ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA Katedra výkonových elektrotechnických systémov DIPLOMOVÁ PRÁCA TEXTOVÁ ČASŤ 2006 Peter Jeck
DIPLOMOVÁ PRÁCA 2 Diplomová práca Priezvisko a meno: Jeck Peter Rok: 2006 Názov diplomovej práce: Návrh virtuálneho osciloskopu s mikropočítačom AVR a USB portom Fakulta: Elektrotechnická Katedra: Výkonových elektrotechnických systémov Počet strán: 47 Počet obrázkov: 31 Počet tabuliek: 4 Počet grafov: 0 Počet príloh: Počet použ. lit.: 6 Anotácia v slovenskom jazyku: Moja diplomová práca sa zaoberá návrhom virtuálneho osciloskopu s použitím mikropočítača Atmel AVR, ktorý komunikuje s počítačom cez USB port. Ako konvertor USB a TTL je použitý obvod FT232BM a napájanie celého obvodu je navrhnuté na 9V batériu. Anotácia v anglickom jazyku: My Master Thesis deals to design of virtual osciloskope cooperating with microcomputer Atmel AVR. This microcomputer communicates with PC by using USB interface. FT232BM integrated circuit serves as converter from USB to TTL. Whole design uses 9V battery as a power source. Kľúčové slová: USB, mikrokonvertor, analógový osciloskop, digitálny osciloskop, mikrokontrolér, register. Vedúci diplomovej práce: Ing. Viktor Bobek Konzultant diplomovej práce: Recenzent diplomovej práce: Dátum: 19. 5. 2006
DIPLOMOVÁ PRÁCA 3 OBSAH Zoznam použitých skratiek a symbolov... 5 Úvod... 6 1.Princíp činnosti USB a jeho komunikácia... 7 1.1 Konektory...7 1.2 Rýchlosť a prenos dát...7 1.3 Rozpoznávanie zariadenia...9 2.Princíp činnosti osciloskopov... 11 2.1 Analógový osciloskop...11 2.1.1 Vertikálna cesta signálu...12 2.1.2 Spúšťací obvod...13 2.1.3 Horizontálna cesta signálu...14 2.2 Digitálny osciloskop...16 2.2.1 Spôsoby digitalizácie...18 2.2.2 Vzorkovanie v reálnom čase...18 2.2.3 Opakované (periodické) vzorkovanie...19 2.2.4 Náhodné opakované vzorkovanie...19 2.2.5 Postupné vzorkovanie...19 2.3 Dvojitá časová základňa...20 3.Návrh a popis schémy zapojenia virtuálneho osciloskopu... 22 3.1 Riešenie pre virtuálny osciloskop...22 3.1.1 Napäťový delič...22 3.1.2 Analógový multiplex...23 3.1.3 Operačný zosilňovač...24 3.1.4 Mikrokontrolér Amega16...25 3.2 Komunikácia osciloskopu z PC...26 3.2.1 Optočleny...26 3.2.2 Obvod FT232BM...27 3.2.3 Pripojenie oscilátora...29 3.2.4 Pripojenie EEPROM...30
DIPLOMOVÁ PRÁCA 4 3.2.5 Napájanie aplikácie z USB zbernice a z vlastného zdroja...31 3.2.6 Indikačné LED...32 3.3 Napájanie osciloskopu...33 3.4 Pomocný zdroj pre operačné zosilňovače...34 4.Návrh a popis programu pre mikropočítač AVR... 35 4.1 Prerušenie USART...37 4.1.1 Typická prenosová rýchlosť...37 4.1.2 Parita...38 4.2 Prerušenie časovača 0...39 4.3 Prerušenie AD prevodníka...40 5.Návrh a popis programu pre PC... 42 Záver... 44 Zoznam použitej literatúry... 47
DIPLOMOVÁ PRÁCA 5 Zoznam použitých skratiek a symbolov USB NRZI SIE A/D Uref PC ISP USART CPU PWM - Universal Serial Bus - Non Return To Zero - Serial Interface Engine - Analod/Digital - Referenčné napätie - Počítač - In System Programer - Universal Synchronous and Asynchronous Receiver and Transmitter - Central Procesor - Pulse Width Modulation
DIPLOMOVÁ PRÁCA 6 Úvod Klasický osciloskop má za sebou dlhú, asi sedemdesiat ročnú históriu. Číslicové digitálne osciloskopy vznikli neskôr, keď sa už zdalo, že analógové osciloskopy dosiahli medze svojich možností a nemôžu byť využité v nových aplikáciách elektroniky, hlavne v impulzovej technike a technike využívajúcej vysoké frekvencie. Nevýhody analógových osciloskopov sa v praxi prejavovali napr. že na osciloskope sa nepodarilo zachytiť krátky, nepravidelne vyskytujúci sa rušivý impulz a zároveň mal byť zaznamenaný kamerou. Kým sa podarí získať obrázok, priebeh z tienidla zmizne. Analógový osciloskop je určite jeden z najdôležitejších meracích prístrojov a v minulosti nemal konkurenciu. Tá sa však objavila v podobe digitálneho osciloskopu, ktorý pracuje na novom, odlišnom princípe a svojimi možnosťami vo veľkom množstve aplikácií svojho predchodcu prekoná. Úvodom je treba povedať, že analógový osciloskop má svoje pevné postavenie medzi elektronickými meracími prístrojmi a pre určité účely je stále jeho využitie optimálne. Každý z obidvoch druhov číslicový i analógový osciloskop má svoje výhody aj nevýhody. V mojej práci sa budem zaoberať iba digitálnym osciloskop. Mojou úlohou je skonštruovať virtuálny osciloskop s mikropočítačom AVR a USB portom. Jedná sa o zariadenie, ktoré bude mať na vstupe 4 rôzne rozsahy meraní, ďalej budú hodnoty zo vstupu spracované v A/D prevodníku, ktorý bude vysielať už digitálne hodnoty do mikroprocesora. Mikroprocesor Amega16 bude komunikovať s počítačom cez rozhranie virtuálneho COM3, ktorého rozhranie medzi USB a RS232 tvorí obvod FT232BM. Prijímané dáta zo zariadenia budú spracovávané v počítači a následne uložené do súboru.
DIPLOMOVÁ PRÁCA 7 1.Princíp činnosti USB a jeho komunikácia Na úvod sa treba najskôr oboznámiť zo zariadením USB, čo to vlastne je, jeho parametre, prenos dát, použitie a rôzne iné špecifické vlastnosti. 1.1 Konektory USB je sériová zbernica, dáta sa teda prenášajú po jednotlivých bitoch a to diferenčne (rozdielovo). Napäťové úrovne sú v rozsahu 0 až 3,3 V. USB konektor obsahuje iba 4 vývody. Poznáme 2 typy konektorov: typ A a B. Číslo vývodu Význam 1 +5 V (U CC ) 2 Dáta + (prijímané) 3 Dáta - (vyslané) 4 GND (zem) typ A typ B Obr. 1.1 USB konektory Konektorom typu A je vybavený počítač. Zariadenia, ktoré sa pripojujú k počítaču obsahujú zase konektor typu B, a spájajú sa káblom typu A-B. Veľmi zriedka sa používa kábel typu A-A. Obvykle sa používa na spojenie dvoch počítačov, avšak treba na to špeciálny hardware ale aj základnú dosku. [1] 1.2 Rýchlosť a prenos dát USB zariadenie pracuje vo verzii 1.1 a vo verzii 2.0. Oba typy sa líšia prenosovými rýchlosťami. Tab. 1.1 Štandardy USB a prenosové rýchlosti Rýchlosť Prenosový výkon Štandard Low Speed 1,5 Mb/s USB 1.1 Full Speed 12 Mb/s USB 1.1 High Speed 480 Mb/s USB 2.0
DIPLOMOVÁ PRÁCA 8 Tieto prenosové výkony platia iba pre jedno zariadenie. Akonáhle je k počítaču pripojených viac zariadení, šírka pásma sa rozdeľuje medzi jednotlivé zariadenia. Na to aby sme vedeli či máme pripojené zariadenie, pripojujeme tzv. pull-up rezistor. - Low Speed zariadenie pripojuje pull-up rezistor 1,5 kω medzi D- a 3,3 V, - Full Speed zariadenie pripojuje pull-up rezistor 1,5 kω medzi D+ a 3,3 V, - High Speed zariadenie je podobné ako Full Speed, ibaže zmena rýchlosti sa rieši programovo. Dáta od zariadenia požaduje iba počítač. Nemôže sa stať, že zariadenie samo od seba začne vysielať. Prenos dát je vysielaný po paketoch o dĺžke 8 až 64 bajtov. Celý prenos dát sa uskutočňuje po intervaloch o dĺžke 1 ms. Vo vnútri týchto intervalov môžu byť spracované pakety pre rôzne zariadenia s rôznymi rýchlosťami. Ak sú vyslané pakety z rôznych zariadení naraz, tak rozdelenie paketov zaisťuje rozbočovač tzv. hub, ktorý slúži na to aby sa rýchle signály nedostali do slabších zariadení. Hub sa vlastne používa na pripojenie viacerých zariadení na jeden port. Každý hub a jeho kábel zvyšuje oneskorenie signálu. Preto sa môže maximálne zapojiť 7 hubov a maximálne 127 zariadení. Hub tiež zásobuje pre zariadenie napájacie napätie. Pri štarte môže každé USB zariadenie odoberať maximálne 100mA. Huby poznáme koreňové a externé. Keďže USB zariadenie má všetky 4 linky obsadené a nemá žiadnu ďalšiu linku pre hodinový signál, tak hodiny prenosu sa získavajú priamo z dátového signálu. K tomu sa používa metóda NRZI (Non Return To Zero). Čiže nuly v dátach vedú k zmene úrovne, jednotky nechávajú úroveň nezmenenú. nečinnosť Dáta 0 0 0 0 1 1 0 1 Obr. 1.2 NRZI kódovanie NRZI Prijímač musí získať hodinový signál, prijať a detekovať dáta. Vysielač zase musí udržovať synchronizáciu. Teda ak pôvodný dátový tok má šesť po sebe idúcich 1, pridá vysielač automaticky jednu 0, preto aby sa vynútila zmena úrovne. Táto operácia je potrebná na obnovenie hodinového signálu. Tomu hovoríme bit-stuffing.
