαν εν συνέχεια σε 48 είδη. (βλ. πίνακα 1) Παρόλο που η ικανότητα να αναγνωριστεί το μεγαλύτερο μέρος της ψαριάς, είναι συγκρίσιμη σε σχέση με άλλες τεχνικές, αυτό ήταν δυνατό μόνο και μόνο επειδή οι φωτοπαγίδες είναι επιλεκτικές. Τα περισσότερα από τα ψάρια που αλιεύθηκαν με αυτόν τον τρόπο ήταν πάνω στον ανταγωνισμό να γίνουν οι μελλοντικοί κάτοικοι των κοραλλιογενών περιοχών. Με άλλα λόγια, οι ψαριές κυριαρχήθηκαν από τις μεγαλύτερες σε ηλικία προνύμφες. Επειδή οι τελευταίες ήταν ζωντανές όταν έβγαιναν από την παγίδα ήταν εύκολο να μεταφερθούν οι άγνωστες μορφές σε ενυδρεία ως να μεγαλώσουν και να είναι αναγνωρίσιμα σε νεαρή ηλικία. Κατά τη διάρκεια αυτής της σχετικά μικρής δοκιμής, οι παγίδες έπιασαν 46 είδη ψαριών που άνηκαν σε 18 οικογένειες. (πίνακας 1). Οι ψαριές περιελάμβαναν επιμήκεις είδη (Sygnathids), μικρόσωμα είδη (Tetraodontids), πελαγικά είδη (Scrombids, Carangids), βενδικά είδη (Pomacentrids, Chaetodontids), και εμπορικά πολύτιμα είδη (Lethrinids). Οι παγίδες προσέλκυσαν επίσης και μια ευρεία ποικιλία πλαγκτόν -συμπεριλαμβανομένου ολοπλαγκτονικών και ημιπλαγκτονικώνμορφών.(εικόνα 4) 10

11 Εικόνα 1.1.4: Δεδομένα από τις νυχτερινές ψαριές ασπόνδυλου πλαγκτόν από τις δυο φωτοπαγίδες στην προσήνεμη πλευρά του νησιού. Οι ψαριές των ασπόνδυλων από τις δυο πανομοιότυπες παγίδες φαίνονται χωριστά (σκιασμένα και ασκίαστα) αλλά οι ψαριές των προνυμφών φαίνονται συγκεντρωμένες. Η συνολική ψαριά οργανισμών που δεν είχαν εγκατασταθεί από την προσήνεμη πλευρά του νησιού μειώθηκε εκθετικά αλλά σταθερά κατά τη διάρκεια του Ιανουαρίου παρόλο τις μεγάλες αλλαγές στις φυσικές συνθήκες που επικρατούν (κατάσταση παλίρροιας, θαλάσσιες συνθήκες, σεληνιακός κύκλος και συννεφιά). Υπάρχουν κάποιες πιθανές αιτίες για αυτή τη μείωση, από την μετακίνηση οργανισμών εκτός της περιοχής αυτής, αποικισμό βενθικών βιότοπων ή απλά αλλαγή 11

12 στην αποδοτικότητα της παγίδας. Οι παράλληλες αλλαγές που καταγράφηκαν στην αφθονία του ασπόνδυλου περιεχομένου στις ψαριές, πλαγκτόν δηλαδή, επιβεβαιώνουν την πρώτη και την τελευταία υπόθεση. Δεν παρατηρήθηκε το ίδιο μοτίβο στις ψαριές από την απάνεμη περιοχή του νησιού παρόλο που τα περισσότερα δείγματα που πάρθηκαν από εκεί ήταν κοινά και στις δυο περιοχές του νησιού (πίνακας 1). Η συνολική ψαριά σε προνύμφες ήταν τάξης μεγέθους μικρότερη στην προστατευμένη πλευρά (με κατά το ήμισυ πλούτο ειδών) και οι καθημερινές ψαριές εκεί ήταν τόσο μικρές που δεν λήφθηκαν υπόψη οι χρονικές τάσεις των ψαριών. Αυτές οι διαφορές και τα μοτίβα για συγκεκριμένα είδη αναλύονται σε άλλο άρθρο. 12

13 1.2 Φωτοπαγίδα του Hickford: Αξιολόγηση της απόδοσης των φωτοπαγίδων για τη δειγματοληψία προνυμφών ψαριών σε παράκτιες εύκρατες περιοχές. Ο MichaelHickfordσύγκρινε 2 μεθόδους συλλογής προνυμφών ψαριών στις παράκτια εύκρατα νερά της KaikouraPeninsula, στη Νέα Ζηλανδία.Την νυχτερινή συλλογή με φωτοπαγίδες και το δίχτυ πλαγκτόν. Η δειγματοληπτική διαδικασία ενσωμάτωνε εποχές (καλοκαίρι και φθινόπωρο), σεληνιακή φάση (ολόκληρη και νέα σελήνη) και βιότοπους (με υφάλους και παραλιακούς). Οι 2 μέθοδοι αναπτύσσονται ταυτόχρονα σε 2 νύχτες, με 3 επαναλήψεις για κάθε έναν από τους παραπάνω παράγοντες. Το αποτέλεσμα είναι 96 δειγματοληψίες με 8086 προνύμφες από 14 οικογένειες ψαριών. Το δίχτυ πλαγκτόν έπιασε τη διπλάσια ποσότητα σε υποείδη με δύο φορές μεγαλύτερη ποικιλία οικογενειών απ ότι οι φωτοπαγίδες. Κανένα υποείδος δεν πιάστηκε μόνο από τις φωτοπαγίδες. Για όλα τα υποείδη, οι προνύμφες που πιάστηκαν από τις φωτοπαγίδες ήταν μεγαλύτερες από αυτές που πιάστηκαν με το δίχτυ. Τα περισσότερα υποείδη ήταν σε αφθονία το καλοκαίρι. Τα δείγματα που πάρθηκαν με τη νέα σελήνη πάρθηκαν και με τις δύο μεθόδους. Οι 2 μέθοδοι έδειξαν διαφορετικά μοτίβα αφθονίας ανάμεσα στους βιότοπους για τα περισσότερα υποείδη. Οι φωτοπαγίδες συνέλεξαν τα περισσότερα δείγματα, από τα περισσότερα υποείδη, στον βιότοπο με τον ύφαλο, ενώ το δίχτυ πλαγκτόν στον παραλιακό βιότοπο. Τα δείγματα της φωτοπαγίδας συμπληρώνουν αυτά του διχτιού. Οι δυο μέθοδοι δειγματοληψίας θα μπορούσαν να συνδυαστούν σε μια δειγματοληπτική διαδικασία για να παρέχουν μια πιο ολοκληρωμένη εικόνα. Για τους σκοπούς αυτής της εργασίας θα επικεντρωθούμε μόνο στην φωτοπαγίδα. Υλικά και Μέθοδος Ως περιοχή μελέτης επιλέχθηκαν δυο περιοχές στην νότια πλευρά της KaikouraPeninsula, στην ανατολική ακτή του Νότιου Νησιού, στη Νέα Ζηλανδία. Η πρώτη περιοχή, είναι ένας ύφαλος με βραχώδες υπόστρωμα, πλούσιο σε φύκια με ένα μέσο βάθος 4,2 μέτρων. Ήταν διάσπαρτο με βαθιά κανάλια (μέγιστο βάθος 9 μέτρα) και βραχώδεις προεξοχές. Η δεύτερη περιοχή (παραλιακός βιότοπος) ήταν παρακείμενη σε μια όμορφη παραλία με μικρά βότσαλα. Ήταν χωρίς φύκια, πάνω από μία αμμουδερή πλαγιά με μικρή κλίση. Είχε ένα μέσω βάθος 4,5 μέτρα και μέγιστο βάθος 8 μέτρα. Ο κοντινότερος βραχώδης ύφαλος ήταν περίπου 300 μέτρα κατά μήκος της ακτής. Τις 2 περιοχές χώριζαν βραχώδη ακρωτήρια και απόσταση περίπου 1.6 χιλιομέτρων. Κατασκευάσαμε φωτοπαγίδες που ήταν μια παραλλαγή της έκδοσης που περιγράφηκε από τον Doherty. Το σώμα της φωτοπαγίδας ήταν ένας φορητός κάδος απορριμμάτων 240 λίτρων, αποτελούμενος από 3 θαλάμους(uc,mc,lc) Εικόνα 1.2.1: KaikouraPeninsula, Νέα Ζηλανδία. Φαίνονται οι περιοχές του παραλιακού και του βιότοπου με υφάλους. χωρισμένους μεταξύ τους με αδιαφανή χωρίσματα(p). Τρεις πλευρές του πάνω θαλάμου είχαν πλαστικά παράθυρα (290 x 190 mm), με το καθένα να έχει ενσωματωμένες οριζόντιες θύρες εισόδου(es).κάθε θύρα ήταν κωνική, ξεκινώντας από 60x300mm, ως 12x250 mm. Τα διαχωριστικά των θαλάμων είχαν 2 πανομοιότυπες θύρες(wc). Ο μεσαίος θάλαμος δεν είχε εξωτερικές θύρες εισόδου, αλλά ένα παράθυρο 250x300 mm. Ο κατώτερος θάλαμος είχε στις 3 πλευρές από ένα διχτυωτό πάνελ (240x150 mm)και μία τρύπα 50mm κλεισμένη με λαστιχένιο πώμα(d). 13

14 Ο κεντρικός πυρήνας, υδατοστεγής, περνά και από τους τρείς θαλάμους. Το επάνω μέρος του πυρήνα, ήταν κατασκευασμένο από ένα σωλήνα αποχέτευσης 15 εκατοστών και περιείχε μια επαναφορτιζόμενη μπαταρία μολύβδου (12 V, 10 Ah) και ένα ψηφιακό μηχανισμό χρονισμού. Το κάτω μέρος του πυρήνα ήταν κατασκευασμένο από διαφανές πλαστικό σωλήνα και περιείχε 3 λυχνίες φθορισμού (6Wέκαστος). Κάθε μία λάμπα φώτιζε έναν και μόνο από τους 3 θαλάμους. Ο μηχανισμός που χρησιμοποιήθηκε ως χρονοδιακόπτης ήταν πανομοιότυπος με αυτόν που περιγράφεται από τον Doherty, με το φώς στον κατώτερο θάλαμο να παραμένει ανοιχτό καθ όλη τη διαδικασία δειγματοληψίας και το φως στο πάνω και το μεσαίο θάλαμο να εναλλάσσονται με διαφορά 5 λεπτά. Ανάλυση Εικόνα 1.2.2: Διάγραμμα της φωτοπαγίδας σε ημιτομή Δυο τύπων δεδομένα συλλέχθηκαν. Και το δίχτυ πλαγκτόν αλλά και οι φωτοπαγίδες συνέλεξαν μια μεγάλη ποικιλία ειδών επιτρέποντας έτσι να γίνουν δοκιμές για τον πλούτο των ειδών μεταξύ των δειγματοληψιών. Επειδή όλες οι ατραυμάτιστες προνύμφες μετριόντουσαν, τα μεγέθη τους μπορούσαν να συγκριθούν με τα ψάρια που πιάστηκαν και από τις 2 μεθόδους κατά τη διάρκεια των εποχών, σεληνιακών φάσεων και βιότοπων. Η αφθονία των ψαριών, συγκρίνοντας τις 2 μεθόδους δειγματοληψίας και την αλληλεπίδραση τους με άλλους παράγοντες, δεν μπορούσε να μετρηθεί επειδή ο όγκος του νερού στη δειγματοληψία από τις φωτοπαγίδες, για κάθε είδος, ήταν άγνωστος.ωστόσο, ένας συντελεστής συσχέτισης υπολογίστηκε για την αφθονία κάθε είδους στα δείγματα από τις 2 μεθόδους. Αθροίζοντας την αφθονία κάθε είδους και στις 3 επαναλήψεις της δειγματοληψίας, και τελικά συσχετίζοντας αυτό το σύνολο με το σύνολο από την άλλη μέθοδο δειγματοληψίας. Για τη μέτρηση του αριθμού των ειδών που πιάστηκαν από φωτοπαγίδες και δίχτυ κατά τη διάρκεια των εποχών, φάσεις της σελήνης και βιότοπων, ένα μικτό μοντέλο ANOVA χρησιμοποιήθηκε με παράγοντες: τις μεθόδους (φωτοπαγίδα και δίχτυ πλαγκτόν), την εποχή (καλοκαίρι και φθινόπωρο), σεληνιακές φάσεις (ολόκληρη και νέα σελήνη), την κάθε νύχτα για τις εποχές επί την σεληνιακή φάση (ως μεταβλητή), και τον βιότοπο (ύφαλο και παραλία). Πριν από το ANOVA, τα δεδομένα που συλλέγονταν δοκιμάζονταν για την ομογένεια τους χρησιμοποιώντας το test Cochran. Μετά την ανάλυση, γινόταν ομαδοποίηση, για να αποφευχθούν ασήμαντες αλληλεπιδράσεις, μεγαλύτερης τάξεως, με το μοντέλο. Αποτελέσματα Συνολικά, οι 96 δειγματοληψίες έπιασαν 8086 προνύμφες και πελαγικά ανήλικα ψάρια από 14 οικογένειες. Υπήρξε μια αξιοσημείωτη διαφορά όσον αφορά την σύνθεση των δειγμάτων που πάρθηκαν με τους 2 τρόπους. Το δίχτυ πλαγκτόν έπιασε σχεδόν 2 φορές περισσότερα είδη από 2 φορές περισσότερες οικογένειες απ ότι η φωτοπαγίδες. Ακόμη, συνέλεξε μια μεγαλύτερη ποικιλία μεγεθών, από το κάθε είδος. Το σημαντικό είναι ότι οι φωτοπαγίδες συνέλεξαν πολύ λιγότερες προνύμφες ψαριών απ ότι το δίχτυ (πίνακας 1.2.1). Ωστόσο, όλα τα δείγματα, και από τις φωτοπαγίδες και από το πλαγκτόν περιείχαν προνύμφες. Κανένα είδος δεν πιάστηκε αποκλειστικά από τις φωτοπαγίδες. Υπήρχε πολύ μικρή συσχέτιση μεταξύ της αφθονίας των ειδών που πιάστηκαν από το δίχτυ και αυτών από τη φωτοπαγίδα. 14

15 Πίνακας 1.2.1: Σύνθεση και μέγεθος των δειγμάτων που πιάστηκαν με δίχτυ και φωτοπαγίδες. Τα δεδομένα είναι ομαδοποιημένα κατά εποχή, σεληνιακή φάση και βιότοπο. Μόνον 6 από τα 23 είδη έδειξαν μετρήσιμη θετική συσχέτιση (p<0.05). τα υπόλοιπα έδειξαν πολύ μικρή συσχέτιση ή δεν συλλέχθηκαν καθόλου από τις φωτοπαγίδες. Και στις 2 μεθόδους, κάποια είδη με μεγάλη αφθονία κυριάρχησαν στις ψαριές. Τα 3 είδη με τη μεγαλύτερη αφθονία που πιάστηκαν από τις φωτοπαγίδες, αντιστοιχούν στο 75,4 % της συνολικής ψαριάς. Η κατανομή της αφθονίας κάθε είδους στα δείγματα από το δίχτυ πλαγκτόν ήταν πιο ισορροπημένη σε σχέση με τις φωτοπαγίδες. Ωστόσο η σειρά των ειδών, με βάση την αφθονία τους στις ψαριές, ήταν διαφορετική από τις φωτοπαγίδες στο δίχτυ. Για παράδειγμα, το είδος Sprattus, είναι το πιο κοινό είδος στα δείγματα του διχτυού πλαγκτόν, αλλά μόλις το 6ο πιο κοινό στα δείγματα των φωτοπαγίδων. Το πιο κοινό είδος στα δείγματα των φωτοπαγίδων ήταν απροσδιορίστου ονόματος Ρετροπίνιδα. Υπήρχαν σημαντικές διαφορές στον μέσο όρο μήκους των δειγμάτων ανάμεσα στις 2 μεθόδους. Για όλα τα είδη, οι προνύμφες που συλλέχτηκαν από τις φωτοπαγίδες ήταν σημαντικά μεγαλύτερες σε μήκος απ ότι αυτές του διχτυού. Για παράδειγμα, τα λίγα δείγματα Sprattus που πιάστηκαν από τις φωτοπαγίδες ήταν κατά μέσο όρο 12mm μεγαλύτερα από αυτά που πιάστηκαν στο δίχτυ πλαγκτόν. Η νυχτερινή δειγματοληψία δεν επηρέασε τον καθόλου αριθμό των ειδών που πιάστηκαν. Τα λιγότερα δείγματα πιάστηκαν από τις φωτοπαγίδες κατά τη διάρκεια της πλήρους σελήνης και του φθινόπωρου. Γενικά περισσότερα είδη πιαστήκαν κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού παρά το φθινόπωρο, αλλά το κατά πόσον επηρέασε η σελήνη εξαρτήθηκε από όλους τους άλλους παράγοντες που ήταν και πιο σημαντικοί. Οι φωτοπαγίδες και το δίχτυ πλαγκτόν είχαν πολύ διαφορετικά μοτίβα στα είδη που έπιασαν. Επίσης τα περισσότερα είδη ήταν πιο συχνά στον βιότοπο με τον ύφαλο. Ένα μεγάλο πλεονέκτημα των φωτοπαγίδων έναντι του διχτυού ήταν η ευκολία με την οποία τα δείγματα των φωτοπαγίδων μπορούν να αντιγραφούν, απλά χρησιμοποιώντας περισσότερες φωτοπαγίδες. 15

16 1.3 Φωτοπαγίδα των Fisher και Bellwood: Μια φωτοπαγίδα σχεδιασμένη για δειγματοληψία σε υποείδη προνυμφών ψαριών. Η σε βάθος κατανομή των προνυμφών, που βρίσκονται σε προχωρημένο στάδιο, μπορεί να επηρεάσει δυνητικά την επιτυχία τους να περάσουν στο επόμενο στάδιο εξέλιξης ή και την ενεργητικότητά τους κατά τη διάρκεια του επόμενου σταδίου. Μέχρι σήμερα, οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για να εξετάσουν την κάθετη κατανομή των προνυμφών σε υφάλους, είτε υποδειγματίζουν τις προνύμφες που βρίσκονται στο τελευταίο στάδιο, ή είναι ανίκανες να δειγματοληπτίσουν την στήλη του νερού διακριτικά. Σκοπός αυτής της έρευνας ήταν η δημιουργία μιας φωτοπαγίδας ικανή να κάνει δειγματοληψία σε μια στενή στήλη νερού σε βάθος έτσι να μπορούν να εξαχθούν και να μελετηθούν αξιόλογα μοτίβα κάθετης κατανομής. Οι πειραματικές παγίδες ακτινοβολούσαν μια σχετικά στενή δέσμη φωτός με μέγιστη κάθετη γωνία ακτινοβολίας 7,5ο. Επομένως, οι παγίδες μπορούσαν να τοποθετηθούν ακόμη και σε απόσταση 4,8 μέτρων η μία από την άλλη και να γίνεται σωστή δειγματοληψία των υποειδών σε διακριτά βάθη. Η αποδοτικότητά τους ήταν παρόμοια με αυτή των συμβατικών φωτοπαγίδων, δείχνοντας έτσι ότι ήταν επαρκής μονάδες δειγματοληψίας. Τα προκαταρτικά δεδομένα έδειξαν ότι οι περισσότερες οικογένειες ψαριών είναι σε μεγαλύτερη αφθονία κοντά στην επιφάνεια, ωστόσο μερικές εμφανίζονται να έχουν σημαντικό αριθμό ψαριών και χαμηλότερα. Ακόμη, μερικές οικογένειες ψαριών είναι σε αφθονία σε μεγάλα βάθη. Οι πειραματικές μας φωτοπαγίδες επιτρέπουν μεγαλύτερη ανάλυση της κάθετης κατανομής των προνυμφών τελευταίου σταδίου. Υλικά και μέθοδος Οι φωτοπαγίδες σχεδιάστηκαν να διανέμουν το φώς, κατά κύριο λόγο, οριζόντια. Έτσι κάθε φωτοπαγίδα είχε τη δυνατότητα να κάνει δειγματοληψία σε σαφώς διαφορετική κατανομή βάθους. Οι παγίδες ήταν κυλινδρικές, 52 εκατοστά στο ύψος και 50 εκατοστά μέγιστη διάμετρο. Το φως κατευθυνόταν οριζοντίως χρησιμοποιώντας μια σειρά από εννέα αδιαφανή διαφράγματα, με απόσταση μεταξύ τους 2 εκατοστά. Τα διαφράγματα ήταν φτιαγμένα από γκρι πλεξιγκλάς πάχους 3 χιλιοστών κομμένα σε επίπεδα δαχτυλίδια με εξωτερική διάμετρο 50 εκατοστών και εσωτερική διάμετρο 14 εκατοστών. Τέσσερις γάντζοι και σχοινί από ανοξείδωτο ατσάλι χρησιμοποιήθηκαν για να κρατάνε τα διαφράγματα στη θέση τους. το κάτω μισό της παγίδας ήταν κατασκευασμένο από πλαστικό σωλήνα πάχους 5 χιλιοστά(mm) και εσωτερική διάμετρο 30 εκατοστά(cm). Αυτό, ήταν προσαρτημένο στο κατώτερο διάφραγμα και σφραγισμένο στη βάση έτσι ώστε να σχηματίζει ένα Εικόνα 1.3.1: Λεπτομερής περιγραφή της παγίδας και μέθοδος τοποθέτησης σε κάθετη κατανομή. είδος καλαθιού για τη συλλογή δειγμάτων. Το καλάθι αυτό, είχε δύο σχισμές κοντά στη βάση του και από τις δυο μεριές, για να αδειάζει το νερό, οι οποίες ήταν καλυμμένες με πλαστικό δίχτυ διαμέτρου ενός χιλιοστού (1 mm). Το καλάθι μπορούσε να βγει από το επάνω μέρος της φωτοπαγίδας, έτσι η ψαριά μπορούσε εύκολα να μπει σε έναν κουβά. Τα ψάρια εμποδίζονταν να φύγουν, από ένα πλαστικό χωνί στο κατώτερο διάφραγμα και τέσσερα διαφανή κατευθυντήρια πλεξιγκλάς ανάμεσα σε καθένα από τα διαφράγματα. 16

17 Μια πηγή φωτός, η οποία αποτελούνταν από μια λάμπα φθορισμού 8W, 30 cm ύψους και ψυχρού άσπρου φωτός, ήταν τοποθετημένη μέσα σε ένα διαφανή σωλήνα πλεξιγκλάς που περνούσε από το κέντρο των διαφραγμάτων. Ο διαφανής σωλήνας ήταν σταθεροποιημένος σε ένα υδατοστεγές κουτί στη βάση του καλαθιού συλλογής, το οποίο περιείχε την μπαταρία. Η μπαταρία ήταν επαναφορτιζόμενη, μολύβδου, 12 V 7 A. Σε πλήρη φόρτιση, η μπαταρία μπορούσε να τροφοδοτήσει την φωτεινή πηγή για 48 ώρες. Οι παγίδες ήταν κρεμασμένες με σχοινί πιασμένο σε τέσσερις γάντζους από ανοξείδωτο ατσάλι, στο πάνω μέρος κάθε φωτοπαγίδας. Μπορούσαν επομένως να κρέμονται η μία από την άλλη, κρεμασμένες από τον γάντζο που είχε κάθε μια στο κάτω μέρος, σε διαφορετικά βάθη ανάλογα την επιθυμητή δειγματοληψία. Η φασματική κατανομή του φωτός που χρησιμοποιήθηκε, υπολογίστηκε με βάση έναν αισθητήρα της Li-Cor, ο οποίος μπορεί να ανιχνεύσει φως ανάμεσα στο 400 και 700 nm, που είναι και το φάσμα που βλέπουν προνύμφες. Επίσης μετρήθηκε η ένταση του φωτός απομακρυσμένοι κάθε φορά 10 εκατοστά από την παγίδα. Τρείς φωτοπαγίδες (επάνω, μεσαία, κάτω) τοποθετήθηκαν σε ένα κάθετο σχοινί (όπως στην εικόνα1.3.1) σε 18 μέτρα βάθος (χωρίς παλίρροια). Βρίσκονταν 1,5 χιλιόμετρο νοτιοδυτικά του νησιού Lizard, στην απάνεμη πλευρά. Το βάθος για την κάθε φωτοπαγίδα, επάνω, μεσαία και κάτω, ήταν αντίστοιχα 2, 9 και 16 μέτρα από την επιφάνεια. Η απόσταση της κάτω παγίδας από τον βυθό ήταν από 2 έως 4,3 μέτρα, ανάλογα την παλίρροια. Μεγάλη προσοχή δόθηκε στο να παραμείνουν οι παγίδες στη θέση τους, χρησιμοποιώντας βάρη στο κουτί της μπαταρίας. Αυτό εξασφάλιζε ότι οι παγίδες θα αλληλεπιδρούσαν μεταξύ τους στο ελάχιστο, λόγω των κυματισμών της θάλασσας. Στις συνθήκες που αντιμετωπίσαμε, η κίνηση αυτή ήταν αμελητέα. Οι παγίδες τοποθετήθηκαν 12 νύχτες συνολικά γύρω από την νέα σελήνη τον Νοέμβριο και τον Δεκέμβριο του Οι παγίδες τοποθετούνταν αρκετές ώρες πριν πέσει ο ήλιος κάθε νύχτα και άδειαζαν πρωί πρωί. Κάθε μέρα χρησιμοποιούνταν φορτισμένες μπαταρίες. Οι ψαριές διατηρούνταν σε κουβάδες με θαλασσινό νερό, με ξεχωριστές ετικέτες και επιστρέφονταν στο σταθμό για την έρευνα. Αποτελέσματα Οι παγίδες εξέπεμπαν το φως τους, σε λεπτές δέσμες που γρήγορα έχαναν την έντασή τους καθώς απομακρύνονταν από τι παγίδες. Η μέγιστη γωνία στην οποία ταξίδευε το φως ήταν 7.5ο. Ελάχιστα μεγαλύτερο από την θεωρητική τιμή των 6.3ο. Εφόσον οι παγίδες είχαν 7 μέτρα απόσταση μεταξύ τους, υπολογίσαμε ότι το φως κάθε παγίδας, δεν θα μπλεκόταν με την πιο κοντινή της, σε λιγότερο από 25 μέτρα από την παγίδα. 17

