Přednáška vložená 5. týden, výklad k úloze LCD, UART A4B38NVS - Návrh vestavěných systémů 2014, katedra měření, ČVUT - FEL, Praha. J.

Transkript

1 Přednáška vložená 5. týden, výklad k úloze LCD, UART A4B38NVS - Návrh vestavěných systémů 2014, katedra měření, ČVUT - FEL, Praha J. Fischer A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 1

2 Náplň přednášky Poznámky ke cvičením: Specifikace úlohy bodovaná úloha (5 bodů) Výklad k úloze: zobrazovač LCD semigrafický zobrazovač obvod UART, rozhraní RS232, RS422, RS- 485 A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 2

3 Zobrazovač LCD Zobrazovač LCD, kapalné krystaly buzení střídavým napětím (nulová stejnosměrná složka a!! nulový ss proud) při stejnosměrném proudu - degradace LCD X 1 t +U U LCD +U 1 U LCD 1 U 1 t X 1 U U 1 2 X 2 U 2 t U 1 U 2 U L t Na segmentu je buď plné nebo nulové rozdílové napětí U LCD ( 0, U max ). A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 3

4 Zobrazovač LCD Segmentový LCD - vývody segmenty a BP back plain zadní společná elektroda Jednotlivé segmenty (někdy v lit. označené front plain ) se budí vůči společné elektrodě jako jednotlivé kapacitory LCD s jedním BP, potřeba tolik pinů, kolik je celkový počet segmentů ( hodně ), současné buzení všech segmentů Tzv. statické buzeni, na segmentu je buď střídavé napětí (segment je opticky aktivní), nebo nulové napětí (segment je opt. neaktivní) Podobné buzení LCD lze realizovat i pomocí pinů mikrořadiče, který sám nemá budiče LCD. LCD s větším počtem segmentů, rozdělení na sekce, více společných elektrod BP, označovaných také jako COM. Je potřeba více napěťových úrovní. Pro dva COM, je třeba tří napěťových úrovní U max, ½ U max, 0. Složitější řítzení, potřeba specilizovaný řadič (např. blok řadiče v STM32L152). Obecně pro přímé ovládání LCD- třeba velké množství pinů. A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 4

5 Semigrafický zobrazovač LCD SHARP LM20A21 použit ve cvičeních Mozaikový semigrafický zobrazovač 20 znaků x 2 řádky Pro buzení LCD využit specializovaný řadič HD44780 (výrobce původně firma Hitachi) A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 5

6 Semigrafický zobrazovač LCD SHARP LM20A21 Mozaikový semigrafický zobrazovač 20 znaků x 2 řádky řadič HD44780 paralelní rozhraní DB7 až DB0 obousměrné datové signály R / W Read/ Write 1 čtení, 0 zápis E Enable, určuje platnost dat na sběrnici RS Register Select RS = 1 data -, RS = 0 instrukce možné zjednodušení na potřebu pouze 6 vodičů na 4 bitová data, zápis 8 bitů po dvou 4-bitových datech Vypuštění čtení stavu - zápis a vložení dostatečně dlouhé doby čekání, za kterou se povel pro řadič LCD zaručeně vykoná, pro zjednodušení - vstup R/W připojit napevno na úroveň L. Detaily ovládání viz popis HD44780 a popis SHARP LM20A21 A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 6

7 HD44780 kódy znaků (LCD tabulka znaků generovaných HD44780 kódy pro číslice a písmena odpovídají kódům ASCII znaků Použití semigrafického zobr. LCD s řadičem HD4470- možnost definovat několik vlastních znaků s využitím generátoru znaků uložených v paměti RAM v HD4470 A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 7

8 Zápis do HD44780 PW EH = min. 450 ns, t cyc = min ns, t AS = min. 140 ns t AH = min. 10 ns, t DSW = min. 195 ns, t H = min. 10 ns pozor na časování, SW A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 8

9 Čtení z HD44780 PW EH = min. 450 ns, t cyc = min ns, t AS = min. 140 ns t AH = min. 10 ns, t DDR = max. 320 ns (data delay), t DHR = min. 20 ns pozor na časování, SW A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 9

10 Čtení z HD44780 jiný obr. - A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 10

