32) Принцип действия канала входного захвата таймера микроконтроллера.

Принцип действия канала входного захвата поясняет Рис. 1.18. Схема детектора события "наблюдает" за уровнем напряжения на одном их входов МК. Обычно это одна из линий порта ввода/вывода. При изменении уровня логического сигнала на входе детектора с 0 на 1 или наоборот вырабатывается строб записи и текущее состояние счетчика таймера записывается в 16-разрядный регистр данных TIC канала захвата. Описанное действие в микропроцессорной технике называют событием захвата. Предусмотрены три типа изменения сигнала на входе детектора, которые воспринимаются как событие захвата:

1) Изменение логического уровня с 0 на 1 (нарастающий фронт сигнала).

2) Изменение логического уровня с 1 на 0 (падающий фронт сигнала).

3) Любое изменение логического уровня сигнала.

Выбор типа события захвата устанавливается в процессе инициализации модуля таймера и может многократно изменяться по ходу выполнения программы. Каждое событие захвата отмечается установкой в 1 триггера TIC. Состояние триггера может быть считано программно, а если прерывания по событию захвата разрешены, то генерируется запрос на прерывание.

33) Принцип действия канала выходного сравнения таймера микроконтроллера.

Многоразрядный цифровой компаратор непрерывно сравнивает изменяющийся во времени код счетчика таймера с кодом, который записан в 16-разрядном регистре ТОС канала сравнения. В момент равенства кодов на одном из выводов МК устанавливается заданный уровень логического сигнала. Рассмотренное действие называют событием выходного сравнения. Предусмотрены три типа изменения сигнала на выходе РТх2 в момент события выходного сравнения:

1) Инвертирование сигнала на выходе.

2) Установка низкого логического уровня.

3) Установка высокого логического уровня.

При наступлении события захвата устанавливается в 1 триггер TOR Аналогично предыдущему случаю, состояние триггера может быть считано программно, а если прерывания по событию выходного сравнения разрешены, то генерируется запрос на прерывание.

34) Особенности модификаций модуля усовершенствованного таймера в микроконтроллерах. В рассмотренных примерах каждому событию модуля таймера (изменению уровня логического сигнала на входе или выходе МК) ставится в соответствие код счетчика, т.е. счетчик используется для создания непрерывно изменяющихся меток текущего времени. В отличие от "классического" таймера, где счетчик используется непосредственно для формирования кода измеряемого временного интервала, в усовершенствованном таймере счетчик лишь создает образ времени, подобно часам. А все действия по формированию или измерению временных интервалов производят аппаратные средства сравнения/захвата. Поэтому счетчик в составе модуля усовершенствованного таймера называют "счетчиком временной базы" или просто "временной базой". Эта же терминология сохранится и далее в модулях процессоров событий.

35) Ограничения модулей усовершенствованного таймера микроконтроллера. Если говорить о модификациях модуля усовершенствованного таймера в МК различных фирм, то необходимо отметить следующие особенности:

-- Число каналов входного захвата и выходного сравнения (1C и ОС), которые реализованы в модуле усовершенствованного таймера МК, может быть различно. Так, в МК семейства НС05 фирмы Motorola типовыми решениями являются модули 2IC + 20С или 1IC + ЮС, и модуль таймера в составе МК всегда только один. А МК PIC16 фирмы Microchip содержат до трех модулей таймеров, но обязательно со структурой 11C или ЮС (см. ниже).

-- В ряде модулей каналы могут быть произвольно настроены на функцию входного захвата (1C) или выходного сравнения (ОС) посредством инициализации.

-- Счетчик модуля усовершенствованного таймера может не иметь функции программного останова, т.е. он будет считать всегда. Поскольку в этом случае состояние счетчика нельзя синхронизировать с каким-либо моментом работы МП-системы, то такой счетчик характеризуют как свободно считающий (free counter).

-- Часто счетчик таймера не имеет опции тактирования внешним сигналом, т.е. не может работать в режиме счетчика событий.

Аппаратные средства усовершенствованного таймера позволяют решить многие задачи управления в реальном времени. Однако процесс совершенствования алгоритмов управления предъявляет все новые требования к структуре МК. И, как следствие, все более отчетливо проявляются ограничения модулей усовершенствованного таймера:

-- Недостаточное число каналов сравнения и захвата, принадлежащих одному счетчику временной базы. В результате невозможно сформировать синхронизированные между собой многоканальные импульсные последовательности.

-- Однозначно определенная конфигурация каналов (или захват, или сравнение) часто не удовлетворяет пользователя.

-- С использованием средств выходного сравнения возможно формирование сигнала по способу широтно-импульсной модуляции (ШИМ), однако несущая частота ШИМ-сигнала тем меньше, чем больше вычислений требуется выполнять при реализации алгоритма управления и чем большее число ШИМ-каналов требуется реализовать.

36) Модули процессоров событий микроконтроллера. Следующий этап в развитии модулей подсистемы реального времени — модули процессоров событий.