18 Εικόνα 1.3.2: Ένταση του φωτός σε σχέση με την απόσταση από την παγίδα. Η ένταση του φωτός μειωνόταν εκθετικά καθώς απομακρυνόμαστε από την παγίδα (εικόνα1.3.2), εξαιτίας της απόσβεσης λόγω του νερού αλλά και της αύξησης της περιοχής φωτισμού. Στα 7,4 μέτρα περίπου, έπεφτε σε επίπεδα χαμηλότερα από αυτά που χρειαζόταν για να προσελκύσουν οι παγίδες τις προνύμφες. Στα 9,6 μέτρα απόσταση, τα επίπεδα ήταν πιο χαμηλά από το φως του φεγγαριού στα 10μέτρα βάθος. Στα 18,1 μέτρα, οι παγίδες σχεδόν δεν ήταν ορατές για τις προνύμφες. Κατά τη διάρκεια των 12ήμερων δειγματοληψιών συλλέχθηκαν συνολικά 645 ψάρια από 11 οικογένειες. Οι δύο οικογένειες σε μεγαλύτερη αφθονία αποτελούσαν το 87% των συνολικών δειγμάτων. Σύμφωνα με υπολογισμούς οι παγίδες έπιαναν κάθε ώρα περίπου 4,9 ψάρια. Ενώ τα περισσότερα είδη έδειξαν να βρίσκονται σε αφθονία κοντά στην επιφάνεια, υπήρχαν δυο εξαιρέσεις. Κάποια έδειξαν να έχουν ίδιους αριθμούς στις επάνω και τις μεσαίες παγίδες και άλλα στις μεσαίες και τις κάτω παγίδες. Η απόσταση των 7 μέτρων, της μιας παγίδας από την άλλη, ήταν καλή ώστε να μην μπλέκεται το φως της μιας με την αμέσως πιο κοντινή της. Θεωρητικά θα μπορούσαν να τοποθετηθούν μέχρι και με 4,8 μέτρα διαφορά και ακόμα να μπορούν να κάνουν διακριτή δειγματοληψία σε διαφορετικά βάθη. Ωστόσο αυτή η εκτίμηση είναι αρκετά συντηρητική, αν λάβει κανείς υπόψη το γεγονός ότι οι υπολογισμοί για την μείωση της έντασης του φωτός βασίστηκαν στην υπόθεση ότι το φως κατανέμεται ομοιόμορφα κατά μήκος της δέσμης του, καθώς φεύγει από την παγίδα. Σε γενικές γραμμές, επιτεύχθηκε μια μέγιστη απόσταση 17 μέτρων για το ψάρεμα, πολύ λιγότερο από τα 95 μέτρα των συμβατικών φωτοπαγίδων. Ο λόγος είναι η μικρότερη ένταση του φωτός καθώς αυτό φεύγει από την παγίδα. Η μικρή ένταση είναι πιθανόν αποτέλεσμα της απορρόφησης του φωτός από τα διαφράγματα, κάτι που σίγουρα μείωσε την αποτελεσματικότητα της παγίδας. Γενικά όμως, συμπεραίνουμε ότι οι φωτοπαγίδες, με μικρές ουσιώδεις τροποποιήσεις, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να αναλύσουν την κάθετη κατανομή των προνυμφών σε προχωρημένο στάδιο, κοντά σε υφάλους. 18

19 1.4 Φωτοπαγίδα των Villizi,Meredith: Εκτίμηση της απόδοσης των φωτοπαγίδων με την εφαρμογή πλέγματος για την αποφυγή θήρευσης των ειδών σε προνύμφες και νεαρών ψαριών. Ανάμεσα στους μηχανισμούς παθητικής συλλογής, οι φωτοπαγίδες έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως για να δειγματοληπτίσουν προνύμφες και νεαρά ψάρια σε περιβάλλοντα θαλασσινού και φρέσκου νερού, κυρίως σε βιότοπους με περίπλοκη δομή. Παρότι αρκετές τροποποιήσεις έχουν προταθεί, για να αυξηθεί η αποδοτικότητά τους, καμιά αναφορά ως τώρα δεν υπάρχει στις πιθανές απώλειες προνυμφών και νεαρών ψαριών, ως αποτέλεσμα της θήρευσης τους από άλλα είδη που τρέφονται από αυτά. Για να αντιμετωπίσουμε αυτό το πρόβλημα, εκτιμήσαμε την απόδοση μιας τροποποιημένης φωτοπαγίδας με την προσθήκη ενός πλέγματος (διαμέτρου 3 mm ) τυλιγμένου γύρω από τους θαλάμους εισόδου. Η αφθονία των προνυμφών και των νεαρών ψαριών που συλλέχθηκαν κατά τη διάρκεια του προγράμματος έγινε μεγαλύτερη στα χρόνια που ακολούθησαν την εφαρμογή του πλέγματος. Με βάση τα τελευταία, οι παγίδες με το δίχτυ έπιαναν συνεχώς προνύμφες και νεαρά ψάρια, αφήνοντας τα ενήλικα. Αντίθετα, οι παγίδες χωρίς το δίχτυ έκανα ακριβώς το αντίθετο. Επίσης παγίδες χωρίς φως δεν έπιασαν κανένα ψάρι. Τα ευρήματά μας, υποδεικνύουν ότι η θήρευση των ψαριών εντός των φωτοπαγίδων δεν είναι αμελητέα. Υλικά και μέθοδος Περιοχή μελέτης ήταν το νησί Lindsay, μια ξηρή περιοχή που περιοδικά πλημυρίζει από τον ποταμό Murray. Βόρεια του νησιού ο ποταμός Murray και νότια ο ποταμός Lindsay δημιουργούν στο νησί 4 βιότοπους. Σε κάθε περιοχή, 3 τροποποιημένες φωτοπαγίδες τοποθετήθηκαν σε ρηχά νερά για να αυξηθεί η αποδοτικότητά τους και να ομογενοποιήσουν τις ψαριές. Ράβδοι φωτός τοποθετούνταν στον πυρήνα από πλεξιγκλάς σε κάθε φωτοπαγίδα, οι οποίες αφήνονταν όλο το βράδυ και μαζεύονταν το επόμενο πρωί. Τα ψάρια διατηρούνταν σε διάλυμα 70% αιθανόλη πριν επιστρέψουν στο εργαστήριο για αναγνώριση. Εικόνα 1.4.1: Τροποποιημένες «τετράφυλλες» φωτοπαγίδες με και χωρίς πλέγμα για την εκτίμηση της αποδοτικότητας τους. Παρακάτω ο όρος «χρόνος» θα χρησιμοποιείται για να περιγράψει την περίοδο Αυγούστου- Ιουλίου, αρχή της Αυστραλιανής άνοιξης και τέλος του χειμώνα, και ο όρος «νεαρά» τα νεαρά ψάρια που εξετάστηκαν και πιάστηκαν από τις παγίδες κατά τη διάρκεια του πειράματος που σχεδιάστηκε. Όλα τα ψάρια που πιάστηκαν από τις παγίδες, αναγνωρίστηκαν ως νεαρά. Σύμφωνα 19

20 με το παράδειγμα του Humphries, οι τροποποιημένες παγίδες κατασκευάστηκαν από πλεξιγκλάς και ατσάλι, με ένα αποσπώμενο πλέγμα διαμέτρου 2 χιλιοστών από αλουμίνιο. Ολόκληρη η παγίδα είχε βάθος 30 εκατοστά και 22 εκατοστά πλευρά, ήταν τετράγωνη. Η βάση είχε διάμετρο 20 εκατοστά. Στην πρωτότυπη σχεδίαση, υπήρχαν κενά 5 χιλιοστών ανάμεσα σε κάθε σωλήνα έτσι ώστε να μπορούν να εισέλθουν οι προνύμφες αλλά να εμποδίζονται μεγαλύτερα ψάρια. Όσον αφορά τις παγίδες μόνο με φως, ο σωλήνας από πλεξιγκλάς που βρισκόταν στο κέντρο της παγίδας περιείχε μια ράβδο φωτός, κίτρινη, τύπου Cyalume, διάρκειας 12 ωρών. Αυτό το χρώμα έχει αποδειχθεί πως είναι πιο αποτελεσματικό για την προσέλκυση προνυμφών και νεαρών, σε κάποια τοπικά Αυστραλιανά είδη. Στις φωτοπαγίδες με το δίχτυ, οι θάλαμοι των παγίδων περικλείονταν με πλέγμα διαμέτρου 3 χιλιοστών. Δεκαέξι (16) παγίδες τοποθετήθηκαν 2 συνεχόμενες μέρες (16 και 17 Ιανουαρίου) σε περιοχές με ρηχά νερά. Σε κάθε περίπτωση οι παγίδες τοποθετούνταν το ηλιοβασίλεμα στον βυθό και συλλέγονταν το επόμενο πρωί. Υπήρχαν τέσσερις πειραματικές παγίδες: με δίχτυ/με φώς, με δίχτυ/χωρίς φως, χωρίς δίχτυ/με φως, χωρίς δίχτυ/χωρίς φως. Οι παγίδες τοποθετούνταν σε ένα τετράγωνο σχήμα που ήταν τυχαίο, με 1 μέτρο απόσταση η μια από την άλλη. Το 1 μέτρο θεωρήθηκε μια λογική απόσταση για να μειωθούν οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των γειτονικών παγίδων. Επειδή οι παγίδες ήταν τυχαία τοποθετημένες, ήταν δυνατή η μέτρηση διαφορών για 2 και περισσότερες φωτοπαγίδες. Για τη στατιστική ανάλυση χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος ANOVA. Οι πίνακες για την ανάλυση των δεδομένων έγιναν με το XMATRIX και το Microsoft Excel Αποτελέσματα Σε γενικές γραμμές, υπήρχε μεγάλη ποικιλία στις ψαριές, με αφθονία κατά τη διάρκεια της μελέτης, που ακολουθούσε εποχιακό μοτίβο. Επίσης, υπήρχαν δείγματα αύξησης της αφθονίας στα χρόνια που ακολούθησαν την εφαρμογή του πλέγματος. Η ανάλυση ANOVA οδήγησε σε στατιστικά σημαντικά διαφορές, χωριστά για τα χρόνια και τους μήνες. Ένα τεστ για την αφθονία σε ζεύγη, έδειξε πως αυτή ήταν μεγαλύτερη τα χρόνια που χρησιμοποιήθηκε πλέγμα. Υπήρχε στατιστικά σημαντική διαφορά στον αριθμό των ψαριών που έπιασε κάθε παγίδα. Προνύμφες και νεαρά, αλλά όχι ενήλικα ψάρια πιάστηκαν από τις παγίδες με πλέγμα/φως. Αντίθετα, μόνο ενήλικα ψάρια πιάστηκαν από τις παγίδες χωρίς το πλέγμα/με φως. Η έρευνα αυτή έδειξε ότι η προσθήκη πλέγματος στις φωτοπαγίδες αύξησε την αποδοτικότητά τους στις προνύμφες και τα νεαρά ψάρια, εξαιρώντας τα μεγαλύτερα. Ακόμη σημαντικότερο, αυτά τα ευρήματα, υποστηρίζονται από μια μακροχρόνια έρευνα και πείραμα. 20

21 2 Δίοδοι Στον κόσμο τον ηλεκτρονικών, η δίοδος είναι ένα στοιχείο δυο ακροδεκτών με ασύμετρη αγωγιμότητα. Έχει πολύ μικρή, ιδανικά μηδενική, αντίσταση όταν πολωθεί ορθά και πολύ μεγάλη, ιδανικά άπειρη, αντίσταση όταν πολωθεί ανάστροφα. Επομένως η δίοδος είναι ημιαγωγός. Ο πιο κοινός τύπος διόδου σήμερα είναι ένα κρυσταλλικό κομμάτι ημιαγώγιμου υλικού με μία p-n πρόσμιξη συνδεδεμένος σε δύο ακροδέκτες. Η δίοδος έχει δυο ηλεκτρόδια, την άνοδο και την κάθοδο. Οι δίοδοι ως ημιαγωγός ήταν το στοιχείο που χρησιμοποιούνταν στις πρώτες ηλεκτρονικές συσκευές με ημιαγωγούς. Η ανακάλυψη των ιδιοτήτων τους έγινε από τον Γερμανό φυσικό Ferdinand Braun το Οι πρώτες δίοδοι, καλούνταν cat s whisker diodes, αναπτύχθηκαν περί το 1906 και ήταν φτιαγμένες από ορυκτούς κρυστάλλους όπως σουλφίδιο του μολύβδου. Σήμερα, οι περισσότερες δίοδοι είναι φτιαγμένες από πυρίτιο αλλά σε ορισμένες περιπτώσεις χρησιμοποιούνται και άλλοι ημιαγωγοί όπως σελήνιο ή γερμάνιο. Η συμπεριφορά μιας διόδου σε ένα κύκλωμα δίνεται στο διπλανό σχήμα με τη χαρακτηριστική ρεύματος-τάσης. Το σχήμα της καμπύλης εξαρτάται από την μεταφορά των φορέων πλειονότητας μέσα από την περιοχή ελάττωσης (depletion region) που υπάρχει σε μια επαφή p-n. Όταν μια επαφή p-n δημιουργείται, ελεύθερα ηλεκτρόνια από την περιοχή Ν διαχέονται στην περιοχή P όπου υπάρχει μεγάλος αριθμός οπών και συνδέονται με αυτές. Όταν ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο ενωθεί με μια οπή τότε και τα δύο εξαφανίζονται, αφήνοντας πίσω τους έναν ακίνητο θετικά φορτισμένο αποδέκτη στην Ν πλευρά και έναν αρνητικά φορτισμένο δότη στην P πλευρά. Η περιοχή γύρω από την επαφή p-n τώρα στερείται φορέων πλειονότητας και επομένως συμπεριφέρεται ως μονωτής. Παρόλα αυτά το μέγεθος της περιοχής ελάττωσης δεν μπορεί να αυξηθεί χωρίς όριο. Για κάθε ζευγάρι ηλεκτρονίου-οπής ένα ιόν θετικής πρόσμιξης αφήνεται πίσω στην περιοχή Ν και ένα ιόν αρνητικής πρόσμιξης αφήνεται πίσω στην περιοχή P. Καθώς η ένωση των φορέων συνεχίζεται όλο και περισσότερα ιόντα δημιουργούνται και έτσι δημιουργείται ένα ηλεκτρικό πεδίο στην περιοχή ελάττωσης που λειτουργεί ανασταλτικά και τελικά σταματά την ένωση των φορέων. Αν εφαρμόσουμε εξωτερική τάση στην δίοδο με αντίστροφη πολικότητα από αυτή που ορίζει ο κατασκευαστής, η ζώνη ελάττωσης συνεχίζει να δρα ως μονωτής και αποτρέπει την διέλευση ρεύματος. (Εκτός αν τα ζευγάρια ηλεκτρονίων-οπών δημιουργούνται ενεργά στην επαφή π.χ μέσω φωτός,βλ. φωτοδίοδο παρακάτω). Αυτό είναι το φαινόμενο ανάστροφης πόλωσης. Ωστόσο, αν η τάση αυτή εφαρμόζεται σύμφωνα με την κατασκευαστή δημιουργούνται ξανά ζευγάρια ηλεκτρονίων-οπών με αποτέλεσμα τη διέλευση μεγάλου ρεύματος διαμέσου της επαφής. Για τις διόδους πυριτίου, η τάση αυτή που οδηγεί στη δημιουργία ζευγαριών και πάλι είναι 0,7 V περίπου. Έτσι, αν ένα εξωτερικό ρεύμα περάσει διαμέσου της διόδου, η τάση στα άκρα της αυξάνει λογαριθμικά με ρεύμα τέτοιο που η P περιοχή είναι θετική σε σχέση με την N περιοχή και η δίοδος τότε έχει πολωθεί ορθά. 21

22 2.1 Φωτοδίοδος H φωτοδίοδος είναι ένας ημιαγωγός που μετατρέπει το φως σε ρεύμα. Το ρεύμα δημιουργείται όταν φωτόνια απορροφούνται από την φωτοδίοδο. Το ρεύμα που παράγεται όταν δεν υπάρχει φως έχει πολύ μικρή τιμή. Οι φωτοδίοδοι μπορεί να περιέχουν οπτικά φίλτρα, ενσωματωμένους φακούς και έχουν μικρή ή μεγάλη επιφάνεια επαφής. Οι Φωτοδίοδοι συνήθως έχουν μειωμένο χρόνο απόκρισης όσο μεγαλώνει η επιφάνεια της επαφής τους. Το κοινό ηλιακό κύτταρο που χρησιμοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από την ηλιακή είναι μια ουσιαστικά μια φωτοδίοδος με μεγάλη επιφάνεια επαφή Οι Φωτοδίοδοι είναι όμοιες με τις διόδους ως ημιαγωγοί με μοναδική διαφορά ότι μπορούν να είναι είτε εκτεθειμένες (για να εντοπίσουν UV ή Χ ακτινοβολία) ή να βρίσκονται μέσα σε μία οπτική ίνα η κάποιον χώρο που να επιτρέπει στο φως να φτάσει στα φωτοευαίσθητα σημεία της διόδου. Η φωτοδίοδος είναι σχεδιασμένη να λειτουργεί με ανάστροφη πόλωση. Η αρχή λειτουργίας είναι απλή. Όταν ένα φωτόνιο με ικανοποιητική ενέργεια πέσει πάνω στην επαφή της διόδου, δημιουργεί ένα ζευγάρι ηλεκτρονίου-οπής. Αυτός ο μηχανισμός είναι επίσης γνωστός ως φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Αν η απορρόφηση του φωτονίου γίνει στο σημείο διαχωρισμού των δύο επιφανειών (περιοχή ελάττωσης, depletion region) οι φορείς απομακρύνονται από την περιοχή λόγω του ηλεκτρικού πεδίου που υπάρχει ήδη στην περιοχή ελάττωσης. Επομένως οι οπές κινούνται προς την άνοδο και τα ηλεκτρόνια κινούνται προς την κάθοδο και παράγεται το φωτορεύμα. Το συνολικό ρεύμα διαμέσου της φωτοδιόδου είναι το άθροισμα του ρεύματος απουσία φωτός και του φωτορεύματος. Επομένως το ρεύμα απουσία φωτός πρέπει να ελαχιστοποιηθεί για να μεγιστοποιηθεί η ευαισθησία της συσκευής. Όταν η δίοδος βρίσκεται σε φωτοαγώγιμη κατάσταση συχνά είναι πολωμένη ανάστροφα. Αυτό μειώνει τον χρόνο απόκρισης γιατί η επιπλέον αντίστροφη πολικότητα αυξάνει την περιοχή ελάττωσης (depletion layer), έτσι αυξάνει η χωρητικότητα της επαφής. Επίσης η ανάστροφη πολικότητα αυξάνει το ρεύμα απουσία φωτός χωρίς σημαντικές αλλαγές στο φωτορεύμα. Για συγκεκριμένη φασματική κατανομή, το φωτορεύμα είναι ανάλογο της φωτεινότητας. Παρόλο που η κατάσταση αυτή είναι η πιο γρήγορη σε απόκριση, τείνει να παράγει αρκετό ηλεκτρονικό θόρυβο. Πέρα από αυτό, υπάρχουν κι άλλα φαινόμενα σε διάφορα ηλεκτρονικά στοιχεία που είναι ανεπιθύμητα. Γενικά, μια επαφή p-n, αν φωτίζεται, είναι εν δυνάμει μια φωτοδίοδος. Οι ημιαγωγοί όπως τα τρανζίστορ και τα ολοκληρωμένα περιέχουν επαφές p-n, και δεν λειτουργούν σωστά αν εκτίθενται σε ανεπιθύμητη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (φως) φάσματος κατάλληλου να παράγει φωτορεύμα. Αυτό το φαινόμενο αποφεύγεται κλείνοντας τη συσκευή σε μια κατασκευή που δεν επιτρέπει φως να περάσει στα φωτοευαίσθητα μέρη της. 22

23 3 Δίοδοι εκπομπής φωτός LED 3.1 Εισαγωγή Η δίοδος εκπομπής φωτός είναι ένας ημιαγωγός δυο ακροδεκτών ο οποίος είναι πηγή φωτός. Είναι μια επαφή p-n πρόσμιξης, η οποία εκπέμπει φως όταν πολωθεί ορθά. Όταν εφαρμοστεί κατάλληλη τάση, τα ηλεκτρόνια κινούνται προς τις οπές εσωτερικά της συσκευής. Όταν συνδυαστούν με τις οπές βρίσκονται σε κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας από αυτήν που βρίσκονταν. Η διαφορά ενέργειας που προκύπτει εκλύεται με τη μορφή φωτονίων. Το φαινόμενο αυτό λέγεται φωτοηλεκτρικό, και το χρώμα του φωτός (αντίστοιχο της ενέργειας των φωτονίων) καθορίζεται από το ενεργειακό διάκενο του ημιαγωγού. Η δίοδος τύπου LED συχνά καλύπτει μια μικρή περιοχή (λιγότερο από 1mm 2 ) και ενσωματωμένα οπτικά στοιχεία χρησιμοποιούνται για να δώσουν στο μοτίβο της ακτινοβολίας της. Η πρώτη εμφάνιση τους ως ηλεκτρονικά στοιχεία έγινε το Οι πρώτες Δίοδοι Εκπομπής Φωτός εξέπεμπαν υπέρυθρο φως χαμηλής έντασης. Υπέρυθρες δίοδοι χρησιμοποιούνται ακόμα συχνά ως στοιχεία εκπομπής σε κυκλώματα απομακρυσμένου ελέγχου, όπως αυτά που βρίσκονται σε τηλεκοντρόλ και χρησιμοποιούνται σε μεγάλο εύρος ηλεκτρονικών συσκευών. Η πρώτη δίοδος εκπομπής ορατού φωτός ήταν επίσης χαμηλής έντασης, και περιοριζόταν μόνο στο κόκκινο χρώμα. Οι σύγχρονες δίοδοι εκπομπής φωτός έχουν τη δυνατότητα να εκπέμψουν πέρα από το φάσμα του ορατού υπεριώδους και υπέρυθρου φωτός με μεγάλη φωτεινότητα. Οι πρώτες δίοδοι συχνά χρησιμοποιούνταν ως λαμπτήρες ένδειξης για ηλεκτρονικές συσκευές, αντικαθιστώντας μεγάλες λυχνίες πυρακτώσεως. Σύντομα χρησιμοποιήθηκαν σε οθόνες απεικόνισης 7 κομματιών, με πιο συνηθισμένες αυτές των ψηφιακών ρολογιών. Πρόσφατες εξελίξεις στις διόδους εκπομπής φωτός τους επιτρέπουν να χρησιμοποιούνται σε φωτισμός περιβάλλοντος χώρου και εργασιών. Οι δίοδοι εκπομπής φωτός έχουν πολλά πλεονεκτήματα έναντι των λαμπτήρων πυρακτώσεως, όπως η χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας, μεγαλύτερη διάρκεια ζωής, πιο στιβαρή φυσική κατασκευή, μικρότερο μέγεθος και γρηγορότερη εναλλαγή καταστάσεων. Οι δίοδοι εκπομπής φωτός χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές όπως ο φωτισμός αεροσκαφών, προβολείς αυτοκινήτων, διαφήμιση, γενικός φωτισμός, φανάρια τροχαίας και φλάς σε φωτογραφικές μηχανές και κινητά. Ωστόσο, οι δίοδοι εκπομπής φωτός που έχουν αρκετή ισχύ για φωτισμό δωματίου είναι ακόμα σχετικά ακριβές, και απαιτούν ρεύμα μεγαλύτερης ακρίβειας και διαχείριση θερμότητας από τις συμβατικές λάμπες φθορισμού. Οι δίοδοι εκπομπής φωτός έχουν επιτρέψει την ανάπτυξη νέων οθονών προβολής κειμένου, εικόνας και αισθητήρων, ενώ η μεγάλη ταχύτητα στην εναλλαγή καταστάσεων τις καθιστά επίσης χρήσιμες σε τεχνολογίες επικοινωνίας. 23

