TIES530 - Sulautettujen järjestelmien arkkitehtuurit

Jukka Ihalainen, jukka.ihalainen@chydenius.fi

Tietoliikennelaboratorio, http://rf.chydenius.fi

Luento 8: Oheislaitteet ja komponentit

Komponentteja

• Vastukset– ylösvetovastus

– virranrajoitus• useat komponentit kestävät

vain muutaman kymmenen mA:n virtoja, esim LED tyypillisesti max 20 mA

– jännitteenjako• esim äänenvoimakkuuden

säätö

+5V

10k

+5V

500

10mA0,01A500

5

V

R

UI

R2

R1

RL

Ui

Uo

VV

RRR

RRUU

L

Lio

05,1826

825

21

2

Komponentteja…

• Kondensaattorit– kytkentäkondensaattorina

blokkaa tasakomponentin , kytkinvärähtelyiden suodatus (alipäästösuodatin), käyttöjännitteen häiriöiden suodatus

– muovieristeiset (POLKO, polyesterikondensaattori), keraamiset (KERKO), elektrolyyttiset (ELKO)

+

PB51

PB32

3PB4

4GND

VCC

PB2

PB1

PB0

5

6

7

8

ATtiny 13

U

R

C

U0

U0/U

t0

U0

Komponentteja…

• Kelat– vastustaa virran

muutosta

– releet, muuntajat, suodattimet

– vastuksen kanssa sarjassa muodostaa ylipäästösuodattimen

R

L

L2 L4 L6

C1 C3 C5 C7

C2

L1 L3

C6

L5 L7

C4

7. kertaluvun ali- ja ylipäästösuodatin

Komponentteja…

• Diodit– tasasuuntauksessa,

suojauksessa, paristovarmennus

– zener (jännitteentasaaja), tyristori (valohimmennin), triakki (säädin), diakki (säädin), fotodiodi, valodiodi (LED)

Komponentteja…

~230 VAC

14 VAC

12 VDC

Komponentteja…

• Transistorit– PNP, NPN, FET– kytkimenä,

vahvistimena– kontrollerin i/o-

liitännän kautta ei voida ajaa suuria kuormia (max. muutama 10mA) eli ei yleensä jaksa ohjata edes relettä

R

uC

+24V

Komponentteja…• Painonapit/kytkimet/releet

– esim. 4x4 puhelinnäppäimistö voidaan liittää joko suoraan kontrollerin i/o-tuloihin (8) ja pollaamalla tutkia näppäinten painalluksia

– voidaan käyttää myös valmista näppäimistöpiiriä 74C922, joka vie kontrollerista 4 i/o tuloa ja yhden ulkoisen keskeytyslinjan

Komponentteja…

• Regulaattorit– positiiviset (esim.

L78xx, jossa xx on lähtöjännitteen arvo, L7805 lähtö +5V), negatiiviset (esim. L79xx)

L78M05

Ci

0.33 uF

Co

0.1 uF

+5V0.5A+7V…+35V 1 2

3

Komponentteja…

• Kiteet– kellokiteet , taajuus

yleensä 32768 kHz, tarkkuus 20ppm

– mikroprosessorikiteet (HC49), ~2MHz …32MHz, tarkkuus yl. 50 ppm

Komponentteja…

• Näytöt– yksittäiset LEDit tai

pylväsnäytöt, 7-segmentti-näytöt, pistematriisinäytöt, LCD-näytöt

Liitäntätavat

• digitaalinen i/o –liitäntä– harvoin pystytään kytkemään suoraan prosessiin vaan vaaditaan

sopivaa liitäntäelektroniikkaa• lähdöistä ei saada riittävästi virtaa tai ne eivät pysty nielemään

riittävästi virtaa• lähdön ja kuorman jännitetasot erisuuret• tulot eivät ole TTL-tasoista signaalia

– lähtöjä voidaan laajentaa esim. 8-porttisella D-kiikulla, joka liitetään prosessorin tietoväylään (74HC377) tai siirtorekisterillä (serial in – parallel out) (74HC595)

– tuloja voidaan vastaavasti laajentaa esim. 8-porttisella puskuripiirillä (74HC541) tai siirtorekisterillä (parallel in – serial out)

R

R

Lähtöliitäntä

M

<

Lähtöliitäntä

+12V

R

R

Optokytkin

Prosessista tuleva

signaali

Liitäntäpiirin tuloon

+5V

Liitäntätavat…

• analoginen i/o –liitäntä– ulkoisia A/D ja D/A –muuntimia

on saatavana sekä rinnakkais- että sarjaliitettävänä

• kanavia 1, 2, 4, 8

• resoluutio 8 – 24 bittiä

• muunnosajat ~10us

Liitäntätavat…

• SPI – Motorolan kehittämä synkroninen

tiedonsiirtoväylä– tiedonsiirto MOSI (Master Out

Slave In) ja MISO (Master In Slave Out) signaalien välityksellä. Lisäksi kellosignaali (SCLK) sekä tarvittaessa piirin valintasignaali (SS)

