Рудякова А.Н., Липинский А.Ю., Данилов В.В., Рудяков И.Ю. Аппаратно-программные средства встраиваемых компьютерных систем
Подождите немного. Документ загружается.
Примеры реализации модулей
встраиваемых компьютерных систем
321
SQWE (Square Wave Enable - включение сигнала с прямоугольными
импульсами) - когда этот бит установлен в 1, включается генерация
прямоугольных импульсов. Их частота зависит от значения битов RS0 и RS1.
(Если частота выходного сигнала установлена в 1Гц, регистры часов
обновляются по заднему фронту этих импульсов).
RS (Rate Select - выбор частоты) - эти биты управляют частотой
прямоугольных импульсов, когда бит SQWE=1. В табл. 8.1 приведены
частоты, которые можно выбрать с помощью битов RS.
Таблица 8.1 –
Частота выхода SQW
RS1 RS0 Частота
0 0 1 Гц
0 1 4.096 кГц
1 0 8.192 кГц
1 1 32.768 кГц
DS1307 поддерживает обмен данными по протоколу I2C по
двухпроводной двунаправленной шине. Устройство, которое передаёт
данные на шину, является передатчиком, а устройство, принимающее
данные, - приёмником. Устройство, управляющее передачей данных,
называется ведущим. Устройство, которым управляет ведущий, называется
ведомым. Ведущее устройство генерирует синхроимпульсы (serial clock -
SCL), управляет доступом к шине и генерирует условия START и STOP.
DS1307 работает на шине
как ведомое устройство. Типовая конфигурация
шины с использованием протокола I2C показана на рис. 8.5.
Глава 8
322
Рис. 8.5
На рис. 8.6 – 8.8 подробно показан процесс передачи данных по
двухпроводной шине.
Основные принципы передачи данных по шине I2C:
- Передача данных может быть инициирована только когда шина
свободна.
- Во время передачи данные на линии SDA могут меняться только когда
на линии SCL низкий уровень, в противном случае изменение данных будет
интерпретироваться как
управляющий сигнал.
Таким образом, возможны следующие состояния шины:
- Шина не занята - на линиях SDA и SCL сохраняется высокий уровень.
- Начало передачи данных (условие START) - изменение состояния линии
SDA с высокого на низкий, в то время как на линии SCL высокий уровень.
- Окончание передачи данных (условие STOP) - изменение состояния
линии SDA с низкого на высокий, в
то время как на линии SCL высокий
уровень.
- Корректные данные - состояние линии SDA представляет корректные
данные, если после условия START состояние линии SDA не меняется в
течение высокого уровня тактового сигнала. Данные на линии должны
Примеры реализации модулей
встраиваемых компьютерных систем
323
меняться в течение периода низкого уровня тактового сигнала. На один бит
данных приходится один тактовый импульс.
Каждая передача данных инициируется условием START и завершается
условием STOP. Число байтов данных, передаваемых между условиями
START и STOP, не ограничено и определяется ведущим устройством.
Информация передаётся побайтово, и каждый байт приёмник подтверждает
девятым битом (бит подтверждения - ACK). В
спецификации
двухпроводного интерфейса определены обычный режим (с тактовой
частотой 100 кГц) и быстрый режим (с тактовой частотой 400 кГц). DS1307
работает только в обычном режиме (100 кГц).
- Подтверждение - каждое принимающее устройство, когда является
адресуемым, обязано генерировать подтверждение после приёма каждого
байта. Ведущее устройство должно генерировать дополнительный тактовый
импульс, который предназначен для бита подтверждения.
Подтверждающее
устройство должно подтянуть к низкому уровню
линию SDA во время тактового импульса подтверждения таким образом,
чтобы на линии SDA оставался стабильный низкий уровень в течение
периода высокого уровня тактового импульса, относящегося к
подтверждению. Конечно, настройка и времена удержания должны быть
приняты во внимание. Ведущий должен сигнализировать ведомому
окончание данных, не генерируя бит подтверждения
на последнем байте,
который был получен от ведомого. В этом случае ведомый должен оставить
линию данных в состоянии высокого уровня, чтобы позволить ведущему
сгенерировать условие STOP.