DIPLOMOVÁ PRÁCA 9 Ide teda o vsúvanie bitov. Prijímač však túto nadbytočnú 0 odstráni (bit-unstuffing). USB vysielač a prijímač sa vždy vyskytujú spoločne. Zariadenie ďalej obsahuje jednotku SIE (Serial Interface Engine). K výmene dát medzi SIE a zbytkom zariadenia slúžia buffery, to sú tzv. vyrovnávacie pamäte FIFO. Jedná sa o pamäte, ktoré sú schopné postupne prijímať a vysielať dáta. Teda z FIFO sa vysielajú údaje v takom poradí, v akom boli zapísane vysielačom, a čítajú sa prijímačom v takom poradí, v akom boli prijaté. Pamäť FIFO vie vzájomne zladiť rozdielne rýchlosti USB zbernice s USB zariadenia. Zariadenie USB obsahuje viacej pamätí FIFO, prostredníctvom ktorých je možné prenášať dáta. K adrese zariadenia sa naviac pridáva adresa tzv. koncového bodu (endpoint). Táto adresa nám slúži na to, kam sa dáta majú ukladať alebo odkiaľ sa majú vyberať. USB programy tvoria tzv. trubice (pipes) k jednotlivým koncovým bodom. Jedna trubica vlastne predstavuje kanál k jednému endpointu v jednom zariadení. Keďže jedno zariadenie môže naraz používať viacej trubíc, prenosová rýchlosť potom narastá. USB má definované 4 typy prenosu dát: - Riadiaci prenos používa sa na riadenie hardware, prenosová rýchlosť je vysoká, na jeden dotaz prenesie až 64 bajtov. - Prenos cez prerušenie používa zariadenie, ktoré periodicky vysiela menšie množstvo dát ( napr. myš alebo klávesnica). Počítač sa periodicky dotazuje na nové dáta ( každých 10ms), na jeden dotaz sa prenesie presne 8 bajtov. - Hromadný prenos používa sa na prenos veľkého množstva dát zo zabezpečením. Keďže priorita prenosu je nízka, tento typ nie je vhodný pre časové kritické operácie. Jeho typické využitie sa uplatňuje pri použití tlačiarne alebo skenera. - Izochronný prenos je určený pre prenos veľkého množstva dát definovanou rýchlosťou bez ich zabezpečenia. [1] 1.3 Rozpoznávanie zariadenia Každé USB zariadenie, ktoré pripojíme, musí byť automaticky rozpoznané operačným systémom pretože USB podporuje Plug&Play.
DIPLOMOVÁ PRÁCA 10 Po pripojení zariadenia sa operačný systém spýta na parametre USB zariadenia. To kvôli tomu, aby bol k nemu vybraný správny ovládač. Ten sa vo väčšine inštaluje hneď pri prvom pripojení. Potom je zariadenie ohlásené a získa svoju zbernicovú adresu. Vyčítanie parametrov (Enumerácia) zo zariadení spočíva v tom, že operačný systém sa informuje novo pripojeného zariadenia na určité parametre vo forme tzv. deskriptorov (presne definovaných blokov dát). Hub rozpozná pripojenie nového zariadenia tak, že dôjde k zdvihnutiu linky D+ alebo D-. Potom sa uskutočňujú nasledovné kroky: 1) Hub informuje hostiteľský počítač, že je pripojené nové zariadenie, 2) tento počítač sa pýta hubu, na ktorý port je zariadenie pripojené, 3) počítať už vie, na ktorý port je zariadenie pripojené a tento port aktivuje a urobí reset USB zbernice, (nulovací signál) 4) hub vyvolá USB reset o dĺžke 10ms a uvolní pre zariadenie prúd 100mA. Jednotka SIE vyvolá následne reset mikrokontroléru a tak je zariadenie pripravené, 5) potom ako zariadenie obdrží novú zbernicovú adresu, počítač si pomocou tejto novej zbernicovej adresy načíta všetky informácie obsiahnuté v dekriptori zariadenia. 6) počítač priradí zariadeniu jednu z možných konfigurácii a zariadenie potom môže odoberať toľko prúdu, koľko je stanovené v aktivovanom konfiguračnom dekriptori. Zariadenie je tak pripravené k použitiu.
DIPLOMOVÁ PRÁCA 11 2.Princíp činnosti osciloskopov Osciloskop je prístroj, ktorý umožňuje na tienidle obrazovky pozorovať priebeh elektrického napätia v čase alebo vzájomnú závislosť dvoch alebo viacerých priebehov napätí. Osciloskop nám poskytuje hneď niekoľko informácií o signále a to - tvar, frekvenciu, periódu, amplitúdu, fázu signálu a iné ( prítomnosť alebo neprítomnosť jednosmernej zložky v signále atď.) Osciloskopy delíme na analógové a číslicové ( digitálne ) pracujúce v reálnom čase a s opakovaným vzorkovaním. Ďalšie delenie súvisí s možnosťou sledovať jeden alebo viac signálov súčasne na obrazovke osciloskopu. Na sledovanie dvoch signálov môžeme použiť dvojlúčový alebo dvojkanálový osciloskop. Dvojlúčový osciloskop ( v súčasnosti zriedkavý ) má obrazovku s dvoma kompletnými vychyľovacími sústavami. Ku každej vychyľovacej sústave je pripojená kompletná elektronika jednolúčového osciloskopu a to horizontálna aj vertikálna časť. Sú to dva osciloskopy v jednom. Dvojkanálový osciloskop používa jednolúčovú obrazovku a na pozorovanie dvoch priebehov sa používa elektronický prepínač. 2.1 Analógový osciloskop Najskôr niečo k analógovému osciloskopu. Ako je vidieť na blokovej schéme (obr.2.1) má analógový osciloskop dve signálové cesty:,,vertikálnu a,,horizontálnu. Obr. 2.1 Bloková schéma analógového osciloskopu
DIPLOMOVÁ PRÁCA 12 Prvá z nich ovplyvňuje vychyľovanie lúča elektrónov v obrazovke a tým aj stopy na jej tienidle vo vertikálnom smere v závislosti na priebehu napätia meraného vstupného signálu.,,horizontálna cesta spracováva signál, určujúci okamih spúšťania a časový priebeh pohybu lúča vo vodorovnom smere. Pri bežnom spôsobe zobrazovania je čas zobrazený v smere osi x horizontálne a napätie v smere osi y vertikálne. [6] 2.1.1 Vertikálna cesta signálu Vertikálna časť sa skladá z dvoch vstupných deličov, dvoch predzosilňovačov, prepínača, jedného sumátora a vertikálneho výstupného zosilňovača. Signál, privedený na vstup analógového osciloskopu, je privedený na vstupný delič. Ten sprostredkúva jednak prechod z obvykle veľkej impedancie meracej sondy na pomerne malú impedanciu vertikálneho predzosilňovača a prispôsobuje aj na napätie vstupného signálu na úroveň, vhodnú pre predzosilňovač. Vstupný delič teda slúži na prispôsobenie úrovne vstupného signálu citlivosti zosilňovačov osciloskopu. Je riešený ako kompenzovaný odporový delič napätia. Obr.2.2 a) Kompenzovaný odporový delič, b) tvar signálu na výstupe Kompenzácia je potrebná preto, lebo vstup zosilňovača osciloskopu má parazitnú kapacitu C P a s rezistormi R 1, R 2 deliča tvorí integračný článok a ten potláča signály s vysokými frekvenciami. Tento pokles amplitúdy vieme vykompenzovať zapojením kapacity C K. Veľkosť tejto kapacity nemôže byť ľubovoľná. Musí platiť rovnosť časových konštánt R 1.C K = R 2.C P.