11 Zápis do HD44780 jiný obr. - A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 11

12 LM20A21 vývody - A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 12

13 Oživení LCD Připojení DB7 DB0 a řídicích signálů RS, R/W, E, napájení Možné použít i jen DB7 DB5 čtyřbitový mód, méně HW, více SW pomalejší komunikace Pozor na kolize při použití různých zdrojů napájení s postupným zapínáním, použít ochranné rezistory odpory do série se signály (např. 470 Ohmů), pozor U INmax!!! (Čekat alespoň 15 ms po zapnutí napájení LCD) A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 13

14 STM32F100 - UART Sériová komunikace: UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter UART (USART) USART Universal synchronous -Asynchronous Receiver Transmitter v STM32F100 napěťové úrovně 0, +3 V Cortex-M3 CPU MHz JTAG/SW Debug Nested vect vectit IT Ctrl Ctrl 1 x Systick Timer 1 x DMA 7 Channels CRC 1x6x 16-bit PWM Synchronized AC AC Timer Timer Up Up to to Ext. Ext. ITs ITs Up Up to to I/Os I/Os 1x 1x SPI SPI 1x 1x USART/LIN Smartcard/IrDa Modem-Ctrl ARM Lite Hi-Speed Bus Matrix / / Arbiter (max (max 24MHz) 24MHz) Bridge ARM Peripheral Bus (max 24MHz) 4kB-8kB SRAM 2 x 12bit DAC 1x 1x 12-bit ADC channels // 850ksps Temp Sensor 2x 2x USART/LIN Smartcard // IrDa IrDa Modem Control 2x 2x I2C I2C A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 14 Flash Flash I/F I/F Bridge kB Flash Memory 20B 20B Backup Regs Clock Control ARM Peripheral Bus (max 24MHz) 1x16-bit timer with 2 IC/OC/PWM 2x16-bit timer each with 1 IC/OC/PWM Power Supply Reg Reg1.8V POR/PDR/PVD XTAL oscillators 32KHz + 3~25MHz Int. Int. RC RC oscillators 40KHz + 8MHz PLL PLL RTC // AWU 2x 2x Watchdog (independent & window) 3 x 16-bit Timer HDMI CEC CEC 2x 2x SPI SPI

15 Obvod UART UART sériový přenos dat synchronizace start bit do 0 datové bity začíná se od D0 (LSB!) přenos typicky 8 datových bitů D0 až D7) Možná nastavení: (vždy jen 1 start bit) 5 až 8 datových parita ( žádná, sudá, lichá) stop bity (1, 1,5, 2 ), v některých obvodech UART i 9 bitů Nastavení na cvičení: 8 datových, bez parity, 1 stop bit 1 0 vyslání znaku 1 doba = 10 x ( 1 / Br ), nast. - 8 dat, 1 stop bit 31 = "1" 1 T start start D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 start 1/ Br přenos jednoho znaku "S" D 0 D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 parita stop přenos 7 dat, parita, 1 stop) stop stop přenos dalšího znaku start znak znak znak znak přenos více znaků, prodlevy A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 15

16 Modulační rychlosti Modulační rychlosti používané pro přenos pomocí UART nejčastěji používaná rychlost 9600 Bd (Baudů) UART v STM32F100 podporuje i vyšší rychlosti stovky kbaud T A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 16

17 Rozhraní RS-232 Přenos dat sériovým kanálem s využitím UART (na PC COM port) mezi dvěma zařízeními, přenos typu bod bod Rozhraní RS-232 pro zvýšenou šumovou imunitu (šum. imunita -viz. min.před.) (napětí na výstupu budiče vysílače U OH = 5 V až 15 V, U OL = - 5 V až - 15 V na vstupu přijímače U IH = 3 V až 15 V, případně U IL = - 3 V až - 15 V Klidová nap. úroveň na vodiči data TXD log 1 (! pro kontrolu funkčnosti ve cv.) tedy U OL = - 5 V až - 15 V záporné napětí (velikost podle typu budiče) Při přenosu se objevují kladné napěťové úrovně U OH = 5 V až 15 V (podle - -) přenos dat v negativní logice budič vysílače a přijímač jsou invertující přenos řídících signálů v pozitivní logice TxD MAX 232 MAX 232 RxD U S MP1 RxD MP2 TxD A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 17