Глава 8
324
Рис. 8.6
В зависимости от состояния бита
возможны два типа передачи
данных:
- передача данных от ведущего передатчика ведомому приёмнику:
первый байт, передаваемый ведущим, - это адрес ведомого, далее следует
некоторое количество байтов данных; ведомый возвращает подтверждающий
бит после каждого принятого байта, данные передаются, начиная со
старшего бита (most significant bit - MSB);
- данные передаются от ведомого передатчика ведущему приёмнику:
первый байт (адрес
ведомого) передаётся ведущим, ведомый возвращает
подтверждающий бит; за ним следует передаваемое ведомым некоторое
количество байтов данных, ведущий возвращает подтверждающий бит после
всех принимаемых байтов кроме последнего байта; в конце последнего
принятого байта возвращается "неподтверждение"; ведущее устройство
генерирует все последовательные синхроимпульсы, а также условия START
и STOP; передача заканчивается условием STOP или повтором условия
START;
поскольку повторение условия START также является и началом
следующей последовательной передачи, шина не освобождается; данные
передаются, начиная со старшего бита.
Примеры реализации модулей
встраиваемых компьютерных систем
325
DS1307 может работать в следующих двух режимах: режиме ведомого
приёмника или режиме ведомого передатчика.
Режим ведомого приёмника (режим записи DS1307): последовательные
данные принимаются по SDA и синхронизируются по SCL, после каждого
принятого байта передаётся бит подтверждения; условия START и STOP
распознаются как начало и конец последовательной передачи; распознавание
адреса выполняется аппаратно после приёма адреса ведомого и
бита
направления (см. рис. 8.7).
Байт адреса - это первый байт, принятый после генерации ведущим
условия начала. Он содержит 7 битов адреса DS1307, который имеет
значение 1101000, и следующий за ним бит направления (
), который для
записи равен 0. После приёма и декодирования адресного байта DS1307
выдаёт на линию SDA подтверждение, после чего ведущий передаёт в
устройство адрес регистра. Это установит регистровый указатель. Затем
ведущий начинает передачу байтов данных, каждый из которых будет
подтверждаться DS1307. Чтобы завершить запись данных, ведущий
генерирует условие окончания.
Рис. 8.7
Режим ведомого передатчика (режим чтения DS1307): первый байт
принимается и обрабатывается так же, как и в режиме ведомого приёмника.
Однако в этом режиме бит направления будет указывать, что направление
передачи инвертировано. DS1307 передаёт последовательные данные по
линии SDA пока на линию SCL поступают последовательные
Глава 8
326
синхроимпульсы. Условия START и STOP распознаются в начале и в конце
последовательной передачи (см. рис. 8.8).
Байт адреса - первый байт, принимаемый после стартового условия,
генерируется ведущим. Байт адреса состоит из 7-битного адреса DS1307,
который равен 1101000, и следующего за ним бита направления передачи
(
), который для чтения равен 1. После приёма и декодирования байта
адреса, устройство выдаёт подтверждение на линию SDA. Затем DS1307
начинает передавать данные, начиная с указанного адреса, находящегося в
регистровом указателе. Если перед началом чтения указатель регистра не
записан, то первый читаемый адрес - это адрес, который был сохранён в нём
последним. DS1307 должен принять "неподтверждение"
для окончания
чтения.
Рис. 8.8
8.2. Устройство записи и воспроизведения звуковых сигналов
Перед сохранением аналогового сигнала речи во внешней памяти,
подключенной к микроконтроллеру (например, DataFlash), этот сигнал
должен быть оцифрован, что делается за несколько шагов.
Сначала аналоговый сигнал (см. рис. 8.8) преобразуется в сигнал,
разделённый по времени, посредством периодической выборки (рис. 8.9).
Временной интервал между двумя выборками называется «периодом
выборки», а его обратная величина называется «
частотой дискретизации».
Примеры реализации модулей
встраиваемых компьютерных систем
327
Рис. 8.8
Согласно теореме о дискретном представлении (теорема Шеннона-
Котельникова), частота дискретизации должна быть, по крайней мере, в два
раза большей частоты сигнала. В противном случае периодическое
продолжение сигнала в частотной области приведёт к спектральному
перекрытию, называемому «наложением спектров». Такой сигнал с
наложением спектра не может быть однозначно восстановлен из
выборки.