24 3.2 Φυσική Η δίοδος εκπομπής φωτός αποτελείται από μια ημιαγώγιμη περιοχή στην οποία έχει γίνει πρόσμιξη ατελειών για να δημιουργηθεί μια επαφή p-n. Όπως σε όλες τις διόδους, το ρεύμα περνά εύκολα από την p πλευρά ή άνοδος στην n πλευρά ή κάθοδος, όμως όχι ανάποδα. Οι φορείς πλειονότητας και μειονότητας, ηλεκτρόνια και οπές αντίστοιχα, εγχέονται στην επαφή μέσω των ακροδεκτών για διάφορες τιμές τάσης. Όταν ένα ηλεκτρόνιο συναντά μια οπή, πέφτει σε χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο και απελευθερώνει ενέργεια με τη μορφή φωτονίου. Το μήκος κύματος του φωτός που εκπέμπεται και επομένως και το χρώμα του, εξαρτάται από το ενεργειακό διάκενο των υλικών που σχηματίζουν την επαφή p-n. Εφαρμόζοντας τάση τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται στην n πλευρά της επαφής και μόνον αυτά που είναι πολύ κοντά στην διαχωριστική επιφάνεια των δύο πλευρών αποκτούν την απαραίτητα ενέργεια (ενέργεια Fermi) για να ξεπεράσουν το ενεργειακό διάκενο και να ενωθούν με οπές. Την στιγμή που περνούν από την μία ενεργειακή κατάσταση στην άλλη εκπέμπεται φως. Για το πυρίτιο και το γερμάνιο, τα ηλεκτρόνια και οι οπές συνήθως συνδυάζονται χωρίς παραγωγή ορατής ακτινοβολίας, επειδή αυτά τα υλικά έχουν έμμεσο ενεργειακό διάκενο. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται για τις διόδους εκπομπής φωτός έχουν άμεσα ενεργειακά διάκενα με ενέργειες που αντιστοιχούν σε σχεδόν υπέρυθρο, ορατό, ή σχεδόν υπεριώδες φώς. 3.3 Χαμηλής ισχύος LED Αυτά είναι κυρίως δίοδοι εκπομπής φωτός με μία μόνο στρώση βαφής και χρησιμοποιούνται ως ενδεικτικές λυχνίες. Έχουν διάφορα μεγέθη που κυμαίνονται από 2mm ως 8mm. Τυπικές τιμές ρεύματος: από 1mA ως 20 περίπου ma. Το μικρό τους μέγεθος θέτει ένα φυσικό επάνω όριο στην κατανάλωση ισχύος λόγω της θερμότητας από την υψηλή πυκνότητα ρεύματος. Συχνά η κατασκευή τους έχει σχήμα κυλινδρικό με την κορυφή σε σχήμα θόλου, ή τετράγωνο με επίπεδη κορυφή ή ακόμα και τριγωνικό με επίπεδη κορυφή. Η κατασκευή μπορεί να είναι διαφανής ή ματ για καλύτερη αντίθεση και γωνία θέασης. Υπάρχουν δυο κυρίως κατηγορίες των χαμηλής ισχύος διόδων εκπομπής φωτός. Χαμηλού ρεύματος: το οποίο τυπικά είναι 2mA για περίπου 2V (περίπου 4mW κατανάλωση). Τυπικό: 20 ma δίοδος (περίπου 40 με 90 mw) στα: o 1,9 ως 2,1 V για το κόκκινο, πορτοκαλί και κίτρινο o 3,0 ως 3,4 V για το πράσινο και το μπλε o 2,9 ως 4,2 V για το βιολετί, ροζ, μωβ και λευκό. 24

25 3.4 LED υψηλής ισχύος Οι δίοδοι εκπομπής φωτός υψηλής ισχύος μπορούν να οδηγήσουν ρεύμα από εκατοντάδες ma ως περισσότερα από ampere, σε σύγκριση με τα δεκάδες ma που είδαμε πιο πάνω για τα χαμηλής ισχύος. Μερικές δίοδοι μπορούν να εκπέμψουν και περισσότερα από 1000 lumens. Επειδή η πυκνότητα ισχύος μπορεί να φτάσει ακόμα και τα 300 W/cm 2, η παραγωγή θερμότητας είναι μεγάλη. Για τον λόγο αυτό τα LED ισχύος πρέπει να βρίσκονται πάνω σε συσκευές σχεδιασμένες για την απαγωγή θερμότητας από αυτά. Αν δεν γίνει κάτι τέτοιο, η δίοδος θα καταστραφεί σε δευτερόλεπτα. Ένα ή περισσότερα LED ισχύος με την κατάλληλη διάταξη μπορούν να αντικαταστήσουν μια λάμπα πυρακτώσεως LED ισχύος Samsung Εισαγωγή Τα LED ισχύος της Samsung μπορούν να λειτουργήσουν με μέγιστο ρεύμα παροχής 1,5 Α. Παρέχουν μια ομοιόμορφη κατανομή της δέσμης φωτός που εκπέμπουν. Μπορούν να έχουν ως και 80 αποχρώσεις, γεγονός που τα καθιστά κατάλληλα για τις περισσότερες εφαρμογές. Έχουν ελεγχθεί, ώρες σε 1 Α, στους 105 o C. Οι εφαρμογές τους περιλαμβάνουν εσωτερικό φωτισμό, εξωτερικό φωτισμό, εργοστασιακό φωτισμό, φακούς Χαρακτηριστικά Στον πίνακα φαίνονται η θερμοκρασία λειτουργία των LED, η θερμοκρασία στην οποία μπορούν να αποθηκεύονται, η μέγιστη θερμοκρασία στην οποία μπορεί να φτάσει η επαφή της διόδου χωρίς να καταστραφεί. Το μέγιστο ρεύμα ορθής πόλωσης. Αναλυτικά τα τεχνικά χαρακτηριστικά βρίσκονται στο Appendix Προφυλάξεις χρήση και χειρισμού Για την αποφυγή ανάπτυξης μεγάλων ρευμάτων, οι χρήστες συμβουλεύονται να χρησιμοποιούν αντιστάσεις σε σειρά με το LED για την εξομάλυνση απότομων αλλαγών του ρεύματος λόγω απότομης αλλαγής της τάσης. Η συσκευή αυτή της Samsung δεν θα πρέπει να τοποθετηθεί μέσα σε οποιουδήποτε είδους υγρό όπως νερό, λάδι κ.λ.π. Όταν απαιτείται καθαρισμός να χρησιμοποιείται IPA. 25

26 Όταν η συσκευή είναι σε λειτουργία, το ρεύμα ορθής πόλωσης θα πρέπει να υπολογιστεί προσεκτικά λαμβάνοντας υπόψη την μέγιστη θερμοκρασία περιβάλλοντος και την αντίστοιχη θερμοκρασία της επαφής. Κατά την αποθήκευσή τους, τα LEDs πρέπει να βρίσκονται σε καθαρό περιβάλλον. Αν πρόκειται να αποθηκευτούν για περισσότερο από 3 μήνες μετά την αποστολή τους από την Samsung, πρέπει να τοποθετηθούν σε δοχεία αζώτου. Εφόσον ανοιχθεί η συσκευασία τους, και η συσκευή εκτεθεί σε κόλληση, ή μεγάλη θερμοκρασία θα πρέπει: να τοποθετηθεί για τη χρήση της μέσα 672 ώρες και σε συνθήκες θερμοκρασίας όχι μεγαλύτερη των 30 βαθμών κελσίου. Οι συσκευές χρειάζονται ψήσιμο αν τα επίπεδα υγρασίας του περιβάλλοντος είναι πάνω από 60% σε θερμοκρασία 23 ο C ± 5 ο C. Οι συσκευές τότε ψήνονται για 1ώρα στους 60 o C ± 5 o C. Τα LEDs είναι ευαίσθητα σε στατικό ηλεκτρισμό. Προτείνεται να χρησιμοποιείτε κάποιο αντιστατικό βραχιόλι ή γάντια όταν τα χειρίζεστε. Αν η τάση που εφαρμόζεται στα LEDs ξεπερνά την μέγιστη επιτρεπτή, μπορεί να προκαλέσει βλάβες ή και καταστροφή των LEDs. 26

27 4 Τελεστικοί ενισχυτές. Ο τελεστικός ενισχυτής είναι ένας ενισχυτής DC τάσης υψηλού κέρδους με μεταβλητή είσοδο και συνήθως μία έξοδο. Ο ενισχυτής αυτός δύναται να έχει έξοδο εκατοντάδες χιλιάδες φορές μεγαλύτερη από την διαφορά των δυο τάσεων στην είσοδό του. Οι τελεστικοί ενισχυτές έχουν τις ρίζες τους στους αναλογικούς υπολογιστές, όπου χρησιμοποιούνταν για μαθηματικές πράξεις σε πολλά γραμμικά και μη γραμμικά κυκλώματα εξαρτώμενα από τη συχνότητα. Οι τελεστικοί ενισχυτές είναι ιδιαίτερα δημοφιλείς ως δομικά στοιχεία κυκλωμάτων γιατί τα χαρακτηριστικά του κυκλώματος επηρεάζονται μόνο από τα εξωτερικά στοιχεία αυτού χωρίς να έχει σημασία ο κατασκευαστής του τελεστικού ενισχυτή ή οι μεταβολές στη θερμοκρασία του περιβάλλοντος. Πολλοί τελεστικοί ενισχυτές κοστίζουν μόλις μερικά cents, υπάρχουν βέβαια και ενισχυτές με ιδιαίτερα χαρακτηριστικά σχεδιασμένοι για υψηλές επιδώσεις που μπορεί να κοστίζουν πολύ ακριβά. 4.1 Ενισχυτής ανοιχτού βρόχου Το κέρδος ενός ενισχυτή τέτοιου είδους σε διάταξη ανοιχτού βρόχου είναι τυπικά πολύ μεγάλο της τάξεως των 100,000 ή και περισσότερο για ολοκληρωμένα με ενσωματωμένους τελεστικούς ενισχυτές επομένως ακόμη και η παραμικρή διαφορά τάσης ανάμεσα στους ακροδέκτες V + και V - οδηγεί την έξοδο του ενισχυτή σχεδόν στην τάση τροφοδοσίας. Καταστάσεις στις οποίες η έξοδος του ενισχυτή έχει τάση ίση ή και μεγαλύτερη της τάσης τροφοδοσίας αναφέρονται ως καταστάσεις κορεσμού του ενισχυτή. Το κέρδος του ανοιχτού βρόχου δεν ελέγχεται από την διαδικασία παραγωγής του ενισχυτή και επομένως δεν είναι πρακτικό να χρησιμοποιείται ως αυτόνομη διάταξη. Χωρίς αρνητική ανάδραση, ο τελεστικός ενισχυτής δρα ως κύκλωμα σύγκρισης. Αν η αρνητική είσοδος είναι στη γη (0 V) και η θετική είσοδος σε μια θετική τάση, τότε η έξοδος θα είναι μέγιστη θετική, ενώ αν η θετική είσοδος είναι σε μια αρνητική τάση τότε και η έξοδος θα είναι μέγιστη αρνητική. 4.2 Ενισχυτής κλειστού βρόχου Αν η λειτουργία του ενισχυτή θέλουμε να είναι προβλέψιμη χρησιμοποιείται αρνητική ανάδραση εφαρμόζοντας ένα μέρος της τάσης εξόδου στην αρνητική είσοδο. Η ανάδραση κλειστού βρόχου μειώνει σημαντικά το κέρδος του κυκλώματος. Όταν χρησιμοποιείται, το συνολικό κέρδος και η απόκριση του ενισχυτή εξαρτάται σχεδόν ολοκληρωτικά από δίκτυο ανάδρασης, αντί των χαρακτηριστικών του τελεστικού ενισχυτή. Αν το δίκτυο ανάδρασης αποτελείται από στοιχεία με τιμές μικρές σε σύγκριση με την αντίσταση εισόδου του ενισχυτή, η τιμή της απόκρισης ανοιχτού βρόχου δεν επηρεάζει την απόδοση του κυκλώματος. Για τον τελεστικό ενισχυτή του σχήματος η παρουσία της αρνητικής ανάδρασης μέσω του διαιρέτη τάσης R f, R g προσδιορίζει το κέρδος κλειστού βρόχου A CL = V out / V in. Η ισορροπία 27

28 αποκαθίσταται όταν η V out γίνει αρκετή για να μπορέσει να τραβήξει την αρνητική είσοδο στην ίδια τάση με την θετική είσοδο. Επομένως το κέρδος τάσης: Gain = 1 + R f / R g. (1) Λόγω της ανάδρασης που παρέχεται από τις αντιστάσεις, το κύκλωμα αυτό είναι κλειστού βρόχου. Η απόκριση του κυκλώματος αυτού είναι γραμμική. Στην περίπτωση που αντικαταστήσουμε την αντίσταση R f με ένα στοιχείο ημιαγωγού, η απόκριση γίνεται λογαριθμική. Στην παρούσα διπλωματική χρησιμοποιήθηκαν δυο τελεστικοί ενισχυτές σε σειρά, ένας με δίοδο στη θέση της R f και ένας γραμμικός όπως το σχήμα παραπάνω. 4.3 MCP 602 O τελεστικός ενισχυτής που χρησιμοποιήθηκε για την παρούσα διπλωματική είναι ο MCP602. Είναι ένα μικροτσιπ της Microchip Technology Inc. με 2 τελεστικούς ενισχυτές και ανήκει στην οικογένεια των τελεστικών ενισχυτών χαμηλής ισχύος MCP601/1R/2/3/4. Αυτοί οι ενισχυτές χρησιμοποιούν τεχνολογία CMOS και προσφέρουν μεγάλη ταχύτητα λειτουργίας. Είναι κατάλληλοι για κυκλώματα που απαιτούν χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, τροφοδοτούμενα με μπαταρία ως ενισχυτές για την οδήγηση σήματος σε A/D λόγω του μεγάλου εύρους ζώνης που προσφέρουν. Για την τροφοδοσία τους δέχονται 2,7 ως 6 V και μπορούν να λειτουργήσουν σε θερμοκρασίες από -40 ως και +85 βαθμούς κελσίου. Κάθε ενισχυτής σε κατάσταση Low τραβάει 230μA ενώ η τάση εισόδου τους μπορεί να είναι μέχρι και 0.3 V κάτω από τη γη (0 V). Τυπικές εφαρμογές αυτών των ενισχυτών είναι σε φορητό εξοπλισμό, ως οδήγηση σήματος σε A/D, προ-ενισχυτής φωτοδιόδου, αναλογικό φίλτρο. Στην παρούσα διπλωματική χρησιμοποιήθηκε το συγκεκριμένο τσιπ ως προ-ενισχυτής φωτοδιόδου για την οδήγηση του σήματος τελικά στον A/D converter της stm32f103stk πλακέτας. Όπως φαίνεται στην εικόνα και σύμφωνα με το σχήμα του PCM602 παραπάνω: το pin8=v DD συνδέεται στην τάση τροφοδοσίας. Επιλέχθηκε η Αναλογική έξοδος 3.3V γιατί έχει λιγότερο θόρυβο. Για τον πρώτο ενισχυτή, η έξοδος συνδέθηκε μέσω της διόδου στην αρνητική είσοδο του ενισχυτή και από εκεί μέσω της αντίστασης 1Κ στη γη. Στην θετική είσοδο συνδέθηκε το θετικό άκρο της φωτοδιόδου και το αρνητικό στο pin V SS. Λόγω της διόδου ο πρώτος ενισχυτής έχει λογαριθμικό κέρδος, έτσι προσφέρει μεγαλύτερη ευαισθησία σε χαμηλή φωτεινότητα και άρα μεγαλύτερο εύρος και άρα μεγαλύτερη ακρίβεια. Επίσης, από την έξοδο του πρώτου ενισχυτή πάμε στην θετική είσοδο του δεύτερου, άρα οι δυο ενισχυτές συνδέονται σε σειρά. Ο δεύτερος ενισχυτής έχει μια απλή διάταξη κλειστού βρόχου με την έξοδο να συνδέεται στην αρνητική είσοδο μέσω της αντίστασης 2Κ2 και από εκεί στη γη μέσω της αντίστασης 1Κ. Επομένως το κέρδος του ενισχυτή αυτού είναι γραμμικό και μπορεί να υπολογιστεί σύμφωνα με τη σχέση (1) Gain= /1 = 3.2. Επίσης η έξοδος του δεύτερου ενισχυτή συνδέεται στο ADCpin της πλακέτας. 28

29 29

30 5 Κάρτες SD (Secure Digital) Εισαγωγή Οι SD είναι κάρτες μνήμης βασισμένες σε μνήμες flash, σχεδιασμένες ακριβώς για να πετύχουν ασφάλεια, μεγάλη χωρητικότητα, επιδόσεις στις περιβαλλοντικές απαιτήσεις στις οποίες θα πρέπει να λειτουργούν οι συνεχώς αναπτυσσόμενες τεχνολογίες τηλεφώνων, εικόνας και βίντεο. Οι κάρτες αυτές περιλαμβάνουν έναν μηχανισμό προστασίας πνευματικής ιδιοκτησίας που συμβαδίζει με την ασφάλεια του συστήματος SDMI, και είναι γρηγορότερος και δίνει τη δυνατότητα για μεγαλύτερη χωρητικότητα. Το σύστημα ασφάλειας της κάρτας SD χρησιμοποιεί αμφίδρομη πιστοποίηση και έναν αλγόριθμο κρυπτογράφησης για την προστασία του περιεχομένου από παράνομη χρήση. Πρόσβαση χωρίς ασφάλεια επιτρέπεται για την πρόσβαση του χρήστη στα δεδομένα του. Η φυσική μορφή της κάρτας, η διάταξη των ακροδεκτών και το πρωτόκολλο μεταφοράς δεδομένων είναι συμβατά με μελλοντικές εκδόσεις των καρτών SD, με μικρές προσθήκες. Η επικοινωνία της SD κάρτας βασίζεται σε ένα προχωρημένο σύστημα 9 ακροδεκτών (Ρολόι, Εντολές, 4 για δεδομένα και 3 για τροφοδοσία) σχεδιασμένο να λειτουργεί με χαμηλή στάθμη τροφοδοσίας. Το πρωτόκολλο επικοινωνίας ορίζεται ως μέρος αυτού του συστήματος. Το σύστημα της κάρτας SD επιτρέπει επίσης απλή Multimedia λειτουργία. Με άλλα λόγια η multimedia λειτουργία που υπήρχε στις κάρτες MMC παλαιότερου τύπου είναι συμβατή με την τωρινή SD τεχνολογία. Οι ιδιότητες των καρτών SD ελέγχονται από την SDA (Secure Digital Association). Το σύστημα των καρτών SD επιτρέπει την ενσωμάτωση τους σε οποιοδήποτε σύστημα τις χρησιμοποιεί ανεξάρτητα του επεξεργαστή που χρησιμοποιείται. Για την συμβατότητα των καρτών με τους ήδη υπάρχοντες ελεγκτές οι κάρτες έχουν την δυνατότητα επικοινωνίας και μέσω ενός εναλλακτικού πρωτοκόλλου επικοινωνίας το οποίο βασίζεται στο SPI. Οι κάρτες SD αυτή τη στιγμή, παρέχουν πολλά GB μνήμης χρησιμοποιώντας chip flash μνήμης, τα οποία έχουν σχεδιαστεί ακριβώς για μαζική αποθήκευση. Σε συνδυασμό με αυτά τα chip, οι κάρτες περιέχουν έναν μικροελεγκτή ενσωματωμένο στην πλακέτα τους, ο οποίος διαχειρίζεται τα πρωτόκολλα επικοινωνίας της κάρτας, τον αλγόριθμο κρυπτογράφησης για την προστασία των πνευματικών δικαιωμάτων, την αποθήκευση των δεδομένων και την ανάκτησή τους, καθώς και τον αλγόριθμο διόρθωσης τυχόν λαθών, διαγνωστικά, διαχείριση τροφοδοσίας και ρολογιού Ανεξάρτητη τεχνολογία Flash Το μέγεθος κάθε τομέα της μνήμης flash είναι 512 bytes. Αυτό, είναι το ίδιο με το μέγεθος κάθε τομέα σε έναν μαγνητικό δίσκο IDE. Για εγγραφή ή ανάγνωση ενός τομέα, το λειτουργικό που χρησιμοποιεί την κάρτα απλά κάνει χρήση της εντολής Read ή Write. Αυτή η εντολή περιέχει τη διεύθυνση. Ύστερα, το πρόγραμμα περιμένει να ολοκληρωθεί η συγκεκριμένη εντολή. Το πρόγραμμα δεν χρειάζεται να εμπλακεί με τον τρόπο που η κάρτα θα κάνει ανάγνωση ή εγγραφή ή και διαγραφή. Αυτό είναι ιδιαιτέρως σημαντικό μιας και οι συσκευές που χρησιμοποιούν μνήμες 30

31 flash αναμένεται να γίνουν όλο και περισσότερο πολύπλοκες στο μέλλον. Επειδή η κάρτα SD χρησιμοποιεί έναν μικροελεγκτή ενσωματωμένο στην πλακέτα της, το λειτουργικό (το πρόγραμμα) που θα την χρησιμοποιήσει δεν χρειάζεται να ανανεωθεί ή να κάνει οποιαδήποτε αλλαγή όσο προχωράνε οι μνήμες flash και εξελίσσονται. Με άλλα λόγια, συστήματα που τώρα μπορούν να υποστηρίξουν κάρτες SD θα μπορούν να υποστηρίξουν και τις μελλοντικές τους εκδόσεις χωρίς να χρειάζεται αναβάθμιση στο λειτουργικό σύστημα Διαχείριση ελαττωμάτων και λαθών. Οι κάρτες SD περιέχουν ενσωματωμένο έναν μηχανισμό για την διαχείριση τυχόν ελαττωμάτων και λαθών. Αυτό το σύστημα είναι ανάλογο με αυτό που συναντάται στους μαγνητικούς δίσκους και σε πολλές περιπτώσεις προσφέρεται για βελτίωση. Για παράδειγμα, οι μαγνητικοί δίσκοι δεν κάνουν ανάγνωση μετά την εγγραφή για να διαπιστώσουν ότι τα δεδομένα εγγράφηκαν σωστά επειδή θα ήταν πολύ μεγάλο πλήγμα για τις επιδόσεις τους. Οι SD κάρτες κάνουν ανάγνωση μετά την εγγραφή, με οριακές συνθήκες, για να διαπιστώσουν ότι η εγγραφή ήταν σωστή. Στην σπάνια περίπτωση που βρεθεί κάποιο bit ελαττωματικό, η κάρτα το αντικαθιστά με ένα παραπανίσιο από την κεφαλίδα του τομέα. Αν είναι απαραίτητο, οι κάρτες SD θα αντικαταστήσουν ολόκληρο τον τομέα με έναν άλλο που περισσεύει. Αυτή η διαδικασία είναι απόλυτα διαφανής στο πρόγραμμα που χρησιμοποιεί την κάρτα και δεν καταναλώνει καθόλου από τον χώρο που προορίζεται για τον χρήστη. Στην πολύ σπάνια περίπτωση που κάποιο λάθος ανάγνωσης συμβεί, οι κάρτες έχουν πρωτότυπους αλγόριθμους για την ανάκτηση των δεδομένων. Αυτό, είναι ανάλογο με τις επαναλήψεις στην προσπάθεια ανάγνωσης που κάνουν οι μαγνητικοί δίσκοι αλλά πιο εξεζητημένο. Η τελευταία γραμμή άμυνας είναι η ενεργοποίηση του ECC αλγόριθμου (Error-Correcting) για να διορθώσει τα δεδομένα. Αν χρησιμοποιηθεί αυτός ο αλγόριθμος για την ανάκτηση δεδομένων, τα ελαττωματικά Bits αντικαθίστανται με περισσευούμενα bits για την αποφυγή μελλοντικών προβλημάτων. Αυτά τα συστήματα διαχείρισης λαθών και ελαττωμάτων σε συνδυασμό με την κατασκευή των καρτών SD είναι που τους δίνουν ασυναγώνιστη αξιοπιστία Προστασία πνευματικών δικαιωμάτων Όπως ορίζεται και από το SDMI, τα δεδομένα που αποθηκεύονται στην κάρτα αποθηκεύονται κρυπτογραφημένα και περνούν με διαφάνεια από και προς την κάρτα. Καμία ενέργεια δεν γίνεται πάνω στα δεδομένα και δεν υπάρχει κανένας περιορισμός στην ανάγνωση των δεδομένων οποιαδήποτε στιγμή. Συνδεδεμένο με κάθε πακέτο δεδομένων που είναι αποθηκευμένο στην μη προστατευμένη περιοχή της μνήμης, υπάρχει ένα ειδικό δεδομένο που αποθηκεύεται στην προστατευμένη περιοχή της μνήμης. Για κάθε αίτηση πρόσβασης, ανάγνωση ή εγγραφή ή διαγραφή, στο δεδομένο που βρίσκεται στην προστατευμένη περιοχή της μνήμης, μια διαδικασία ταυτοποίησης λαμβάνει χώρα ανάμεσα στην κάρτα και την συσκευή στην οποία έχει τοποθετηθεί η κάρτα. Αφού γίνει η ταυτοποίηση, τότε η κάρτα είναι έτοιμη να λάβει ή να αποστείλει δεδομένα στην συσκευή. όσο διαρκεί η μεταφορά των δεδομένων, η κάρτα βρίσκεται σε ασφαλή λειτουργία και οι εντολές και τα δεδομένα που στέλνονται ή λαμβάνονται από την κάρτα είναι κρυπτογραφημένα. Στο τέλος της λειτουργίας ανάγνωσης ή εγγραφής, η κάρτα βγαίνει αυτόματα από την ασφαλή λειτουργία. 31