DIPLOMOVÁ PRÁCA 13 Ak je R 1.C K < R 2.C P, ide o podkompenzovaný delič Ak je R 1.C K < R 2.C P, ide o podkompenzovaný delič Ak je R 1.C K < R 2.C P, ide o podkompenzovaný delič Nastavenie kompenzácie sa robí vždy signálom pravouhlého tvaru, s frekvenciou niekoľko khz. 2.1.2 Spúšťací obvod V osciloskope má spúšťací obvod veľmi dôležitú úlohu (obr. 2.3). Určuje okamih, kedy začína vychyľovanie lúča vo vodorovnom (horizontálnom) smere, a to vo vzťahu k meranému signálu. Ak nie je okamih spúšťania správne zvolený, neobjaví sa žiadny signál na tienidle Obr. 2.3 Voľba okamihu spustenia časovej základne Impulz, ktorý určuje okamih spustenia sa získava tak, že v spúšťajúcom obvode sa porovnávajú okamžité hodnoty napätia buď signálu, privádzaného zo zvláštneho vstupu pre vonkajšie spúšťanie, ktorým je osciloskop vybavený (EXT TRIG), alebo signálu, odoberaného zo vstupného predzosilňovača, ktorý spracováva v osciloskope meraný signál (o zvlášť učeného výstupu pre synchronizáciu ), s napätím nastaveným obsluhou osciloskopu. V okamihu, kedy sú porovnávané napätia rovnaké, je generovaný impulz, ktorý,,odštartuje časovú základňu. Rovnosť úrovní sa ale vyskytuje ako na vzostupnej, tak aj na zostupnej časti priebehu meraného signálu. Väčšina analógových osciloskopov je konštruovaná tak, aby obsluhujúci mohol zvoliť jednu z dvoch možností, ktoré vyplývajú z danej skutočnosti. Okrem okamihu spustenia je treba určiť aj rýchlosť vychyľovania (v časových jednotkách s, ms, µs a pod. na dielik vo vodorovnej osi), ktorá musí byť rovnomerná. Ak je aj zvislé vychyľovanie úmerné
DIPLOMOVÁ PRÁCA 14 meranému napätiu a poznáme rozsah vo zvislom smere, udáva obrázok na tienidle presný časový priebeh signálu. Na blokovej schéme na obr. 2.1 nie sú vo,,vertikálnej ceste signálu zaradené dva bloky, o ktorých zatiaľ nebolo povedané: obvod napájania oneskorovacej linky a oneskorovacia linka ( obr. 2.4). [6] Obr. 2.4 Bloková schéma rešpektujúca oneskorenie signálu Z predchádzajúceho opisu analógového osciloskopu vyplýva, že na správne zobrazenie má vplyv aj prípadné oneskorenie signálu v niektorej z dvoch signálových ciest osciloskopu. Signál je v princípe spomaľovaný všetkými obvodmi, ktorými prechádza. Keďže sa obidve signálové cesty líšia, je aj oneskorenie rôzne. V,,horizontálnej ceste je oneskorenie väčšie, pretože má zložitejšie zapojenie. Preto je do,,vertikálnej cesty zaradený obvod s definovaným, známym oneskorením ( napájací obvod oneskorovacej linky a oneskorovacia linka ). 2.1.3 Horizontálna cesta signálu Signál vonkajšieho spúšťania je z podobných dôvodov, ako u vertikálneho zosilňovača, vedený na delič a odtiaľ na vstup spúšťacieho obvodu (spúšťacím impulzom vznikajúcom v komparátore) je riadený generátor pílovitého priebehu, znázorneného na obr. 2.5. Tento priebeh určuje pohyb lúča obrazovky v horizontálnom smere: minimum napätia zodpovedá ľavej krajnej polohe lúča, maximum zase pravej. Na linearitu vzostupnej časti pílovitého priebehu sa kladú vysoké nároky, pretože bezprostredne ovplyvňuje presnosť merania časových intervalov. U dobrých analógových osciloskopov je chyba linearity menšia ako ± 3 %. [6]
DIPLOMOVÁ PRÁCA 15 Obr. 2.5 Pílovitý priebeh signálu pre horizontálne vychyľovanie Za spúšťacím obvodom v horizontálnej ceste sa nachádza časová základňa. Časová základňa može byť: - voľnobežná - nesynchronizovaná - synchronizovaná - spúšťaná Voľnobežnú časová základňa. charakterizuje prítomnosť lúča na tienidle obrazovky nezávisle na prítomnosti signálu na vstupe osciloskopu. Spúšťanú časovú základňu charakterizuje prítomnosť lúča na obrazovke len keď je na vstupe osciloskopu prítomný signál. Voľnobežná nesynchronizovaná časová základňa sa prejavuje nestabilným, pohybujúcim sa obrazom na tienidle obrazovky v horizontálnom smere. Generátor časovej základne generuje pílu periodicky bez prerušenia. Na obrazovke vidíme veľa fázovo posunutých priebehov pozorovaného vstupného signálu. Samozrejme, každý priebeh je zobrazený novou "pílou." Toto posunutie vzniká preto, lebo kmitočet vstupného signálu nie je celočíselným násobkom kmitočtu píly číslicovej základne. Voľnobežná synchronizovaná číslicová základňa sa prejavuje stabilným, nepohybujúcim sa obrazom na tienidle obrazovky v horizontálnom smere. Toto je dosiahnuté tak, že generátor základne začne generovať pílu len vtedy, ak vstupný signál dosiahne určitú napäťovú úroveň U 01. Z toho vyplýva, že tu existuje čas t 2, kedy je generátor základne blokovaný, negeneruje. Tento režim je akýmsi spojením voľnobežnej nesynchronizovanej a spúšťanej číslicovej základne., pretože pokiaľ nie je na vstupe osciloskopu prítomný signál, generátor základne generuje pílu periodicky, bez prerušenia. Ak je na vstupe osciloskopu signál prítomný, prechádza základňa. do režimu spúšťanej. Režimy voľnobežnej číslicovej základne. sú znázornené na obr.2.6.
DIPLOMOVÁ PRÁCA 16 a) Voľnobežná nesynchronizovaná č.z. b) Voľnobežná synchronizovaná č.z. Obr. 2.6 Režim voľnobežnej číslicovej základne Analógové osciloskopy sú vhodné na meranie periodicky opakujúcich sa priebehov, pretože k tomu, aby bol meraný signál na tienidle obrazovky pozorovateľný, musí sa neustále vykresľovať (obrazovka má krátky dosvit). Existujú aj analógové osciloskopy so špeciálnymi obrazovkami, ktoré boli na obmedzený čas schopné zobrazovať jednorazovo vykreslené priebehy. Tieto osciloskopy sa označovali ako pamäťové. Teraz sú nahradzované digitálnymi osciloskopmi. 2.2 Digitálny osciloskop Digitálny osciloskop je ďalším vývojovým stupňom po analógovom pamäťovom osciloskope. Po dlhoročnom vývoji sa stal analógový pamäťový osciloskop vrcholom možností tejto techniky, predsa však nemohol splniť požiadavky na meranie v určitých oblastiach. Nemôže byť napr. integrovaný do automatických meracích systémov, pretože sa nedajú prenášať dáta do počítača. Jednou z nepríjemností pri analógovom osciloskope je skutočnosť, že získané priebehy môžu byť uchované len určitú dobu. Uvedené nevýhody dali podnet ku konštrukcii digitálnych pamäťových osciloskopov, ktoré umožňujú radu meraní, ktoré sú analógovými osciloskopmi buď neuskutočniteľné, alebo časovo príliš náročné. Digitálne osciloskopy umožňujú teda zobrazovať veľmi pomalé deje, veľmi rýchle deje, robiť rôzne matematické operácie, merania, môžeme ich pripájať k počítačom a údaje získané z nich ďalej spracovať na počítači.
