íslicová zaízení Ing. Jaroslav Bernkopf

Transkript

1 íslicová zaízení Ing. Jaroslav Bernkopf 22. íjna 2009

2 OBSAH 1. Úvod Základní druhy íslicových zaízení íslicová zaízení s jednoúelovými obvody íslicová zaízení s mikroprocesory íslicová zaízení na bázi poítae Obvody s mikroprocesorem Základní ásti obvodu s mikroprocesorem CPU Central Processing Unit Mikroprocesor Pam Vstupní a výstupní obvody Zdroj hodinového signálu Sbrnice Architektura mikroprocesoru Aritmeticko logická jednotka Vnitní pam Vstupní výstupní obvody Jednoipové mikropoítae Jednoipový mikropoíta ítae Princip mení kmitotu a periody Blokové schéma ítae Kapesní elektronická zaízení Blokové schéma Technologické zvláštnosti konstrukce Plošný spoj Ovládání Displej Napájení Digitální osciloskop Výhody pamového zobrazení Princip Blokové schéma Zpsoby obnovování obrazu Rozlišovací schopnost Vodorovné rozlišení Svislé rozlišení

3 6.6 Komerní pamový osciloskop HP 54645A Základní údaje Vlastnosti Blokové schéma Dálkové ovládání pístroj Druhy penosu Podmínky pro ovládané zaízení Ovládání infraerveným svtlem Vysíla Pijíma Sbrnice pro spotební elektroniku - I2C Úvod Systém Živé vodie ízení Výhody

4 1. Úvod Pedmt íslicová zaízení se zabývá vyššími celky, tj. pístroji a zaízeními, které jsou sestaveny z íslicových souástek (o tch jsme se uili v pedmtu íslicová technika ). Píklady íslicových zaízení: poíta, kalkulaka, dálkové ovládání, mobilní telefon. 4

5 2. Základní druhy íslicových zaízení íslicová zaízení lze konstruovat temi rznými zpsoby: - s jednoúelovými obvody - s mikroprocesory - na bázi poítae Výhody a nevýhody jednotlivých zpsob ukážeme na píkladu pamového osciloskopu. 2.1 íslicová zaízení s jednoúelovými obvody Je to nejstarší zpsob konstrukce pocházející z dob, kdy nebyly k dispozici poítae ani mikroprocesory. Ke konstrukci jsou použity diskrétní souásti a integrované obvody nižší integrace. Vlastnosti zaízení jsou dány hardwarem a zpsobem jeho zapojení. Pi inovaci nebo zmn vlastností je nutno mnit zapojení, plošné spoje, výrobní postupy. Jednoúelové obvody se vyrábjí v menších sériích, proto jsou pro stejnou funkci obvykle dražší, než mikroprocesory. Rovnž konstrukce je vzhledem k nižšímu stupni integrace složitjší. Propojení s jiným zaízením, nap. poítaem, je obtížné. Konstruktér totiž pro data uvnit zaízení použil ten formát, který mu nejlépe vyhovoval a obvykle se nestaral o propojení zaízení do vyšších celk. Píklad Chceme-li u pamového osciloskopu zmnit popis svislé osy na obrazovce z V/d na mv/d, musíme zmnit zapojení obvod, které tyto popisy generují. Chceme-li data z takového osciloskopu dále zpracovávat poítaem, propojení obou pístroj bude velmi obtížné nebo nemožné. Historie První íslicový poíta (ENIAC = Electronic Numerical Integrator And Computer) byl zkonstruován v roce 1943 v USA. Obsahoval elektronek (žádné tranzistory). Jeho program byl uvnit natvrdo zadrátován. 2.2 íslicová zaízení s mikroprocesory Pedstavují další vývojový stupe. Ke konstrukci je použit mikroprocesor, který obvykle slouží k ovládání zaízení, zpracování signál. Vlastnosti zaízení jsou dány z velké ásti programem mikroprocesoru, z menší ásti hardwarem a zpsobem jeho zapojení. Pi inovaci nebo zmn vlastností asto staí zmna obsahu pamti s programem a není nutná zmna zapojení, plošných spoj, výrobních postup. Mikroprocesorové obvody se vyrábjí ve velkých sériích, proto jsou levné. Velký stupe integrace umožuje dosáhnout složitých funkcí pi jednoduché konstrukci. Propojení s jiným zaízením, nap. poítaem, je snadnjší. V zaízení už je totiž adresová a datová sbrnice a data jsou proto v pístupnjším formátu. Píklady a) Zmna popisu svislé osy u pamového osciloskopu ízeného mikroprocesorem vyžaduje pouze zmnu obsahu pamti. Propojení s poítaem je snadnjší, zvlášt pokud konstruktér pamatoval na vyvedení sbrnice ven nebo dokonce pipravil standardní rozhraní (paralelní, sériové, HPIB). b) Televizor ízený mikroprocesorem prodáváme v eské republice, nabídka na obrazovce je esky. Chceme-li exportovat televizor do Nmecka, zmna jazyka nabídky na nminu obnáší jen zmnu obsahu píslušné pamti. 5

