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

331

Воспроизведение звука всегда начинается с начала DataFlash. Оно

прекращается, если все записанные данные воспроизведены или когда

кнопка «Воспроизведение» отпущена.

DataFlash позволяет проигрывать данные либо напрямую из основной

страницы памяти, либо путём копирования страницы в один из двух буферов

и последующим чтением из буфера. Метод прямого доступа не подходит для

этого примера, так

как это метод двухадресный (один адрес для страницы,

другой для позиции байта), и, следовательно, в DataFlash должна быть

отправлена длинная загрузочная последовательность для каждого отдельного

байта. Это занимает больше одного цикла ШИМ, который длится 510

тактовых импульсов для 8-битного ШИМ сигнала.

Поэтому, одна страница памяти копируется в один из двух буферов.

Пока данные

читаются из этого буфера, следующая страница памяти

копируется в другой буфер. Когда все данные считаны из первого буфера,

чтение продолжается из другого буфера, в это время первый буфер

перезагружается. Чтение данных из буфера DataFlash синхронизируется

частотой ШИМ.

Рис. 8.13

Цифровое значение воспроизводится с использованием широтно-

импульсной модуляции (ШИМ). На рисунке 8.13, показаны выборки 2 и 3

сигнала из примера. Один цикл ШИМ сигнала состоит из двух этапов:

Глава 8

332

первый - счётчик считает до максимального значения, которое может быть

представлено данным разрешением (8 в этом примере), и второй - счётчик

досчитывает до нуля. Вывод разрешается, когда значение ШИМ счётчика

совпадает со значением цифрового сигнала и запрещается, когда значение

ШИМ счётчика становится меньше этого значения. В этом примере тёмная

область представляет собой энергию сигнала

Частота ШИМ должна быть, по крайней мере, в два раза выше, чем

частота сигнала. Рекомендуется, чтобы частота ШИМ была, по меньшей

мере, в четыре раза выше (в зависимости от выходного фильтра).

Это может быть достигнуто или снижением частоты сигнала, или

увеличением частоты тактовых импульсов, или снижением разрешения

сигнала.

Частота системного

таймера и разрешение ШИМ определяют частоту

ШИМ.

При частоте системного таймера 8 МГц, частота 10-битной ШИМ равна

3922 Гц, 7843 Гц для 9-битного разрешения, и 15.686 Гц для 8-битного

разрешения.

Только высокое значение частоты (15.686 Гц) достаточно, чтобы

служить в качестве несущей частоты для 4000 Гц сигнала. Поэтому,

первоначальная 10-битная цифровая выборка преобразуется в 8-битную.

Выходной

фильтр сглаживает выходной сигнал и удаляет

высокочастотную несущую ШИМ сигнала. Результирующий выходной

сигнал для сигнала из примера похож на тот, что изображён на рис. 8.14.

Если исключить ошибку квантования (она очень большая в данном примере,

т.к. используется только 8 цифровых значений) и отсутствующее усиление,

то сигнал полностью похож на входной аналоговый сигнал

(см. рис. 8.9).

Примеры реализации модулей

встраиваемых компьютерных систем

333

Рис. 8.14

На рис. 8.15 изображена схема соединения микроконтроллера и памяти.

Пользователь может управлять звуковой системой через три кнопки, которые

называются: «Очистка», «Запись» и «Воспроизведение». Если кнопки не

нажаты, то внутренний нагрузочный резистор обеспечивает VCC на

PD0…PD2. Нажатие кнопки переключает входную линию на GND.

В качестве обратной связи для пользователя выступает LED,

отображающий состояние системы

DataFlash напрямую подключается к AVR микроконтроллеру через шину

SPI. В случае использования опции ISP перепрограммирования AVR,

нагрузочный резистор на линии Chip Select(#CS) предотвращает DataFlash от

перехода в активное состояние. Если опция ISP не используется, то этот

резистор может отсутствовать.

Аналоговое напряжение, AVCC, подключается к VCC через RC-фильтр

нижних частот. Опорное напряжение устанавливается равным AVCC.

Кварцевый резонатор с двумя развязывающими конденсаторами (22 пФ)

генерирует системные тактовые импульсы.

Схема подключения микрофона и динамика приведена на рис. 8.16.

Микрофонный усилитель является простым инвертирующим усилителем.

Коэффициент усиления устанавливается через R1 и R9 (коэффициент

усиления = R1/R9).