18 RS-232 INTERFACE (materiál TI) +12 V -12 V R S C L +5 V +5 V to 15 V 0 V -5 V to -15 V '0' '1' +3 V -3 V max. 1 ms Unbalanced circuitry Output drive voltage: Logic 0 = 5 15V; Logic 1 = -5-15V Receiver level: Logic 0 > 3V: Logic 1 < -3V Output voltage slew rate max. 30V/µS (EMI!) Maximum data rate: 20kbps (120 kbps de facto standard) Load capacitance < 2500 pf includes receiver input (approx m cable length) 6-5 A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 18

19 Signály RS-232 č. kontaktu v konektoru DSUB- 9 označ. název signálu význam FG Frame ground ochranná zem 3 TXD Transmit Data výstup vysílaných dat 2 RXD Receive Data vstup přijímaných dat 7 RTS Request to Send DTE může přijímat data z DCE 8 CTS Clear to Send DCE může přijímat data z DTE a vysílat je 6 DSR Data Set Ready DCE je připraveno 5 SG Signal Ground signálová zem 1 DCD Data Carrier Detect DCE rozpoznalo funkční připojení linky 4 DTR Data Terminal Ready DTE je připraveno k funkci 9 RI Ring Indicator DCE indikovalo výzvu (vyzvánění) V úloze na cvičení využití pouze datových signálů TXD a RXD a SG signály RTS, CTS, DSR mohou být používány pro řízení přenosu (handshake) alternativní způsob handshake XONN, XOFF s využitím pouze signálů TxD a RxD posílání řídicích znaků A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 19

20 Rozhraní RS-232 Použitelnost RS -232 pro přenos na vzdálenost jednotek metrů, (pro 9600 Bd typ metrů) Měření osciloskopem na rozhraní RS- 232 zem osciloskopu na GND procesoru, živý vstup osciloskopu- hrot sondy na měřený signál ( jasné,.. ale minulé zkušenosti). pozor v PC ( set top ) GND RS232 bývá propojena na GND PC, ochranný vodič kolík v zásuvce, propojení zařízení dalším signálem, např. může být problém při měření s napájením zařízení při použití starého dvouvodičového rozvodu napájecí sítě ( 230 V/50 Hz) osciloskop GND ochrana (napájení) propojení GND vstupu osciloskopu (výklad tabule) A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 20

21 Rozhraní RS-232, převod UART- USB Převodníky USB RS-232 použitelnosti 500 kbaud, (konektor RS-232 převodníku přímo do konektoru RS232 mikropočítače, bez kabelu) omezení rychlosti problém budič RS-232 hrany, přídavná zátěž kapacitou kabelu) Pozn. použití rozhraní UART mezi mikropočítači s přenosem v úrovních TTL či UART převodník UART/USB v úrovních TTL (CMOS) i jednotky MBaud Obvody firmy FTDI typu FT232B, FT232R, FT2232D USB Full speed FT2232H USB High speed Převodníky USB- RS232 STM32 UART TxD RxD TTL úrovně (např. obvod FT232RL doplněný MAX232 převodník úrovní) FT232R UART/ USB (poč. obchody cena 200 Kč +, nejblíže např. potřeba pro úlohu USB A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 21

22 Realizace rozhraní RS- 232 na cvičení Převodník úrovní TTL/ RS-232 obvody obdobné MAX 232 A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 22

23 Úloha 5 - zadání Řídicí jednotka se zobrazovačem LCD a rozhraním Navrhněte a realizujte řídicí jednotku se semigrafickým zobrazovačem LCD s 2x20 znaky typu Sharp LM20A21 (obsahující řadič HD44780) a s rozhraním RS-232 navázaným na interní obvod UART v STM32, pomocí nějž bude spolupracovat s terminálem. Jednotka bude obsahovat uživatelské tlačítko spuštění automatu na desce STM32VL Discovery a tři externí řídicí tlačítka, stejně jako v předchozí úloze. Funkce jednotky bude také vycházet z řešení předchozí úlohy (časovací jednotka), bude však rozšířena dalšími funkcemi v souvislosti s doplněnými obvody dle dalšího popisu. Zobrazení bude na LCD i na terminálu realizovaném pomocí PC (hyperterminal) Funkce a režimy - nastavení - SET, běh - RUNNING, připravenost - READY Zobrazení nastaveného, příp. zbývajícího času Time = xxx detaily viz zadání na stránkách A4B38NVS RUNNING TIME = xx A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 23

