Institutionen för data- och informationsteknik 2011-11-07 : Ett komplett avbrottsstyrt system med in- och utenheter Inledning Vid resten av kursens labtillfällen så kommer vi att steg för steg bygga upp ett komplett avbrottsstyrt system som använder olika både interna och externa periferienheter. Slutresultatet kommer att bli ett system för analog ljudinsamling via sampling följt av enkel digital signalbehandling varefter vi via D/A-omvandling återskapar den analoga signalen. Vi kommer att göra D/A-omvandlingen både via en lågpassfiltrerad PWM-signal och med hjälp av en vanlig D/A- omvandlare med R-2R nätverk. Vi kommer inte att direkt kasta oss över hela huvuduppgiften utan vi skall stegvis via ett antal uppgifter bekanta oss med de olika modulerna som vi behöver för att lösa uppgiften. Vi kommer att avsluta med att göra en applikation som är distribuerad över ett CAN-nätverk. Detta blir dock inte ljudapplikationen då CAN inte kan garantera att samplen överförs med rätt hastighet. Uppgifterna är ganska allmänt beskrivna och för att lösa dem så måste ni ingående studera de olika periferienheternas referensmanualer. Till en del av enheterna finns ganska många register kopplade och det gäller då att identifiera vilka register som är relevanta för den aktuella uppgiften, använder man till exempel inte avbrott så är de avbrottsrelaterade registren irrelevanta bortsett från att man naturligtvis skall se till att avbrott inte är aktiverat. Det gäller också i ett flertal fall att identifiera vad som är kontrollregister för att konfigurera enheten och vad som är statusregister som ger information om resultatet från enhetens arbete. Uppgifter Vi kommer alltså att genomföra ett antal deluppgifter där varje uppgift är avsedd att öka kunskapen om någon av de periferienheter som vi kommer att behöva i huvuduppgiften. En del av uppgifterna är separata tester av olika periferienheter som sammantaget ger underlag för lösningen av huvuduppgiften. Antalet uppgifter är ganska stort och det är möjligt att vi av tidsskäl får plocka bort några av dem. CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA Institutionen för data- och informationsteknik Sida 1 Avdelningen för datorteknik Besöksadress: Rännvägen 6 412 96 Göteborg
Uppgift 1 Använd en kanal i någon av de inbyggda A/D-omvandlarna för att A/D-omvandla den variabla spänningen från en potentiometer som har anslutits mellan jord och +5 volt. Visa det digitala resultatet på en lysdiodarray. Använd 8 bitar för omvandlingen och kör kontinuerligt med maximal hastighet, dvs så snart en omvandling är klar så skall nästa omvandling starta. Välj en A/D-kanal och se till att omvandlaren bara använder sig av denna kanal. Då vi skall köra kontinuerligt så bör man se till att omvandlaren är konfigurerad för detta. Fundera på om ni vill ha höger- eller vänsterjusterade data och hur det påverkar hanteringen av data. Hur ser vi till att en A/D-omvandling är klar innan vi gör nästa omvandling samtidigt som vi inte väntar onödigt länge (pollning)? Uppgift 2 Undersök hur hög den maximala omvandlingshastigheten är. Ni måste komma på en metod för att kunna mäta detta. Det går fort så att titta på blinkande lysdioder är ingen tillförlitlig metod. Uppgift 3 Omvandla lysdiodvisningen så att vi i stället för det digitala värdet visar en termometerskala, dvs lysdioderna tänds upp till den aktuella nivån. Fundera över hur stor del av arbetsområdet varje lysdiod skall representera. Uppgift 4 Ersätt potentiometern med temperaturgivaren LM35DZ. Komplettera med lämplig förstärkning så att vi inom ADC:ns arbetsområde kan hantera temperaturintervallet 0º - 40º Celsius. Sök upp temperaturgivarens datablad på nätet. Ta reda på förhållandet mellan temperatur och utspänning från givaren. Beräkna lämplig förstärkning så att vi utnyttjar A/Domvandlarens arbetsområde så bra som möjligt. Ni har tillgång till operationsförstärkare ur gruppen TS951, TS952 och TS954. Dessa skiljer sig bara åt genom att kapslarna innehåller 1, 2 respektive 4 operationsförstärkare. Dessa förstärkare kan hantera hela spänningsområdet från positiv till negativ drivspänning (eller noll). Sådana operationsförstärkare sägs vara av rail-to-rail typ. Då ni använder termometerskalan så är det väl lämpligt att varje lysdiod representerar ett helt antal grader, dvs vi får avvika lite från kravet att ha arbetsområdet 0 40º Celsius. sida 2
