Mikrokontroller

Mikrokontroller on mikrokiip, milles on peale keskprotsessori veel komponente, näiteks mälu.

Võrreldes mikroprotsessoriga on mikrokontroller täielikum: täieliku arvuti saamiseks on talle vaja vähem komponente lisada.

Mikrokontrollereid kasutatakse peamiselt automaatjuhtimisseadmetes ja mehhatroonilistes süsteemides.

AVR mikrokontroller ühenduses arvutiga läbi STK500 arenduslaua.

Mikrokontrolleri suhtlus lauaarvutiga

Mikrokontrolleri suhtlus lauaarvutiga on, elektriline, optiline, heli- või raadiolainetega toimuv andmeedastus, mis on enamikel juhtudel esitatud digitaalsete numbrite jadana. Kuna mikrokontrollereid leidub väga paljudes nüüdisajal toodetud elektroonikaseadmetes, siis on vaja meetodeid, mille abil saab neid arvutiga ühendada. Näiteks mikrokontrollereid sisaldavaid digitaalseid multimeetreid, ostsilloskoope, ilmajaamu ja palju muud võiks saada ühendada lauaarvutiga, et mõõdetud infot edasi töödelda ja kasutajale paremini loetavaks muuta.

Suhtluse arendamine arvuti ja mikrokontrolleri vahel on levinud elektroonikatööstuses, hariduskeskuste ja hobielektroonikute hulgas, kus seda kasutatakse programmi töö silumiseks (ingl. k. debug) ja kasutajaliideste arendamiseks.

Erinevat tüüpi mikrokontrollerid ja nende integreeritud andmeedastusprotokollid

Erinevad mikrokontrollerid pakuvad erinevaid võimalusi arvutiga suhtlemiseks, kus osa seadmeid saab ühendada otse (USB) ja teistele on vaja vahele lisada elektroonikat (RS-232). All olevas tabelis on toodud erinevaid mikrokontrollereid ja nende integreeritud andmeedastusüksused.

Tüüp	Registrite suurus	Mudel	SPI	TWI	U(S)ART	USB	Ethernet	ZigBee	IR
AVR	8-bit	ATxmega16A4	2	2	5	0	0	0	1
AVR	8-bit	ATxmega128A1	4	4	8	0	0	0	1
AVR	8-bit	ATmega48	1	1	1	0	0	0	0
AVR	8-bit	ATmega8U2	1	0	1	1	0	0	0
AVR	8-bit	ATmega128RFA1	1	1	2	0	0	1	0
AVR	32-bit	AT32UC3A0512	2	1	4	1	1	0	1
PIC	32-bit	PIC32MX575F256L	4	5	6	1	0	0	0
PIC	32-bit	PIC32MX795F512L	4	5	6	1	1	0	0

Probleemid andmeedastuses

Lauaarvuti ja mikrokontrolleri vahelisel suhtlusel saab valida erinevaid andmevahetusprotokolle ja -viise, millel kõigil on omad head ja vead. Õige lahenduse leidmiseks tuleb uurida mitut probleemi ja vastuste baasil otsustada, milline andmevahetus on kõige otstarbekam antud ülesande lahendamiseks.

Andmeedastuskiirus

Sõltuvalt andmepakettide mahust ja pakettide saatmise sagedusest tuleb valida sobiva kiirusega andmevahetusprotokoll. Meeles tuleb pidada, et mida suurem on andmete liikumise kiirus, seda suurem on elektrisignaalide sagedus. Suurematel sagedustel on raskem elektrisignaale edastada, sest väikesed mahtuvused ja induktiivsused mõjutavad signaali rohkem. Sellepärast hoitakse kiirete andmetega liinid lühikesed - arvuti muutmälu on otse emaplaadil, mitte lintkaabliga korpuse küljes.

Veakindlus

Sõltuvalt andmete tüübist saab valida erineva veakindlusega andmevahetuste vahel. Mõõtes ilmajaamalt iga ajavahemiku t tagant ilma näitajaid, ei juhtu midagi, kui 1% saadetud andmetest on viga sees. Kasutades tarkvara, mis eemaldab mõõtmiste loetelust eksed, võime koostada üsnagi suure tõenäosusega ilma kujutavad graafikud, mis on tõesed. Selline olukord võib tekkida ilmajaamaga, mis kasutab raadiosidet toas oleva arvutiga ning maja konstruktsioon on raadiosignaale segav.