6 2.3 íslicová zaízení na bázi poítae Základem zaízení je komerní poíta. Požadovaných vlastností se dosáhne bu jen programov, nebo dále pidáním dalšího hardware, vtšinou zásuvných karet. Pi zmn vlastností staí zmna programu a/nebo výmna zásuvné karty. Poítae se vyrábjí ve velkých sériích, proto jsou levné. Pídavné karty do nich jsou rovnž levné, nebo nepotebují vlastní zdroj, skí, ani ovládací prvky. Veškeré ovládání se provádí pomocí klávesnice, myši, obrazovky. Propojení s jiným zaízením je snadné pomocí standardních prostedk poítae. Píklad Pamový osciloskop na bázi poítae vyžaduje pouze jednu pídavnou kartu. Zmna funkcí se snadno dosáhne zmnou programu. Pidáním dalších karet lze pidat další pístroje: multimetr, signální generátor, íta... Výmna dat mezi jednotlivými pístroji je snadná všechno je pod jednou stechou. 6

7 3. Obvody s mikroprocesorem Mikroprocesor (CPU = Central Processing Unit, procesor) je univerzální integrovaný obvod, který na základ programu ídí innost poítae nebo jiného zaízení. Jednotlivé instrukce programu vyzvedává z operaní pamti RAM nebo ROM. Mikroprocesor je souástí mnoha elektronických zaízení: televizor, pokladna, praka, mikrovlnná trouba, sporák, rekordér, poíta. 3.1 Základní ásti obvodu s mikroprocesorem Obrázek 1: Blokové schéma obvodu s mikroprocesorem CPU Central Processing Unit Mikroprocesor Mikroprocesor je univerzální integrovaný obvod, který na základ programu ídí innost zaízení. Jednotlivé instrukce programu si vyzvedává z pamti pomocí sbrnice datové, adresové a ídicí Pam Pro svoji innost potebuje mikroprocesor program, kterým se ídí. Instrukce programu musí vyzvedávat z pamti. V pamti ROM bývají uloženy programy, které se nemní, nap. pro start zaízení nebo obsluhu periferií. Do pamti RAM se doasn ukládají zpracovávaná data a také se do ní nahrávají programy nap. z pevného disku nebo flash disku Vstupní a výstupní obvody Zaízení s mikroprocesorem musí mít obvody pro styk s ostatním svtem: tlaítka, klávesnice, monitor, tiskárna, myš,... Nejjednodušší vstupní / výstupní obvody jsou tlaítko a LED Zdroj hodinového signálu innost mikroprocesoru i ostatních obvod kolem nj je ízena tzv. hodinovým signálem. Všechny akce v zaízení probíhají synchronn s tímto signálem. ím rychlejší hodinový signál, tím rychlejší innost zaízení. Zdroj hodinového signálu není ve výše uvedeném blokovém schématu nakreslen. 7

8 3.1.5 Sbrnice Veškerá komunikace v mikroprocesorovém systému probíhá po tzv. sbrnicích. Sbrnice je skupina vodi s podobnou funkcí, urená k propojení ástí poítae (procesor, RAM, ROM, disky, porty,...). Adresová sbrnice se používá k urení adresy pamti nebo jiného zaízení, se kterou se bude komunikovat. Po datové sbrnici procházejí penášená data, nap. íselné výsledky, písmena, obrazy, instrukce programu. ídicí sbrnice uruje druh innosti, nap. tení nebo zápis. 3.2 Architektura mikroprocesoru Aritmeticko logická jednotka Aritmeticko logická jednotka je obvod, který v mikroprocesoru provádí všechny matematické operace (nap. sítání, odítání) a logické operace (nap. logický souet, souin) Vnitní pam Vnitní pam mikroprocesoru slouží k pechodnému uložení malého množství informace, nap. mezivýsledk výpotu. U jednoduchých osmibitových mikroprocesor je tvoena nkolika jedno nebo dvojbajtovými registry. U moderních procesor obsahuje krom registr i nkolik kb až MB pamti cache Vstupní výstupní obvody Vstupní výstupní obvody slouží pro pedávání dat mezi mikroprocesorem a okolím. U bžných mikroprocesor slouží jen pro vlastní potebu. U jednoipových mikropoíta obsahují také obdobu sériových a paralelních port. U signálových procesor slouží i pro vstup a výstup analogových signál. 3.3 Jednoipové mikropoítae Jednoipové mikropoítae sdružují na jednom ipu mikroprocesor, pam RAM a ROM, vstupní a výstupní obvody, generátor hodinového signálu a pípadn další obvody. Narozdíl od bžných mikroprocesor obvykle nejsou adresové prostory jednotlivých pamtí zamnitelné. To znamená, že nap. adresy vnitní RAM, vnitní ROM, vnjší RAM jsou pevn dány a nelze je mnit Jednoipový mikropoíta byl vybrán jako typický pedstavitel jednoipového mikropoítae. Není teba uit se jeho blokové schéma zpamti pouze si uvdomit, že ostatní jednoipové mikropoítae jsou uspoádány podobn. 8