– suosittu väylä nykyään• A/D muuntimia, radiopiirit,

ethernet-kontrollerit, muut kontrollerit

Liitäntätavat…

• IIC-väylä (Inter-Intergrated Circuit bus, IIC, I2C tai I2C)– Philipsin kehittämä yksinkertainen 2-

johtiminen sarjaväylä• SDA (Serial data line)• SCL (Serial clock line)• väylässä törmäysten havaitsemismekanismi• jokaisella väylään liitetyllä laitteella oma osoite• tiedonsiirtonopeus 100/400 kb/s

DS 1621

Tiedonsiirron liitäntäpiirit

• USB (Universal Serial Bus)– sarjaväyläarkkitehtuuri oheislaitteiden

liittämiseksi tietokoneeseen– mikrokontrolleriympäristössä voidaan RS232

yhteys korvata USB-yhteydellä. • esim Future Technology Devices Internationalin

valmistama FT232RQ, joka voidaan liittää kontrollerin rx, tx, rts ja cts -linjoihin

Tiedonsiirron liitäntäpiirit…

• RS-232– rs232 –signaalin 0-tilaa vastaa jännite +5V… +15V ja

1-tilaa jännite -15V…-5V (negatiivinen logiikka) rs232 signaali on sovitettava TTL-tasoisiin liitäntöihin. Tämä tehdään RS-232 –sovitinpiirillä, esim MAX232-piiri. Balansoimaton sarjaliitäntä eli signaalien jännitepotentiaalia verrataan maatasoon.

• sovitinpiiri tarvitsee ympärilleen vain 4 kondensaattoria (ELKO) sisäistä jännitepumppua varten (+5V +10V ja -10V)

• sovitinpiiri sisältää yleensä 2 tai useampia lähetin/vastaanotinpareja (rx/tx)

Tiedonsiirron liitäntäpiirit…

• RS-485/RS-422– balansoitu sarjaliitäntä, jossa signaalin looginen taso

määräytyy kahden johtimen välisestä jännite-erosta

– kaapelina kierretty parikaapeli, joka kumoaa kaapeliin indusoidun häiriön

– voidaan tehdä jopa 32 laitteen verkko

– kaapelin pituus jopa 1200m, ja tiedonsiirtonopeus 2,5Mb/s

– yleinen liitäntä erilaisissa mittalaitteissa (teollisuus)

Tiedonsiirron liitäntäpiirit…

• CAN (Controller Area Network)– alun perin autoteollisuuden

käyttöön kehitetty sarjaliitäntä

• vähemmän kaapelointia

– tukee useita isäntiä samassa väylässä

– vianetsintä- ja analysointilaitteita

– useita valmistajia, esim Infineon 82C900

Tiedonsiirron liitäntäpiirit…

• Ethernet– 10 Mb/s, 100 Mb/s, 1Gb/s– sulautettu järjestelmä saadaan helposti liitettyä yleiseen

verkkoon• voi lähettää tietoa palvelimille

• voidaan ohjata järjestelmää verkon kautta

• voi lähettää hälytyksiä (email, snmp-trap,…)

– ethernet kontrolleri voidaan liittää prosessorin data- ja osoiteväylään (Cirrus Logic CS8900A) tai yksinkertaisemmin SPI-väylään (Microchip ENC28J60)

Tiedonsiirron liitäntäpiirit…

• Bluetooth– markkinoilla valmiita

moduuleja, joita voi integroida omaan sulautettuun järjestelmään

– Bluetoothissa sarjamuotoinen liityntä, joten voidaan liittää kontrollerin UART –liityntään

– esim Free2Move tekee bluetoothmoduulia F2MO3AC2, joka sisältää myös antennin

Tiedonsiirron liitäntäpiirit…

• Zigbee (802.15.4) ja Wibree (Nokian BluLite)– vähän energiaa kuluttavia radioteknologioita

– molempien ideana, että kaikki laitteet keskustelevat toistensa kanssa

– Wibree tuevaisuudessa yhteensopiva myös Bluetoothin kanssa

• ja muut radiot– paljon käyttökohteita lyhyen ja pitkän kantaman

radiolinkeille (kauko-ohjaus)

Tiedonsiirron liitäntäpiirit…

• GPS– valmiita moduuleita markkinoilla runsaasti

• helpohko integroida toiseen järjestelmään

• sarjamuotoinen datayhteys kontrollerille (9600,8,n,1)

Anturit ja toimilaitteet

• Analogiset– lämpötila esim Pt100,

LM335, NTC- ja PTC-vastusanturit

– valo esim BPW21

• Digitaaliset– lämpötila esim.

DS18S20 ja DS1621