32 5.1.5 Διάρκεια. Οι κάρτες SD, τυπικά, έχουν διάρκεια ζωής που ξεπερνά τις απαιτήσεις οποιασδήποτε εφαρμογής. Για κάθε τομέα της κάρτας, η διάρκεια ζωής μπορεί να είναι ως και 1,000,000 εγγραφές. Η ανάγνωση ενός τομέα μπορεί να γίνει πρακτικά άπειρες φορές Διαγραφή Η χρήση της εντολής διαγραφής μπορεί να οδηγήσει σε σημαντική αύξηση της ταχύτητας εγγραφής της κάρτας SD. Όταν ένας τομέας έχει διαγραφεί, η εγγραφή σε αυτόν θα είναι πολύ πιο γρήγορη. Αυτό γιατί κανονικά μια εντολή εγγραφής περιλαμβάνει μια ανεξάρτητη διαδικασία διαγραφής του τομέα πριν ξεκινήσει η εγγραφή Αυτόματη λειτουργία ύπνου. Πολλές είναι οι κάρτες, όλο και περισσότερες πλέον, που έχουν την δυνατότητα αυτόματης εισόδου και εξόδου από την λειτουργία ύπνου (sleep mode). Μετά την ολοκλήρωση μια εργασίας, η κάρτα SD θα μπει αυτόματα σε sleep mode για να εξοικονομήσει ενέργεια αν μείνει ανενεργή για 5msec. Όταν ο χρήστης θελήσει ξανά να χρησιμοποιήσει την κάρτα SD, οποιαδήποτε εντολή δοθεί στην κάρτα θα την αναγκάσει να βγει από το sleep mode και να ανταποκριθεί SD card SD Bus Mode - SPI Οι κάρτες SD είναι πλήρως συμμορφωμένες με τα SD card standards. Η δομή του καταχωρητή CSD (Card Specific Data) είναι συμμορφωμένη με τη δομή CSD 1.0 Η κάρτα SD υποστηρίζει την λειτουργία κάτω από συνθήκες που ορίζονται στις ιδιότητες της κάρτας. Στην περίπτωση που το πρόγραμμα ή συσκευή χρήστης της κάρτας ορίσει μια τροφοδοσία λειτουργίας που δεν είναι στα αποδεκτά όρια λειτουργίας και δεν υποστηρίζεται από την κάρτα, τότε αυτή θα εισέλθει αυτομάτως σε αδρανή κατάσταση και θα αγνοήσει οποιαδήποτε προσπάθεια επικοινωνίας. Ο μόνος τρόπος για να βγει η κάρτα από αυτή την κατάσταση είναι να γίνει επανεκκίνηση αυτής. Ακόμη, η συσκευή που χρησιμοποιεί την κάρτα μπορεί να την στείλει σε αδρανή κατάσταση χρησιμοποιώντας την εντολή GO_INACTIVE_STATE. Ο δίαυλος SD έχει ένα μόνο master (το πρόγραμμα η συσκευή που χρησιμοποιεί την κάρτα) και πολλά slaves (κάρτες). Το ρολόι και η τροφοδοσία είναι κοινή για όλες τις κάρτες στον δίαυλο. Κατά τη διάρκεια της αναγνώρισης, το πρόγραμμα αποκτά πρόσβαση σε κάθε κάρτα ξεχωριστά μέσα από τις δικές του εντολές. Ο καταχωρητής CID της κάρτας είναι προ-προγραμματισμένος με έναν μοναδικό νούμερο αναγνώρισης της κάρτας, το οποίο χρησιμοποιείται κατά τη διαδικασία αναγνώρισης. Επίσης ο χρήστης μπορεί να διαβάσει τον καταχωρητή CID της κάρτας κάνοντας χρήση της εντολής READ_CID. Ο καταχωρητής CID προγραμματίζεται κατά τη διαδικασία δοκιμής και format της κάρτας, από τον κατασκευαστή. Ο χρήστης μπορεί μόνο να διαβάσει αυτόν τον καταχωρητή και όχι να γράψει σε αυτόν. Μια εσωτερική αντίσταση στη γραμμή DAT3 μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αναγνωριστεί η ύπαρξη ή απουσία της κάρτας από τη συσκευή. Η αντίσταση αυτή μπορεί να αποσυνδεθεί κατά τη 32

33 μεταφορά δεδομένων χρησιμοποιώντας την εντολή ACMD42. Επιπλέον μέθοδοι εντοπισμού της κάρτας μπορούν να βρεθούν στην ιστοσελίδα του SDA. Η κατάσταση της κάρτας Card Status αποθηκεύεται σε έναν καταχωρητή 32-bit το οποίο στέλνεται ως απάντηση σε εντολές του χρήστη. Αυτός ο καταχωρητής παρέχει πληροφορίες για την τρέχουσα κατάσταση της κάρτας και τους κωδικούς ολοκλήρωσης της τελευταίας εντολής του χρήστη. Το SD status αποθηκεύεται σε 512 bits πληροφορίας τα οποία στέλνονται ως ένα ολόκληρο μπλοκ μετά από απαίτηση του χρήστη με την εντολή ACMD13. Η βασική μονάδα μεταφοράς δεδομένων από και προς την κάρτα είναι το 1 byte. Όλες οι λειτουργίες μεταφοράς που χρειάζονται ένα μέγεθος μπλοκ πάντα ορίζουν το μπλοκ ως πολλαπλάσιο του ενός byte. Block: είναι η μονάδα που σχετίζεται με εντολές ανάγνωσης ή εγγραφής. Το μέγεθός του είναι ο αριθμός των byte που στέλνονται όταν μια εντολή ενός μπλοκ στέλνεται από τον χρήστη. Το μέγεθος του μπλοκ είναι είτε προγραμματιζόμενο είτε σταθερό. Η πληροφορία για το μέγεθος των μπλοκ και αν αυτό προγραμματίζεται είναι αποθηκευμένη στον καταχωρητή CSD. Sector: είναι η μονάδα που σχετίζεται με τις εντολές διαγραφής. Το μέγεθός της είναι ο αριθμός των μπλοκ που διαγράφονται μονομιάς. Το μέγεθος του Sector είναι σταθερό για κάθε συσκευή. η πληροφορία για το μέγεθος του Sector είναι αποθηκευμένη και αυτή στον καταχωρητή CSD. WP Group: Για τις συσκευές που έχουν τη δυνατότητα για προστασία εγγραφής, είναι η μικρότερη δυνατή μονάδα που μπορεί να έχει ανεξάρτητη προστασία εγγραφής. Το μέγεθός της είναι ο αριθμός των γκρουπ που μπορεί να έχουν προστασία εγγραφής από ένα bit. Το μέγεθος ενός WP Group είναι σταθερό για κάθε συσκευή. Η πληροφορία αυτή επίσης βρίσκεται στον καταχωρητή CSD. Σε SPI: για την παρούσα διπλωματική χρησιμοποιήθηκε το SPI αντί του SD Bus γιατί προσφέρει μεγαλύτερη ταχύτητα. Το SPI είναι ένα υποσύνολο του SD Bus πρωτοκόλλου σχεδιασμένο για επικοινωνία. Οι συνθήκες λειτουργίας της κάρτας καθορίζονται διαφορετικά στην λειτουργία SPI με χρήση της εντολής CMD58 (READ_OCR). Ο χρήστης θα πρέπει φυσικά να ορίσει και πάλι τροφοδοσία μέσα στα αποδεκτά όρια, δηλαδή 2,7 ως 3,6 Volts, αλλιώς η κάρτα θα μπει σε αδρανή κατάσταση. Ο χρήστης θα πρέπει να γνωρίζει τον αριθμό των καρτών που είναι συνδεδεμένες στον δίαυλο. Για την επιλογή μια κάρτας χρησιμοποιείται το σήμα CS (Chip Select). Η εσωτερική αντίσταση στη γραμμή CD/DAT3 μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό της κάρτας. Στην λειτουργία SPI μόνο 16 από τα 32 Bits του καταχωρητή Card Status είναι διαθέσιμα για ανάγνωση καθώς μόνο αυτά είναι σχετικά με το SPI. Αυτά μπορούν να διαβαστούν με την εντολή ACMD13, όπως και στην λειτουργία με SD Bus. Ο καταμερισμός της μνήμης είναι ανεξάρτητος από την λειτουργία SPI ή SD και επομένως και στις 2 περιπτώσεις είναι ίδιος. Για την ανάγνωση και εγγραφή επιτρέπονται και στις 2 περιπτώσεις ενός και πολλαπλών block ανάγνωση. Περισσότερες λεπτομέρειες στην επόμενη υποενότητα. Η προστασία των δεδομένων και η διαγραφή δεν διαφέρουν με την SD Bus λειτουργία. Το ίδιο και η προστασία εγγραφής Ανάγνωση και εγγραφή. Η κάρτα SD υποστηρίζει 2 τρόπους ανάγνωσης και εγγραφής. Ενός ή πολλαπλών μπλοκ.( Single Block Mode, Multiple Block Mode ) 33

34 Single Block Mode: σε αυτήν την περίπτωση ο χρήστης διαβάζει η γράφει ένα μόνο μπλοκ με προ-καθορισμένο μέγεθος. Η διαδικασία μεταφοράς των μπλοκ είναι προστατευμένη από έναν 16 bit CRC ο οποίος καθορίζεται από την μονάδα αποστολής και ελέγχεται από την μονάδα λήψης. Το μέγεθος του μπλοκ ανάγνωσης περιορίζεται από τον Sector της συσκευής (512 bytes) αλλά μπορεί να είναι ως και 1 μόνο byte. Δεν επιτρέπεται λάθος στην στοίχιση. Κάθε μπλοκ δεδομένων θα πρέπει να περιέχεται μέσα σε έναν Sector. Το μέγεθος του μπλοκ για τις εντολές εγγραφής θα πρέπει να είναι ίσο με το μέγεθος του Sector (512 bytes) και να έχει αρχή την αρχή του Sector. Multiple Block Mode: αυτή η περίπτωση είναι παρόμοια με την παραπάνω με την διαφορά ότι ο χρήστης μπορεί να διαβάσει η να γράψει πολλαπλά block. Όλα τα block θα πρέπει να έχουν το ίδιο μέγεθος. Τα block αποθηκεύονται ή διαβάζονται από συνεχόμενες θέσεις μνήμης με την αρχή να καθορίζεται από την εντολή. Η διαδικασία σταματά με μια εντολής διακοπής μεταφοράς (stop transmission). Οι ίδιοι κανόνες στοίχισης ισχύουν και εδώ Τυπικές απαιτήσεις τροφοδοσίας και επιδόσεις της κάρτας SD. 34

35 Φυσικές προδιαγραφές. 35

36 Ανάθεση pin και καταχωρητών σε λειτουργία SPI. Στον πίνακα φαίνεται η αντιστοίχηση καθενός από τα 9 pins της κάρτας. Για το S: τροφοδοσία (power supply), I: Είσοδος(input), O: Έξοδος (output).τα pin που είναι κρατημένα (reserved) χρησιμοποιούνται ως ελεύθεροι είσοδοι. Είναι ευθύνη του προγραμματιστή να συνδέσει εξωτερικές αντιστάσεις pull-up ή pull-down σε αυτές τις γραμμές αλλιώς μπορεί να υπάρχει μη αναμενόμενη κατανάλωση ρεύματος. 36

37 Παρακάτω βλέπουμε τους πληροφοριακούς Registers της κάρτας SD. 1. ο καταχωρητής RCA δεν είναι διαθέσιμος σε λειτουργία SPI. Ο προγραμματιστής μπορεί να επαναφέρει την κάρτα στην αρχική κατάσταση διακόπτοντας την τροφοδοσία και συνδέοντάς την ξανά. Η κάρτα έχει το δικό της κύκλωμα αναγνώρισης τροφοδοσίας και θα μπει σε κατάσταση IDLE αμέσως μετά τη σύνδεση της τροφοδοσίας. Ακόμη, η κάρτα μπορεί να κάνει επαναφορά με τη χρήση της εντολής CMD0 (GO_IDLE) Αρχιτεκτονική. Στο σχήμα φαίνεται το κύκλωμα αναγνώρισης τροφοδοσίας, ο μικροελεγκτής στο εσωτερικό της κάρτας, οι καταχωρητές με τις πληροφορίες της κάρτας, τα pins, καθώς και η περιοχή μνήμης Τοπολογία SPI Όπως σε κάθε συσκευή που χρησιμοποιεί την διεπαφή SPI, έτσι και στις SD κάρτες το κανάλι του SPI αποτελείται από 4 σήματα: CS: Host to card Chip Select signal. CLK: Host to Card Clock Signal 37

38 DataIn: Host to card data signal DataOut: Card to host data signal Άλλο κοινό χαρακτηριστικό του SPI, το οποίο φυσικά υπάρχει και για τις SD κάρτες, είναι οι μεταφορές των bytes. Όλα τα κομμάτια δεδομένων είναι bytes πολλαπλάσια των 8 bit και πάντοτε στοιχισμένα με το σήμα CS. Το SPI κανάλι, καθορίζει μόνο τη φυσική σύνδεση και όχι το πρωτόκολλο μεταφοράς δεδομένων. Με χρήση του καναλιού SPI, η κάρτα SD χρησιμοποιεί μόνο ένα μέρος του SD πρωτοκόλλου και των εντολών. Οι αλγόριθμοι αναγνώρισης και διευθυνσιοδότησης της SD κάρτας αντικαθιστώνται από ένα hardware σήμα CS. Μια κάρτα επιλέγεται κατεβάζοντας στο Low το σήμα CS. Το σήμα αυτό πρέπει να είναι συνεχώς ενεργό για την διάρκεια της μεταφοράς οποιονδήποτε εντολών, δεδομένων, ή αποκρίσεων μέσω του SPI. Η μόνη εξαίρεση είναι κατά τον προγραμματισμό της κάρτας. Στην διάρκεια αυτού, ο προγραμματιστής μπορεί να σηκώσει το σήμα στο High χωρίς να επηρεάσει τη διαδικασία προγραμματισμού. Οι γραμμές του πρωτοκόλλου SD, CMD και DAT οι οποίες είναι διπλής κατεύθυνσης, αντικαθιστώνται από τα μονής κατεύθυνσης σήματα DataIn και DataOut. Αυτό ακυρώνει τη δυνατότητα να εκτελούνται εντολές όσο διαρκεί η εγγραφή ή ανάγνωση από την κάρτα. Εξαίρεση είναι η διαδικασία πολλαπλής εγγραφής ή ανάγνωσης. Η εντολή stop transmission μπορεί να σταλεί κατά τη διάρκεια της ανάγνωσης. Στην διαδικασία πολλαπλής εγγραφής, το κομμάτι stop transmission στέλνεται ως το πρώτο byte του τελευταίου block δεδομένων που θα εγγραφεί. Οι κάρτες μπορούν να συνδεθούν και να αποσυνδεθούν από τον δίαυλο χωρίς να προκύψει κάποια βλάβη. Αν κάποιο από τα pin V DD ή V SS δεν συνδεθούν σωστά, τότε το ρεύμα περνά μέσα ένα pin DATA για να τροφοδοτήσει την κάρτα. Οι διαδικασίες μεταφοράς δεδομένων είναι προστατευμένες από τους κώδικες CRC, επομένως, αν προκύψουν αλλαγές σε κάποιο bit από την εισαγωγή ή την αφαίρεση της κάρτας μπορούν να εντοπιστούν. 38

39 Εκκίνηση της κάρτας SD. Ύστερα από την τροφοδότηση της κάρτας, έχουμε εκκίνηση με την κάρτα να μπαίνει σε idle state. Κατά τη διάρκεια παραμονής σε αυτή την κατάσταση η κάρτα αγνοεί κάθε επικοινωνία από τον δίαυλο μέχρι να λάβει την εντολή ACMD41. Η εντολή αυτή θα πρέπει πάντα να προηγείται της εντολής CMD55. Η εντολή ACMD41 είναι μια ειδική εντολή συγχρονισμού που χρησιμοποιείται για να διαπραγματευτεί τα επίπεδα τάσης λειτουργίας και να προετοιμάσει την κάρτα SD ωσότου αυτή να βρίσκεται εκτός της διαδικασίας εκκίνησης. Εκτός από τις αποδεκτές τάσεις λειτουργίας η απάντηση της κάρτας στην εντολή ACMD41 περιέχει ένα δείκτη flag, ο οποίος δείχνει αν η κάρτα βρίσκεται ακόμα στη διαδικασία εκκίνησης και δεν είναι έτοιμη για αναγνώριση. Αυτός ο δείκτης ενός bit πληροφορεί τον προγραμματιστή ότι η κάρτα δεν είναι έτοιμη. Οπότε πρέπει να περιμένει μέχρι να καθαριστεί το flag. Η μέγιστη διάρκεια της διαδικασίας εκκίνησης της κάρτας δεν πρέπει να υπερβαίνει το 1 sec. Η έξοδος κάθε κάρτας από την κατάσταση idle είναι ευθύνη του προγραμματιστή που διαχειρίζεται τον δίαυλο. Εφόσον ο χρόνος power-up και ο χρόνος supply ramp up εξαρτώνται από τις παραμέτρους της εφαρμογής, όπως για παράδειγμα τον μέγιστο αριθμό καρτών, το μήκος του διαύλου επικοινωνίας, την μονάδα τροφοδοσίας, ο προγραμματιστής πρέπει να εξασφαλίσει ότι η τροφοδοσία έχει φτάσει στο επίπεδο λειτουργίας (αυτό που ορίζεται στην εντολή ACMD41) πριν να σταλεί η εντολή ACMD41. Μετά το power up, ο προγραμματιστής πρέπει να ξεκινήσει το ρολόι και να στείλει την κατάλληλη αλληλουχία εντολών CMD για την εκκίνηση της κάρτας. Αυτή είναι μια αλληλουχία από συνεχόμενα λογικά 1. Η χρονική διάρκεια της αλληλουχίας είναι κατά μέγιστο 1msec, 74 κύκλους ή χρόνος supply ramp up. Οι κύκλοι που χρειάζονται είναι κανονικά 64 αλλά σε αυτούς προστίθενται άλλοι 10 για να εξαλειφτούν προβλήματα συγχρονισμού από το power up. Στην περίπτωση που στον δίαυλο υπάρχουν πολλές κάρτες, η κάθε εντολή ACMD41 (ή CMD1 για τις MMC κάρτες) θα πρέπει να στέλνεται ξεχωριστά σε κάθε κάρτα μέσω του δικού της CMD διαύλου. 39

40 5.2 Registers Operating Conditions Register (OCR) Ο OCR έχει μέγεθος 32-bit και αποθηκεύει την τάση V DD της κάρτας. Η κάρτα SD είναι ικανή να κάνει αναγνώριση της τάσης τροφοδοσίας (CMD1) σε οποιαδήποτε συσκευή χρησιμοποιεί τροφοδοσία από 2 ως 3,6 Volts. Η πρόσβαση στα δεδομένα, ωστόσο, στην περιοχή μνήμης, απαιτεί τροφοδοσία 2.7 ως 3,6 Volts. Ο OCR δείχνει τα όρια της τάσης τροφοδοσίας για την οποία μπορεί να υπάρχει πρόσβαση στα δεδομένα της κάρτας. Παρακάτω φαίνεται η δομή του καταχωρητή OCR. Η δομή του OCR είναι η εξής: Περιορισμένα επίπεδα τάσης = LOW Κάρτα απασχολημένη = LOW (bit 31) Τα λιγότερο σημαντικά 31 bits είναι σταθερά και ορίζονται όπως φαίνεται παρακάτω. Αν το 32 ο bit είναι set, πληροφορεί τον προγραμματιστή ότι η κάρτα έχει ολοκληρώσει την διαδικασία power up. 40

41 5.2.2 Card Identification Register (CID) Ο CID καταχωρητής έχει μήκος 16 byte και περιέχει έναν μοναδικό αναγνωριστικό αριθμό όπως φαίνεται και στον παρακάτω πίνακα. Προγραμματίζεται κατά τη διαδικασία παραγωγής από τον κατασκευαστή και δεν μπορεί να τροποποιηθεί από τον προγραμματιστή ή την συσκευή στην οποία συνδέεται η κάρτα. Ο καταχωρητής CID των καρτών SD έχει διαφορετική δομή από αυτόν των καρτών MMC. * 3C: αναφέρεται στις 3 ιδρυτικές εταιρείες της SDA : Toshiba,SanDisk,MEI ** Το πεδίο Product Revision αποτελείται από 2 ψηφία BCD, 4 bits το καθένα, αναπαριστώντας ένα n.m νούμερο. Το n είναι το σημαντικότερο μέρος και το m το λιγότερο σημαντικό. Για παράδειγμα το PRV για ένα προϊόν με product revision 6.2 είναι: *** Το CRC checksum υπολογίζεται ως εξής: CRC Calculation: G(x) = x M(x) = (MID-MSB)*x119+ +(CIN-LSB)*x0 CRC[6 0] = Remainder[(M(x)*x7)/G(x)] 41

42 5.2.3 CSD Register Ο καταχωρητής CSD (Card Specific Data) περιέχει πληροφορίες απαραίτητες για την πρόσβαση στα δεδομένα της κάρτας. Στον πίνακα που ακολουθεί η στήλη Cell type ορίζει το πεδίο του καταχωρητή ως Read only (R), One Time Programmable (R/W) ή erasable (R/W/E). Ο πίνακας δείχνει την τιμή κάθε πεδίου σε κατανοητές μονάδες μέτρησης. Ο καταχωρητής CSD σε μια κάρτα SD έχει διαφορετική δομή από αυτόν σε μια κάρτα MMC. 42

43 Σημείωση: το πεδίο Device Size αναφέρεται στην περιοχή διαθέσιμη στον χρήστη της κάρτας για αποθήκευση δεδομένων. Δεν περιλαμβάνει την προστατευμένη περιοχή η οποία χρησιμοποιείται για τις εφαρμογές ασφάλειας της κάρτας και έχει μέγεθος περίπου ίσο με 1% του συνολικού μεγέθους της κάρτας. Ακολουθεί λεπτομερή ανάλυση των σημαντικότερων πεδίων του καταχωρητή. CSD_STRUCTURE: αναφέρει την έκδοση της δομής του CSD. TAAC: καθορίζει το ασύγχρονο κομμάτι του χρόνου Read Access Time (σχετικό με το ρολόι της κάρτας SD). NSAC: καθορίζει την χειρότερη δυνατή περίπτωση της εξαρτώμενης από το ρολόι μεταβλητής του χρόνου data access time. Η μονάδα του NSAC είναι οι 100 κύκλοι ρολογιού. Επομένως, η 43