9 a) Blokové schéma Obrázek 2: Blokové schéma jednoipového mikropoítae 8051 b) Popis 8051 obsahuje 4 kb pamti ROM nebo EPROM a 128 B pamti RAM. Krom toho mže adresovat 64 kb vnjší pamti RAM. Paralelní brány P0 až P3 jsou pomocí multiplexování použity také pro adresovou a datovou sbrnici, výstupy programovatelných íta a pro sériový kanál. Vývody X1, X2 slouží k pipojení krystalu pro ízení hodinového kmitotu. Lze ale také použít externí hodinový signál, pipojený k X2. Pomocí vstup perušení mohou vnjší obvody perušit souasnou innost CPU a vyžádat si obsluhu svého programu. 9

10 c) Zapojení vývod Následující obrázek slouží jen pro pedstavu, jaké vývody a v jakém uspoádání obvod má. Neuíme se ho zpamti. Obrázek 3: Zapojení vývod

11 4. ítae íta je - elektronická souástka, která slouží k - ítání impuls - dlení kmitotu - elektronické zaízení, které slouží k mení - kmitotu - periody Dále se budeme zabývat ítaem jako zaízením. 4.1 Princip mení kmitotu a periody Mením kmitotu nebo periody zjišujeme tutéž vlastnost signálu, protože kmitoet a perioda jsou vázány vztahem 1 f = T Pi mení kmitotu i periody musíme mít k dispozici tzv. hodinový signál s pesným kmitotem, se kterým mžeme mený signál porovnávat. Pi mení periody má hodinový signál podstatn vtší kmitoet, než signál mený. Míme, kolik period hodinového signálu se vejde do jedné periody meného signálu. Pi mení kmitotu má hodinový signál podstatn menší kmitoet, než signál mený. Míme, kolik period meného signálu se vejde do asové jednotky dané hodinovým signálem. A B C D Obrázek 4: Mení periody signálu A mený signál B mený signál po prchodu dliem dvma. Délka kladného impulsu je rovna délce periody meného signálu. Tento impuls použijeme pro hradlování hodinového signálu. C hodinový signál D hodinový signál po prchodu souinovým hradlem. Poet prošlých impuls odpovídá zmené délce periody. 11

12 A B C Obrázek 5: Mení kmitotu signálu A mený signál B hodinový signál, použitý ke hradlování meného signálu C mený signál po prchodu hradlem. Poet prošlých impuls odpovídá zmenému kmitotu. 4.2 Blokové schéma ítae Generátor hodinového kmitotu dodává sadu kmitot, které jsou potebné k porovnávání s meným signálem. Dodává rychlé kmitoty pro mení periody signálu, pomalé pro mení kmitotu signálu. Vstupní dli, zesilova a tvarova vyrobí ze vstupního signálu prbh s logickými úrovnmi. Dli dvma pi mení periody vyrábí obdélníkové impulsy vhodné k ovládání hradla, které mají délku rovnou period meného signálu. Generátor hodinového kmitotu & íta Pam Displej Vstupní dli Zesilova Tvarova Dli dvma perioda frekvence Obrázek 6: Blokové schéma ítae Hradlo propouští poítané impulsy do ítae: Pi mení periody je rychlý hodinový signál hradlován meným signálem. Pi mení kmitotu je rychlý mený signál hradlován pomalým signálem hodin. íta po skonení micího cyklu obsahuje íslo, vyjadující periodu nebo kmitoet meného signálu. Po skonení každého micího cyklu se obsah ítae pepíše do pamti, aby údaj na displeji nebyl rušen zmnami stavu ítae bhem mení. Displej bývá na bázi tekutých krystal nebo LED. 12

13 5. Kapesní elektronická zaízení 5.1 Blokové schéma 5.2 Technologické zvláštnosti konstrukce Plošný spoj Ovládání Displej 5.3 Napájení 13