DIPLOMOVÁ PRÁCA 17 Bloková schéme na obr. 2.7 zobrazuje základné funkčné celky digitálneho pamäťového osciloskopu. Ako vidno zo schémy, ide o kombináciu analógového a digitálneho osciloskopu. V režime digitálneho osciloskopu sa informácia o signále získava vzorkovaním - digitalizáciou. Táto digitalizácia sa uskutočňuje v A/D prevodníkoch. Zdigitalizovaná informácia o signále sa zapíše do pamäti, z ktorej sa podľa potreby vyberie tá časť, ktorá nás zaujíma. Z pamäti digitalizovaný signál prechádza cez prevodník D/A, čím získavame opäť analógový ( spojitý ) priebeh pôvodného vstupného signálu, ktorý sa vykreslí na tienidle osciloskopickej obrazovky. Obr. 2.7 Bloková schéma digitálneho osciloskopu Na rozdiel od analógového osciloskopu nie je lúč obrazovky bezprostredne vychyľovaný upraveným signálom. Miesto toho je ale plynulý signál rozložený na diskrétne meracie body vzorky, ktoré sú digitalizované, uložené do pamäti a znovu skladané na rastrovom displeji do celkového obrazu signálu (rekonštrukcia signálu). Technika vzorkovania nie je nová, bola zaužívaná už skôr napr. na digitalizáciu signálu s veľmi vysokým kmitočtom a vo vzorkovacích analógových osciloskopoch. Bola však používaná ako špeciálna doplnková technika v prístrojoch s analógovými vychyľovacími obvodmi a obrazovkami. Digitálny osciloskop v širšom rozsahu sa objavil neskôr preto, lebo ešte nebola dobre prepracovaná technológia pre hromadnú výrobu rýchlych a presných hybridných prevodníkov A/D, tak isto ako neboli k dispozícii integrované obvody pamäte, umožňujúce ukladať do pamäte vstupné dáta tak rýchlo ako sú získavané. [6]
DIPLOMOVÁ PRÁCA 18 2.2.1 Spôsoby digitalizácie Jedným z najdôležitejších parametrov pri digitalizácii analógového signálu je vzorkovací kmitočet vo vzťahu ku kmitočtu digitalizovaného signálu. Podľa Nyguistovej teórii o vzorkovaní platí, že aj keď by sme vzorkovali signál kmitočtom 2f, tak výsledné informácie o kmitočtových zložkách budú iba z prvej periódy, tzn. že namerané údaje obsahujú informácie len v pásme kmitočtu do f. Ak by sme signál vzorkovali dvakrát v priebehu jednej periódy, môže sa líšiť rekonštruovaný signál od pôvodného amplitúdou, fázou alebo kmitočtom. Ak je signál vzorkovaný štyrikrát v priebehu jednej periódy, je k dispozícii viac informácii o priebehu. Môžeme určiť fázu a kmitočet a približne odhadnúť amplitúdu. Avšak nemôžeme určiť, že signál bude trojuholníkový, pravouhlý alebo sínusový. U osciloskopoch zo vzorkovaním v reálnom čase je presnosť rekonštrukcie priebehu určená pomerom vzorkovacieho kmitočtu k šírke pásma. Čím väčší je pomer vzorkovacieho kmitočtu k šírke pásma, tým presnejšie môžeme rekonštruovať originál signálu. Čím nižší je kmitočet signálu, tým väčší je počet vzoriek v perióde a tým presnejšia bude rekonštrukcia. Vstupný signál môžme vzorkovať dvomi spôsobmi: - vzorkovanie v reálnom čase údaje vzoriek sú merané v priebehu jednej periódy meraného signálu - opakované vzorkovanie údaje jednotlivých vzoriek sú merané vo viacerých po sebe idúcich periódach 2.2.2 Vzorkovanie v reálnom čase Pri tomto vzorkovaní prebieha meranie vo vzorkovacích bodoch v priebehu jednej skúmanej periódy. Čím vyšší je vzorkovací kmitočet meraného signálu, tým lepšie odpovedá rekonštruovaný signál originálu. [6] Obr.2.8 Vzorkovanie v reálnom čase
DIPLOMOVÁ PRÁCA 19 2.2.3 Opakované (periodické) vzorkovanie Pri tomto druhu vzorkovania sú body vyberané v niekoľkých po sebe idúcich periódach, preto musí byť meraný signál periodický. Po každom spúšťacom cykle k už získaným bodom pribudne ďalší a tak sa postupne získava presnejší a presnejší obraz priebehu signálu. Keďže nejde o meranie v reálnom čase, čiže všetky body nie sú z jednej periódy, neplatí pri tomto druhu vzorkovania Nyguistova teória. U periodickom vzorkovaní sa rozlišuje medzi náhodným a postupným vzorkovaním. 2.2.4 Náhodné opakované vzorkovanie Pri tomto vzorkovaní (obr. 2.9) sú body meraní určene zvoleným kmitočtom nezávislé na spúšťacom jave. Pre každý vzorkovací bod sa meria jeho časový odstup od spúšťacieho bodu. Tento časový odstup rôzny, z čoho je aj názov náhodné vzorkovanie. Pri rekonštrukcii signálu sú údaje zmeraných bodov usporiadané podľa zmeraných časových odstupov v príslušnom poradí. Pri opakovanom náhodnom vzorkovaní je získaný i priebeh signálu pred bodom spúšťania. 2.2.5 Postupné vzorkovanie Pri postupnom vzorkovaní (obr. 2.10) sa získava v každej perióde údaj jedného bodu. V periódach, nasledujúcich za sebou, je každé odoberanie vzorky o niečo oneskorené. Po odoberaní určitého počtu vzoriek môžme rekonštruovať celý signál. Nedá sa však rekonštruovať priebeh pred spustením. Postupné vzorkovanie umožňuje získať veľmi presne rekonštruovaný obraz priebehu signálu, pretože môže využívať pomerne pomalé prevodníky A/D s príslušne lepším rozlíšením. [6] Obr. 2.9 Náhodné opakované vzorkovanie Obr. 2.10 Postupné vzorkovanie
DIPLOMOVÁ PRÁCA 20 2.3 Dvojitá časová základňa Pomocou nej vieme skvalitniť zobrazenie detailov na sledovanom vstupnom signále, alebo testovať správnosť nastavenia osciloskopu. Dvojitou časovou základňou. sú vybavené kvalitnejšie osciloskopy. Princíp činnosti je vysvetlený podľa obr. 2.11. Obr. 2.11 Časová závislosť v režime dvojitej časovej základne Predpokladáme, že na vstup osciloskopu máme privedený signál u y s detailom "A", ktorý vidíme na prvom grafe na obr. 2.11 a časová základňa pracuje v synchronizovanom režime. Keď vstupný signál dosiahne amplitúdu U 01, začne sa generovať píla u p1. Na obrazovke sa zobrazí časť signálu od "1" po "2". Jas zobrazenej stopy signálu určuje amplitúda impulzu u z1, ktorý je generovaný súčasne s pílou u p1. Na sledovanie detailu "A" použijeme oneskorenú časovú základňu. Jej spustenie ovládame vonkajším ovládacím prvkom, ktorým nastavujeme úroveň U τ. Keď napätie u p1 dosiahne úroveň U τ generuje sa píla u p2 a impulz u z2. Nastavenie okamihu spustenia oneskorenej časovej základne na začiatok detailu "A" je uľahčený tým, že po spustení oneskorenej časovej základne je jas lúča väčší, daný súčtom amplitúd impulzov u z1 a u z2 (u z1 + u z2 ). Po nastavení stačí prepnúť horizontálne vychyľovanie z u p1 na u p2 a na
DIPLOMOVÁ PRÁCA 21 obrazovke sa objaví úsek "A" rozprestretý na celú obrazovku, ak je rýchlosť oneskorenej časovej základne taká, že v intervale t 2 prebehne lúč cez celú šírku obrazovky. Ak máme dvojkanálový osciloskop, môže jednu stopu ( kanál ) ovládať hlavná a druhý kanál oneskorená časová základňa. Vtedy vidíme oba priebehy ( originál aj detail "A" ) súčasne. [6] Na záver môžeme vysloviť názor, že osciloskop bol, je a aj bude najuniverzálnejší merací prístroj, ktorý by nemal chýbať pri žiadnom navrhovaní, oživovaní, nastavovaní alebo oprave ľubovoľného elektronického zariadenia. Je prirodzené, že výrobcovia neponúkajú len tzv. univerzálne osciloskopy pre všeobecné použitie, ale aj rôzne špeciálne osciloskopy s presne vymedzenou oblasťou použitia. Digitálny osciloskop vďaka dodatočnej analýze nameraných dát môže automaticky poskytnúť rôzne potrebné parametre meraného signálu.