Teisel juhul on 1% viga väga tõsine probleem. Näiteks programmeerides liiga pika varjestamata kaabliga mikrokontrollereid, ei jõua andmed arvutist kunagi täiesti õigesti kohale ja programm hakkab tõrgetega käima või ei tööta üldse, sest iga bitt programmis võib olla ülimalt tähtis.

Distants

Sõltuvalt kohast, kus soovitakse arvutiga ühendatavat seadet kasutada, tuleb valida sobiv andmeedastus. Ei ole mõtet kasutada USB'd ühendamaks maja teises otsas olevat kontrollerit (näiteks ventilatsiooni kontroller), sest USB standard lubab ilma vahelülideta 5 m pikkust kaablit. Otstarbekas oleks kasutada näiteks RS-422 standardit, mis lubab kaabli pikkuseks 1200 m.

Vajalikud toitepinged

Erinevate toitepingete olemasolu on tähtis, sest võrreldes lihtsamate digitaalskeemidega, mis kasutavad ühepolaarset pinget ( +3.6 V või +5 V ), vajavad osad andmeedastus protokollid kahepolaarset toitepinget (diferentsiaalsignaalid). Andmeedastused, mis kasutavad diferentsiaalsignaale: RS-422, RS-485, keerupaaridega Ethernet, USB.

Kui elektroonika vajab mõnes kohas nii positiivset kui negatiivset toitepinget, saab selle tekitada trafoga, mille mähiselt on keskelt võetud kolmas väljund. Samuti võib kaks trafot omavahel ühendada. Pärast alandamist ja silumist saab kahepolaarse toitepinge. Kui puudub vajadus suure voolu järele kahepolaarsetes ahelates, saab kohmaka trafodega skeemi asendada laengupumbaga, mis tavalisi kondensaatoreid kasutades liigutab laenguid erinevate kondensaatorite vahel nii, et tekiksid vajalike pingetega väljundina kasutatavad kondensaatorid. Selliseid pumpasid kasutavad RS-232 liini juhtimise mikroskeemid.

Pingete sobitamine

Kuna mikrokontrollerid töötavad tavaliselt toitepingetel 1.8 V, 3.3 V või 5 V, siis ei saa nende väljundeid ühendada otse andmeliinidega, mis toimivad suurematel pingetel. Samuti ei saa enamikel juhtudel otse juhtida liine, mille pinge on väiksem kui mikrokontrolleri väljund.

Probleemi lahendamiseks tuleb mikrokontrolleri ja liini vahele panna astmemuundur. Lihtsamatel juhtudel saab kasutada sisendi puhul tavalist pingejagurit ja väljundi puhul transistoridest koostatud lülitust, mis tüürib väikese pingega suuremat pinget. Silmas tuleb pidada, et lisatakistuste ja mahtuvuste lisamine liinile tõstab selle ajakonstanti ja seega muutub liini efektiivne töösagedus väiksemaks.

• 

  3.6 V kohandamine 5 V loogika jaoks

• 

  Kohandamise elektroonika alt

• 

  Kohandamise elektroonika pealt

Liini sobitamine

Pikemate liinide ja suuremate sageduste puhul võib esineda probleem, kus liini otsast sisenev impulss ei jõua liini otsas olevasse vastuvõtjasse. Osa võimsusest muutub liini takistuse tõttu soojuseks ning liini sees toimub signaali peegeldumine. Võimalikult suure signaali võimsuse jõudmiseks vastuvõtjasse peavad liini, saatja ja vastuvõtja impedantsid ehk näivtakistused olema võrdsed.

Elektriline isoleeritus

Multimeetri optiline väljund

Mistahes elektriline ühendus arvuti ja mikrokontrolleri vahel võib üle kanda rikkevoolu (pigem mikrokontrollerilt arvutile kui vastupidi). Logivaid elektrilisi mõõteriistu toodetakse tihti infrapuna, raadioside või optiliselt eraldatud andmeliinidega, et rikke puhul kaitsta arvutit.