14 6. Digitální osciloskop Digitální osciloskop je zaízení, které umožuje uložit elektrický signál do pamti a z této pamti ho pak zobrazovat. 6.1 Výhody pamového zobrazení 6.2 Princip Uložíme-li zobrazovaný signál do pamti, získáme tyto výhody: Obraz na obrazovce lze zastavit (zmrazit) a pak studovat libovoln dlouho. Trvání obrazu není omezeno dosvitem obrazovky. Obraz lze z pamti penést do jiného zaízení, nap. poítae, tiskárny, modemu. Obraz lze zpracovávat nap. zprmrováním, asovou nebo napovou lupou. Je možno zobrazit nejen to, co následovalo po okamžiku spuštní, ale i to, co mu pedcházelo. To je výhodné pro zobrazení jednorázových dj. Je možno zobrazovat i pomalé dje, nap. EKG. Vzorky signálu se pevádjí na ísla, která se zapisují do íslicové pamti, nap. RAM. Z pamti se pak vzorky vybírají v tom rytmu, který je potebný pro zobrazení. Zápis do pamti a výbry z ní mohou být na sob nezávislé. To umožuje transformaci asu tak, že zápis je rychlejší než tení nebo obrácen. 1 Nap. perioda signálu o kmitotu 1Hz mže být zobrazována asovou základnou, která má periodu 5 ms. 6.3 Blokové schéma Analogový signál Analogov/ digitální pevodník Pam Digitáln/ analogový pevodník Zobrazení Obrázek 7: Blokové schéma pamového zobrazení Analogov - digitální pevodník (ADP) pevádí vzorky vstupního analogového signálu na ísla. Ta se ukládají do pamti. Z pamti se potom ísla vybírají a pomocí digitáln analogového pevodníku se z nich vyrábí analogový signál, který se zobrazí jako v bžném osciloskopu. Je-li použito zobrazení, obvyklé v poítaích, je vynechán DAP. 6.4 Zpsoby obnovování obrazu Kivku na obrazovce je nutno obnovovat podle toho, jak se mní zobrazovaný signál. Kivku je možno obnovovat jednorázov plynule a) Jednorázové obnovování kivky Jednorázov obnovujeme kivku u jednorázových dj, které probhnou jen jednou, nebo u krátkých dj, které mají dlouhou periodu opakování. Jednorázov se obnovují také signály velmi rychlé, které není možno obnovovat plynule. 1 Podobn funguje funkce Timeshift u DVD rekordér: Bhem nahrávání poadu je možno sledovat záznam v jiném míst, a to i zrychlen nebo zpomalen. 14

15 Zobrazujeme-li rychlé signály, není možné obraz obnovovat pi každé zmn signálu. Nap. zobrazujeme-li signál s kmitotem 1 MHz (tj. s periodou 1µs), není možné s každou periodou signálu pepsat celý obsah pamti a znovu zobrazit na obrazovce. Za 1µs by nebylo možné to stihnout a ani to není poteba. Lidské oko by stejn tak rychlé zmny nestailo sledovat. Jednorázov se obraz obnovuje automaticky o pravideln po uritém ase o pi výskytu oekávaného dje run, stiskem tlaítka b) Plynulé obnovování kivky Pomalé signály, napíklad EKG 1, je možno obnovovat plynule. Pitom jsou dv možnosti: pepisovací mezera plovoucí obraz Obrázek 8: Zpsoby obnovování obrazu. a) pepisovací mezera, b) plovoucí obraz Pepisovací mezera se pohybuje po stojící kivce zleva doprava. Svým pravým okrajem maže starou kivku, levým okrajem kreslí novou. Pi plovoucím obrazu se celá kivka pohybuje zprava doleva. Nejstarší body se vlevo umazávají, zatímco vpravo se kreslí nové. Oba zpsoby mají svoje výhody i nevýhody, svoje zastánce i odprce a jsou pibližn stejn rozšíené i stejn technicky nároné. Nkteré pístroje mají možnost obou druh zobrazení. 6.5 Rozlišovací schopnost Rozlišovací schopnost je schopnost zobrazovat (= rozlišit) malé detaily. Mžeme ji vyjádit nap. minimální zobrazitelnou vzdáleností nebo potem zobrazovaných ádk a sloupc, nap. pixel = 0,28 mm nebo 1024 x 768. Každý zpsob zobrazení má svoje omezení. U klasické fotografie je rozlišovací schopnost omezena velikostí zrna filmu a/nebo papíru, u osciloskopu prmrem paprsku a šumem, u tisku jemností papíru a velikostí bod, ze kterých je obraz skládán 2. U pamového zobrazení je rozlišovací schopnost omezena nejen vlastnostmi zobrazovae, ale i zpsobem pevodu a ukládání signálu. 1 EKG = elektrokardiogram, záznam elektrické aktivity srdce 2 Podívejte se lupou na obrázek v novinách: Skládá se z bod. 15

16 Ped uložením do pamti musí být signál kvantován 1 asov a amplitudov. Z tohoto kvantování pak vyplývá dosažitelné vodorovné a svislé rozlišení. Kvantování zpsobuje tzv. kvantizaní zkreslení, které se pi zpracování zvukových signál projevuje jako charakteristický šum Vodorovné rozlišení Každá pam má omezený poet míst a mžeme do ní uložit jen odpovídající poet vzork signálu. Musíme se rozhodnout, jak dlouhý úsek signálu chceme zaznamenat a z toho pak vyplyne asová vzdálenost mezi vzorky (vzorkovací perioda). Nebo naopak si zadáme, jak rychle se má vzorkovat a z toho vyplyne délka zaznamenaného úseku. Chceme-li zaznamenat velmi dlouhý úsek signálu, musíme se smíit s tím, že asová vzdálenost mezi vzorky bude dlouhá. Detaily a zmny mezi vzorky pak nemohou být zaznamenány. Naopak, zvolíme-li velmi rychlé vzorkování, dostaneme podrobné informace (tj. velké rozlišení), ale jen pro krátký úsek signálu (Obrázek 9). Mezi délkou zaznamenaného úseku, vzorkovací periodou a potem míst v pamti je tento vztah: T = N * t = N * 1/f kde T... celková délka zaznamenaného úseku t... vzorkovací perioda N... poet míst v pamti, poet vzork Píklady: Obrázek 9: Vztah kapacity pamti a vodorovného rozlišení a) Signál EKG je vzorkován kmitotem 200 Hz, tj. odebírá se 200 vzork za sekundu. Každý vzorek má 8 bit. Kolik bajt zabírá v pamti záznam 30 sekund signálu? Do pamti je nutno uložit 200 * 30 * 8 = bit, tj / 8 = bajt. b) Stereofonní zvuk byl zaznamenáván dvoukanálov vzorkovacím kmitotem 44,1 khz po dobu 56 sekund. Každý vzorek v každém kanále má 16 bit. Kolik místa v pamti záznam zabírá? V pamti je * 56 * 16 * 2 = bit, tj / 8 = bajt. 1 Kvantování znamená rozdlení na malé úseky. 16

