Mikrocontroller, Sensor - Professur für Mikrorechner

Fakultät Informatik Institut für Technische Informatik, Professur Mikrorechner 

System-orientierte Informatik - 

Mikrocontroller, Sensor- und 

Aktoranbindung 

Prof. Dr.-Ing. Christian Hochberger

Ausgangslage 

• Gesamtsystem, bestehend aus 

– Prozess 

– (Steuer-)Rechner 

– Sensoren 

– Aktoren 

• Fragestellung hier: 

– Wie werden Rechner, 

Sensoren und Aktoren 

in der Praxis realisiert? 

E i n g a b e - P e r ip h e r i e 

( z . B . T a s t a t u r ) 

S t e l l - P e r i p h e r i e 

( z . B . A k t o r e n ) 

A 

ö f f n e n 

E l e k t r o m o t o r 

A u s g a b e - P e r i p h e r i e 

( z . B . B i l d s c h i r m ) 

I - E in g a b e I - A u s g a b e 

R e c h n e r 

I n f o r m a t i o n s - V e r a r b e i t u n g 

I - N u t z u n g I - G e w i n n u n g 

1 0 0 % 

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S c h i e b e r - 

p o s i t i o n 

M 

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s c h l i e ß e n 

M e ß - P e r i p h e r i e 

( z . B . S e n s o r e n ) 

S e n s o r 

( F o t o z e l l e ) 

F l ü g e l - 

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L a m p e 

D u r c h f l u ß 

S t r ö m u n g s - 

g e s c h w i n d i g k e i t V S 

©Christian Hochberger Folie 2 von 33

Mikrocontroller 

• Wunsch: 

– Alle Komponenten auf einem Chip 

– System-on-Chip (SoC) 

• Minimalausstattung: 

– Prozessorkern 

– (EP)ROM 

– RAM 

– I/O (digital, analog, seriell) 

– Timer (fast immer, oft mit Capture und Compare) 


Mikrocontroller – Speicherausstattung 

• Auswirkungen des SoC-Prinzips 

– Auch Speicher mit auf Chip 

– Probleme bei der Technologie-Integration 

– Typischerweise kein DRAM zusammen mit CMOS 

– RAM nur als SRAM 

• Bei großem RAM-Bedarf: 

– Externe Speicherbausteine (DRAM, SDRAM, DDR, ...) 

– Intern komplette Ansteuerung (DRAM-Kontroller) 


Mikrocontroller – Programmierung 

• Prozessorkern 

– Oft RISC, meistens einfache Befehlssätze 

– Bessere Berechenbarkeit der Ausführungszeiten 

– Verzicht auf “Komfort”-Befehle 

(z.B. Multiplikation, Division, Floating-Point) 

– Einfache Speicherverwaltung (keine MMU, evtl. einfache 

Schutzmechanismen) 

• Echtzeitbetriebssystem nur 

– wenn Multitasking gebraucht wird 

– oder Treiber für Schnittstellen gebraucht werden 

(z.B. USB, Ethernet/TCP/IP, ...) 


Mikrocontroller – Beispiele 

• MSP 430 Familie von TI 

– 16-Bit Prozessorkern, RISC 

– Speziell für energieeffiziente Systeme konzipiert 

• 0,5µA im Shutdown-Mode, 1µS Wakeup-Time 

– Speicherausstattung 

• 128B – 18KB SRAM 

• 1 – 256 KB Flash-EPROM 

– Peripherieausstattung 

• USB, SPI, I2C, UART, LIN 

• OpAmp, ADC, DAC, 

• Multiplier, AES, LCD (segmentbasiert) 

• Timer, WDT, RTC 


Mikrocontroller – Beispiel MSP430F4152 


Mikrocontroller – Beispiel MSP430F1101A 


Mikrocontroller – Beispiele (2) 

• LPC 17XX Familie NXP 

– ARM Cortex M3 Prozessorkern bis 120MHz 

– Speicherausstattung 

• 128 – 512 KB Flash-EPROM 

• 32 – 64 KB SRAM 

– Peripherieausstattung 

• Ethernet, USB, CAN 

• I2C, I2S, SPI, UART, 

• analoge Eingänge, verschiedene Timer, PWM 


Mikrocontroller – Beispiel LPC17XX 


Rückblick – Operationsverstärker 

• Wird für Anbindung der Außenwelt oft gebraucht 

– Synonyme: OPV, OpAmp 

• Grundkonzept: 