44 μεγιστοποιημένη τιμή του εξαρτώμενου από το ρολόι κομματιού του χρόνου read access time είναι 25,5k κύκλοι ρολογιού. Ο συνολικός χρόνος read access time N AC είναι το άθροισμα των TAAC και NSAC. Ο χρόνος αυτός πρέπει να υπολογιστεί από τον προγραμματιστή για τον υπολογισμό της πραγματικής συχνότητας του ρολογιού. TRAN_SPEED: καθορίζει την μέγιστη ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων. CCC: το σύνολο εντολών μιας κάρτας SD χωρίζεται σε υποσύνολα (κλάσεις). Το πεδίο CCC (Card Command Class) καθορίζει ποιες κλάσεις εντολών υποστηρίζονται από την συγκεκριμένη κάρτα. Η τιμή 1 στο αντίστοιχο bit του CCC σημαίνει ότι η συγκεκριμένη κλάση υποστηρίζεται. READ_BL_LEN: το μέγιστο μήκος block που μπορεί να αναγνωστεί υπολογίζεται ως 2 READ_BL_LEN. Επομένως το μέγιστο μήκος μπορεί να είναι από 512 ως 2048 bytes. Στην κάρτα SD το WRITE_BL_LEN είναι πάντα ίσο με το READ_BL_LEN. READ_BL_PARTIAL: είναι πάντα 1 στην κάρτα SD. Η μερική ανάγνωση block επιτρέπεται πάντοτε στην κάρτα SD. Που σημαίνει ότι μικρότερα blocks μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν. Το ελάχιστο μέγεθος ενός block είναι 1 byte. Αν είναι 0 σημαίνει πως μόνον το READ_BL_LEN, ως μέγεθος, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μεταφορά δεδομένων. WRITE_BLK_MISALIGN: καθορίζει αν το block που πρόκειται να εγγραφεί από μια εντολή μπορεί να εγγραφεί σε περισσότερα από ένα φυσικά block στη συσκευή μνήμης. Το μέγεθος του block της μνήμης καθορίζεται από το WRITE_BL_LEN. Αν είναι 0 σημαίνει ότι δεν θα γίνει αποδεκτή μια τέτοια εγγραφή. Αν είναι 1 επιτρέπεται μια τέτοια εγγραφή. 44

45 READ_BLK_MISALIGN: καθορίζει αν το block που πρόκειται να αναγνωστεί από μια εντολή μπορεί να βρίσκεται σε περισσότερα από 1 φυσικά block της μνήμης. Το μέγεθος του block μνήμης καθορίζεται από το READ_BL_LEN. Αν είναι 0 δεν επιτρέπεται μια τέτοια ανάγνωση. Αν είναι 1 επιτρέπεται. C_SIZE: μέγεθος συσκευής (Device Size): αυτή η παράμετρος χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό του μεγέθους της κάρτας και δεν περιέχει την περιοχή που είναι προστατευμένη. Η χωρητικότητα της μνήμης της κάρτας υπολογίζεται από τις εγγραφές C_SIZE, C_SIZE_MULT και READ_BL_LEN όπως φαίνεται παρακάτω: Memory capacity: BLOCKNR * BLOCK_LEN Όπου: BLOCKNR = (C_SIZE+1)*MULT MULT = 2 C_SIZE_MULT+2 (C_SIZE_MULT < 8) BLOCK_LEN = 2 READ_BL_LEN (READ_BL_LEN < 12) Επομένως, η μέγιστη χωρητικότητα για τις κάρτες SD μπορεί να είναι 4096*512*2048 = 4GB. VDD_R_CURR_MIN, VDD_W_CURR_MIN: οι μέγιστες τιμές ρεύματος ανάγνωσης και εγγραφής με την ελάχιστη V DD τροφοδοσία. VDD_R_CURR_MAX, VDD_W_CURR_MAX: οι μέγιστες τιμές ρεύματος ανάγνωσης και εγγραφής με την μέγιστη V DD τροφοδοσία. 45

46 C_SIZE_MULT (Device Size Multiplier): η παράμετρος αυτή χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της μεταβλητής MULT, για τον υπολογισμό του συνολικού μεγέθους της συσκευής. MULT = 2 C_SIZE_MULT+2. ERASE_BLK_EN: καθορίζει αν η διαγραφεί ενός block επιτρέπεται, πέρα από το μέγεθος ενός sector. Αν είναι 0, ο προγραμματιστής μπορεί να διαγράψει μια μονάδα μεγέθους όσο ένας sector. SECTOR_SIZE. Αν είναι 1, ο προγραμματιστής μπορεί να διαγράψει μια μονάδα μεγέθους όσο ένας sector ή όσο ένα block εγγραφής. WRITE_BL_LEN. SECTOR_SIZE: το μέγεθος ενός τομέα που μπορεί να διαγραφεί. Το περιεχόμενο αυτής της παραμέτρου είναι μια τιμή 7-bit binary, και καθορίζει τον αριθμό των block εγγραφής. Το πραγματικό μέγεθος υπολογίζεται αυξάνοντας κατά 1 τον αριθμό αυτόν. Αν για παράδειγμα η τιμή του είναι 0, σημαίνει μέγεθος 1 write block, αν είναι 127 σημαίνει 128 blocks. WP_GRP_SIZE: το μέγεθος ενός group προστατευμένου από εγγραφή. Το περιεχόμενο αυτής της παραμέτρου είναι μια τιμή 7-bit binary, και καθορίζει τον αριθμό των Erase Groups. Το πραγματικό μέγεθος υπολογίζεται αυξάνοντας κατά 1 τον αριθμό αυτόν. Αν για παράδειγμα η τιμή του είναι 0, σημαίνει μέγεθος 1 erase group, αν είναι 127 σημαίνει 128 erase groups. WP_GRP_ENABLE: αν η τιμή αυτής της παραμέτρου είναι 0 σημαίνει ότι δεν επιτρέπονται group προστατευμένα από εγγραφή. R2W_FACTOR: καθορίζει τον τυπικό χρόνο πρόσβασης σε ένα block ως πολλαπλάσιο του χρόνου ανάγνωσης. WRITE_BL_LEN: το μέγιστο μέγεθος ενός block εγγραφής υπολογίζεται ως 2 WRITE_BL_LEN. Το μέγιστο μέγεθος ενός block εγγραφής μπορεί να είναι από 512 ως 2048 bytes. Τα 512 bytes 46

47 υποστηρίζονται πάντοτε. Στην κάρτα SD, το WRITE_BL_LEN είναι πάντοτε ίσο με το READ_BL_LEN. WRITE_BL_PARTIAL: καθορίζει αν τα μεγέθη των block που χρησιμοποιούνται στις εντολές εγγραφής μπορεί να είναι μερικά. Αν η τιμή του είναι 0, σημαίνει πως μόνον το WRITE_BL_LEN μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μέγεθος block. Αν είναι 1 τότε μπορούν να χρησιμοποιηθούν και μικρότερα blocks. Το μικρότερο μέγεθος block είναι 1 byte. PERM_WRITE_PROTECT: Προστατεύει μόνιμα το συνολικό περιεχόμενο της κάρτας, εκτός από την προστατευμένη περιοχή, από διαγραφή και επανεγγραφή (όλες οι εντολές εγγραφής και διαγραφής είναι μόνιμα απενεργοποιημένες για αυτήν την κάρτα). Η τιμή του είναι εξ ορισμού 0, χωρίς μόνιμη προστασία εγγραφής. TMP_WRITE_PROTECT: Προστατεύει προσωρινά το συνολικό περιεχόμενο της κάρτας, εκτός από την προστατευμένη περιοχή, από διαγραφή και επανεγγραφή (όλες οι εντολές εγγραφής και διαγραφής είναι προσωρινά απενεργοποιημένες για αυτήν την κάρτα). Η τιμή του είναι εξ ορισμού 0, χωρίς προστασία εγγραφής. CRC: το πεδίο CRC περιέχει τον έλεγχο για τα περιεχόμενα του CSD. Το CRC πρέπει να υπολογιστεί ξανά με κάθε αλλαγή στο CSD. Η εξ ορισμού τιμή του αντιστοιχεί στις εργοστασιακές τιμές του CSD SCR Register Σε συνδυασμό με τον CSD καταχωρητή, υπάρχει ακόμη ένας καταχωρητής που ονομάζεται SD Card Configuration Register. (SCR). Παρέχει πληροφορίες για τις ειδικές ιδιότητες της συγκεκριμένης κάρτας. Το μέγεθος του SCR είναι bit. Τα περιεχόμενα του, δίνονται από τον κατασκευαστή κατά τη διαδικασία παραγωγής. 47

48 SCR_STRUCTURE: η τρέχουσα έκδοση της δομής του SCR. SD_SPEC: Περιγράφει την έκδοση του SCR που υποστηρίζει η συγκεκριμένη κάρτα. DATA_STAT_AFTER_ERASE: ορίζει την τιμή που έχουν τα δεδομένα μετά την διαγραφή τους. Αν θα είναι δηλαδή 0 ή 1. SD_SECURITY: Περιγράφει τον αλγόριθμο ασφαλείας που υποστηρίζεται από την κάρτα. Σημείωση: είναι υποχρεωτικό για μια κάρτα που επιτρέπει εγγραφή να υποστηρίζει κάποιο πρωτόκολλο ασφαλείας. SD_BUS_WIDTHS: περιγράφει όλους τους διαύλους DAT που υποστηρίζονται από αυτή την κάρτα. Εφόσον η κάρτα SD θα πρέπει να υποστηρίζει τουλάχιστον 2 διαύλους 1 bit ή 4 bit, τότε οποιαδήποτε κάρτα θα πρέπει να έχει set τα bit 0 και 2. (SD_BUS_WIDTH = 0101) Status Register Η κάρτα SD υποστηρίζει τα εξής 2 πεδία κατάστασης: Card Status: αυτό το πεδίο είναι συμβατό με τις κάρτες MMC. 48

49 SD_Status: αυτό το επίμηκες πεδίο των 512 bits υποστηρίζει ειδικές ιδιότητες, μοναδικές για τις κάρτες SD και μελλοντικές τους εκδόσεις. Παρακάτω φαίνεται η δομή του καταχωρητή SD_Status. Η κωδικοποίηση είναι: Type: E = Error bit. S = Status bit. R = Detected and set for the actual command response. X = Detected and set during command execution. ( ο προγραμματιστής θα πρέπει να στείλει τις αντίστοιχες εντολές για να διαβάσει αυτά τα bits). Clear Condition: A = According to the card current state. B = Always related to the previous command. Η λήψη μιας έγκυρης εντολής θα καθαρίσει αυτό το bit. (με καθυστέρηση μιας εντολής) C = Clear by read. 49

50 5.2.6 SD Status Ο καταχωρητής SD Status περιέχει bit κατάστασης τα οποία αναφέρονται σε ιδιότητες της κάρτας και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε διάφορες εφαρμογές. Το μέγεθος του καταχωρητή SD Status είναι ένα block δεδομένων 512 bits. Το περιεχόμενό του στέλνεται στον προγραμματιστή μέσω του διαύλου DAT μαζί με 16 bits CRC. Το SD Status στέλνεται από την κάρτα αν λάβει την εντολή ACMD13 (CMD55 ακολουθούμενη από την CMD13). Η ACMD13 μπορεί να σταλεί στην κάρτα μόνο αν η κάρτα είναι επιλεγμένη (Card selected). Στον παρακάτω 50

51 πίνακα φαίνεται η δομή του καταχωρητή SD Status. Χρησιμοποιείται ανάλογη κωδικοποίηση με τον προηγούμενο πίνακα RCA Register Relative Card Address Register. Έχει μέγεθος 16 bits και περιέχει την διεύθυνση της κάρτας η οποία δίνεται από την κάρτα κατά τη διαδικασία αναγνώρισης. Αυτή η διεύθυνση χρησιμοποιείται για την διευθυνσιοδοτημένη επικοινωνία προγραμματιστή- κάρτας έπειτα από την διαδικασία αναγνώρισης SD Card Registers in SPI mode Στη λειτουργία με SPI, όλοι οι καταχωρητές της κάρτας είναι προσβάσιμοι. Ωστόσο ορισμένα πεδία τους είναι άνευ σημασίας στην λειτουργία SPI. Επίσης, σε αυτή την λειτουργία ο καταχωρητής card status έχει διαφορετική, μικρότερη μορφή. Περισσότερες λεπτομέρειες παρακάτω. 51

52 5.3 Πρωτόκολλο επικοινωνίας SPI Αντίθετα με το πρωτόκολλο SD Bus, το οποίο βασίζεται σε ροές δεδομένων με bit έναρξης και bit ολοκλήρωσης, το πρωτόκολλο SPI προσανατολίζεται στα bytes. κάθε εντολή ή block δεδομένων αποτελείται από bytes των 8-bit και προσανατολίζεται (πολλαπλάσιο οχτάδων του ρολογιού) με το σήμα CS. Όμοια με το πρωτόκολλο SD Bus, τα μηνύματα του SPI αποτελούνται από εντολές, αποκρίσεις και block δεδομένων. Κάθε επικοινωνία ανάμεσα στην κάρτα και τον προγραμματιστή, ελέγχεται από τον προγραμματιστή. Ο προγραμματιστής ξεκινά κάθε επικοινωνία με την κάρτα κατεβάζοντας το σήμα CS στο Low. Η επιλεγμένη κάρτα, στη λειτουργία SPI, πάντοτε αποκρίνεται στην εντολή που θα της σταλεί. Η απόκριση έχει δομή 8 ή 16 bit. Όταν η κάρτα αντιμετωπίσει κάποιο πρόβλημα στην ανάκτηση δεδομένων, θα αποκριθεί με σφάλμα (το οποίο θα πάρει τη θέση των αναμενόμενων δεδομένων). Επιπλέον των αποκρίσεων σε εντολές, για κάθε block δεδομένων το οποίο στέλνεται, η κάρτα αποκρίνεται με μια ειδική απάντηση Επιλογή λειτουργίας Όταν η κάρτα SD τροφοδοτείται, ξυπνά σε λειτουργία SD bus. Θα εισέλθει σε λειτουργία SPI, αν το σήμα CS κατέβει στο Low κατά τη διάρκεια της λήψης της εντολής CMD0 (Reset Command). Αν η κάρτα αναγνωρίσει ότι είναι απαραίτητη η λειτουργία SD bus τότε δεν θα ανταποκριθεί στην εντολή και θα παραμείνει σε λειτουργία SD bus. Όταν η λειτουργία SPI ζητηθεί, η κάρτα θα αλλάξει τη λειτουργία της σε SPI και θα ανταποκριθεί με απάντηση R1. Ο μόνος τρόπος για να επιστρέψει η κάρτα σε SD bus λειτουργία είναι η αποσύνδεση της από την τροφοδοσία και επανασύνδεση. Σε λειτουργία SPI, εξ ορισμού είναι απενεργοποιημένος ο έλεγχος CRC. Εφόσον η κάρτα ξεκινά σε λειτουργία SD bus, θα πρέπει να σταλεί μαζί με την CMD0 ένα αποδεκτό byte CRC. Όταν η κάρτα περάσει σε λειτουργία SPI, τα CRC απενεργοποιούνται αυτόματα Προστασία του διαύλου μεταφοράς Σε λειτουργία SPI, η κάρτα προσφέρει μη προστατευμένη λειτουργία, κάτι που επιτρέπει σε συστήματα με αξιόπιστες συνδέσεις δεδομένων να αποφύγουν το hardware ή firmware που απαιτείται για την υλοποίηση της CRC γεννήτριας. Ο δίαυλος SPI ξεκινά σε μη προστατευμένη λειτουργία. Ο προγραμματιστής μπορεί να αλλάξει την λειτουργία σε προστατευμένη ή και το ανάποδο με την εντολή CRC_ON_OFF (CMD59) Ανάγνωση Η λειτουργία SPI υποστηρίζει μεμονωμένη ή πολλαπλή ανάγνωση block (CMD17,CMD18). Μετά την λήψη μια αποδεκτής εντολής η απάντηση της κάρτας θα περιέχει το κομμάτι της απόκρισης και το κομμάτι των δεδομένων. 52

53 Ένα έγκυρο block δεδομένων έχει κατάληξη ένα 16-bit CRC που δημιουργείται από το πολυώνυμο x 16 +x 12 +x Το μέγιστο μήκος ενός block είναι 512 bytes, όπως ορίζεται από το READ_BL_LEN του καταχωρητή CSD. Το μήκος ενός block μπορεί να είναι οποιοσδήποτε αριθμός ανάμεσα στο 1 και το READ_BL_LEN. Η αρχή ενός block μπορεί να έχει οποιαδήποτε έγκυρη διεύθυνση στο εύρος διευθύνσεων της κάρτας. Βέβαια, κάθε block θα πρέπει να περιέχεται σε έναν φυσικό sector της μνήμης. Σε περίπτωση λάθους στην ανάκτηση των δεδομένων, η κάρτα δεν θα στείλει καθόλου δεδομένα. Σε αυτή την περίπτωση ένα ειδικό σημάδι σφάλματος θα σταλεί στον προγραμματιστή. Στην περίπτωση ανάγνωσης πολλαπλών block, κάθε block έχει ως κατάληξη ένα CRC 16 bit. Η εντολή διακοπής μετάδοσης (stop transmission CMD12) θα σταματήσει την μετάδοση Εγγραφή Σε λειτουργία SPI η κάρτα υποστηρίζει μεμονωμένη εγγραφή ή εγγραφή πολλαπλών blocks. Με την λήψη μιας έγκυρης εντολής εγγραφής, CMD24 ή CMD25, η κάρτα θα αποκριθεί και θα περιμένει να της σταλεί ένα block δεδομένων. Η κατάληξη CRC και η διευθυνσιοδότηση έχουν τους ίδιους κανόνες με την διαδικασία ανάγνωσης. Ωστόσο το μόνο έγκυρο μέγεθος block σε αυτή την περίπτωση είναι 512 bytes. Στην περίπτωση που χρησιμοποιηθεί μικρότερο μέγεθος block θα προκληθεί σφάλμα στην επόμενη εντολή εγγραφής. Κάθε block δεδομένων έχει ένα πρόθεμα ή σημάδι εκκίνησης ενός block μεγέθους 1 byte. Ύστερα από τη λήψη ενός block, η κάρτα θα αποκριθεί με μια απόκριση-δεδομένων, και αν το block έχει ληφθεί χωρίς σφάλμα, θα εγγραφεί. Όσο η κάρτα είναι απασχολημένη γράφοντας το 53

54 block που μόλις έλαβε, θα στέλνονται στον προγραμματιστή συνεχόμενα σημάδια busy κρατώντας τη γραμμή dataout Low. Όταν η κάρτα τελειώσει την εγγραφή, ο προγραμματιστής θα πρέπει να ελέγξει το αποτέλεσμα στέλνοντας την εντολή CMD13 (SEND_STATUTS). Κάποια σφάλματα, όπως εκτός ορίων διευθύνσεις, προστασία από εγγραφή, κ.λ.π ανιχνεύονται μόνο κατά τη διάρκεια της εγγραφής. Στην εγγραφή πολλαπλών block,η διαδικασία εγγραφής θα σταματήσει στέλνοντας το σημάδι Stop tran αντί του Start Block στην αρχή του επόμενου block. Στην περίπτωση που υπάρχει κάποιο σφάλμα ο προγραμματιστής μπορεί να χρησιμοποιήσει την εντολή SEND_NUM_WR_BLOCKS, ACMD22, που θα επιστρέψει τον αριθμό των blocks που εγγράφηκαν σωστά Διαχείριση προστασίας εγγραφής και διαγραφής Η διαχείριση της προστασίας εγγραφής και διαγραφής στη λειτουργία SPI είναι ακριβώς ίδια με την λειτουργία SD bus. Τρεις μέθοδοι προστασίας υποστηρίζονται από τις κάρτες SD: Διακόπτης προστασίας εγγραφής (υπευθυνότητα του χρήστη) Εσωτερικός μηχανισμός προστασίας εγγραφής (υπευθυνότητα της κάρτας) Κλείδωμα της κάρτας και προστασία με κωδικό Ο διακόπτης προστασίας εγγραφής βρίσκεται στο πλάι της κάρτας και μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τον χρήστη για να δείξει ότι μια κάρτα είναι προστατευμένη από εγγραφή ή όχι. Αν ο διακόπτης είναι τοποθετημένος σε θέση που αφήνει ένα παραθυράκι σημαίνει ότι η κάρτα είναι προστατευμένη από εγγραφή. Αν το παράθυρο είναι κλειστό τότε η κάρτα δεν είναι προστατευμένη. Ένας αντίστοιχος διακόπτης στην υποδοχή της κάρτας πληροφορεί τον χρήστη αν η κάρτα είναι προστατευμένη ή όχι. Είναι ευθύνη του χρήστη να προστατεύσει την κάρτα. Ο διακόπτης αυτός δεν έχει κάποια κυκλωματική σύνδεση με το εσωτερικό κύκλωμα της κάρτας, επομένως η θέση στην οποία βρίσκεται ο διακόπτης είναι άγνωστη στην κάρτα. Με την εσωτερική προστασία εγγραφής της κάρτας τα δεδομένα μπορεί να είναι προστατευμένα από εγγραφή ή διαγραφή. Ολόκληρη η κάρτα μπορεί να είναι μόνιμα προστατευμένη από εγγραφή από τον κατασκευαστή ή από τον πάροχο του περιεχομένου με τα bit μόνιμης ή προσωρινής προστασίας στον καταχωρητή CSD. Όσο η κάρτα διαγράφει ή αλλάζει τα bit προστασίας εγγραφής θα είναι σε κατάσταση busy και θα κρατά την γραμμή dataout σε Low Ανάγνωση CID/CSD καταχωρητών Αντίθετα με το πρωτόκολλο SD Bus (στο οποίο τα περιεχόμενα των καταχωρητών αυτών στέλνονται ως απαντήσεις εντολών), η ανάγνωση των περιεχομένων των καταχωρητών CSD και CID στη λειτουργία SPI είναι μια απλή λειτουργία ανάγνωσης block. Η κάρτα θα αποκριθεί με μια 54

55 απάντηση που θα ακολουθείται από ένα block δεδομένων μεγέθους 16 bytes με κατάληξη ένα CRC 16-bit. Ο χρόνος δεδομένων της εντολής CSD δεν μπορεί να αποθηκευτεί στο TAAC της κάρτας επειδή η τιμή αυτή βρίσκεται στον καταχωρητή CSD. Επομένως, ο συνήθης χρόνος time-out (N CR ) χρησιμοποιείται για την ανάγνωση του καταχωρητή CSD Αλληλουχία επαναφοράς (reset sequence) Η κάρτα SD απαιτεί μια καθορισμένη αλληλουχία επαναφοράς. Ύστερα από επαναφορά της τροφοδοσίας ή με την εντολή CMD0, η κάρτα μπαίνει σε κατάσταση αδράνειας. Στην κατάσταση αυτή, οι μόνες αποδεκτές εντολές που μπορεί να στείλει στην κάρτα ο προγραμματιστής είναι οι CMD1 (SEND_OP_COND), ACMD41 (SD_SEND_OP_COND), CMD59 (CRC_ON_OFF) και CMD58 (READ_OCR). Ο προγραμματιστής θα πρέπει να αναγνωρίσει την κατάσταση της κάρτας, στέλνοντας κατ επανάληψη την εντολή CMD1, ως το bit κατάστασης αδράνειας στην κάρτα να γίνει 0, το οποίο δείχνει ότι η κάρτα ολοκλήρωσε την διαδικασία εκκίνησης και είναι έτοιμη να δεχτεί την επόμενη εντολή. Στη λειτουργία SPI όμως, η CMD1 δεν έχει παραμέτρους και δεν επιστρέφει το περιεχόμενο του καταχωρητή OCR. Αντί αυτής της εντολής, ο προγραμματιστής ενθαρρύνεται να χρησιμοποιήσει την εντολή CMD58, μόνο σε λειτουργία SPI, για να διαβάσει τον καταχωρητή OCR. Είναι ευθύνη του προγραμματιστή να μην προσπαθήσει να αποκτήσει πρόσβαση στις κάρτες που δεν υποστηρίζουν την τροφοδοσία που τους δίνει. Η χρήση της εντολής CMD58 δεν περιορίζεται μόνο στην φάση εκκίνησης της κάρτας, αλλά μπορεί να σταλεί οποιαδήποτε στιγμή Έλεγχος ρολογιού Το σήμα ρολογιού του διαύλου SPI μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τον προγραμματιστή για να θέσει την κάρτα σε κατάσταση εξοικονόμησης ενέργειας. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο της ροής δεδομένων και την αποφυγή καταστάσεων υπερχείλισης στον δίαυλο. Ο προγραμματιστής επιτρέπεται να αλλάξει την συχνότητα του ρολογιού ή ακόμα και να το κλείσει. Υπάρχουν βέβαια περιορισμοί τους οποίους θα πρέπει να λάβει υπ όψιν του ο προγραμματιστής. Η συχνότητα του διαύλου μπορεί να αλλάξει οποιαδήποτε στιγμή. Δεν μπορεί όμως να υπερβεί την μέγιστη δυνατή συχνότητα μεταφοράς δεδομένων που ορίζεται από την κάρτα. Είναι προφανές ότι το ρολόι θα πρέπει να λειτουργεί για να μπορέσει η κάρτα να στείλει δεδομένα η απαντήσεις. Μετά την τελευταία χρήση του SPI, ο προγραμματιστής είναι υποχρεωμένος να παρέχει 8 κύκλους ρολογιού για να μπορέσει η κάρτα να ολοκληρώσει την διαδικασία στην οποία βρίσκεται πριν να κλείσει το ρολόι. Κατά τη διάρκεια αυτού του χρόνου των 8 κύκλων ρολογιού, η κατάσταση του σήματος CS είναι ασήμαντη. Μπορεί να σηκωθεί ή να κατεβαστεί. Ο προγραμματιστής επιτρέπεται να κλείσει το ρολόι μια κάρτας που είναι απασχολημένη. Η κάρτα SD θα ολοκληρώσει την διαδικασία στην οποία βρίσκεται ανεξάρτητα του ρολογιού που τέθηκε εκείνη τη στιγμή. Ωστόσο, ο προγραμματιστής πρέπει να παρέχει μια παρυφή του ρολογιού για να μπορέσει η κάρτα να κλείσει το σήμα απασχολημένη. Χωρίς την παρυφή του ρολογιού, η κάρτα SD, θα θέσει το σήμα dataout μόνιμα χαμηλά. 55