17 Pokud vzorkovací perioda není dostaten malá (tj. vzorkovací kmitoet dostaten velký), dojde pi vzorkování ke znané ztrát informace (Obrázek 10): Obrázek 10: Rychlý signál se zákmity - a) pvodní signál, b) signál po rekonstrukci Svislé rozlišení Velikosti jednotlivých vzork vyjadujeme ísly, která ukládáme do pamti. Nejúspornjší vyjádení umožují binární celá ísla. Poet úrovní amplitudy, které mžeme rozlišit dostaneme, když základ 2 umocníme potem bit, které jsou k dispozici. Použijeme-li pro vyjádení velikosti signálu nap. osmibitové íslo, pak poet rozlišitelných úrovní je 2 8 = 256 Úrovn íslujeme od 0, proto jejich rozsah v uvedeném píkladu je 0 až 255. Ty velikosti signálu, které leží mezi úrovnmi, už nelze rozlišit. Proto nap. signálu o velikosti musíme piadit íslo 98, stejn jako signálu o velikosti nebo u u t a) b) Obrázek 11: Ztráta informace napovým (svislým) kvantováním - a) pvodní signál, b) signál po rekonstrukci ím více bit použijeme pro vyjádení velikosti signálu, tím lepšího svislého rozlišení mžeme dosáhnout. Se zvtšováním potu bit mírn stoupají nároky na pam, prudce stoupají nároky na AD pevodník. Vícebitové pevodníky jsou podstatn dražší a pomalejší. 17 t

18 6.6 Komerní pamový osciloskop HP 54645A Základní údaje Model Number Obchodní oznaení HP 54645A Manufacturer Výrobce Hewlett Packard Number of Channels Poet kanál 2 Sensitivity Range Rozsah citlivosti 1mV/d 5V/d Bandwidth (3 db) Šíka pásma (3 db) 100 MHz >= 10 mv/d 75 MHz < 10 mv/d 20 MHz v režimu Single Vertical Resolution Svislé rozlišení 8 bit Horizontal Resolution Vodorovné rozlišení 500 zobrazených bod Sample Rate Rychlost vzorkování 200 MSa/s na kanál Memory Depth Poet míst v pamti 1M max. Time Base Range Rozsah asové základny 2 ns/d 50 s/d Reference Positions Polohy okamžiku synchronizace Vlevo, uprosted, vpravo Trigger Edges Spouštcí hrany Vzestupná nebo sestupná Line Voltage Range Rozsah síového naptí Vac Line Frequency Síový kmitoet Hz Vlastnosti a) Displej - 2 kanály - hodnoty citlivosti, asové základny - nastavení voleb pro spouštní - popis programovatelných kláves (softkeys) - výsledky mení - kurzory b) Ovládání - programovatelné klávesy - automatické mení asu a kmitotu - automatické nastavení citlivosti a asové základny - uložení nastavení ovládacích prvk do pamti - mení naptí a asu pomocí kurzor c) asová základna - posun zobrazené kivky pomocí nastavitelného zpoždní - zobrazení ásti kivky v detailu pomocí rozdlené obrazovky a lupy d) Pam - spuštní a zastavení záznamu tlaítkem Run/Stop - snímání jednotlivého dje ve funkci Single - automatický záznam a zobrazení mnoha prbh ve funkci Autostore - mazání obsahu obrazovky tlaítkem Erase e) Spouštní - jako u bžného osciloskopu - vzestupnou nebo sestupnou hranou - impulsem s nastavitelnými parametry: užší než, širší než, mezi 18