24 Vysílač, přijímač RS-232, pojmy, vysvětlení ke cvičení Převodník napěťových úrovní TTL na RS232 a opačně, obvody typu MAX232, ADM232, ST232 Pojem vstup vysílače, výstup přijímače Tx in Rx out vysílač přijímač Tx out Rx in RS Tx D Rx D ADM 232 L C1 + V + C1 - C2 + C2 - V - T2out R2in Vcc GND T1out R1in R1out T1in T2in R2out V STM32F100 UART Rx D Tx D Vysvětlení (analogie) ruční vysílačka (jen místo osoby tam je procesor), vstup vysílače akustický signál - mikrofon výstup vysílače (anténa) vstup přijímače (anténa) výstup přijímače (reproduktor) RxD přijímaná data - data na vstupu mikroproc. (z R out - ADM232) TxD vysílaná data data na výstupu mikroproc. (do T in ADM232) A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 24

25 Konektory pro RS-232 konektor COM port na PC, DSUB 9 ( Cannon konektor 9 pinů, kolíky) 3 TXD Transmit Data výstup vysílaných dat 2 RXD Receive Data vstup přijímaných dat deska mikropočítače připojena prodlužovacím kabelem propojení pin č. 2 dutinka č. 2 na kolík č. 2 kabelem propojení DSUB 9 dutinky na kolíky. propojení 1 na 1, 2 na 2, Rx D Tx D GND GND Rx D Tx D V pohled na kolíky (PC) pohled na dutinky (vývojový kit up) Tx D Rx D ADM 232 L C1 + V + C1 - C2 + C2 - V - T2out R2in Vcc GND T1out R1in R1out T1in T2in R2out Rx D Tx D A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 25

26 Rozhraní RS-232 oživení HW při vysílání Smyčka, loop- back na straně RS-232 echování znaků na připojeném terminálu, výstup ADM 232 odpojen 1 Rx D Tx D GND 5 GND Rx D Tx D Tx D Rx D ADM 232 L C1 + V + C1 - C2 + C2 - V - T2out R2in Vcc GND T1out R1in R1out T1in T2in R2out V Rx D Tx D pohled na kolíky (PC) pohled na dutinky (vývojový kit up) Odpojit T X D od STM 32, smyčka ( loop back), echování znaků na terminálu, přenos přes ADM 232 stisk klávesy, kontrola signálu po trase Tx D Rx D ADM 232 L C1 + V + C1 - C2 + C2 - V - T2out R2in Vcc GND T1out R1in R1out T1in T2in R2out V přerušit Rx D Tx D A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 26

27 Rozhraní RS-232 oživení HW bez terminálu Smyčka, loop- back na straně RS-232 (konektor je volný, bez terminálu) echování znaků, vysílání UART STM32, příjem STM32 stejný znak + 5 V 1 Rx D Tx D GND pohled na kolíky (PC) GND Rx D Tx D pohled na dutinky (vývojový kit up) Tx D Rx D ADM 232 L C1 + V + C1 - C2 + C2 - V - T2out R2in Vcc GND T1out R1in R1out T1in T2in R2out Rx D Tx D A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 27

28 Použití pinů STM 32F100x v úloze Pozor + 5 V tolerance není na všech pinech STM 32F100 Ochrana vstupních pinů STM 32, zařazení ochranného rezistoru 470 Ohmů pro připojení LCD využívat piny, které nejsou využívány ladicím rozhraním SWD nebo JTAG, což jsou PA13, PA14, PA15, PB 3, PB4 STM32VL Discovery Kit rozhraní SWD (Serial wire debug) pro ladění, 2 piny (PA13, PA14) PA13 data, PA14, CLK pro SWD nutné ponechat PA15, PB 3, PB4 je možno v uživatelském programu přemapovat, ale lépe využít jiné piny (pro výslednou aplikaci pokud se zajistí naprogramování paměti Flash jiným způsobem, např. pomocí UART a BOOT LOADER je možno využít všechny piny pro aplikaci) pro účely cvičení se nedoporučuje výklad tabule: použití SWD, podpora ladění na čipu, pojem boot loader, funkce a jeho využití AN3155 Application note USART protocol used in the STM32 bootloader A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 28

29 BOOT Loader v STM32F100 Pojem boot loader, funkce a jeho využití AN3155 Application note USART protocol used in the STM32 bootloader Vhodným nastavení stavu pinů pro BOOT aktivace vnitřního programu v ROM boot- zavaděč Zavedení programů pomocí UART a uložení do Flash Možnost BOOT má drtivá většina mikrořadičů s jádrem ARM Cortex M3 ( výrobci STM, ATMEL, TI, NXP, Silabs, Freescale,..) STM32F100 boot pomocí UART STM32F105,..boot pomocí UART, USB, CAN,.. A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 29