DIPLOMOVÁ PRÁCA 22 3.Návrh a popis schémy zapojenia virtuálneho osciloskopu. 3.1 Riešenie pre virtuálny osciloskop Na obrázku 3.1 je schéma riešenia vstupného signálu vstupujúceho do mikroprocesora. Obr. 3.1 Schéma zapojenia osciloskopu bez pripojenia USB. 3.1.1 Napäťový delič Na začiatku obvodu je vyhotovený vstup. Tento vstup je riešený za pomoci napäťového deliča, pomocou ktorého tak môžeme merať i napätie vyššie ako je dovolené napätie na jednotlivých súčiastkach. Delič napätia slúži na nastavenie citlivosti meracieho kanálu. Keďže za napäťovým deličom hneď nasleduje operačný zosilňovač TL072 a jeho dovolené vstupné napätie je iba ±15V, preto som volil hodnoty napäťového deliča v pomere 1:20. V obvode sú navrhnuté 4 rozsahy pre meranie napätia do 2V, 10V, 25V a 250V. Tieto hodnoty nesymbolizujú volty na dielik, ale jeho celkový rozsah na obrazovke. U 1 U 2 R1 R2 Obr. 3.2 Napäťový delič. u1 I = R + R I = I R 1 u 1 1 + R 2 2 u = R u2 ; I = R 2 2 2 u 2 R2 = u1 R + R 1 2
DIPLOMOVÁ PRÁCA 23 K rezistorom napäťového deliča som pripojil kondenzátory a delič sa chová v takom prípade ako kompenzovaný odporový delič napätia. Kompenzovaný odporový delič bol vysvetlený v predchádzajúcej kapitole. Napäťovým deličom upravená hodnota postupuje do operačného neinvertujúceho zosilňovača so 100% spätnou väzbou. Celé výstupné neinvertujúce napätie sa privádza späť na invertujúci vstup. Spätná väzba dosahuje 100%, napäťové zosilnenie je 1 a platí UVýst.=UVst.. Zdroj signálu pripájame na veľký vstupný odpor zosilňovača. Výstupný odpor je malý v dôsledku zápornej napäťovej spätnej väzby. Prúdové zosilnenie je veľké. Obr. 3.3 Operačný neinvertujúci zosilňovač so 100% spätnou väzbou. UVst UVýst 3.1.2 Analógový multiplex Z operačného neinvertujúceho zosilňovača nám vstupná analógová hodnota postupuje do integrovaného obvodu, tzv. 4-channel analog multiplex (4-kanálový analógový prepínač kanálov). Tento prepínač nám slúži na prepínanie vstupných hodnôt do prevodníka. Jeho 4 vstupy X0, X1, X2 a X3 sú riadené logickými jednotkami a nulami, ktoré sú vysielané z mikrokontroléra. Mikrokontrolér využíva 3 výstupy z procesora na ovládanie 4-kanálového prepínača. Digitálny signál teda vstupuje do troch pinov integrovaného obvodu A,B,INH. Keďže pomocou daného digitálneho signálu vieme mať aktívny vždy len jeden kanál, tak nám nemôže nastať situácia, že by sme mali otvorené viaceré kanály naraz. Tab. 3.1 Pravdivostná tabuľka INH A B Aktívny kanál 0 0 0 X0 0 1 0 X1 0 0 1 X2 0 1 1 X3 1 X X žiadny X-nepodstatné
DIPLOMOVÁ PRÁCA 24 Pomocou pravdivostnej tabuľky pre multiplex 4052B sa nastavuje, ktorý zo vstupov bude aktívny. Z mikrokontroléra sú napojené ďalej LED diódy, ktoré nám vizuálne zobrazujú, ktorý zo vstupov je práve aktívny. 3.1.3 Operačný zosilňovač Signál ktorý sa bude merať, bude vstupovať do A/D prevodníka, ktorý je súčasťou mikrokontroléra. Signál je však najskôr upravený v deliči a predzosilňovači a až potom je cez budiaci stupeň vedení do prevodníka. Obr. 3.4 Operačná sieť A/D prevodníka Na obr. 3.4 je znázornená operačná sieť A/D prevodníka. Rozdiel napätia u d privedený medzi vstupy A/D x+ a A/D x- je najskôr prevedený proti zemi v diferenčnom zosilňovači zo ziskom 1. Ďalej sa táto hodnota delí dvomi a odčítava sa od polovice U REF2 = 5V. Ak je u d v rozsahu -5V až +5V, dostaneme na výstupe druhého operačného zosilňovača napätie v rozsahu 0 až 5V. Referenčné napätie 5V je nutné z hľadiska vyváženia odporov operačnej siete (ak je každý zo vstupov operačných zosilňovačov zakončený rovnakým odporom, výrazne sa zmenší vplyv prúdovej nesymetrie vstupov operačného zosilňovača). Operačné zosilňovače nemôžu zabrániť prepätiu a tak sa A/D prevodník chráni proti prepätiu rezistorom hodnoty 1 k ohm a dvomi diódami typu 1N4148, kde jedna dióda je pripojená katódou o 5V, druhá je pripojená anódou o zem.
DIPLOMOVÁ PRÁCA 25 3.1.4 Mikrokontrolér Amega16 Mikrokontrolér ATMEL AVR mega16 (obr. 3.5) je nízkopríkonový 8bitový mikrokontrolér založený na AVR RISC architektúre. Tým že robí výkonné inštrukcie v jedinom hodinovom cykle, dosahuje mikrokontrolér vypočítaný výkon 1 MIPS na 1 MHz. Inštrukčný súbor obsahuje až 131 inštrukcií. Mikrokontrolér má k dispozícii 32 registrov dĺžky 8 bitov. Pamäť programu je tvorená zabudovanou FLASH, jej kapacita je 16K bytová, programovateľná priamo v systéme pomocou rozhrania SPI. Počet preprogramovaní je 10 tisíc cyklov. Dátová pamäť je typu EEPROM s kapacitou 512 bytov, preprogramovateľná až 100000 cyklov. Počet vstupov/výstupov je 32 vývodov, ktoré sú označené PA až PD. [5] Obr. 3.5 Puzdro mikrokontroléra Amega16 Daný mikrokontrolér využívam vo viacerých aplikáciách. Využívam jeho A/D 10 bitový prevodník. Pomocou neho prepínam jednotlivé vstupné rozsahy na 4- kanálovom prepínači a tiež zopínam LED diódy, ktoré mi signalizujú, ktorý zo vstupných rozsahov je práve aktívny. Pin 9 je RESET, ktorý mám zapojený cez kondenzátor s kapacitou 100N o zem, a odporom 10K o napätie 5V. Pomocou odporu sa nabíja kondenzátor, ktorý potom pri vypnutí obvodu spôsobí reset mikrokontroléra. Ako zdroj synchronizácia som použil 11MHz kryštál s kondenzátormi o kapacite 33nF. Kryštálový oscilátor tvoria vývody XTAL1 vstup invertujúceho zosilňovača a XTAL2
DIPLOMOVÁ PRÁCA 26 (výstup invertujúceho zosilňovača). Vývody RXD (prijímanie dát) a TXD (vysielanie dát) slúžia na komunikáciu z PC cez USB zariadenie. 3.2 Komunikácia osciloskopu z PC Komunikácia virtuálneho osciloskopu z počítačom je zabezpečená pomocou konvertora pre USB. V počítači sa takáto komunikácia chápe ako virtuálny sériový port z označením COM3 alebo COM4. Obr. 3.6 Schéma zapojenia na komunikáciu cez USB 3.2.1 Optočleny Medzi konvertorom a mikrokontrolérom sa nachádzajú optočleny LTP721. Tieto optočleny sú pre obvod veľmi dôležité. Bez nich by totiž hrozil prienik vstupného napätia až do počítača. Optočleny teda chránia počítač pred poškodením. Preto sú tak dôsledne oddelené počítačové a výkonové časti.