Uppgift 5 Använd timern för att göra systemet samplat. Sampla med frekvensen 5 khz. Använd samma metod som ni i Uppgift 2 använde för att bestämma maximal omvandlingshastighet för att kontrollera att samplingsfrekvensen blir korrekt. Vi har redan lärt oss i Laboration 1 hur man använder output compare eller modulus down counter hos timern för att generera en precis klocka som vi här kan använda som samplingsklocka. Uppgift 6 Komplettera med en larmsignal som skall tändas då temperaturen överstiger den larmnivå som ställs in på den grupp av DIL-switchar som ansluts till någon port. Larmnivån skall ställas in i grader Celsius. Använd en av de ytterligare lysdioder som finns på kortet med lysdiodrampen som larmsignal. Uppgiften kräver inga speciella tips. Uppgift 7 Ersätt larmdioden med en fläkt som styrs av en PWM-signal. Fläkten skall starta och gå med konstant hastighet då temperaturen överstiger larmnivån. Då fläkten skall gå med konstant hastighet så skall PWM-signalen ha konstant pulskvot. Det handlar alltså bara om att slå av och på PWM-signalen. Då fläkten kräver mer ström än vad processorns utgångar kan ge så måste ni koppla ett effektsteg mellan PWM-utgång och fläkt. Kortet kallas PWM-driver och är märkt för att drivas med 24 volt men det kan lika gärna drivas med 12 volt vilket är den spänning fläktarna skall ha. Håll rätt på spänningarna så att 12 volt inte når processorn! Prova lite olika frekvenser hos PWM-signalen och undersök om frekvensen inverkar på resultatet. Uppgift 8 Gör fläkten varvtalsreglerad så att den startar långsamt vid larmnivån och når maximal hastighet då temperaturen når 40º Celsius. Då arbetsområdet för fläkten ändras när larmnivån ändras så måste styrningen under körningens gång skalas om med hjälp av denna nivå. Då fläkten har ett startmoment så kan man inte börja från pulskvoten noll (0) utan från kanske 10 % eller mer. Det är lite olika för olika exemplar av fläkten. Uppgift 9 Vi skall nu gå in på huvuduppgiften, digitalisering av ljud och återskapande av det analoga ljudet. sida 3
Använd ett oscilloskop för att studera ljudsignalen från datorn då ni spelar någon ljudfil eller en CD-skiva. Gör lämpliga ändringar av elektroniken före A/D-ingången för att maximal signalnivå skall passa in i A/D-omvandlarens arbetsområde. Lägg också in ett enkelt antivikningsfilter genom att lägga ett lågpassfilter som filtrerar signalen med gränsfrekvens 5 khz före A/D-omvandlaren. Gör förstärkning och filtrering som separata delar så att vi enkelt kan undersöka effekten av att utelämna filtret. Kretslösningen blir enklare om vi använder symmetrisk drivspänning till vår analoga elektronik så använd ±5 volt som drivspänning. Ni har som tidigare tillgång till operationsförstäkare ur gruppen TS95x. Sök upp datablad på nätet. Dimensionera ett aktivt andragradsfilter. Kom ihåg att AD-omvandlaren är unipolär dvs signalen måste med hjälp av elektronik flyttas till AD:ns arbetsområde. Uppgift 10 Sampla systemet med samplingsfrekvensen 20 khz. Vi har redan lärt oss att använda timern för sampling. Kontrollera även nu att samplingsfrekvensen blir den rätta. Vi måste ha en filtergränsfrekvens (5 khz) som är klart under halva samplingsfrekvensen (10 khz) då vi använder ett ganska flackt filter (lågt gradtal). Uppgift 11 Skicka ut signalen som en PWM-signal. Välj lämplig frekvens och upplösning på PWMsignalen. Dimensionera ett lågpassfilter som filtrerar fram ljudsignalen, dvs dämpar fyrkantvågen i PWM-signalen och i stället tar fram signalens medelvärde. Testa med olika kombinationer av upplösning och PWM-frekvens. Lågpassfiltret skall naturligtvis inte filtrera