56 5.3.9 CRC και μη αποδεκτές εντολές Σε αντίθεση με το πρωτόκολλο SD bus, στο SPI η κάρτα πάντοτε αποκρίνεται σε εντολές. Η απάντηση δείχνει την αποδοχή ή την απόρριψη μιας εντολής. Η εντολή μπορεί να μη γίνει αποδεκτή για έναν από τους παρακάτω λόγους: Στέλνεται ενόσω η κάρτα βρίσκεται σε διαδικασία ανάγνωσης (εκτός από την εντολή CMD12 η οποία είναι αποδεκτή) Στέλνεται όταν η κάρτα είναι απασχολημένη. Η κάρτα είναι κλειδωμένη και είναι μια εκτός των κλάσεων 0 ή 7. Δεν υποστηρίζεται Ο έλεγχος CRC απέτυχε. Περιέχει μια μη αποδεκτή παράμετρο. Ήταν εκτός αλληλουχίας κατά την αλληλουχία διαγραφής. Στην πρώτη περίπτωση χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή, γιατί αν ο προγραμματιστής στείλει μια εντολή κατά τη διάρκεια της λειτουργίας ανάγνωσης, τότε η απόκριση της κάρτας μπορεί να διακόψει την ροή των δεδομένων Χρόνοι time-out ανάγνωσης, εγγραφής και διαγραφής Οι χρόνοι ύστερα από τους οποίους συμβαίνει ένα time-out σε λειτουργίες ανάγνωσης είναι (ανεξαρτήτως κάρτας) είτε 100 φορές μεγαλύτεροι από τον τυπικό χρόνο πρόσβασης για τις λειτουργίες αυτές όπως δίνεται ή 100ms. Οι χρόνοι ύστερα από τους οποίους συμβαίνει ένα timeout σε λειτουργίες εγγραφής/διαγραφής είναι είτε 100 φορές μεγαλύτεροι από τον τυπικό χρόνο πρόσβασης για τις λειτουργίες αυτές όπως δίνεται ή 250ms. Μια κάρτα θα πρέπει να ολοκληρώσει την εντολή μέσα σε αυτή την χρονική περίοδο, ή να τα παρατήσει και να επιστρέψει μήνυμα σφάλματος. Αν ο προγραμματιστής δεν λάβει καμία απάντηση μετά τον δεδομένο χρόνο time-out, μπορεί να υποθέσει ότι η κάρτα δεν πρόκειται να ανταποκριθεί και θα πρέπει να προσπαθήσει να κάνει ανάκτηση, για παράδειγμα να κάνει επανεκκίνηση της κάρτας. Ανάγνωση: ο χρόνος ανάγνωσης ορίζεται ως το σύνολο 2 χρόνων που δίνονται από τις παραμέτρους του καταχωρητή CSD, TAAC και NSAC. Αυτές οι παράμετροι της κάρτας προσδιορίζουν την τυπική καθυστέρηση μεταξύ του bit τέλους της εντολής ανάγνωσης και του bit έναρξης ενός block δεδομένων. Εγγραφή: το πεδίο R2W_FACTOR του CSD χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό του τυπικού χρόνου εγγραφής ενός block. Ο χρόνος αυτός είναι ο χρόνος ανάγνωσης πολλαπλασιασμένος με το πεδίο R2W_FACTOR. Ισχύει για όλες τις εντολές εγγραφής/διαγραφής. Διαγραφή: η διάρκεια μια εντολής διαγραφής θα είναι ο αριθμός των block που πρόκειται να διαγραφούν πολλαπλασιασμένος με την καθυστέρηση εγγραφής ενός block. 5.4 Σύνολο εντολών SPI Δομή Όλες οι εντολές της κάρτας SD είναι μήκους 6 bytes και μεταδίδονται με πρώτο το MSB (Most Significant Bit). 56

57 7-bit CRC Calculation: G(x) = x7 + x3 + 1 M(x) = (start bit) x39 + (host bit) x (last bit before CRC) x0 CRC[6...0] = Remainder[(M(x) x7)/g(x)] Κλάσεις Όπως και στο πρωτόκολλο SD, στο SPI οι εντολές χωρίζονται σε διάφορες κλάσεις. Κάθε κλάση υποστηρίζει ένα σύνολο από εντολές. Η κάρτα SD θα υποστηρίζει τα ίδια σύνολο προαιρετικών κλάσεων εντολών και στους δύο τρόπους επικοινωνίας. Υπάρχει μόνο ένας πίνακας κλάσεων στον καταχωρητή CSD. Οι διαθέσιμες κλάσεις εντολών, και οι υποστηριζόμενες εντολές για μια συγκεκριμένη κλάση, ωστόσο, είναι διαφορετικές στην λειτουργία SD bus και τη λειτουργία SPI. Σημειώνεται ότι εκτός από τις κλάσεις που δεν υποστηρίζονται στην λειτουργία SPI (1,3,9), οι υποχρεωτικές κλάσεις για την λειτουργία SD είναι ίδιες και για τη λειτουργία SPI Αναλυτική περιγραφή εντολών Στον παρακάτω πίνακα φαίνεται μια λεπτομερής περιγραφή των εντολών σε SPI. Οι απαντήσεις ορίζονται και αναλύονται σε επόμενη υποενότητα. Στην στήλη SPI mode, αν υπάρχει yes, δείχνει πως η εντολή υποστηρίζεται σε λειτουργία SPI. Με αυτούς τους περιορισμούς, η περιγραφή των κλάσεων εντολών στον CSD είναι ακόμη έγκυρη. Αν μια εντολή δεν απαιτεί κάποια παράμετρο, τότε αυτή θα πρέπει να γίνει 0. Ο δυαδικός κώδικας της κάθε εντολής καθορίζεται από το μνημονικό της σύμβολο. Για παράδειγμα, το περιεχόμενο του πεδίου εντολής, της εντολής CMD0 είναι σε δυαδική μορφή και της CMD39 είναι

58 58

59 Ο επόμενος πίνακας περιγράφει τις εντολές που είναι Application specific. Η εντολή CMD55 (APP_CMD) θα πρέπει να προηγείται όλων των εντολών αυτών. 59

60 5.4.4 Απαντήσεις Υπάρχουν διάφοροι τύποι απαντήσεων. Όλοι τους μεταδίδονται με πρώτο το MSB R1 Αυτή η απάντηση στέλνεται από την κάρτα ύστερα από κάθε εντολή με εξαίρεση τις εντολές SEND_STATUS. Είναι μήκους 1 byte, το MSB είναι πάντα 0 και όλα τα υπόλοιπα bits είναι δείκτες σφάλματος. Ένα 1 στα παρακάτω, σηματοδοτεί κάποιο σφάλμα. In idle state: η κάρτα βρίσκεται σε κατάσταση αδράνειας και ακόμα εκκινεί. Erase reset: μια αλληλουχία διαγραφής σταμάτησε πριν εκτελεστεί επειδή μια εκτός ορίων της αλληλουχίας εντολή λήφθηκε. Illegal command: ένας κωδικός μη αποδεκτής εντολής εντοπίστηκε. Communication CRC error: ο έλεγχος CRC της τελευταίας εντολής απέτυχε Erase sequence error: ένα σφάλμα στην αλληλουχία των εντολών διαγραφής συνέβη Address error: μια μη στοιχισμένη διεύθυνση, που δεν αντιστοιχούσε με το μήκος ενός block χρησιμοποιήθηκε στην εντολή. Parameter error: η παράμετρος της εντολής ήταν εκτός των επιτρεπτών ορίων της κάρτας. 60

61 Η δομή της απάντησης R1: R1b Αυτή η απάντηση είναι πανομοιότυπη με την δομή της απάντησης R1 με την προαιρετική προσθήκη του σήματος busy. Το μέγεθος του σήματος busy μπορεί να είναι οποιοσδήποτε αριθμός bytes. Η τιμή 0 δείχνει ότι η κάρτα είναι απασχολημένη. Μια μη μηδενική τιμή υποδεικνύει ότι η κάρτα είναι έτοιμη για την επόμενη εντολή R2 Αυτή η απάντηση είναι μεγέθους 2 byte και στέλνεται σαν απάντηση στην εντολή SEND_STATUS. Η δομή της απάντησης R2: Το πρώτο byte είναι πανομοιότυπο με την απάντηση R1. Ακολουθεί περιγραφή του περιεχομένου του 2 ου byte. Erase param: μια μη αποδεκτή επιλογή sector προς διαγραφή. Write protection violation: η εντολή προσπάθησε να γράψει σε έναν τομέας προστατευμένο από εγγραφή. Card ECC failed: ο εσωτερικός αλγόριθμος ECC της κάρτας ενεργοποιήθηκε αλλά απέτυχε να διορθώσει τα δεδομένα. CC error: σφάλμα στον εσωτερικό ελεγκτή της κάρτας. Error: ένα γενικό ή άγνωστο σφάλμα συνέβη κατά τη διάρκεια της διαδικασίας Write protect erase skip: μόνο μέρος της διεύθυνσης διαγράφηκε λόγο της ύπαρξης block με προστασία εγγραφής. Card is blocked: η κάρτα είναι κλειδωμένη. Υποστηρίζεται από τις κάρτες SanDisk 61

62 R3 Αυτή η απάντηση στέλνεται από την κάρτα όταν λάβει μια εντολή READ_OCR. Το μήκος αυτής της απάντησης είναι 5 bytes. Η δομή του πρώτου byte είναι πανομοιότυπη με την απάντηση R1. Τα υπόλοιπα 4 bytes περιέχουν τον καταχωρητή OCR Data Response Κάθε block δεδομένων που γράφεται στην κάρτα αναγνωρίζεται με μια απάντηση δεδομένων. Έχει μήκος 1 byte και την μορφή: Τα Status bits είναι αυτά που δίνουν νόημα στην απάντηση. Υπάρχουν 3 περιπτώσεις: 010 : τα δεδομένα έγιναν αποδεκτά. 101 : τα δεδομένα απορρίφθηκαν λόγω σφάλματος CRC. 110 : τα δεδομένα απορρίφθηκαν λόγω σφάλματος εγγραφής. Στην περίπτωση της εγγραφής πολλαπλών block, αν κάποιο σφάλμα παρουσιαστεί, ο προγραμματιστής πρέπει να σταματήσει την μετάδοση με την εντολή CMD12. Στην περίπτωση σφάλματος εγγραφής, ο προγραμματιστής μπορεί να στείλει την εντολή CMD13 (SEND_STATUS) που θα του επιστρέψει την αιτία του προβλήματος. Η εντολή ACMD22 μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να βρεθεί το πλήθος των block που γράφτηκαν σωστά Data tokens. Σύμβολα δεδομένων Τα δεδομένα στέλνονται ή λαμβάνονται μέσω των data tokens. Όλα τα bytes στέλνονται με το MSB πρώτο. Τα data tokens είναι 4 ως 515 bytes και έχουν την παρακάτω μορφή. Για την εγγραφή ενός block, ανάγνωση ενός η πολλαπλών blocks: το πρώτο byte είναι: Τα bytes (ανάλογα και το μέγεθος του block δεδομένων): δεδομένα του χρήστη Τα τελευταία 2 bytes: 16-bit CRC. Για την εγγραφή πολλαπλών blocks: Το πρώτο byte από κάθε block: o Αν ακολουθούν δεδομένα: 62

63 o Αν απαιτείται διακοπή μετάδοσης: Σημείωση: αυτή η μορφή χρησιμοποιείται μόνο για την εγγραφή πολλαπλών blocks. Στην περίπτωση της ανάγνωσης πολλαπλών blocks η εντολή CMD12 χρησιμοποιείται (STOP_TRAN) Data error token Αν η ανάγνωση παρουσιάσει σφάλματα και αποτύχει, η κάρτα δεν θα μπορέσει να στείλει δεδομένα. αντί αυτών θα στείλει ένα error token. Είναι μεγέθους 1 byte και έχει τη μορφή: Τα 4 λιγότερο σημαντικά bit είναι τα ίδια bit λάθους όπως και στην απάντηση R Καθαρισμός των status bits. Όπως είδαμε, στη λειτουργία SPI, τα status bits στέλνονται στον προγραμματιστή σε 3 διαφορετικές μορφές: απάντηση R1, απάντηση R2, και data error token (τα ίδια bits μπορεί να υπάρχουν σε πολλούς τύπους απαντήσεων). Τα bits λάθους καθαρίζονται μόλις αυτά διαβαστούν από τον προγραμματιστή, ανεξάρτητα της απάντησης. 63

64 6 STM32F103xx 6.1 Stm32-103STK Οι επεξεργαστές της κατηγορίας ARM Cortex-M3, έχουν σχεδιαστεί για χαμηλού κόστους πλατφόρμες, με μικρό αριθμό pin και χαμηλή κατανάλωση. Παρέχουν εξαιρετική υπολογιστική επίδοση και ένα προχωρημένο σύστημα απόκρισης σε διακοπές. Η πλακέτα STM32-103STK έχει τον επεξεργαστή STM32F103RBT6 της οικογένειας ARM. Έχει την LCD οθόνη του NOKIA 3310, κουμπιά, υποδοχή SD-MMC κάρτας, επιταχυνσιόμετρο 3 αξόνων, 2.4 Ghz RF πομποδέκτη, είσοδο ήχου, έξοδο ήχου, και τροφοδοσία από μία μπαταρία 1,5Volt AA Στοιχεία της πλακέτας MCU: STM32F103RBT6 ARM 32 bit CORTEX M3 με 128K Bytes Program Flash, 20K Bytes RAM, USB, CAN, x2 I2C, x2 ADC 12 bit, x3 UART, x2 SPI, x3 TIMERS, συχνότητα ως 72Mhz Σύνδεση JTAG με ARM 2x10 pin layout for programming/debugging with ARM-JTAG USB mini connector LCD NOKIA 3310 BW 84x48 pixels 1.5V battery connector with step-up converter 3-axis accelerometer SD-MMC card 2.4 Ghz transciever with Nordic nrf24l01 Είσοδος ήχου Έξοδος ήχου 2 κουμπιά χρήστη Joystick 4 κατευθύνσεων και λειτουργία ως κουμπιού UEXT σύνδεση RESET button Status LED 8 Mhz κρύσταλλος Hz crystal and RTC backup battery connector Διαστάσεις: 90 x 65mm (3.5 x 2.5") 64

65 6.1.2 Διάταξη 65

66 6.1.3 Σχηματικό Επεξεργαστής ARM 32-bit Cortex -M3 CPU STM32F103RBT6: - CPU clock up to 72Mhz - FLASH 128KB - RAM 20KB - DMA x7 channels - RTC - WDT - Timers x3+1 - SPI x2 - I2C x2 - USART x3 - USB x1 - CAN x1 (multiplexed with USB so both can't be used in same time) - GPIO up to 51 (multiplexed with peripherials) - 2 ADC 12-bit - τροφοδοσία V - θερμοκρασία -40C +85C RS232 Ο STM32F103RBT6 έχει 3 USART τα οποία είναι διαθέσιμα στα pin επέκτασης. Ένα από αυτά μπορεί να λειτουργεί με ως και 4.5 Mbit/s και τα άλλα δύο ως 2.25 Mbit/s. Παρέχουν την διαχείριση υλικού για τα σήματα CTS και RTS, IrDA SIR ENDEC υποστήριξη, είναι συμβατά με το 66

67 ISO 7816 και έχουν δυνατότητα LIN Master/Slave. Όλα τα USART μπορούν να εξυπηρετούνται από το DMA SPI Ο STM32F103RBT6 έχει 2 SPI που έχουν τη δυνατότητα να επικοινωνούν με ως και 18Mbit/s σε slave, master διάταξη, fullduplex, simplex διάταξη επικοινωνίας. Ο διαιρέτης 3-bit δίνει 8 συχνότητες λειτουργίας master και το πλαίσιο είναι ρυθμιζόμενο στα 8 ή 16 bit. Το υλικό δημιουργία CRC υποστηρίζει βασικές SD/MMC λειτουργίες. Τα 2 SPI μπορούν να εξυπηρετούνται από τον DMA I2C Ο STM32F103RBT6 έχει 2 διαύλους I2C που μπορούν να λειτουργήσουν με πολλαπλό master και πολλαπλό slave. Υποστηρίζουν κανονική και γρήγορη λειτουργία. Υποστηρίζουν διπλή διευθυνσιοδότηση 7-bit slave και 7/10 bit master. Το υλικό δημιουργία CRC είναι ενσωματωμένο. Μπορούν να εξυπηρετούνται από το DMA CAN Ο STM32F103RBT6 CAN είναι συμβατός με τα 2.0A και Β (ενεργό) με bit rate ως και 1Mbit/s. Μπορεί να στείλει και να λάβει frames με αναγνωριστικό 11-bit καθώς και frames με επέκταση, με αναγνωριστικό 29-bit. Το CAN και το USB μοιράζονται τα pins PA11,PA12 άρα η χρήση και των δυο ταυτόχρονα δεν είναι δυνατή GPIOs Καθένα από τα GPIO pins μπορούν να ρυθμιστούν ως έξοδος, είσοδος ή ως εναλλακτική λειτουργία κάποιου περιφερειακού. Τα περισσότερα από τα GPIO pins μοιράζονται κάποια ψηφιακή ή αναλογική εναλλακτική λειτουργία. Όλα τα GPIO έχουν ανοχή σε υψηλά ρεύματα. Τα εναλλακτικά I/O μπορούν να ρυθμιστούν και να κλειδωθούν αν αυτό είναι απαραίτητο για την αποφυγή εγγραφών στους I/O registers. Π.χ τα I/Os του APB2 έχουν συχνότητα εναλλαγής ως και 18MHz ADC Ο STM32F103RBT6 έχει δυο 12bit μετατροπείς αναλογικό-ψηφιακό οι οποίοι μοιράζονται 16 εξωτερικά κανάλια, και εκτελούν μετατροπές συνεχόμενα ή μεμονωμένα. Σε συνεχόμενη λειτουργία, εκτελείται αυτόματη μετατροπή σε επιλεγμένο σύνολο αναλογικών εισόδων. Επιπλέον λογικές λειτουργίες ενσωματωμένες στην διεπαφή ADC επιτρέπουν: Συνεχόμενη δειγματοληψία και αναμονή Εναλλασσόμενη δειγματοληψία και αναμονή Μεμονωμένη δειγματοληψία Το ADC εξυπηρετείται από το DMA. Το analog watchdog επιτρέπει μεγάλη ακρίβεια στην μετατροπή της τάσης ενός, μερικών ή όλων των καναλιών. Μια διακοπή εμφανίζεται όταν η τάση που έχει μετατραπεί είναι εκτός των ορίων. Οι διακοπές που γεννιούνται από τους timers (TIMx) και τον προχωρημένο timer (TIM1) μπορούν αν συνδεθούν εσωτερικά στον ADC και στο start trigger, injection trigger, και DMA trigger αντίστοιχα, για να επιτρέψουν στην εφαρμογή να συγχρονίσει την ADC μετατροπή και τους timers. 67

68 Block Diagram 68

69 Memory Map Κύκλωμα τροφοδοσίας Η πλακέτα μπορεί να πάρει τροφοδοσία από τις εξής πηγές: Μπαταρία 1,5 Volt με DC/DC αναβάθμιση τάσης Σήμα Vin στο pin EXT1-11 Jtag pin 1 ή 2 Η κατανάλωση της πλακέτας είναι περίπου 30mA όταν τροφοδοτείται από το USB και περίπου 130mA όταν τροφοδοτείται από την μπαταρία με όλα τα περιφερειακά και τον επεξεργαστή να 69

70 τρέχουν στην υψηλότερη ταχύτητα. Υπάρχουν διάφορες λειτουργίες εξοικονόμησης ενέργειας που μπορούν να κοιμίσουν τον επεξεργαστή και σε αυτές τις καταστάσεις η κατανάλωση του επεξεργαστή είναι μερικά μα Κύκλωμα ρολογιού Ένας Quartz κρύσταλλος 8 Mhz είναι συνδεδεμένος με τον επεξεργαστή. Το εσωτερικό κύκλωμα PLL μπορεί να πολλαπλασιάσει αυτή τη συχνότητα ως τα 72Mhz. Ένας Quartz κρύσταλλος 32,768 ΚHz είναι συνδεδεμένος με τον επεξεργαστή για το εσωτερικό του Real Time Clock Συνδέσεις JTAG EXT1 70

71 EXT UEXT SD-MMC 71

72 USB 6.2 Ο επεξεργαστής STM32F103RBT6 Στην παράγραφο είδαμε τα περιφερειακά που υποστηρίζει ο επεξεργαστής, την τροφοδοσία του και τη συχνότητά του. Ξεκινώντας, επιλέγεται το ρολόι συστήματος, ωστόσο ο εσωτερικός ταλαντωτής των 8MHz επιλέγεται ως ρολόι CPU σε περίπτωση επανεκκίνησης. Ένα εξωτερικό ρολόι 4-16 MHz μπορεί να επιλεγεί, το οποίο παρατηρείται για τυχόν σφάλμα. Σε περίπτωση σφάλματος, το σύστημα αλλάζει μόνο του το ρολόι στο αρχικό των 8MHz. Αν είναι ενεργοποιημένη, μια διακοπή software γεννιέται. Η μέγιστη συχνότητα είναι τα 72ΜΗz. Υπάρχουν καταστάσεις χαμηλής κατανάλωσης. Sleep mode: σε αυτή την κατάσταση μόνο η CPU σταματά, όλα τα περιφερειακά συνεχίζουν λειτουργούν κανονικά και μπορούν να ξυπνήσουν την CPU όταν συμβεί μια διακοπή. Stop mode: αυτή η κατάσταση πετυχαίνει την χαμηλότερη δυνατή κατανάλωση ενώ ταυτόχρονα διατηρεί όλα τα περιεχόμενα της SRAM μνήμης και των registers. Όλα τα ρολόγια που λειτουργούν με 1.8 Volt σταματούν. Το PLL, HSI RC, HSE κρύσταλλοι απενεργοποιούνται. Το κύκλωμα διαχείρισης της τάσης μπορεί επίσης να μπει σε κανονική λειτουργία ή σε λειτουργία χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας. Η συσκευή μπορεί να βγει από αυτήν την κατάσταση με τη βοήθεια μιας γραμμής EXTI. Η γραμμή αυτή μπορεί να είναι οποιαδήποτε από τις 16 διαθέσιμες EXTI γραμμές, η έξοδος PVD, το ξυπνητήρι RTC και το USB wake-up. Standby mode: αυτή η λειτουργία χρησιμοποιείται για να επιτευχθεί η χαμηλότερη δυνατή κατανάλωση ενέργειας. Το κύκλωμα διαχείρισης της τάσης κλείνει και έτσι όλα τα περιφερειακά που χρησιμοποιούν τα 1.8Volt τροφοδοσία σβήνουν. Οι κρύσταλλοι PLL,HIS RC,HSE επίσης σβήνουν. Αφότου μπει σε αυτή την κατάσταση ο επεξεργαστής, τα περιεχόμενα της μνήμης SRAM και των registers χάνονται εκτός από τους registers back-up και standby. Η συσκευή βγαίνει από αυτή την κατάσταση μόνο με εξωτερική επανεκκίνηση (NRST pin), μια αύξουσα παρυφή στο pin WKUP, ξυπνητήρι RTC. 72