DIPLOMOVÁ PRÁCA 27 3.2.2 Obvod FT232BM Jednou z najrozšírenejších funkcií ktoré FT2322BM má je režim Bit Bang. V tomto režime sa 8dátových (riadiacich) liniek chová ako 8bitová obojstranná zbernica. Tento režim sa využíva hlavne pre konfiguráciu programovateľných súčiastok. Prepnutie do tohto režimu sa uskutočňuje za pomoci funkcie FT_SetBitMode. Každý vývod sa začne chovať ako vstup alebo výstup. Teda každý vývod môžeme naprogramovať ako vstupný alebo výstupný nezávisle od ostatných. Rozloženie vývodov znázorňujeme na obr.3.4. Vývody sa združujú do skupín podľa svojej funkcie. [1] Obr. 3.7 Rozloženie vývodov obvodu FT232BM UART rozhranie UART rozhranie obsahuje dátové linky UART a riadiace linky modemu. - TXD výstup výstup vysielaných dát - RXD vstup vstup prijímaných dát - RTS# výstup - CTS# vstup - DTR# výstup signály modemu - DSR# vstup - DCD# vstup - RI# vstup - TXDEN výstup aktivuje vysielač dát pre RS485
DIPLOMOVÁ PRÁCA 28 USB rozhranie USB rozhranie obsahuje dátové signály pre pripojenie k USB. - USBDP vstup/ výstup USB signál D+ - USBDM vstup/ výstup USB signál D- EEPROM rozhranie EEPROM rozhranie obsahuje signály pre pripojenie konfiguračnej EEPROM. - EECS vstup/ výstup Chip Select pamäte - EESK výstup hodinový signál pamäte - EEDATA vstup/ výstup dátový vstup/výstup Riadenie spotreby Riadenie spotreby podporuje režim USB suspend a možnosť napájať zariadenie priamo z USB. - SLEEP# výstup používa sa ako vypínač vonkajšieho konvertoru TTL na RS232 pre aplikácie typu konvertor USB <=> RS232 - PWREN# výstup používa sa pre riadenie odberu vonkaj3ej logiky pomocou P-kanálového MOSFETu - PWRCTL vstup PWRCTL = 0, napájanie z USB PWRCTL = 1, napájanie z vonkajšieho zdroja Pomocné signály Pomocné signály zahrňujú reset, vývody pre pripojenie kryštálu alebo vonkajšieho zdroja synchronizácie a ďalšie špeciálne funkcie. - RESET # vstup používa sa na reset FT232BM vonkajším obvodom, v opačnom prípade sa pripojuje na VCC - RSTOUT# výstup dovoľuje generovať nulovací signál pre vonkajší mikrokontrolér - TXLED výstup vytvorí impulz do log. 0 pri vysielaní dát do USB - RXLED výstup vytvorí impulz do log. 0 pri prijímaní dát z USB - XTIN vstup napájanie z vonkajšieho zdroja hodín - XTOUT výstup používa sa pre vonkajšie obvody - TEST vstup TEST = 1 pre normálny režim TEST = 0 pre testovanie funkcie obvodu
DIPLOMOVÁ PRÁCA 29 Napájacie vývody Napájacie vývody slúžia pre pripojenie napájacieho napätia obvodu, definujú napäťovú úroveň rozhrania UART a privádzajú vyhladené napájacie napätie pre zabudovanú násobičku kmitočtu. - 3V3OUT výstup výstup zabudovaného regulátora, tento regulátor je prednostne určený k napájaniu vnútornej logiky - VCC napájanie napájanie 5 V jadra a zabudovaného regulátora, rozsah 4,4 až 5,25 V - VCCIO napájanie napájacie napätie pre UART rozhranie, rozsahu 3 až 5.25 V - GND napájanie napájacia a signálová zem - AVCC napájanie napájanie zabudovanej násobičky hodín - AGND napájanie napájanie zabudovanej násobičky hodín Poznámka: # znamená, že vývod je aktívny v log.0 [1] 3.2.3 Pripojenie oscilátora Na vývody XTIN a XTOUT sa pripájajú keramické rezonároty, Je to bud trojvývodový keramický rezonátor ktorý má v sebe zabudované zaťažovacie kondenzátory a tak netreba používať žiadne iné súčiastky. Typická presnosť je ±0,5%. V prípade dvojvývodového keramického rezonátora resp. kryštálu 6 MHz sa musia použiť vonkajšie zaťažovacie kondenzátory. Pre väčšinu kryštálov je vhodná kapacita 27 pf. Obr. 3.8 Pripojenie keramického rezonátora Obr. 3.9 Pripojenie kryštálu
DIPLOMOVÁ PRÁCA 30 3.2.4 Pripojenie EEPROM EEPROM v našom prípade typ 93LC46B sa pripája priamo na obvod FT232BM. Teda: - vývod EECS je priamo napojený na signál CS pamäte. - vývod EESK je priamo napojený na signál SK pamäte. - vývod EEDATA ja priamo napojený na dátový vstup DIN, na tento vývod je pripojený aj dátový výstup DOUT pamäte., ten je však pripojený cez odpor odporučenej hodnoty 2k2 a slúži na zabránenie konfliktov. Pri resetu FT232BM, ktorý vyvoláme buď pripojením napájania alebo cez USB zbernicu sa testuje, či je EEPROM pripojená a zároveň či obsahuje platné dáta. Ak sú splnené obidve podmienky, sú dáta použité pre definíciu deskriptorov USB (deskriptor určuje aký veľký odber požaduje zariadenie a informácie pre operačný systém). V opačnom prípade sa použije východzia hodnota. EEPROM potvrdzuje platnú požiadavku prijatím signálu DOUT do log. 0. Pre test tejto podmienky je potrebný rezistor 10k. Pokiaľ nie je príkaz potvrdený, je vývod EEDATA vysielaný do log. 1 a tak FT232BM rozoznáva neplatný príkaz alebo nepripojenie pamäte. [1] Obr. 3.10 Pripojenie EEPROM
DIPLOMOVÁ PRÁCA 31 3.2.5 Napájanie aplikácie z USB zbernice a z vlastného zdroja zbernice. Obr.3.11 nám predstavuje typické zapojenie zariadenia napájaného z USB Obr. 3.11 Napájanie aplikácie z USB zbernice Pre napájanie aplikácií z USB platia základné pravidlá: - po pripojení nesmie zariadenie odoberať viac ako 100mA, - v režime USB suspend nesmie byť spotreba vyššia ako 500μA, - zariadenie s vyššou spotrebou ako 100mA môžu použiť vývod PWREN# pre pripojenie vyššej záťaže po úspešne prevedenej enumerácie (vyčítanie parametrov), - zariadenie odoberajúce viac ako 100mA nemôže byť pripojené k USB cez hub, - žiadne zariadenie nemôže odoberať viac ako 500mA. Vývod PWREN# sa pripájaný na log. 0 informuje FT232BM, že má byť použitý deskriptor odberu zariadenia uložený v EEPROM. Feritová perlička, ktorá sa pripája sériovo s napätím získaným z USB zbernice znižuje rušenie FT232BM a pripojených obvodov. Hodnota indukčnosti závisí od celkového odoberaného prúdu. Pre napájanie aplikácií z vlastného zdroja platia základné pravidlá: - samostatne napájané zariadenie nemôže spôsobovať odpojenie prúdu USB zbernice, keď je vypnutý USB hub alebo hostiteľ,
DIPLOMOVÁ PRÁCA 32 - samostatne napájané zariadenie bude mať dostatok prúdu pre normálnu operáciu a vyhovie aj režimu USB suspend, - samostatne napájané zariadenie sa môže použiť ľubovoľným USB hostiteľom alebo hubom. Vývod PWREN# pripojený na log. 1 informuje, že sa nepoužije napájací deskriptor. Napájací deskriptor uložený v EEPROM potom môžme naprogramovať na 0 ma. Pri použití vlastného zdroja sa zapája do obvodu tranzistor typu NPN, ktorý slúži ako sonda prítomnosti napätia na USB zbernici. Ide vlastne o emitorový sledovač, ktorý je saturovaný, pokiaľ je na USB zbernici napätie. Potom sa pripojí na vývod RSTOUT# rezistor 1,5k. Keď je USB napájanie odpojené, je tranzistor vypnutý, takže nedochádza k prúdovému odberu z linky USBDP. [1] 3.2.6 Indikačné LED Obvod FT232BM má dva vývody určené pre pripojenie LED, pomocou ktorých môžeme indikovať príjem alebo vysielanie dát. Pri prijímaní alebo vysielaní dát prejde vývod RXLED# alebo TXLED# zo stavu vysokej impedancie do stavu log. 0. Aby užívateľ mohol sledovať tento jav, musí sa predĺžiť impulz na takú dĺžku, ktorú je užívateľ schopný sledovať. Pri predĺžení impulzu sa používa zabudovaný digitálny monostabilný klopný obvod. Pokiaľ zapojíme LED na obidva vývody, tak môžeme sledovať každú z operácií. Ak by nám šlo iba o aktivitu zbernice, môžeme obidva výstupy spojiť zapojiť iba jednu LED. a) Použitie dvoch LED diód b) Použitie jednej LED diódy Obr. 3.12 Pripojenie LED
DIPLOMOVÁ PRÁCA 33 3.3 Napájanie osciloskopu Zdrojom pre napájanie celého obvodu, teda osciloskopu som použil 9V batériu. Použil som 5V stabilizátor aby som z 9V prekonvertoval 5V na napájanie mikrokontroléra Amega16 a zároveň týchto 5V používam aj ako referenčné napätie pre mikrokontrolér. Obr. 3.13 Zdroj pre napájanie obvodu Ešte pred stabilizátorom mám použitú kontrolu stavu batérie. Napätie batérie je napojené do operačného zosilňovača TL072. Ide v podstate o zapojenie operačného zosilňovača vo funkcii rozdielového zosilňovača bez zavedenej zápornej spätnej väzby, t.j. s maximálnym ziskom. Vstupné napätie sa privádza na invertujúci vstup operačného zosilňovača a referenčné, porovnávacie napätie sa privádza na jeho neinvertujúci vstup. Na výstupe operačného zosilňovača som napojil dve LED diódy, ktoré nám budú signalizovať stav batérie. Zelená LED bude signalizovať, že napätie batérie nám postačuje na napájanie celého obvodu. Ak by sa rozsvietila i červená LED, tak batériu treba meniť, pretože by bolo malé napájanie do obvodu a mohlo by sa stať, že by hodnoty neboli správne namerané alebo by neboli správne vyslané a mohlo by dôjsť k strate dát pri prenose do PC.