Mikrokontrolleri suhtlus USB'ga

USB suhtluse arendamiseks mikrokontrolleri ja lauaarvuti vahel on kolm peamist võimalust:

1. Mikrokontrolleri I/O (sisend väljund) otsene ühendamine
2. Mikrokontrolleri ühendamine läbi välise loogika
3. Mikrokontrolleri integreeritud USB kontrolleri kasutamine

I/O otsene ühendamine

Kuigi enamik nõrga võimekusega 8-bitiseid mikrokontrollereid USB kontrollerit ei sisalda, saab tekitada tarkvaraliselt virtuaalse USB kontrolleri. Näiteks AVR mikrokontrolleritele on arendatud tarkvara V-USB (Virtuaalne USB siin AVR mikrokontrolleritele), mis on osaliselt vabavara ja võimaldab järgmist:

• Täielikult ühilduv USB 1.1 standardiga
• Töötab igal AVR mikrokontrolleril, millel on vähemalt 2kB koodimälu, 128 baiti muutmälu ja taktsagedus vähemalt 12MHz
• Ühildub Windows'i MAC'i ja Linux'iga

Ühendamine läbi välise loogikalülituse

Kuna tarkvaraliselt teostatud USB sideprotokoll nõuab palju ressurssi, võib see olla mõne lahenduse juures takistuseks. Kui mikrokontrollerisse ei ole integreeritud sideprotokolli jaoks vajalikku riistvara, saab selle asendada välise elektroonikalülitusega, mis ühelt poolt suhtleb näiteks USB'ga ja teiselt poolt mõne lihtsama protokolli abil mikrokontrolleriga.

FTDI FT232BL

Mikroelektroonika tootja FTDI on arendanud suure seeria andmesidekontrollereid, mis tegelevad USB andmevahetusega. Need ühilduvad ühelt poolt täielikult USB 2.0 standardiga ja teiselt poolt lihtsate andmesideliidestega - jadaväratite (UART) või rööpväratitega.

Lauaarvutis töötavad tarkvaralahendused suhtlevad jadaliidesega läbi operatsioonisüsteemi. Firma FTDI toodang ühildub enamike operatsioonisüsteemidega ning programme saab arendada kasutades C++, LabVIEW, Delphi ja paljudes muudes keeltes. Vajadusel saab tekitada mikrokontrolleri ja lauaarvuti vahele virtuaalse jadavärati (COM port), mis muudab süsteemi programmeerimise lihtsaks.

Ühendamine läbi integreeritud USB kontrolleri

Osadele mikrokontrolleritele on integreeritud sisemine kontroller, mis tegeleb USB andmevahetusega. See võimaldab võrreldes kahe eelmise meetodiga hoida kokku trükkplaadi pinda, mikrokontrolleri ressurssi ja mõnel juhul tootmiskulusid.

Nii Atmel kui Microchip pakub laias valikus USB liidesega mikrokontrollereid. Esindatud on 8-bitised, 16-bitised ja 32-bitised lahendused. Mõlemad tootjad pakuvad oma lahendustele erinevaid arenduslaudu ja näidistarkvara, mille abil on võimalik enda tarkvara arendada.

Mikrokontrolleri suhtlus jadaväratiga

Kuigi jadavärat hakkab uutel arvutitel kaduma, võib seda siiski vanadelt töökorras arvutitelt leida ja kasutada. Jadavärat kasutab RS-232 standardit, mis baseerub lihtsal UART standardil.

UART standardile vastav andmeedastus leidub enamikel Microchip ja Atmel mikrokontrolleritel. Selle kasutamine on lihtne ja nõuab mikrokontrollerilt vähe ressurssi. Lihtsa UART tarkvara kirjutamine mikrokontrolleri poolele nõuab vähe koodimälu.

UART andmevahetuse programm

Näide on arendatud Atmel Atmega1280 mikrokontrolleril. See näitab UART andmeedastuse tarkvaralise poole lihtsust, kui soovitakse saata ja lugeda andmeid 1-bait korraga. Näide on kirjutatud C-keeles. Kui soovitakse paindlikumat koodi suurema funktsionaalsusega tuleb koodi edasi arendada.

void UART_seadistus(void)
    {                    //Seadistan registrid
    UBRR0L = 103;        //Uart bitiedastus kiiruse väärtus
    UCSR0A = 0b00000010; //Topelt kiirus 
    UCSR0B = 0b00011000; //Saatja ja Vastuvõtja sisse 
    UCSR0C = 0b00001110; //8 info ja 2 stop bitti 
    return;
    }
 
char UART_loe(void)
    {
    char data;
    data=UDR0;           //Loen info registrist saadetud biti
    return data;         //Tagastan loetud baidi
    }
 
void UART_kirjuta(char data)
    {
    UDR0=data;     
    //Ootan, kuni register on vaba uueks kirjutamiseks 
    while(UCSR0A&0x20);
    return;
    }

Asünkroonse jadavärati (UART) signaalide sobitamine RS-232 standardiga liiniga

Kuna mikrokontroller töötab pingetel 1.8 V - 5.5 V, siis tema väljund ei sobi RS-232 standardiga kokku. RS-232 vajab andmeliinidel positiivseid ja negatiivseid pingeid - näiteks +10 V ja -10 V.