73 6.2.1 Περιγραφή των pins 6.3 Αρχιτεκτονική μνήμης και διαύλου Αρχιτεκτονική συστήματος Στις συσκευές όπως η πλακέτα STM32-103STK που είναι Medium density, αλλά και στις low-, high-, XL- density, το κυρίως σύστημα αποτελείται από: Τέσσερα Master: Cortex-M3 Dbus και Sbus GP-DMA1 και 2 Τέσσερα slave: Εσωτερική SRAM Εσωτερική Flash μνήμη FMSC AHB to APBx (APB1 or APB2), τα οποία συνδέονται σε όλα τα APB περιφερειακά. 73

74 Οργάνωση μνήμης Η μνήμη προγράμματος, δεδομένων, καταχωρητών και I/O ports είναι οργανωμένη στον ίδιο γραμμικό χώρο 4GB. Τα bytes κωδικοποιούνται στη μνήμη σε μορφή Little Endian. Το byte με τον μικρότερο αριθμό σε μια λέξη θεωρείται το λιγότερο σημαντικό και το Byte με τον μεγαλύτερο αριθμό θεωρείται το περισσότερο σημαντικό. Η χώρος της μνήμης χωρίζεται σε 8 blocks, καθένα των 512MB Όλες οι περιοχές τις μνήμης που δεν έχουν δοθεί σε μνήμες on-chip και περιφερειακά θεωρούνται reserved SRAM Η ενσωματωμένη μνήμη SRAM του επεξεργαστή μπορεί να είναι ως 96Kbytes. Μπορεί να προσπελαστεί σε bytes, half-word(16 bytes) ή full-word(32 bytes). Η αρχή αυτής της μνήμης είναι το 0x Μνήμη Flash Η μνήμη flash είναι μνήμη υψηλής απόδοσης. Για τον medium-density επεξεργαστή που έχουμε, η μνήμη αυτή μπορεί να είναι ως και 512Κbyte. Στην συγκεκριμένη πλακέτα είναι 128. Τα χαρακτηριστικά της περιλαμβάνουν: Read interface with prefetch buffer (2x64-bit words) Option byte Loader Flash Program / Erase operation Read/Write protection Οι εντολές που δίνονται στην μνήμη flash και η πρόσβαση στα δεδομένα της γίνονται μέσω του διαύλου AHB. Το prefetch block χρησιμοποιείται για τη λήψη οδηγιών μέσω του διαύλου Icode. 74

75 Πραγματοποιείται έλεγχος προτεραιότητας στην flash μνήμη, και δίνεται προτεραιότητα στην πρόσβαση σε δεδομένα μέσω του Dcode διαύλου. Ο DMA έχει πρόσβαση στη μνήμη flash μέσω του διαύλου Dcode και έχει προτεραιότητα έναντι των εντολών στο Icode. Η μνήμη flash μπορεί να προγραμματιστεί κατά 16bit κάθε φορά. Για την εγγραφή και την ανάγνωση στη μνήμη flash, ο εσωτερικός RC ταλαντωτής πρέπει να είναι σε λειτουργία. Η διαγραφή μνήμης μπορεί να γίνει σε επίπεδο σελίδας ή σε ολόκληρη τη μνήμη. 6.4 Reset and Clock Control (RCC) Reset Υπάρχουν τριών ειδών reset. Ορίζονται ως system reset, power reset και backup domain reset System reset To system reset δίνει στους registers τις αρχικές τους τιμές εκτός από τα reset flags στον ελεγκτή του ρολογιού, καταχωρητή CSR και τους καταχωρητές στο backup domain Software reset Το bit SYSRESETREQ του application interrupt και toy reset control register πρέπει να είναι set για να επιβληθεί το software reset στη συσκευή Power reset Ένα power reset συμβαίνει όταν συμβεί ένα από τα ακόλουθα γεγονότα: Power on/ power down reset. Βγαίνοντας από την λειτουργία standby. Το power reset βάζει στους registers τις reset τιμές τους εκτός από το backup domain. Το σήμα reset που δίνεται στη συσκευή, παρέχεται ως έξοδος στο pin NRST. Η γεννήτρια παλμών εγγυάται ελάχιστο χρόνο παλμού reset 20μs για κάθε πηγή reset παλμού Backup domain reset Το backup domain έχει δυο συγκεκριμένα reset που επηρεάζουν μόνο το backup domain: Software reset, που ενεργοποιείται θέτοντας το BDRST bit set στο RCC_BDCR V DD ή V BAT power on, αν και οι δύο τροφοδοσίες ήταν προηγουμένως εκτός λειτουργίας Ρολόγια Τρεις διαφορετικές πηγές ρολογιών μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να οδηγήσουν το ρολόι του συστήματος (SYSCLK) HSI ρολόι HSE ρολόι PLL ρολόι Οι συσκευές έχουν τις παρακάτω δυο εναλλακτικές πηγές ρολογιών 40ΚΗz χαμηλής ταχύτητας εσωτερικός RC ταλαντωτής ο οποίος οδηγεί το watchdog και επιλεκτικά το RTC για την έξοδο από το Stop/Standby mode. 32,768 KHz χαμηλής ταχύτητας εξωτερικός κρύσταλλος, ο οποίος με επιλογή οδηγεί το ρολόι RTCCLK Κάθε πηγή ρολογιού μπορεί να είναι σε λειτουργία η να βγει εκτός λειτουργίας ανεξάρτητα από τις άλλες όταν δεν χρησιμοποιείται για βελτιστοποίηση την κατανάλωση ενέργειας. 75

76 HSE clock Το HSE, high speed external clock signal, μπορεί να δημιουργηθεί από δυο πιθανές πηγές ρολογιών HSE external resonator HSE user external clock Ο εξωτερικός ενισχυτής και οι πυκνωτές πρέπει να τοποθετηθούν όσο πιο κοντά γίνεται στα pin του ταλαντωτή για να ελαχιστοποιήσουν την παραμόρφωση της εξόδου και τον χρόνο σταθεροποίησης εκκίνησης HSI clock Το σήμα του ρολογιού HIS προέρχεται από έναν εσωτερικό ταλαντωτή RC 8MHz και μπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας ως ρολόι συστήματος ή να διαιρεθεί δια 2 και να χρησιμοποιηθεί ως είσοδος στο PLL. Ο HIS RC ταλαντωτής έχει το πλεονέκτημα ότι προσφέρει ένα ρολόι με πολύ χαμηλό κόστος γιατί δεν χρησιμοποιούνται εξωτερικά στοιχεία. Επίσης έχει μικρότερο χρόνο εκκίνησης από τον HSE κρύσταλλο, όμως ακόμα και με βελτιστοποίηση η συχνότητά του είναι λιγότερο ακριβής από την συχνότητα ενός εξωτερικού κρυστάλλου. 76

77 PLL Το εσωτερικό PLL μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να πολλαπλασιάσει τη συχνότητα του ρολογιού του HSI,HSE κρυστάλλου. Αν χρησιμοποιείται το USB στην εφαρμογή, το PLL πρέπει να προγραμματιστεί να δίνει 48 ή 72 MHz. Αυτό, για να παρέχει 48MHz USBCLK LSE clock Το εξωτερικό ρολόι χαμηλής ταχύτητας έχει το πλεονέκτημα να παρέχει μια χαμηλής ισχύος αλλά μεγάλης ακρίβειας πηγή ρολογιού στο real time clock,rtc για λειτουργίες ώρας, ημερολογίου, κ.α Επιλογή System clock Μετά από την επανεκκίνηση του συστήματος, ο ταλαντωτής HSI χρησιμοποιείται ως ρολόι. Όταν μια πηγή ρολογιού χρησιμοποιείται άμεσα ή μέσω του PLL ως ρολόι συστήματος δεν είναι δυνατή η διακοπή της. Η εναλλαγή από την μία πηγή ρολογιού στην άλλη γίνεται μόνο αν το ρολόι στόχος είναι έτοιμο. Αν ένα ρολόι που δεν είναι έτοιμο επιλεχθεί, η αλλαγή θα γίνει όταν η πηγή του ρολογιού θα είναι έτοιμη. Status bits στον καταχωρητή RCC_CR δείχνουν ποια ρολόγια είναι έτοιμα και ποιο ρολόι χρησιμοποιείται αυτή τη στιγμή ως ρολόι συστήματος RTC Clock Η πηγή του ρολογιού RTC, RTCCLK, μπορεί να είναι ένα από τα HSE/128, LSE ή LSI ρολόγια. Επιλέγονται προγραμματίζοντας τα bits RTCSEL[1:0] του RTC_BDCR. Αυτή η επιλογή δεν μπορεί να αλλάξει χωρίς την επανεκκίνηση του backup domain RCC Registers Clock control register (RCC_CR) Clock configuration register (RCC_CFGR) Clock interrupt register (RCC_CIR) APB2 peripheral reset register (RCC_APB2RSTR) APB1 peripheral reset register (RCC_APB1RSTR) AHB peripheral clock enable register (RCC_AHBENR) APB2 peripheral clock enable register (RCC_APB2ENR) APB1 peripheral clock enable register (RCC_APB1ENR) Backup domain control register (RCC_BDCR) Control/status register (RCC_CSR) 6.5 General-purpose and alternate-function I/Os (GPIOs and AFIOs) Καθεμία από τις I/O ports GPIOs έχει δυο 32-bit configuration registers (GPIOx_CRL,GPIOx_CRH), δυο 32-bit data registers (GPIOx_IDR, GPIOx_ODR), έναν 32-bit set/reset register (GPIOx_BSRR), έναν 16-bit reset register (GPIOx_BRR) και έναν 32-bit locking register (GPIOx_LCKR). Ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του υλικού του κάθε I/O port που περιέχεται στο datasheet, κάθε port bit των GPIO port, μπορεί να ρυθμιστεί από το software στις εξής λειτουργίες: Input floating Input pull-up Input pull-down 77

78 Analog Output open-drain Output push-pull Alternate function push-pull Alternate function open-drain Κάθε I/O port bit είναι ελεύθερο για προγραμματισμό, ωστόσο οι καταχωρητές των I/O ports πρέπει να προσπελαστούν ως λέξεις 32-bit. Ο σκοπός των registers GPIOx_BSRR και GPIOx_BRR είναι να επιτρέπουν ατομική ανάγνωση, αλλαγή σε καθένα από τα GPIO registers. Με αυτό τον τρόπο δεν υπάρχει κανένας κίνδυνος να υπάρξει κάποια διακοπή μεταξύ της ανάγνωσης και της αλλαγής GPIO Κατά τη διάρκεια και αμέσως μετά την επανεκκίνηση, οι εναλλακτικές λειτουργίες δεν είναι διαθέσιμες και τα I/O ports είναι ρυθμισμένα ως Input Floating mode. Όταν ρυθμιστούν ως output, η τιμή που γράφεται στον Output data register (GPIOx_ODR) είναι και output στο pin. Ο input data register (GPIOx_IDR) λαμβάνει την τιμή που υπάρχει στο Pin σε κάθε κύκλο του ρολογιού APB Input configuration Όταν η I/O port είναι ρυθμισμένη ως input: Ο output buffer απενεργοποιείται. Η είσοδος Schmitt trigger ενεργοποιείται Οι αντιστάσεις pull-up, pull-down ενεργοποιούνται ή δεν εξαρτώνται από την ρύθμιση input. Το υπάρχον δεδομένο στο pin γράφεται στον input data register σε κάθε κύκλο ρολογιού του APB2 Μια ανάγνωση στον input data register δίνει την κατάσταση του I/O Output configuration Όταν η Ι/Ο port είναι ρυθμισμένη ως output: O output buffer ενεργοποιείται Η είσοδος Schmitt trigger ενεργοποιείται Οι αντιστάσεις Pull-up, Pull-down απενεργοποιούνται Το δεδομένο που υπάρχει στο I/O pin γράφεται στον input data register κάθε κύκλο ρολογιού του APB2 Η ανάγνωση του input data register δίνει την κατάσταση του I/O σε open drain mode. Η ανάγνωση του output data register δίνει την τελευταία τιμή σε push-pull mode GPIO registers Port configuration register low (GPIOx_CRL) Port configuration register high (GPIOx_CRH) Port input data register (GPIOx_IDR) Port output data register (GPIOx_ODR) Port bit set/reset register (GPIOx_BSRR) Port bit reset register (GPIOx_BRR) Port configuration lock register (GPIOx_LCKR) 78

79 6.6 Interrupts and events Nested vectored interrupt controller (NVIC) Περιέχει: 68 γραμμές διακοπών (χωρίς τις 16 του Cortex-M3) 16 προγραμματιζόμενα επίπεδα προτεραιότητας Μικρής αδράνειας εξαίρεση και χειρισμός διακοπών Έλεγχος διαχείρισης τροφοδοσίας Εφαρμογή των system control registers. Η αρχιτεκτονική του NVIC σε συνδυασμό με τον επεξεργαστή. Επιτρέπει την διαχείριση διακοπών με μικρή αδράνεια και την αποτελεσματική διαχείριση διακοπών που άργησαν να έρθουν. Όλες οι διακοπές, ακόμα και οι εξαιρέσεις του επεξεργαστή διαχειρίζονται από τον NVIC SysTick calibration value register Η τιμή της βαθμονόμησης του SysTick είναι 9000, που δίνει χρόνο αναφοράς περίπου 1ms με το ρολόι SysTick στα 9MHz Interrupt and exception vectors RESET NMI HARDFAULT MEMMANAGE BUSFAULT USAGEFAULT SVCALL DEBUG MONITOR PENDSV SYSTICK WWDG PVD TAMPER RTC FLASH RCC EXTI0 EXTI1 EXTI2 EXTI3 EXTI4 DMA1_Channel1 DMA1_Channel2 DMA1_Channel3 DMA1_Channel4 DMA1_Channel5 79

80 80 DMA1_Channel6 DMA1_Channel7 ADC1_2 USB_HP_CAN_TX USB_LP_CAN_RX0 CAN1_RX1 CAN1_SCE EXTI9_5 TIM1_BRK TIM1_UP TIM1_TRG_COM TIM1_CC TIM2 TIM3 TIM4 I2C1_EV I2C1_ER I2C2_EV I2C2_ER SPI1 SPI2 USART1 USART2 USART3 EXTI5_10 RTCALARM USBWAKEUP TIM8_BRK TIM8_UP TIM8_TRG_COM TIM8_CC ADC3 FSMC SDIO TIM5 SPI3 UART4 UART5 TIM6 TIM7 DAM2_CHANNEL1 DMA2_CHANNEL2 DMA2_CHANNEL3 DMA2_CHANNEL4_5

81 6.6.2 External interrupt/event controller (EXTI) Το EXTI αποτελείται από 19 ανιχνευτές σήματος για την παραγωγή διακοπών. Κάθε γραμμή εισόδου μπορεί να ρυθμιστεί ανεξάρτητα για τον τύπο (παλμός ή εκκρεμής) και το αντίστοιχο γεγονός έναυσμα (αύξουσα ή πίπτουσα παρυφή) Wake-up event Ο επεξεργαστής είναι σε θέση να αναγνωρίσει και να χειριστεί εξωτερικά ή εσωτερικά γεγονότα/διακοπές για να ξυπνήσει τον πυρήνα. Το γεγονός wakeup μπορεί να γεννηθεί από: Ενεργοποίηση μιας διακοπής του peripheral control register αλλά όχι του NVIC, και ενεργοποιώντας το bit SEVONPEND στον control register του Cortex-M3. Όταν η mcu ξυπνήσει το bit που εκκρεμή πρέπει να καθαριστεί. Ενεργοποίηση ενός εξωτερικού interrupt η εσωτερικού στη γραμμή EXTI. Όταν η CPU συνεχίσει, δεν είναι ανάγκη να καθαριστεί το bit μιας και το bit που αντιστοιχεί στο γεγονός από το οποίο ήρθε το interrupt δεν έχει γίνει set Περιγραφή λειτουργίας Για την δημιουργία της διακοπής, η γραμμή διακοπής θα πρέπει είναι ρυθμισμένη και ενεργοποιημένη. Αυτό γίνεται προγραμματίζοντας δυο καταχωρητές εναύσματος, trigger registers, με την επιθυμητή ανίχνευση παρυφής και ενεργοποιώντας την αίτηση διακοπής γράφοντας ένα 1 στο αντίστοιχο bit στην μάσκα διακοπής. Όταν ανιχνευτεί η καθορισμένη παρυφή στην εξωτερική γραμμή interrupt, μια αίτηση διακοπής γεννιέται. Το αντίστοιχο bit της γραμμής διακοπής γίνεται set. Για να γίνει reset η διακοπή πρέπει να γραφεί ένα 1 στον εκκρεμή καταχωρητή. Για τη δημιουργία του γεγονότος, η γραμμή γεγονότος θα πρέπει να είναι ρυθμισμένη και ενεργοποιημένη. Αυτό γίνεται προγραμματίζοντας δυο καταχωρητές εναύσματος, trigger registers, με την επιθυμητή ανίχνευση παρυφής και ενεργοποιώντας την αίτηση διακοπής γράφοντας ένα 1 στο αντίστοιχο bit στην μάσκα διακοπής. Όταν ανιχνευτεί η καθορισμένη παρυφή στην εξωτερική γραμμή event, ένα event θα γεννηθεί. Το αντίστοιχο Bit που αντιστοιχεί στη γραμμή γεγονότος δεν γίνεται set. Μια διακοπή / γεγονός μπορεί επίσης να γεννηθεί μέσω software γράφοντας ένα 1 στον καταχωρητή software interrupt/event EXTI registers Interrupt mask register (EXTI_IMR) Event mask register (EXTI_EMR) Rising trigger selection register (EXTI_RTSR) Falling trigger selection register (EXTI_FTSR) Software interrupt event register (EXTI_SWIER) Pending register (EXTI_PR) 6.7 Analog to digital converter (ADC) Εισαγωγή O 12-bit ADC είναι ένας διαδοχικός υπολογισμός αναλογικών σε ψηφιακών μετατροπέων. Έχει μέχρι και 18 πεπλεγμένα κανάλια που του επιτρέπουν να μετρά σήματα από 16 εξωτερικές και 2 εσωτερικές πηγές. Η μετατροπή των διαφόρων καναλιών μπορεί να γίνει σε μεμονωμένη λειτουργία, συνεχόμενη, κυκλική ή ασυνεχής. Το αποτέλεσμα του ADC αποθηκεύεται σε έναν data register. 81

82 Ο analog watchdog επιτρέπει στην εφαρμογή να ανιχνεύσει αν η τάση εισόδου βρίσκεται εντός ή εκτός των ορίων που έχουν τεθεί από τον χρήστη. Το ρολόι εισόδου του ADC ρυθμίζεται μέσω του PCLK2, διαιρείται και δεν μπορεί να ξεπερνά τα 14MHz Κύρια χαρακτηριστικά Ανάλυση 12bit Δημιουργία διακοπής στο: τέλος της μετατροπής, τέλος της injected μετατροπής και analog watchdog. Μεμονωμένη ή συνεχόμενη μετατροπή Κυκλική λειτουργία για αυτόματη μετατροπή πολλών καναλιών Αυτοβαθμονόμηση Προγραμματιζόμενη περίοδος δειγματοληψίας για κάθε κανάλι Επιλογή εξωτερικού εναύσματος για την κανονική και την injected μετατροπή Ασυνεχής λειτουργία Διπλή λειτουργία (για συσκευές με 2 ADC ή περισσότερα) Χρόνος μετατροπής: 1μs στα 56MHz Τροφοδοσία: 2,4 ως 3,6 Volt DMA κατά την κανονική λειτουργία μετατροπής 82

83 6.7.3 Block diagram On-off control Το ADC μπορεί να πάρει τροφοδοσία θέτοντας το ADON bit στον ADC_CR2 register. Όταν το ADON bit είναι Set για πρώτη φορά, ξυπνάει τον ADC από τη κατάσταση power down. Η μετατροπή αρχίζει όταν το bit ADON γίνει set για δεύτερη φορά μετά την εκκίνηση του ADC. Η μετατροπή σταματά και ο ADC μπαίνει σε κατάσταση power down με την επαναφορά του ADON bit. Σε αυτή την κατάσταση ο ADC χρησιμποιεί σχεδόν μηδενικό ρεύμα, μόλις μερικά μa. 83

84 6.7.5 ADC clock Το ρολόι του ADC, ADCCLK, δίνεται από τον clock controller και είναι σύγχρονο με το PCLK2 (APB2 clock). Ο RCC έχει έναν συγκεκριμένο διαιρέτη για το ADC clock Επιλογή καναλιών Υπάρχουν 16 πεπλεγμένα κανάλια. Οι μετατροπές μπορούν να οργανωθούν σε δυο γκρουπ: κανονικές και injected. Ένα γκρουπ αποτελείται από μια αλληλουχία μετατροπών η οποία μπορεί να γίνει σε οποιοδήποτε κανάλι και με οποιαδήποτε σειρά. Για παράδειγμα, η μετατροπή μπορεί να γίνει με την εξής σειρά: καν3,8,2,2,0,2,2,15. Στην συγκεκριμένη διπλωματική μας ενδιαφέρει μόνο το κανονικό γκρουπ. Το κανονικό γκρουπ μπορεί να κάνει ως και 16 μετατροπές. Τα κανάλια και η σειρά μετατροπής τους πρέπει να οριστούν στους registers ADC_SQRx. Ο συνολικός αριθμός μετατροπών στο κανονικό γκρουπ πρέπει να γραφεί στα L[3:0} bits του ADC_SQR1 register. Αν κατά τη διάρκεια μιας μετατροπής τροποποιηθεί το ADC_SQRx, η μετατροπή σταματά και ένας νέος παλμός έναρξης στέλνεται στο ADC για την μετατροπή της καινούργιας ομάδας καναλιών Μεμονωμένη μετατροπή Στην μεμονωμένη μετατροπή, ο ADC κάνει μία μόνο μετατροπή. Αυτή η κατάσταση ξεκινά θέτοντας το ADON bit στον ADC_CR2 register, ή από εξωτερικό έναυσμα, όσο το CONT bit είναι 0. Μόλις η μετατροπή του καναλιού ολοκληρωθει: Τα δεδομένα αποθηκεύονται στον 16-bit ADC_DR register. EOC flag is set Και γεννιέται ένα interrupt αν το EOCIE είναι set. Το ADC σταματά μετά την μετατροπή Συνεχής μετατροπή Στην συνεχή μετατροπή, o ADC ξεκινά καινούργια μετατροπή μόλις ολοκληρώσει μια μετατροπή. Αυτή η κατάσταση ξεκινά από εξωτερικό έναυσμα, ή θέτοντας το ADON bit στον ADC_CR2 register, όσο το CONT bit είναι 0. Ύστερα από κάθε μετατροπή: Τα δεδομένα αποθηκεύονται στον 16-bit ADC_DR register. EOC flag is set Και γεννιέται ένα interrupt αν το EOCIE είναι set. 84

85 6.7.9 Διάγραμμα χρονισμού Κυκλική μετατροπή Αυτή η λειτουργία χρησιμοποιείται για την μετατροπή μιας ομάδας αναλογικών καναλιών. Η κυκλική λειτουργία επιλέγεται θέτοντας το SCAN bit στον ADC_CR1 register. Όταν γίνει set αυτό το bit ο ADC μετατρέπει όλα τα κανάλια που έχουν οριστεί στον ADC_SQRx register. Μια μετατροπή γίνεται για κάθε κανάλι της ομάδας. Μετά το τέλος της μετατροπής, η μετατροπή γίνεται στο επόμενο κανάλι της ομάδας αυτόματα. Αν το CONT bit είναι set, η μετατροπή δεν σταματά στο τελευταίο στη σειρά κανάλι αλλά ξεκινά ξανά από το πρώτο. Όταν χρησιμοποιείται η κυκλική μετατροπή, το DMA bit πρέπει να είναι set. Ο ελεγκτής DMA χρησιμοποιείται για να μεταφέρει τα δεδομένα στην SRAM μετά από κάθε ανανέωση του ADC_DR register Βαθμονόμηση Το ADC έχει έναν ενσωματωμένο βαθμονομητή. Η βαθμονόμηση μειώνει σημαντικά τα λάθη ακρίβειας λόγω διαφορών στα αποθέματα του εσωτερικού πυκνωτή. Κατά την βαθμονόμηση, ένας κώδικας διόρθωσης σφάλματος υπολογίζεται για κάθε πυκνωτή, και κατά τη διάρκεια όλων των επόμενων μετατροπών, το σφάλμα που προσθέτει κάθε πυκνωτής αφαιρείται με τη χρήση του κώδικα αυτού. Η βαθμονόμηση ξεκινά θέτοντας το CAL bit στον ADC_CR2 register. Όταν ολοκληρωθεί η βαθμονόμηση, το bit CAL γίνεται reset από το υλικό και η μετατροπή μπορεί να ξεκινήσει. Προτείνεται να γίνεται βαθμονόμηση του ADC, μια φορά, όταν ξεκινάει (power on) Στοίχιση δεδομένων Το ALIGN bit του ADC_CR2 register επιλέγει την στοίχιση των δεδομένων μετά την μετατροπή. Τα δεδομένα μπορεί να στοιχίζονται αριστερά ή δεξιά Περίοδος δειγματοληψίας Ο ADC κάνει δειγματοληψία της τάσης εισόδου για έναν αριθμό από κύκλους ADC_CLK cycles που μπορούν να τροποποιηθούν χρησιμοποιώντας τα SMP[2:0] bits στον ADC_SMPR1 και ADC_SMPR2 register. Η δειγματοληψία μπορεί να γίνει με διαφορετική περίοδο για κάθε κανάλι. Η συνολική περίοδος υπολογίζεται ως εξής: T CONV = Sampling time cycles. Παράδειγμα: Με ρολόι ADCCLK = 14MHz και sampling time = 1.5 cycles: 14 T CONV = = 14 cycles = = 1μs