30 Piny STM 32F100x využívané pro ladění Pozor + 5 V tolerance není na všech pinech STM 32F100 Ochrana vstupních pinů STM 32, zařazení ochranného rezistoru 470 Ohmů A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 30

31 STM32F100 pouzdro LQFP vývody A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 31

32 Použití pinů STM32F100, napěťová tolerance Piny + 5 V tolerantní i netolerantní na společné bráně A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 32

33 Použití pinů STM 32 v úloze Kit STM32VL Discovery volné piny na straně do pole PC 6, 7 (2 piny volné) PC8, 9 jsou LED, použitelné jako výstupy (2 piny) PA 8, 9, 10, 11, 12 je (5 pinů volných) PC10, (3 piny volné) PD2 1 pin volný PB 5, 6, 7. 8, 9 (5 pinů volných) A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 33

34 UART a rozhraní RS-422 Pro připojení ovládací jednotky k centrálnímu počítači na metrů RS232 neumožňuje (RS- 232 max m) Rozhraní RS 422 možnost zvýšit rychlost přenosu až na: 10 Mb/s (vedení o délce několika metrů), 2 Mb/s při délce vedení 60 m 100 kb/s při délce vedení 1200 m. Diferenční budiče vstup. sig. převod na rozdílové napětí U D pro D i = H výstup A připojí na napájení + 5 V a B na GND (zem) vysílače. pro D i = L naopak. Vedení kroucený dvoudrát. Zakončení odporem dle char. imped. ved Z 0. obvykle 100 až 120 Ohmů Pro propojení dvou zařízení s UART duplexní provoz potřeba 2x RS- 422 D I Am26LS31 A B GND1 U D Am 26LS32 + R T - D O GND2 A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 34

35 Rozhraní RS-422 odolnost proti rušení Diferenční přijímač rozliší rozdílové napětí 200 mv. Funkční i při přítomnosti souhlasného rušivého napětí (rozdíl potenciálu GND1 a GND2) na vstupu až ± 7 V. RS pro sériový přenos od vysílače obvykle k jednomu přijímači. RS 422 je vhodné i pro paralelní přenos tam, kde se požaduje vysoká rychlost přenosu informace. Např. přenos 8 datových signálů paralelně pomocí 8-mi rozhraní RS-422. Poznámka pro pomoc při vývoji: pro jednoduché případy (a pouze pro kontroly funkčnosti zařízení) a velmi malé vzdálenosti lze výstup A chápat jako neinvertující výstup v TTL logických úrovních (velikost napětí U OH závisí na použítí zakončovacího odporu) a napojit jej na vstup logického obvodu, Výstup B chování jeko invertující výstup TTL D I GND1 Am26LS31 A B U D Am 26LS32 R T + - D O GND2 A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 35

36 Rozhraní RS-485 pro přenos pomocí UART Rozhraní RS-485 (podoba s RS- 422) propojení jednotek kroucený dvoudrát a GND ale obousměrná komunikace, zakončení na obou koncích odporem dle char. impedance vedení Z 0. neaktivní jednotka má výstupy v třetím stavu (signál DE) na společné vedení sběrnici je možné připojit až 32 jednotek poloduplexní komunikace, nutná arbitráž, jednotka master řídící komunikaci Obousměrný budič např možné použití i s napájením 3,3 V, např. obvod ADM 3485 Analog Devices DE A A DI B R T B R T RO RE + - T T T T Použití v průmyslových systémech pro přenos na větší vzdálenosti (10- ky až 100- ky metrů, použití i pro propojení jen dvou jednotek nadřízená (master) a podřízená jednotka A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 36

37 Comparison of RS-422 and RS-485 (materiál TI) RS-422 RS-485 R t 100 Ω R t 100 Ω R t 100 Ω 1 generator up to 10 receivers simplex operation up to 32 unit loads Half duplex operation -7V to +7V Max common mode voltage -7V to +12V 4 kω Receiver input impedance 12 kω 100 Ω Minimum generator load 60Ω < 150 ma to GND Generator short circuit current <250 ma to -7V / +12V 6-19 A4B38NVS, 2014, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 37