Глава 8

334

Рис. 8.15

Рис. 8.16

Примеры реализации модулей

встраиваемых компьютерных систем

335

R4 предназначен для питания микрофона, а C1 блокирует любые DC

составляющие на входе усилителя. R2 и R3 устанавливают смещение. R5 и

С8 формируют простой фильтр нижних частот первого порядка. Также R5

защищает усилитель от любых повреждений, если выходная цепь закорочена.

Цепь динамика состоит из фильтра нижних частот Чебышева пятого

порядка и усилителя с единичным коэффициентом усиления.

Фильтр

состоит из двух фильтров Чебышева второго порядка с

расстроенными контурами (R6, R7, R8, C2, C7 и R7, R10, R11, C9, C5) и

пассивного фильтра первого порядка (R11, C4). Частоты отсечки этих трёх

фильтров немного сдвинуты относительно друг друга («расстроены») для

ограничения неравномерности в полосе пропускания всей цепи фильтра.

Суммарная частота отсечки установлена равной 4000 Гц, что приблизительно

равно одной четверти частоты ШИМ(15.686 Гц). Усилитель

с единичным

коэффициентом усиления защищает цепь от возникновения обратной связи с

выхода. C3 блокирует любую DC составляющую на входе динамика.

336

ЛИТЕРАТУРА

1. Микроконтроллеры AVR: от простого к сложному / М. С. Голубцов — М.:

СОЛОН-Пресс, 2003. 288 с.

Трамперт В. Измерение, управление и регулирование с помощью AVR-

микро-контроллеров. — К.: "МК-Пресс", 2006. — 208 с.

Тавернье К. PIC-микрокоитроллеры. Практика применения. -М.: ДМК

Пресс, 2004. - 272 с.

Швец В.А., Шестакова В.В., Бурцева Н.В., Мелешко Т. В. Одноплатные

микроконтроллеры. Проектирование и применение. - К.: "МК-Пресс",

2005. - 304с.

Предко М. Руководство по микроконтроллерам. Том II. - Москва:

Постмаркет, 2001. - 488 с.

Николайчук О. И. Системы малой автоматизации. — М.: СОЛОН-Пресс,

2003. 256 с.

Сташин В.В., Урусов А.В., Мологонцева О.Ф. Проектирование цифровых

устройств на однокристальных микроконтроллерах. - М.: Энергоатомиз-

дат, 1990. - 224 с.

Петров И. В. Программируемые контроллеры. Стандартные языки и

инструменты / Под ред. проф. В. П. Дьяконова. — М.: СОЛОН-Пресс,

2003. — 256 с.

Уилмсхерст Т. Разработка встроенных систем с помощью

микроконтроллеров PIC: принципы и практические примеры. - К.: "МК-

Пресс", 2008. - 544с.

10.

Авдеев В. А. Периферийные устройства: интерфейсы, схемотехника,

программирование. – М.: ДМК, 2009. – 848с.

11.

Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega. – М.: Додэка-

XXI, 2007. – 594с.

12.

Хартов В. Я. Микроконтроллеры AVR. Практикум для начинающих. –

М: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007. – 240 с.

Литература

337

13. Баранов В.Н. Применение микроконтроллеров AVR: схемы, алгоритмы,

программы. – М.: Додэка XXI, 2004. – 288с.

14.

Бродин В. Б. , Шагурин М. И. Микроконтроллеры: Архитектура,

программирование, интерфейс: Справочник. - М: Аким, 1999. - 400 с.

15.

Майоров С.А., Кириллов В.В., Приблуда А.А. Введение в микро-ЭВМ. -

Л.: Машиностроение, 1990.

16.

Шпак Ю.А. Программирование на языке С для AVR и PIC

микроконтроллеров. – К.: МК-Пресс, 2006. – 400с.

338

ПРИЛОЖЕНИЯ

П1. Номенклатура микроконтроллеров AVR

Семейство XMega:

Название

Flash ROM

EEP ROM

RAM

DMA, каналов

Событий (Event),

каналов

Отладочный интерфейс

Интерфейсы

8/16-bit Timer

N-канальный ШИМ

Аналоговый компаратор

N-канальный АЦП 12-bit

N-канальный ЦАП 12-bit

Внутренний RC-

генератор

RТC 16-bit

Источников прерываний

(из них внешних)

Vcc (V)

Тактовая частота, Мгц

ATxmega64A1

2 KB 4 KB 4 8

JTAG, PDI

4 SPI, 4 I2C, 8

USART

/ 8 24 4 2x8 2x2

32MHz, 2MHz,

32kHz

•

122( 78 )