bort delar av vår insignal utan bara ta hand om, dämpa, PWM-signalens fyrkantpuls. Dimensionera ett nytt andragradsfilter för detta. Det finns faktiskt en del från tidigare dimensioneringar som ni kan återanvända. Uppgift 12 För att kunna öka dämpningen av fyrkantvågen i utsignalen så måste vi höja PWM-frekvensen och för att kunna göra detta utan att begränsa upplösningen så skall vi höja processorns klockfrekvens genom att låta denna styras av processorns inbyggda PLL-krets. Höj klockfrekvensen från 8 MHz till 48 MHz med hjälp av PLL:n och testa effekten på er lågpassfiltrerade PWM-signal. Studera manualen CRG (Clock and Reset Generator) för att komma fram till hur PLL:n aktiveras. Kom ihåg att när vi nu ändrar processorns systemklocka så kommer alla enheter som styrs av denna påverkas. Ni måste till exempel ändra konfigurationen av timern för att behålla samplingsfrekvensen 20 khz. Observera att PLL-frekvensen inte hanteras på riktigt samma sätt som klockfrekvensen från kristalloscillatorn. sida 4
Uppgift 13 Ersätt PWM-delen med D/A-omvandlaren MAX548A som ansluts via SPI-interface (SPI0) till labkortet SPI_D/A. Sök upp D/A-omvandlarens datablad på nätet och studera dess konfigurering. Då D/Aomvandlaren arbetar med 16 bitar per överföring via SPI-interfacet medan processorns SPI-interface använder 8 bitar så måste vi lyfta ut /SS-signalen från interfacet och skapa denna själva så att vi kan sända 16 bitar innan /SS-signalen deaktiveras. Det framgår av hårdvarubeskrivningen av D/A-kortet, SPI_D/A, hur /SS-signalen är kopplad. Testa vad som händer med utsignalen om vi utelämnar lågpassfiltret före A/D-omvandlaren. Uppgift 14 Komplettera systemet med en enkel signalbehandlingsrutin som realiserar uttrycket y n 0,5 x n 0,5 x n 4 dvs vi subtraherar det värde vi läste in för fyra samplingsintervall sedan från nuvarande insampel. Faktorerna 0, 5 är bara till för att utsignalen inte skall bli större än insignalen och därmed riskera att bottna systemet. Observera att filterfunktionen kräver ett minne i form av ett skiftregister för att minnas tidigare sampel. Fundera över förväntat frekvensförlopp hos filtret, dvs vilka delar av frekvensspektrat kommer att dämpas och vilka kommer att förstärkas. Anslut en funktionsgenerator till systemets ingång och ett oscilloskop till dess utgång. Kontrollera frekvensegenskaperna genom att svepa insignalens frekvens över systemets frekvensområde. Uppgift 15 Till sist skall vi distribuera en av våra uppgifter genom att fördela den över två CAN-noder. Då vår processor innehåller två CAN-noder så kan ni klara den första uppgiften utan att blanda in någon annan grupp. CAN-interfacet är inte avsett för distribution av signaler som måste sändas och tas emot med en viss klockfrekvens så det passar inte så bra för samplat ljud och därför skall vi distribuera en av de tidigare uppgifterna, Uppgift 8. Dela upp applikationen så att den A/D-omvandlade temperaturen sänds från en CAN-nod till en annan CAN-nod och där används det mottagna ordet för att visa temperatur på en terminal i datorn. Inställning av larmnivå skall ske från den senare noden. För att sända från den ena CAN-modulen till den andra så finns det färdiga byglingar på CAN-kortet MC12 CAN-module. Det enklaste sättet att kontrollera att vi verkligen använder CAN-bussen för överföringen är att lyfta dessa byglingar, då skall applikationen naturligtvis inte fungera längre. sida 5
Uppgift 16 Komplettera den mottagande CAN-noden med en teckenbaserad LCD-display som visar aktuell temperatur. Denna ersätter då terminalen. Börja gärna med att testa displayen för sig, dvs skriv ett enkelt program som kan skriva till displayen. Detta program kan sedan lämpligen integreras i applikationen. Uppgift 17 Byt ut den teckenbaserade LCD-displayen mot en punktbaserad LCD-display som förutom aktuell temperatur även kan visa en visuell larmsignal. Då displayen är punktbaserad så har den inget inbyggt alfabet utan vi måste själva bygga upp bokstäverna från punkter. sida 6