Probleemi lahendamiseks on vaja skeemile lisada RS-232 liini juhtija, mis viib UART signaalid vastavusse RS-232 standardiga ja vastupidi. Näiteks võib tuua firma Maxim toodetud seeria MAX220–MAX249 ja firma Texas Instruments kiip SN75LV4737, mis on suutelised töötama ühepolaarse toitepingega +5 V. Mikroskeemidele on integreeritud sisemised laengupumbad, mis kondensaatoreid kasutades tekitavad vajalikud toitepinged +10 V ja -10 V. Esiteks kahekordistatakse toitepinge ja pärast tekitatakse vastastikuse polaarsusega võrdne pinge.

Mikrokontrolleri suhtlus ZigBee'ga

Kuna mikrokontrollerid muutuvad aina võimsamaks ja odavamaks ning hakkavad üha enam juhtima meie igapäeva seadmeid, on tõusnud idee seadmete vahelisest võrgustikust. Võib kujutada maja, kus valgustus, ventilatsioon ja küte on ühendatud erinevate anduritega, mis paiknevad erinevates kohtades. Anduritelt saadud info põhjal kontrollib maja arvutivõrk võimalikult otstarbekalt energiaressursse. Kogu süsteem oleks kontrollitav näiteks süleaarvutist.

Sellise võrgustiku loomiseks on kõige mugavam raadiosidega üksuste kasutamine, mis on suutelised ühilduma juba olemasoleva süsteemiga. Selliste süsteemide arendamiseks on loodud ZigBee (IEEE 802.15.4-2003) standard, mis on olemuselt traadita personaalne kohtvõrk (WPAN - Wireless Personal Area Networks).

Mikrokontroller ja raadioside ühes kiibis

Kuna ZigBee kasutab kõrgsageduslikku raadiosidet (2.4GHz), siis saab see riistvara olla väikeste mõõtmetega. Atmel oli üks esimesi tootjaid, mis integreeris mikrokontrolleri ja ZigBee täisfunktsionaalsusega saatja ja vastuvõtja ühe kiibi sisse. Ühendati Atmega1281 ja ZigBee raadioside ning saadi ATmega128RFA1. Vajalikke väliseid komponente kulub vähe, millest põhilised on:

1. 12 MHz kristall
2. Kondensaatorid kristallile
3. Kondensaatorid müra eemaldamiseks
4. Antenn
5. Soovituslik varjestus

Kuna mikrokontroller ja raadiosaatja ja -vastuvõtja on ühes tükis, siis nende vaheline suhtlus toimub läbi registrite, mis on palju mugavam lahendus, kui välise raadiosidet korraldava üksusega suhtlemine. Integreeritud raadiosaatja ja -vastuvõtja saavad kasutada katkestusi, mis muudavad programmi töö paindlikumaks.

Valmis raadiomoodulid

DeRFmega128 (roheline)

Leidub valmis raadiomooduleid, kus kasutaja ei pea väliseid komponente lisama, et raadiosidet arendada. Näiteks ATmega128RFA1 baasil toodetud deRFmega128-22A02 on valmis lahendus kuni 200 m kauguse raadioside arendamiseks.

ZigBee lauaarvutile

Lauaarvutitele saab integreerida ZigBee tuge. Näiteks on võimalik läbi USB suhelda välise ZigBee raadiosaatja ja -vastuvõtjaga.

Mikrokontrollerite programmeerimine

Mikrokontrollereid saab programmeerida läbi arvuti, kasutades tootjate poolt arendatud riistvara, mis ühildub nende toodetud tarkvaraga. Samuti on võimalik ise ehitada programmaatoreid, kuid neist kõige lihtsamad versioonid ei ole veakindlad ja võivad tekitada probleeme. Näiteks AVR 8-bitiste mikrokontrollerite puhul juhtus tihti seda, et kehv programmaator seadistas vea tõttu taktsignaali allika valesti ning mikrokontrollerit ei saanud enam edasi programmeerida, ilma et oleks muudetud skeemi.

Piltidel on näha ühte kodus tehtud AVR 8-bitiste mikrokontrollerite programmeerijat ja ühte originaali - AVR ISP mkII. Atmeli oma toodangust on pilt pealt ja ka sellest, mis sel sees on.

• 

  Kodus tehtud AVR programmeerija, mis lõhkus palju mikrokontrollereid.

• 

  AVR ISP mkII pealt

• 

  AVR ISP mkII elektroonika