19 6.6.3 Blokové schéma CH1 2 3 ADP 8 Vyrovnávací RAM 2k x 8 dlie zesilovae S & H CH2 2 3 ADP 8 Externí synchr. MUX komparátor asová základna sí úrove sbrnice Klávesnice CPU ROM Operaní RAM RAM Pam prbh 2x 1MB Video RAM Zobrazení Obrázek 12: Blokové schéma HP 54645A Signály prvního a druhého kanálu procházejí pes dlie a zesilovae do obvod Sample & Hold ( odeber vzorek a drž ho ). Tyto obvody ve velmi krátké dob odeberou analogový vzorek signálu a drží jeho hodnotu na svém výstupu po celou dobu, po kterou ADP pevádí analogový signál na íslicový. Stabilní hodnota naptí na vstup ADP po celou dobu pevodu je nutná pro pesný pevod. Dále jsou obvody S&H nutné pro náhodné vzorkování periodických signál, které umožuje odebrat dostatený poet vzork na periodu i pro velmi rychlé vstupní signály. Vzorky z ADP jsou ukládány do vyrovnávací RAM. Ta slouží pro pechodné uložení vzork do doby, než se vypoítá, zda uložený signál spluje podmínky pro synchronizaci. Z vyrovnávací RAM se vzorky pepisují do pamti prbh. Spouštcí signál se vybírá multiplexerem MUX a pivádí se do komparátoru, kde se porovnává s nastavenou spouštcí úrovní. Signál z komparátoru je použit pro synchronizaci asové základny. Veškerá innost osciloskopu je pes sbrnici ízena mikroprocesorem (CPU). Ten pro svoji innost potebuje ROM s programem a operaní RAM. CPU snímá povely z klávesnice a dalších ovládacích prvk. Podle nich ovládá všechny parametry osciloskopu (nap. citlivost a asovou základnu) a ídí výpisy na obrazovku. 19

20 7. Dálkové ovládání pístroj Literatura: ARB 6/87, 1-2/88 Princip Penosný vysíla je spojen s pijímaem pomocí vodie svtla elektromagnetického vlnní zvuku Vysíla vysílá povely, které pijíma dekóduje. Pijíma dekódovanými povely ovládá elektronické zaízení. 7.1 Druhy penosu a) Vodi Toto dálkové ovládání bylo využito u nkterých ernobílých televizor pro ovládání analogových veliin: hlasitost, jas, kontrast. Dnes se používá k ovládání stroj, nap. elektrického vrátku. Nevýhody: omezený dosah malý komfort obsluhy do kabelu se mohou indukovat rušivé signály b) Ultrazvuk Používal se ultrazvuk o kmitotech 30 až 50 khz. Nevýhody: malá odolnost proti rušivým zvukm (vrzání, skípot, skeky zvíat) filtry ve vysílai a pijímai se asem rozlaují a je nutno je dolaovat ultrazvukové mnie ve vysílai a pijímai asem ztrácejí úinnost c) Vf elektromagnetické vlny Používá se k ovládání model a hraek, obvykle s nosným kmitotem kolem 27 MHz nebo 433 MHz. Pi použití pro ovládání pístroj spotební elektroniky má tyto nevýhody: ruší TV a rozhlasové pijímae pro vyšší vysílací výkony musí být vysíla registrován nebo dokonce povolen d) Infraervené svtlo Dnes nejpoužívanjší zpsob pro ovládání pístroj spotební elektroniky. Výhody: odolnost proti rušení dostatený dosah dostatený poet možných povel levné vysílací a pijímací optoelektronické prvky levná konstrukce Nevýhoda: smrovost 20

21 7.2 Podmínky pro ovládané zaízení Žádná ovládaná veliina nemá vyžadovat mechanické ovládání. Ovládané funkce musí být možno mnit pomocí elektrické veliiny. Nap. hlasitost musí být možno mnit ídicím ss naptím, funkce magnetofonu (nahrávání, pevíjení, pehrávání,...) musí být ovládány elektronicky, ne pouze mechanicky. 7.3 Ovládání infraerveným svtlem Vysíla a) Blokové schéma klávesnice kodér výkonový stupe Obrázek 13: Blokové schéma vysílae infraerveného dálkového ovládání Uživatel vkládá povely pomocí klávesnice. Kodér pevádí povely na kód, který zajišuje jednoznané vyjádení povelu a zárove je odolný proti rušení. Výkonový stupe vybudí LED. Ta vysílá povel pomocí infraerveného svtla. b) Kódování povel Kódování nebývá tak jednoduché, že by logické 1 odpovídal stav signál je a logické 0 stav signál není. Kódování je vždy ešeno tak, aby ani souvislé ad nul nebo jedniek neodpovídal stejnosmrný neperušovaný signál. Takový signál by se tžko dekódoval a byl by náchylný k rušení. Píklady kódování: Nule odpovídá dlouhý impuls, jednice odpovídá krátký impuls (Obrázek 14: Kódování nul a jedniek pomocí impuls rzné délky) Nule odpovídá pechod signálu ze stavu není do stavu je, jednice odpovídá pechod ze stavu je do stavu není (Obrázek 15: Kódování nul a jedniek pomocí pechod) Obrázek 14: Kódování nul a jedniek pomocí impuls rzné délky 21