Рис. 8.9
Основную информацию речевого сигнала несут частоты до 3000 Гц.
Поэтому для ограничения полосы частот сигнала может быть использован
фильтр нижних частот.
Для идеального фильтра нижних частот с частотой отсечки 3000 Гц,
частота выборки должна быть 6000 Гц. В зависимости от фильтра меняется
его крутизна. Особенно важно выбрать наибольшую частоту дискретизации
Глава 8
328
для фильтра первого порядка, такого как RC-фильтр, используемый в этом
примере. Верхний предел ограничивается возможностями АЦП.
«Квантованием» называется определение цифровых значений,
соответствующих аналоговым выборкам, взятым на частоте дискретизации.
Аналоговый сигнал квантуется путём приписывания аналоговой величине
ближайшего «допустимого» цифрового значения (см. рис. 8.10). Количество
цифровых значений называется «разрешением» и всегда ограничивается.
Например, 256
значений для 8-битного цифрового сигнала или 10 значений в
этом примере. Поэтому квантование аналоговых сигналов всегда приводит к
потере информации. Эта «ошибка квантования» обратно пропорциональна
разрешению цифрового сигнала. Она также обратно пропорциональна
«динамическому диапазону» сигнала, т.е. интервалу между минимальным и
максимальным значениями (3 и 8 в этом примере). АЦП микроконтроллера
AT90S8535 может быть
настроен на динамический диапазон сигнала, если на
AGND и AREF подать соответственно минимальное и максимальное
значение сигнала.
Рис. 8.10
С другой стороны, усилитель микрофона может быть настроен так, что
он будет перекрывать динамический диапазон АЦП, как показано ниже.
Оба метода снижают ошибку квантования. К тому же, последний метод
увеличивает отношение сигнал/шум (SNR) и может быть выделен хотя бы
поэтому.
Примеры реализации модулей
встраиваемых компьютерных систем
329
На рис. 8.11 показаны цифровые значения, которые соответствуют
аналоговому сигналу. Эти значения сняты с выхода АЦП.
Рис. 8.11
В этом примере сигнал имеет минимальное и максимальное значения,
которые никогда не превышают предела. Части сигнала ниже минимального
и выше максимального значений не содержат информации. Они должны
быть удалены, чтобы не «забивать» память. Это делается путём сдвига вниз
всего сигнала и отбраковкой частей превышающих максимальное значение
«max» (см. рис
. 8.12).
Рис. 8.12
В этом примере окончательный сигнала состоит из 8 бит. Теперь он
может быть сохранён в DataFlash.
Глава 8
330
DataFlash не требует отдельного цикла стирания перед
программированием. При использовании команд «Буфер в основную
страницу памяти программы с встроенным стиранием» и «Основная
страница памяти программы сквозь буфер», DataFlash будет автоматически
стирать определённую страницу в массиве памяти перед программированием
действительных данных. Если система требует большую программную
пропускную способность (больше 200K bps), то области массива основной
памяти могут быть предварительно очищены, для уменьшения суммарного
программного времени. Дополнительная команда «Очистка страницы»
предназначена для стирания отдельной страницы памяти, в то время как
команда «Очистка блока» позволяет очистить одновременно 8 страниц
памяти. При предварительной очистке части главного массива памяти, для
уменьшения общего времени, может использоваться команда «Буфер в
основную страницу памяти
программы без встроенного стирания».
Первый метод более эффективен в отношении записи программного
кода, так как не применяются дополнительные циклы стирания. Однако в
этом примере используется очистка блока для того, чтобы показать как
большая часть памяти может быть очищена, если это потребуется. Очистка
всей памяти может занять несколько секунд.
После очистки
памяти данные могут записываться до тех пор, пока не
заполнятся все страницы.
Для записи в DataFlash используется буфер 1. Когда этот буфер
заполнится (528 выборками), он записывается в память во время 529
преобразования. Данные записываются до тех пор, пока нажата кнопка
«Запись» или память не заполнилась. Если вся память заполнена, то новые
данные не
могут быть записаны, пока не очищена DataFlash. Если память
заполнена лишь частично, то при повторном нажатии кнопки «Запись» новые
данные будут добавлены сразу за уже записанными данными.