86 Αιτήσεις DMA Εφόσον η τιμή της μετατροπής των καναλιών αποθηκεύεται σε έναν μόνο register δεδομένων είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθεί ο DMA για την μετατροπή περισσότερων του ενός καναλιών. Έτσι αποφεύγεται η απώλεια των δεδομένων που βρίσκονται ήδη στον ADC_DR register. Μόνο η ολοκλήρωση της μετατροπής ενός καναλιού γεννάει μια αίτηση προς το DMA, που επιτρέπει την μεταφορά των δεδομένων του ADC_DR register στην διεύθυνση που έχει ορίσει ο χρήστης ADC registers ADC status register (ADC_SR) ADC control register (ADC_CR1) ADC control register (ADC_CR2) ADC sample time register 1 (ADC_SMPR1) ADC sample time register 2 (ADC_SMPR2) ADC watchdog high threshold register (ADC_HTR) ADC watchdog low threshold register (ADC_LTR) ADC regular sequence register 1 (ADC_SQR1) ADC regular sequence register 2 (ADC_SQR2) ADC regular sequence register 3 (ADC_SQR3) ADC regular data register (ADC_DR) 6.8 Direct memory access controller (DMA) Εισαγωγή Η απευθείας πρόσβαση στη μνήμη χρησιμοποιείται για να παρέχει μεγάλης ταχύτητας μεταφορά δεδομένων μεταξύ των περιφερειακών και της μνήμης καθώς και από τη μνήμη στη μνήμη. Τα δεδομένα μεταφέρονται γρήγορα από τον DMA χωρίς καμία ενέργεια του επεξεργαστή. Έτσι, ο επεξεργαστής μπορεί να χρησιμοποιηθεί για άλλες ενέργειες. Οι δυο ελεγκτές DMA έχουν 12 κανάλια συνολικά (7 για το DMA1 και 5 για το DMA2), καθένα εξειδικευμένο να διαχειρίζεται αιτήσεις πρόσβασης στη μνήμη από ένα ή περισσότερα περιφερειακά. Έχει έναν κριτή για την διαχείριση προτεραιοτήτων ανάμεσα στις αιτήσεις. 86

87 6.8.2 Block diagram Περιγραφή λειτουργίας Ο ελεγκτής DMA εκτελεί απευθείας μεταφορές στη μνήμη καθώς μοιράζεται το system bus με τον επεξεργαστή. Η αίτηση του DMA ίσως σταματήσει την πρόσβαση του επεξεργαστή στον δίαυλο για μερικούς κύκλους του διαύλου, όταν ο επεξεργαστής και ο DMA έχουν τον ίδιο προορισμό, (μνήμη ή περιφερειακό). Ο πίνακας του διαύλου εφαρμόζει χρονοπρογραμματισμό round-robin, δίνοντας έτσι τουλάχιστον το μισό εύρος του διαύλου για τον επεξεργαστή Συναλλαγές DMA Μετά από ένα γεγονός, το περιφερειακό στέλνει μια αίτηση στον ελεγκτή DMA. Ο ελεγκτής εξυπηρετεί την αίτηση ανάλογα με την προτεραιότητα του καναλιού. Μόλις ο DMA αποκτήσει πρόσβαση στο περιφερειακό, ένα σήμα Acknowledge στέλνεται στο περιφερειακό από τον ελεγκτή DMA. Τότε το περιφερειακό σταματάει την αίτηση. Μόλις η αίτηση σταματήσει από το περιφερειακό, ο DMA σταματάει το σήμα Acknowledge. Αν υπάρχουν περισσότερες αιτήσεις το περιφερειακό μπορεί να ξεκινήσει την επόμενη μεταφορά. Συνοψίζοντας τα παραπάνω, κάθε μεταφορά DMA αποτελείται από τρεις ενέργειες: Τη φόρτωση των δεδομένων από τον peripheral data register ή την διεύθυνση μνήμης Την αποθήκευση των δεδομένων Την μείωση του DMA_CBDTRx register, που περιέχει τον αριθμό των συναλλαγών που απομένουν ακόμα να εκτελεστούν. 87

88 6.8.5 Ο κριτής Ο κριτής του DMA διαχειρίζεται τις αιτήσεις των καναλιών ανάλογα με την προτεραιότητά τους και ξεκινά την αλληλουχία πρόσβασης στο περιφερειακό ή την μνήμη. Οι προτεραιότητες διαχειρίζονται σε 2 φάσεις: Λειτουργικό: η προτεραιότητα κάθε καναλιού μπορεί να ρυθμιστεί στον DMA_CCRx register. Υπάρχουν 4 επίπεδα προτεραιότητας: o Πολύ υψηλή o Υψηλή. o Μεσαία o Χαμηλή Υλικό: αν 2 αιτήσεις έχουν το ίδιο επίπεδο προτεραιότητας, το κανάλι με την χαμηλότερο νούμερο θα έχει προτεραιότητα έναντι του καναλιού με το υψηλότερο νούμερο. Για παράδειγμα το κανάλι 2 έχει προτεραιότητα έναντι του καναλιού 4. Επίσης ο ελεγκτής DMA1 έχει προτεραιότητα έναντι του DMA Κανάλια DMA Κάθε κανάλι μπορεί να χειριστεί μεταφορές μεταξύ ενός περιφερειακού register, που βρίσκεται σε συγκεκριμένη διεύθυνση, και μιας θέσης μνήμης. Η ποσότητα των δεδομένων που θα μεταφερθεί μπορεί να προγραμματιστεί. Ο καταχωρητής που περιέχει το πλήθος των στοιχείων που πρόκειται να μεταφερθούν μειώνεται μετά από κάθε συναλλαγή. Το μέγεθος των δεδομένων προς μεταφορά από το περιφερειακό και τη μνήμη προγραμματίζονται πλήρως μέσω των bit PSIZE, MSIZE του DMA_CCRx register. Οι pointers των περιφερειακών και της μνήμης μπορούν προαιρετικά να αυξηθούν αυτόματα μετά από κάθε συναλλαγή ανάλογα τα PINC, MINC bits στον DMA_CCRx register. Αν είναι ενεργοποιημένη η λειτουργία αύξησης, η διεύθυνση της επόμενης μεταφοράς θα είναι η διεύθυνση της προηγούμενης αυξημένη κατά 1,2 ή 4 ανάλογα το επιλεγμένο μέγεθος δεδομένων. Για την ρύθμιση των καναλιών πρέπει να ακολουθείται η παρακάτω διαδικασία: Αποθηκεύεται η διεύθυνση του περιφερειακού στον DMA_CPARx register. Τα δεδομένα θα μεταφερθούν από αυτή τη διεύθυνση στη μνήμη μετά το γεγονός του περιφερειακού (peripheral event). Αποθηκεύεται η διεύθυνση της μνήμης στον DMA_CMARx register. Τα δεδομένα θα γραφτούν ή θα διαβαστούν από τη μνήμη με το γεγονός του περιφερειακού. Ρύθμιση του συνολικού αριθμού των δεδομένων που θα μεταφερθούν στον DMA_CNDTRx register. Μετά από κάθε γεγονός περιφερειακού, η τιμή αυτή θα μειωθεί. Ρύθμιση της προτεραιότητας του καναλιού με χρήση των bits PL[1:0] στον DMA_CCRx register. Ρύθμιση της κατεύθυνσης των δεδομένων, κυκλική λειτουργία, λειτουργία αύξησης για το περιφερειακό και τη μνήμη, μέγεθος δεδομένων για το περιφερειακό και τη μνήμη, και διακοπή ύστερα από μεταφορά μισού ή και ολόκληρου του buffer στον DMA_CCRx register. Ενεργοποίηση του καναλιού ενεργοποιώντας το bit ENABLE στον DMA_CCRx register. Μόλις το κανάλι ενεργοποιηθεί, μπορεί να εξυπηρετήσει οποιαδήποτε αίτηση του DMA από το περιφερειακό που βρίσκεται συνδεδεμένο με το κανάλι. Όταν τα μισά bytes έχουν μεταφερθεί, η σημαία half-transfer (HTIF) σηκώνεται και γεννιέται μια διακοπή αν το half transfer interrupt enable bit είναι set. Στο τέλος της μεταφοράς, σηκώνεται η σημαία transfer complete (TCIF) και γεννιέται μια διακοπή αν το transfer complete interrupt enable bit είναι set. 88

89 Υπάρχει διαθέσιμη κυκλική λειτουργία για την διαχείριση κυκλικών buffer και συνεχόμενης ροής δεδομένων. Αυτή η δυνατότητα ενεργοποιείται θέτοντας το CIRC bit στον DMA_CCRx register. Τα κανάλια DMA μπορούν ακόμη να λειτουργήσουν χωρίς αίτηση από κάποιο περιφερειακό. Η λειτουργία αυτή ονομάζεται από μνήμη σε μνήμη. Αν το bit MEM2MEM είναι set στον DMA_CCRx register, τότε το κανάλι ξεκινά μεταφορές μόλις ενεργοποιηθεί από το software μέσω του ENABLE bit (EN) στον DMA_CCRx register. Η λειτουργία από μνήμη σε μνήμη δεν πρέπει να χρησιμοποιείται ταυτόχρονα με την κυκλική λειτουργία Διαχείριση σφαλμάτων Ένα σφάλμα κατά τη μεταφορά με DMA μπορεί να προκύψει λόγω ανάγνωσης ή εγγραφής σε μια δεσμευμένη θέση μνήμης. Όταν προκύψει ένα σφάλμα, το κανάλι απενεργοποιείται αυτόματα μέσω του υλικού. Μία σημαία που υποδεικνύει ότι προέκυψε κάποιο σφάλμα σηκώνεται και μια διακοπή γεννιέται αν το αντίστοιχο bit είναι set Διακοπές Μια διακοπή μπορεί να γεννηθεί σε half transfer, transfer complete, transfer error για κάθε κανάλι DMA. Καθεμία έχει ανεξάρτητα bit ενεργοποίησης για ευελιξία DMA registers DMA interrupt status register (DMA_ISR) DMA interrupt flag clear register (DMA_IFCR) DMA channel x configuration register (DMA_CCRx) DMA channel x number of data register (DMA_CNDTRx) DMA channel x peripheral address register (DMA_CPARx) DMA channel x memory address register (DMA_CMARx) 6.9 Serial Peripheral Interface (SPI) Στην παρούσα διπλωματική η διεπαφή σειριακής επικοινωνίας χρησιμοποιήθηκε για την επικοινωνία με την κάρτα SD και την αποθήκευση δεδομένων από την δειγματοληψία της τάσης στην φωτοδίοδο. Επομένως, πληροφορίες για το SPI και αναλυτική περιγραφή του τρόπου λειτουργίας και επικοινωνίας με την κάρτα SD υπάρχουν στο κεφάλαιο για τις κάρτες SD. 89

90 7 Περιβάλλον ανάπτυξης Ως περιβάλλον ανάπτυξης επιλέχθηκε το CoIDE. Το CoIDE είναι ένα ενοποιημένο περιβάλλον ανάπτυξης, που εστιάζει σε μικροελεγκτές με τους επεξεργαστές Cortex M0,0+,3,4. Είναι μια έκδοση που αποτελεί υποσύνολο του Eclipse + GCC tool chain ειδική για την ανάπτυξη ενσωματωμένων συστημάτων. 7.1 Περιγραφή λειτουργίας Το σύστημα έχει 4 καταστάσεις. Την κατάσταση ύπνου, την κατάσταση ρυθμίσεων, την κατάσταση κανονικής λειτουργίας και την κατάσταση σφάλματος. Ξεκινά σε sleep mode. Υπάρχει ένας μόνο τρόπος για να βγει από την κατάσταση ύπνου, να μπει η φωτοπαγίδα στο νερό. Μόλις η φωτοπαγίδα βραχεί, βραχυκυκλώνεται μια επαφή και γεννιέται μια διακοπή. Το σύστημα περιμένει αυτήν την διακοπή για να μπει σε λειτουργία. Μόλις την ανιχνεύσει, περνάει στην κατάσταση ρυθμίσεων. Στην κατάσταση ρυθμίσεων το σύστημα τροφοδοτεί και ρυθμίζει όλα τα περιφερειακά που θα του είναι χρήσιμα στην κατάσταση κανονικής λειτουργίας. Ρυθμίζει, επομένως, την κάρτα SD, το ρολόι του επεξεργαστή και του ADC, τις διακοπές (NVIC), τα κανάλια input για τον ADC και τα κανάλια output για τα LED ισχύος και τα LED χαμηλής ισχύος, το DMA, και το ADC. Μόλις ολοκληρωθούν οι ρυθμίσεις, περνάει στην κατάσταση κανονικής λειτουργίας. Αν υπάρξει κάποιο σφάλμα περνάει στην κατάσταση σφάλματος. Στην κατάσταση κανονικής λειτουργίας, το σύστημα ξεκινά με τον έλεγχο του περιβάλλοντος φωτός. Μια στάθμη καθορίζει την μέρα από την νύχτα. Επομένως το σύστημα λαμβάνει μια τιμή από τον ADC και αν αυτή τιμή είναι χαμηλότερη της στάθμης σημαίνει πως έχουμε νύχτα και άρα ξεκινά η δειγματοληψία, αν η τιμή είναι υψηλότερη ή ίση, σημαίνει πως έχουμε μέρα και άρα ο έλεγχος επαναλαμβάνεται. Μια καθυστέρηση δέκα λεπτών εφαρμόζεται σε κάθε επανάληψη. Στην περίπτωση που η μέτρηση δείξει νύχτα, το σύστημα ξεκινά την λειτουργία δειγματοληψίας. Ανάβουν τα LED ισχύος. Εφαρμόζεται καθυστέρηση 100 ms. Σβήνουν τα LED ισχύος. Ανάβει το LED χαμηλής ισχύος. Εφαρμόζεται καθυστέρηση 5 ms. Ακολουθεί μέτρηση της τάσης της φωτοδιόδου. Σβήνουν τα LED χαμηλής ισχύος. Εφαρμόζεται ξανά καθυστέρηση 5 ms. Ακολουθεί μέτρηση του περιβάλλοντος φωτός. Εξετάζεται αν πρέπει να γίνει αποθήκευση στην κάρτα SD λόγω μισογεμάτου ή γεμάτου buffer. Εξετάζεται αν η τιμή του περιβάλλοντος φωτός που μετρήθηκε αντιστοιχεί σε μέρα ή σε νύχτα. Στην κατάσταση σφάλματος, το LED χαμηλής ισχύος αναβοσβήνει με περίοδο 0,5 sec. για να δηλώσει την παρουσία σφάλματος. 90

91 7.2 Διάγραμμα καταστάσεων Αρχή Επανεκκίνηση Error state Σφάλμα Sleep state Μπαίνει στο νερό Configuration state Σφάλμα Τέλος Απενεργοποίηση Normal state 91

92 7.3 Διάγραμμα ροής Normal state Μέτρηση περιβάλλοντος φωτός Όχι = μέρα Τιμή φωτός < στάθμη Ναι = νύχτα LED ισχύος ON Καθυστέρηση 100ms LED ισχύος OFF LED χαμηλής ισχύος ON Καθυστέρηση 5ms LED χαμηλής ισχύος OFF Καλείται η συνάρτηση αποθήκευσης στην κάρτα SD Καθυστέρηση 5ms Μέτρηση περιβάλλοντος φωτός 92

93 7.4 Λειτουργία προγράμματος Καταστάσεις λειτουργίας Οι καταστάσεις λειτουργίας χρησιμοποιούνται από τη main για τη λειτουργία του συστήματος σε επίπεδα καταστάσεων. Αυτές περιγράφονται ως enumeration στο αρχείο machinestates.h: Main 93

94 Η λειτουργία της main του προγράμματος έχει περιγραφεί παραπάνω. Σκοπός της είναι η λειτουργία του συστήματος σε επίπεδα καταστάσεων EXTI Για την ενεργοποίηση του εξωτερικού interrupt χρησιμοποιείται η γραμμή 0 του ΕΧΤΙ που συνδέουμε με το wake-up button της συσκευής. Για τον επεξεργαστή μας, το wakeup button είναι συνδεδεμένο με το pin0 του GPIOA. Αυτό το Pin θα είναι συνδεδεμένο με το ανοιχτό κύκλωμα της εξωτερικής αντίστασης και της τροφοδοσίας 3.3Volt, έτσι μόλις βραχεί θα βραχυκυκλώσει και στο pin0 θα εφαρμοστεί τάση. Τη ρύθμιση της γραμμής ως είσοδο και την ενεργοποίηση του interrupt αναλαμβάνει η συνάρτηση EXTI0_Config(). 94

95 Η συνάρτηση ενεργοποιεί το GPIOA, ρυθμίζει το pin0 ως είσοδο, συνδέει την γραμμή ΕΧΤΙ με το pin0 και ρυθμίζει τις απαραίτητες παραμέτρους. Η συνάρτηση NVIC_EXTI0_config(), ενεργοποιεί την διακοπή. 95

96 Και τελικά ο EXTI0_IRQHandler διαχειρίζεται την διακοπή. Όταν ανιχνευτεί η διακοπή στη γραμμή 0, ο έλεγχος του προγράμματος μεταφέρεται στην συνάρτηση EXTI0_IRQHandler. Γίνεται έλεγχος για την προέλευση της διακοπής. Καθαρίζεται το bit της γραμμής 0 και η κατάσταση του συστήματος αλλάζει σε ConfigurationState για να ρυθμίσει το σύστημα όλα τα περιφερειακά που του είναι απαραίτητα Ρυθμίσεις περιφερειακών Στην κατάσταση ConfigurationState το σύστημα ρυθμίζει και εκκινεί τα περιφερειακά που του είναι απαραίτητα. Την λειτουργία αυτή εκτελεί η συνάρτηση Sys() Με τη σειρά ρυθμίζονται: η κάρτα SD το ρολόι του συστήματος και του ADC οι απαραίτητες διακοπές το pin2 του GPIOA ως είσοδος (για το ADC) το pin12 του GPIOC ως έξοδος, για το LED χαμηλής ισχύος. το pin9,10 του GPIOA και το Pin8 του GPIOB ως έξοδος, για τα LED ισχύος το κανάλι 1 του DMA1 για το ADC1 ο ADC MmcDiskInit() Η συνάρτηση MmcDiskInit() εκκινεί το SPI και την κάρτα SD και αποθηκεύει τις πληροφορίες της κάρτας στο struct MmcDskCtrlBlk. Στην περίπτωση που παρουσιαστεί κάποιο σφάλμα κατά την εκκίνηση της κάρτας, ή κάποιο σφάλμα δεδομένων, ή η κάρτα απουσιάζει από την υποδοχή, η 96

97 συνάρτηση MmcInitMedia() δεν θα επιστρέψει MmcOk και η κατάσταση του συστήματος θα αλλάξει σε ErrorState RCC_Configuration() Για τη ρύθμιση του ρολογιού συστήματος, χρησιμοποιείται το HSE για ρολόι, οπότε το ρολόι του συστήματος έχει συχνότητα 8ΜHz. Το HCLK ρυθμίζεται στα 8/16 = 0,5 MHz. To PCLK2 στα 0.5/2 = 0.25 MHz. Και τελικά το ρολόι του ADC στα 0,25/6 = KHz. 97

98 NVIC_Configuration() Η NVIC_Configuration, ρυθμίζει και ενεργοποιεί το interrupt του DMA GPIO_Configuration και GPIO_ConfigurationLED Οι συναρτήσεις αυτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη ρύθμιση οποιουδήποτε pin ως είσοδο ή ως έξοδο. Οπότε για το Pin του ADC χρησιμοποιείται η πρώτη, που δέχεται ως είσοδο: το Pin, την λειτουργία του, την ταχύτητά του, και σε ποιο περιφερειακό GPIO βρίσκεται. Ενώ για τα 98

99 LEDς χρησιμοποιείται η δεύτερη που έχει τα ίδια ορίσματα αλλά μετά την ενεργοποίηση του Pin, ακολουθεί ένα OR για να σβήσει το LED που μόλις άναψε DMA1_Configuration Η συνάρτηση αυτή μπορεί ουσιαστικά να χρησιμοποιηθεί για την ρύθμιση και ενεργοποίηση οποιουδήποτε καναλιού DMA. Έχει ορίσματα: το κανάλι του DMA προς ενεργοποίηση, το μέγεθος του buffer (σε θέσεις), τον buffer, και την διεύθυνση του περιφερειακού (ADC1). Η συνάρτηση ορίζει τις απαραίτητες παραμέτρους για το κανάλι του DMA, τον κυκλικό buffer, και την μνήμη που αυτό θα χρησιμοποιεί σε HalfWord. Τέλος ενεργοποιεί το κανάλι του DMA, και τα interrupt του μισογεμάτου και γεμάτου buffer ADC1_Configuration Η συνάρτηση αυτή έχει στόχο την ενεργοποίηση του ADC1 για ανεξάρτητη, μεμονωμένη δειγματοληψία. Ορίζεται 1 κανάλι μόνο προς δειγματοληψία με αύξηση των δεδομένων προς τα δεξία. Στόχος ήταν η τελική συχνότητα να είναι 1KHz. Το κανάλι 2 που συνδέεται στο ADC1 έχει περίοδο 41,5 κύκλους. Το ρολόι του ADC είναι 41,66 KHz. Αυτό σημαίνει T CONV = = KHz 41.5 (πολύ καλή προσέγγιση). 99

100 DMA1_Channel1_IRQHandler Για κάθε ενεργοποιημένη διακοπή είναι απαραίτητη η διαχείρισή της. Ο DMA1_Channel1_IRQHandler διαχειρίζεται τις διακοπές που έρχονται από τον DMA. Στην περίπτωση που ο DMA έχει γράψει στον μισό buffer, η σημαία dataready γίνεται 1 και όταν κληθεί η συνάρτηση αποθήκευσης στην κάρτα SD αποθηκεύεται το πρώτο μισό του buffer. Αν ο DMA έχει γράψει μέχρι το τέλος του buffer η σημαία dataready γίνεται 2 και όταν κληθεί η συνάρτηση αποθήκευσης στην κάρτα SD αποθηκεύται το δεύτερο μισό του buffer. 100

101 7.4.5 Operate() Η συνάρτηση operate είναι ουσιαστικά η κεντρική λειτουργία της φωτοπαγίδας. Μόλις ο έλεγχος μεταφερθεί στη συνάρτηση αυτή, ανάβουν τα LED ισχύος, σβήνουν, ανάβει το LED χαμηλής ισχύος, λαμβάνεται η μέτρηση και σβήνει το LED χαμηλής ισχύος. Ύστερα ο έλεγχος μεταφέρεται ξανά στη main για τη μέτρηση του φωτός περιβάλλοντος.. 101

102 7.4.6 SaveBlockToSD() Η συνάρτηση αυτή σκοπό έχει κατά την κλήση της να ελέγξει αν η εγγραφή των δεδομένων από το DMA στον buffer έφτασε στη μέση του buffer ή στο τέλος ελέγχοντας την μεταβλητή dataready. Στην περίπτωση που κάποιο από τα δυο έχει συμβεί, γράφει το αντίστοιχο κομμάτι στην κάρτα SD. 102

103 8 APPENDIX 1 Στον επόμενο πίνακα φαίνονται ανά κατηγορίες, η φωτεινότητα που έχει το LED σε αντιστοιχία με το ρεύμα που περνά για κάθε τιμή αυτής, η τάση της διόδου σε αντιστοιχία με το ρεύμα που περνά για κάθε τιμή αυτής, η τάση ανάστροφης πόλωσης. 8.1 Φασματική Κατανομή Λευκού Φωτός I F =350mA, T j =85 o C 103

104 8.2 Χαρακτηριστική ρεύματος φωτεινότητας T j =85 o C 8.3 Χαρακτηριστική τάσης ρεύματος T j =85 o C 104

105 8.4 Χαρακτηριστική θερμοκρασίας φωτεινότητας I F =350mA 8.5 Χαρακτηριστική θερμοκρασίας τάσης I F =350mA 105

106 8.6 Γωνία εκτροπής φωτός. I F =350mA, T j =25 o C 106