– 2 Eingänge (+ und -) 

– Spannungsdifferenz wird ∞-fach verstärkt 

(in der Praxis 10000 – 100000) 

– Durch Eingänge fließt kein Strom 

• Problem: 

– Braucht gute analoge Transistoren 

+ 

- 


OPV – Grundschaltung Spannungsfolger 

• Prinzip: 

– Eingangsspannung ändert sich 

– Differenz wächst 

– Ausgangswert wirkt auf Null- 

Differenz zurück 

• Natürlich nicht 

verzögerungsfrei 


OPV – Sample & Hold 

• Schalter geschlossen: 

– Kondensator folgt Eingangsspannung 

– Verzögerung aufgrund der Umladung 

• Schalter offen: 

– Kondensator hält seinen Wert (da kein Strom über OpAmp) 

– Wert driftet mit der Zeit weg 


D/A Wandlung 

• Umwandlung binärer Werte in analoge 

Ausgangsgrößen 

– Häufig Strom oder Spannung 

– Werden oft als Steuergröße für Folgesysteme gebraucht 

– Viel einfacher als A/D Wandlung 

• Hier zwei Verfahren: 

– Erzeugen einer Spannung mit R2R-Netzwerk 

– Pulsbreitenmodulation für größere Leistungen 

• Andere Verfahren 

– bei Synchronmaschinen 


D/A Wandlung – Erzeugen von Spannungen 

• Typische Realisierung: 

– R2R-Netzwerk 

– Nur zwei verschiedene 

Widerstandswerte nötig 

– Schnell 

• Aber: 

– Keine Belastung des 

Ausgangs 

– Daher meist mit OpAmp 


D/A Wandlung – Steuerung großer Lasten 

• z.B. Helligkeit einer Lampe 

– Hängt vom Strom ab 

– Lässt sich z.B. durch Widerstand regeln 

• Probleme: 

– Schlecht vom Mikrocontroller zu regeln 

– Strom fließt auch durch Widerstand 

– Widerstand erhitzt sich 

– Leistung wird nicht genutzt 

• Wann geht eigentlich am meisten 

Leistung verloren? 

VCC 


D/A Wandlung – Steuerung großer Lasten 

• Widerstand kann durch MOS- 

Transistor ersetzt werden 

– Drain-Source Widerstand proportional zu 

Gate-Spannung 

– Leicht durch Mikrocontroller zu steuern 

• Problem: 

– Strom erhitzt auch den Transistor 

– Leistung wird “verheizt” 

(Verlustleistung) 

VCC 


D/A Wandlung – Pulsbreitenmodulation 

• Transistor voll gesperrt: 

– Kein Strom durch Transistor, keine Verlustleistung 

• Transistor voll leitend: 

– Widerstand nahe an Null, Verlustleistung sehr klein 

• Idee der Pulsbreitenmodulation 

– Nutze nur die beiden Zustände des Transistors 

– Schalte schnell/oft genug um 

– Schalten nicht mehr zu bemerken 


D/A Wandlung – Pulsbreitenmodulation (2) 

t on 

t cyc 

• Resultierende Leistung entspricht dem Verhältnis 

aus Zykluszeit und Einschaltzeit 

• Voraussetzung: 

– Verbraucher muss filternde/integrierende Wirkung haben 

– Zykluszeit muss hinreichend klein sein 


Timer 

• Sehr häufig in Mikrocontrollern vorhanden 

• Anwendung: 

– Zum Messen von Zeiten: 

Externes Event erzeugt IRQ, Kern ließt Zählerstand aus 

– Zum Erzeugen vorgegebener Zeitintervalle 

IRQ nach Ablauf des Timers, Kern kann Aktion ausführen 

• Viele Formen möglich 

– Auf-/Abwärts zählen, programmierbarer Start-/End-Wert 

– Wahl des Eingangstaktes (Systemtakt, Peripherietakt, 

externer Takt) 

– Einstellbarer Vorteiler 


Timer – Output Compare Unit 

• Zusatzeinheit in Kombination mit Timer 

– Programmierbares Register 

– Bei Gleichheit mit Zählerstand wird Aktion ausgelöst 

– Aktion programmierbar (IRQ, Port An/Aus/Invert) 

• Mehrere pro Timer möglich 

• Erlauben autonome Signalerzeugung (ohne Kern- 

Beteiligung) 