Модуль процессора событий содержит в себе 16-разрядный счетчик временной базы и некоторое количество универсальных каналов захвата/сравнения. Счетчик может тактироваться импульсной последовательностью с выхода программируемого делителя частоты стробирования межмодульных магистралей fBus или внешним генератором. Счетчик имеет опции пуска/останова и сброса в 0. В некоторых моделях процессора событий счетчик временной базы доступен для чтения "на лету". Режим чтения "на лету" предусматривает автоматическое копирование содержимого старшего и младшего байтов счетчика в специальные буферные регистры в момент выполнения операции чтения указанного в спецификации байта счетчика (старшего или младшего). Тогда при чтении второго байта счетчика возвращается код из соответствующего буферного регистра. Тем самым исключается ошибка считывания по причине изменения состояния счетчика временной базы в процессе чтения. Наиболее совершенные модели процессора событий 8-разрядных МК допускают изменение коэффициента счета счетчика временной базы или, что то же самое, изменение периода его работы. Для этого в составе модуля имеется двухбайтовый программно доступный регистр периода и многоразрядный цифровой компаратор (не путать с каналом захвата). При совпадении текущего кода счетчика временной базы с кодом периода триггеры счетчика временной базы автоматически сбрасываются в 0.

37) Три режима работы универсальных каналов захвата/сравнения микроконтроллера. Универсальные каналы захвата/сравнения полностью идентичны друг другу и в зависимости от программных настроек могут работать в одном из трех режимов:

1) Режим входного захвата.

2) Режим выходного сравнения.

3) Режим широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Первые два режима по принципу действия ничем не отличаются от аналогичных режимов модуля усовершенствованного таймера. Программно-логическая модель каждого канала включает двухбайтовый регистр данных канала и триггер события. В зависимости от выбранного режима регистр данных канала используется аппаратными средствами для записи кода временной базы в момент наступления входного захвата или для хранения кода выходного сравнения. Триггер устанавливается при наступлении любого из этих событий. При работе канала в режиме выходного сравнения могут возникать нарушения алгоритма работы, приводящие к неправильному формированию сигнала на выходе PTxi-модуля. Причиной таких сбоев является изменение под управлением программы величины кода сравнения в процессе работы канала.

В режиме широтно-импульсной модуляции на выводе ^ PTxi MK формируется последовательность импульсов с периодом, равным периоду работы счетчика временной базы. Длительность импульса (в некоторых моделях — длительность паузы) прямо пропорциональна коду в регистре данных канала. Режим ШИМ чрезвычайно удобен с точки зрения программного обслуживания. Если изменения коэффициента заполнения у не требуется, то достаточно один раз занести коду в регистр данных и проинициализировать режим ШИМ, и импульсная последовательность будет воспроизводиться с требуемыми параметрами без дальнейшего вмешательства со стороны программы.

38) Совершенствование подсистемы реального времени микроконтроллера. Следующий этап в развитии модулей подсистемы реального времени — модули процессоров событий. Впервые модули процессоров событий были предложены фирмой Intel в составе МК 8xC51FA/FB/FC/GB, позже аналогичный модуль появился в МК с ядром MCS-51 фирмы Philips. Модуль, который входит в состав перечисленных МК, носит название программируемого счетного массива РСА (Programmable Counter Array). В МК других фирм аналогичные по функциональному назначению модули обозначают САРСОМ (Infineon), TIM08 (семейство НС08 Motorola).

39) Модуль многоканального аналого-цифрового преобразователя. Отличительная особенность многих современных 8-разрядных МК — интегрированный на кристалл МК модуль многоканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Модуль АЦП предназначен для ввода в МК аналоговых сигналов с датчиков физических величин и преобразования этих сигналов в двоичный код с целью последующей программной обработки. Многоканальный аналоговый коммутатор служит для подключения одного из источников аналоговых сигналов (РТхО...РТх7) ко входу АЦП. Выбор источника сигнала для измерения осуществляется посредством записи номера канала коммутатора в соответствующие разряды регистра управления АЦП. Заметим, что в модулях АЦП 8-разрядных МК предусмотрена только программная установка номера канала, режим автоматического последовательного сканирования каналов с записью результата измерения каждого канала в индивидуальную ячейку памяти не реализуется.

Диапазон измеряемых значений напряжения аналоговых входов определяется опорным напряжением U0n- Разрешающая способность АЦП составляет U0n/2n, где п — число двоичных разрядов в слове результата. Максимальное значение опорного напряжения, как правило, равно напряжению питания МК. Два вывода модуля АЦП используются для задания опорного напряжения: VREFH — верхний предел U0n. VREFL — нижний предел. Разность потенциалов на входах VREFH и VREFL и составляет U0n- Если измеряемое напряжение UMSM ^ VREFH , то результат преобразования будет равен $FF, код $00 соответствует напряжениям 11ИЗм ** VREF|_. Для достижения максимальной точности измерения следует выбрать максимально допустимое значение U0n- В этом случае напряжение смещения нуля входного буфера и нелинейность передаточной характеристики АЦП будут вносить относительно малые погрешности.

40) Три группы задач модуля контроллера последовательного ввода/вывода. Задачи, которые решаются средствами модуля контроллера последовательного ввода/вывода, могут быть условно разделены на три группы:

1. Связь встраиваемой МП-системы с системой управления верхнего уровня: промышленным компьютером, программируемым контроллером, офисным компьютером. Наиболее часто для этих целей используются интерфейсы RS-232C и RS-485.

2. Связь с внешними по отношению к МК периферийными ИС встраиваемой МП-системы, а также с датчиками физических величин с последовательным выходом. Для этих целей используются интерфейсы SPI, I2C, а также нестандартные протоколы обмена.

3. Интерфейс связи с локальной сетью в мультимикропроцессор-ных системах. В системах с числом МК до пяти обычно используют сети на основе интерфейсов I2C, RS-232C, RS-485 с собственными сетевыми протоколами верхнего уровня. В более сложных системах все более популярным становится протокол CAN.