DIPLOMOVÁ PRÁCA 34 3.4 Pomocný zdroj pre operačné zosilňovače Pomocný zdroj slúži na napájanie jednotlivých operačných zosilňovačov. Keďže treba na ich činnosť symetrické napájanie ±10V, napájanie osciloskopu som navrhol pomocou 9V batérie, ktorá dodáva iba kladné napätie, tak som musel použiť obvod MAX232, z ktorého je možné napájať obidva operačné zosilňovače, ktoré som využil v mojom osciloskope. Na obr. 3.11 je celková schéma pomocného zdroja. Je to jednoduché zapojenie, ktorým invertujem kladné napájanie. Obvod je zapojený podľa katalógového zapojenia. Jeho napájacie napätie je 5V a z obvodu som dostal požadovaných ±10V. Obr. 3.11 Schéma zdroja pre operačný zosilňovač.
DIPLOMOVÁ PRÁCA 35 4.Návrh a popis programu pre mikropočítač AVR Program, ktorý som zhotovil pre mikrokontrolér AVR bol zhotovený v programovacom jazyku C++. Využíval som pritom programové prostredie CodeVisionAVR spolu z programom AVR Studio. Program CodeVisionAVR je veľmi prehľadný a ľahko ovládateľný program, v ktorom sa využívajú schopnosti jazyka C. Na to aby som vôbec program napálil do mikrokontroléra, som si zhotovil pogramátor "Evertool-Light". Je to skrátená verzia Evertool, ktorá napodobňuje len JTAG zariadenie. Evertool je vlastne AVRISP/STK500-protokol a JTAG zariadenie (JTAGICE) je kompatibilné s programátorom JTAG na odlaďovanie chýb. Pod odlaďovaním chýb sa rozumie krokovanie programu priamo na doske, a postupne oživovanie programu. Je to dobrá pomôcka na hľadanie chýb v danom programe. Atmel AVRISP (In-System Programmer) je malé zariadenie na programovanie Atmel AVR mikrokontrolér. Atmel JTAGICE je zariadenie na programovanie a opravovanie chýb v Atmel AVR mikrokontroléri s JTAG-prepojením (ATmega16, ATmega32, ATmega64, ATmega128...) Je to prestavba oboch zariadení na jednu dosku. Hlavná výhoda je taká, že programátor je kompatibilný s Atmel AVRstudiom a ich vzájomná spolupráca je na vysokej úrovni. [3] Jednoducho povedané:: ISP Programátor kompatibilný s AVRISP, priamy prístup cez AVRStudio JTAG zariadenie kompatibilné s Atmel JTAGICE, priamy prístup AVRStudio Evertool podporujú všetky AVR zariadenia Atmel podporujúce AVRISP a JTAGICE. Ľahká obnova programátora pre nové ciele AVR cez RS232/seriový port Jednoduché technické vybavenie, štandardné súčiastky K mikrokontroléru okrem kryštálu a odrušovacích kondenzátorov je pripojený obvod MAX232 ktorý slúži ako konvertor medzi mikrokontrolérom a RS232. Schéma je na obr. 4.1.
DIPLOMOVÁ PRÁCA 36 Obr. 4.1 Schéma zapojenia programátora Evertool Light Program, ktorý som navrhol pre mikroprocesor je pomerne jednoduchý, sú v ňom využité prerušenia: prerušenie od prenosu dát - interrupt [USART_RXC] void uart_rx_isr(void), prerušenie od časovača 0 - interrupt [TIM0_OVF] void timer0_ovf_isr(void), prerušenie od A/D prevodníka - interrupt [ADC_INT] void adc_isr(void). a nastavenia jednotlivých registrov mikrokontroléra pre správny a rýchly priebeh programu.
DIPLOMOVÁ PRÁCA 37 4.1 Prerušenie USART Názov USART znamená Universal Synchronous and Asynchronous Receiver and Transmitter čo v preklade znamená univerzálny synchrónny a asynchrónny prijímač a vysielač.základnou úlohou jednotky USART je vyslať dátové slovo (bajt) prevzaté od CPU a samostatne ho sériovo (bit po bite) vyslať na linku TxD (transmit), poprípade načítať bajt z linky RxD (Receive). Pretože na prijímač sa privádza len dátová linka a v žiadnom prípade nie bitový hodinový signál, jedná sa teda o asynchrónny prenos dát. Keď bol vyslaný alebo prijatý kompletný bajt, je o tom jednotka CPU informovaná prostredníctvom prerušenia, aby predala jednotke UART nový bajt alebo od nej bajt odobrala. Sériový prenos dát začína bitom s najnižšou váhou. Každý bit je na linke držaný presne určenú dobu, až sa nakoniec vydá posledný bit. K tomu dostáva UART vnútorný hodinový signál pre posuv bitov z mikrokontroléra. Aby bolo prijímačom uľahčené rozlišovanie bajtov a synchronizácie, je každý bajt ohraničený signálom nazývaným startbit na začiatku, ktorý má vždy stav LOW a jedným alebo dvomi stopbitmi na konci bajtov, ktoré majú vždy stav HIGH. Ak sa nevysiela žiadný bit, je linka v kludovom stave na úrovni HIGH. Asynchrónny prenos jedného bajtu je znázornený na obr. 4.2. [4] Obr. 4.2 Tvar bajtu pre asynchrónny prenos dát 4.1.1 Typická prenosová rýchlosť Výhodou tohto asynchrónneho prenosu teda je, že sa prijímač s každým novým bajtom môže znovu zasynchronizovať. Tým je tento princíp prenosu veľmi bezpečný a jednoduchý pre softwarové i hardwarové spracovanie. Nevýhodou je, že 20% prenosovej doby sa používajú pre organizáciu samotného prenosu a neobsahujú žiadne informácie. Jedná sa o 2 bity z 10 (startbit a stopbit).