• Kann als PWM-Einheit verwendet werden 


Timer – Output Compare Unit: PWM-Erzeugung 

Beispiel: MSP430F1101 

• Mehrere Capture/Compare 

Register 

• Zykluslänge in CCR0 

• CCR2 auf t on 

setzen 

• Output Mode: 

– Port ein bei Nulldurchgang 

– Port aus bei Erreichen von 

CCR2 


Timer – Input Capture Unit 

• Ziel: Autonomes Festhalten eines Zeitpunktes 

• Funktionsweise: 

– Externes Event löst Takt am Capture-Register aus 

– Eingang des Capture-Registers hängt am Zählerstand 

– Optional: IRQ auslösen 

• Möglicher Nutzen: 

– Hochgenaue Messung von Ereigniszeitpunkten 

– Keine Verfälschung bei hoher IRQ-Last des Kerns 

– Auf mehreren Kanälen gleichzeitig möglich 

– Anwendung z.B. bei Slope-Wandlungen 


A/D Wandlung 

• Kriterien bei der Auswahl 

– Geschwindigkeit 

– Genauigkeit 

– Technologische Integrierbarkeit 

• Betrachtete Verfahren: 

– Flash A/D Wandlung 

– Dual-Slope Wandlung 

– Sukzessive Approximation 

– (aber es gibt viele weitere!) 


Flash A/D Wandlung 

• Prinzip: 

– Bilde eine Referenzspannung für alle Spannungsstufen 

– Vergleiche alle Referenzspannungen mit dem Eingang 

– Eingang größer -> OpAmp liefert 1 

– Eingang kleiner -> OpAmp liefert 0 

– Ermittle Binärcodierung des Umschlagpunktes 

• Aufwand: 

– Bei n Bit Auflösung: 2 n OpAmps 


VCC 

Flash A/D Wandlung (2) 

• Wandlung arbeitet 

zeitkontinuierlich! 

• Schnellstes 

Wandlungsverfahren 

• Wg. hoher Zahl “analoger” 

Transistoren: Schlecht 

integrierbar 

• Praktisch immer in separaten 

Chips 

Priority Encoder 


Single Slope Wandlung 

• Grundidee: 

– Vergleiche Eingangsspannung mit Kondensatorspannung 

während Entladevorgang 

– Kondensatorspannung: V 0 

*e (-RC*t) 

– t z.B. durch OpAmp und Input Capture ermitteln 

• Probleme: 

– Berechnung von e (-RC*t) 

– Toleranzen von V 0 

und C 


Single Slope Wandlung (2) 


Dual Slope Wandlung 

• Verbesserung des Verfahrens: 

– Vergleichende Messung 

– C aufladen, über Referenz-Widerstand entladen 

– C nochmal aufladen, über Mess-Widerstand entladen 

• Formeln: 

V cmp =V 0 ∗e −R ref ∗C∗t ref 

t ref =R ref ∗C∗ln V cmp 

V 0 

t meas 

=R meas 

∗C∗ln V cmp 

V 0 

−R 

t meas ∗C∗ln V cmp 

meas 

V 

= 

0 

t ref 

−R ref 

∗C∗ln V cmp 

V 0 

t meas 

t ref 

= R meas 

R ref 


Dual Slope Wandlung (2) 

Referenz-Messung 

Sensor-Messung 


Dual Slope Wandlung (3) 

• Vorteile: 

– Negative Einflussgrößen fallen raus (V 0 

, C) 

– Berechnung viel einfacher 

• Nachteile: 

– Nur Messung von Widerständen (nicht Spannungen) 

– Kann in der Praxis oft leicht verschmerzt werden 

(Licht, Druck, Temperatur) 


Sukzessive Approximation 

• Prinzip: 

– Wie Balkenwaage 

– Größten Gewichtsstein auflegen 

– Gewicht zu schwer: Wieder runternehmen 

– Ansonsten: Drauf lassen 

– Mit nächst kleinerem Gewicht fortfahren 

• Optimaler Kompromiss: 

– Nur ein OpAmp (leicht zu integrieren) 

– Wandlungszeit proportional zur Auflösung 


Sukzessive Approximation (2) 

• Sample&Hold damit 

Wert konstant 

• D/A Wandler als R2R- 

Netzwerk 

• Bei höchstwertigem Bit 

anfangen 

D/A 

Naeherungswert 

S&H 

Steuerung

Mikrocontroller, Sensor - Professur für Mikrorechner

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