1.8-

3.6

ATxmega128A1

128

2 KB 8 KB 4 8

JTAG, PDI

4 SPI, 4 I2C, 8

USART

/ 8 24 4 2x8 2x2

32MHz, 2MHz,

32kHz

•

122 ( 78 )

1.8-

3.6

ATxmega256A1

256

4 KB

4 8

JTAG, PDI

4 SPI, 4 I2C, 8

USART

/ 8 24 4 2x8 2x2

32MHz, 2MHz,

32kHz

•

122 ( 78 )

1.8-

3.6

ATxmega64A3

2 KB 4 KB 4 8

JTAG, PDI

4 SPI, 2 I2C, 8

USART

/ 8 24 4 2x8 1x2

32MHz, 2MHz,

32kHz

•

102 ( 50 )

1.8-

3.6

ATxmega128A3

128

2 KB 8 KB 4 8

JTAG, PDI

4 SPI, 2 I2C, 8

USART

/ 8 24 4 2x8 1x2

32MHz, 2MHz,

32kHz

•

102 ( 50 )

1.8-

3.6

Приложения

339

ATxmega256A3

256

4 KB

4 8

JTAG, PDI

4 SPI, 2 I2C, 8

USART

/ 8 24 4 2x8 1x2

32MHz, 2MHz,

32kHz

•

102 ( 50 )

1.8-

3.6

ATxmega16A4

1 KB 2 KB 4 8

PDI

2 SPI, 3 I2C, 5

USART

/ 5 16 2 1x12 1x2

32MHz, 2MHz,

32kHz

•

81 ( 36 )

1.8-

3.6

ATxmega32A4

2 KB 4 KB 4 8

PDI

2 SPI, 3 I2C, 5

USART

/ 5 16 2 1x12 1x2

32MHz, 2MHz,

32kHz

•

81 ( 36 )

1.8-

3.6

ATxmega64A4

2 KB 4 KB 4 8

PDI

2 SPI, 3 I2C, 5

USART

/ 5 16 2 1x12 1x2

32MHz, 2MHz,

32kHz

•

81 (

36 )

1.8-

3.6

ATxmega128A4

128

2 KB 8 KB 4 8

PDI

2 SPI, 3 I2C, 5

USART

/ 5 16 2 1x12 1x2

32MHz, 2MHz,

32kHz

•

81 (

36 )

1.8-

3.6

Семейство Mega:

Название

Flash

EEP ROM

RAM ROM

ISP (I), Self-

Prog (S)

Отладочный

интерфейс

Интерфейсы

8/16-bit Timer

N-канальный

ШИМ

N-канальный

АЦП 10-bit

Vcc (V)

Тактовая

частота, Мгц

Atmega48

4 KB 256 B 512 B I, S

debugWire

UART, 2

SPI, I2C

2/1 6 8

1.8-5.5

0-10, 0-20

ATmega8

8 KB 512 B 1 KB I, S

UART,

SPI, I2C

2/1 3 6/8

2.7-5.5,

4.0-5.5

0-8, 0-16

340

ATmega88

8 KB 512 B 1 KB I, S

debugWire

UART, 2 SPI,

I2C

2/1 6 8

1.8-5.5

0-10, 0-20

ATmega8515

8 KB 512 B 512 B I, S

UART, SPI

1/1 3

2.7-5.5, 4.5-

5.5

0-8, 0-16

ATmega8535

8 KB 512 B 512 B I, S

UART, SPI,

I2C

2/1 4 8

2.7-5.5, 4.5-

5.5

0-8, 0-16

ATmega16

16 KB 512 B 1 KB I, S

JTAG

UART, SPI,

I2C

2/1 4 8

2.7-5.5, 4.5-

5.5

0-8, 0-16

ATmega162

16 KB 512 B 1 KB I, S

JTAG

2 UART, SPI

2/2 6

1.8-5.5, 2.7-

5.5

0-8, 0-16

ATmega165

16 KB 512 B 1 KB I, S

JTAG

USI, USART,

USI

2/1 4 8

1.8-5.5, 4.5-5.5

0-8, 0-16

ATmega168

16 KB 512 B 1 KB I, S

debugWire

UART, 2

SPI, I2C

2/1 6 8

1.8-5.5

0-10, 0-20

ATmega325

32 KB 1 KB 2 KB I, S

JTAG

USI,

USART, USI

2/1 4 8

1.8-5.5, 4.5-

5.5

0-8, 0-16

ATmega3250

32 KB 1 KB 2 KB I, S

JTAG

USI, USART,

USI

2/1 4 8

1.8-5.5, 4.5-5.5

0-8, 0-16