22 start D5 D4 D3 D2 D1 D0 presignál 1 ms Obrázek 15: Kódování nul a jedniek pomocí pechod Signál pro rozsvcování vysílací IR diody je navíc rozsekán kmitotem asi 38 khz. To podstatn zvýší spolehlivost penosu. Má-li užitený signál uritý kmitoet, je snadné odlišit ho od rušení. Penos také nebude závislý na úrovni infraerveného záení od jiných zdroj (radiátory, žárovky, slunce). Oba pedchozí obrázky (Obrázek 14, Obrázek 15) by tedy správn mly mít svoje obdélníky rozsekány kmitotem 38 khz. c) Adresy a data Mezi vysílaem a pijímaem se penášejí dva hlavní údaje: Adresa Data Když pijíma v pijímaném signálu zjistí svoji adresu, reaguje na nj, pete z nj data a pedá je dál. Když adresa v pijímaném signálu je cizí, pijíma nereaguje. Kdybychom mli nap. v jedné místnosti ovládat video, zesilova, televizi a DVD, mohli bychom použít tyi stejná dálková ovládání, lišící se jen nastavenými adresami. Každý pístroj by pak reagoval jen na svoje ovládání se svojí adresou. Nebo bychom naopak mohli pro všechny pístroje použít jediné ovládání, u kterého bychom pepínali adresu podle toho, který pístroj chceme ovládat. Na podobném principu jsou založena univerzální dálková ovládání. Pomocí adresy mžeme odlišit nap. dálková ovládání pro otvírání auta pro rzné zákazníky. Všichni zákazníci budou mít stejné ovládání, ale s rznými adresami. Proto nebudou moci otvírat jiné auto než svoje. Firmy vyrábjí dvojice obvod vysíla pijíma, nap. HT12A vysíla - HT12D pijíma firmy Holtek. Takové dvojice jsou k sob pizpsobeny hlavn tmito vlastnostmi: Zpsob penosu (infraervené svtlo radiové vlny) Poet adresových a datových kanál d) Píklad vysílae: Holtek HT12A Vysíla Holtek HT12A má osm adresových vstup (A0 A7). Je u nj tedy možno nastavit 2 8 = 256 rzných adres. Má tyi datové vstupy (D8 D11), je tedy možno pomocí nj ovládat tyi veliiny nap. otevení dveí, zavení dveí, otevení kufru, test. Na vývody X1, X2 se pipojí rezonátor 456 khz. Interní dli dvanácti z tohoto kmitotu vyrábí 38 khz pro rozsekání výstupního signálu pro vysílací IR diodu. Výstupní signál je na vývodu DOUT. V uvedeném píkladu zapojení (Obrázek 16) úrove H na výstupu DOUT sepne tranzistor a ten rozsvítí LED. 22

23 Vývod L/MB (Latch / Momentary) ovládá zpsob vysílání a není pro náš výklad podstatný. Vysílání se startuje uzemnním nkterého datového vstupu (D8 D11). Pokud datové vstupy nejsou aktivní, obvod je ve stavu standby a má nepatrný odbr. Pi uzemnní nkterého datového vstupu se rozbíhá oscilátor a zaíná vysílání. Obrázek 16: Zapojení vysílae dálkového ovládání s obvodem Holtek HT12A Pijíma a) Blokové schéma Pedzesilova Dekodér Stykové obvody Ovládané zaízení Obrázek 17: Blokové schéma pijímae Dioda citlivá na svtlo (nebo fototranzistor) pijímá infraervené záení z vysílae. Pedzesilova zesílí signál z diody na potebnou úrove. Dekodér dekóduje povely. Stykové obvody (nap. relé) pizpsobují úrovn signál z dekodéru pro potebu ovládaného zaízení. 23

24 b) Píklad pijímae: Holtek HT12D Obrázek 18: Zapojení pijímae dálkového ovládání s obvodem Holtek HT12D Pijíma a vysíla mají velmi podobné uspoádání i oznaení vývod. Adresové vstupy (A0 A7) musí být nastaveny na stejnou kombinaci jako adresové vstupy na vysílai. Nap. na vysílai i pijímai u dálkového ovládání pro jedno auto nastavíme , pro jiné auto tyi datové výstupy (D8 - D11) mohou ovládat nap. otevení dveí, zavení dveí, otevení kufru, test. Na vývody OSC1, OSC2 se zapojí pouze rezistor, který uruje kmitoet ídicího oscilátoru. Do vstupu DIN se pivede signál z pijímacího obvodu (Receiver Circuit). To mže být nap. fototranzistor se zesilovaem. Takové obvody se dají koupit hotové (nap. LTM9052 firmy LITEON Corp.) Dokud na vstupu DIN není aktivní signál, obvod HT12D je ve stavu standby a má nepatrný odbr. Když se na vstupu DIN objeví úrove H z pijímacího obvodu, nastartuje se oscilátor a zaíná píjem signálu. Obsahuje-li signál stejnou adresu, jako je na adresových vstupech (A0 A7), dekódují se z nj data a pivedou se na datové výstupy (D8 - D11). Obsahuje-li signál jinou adresu, je ignorován a nezpracovává se. Úrove 1 na výstupu VT (Valid Transmission platný penos) oznauje, že adresa v signálu je stejná jako na adresových vstupech (A0 A7) a zárove, že data jsou pijímána bez chyby. 24