DIPLOMOVÁ PRÁCA 38 Tab. 4.1 nám zobrazuje doby bitov a doby bajtov pri typických prenosových rýchlostiach s 1 startbitom, 8 dátovými bitmi a 1 stopbitom. Tab. 4.1 Prenosové rýchlosti Baudrate Doba bitu Doba bajtu (1/8/1/A) 1200 833 μs 8,33 ms 2400 416 μs 4,16 ms 4800 208 μs 2,08 ms 9600 104 μs 1,04 ms 19200 52 μs 520 μs 38400 28 μs 280 μs 115200 8,6 μs 86 μs 4.1.2 Parita Dátový obsah je možné doplniť 9. bitom. Tento bit sa potom používa ku kontrole paritou, a to tak že sa nastavuje na hodnotu Odd (nepárna parita) alebo Even (párna parita). Je 5 možností k využitiu parity: Even počet bitov s hodnotou 1 sa doplňuje na párny počet, Odd počet bitov s hodnotou 1 sa doplňuje na nepárny počet, Mark paritný bit je pevne nastavený na 1, Space paritný bit je pevne nastavený na 0, None nepoužíva sa žiadna parita. Je možné kontrolovať paritu na prijímacej strane a porovnávaním vyvodzovať závery o chybách prenosu dát, ale chyba je ľahko rozpoznateľná, ak je narušený len jeden bit. Ak by sa vyskytli už dve bitové chyby, mohlo by to viesť k tomu, že parita bude opäť súhlasiť. Najčastejší prípad použitia asynchrónneho prenosu dát je teda 1 startbit, 8 dátových bitov a žiadna parita. Prerušenie UART sa teda vyvolá, keď je do procesora načítaná nová hodnota. Túto hodnotu si uložím do premennej data (príkaz data=udr) a v ďalšom kroku budem pracovať s touto premennou. 4 vstupné rozsahy na osciloskope prepínam analógovým multiplexom, ktorý je privedený na pin PB0-PB2 a signalizáciu otvoreného kanála zabezpečujú LED diódy, ktoré sú pripojené na pin PB4-PB7. Na to aby bol celý POTRB použiteľný ako výstup. je ho treba inicializovať príkazmi nasledovne:
DIPLOMOVÁ PRÁCA 39 PORTB=0x00; DDRB=0xFF; Takto definovaný port je pripravený na výstup, a na začiatku je vynulovaný. Keď je už port pripravený na výstup a mám uloženú hodnotu, ktorú som vyslal z počítača do mikrokontroléra, potom nastáva porovnanie tejto hodnoty pomocou funkcie switch. Táto funkcia nám porovnáva načítanú hodnotu zo 4 znakmi, kde výsledkom tejto funkcie je otvorenie jedného zo 4 kanálov. [2] switch (data) { case 0x97 : { PORTB=0x13; // 00010011 break; } case 0x98 : { PORTB=0x22; // 00100010 break; } case 0x99 : { PORTB=0x41; // 01000001 break; } case 0x100 : { PORTB=0x80; // 10000000 break; } } 4.2 Prerušenie časovača 0 Časovač (timer) je veľmi dôležité zariadenie mikrokontroléra. Môže vytvárať časovú základňu odvodenú buď od hodinového kryštálu alebo od externého zdroja hodinového signálu. Pomocou registra TCCR0=0x4A som si zvolil mód časovača (vlnu) typu Fast PWM (Pulse Width Modulation) a prvými tromi bitmi som volil výber hodinového signálu pre časovač. Tab. 4.2 Výber hodinového signálu pre čítač/časovač CS02 CS01 CS00 Popis 0 0 0 stop, čítač/časovač 0 je odstavený 0 0 1 f 0 (hodinový signál mikrokontroléru CLK 0 1 0 f 0 /8 (1/8 CLK) 0 1 1 f 0 /64 (1/64 CLK) 1 0 0 f 0 /256 (1/256 CLK) 1 0 1 f 0 /1024 (1/1024 CLK) 1 1 0 zostupná hrana T0 1 1 1 nábežná hrana T0
DIPLOMOVÁ PRÁCA 40 Register TCNT0 umožňuje prístup k obsahu čítača/časovača 0. Po každom hodinovom impulze privedenom na jeho vstup sa obsah zvýši o 1, teda číta smerom nahor. Ak register obsahuje plnú hodnotu tj. FF a príde ďalší hodinový impulz, obsah čítača pretečie a počíta sa znovu od začiatku. Pri tomto pretečení sa nastaví príznak pretečenia a generuje prerušenie. Zmena nastavenia čítača počas jeho činnosti predstavuje riziko straty porovnávacích výsledkov. Register OCR0 je výstupný porovnávací register obsahujúci 8-bitovú hodnotu, tá je nepretržite porovnávaná s hodnotou čítača (TCNT0). Zhoda môže byť použitá na generovanie prerušenia na výstupného čítača. Registra TCNT0 som si nastavil tak, že pri pretečení nebude počítať obsah od začiatku, ale po hodnotu ktorú som mu nastavil. To je presne doba 20 mikrosekúnd, ktorá ubehne medzi jednotlivým pretečením. Pri každom pretečení sa mi vyvolá A/D prevodník, a vyšle hodnoty do PC vždy v rovnakom čase. 4.3 Prerušenie AD prevodníka Vstupný analógový kanál a diferenciálny zisk sa volia zapísaním hodnoty na MUX bity v ADMUX-e. Hociktorý z bitov ADP, ako aj GND a pevné referenčné napätie, sa môže nastaviť ako vstup s jednoduchým zakončením (single end). Výberom vstupných pinov ADP môžeme nastaviť buď kladné alebo záporné vstupné zosilnenie. ADMUX=0x00; Bit 7 6 5 4 3 2 1 0 REFS1 REFS0 ADLAR MUX4 MUX3 MUX2 MUX1 MUX0 Bits 7:6 - REFS1:0 Obidva bity sú nastavene na 0, teda ADC bude mať referenčné napätie. Bit 5 ADLAR Tento bit je nastavený na 0, teda hodnoty v registri sú zarovnané vpravo. Bits 4..0 MUX4..0 Bity sú nastavene na 0, teda vstup je na ADC0. ADCSRA=0xAB; Bit 7 6 5 4 3 2 1 0 ADEN ADSC ADATE ADIF ADIE ADPS2 ADPS1 ADPS0
DIPLOMOVÁ PRÁCA 41 Bit 7 ADEN (zapnutie A/D prevodníka) Nastavením tohto bitu sa zapne A/D prevodník. Vynulovaním sa prevodník vypne. Vypnutie A/D prevodníka v priebehu prevodu ukončí predčasne prevod. Bit 6 ADCS (štart A/D prevodu) Nastavený je typ jednoduchého prevodu spúšťaný pretečením časovača. Bit 5 ADATA (automatické povolenie spúšťača) Nastavením 1 je povolený spúšťač. Je potrebné teda nastaviť register SFIOR, SFIOR =0x80; Podľa tabuľky pre výber zdroja som nastavil bity aby bol nastavený Overflow. Bit 4 ADIF (príznak prerušenia A/D) Tento príkaz sa nastaví, keď je dokončený prevod a zaktualizovaný registrový pár ADCH:ADCL. Bit 3 ADIE (povolenie prerušenia A/D) Ak je ADIE=1 a l=1, je po konci prevodu vyvolané prerušenie odpovedajúce dokončeniu prevodu. Bits 2:0 ADSP2:0 (preddelička hodinového signálu) Výsledok prevodu je uložený do páru ADCH:ADCL. Z registra ADCH sú dostupné len spodné dva bity, ktoré odpovedajú dvom najvyšším bitom prevodu. Pokiaľ je ADCL prečítaný, neaktualizuje sa jeho obsah do chvíle, než je prečítaný i ADCH. Preto je nutné čítať obidva registre a to najskôr ADCL a potom ADCH. Obsah oboch registrov vytvára obsah ADCW. Ten je priamo úmerný meranému napätiu. [4] adc_data=adcw; // ukladanie meranej hodnoty do premenne typu integer, signal[i]=adc_data; // ukladanie do pola, i++; if (i == 50) { for (j=0;j<50;j++) printf("%d",signal[j]); i=0; } Premenná i sa nám inkrementuje až do hodnoty 50, a potom znovu ju nastavíme na 0. Keďže meraná hodnota sa vždy odmeria každých 20 mikrosekúnd, a ukladá sa do pola o veľkosti 50, tak sa z mikroprocesora budú vysielať dáta každú milisekundu.
DIPLOMOVÁ PRÁCA 42 5.Návrh a popis programu pre PC Návrh programu pre PC som navrhol v Delphi. Je to jazyk pre objektové programovanie. Na obr. 5.1 je program na vykreslenie hodnôt z virtuálneho osciloskopu. Obr. 5.1 Program do PC pre virtuálny osciloskop Pomocou programu sa ovládajú jednotlivé vstupné rozsahy. Po zmene vstupného rozsahu sa automaticky prestavia aj y-ové osi grafov. Ďalej sa nastavuje správny sériový port na komunikáciu. V prípade virtuálneho osciloskopu je to COM3, ktorý sa v počítači chová ako USB serial port COM3 rýchlosť prevodu ako i frekvenčná vzorka. Frekvenčná vzorka je rozdelená na 20us, 50us, 100us a 200us. Tak ako iné programy, aj na tento program vie uvoľniť komunikačný port, pomocou tlačidla Odpojiť. Tlačidlo Pripojiť zase pustí nové meranie. Priebeh sa dá pomocou tlačidla Pauza i zastaviť a napätie môžem skontrolovať. Digitálny osciloskop sa nezaobíde bez uloženia nameraných dát a aj tu je možnosť uložiť merané hodnoty. Prípadne sa môžu ukladať iba snímky jednotlivých grafov pre prípadné práce. V programe sa nachádzajú dva typy grafov. Prvý graf predstavuje celkový meraný priebeh, druhý zase iba ten priebeh ktorý sa práve vysiela z mikroprocesora, keďže hodnoty sa vysielajú v určitých skupinách. Graf je navrhnutý tak, aby bolo
DIPLOMOVÁ PRÁCA 43 možné si pozrieť aj detailnejší záber nameranej hodnoty (obr. 5.2). Ak myškou prejdem z dolneho rožku grafu späť do horného, graf opäť nadobudne skutočnú veľkosť. Obr. 5.2 Detailnejší záber na merané napätie V ponuke Nastavenie (obr. 5.3) sa dajú jednoducho a rýchlo nastaviť cesty pre ukladanie hodnot z osciloskopu, alebo aj obrázky. Nastaví sa cesta na uloženie a potom už stačí iba meniť názov a ukladanie dát bude pohodlnejšie. Obr. 5.3 Nastavenie cesty pre uloženie súboru alebo obrázku Tie tlačítka, ktoré majú jedni písmeno podčiarknuté, tie sa daju ovládať klavesnicovými skratkami pomocou ALT. Ešte treba spomenúť tlačidlo Koniec, ktoré nám ukončí prácu s osciloskopom.