25 8. Sbrnice pro spotební elektroniku - I2C 8.1 Úvod Pi konstrukci elektronických pístroj se používají obvody vysoké integrace, které obsahují procesory, pamti RAM, ROM, EEPROM, FLASH ROM, pevodníky ADP a DAP, obvody pro zpracování obrazu a zvuku. Tyto obvody musí mezi sebou vymovat povely a data, musí být tedy mezi sebou propojeny sbrnicí. Zárove, hlavn ve spotební elektronice, musí být výrobky levné. Protože spoje mezi obvody a s nimi souvisící pájecí body jsou pracné a drahé, nemohou mít sbrnice velký poet vodi. Penosy dat nemusí být píliš rychlé, protože vtšinou povely k innosti picházejí od lovka, který zaízení ovládá, a ten má dlouhé reakní doby. Na základ uvedených skuteností byly vyvinuty sbrnice pro spotební elektroniku, které mají minimální poty vodi. Z nich nejužívanjší je sbrnice IIC (Inter-Integrated Circuit). Zkratka IIC se asto píše také jako I 2 C nebo I2C. 8.2 Systém Sbrnice I2C je urena pro osmibitové systémy. To znamená, že data po ní penášená jsou osmibitová. 1 Adresy v systému mohou být sedmibitové nebo desetibitové. 2 Bžnjší jsou sedmibitové. 8.3 Živé vodie Sbrnice I2C má dva živé vodie a zem. Živé vodie se nazývají SDA (Serial DAta line datový vodi) a SCL (Serial CLock line hodinový vodi). Tyto dva vodie probíhají celým zaízením a jsou na n pipojeny všechny spojené obvody. Hodinový vodi SCL ídí všechny penosy dat. Každému bitu, který probhne po datovém vodii SDA, odpovídá jeden hodinový impuls na hodinovém vodii SCL. Datový vodi SDA penáší data i adresy. Data a adresy jsou odlišeny poadím, v jakém se objevují na datovém vodii SDA. Oba živé vodie jsou pipojeny pes pull-up 3 rezistory na napájecí naptí. Všechny obvody, pipojené na sbrnici, mají výstupy s oteveným kolektorem. To znamená, že mohou na živých vodiích vynutit úrove L, ale ne úrove H. Úrove H mže být na živém vodii, jen pokud výstup žádného obvodu není v úrovni L. 1 Kolik rzných ísel mžeme vyjádit, máme-li k dispozici 8 bit? Jaké nejvtší íslo mžeme pomocí osmi bit vyjádit? 2 Kolik adresovatelných obvod mže být v zaízení, když použijeme sedmibitové adresování? Kolik pi desetibitovém adresování? 3 pull-up = potáhni nahoru 25

26 VCC +5V VCC +5V R1 R2 SCL SDA SCL SDA SDA SCL SDA SCL SDA SCL SDA SCL Mikroadi ROM RAM TELETEXT Obrázek 19: Pipojení obvod na sbrnici I2C pomocí výstup s oteveným kolektorem Nap. na datovém vodii SDA na obrázku mže být úrove H jen tehdy, když žádný z tranzistor na výstupech SDA nebude sepnutý. Když nap. sepne tranzistor na výstupu SDA pamti RAM, vynutí na datovém vodii SDA úrove L. 8.4 ízení Mezi obvody pipojenými na sbrnici I2C je obvykle jeden typu MASTER a ostatní jsou typu SLAVE. Obvod MASTER ídí komunikaci na sbrnici, obvody SLAVE ho poslouchají. V našem píkladu (Obrázek 19) bude ídicím obvodem MASTER mikroadi, ostatní obvody budou SLAVE. 8.5 Výhody Bloky na blokovém diagramu pímo odpovídají skuteným obvodm (viz nap. Obrázek 20). Cesta od blokového diagramu ke schématu je proto jednoduchá. Zmny funkce zaízení se snadno dosáhne zmnou programu. Obvody jsou univerzální, mohou se používat v rzných zaízeních. Proto mohou být vyrábny ve velkých sériích a jsou levné. Do zaízení je možno pidávat obvody nebo je ubírat, aniž by to ovlivnilo funkci ostatních obvod. Hledání a odstraování závad je snadné. Obvody jsou vyrábny technologií CMOS. Mají proto o nepatrnou spotebu o velký rozsah napájecích naptí o velkou šumovou imunitu Celá sbrnice má jen dva živé vodie zaízení je proto jednoduché a levné. 26

27 Obrázek 20: Píklad televizoru s obvody I2C Funkce obvod: Microcontroller ídí innost ostatních obvod. Je MASTER, ostatní jsou SLAVE. PLL Synthesizer slouží k ladní televizoru. Non-volatile memory ukládá se do ní nastavení televizoru, nap. naladné stanice, hlasitost, jas, kontrast. M/S Colour decoder barvový dekodér Stereo / dual sound decoder dekodér stereofonního a duálního (dvojjazyného) signálu Picture signal improvement vylepšení obrazového signálu Hi-fi audio processor zpracování zvuku Video processor zpracování obrazového signálu Single-chip text dekodér teletextu On-screen display zobrazení nabídky na obrazovce Tato koncepce televizoru má minimum propojovacích vodi, žádné klasické ovládací prvky jako potenciometry. Všechny funkce jsou ovládány pes sbrnici I2C pomocí tlaítek a dálkového ovládání. 27

28 28