Устройства управления бытовой радиоэлектронной аппаратурой

Устройства управления бытовой радиоэлектронной аппаратурой

 

Содержание курса

 

Предметом изучения курса «Устройства управления радиоэлектронными средствами бытового назначения» являются принципы построения систем контроля и управления радиоэлектронными средствами бытового назначения (РЭСБН) и элементная база систем управления. В рамках курса рассматриваются однокристальные микроконтроллеры, широко распространенные в системах управления радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), их структурная организация, система команд. Изучаются методы обработки данных в микроконтроллере и организация взаимодействия микроконтроллера с объектами управления. Рассматриваются протоколы и интерфейсы шин передачи данных в системах управления и настройки РЭСБН, устройства дистанционного управления РЭА, их структура, методы кодирования команд. Аналогом термина РЭСБН можно считать сокращение БРЭА (бытовая радиоэлектронная аппаратура).

 

Датчики

 

Датчиками называют устройства, формирующие электрические сигналы под воздействием внешних раздражающих факторов. По формируемым датчиками сигналам можно опознавать и измерять характеристики этих факторов. Существует множество явлений и эффектов, видов преобразования свойств и энергии, которые можно использовать для создания датчиков.

Для датчиков технических систем необходимо преобразование интересующих явлений и эффектов в электрические сигналы. Некоторые датчики выполняют такое преобразование напрямую, за счет соответствующего физического явления. Терморезистор, например, изменяет сопротивление в зависимости от окружающей температуры.

Другие датчики требуют промежуточного преобразования. Примером такого датчика можно назвать датчик обледенения, выполненный на основе оптического элемента. Осаждение инея приводит к изменению освещенности, которое и преобразуется в электрический сигнал.

Из всего многообразия подобных устройств рассмотрим несколько наиболее важных типов датчиков.

Температурные датчики. С температурой мы сталкиваемся ежедневно, это наиболее знакомая нам физическая величина. Температурные датчики отличаются особенно большим разнообразием типов и являются самыми распространенными (таблица 1.1).

 

Таблица 1.1 - Температурные датчики

Тип датчика	Принцип действия	Примерный диапазон температур
Биметаллический датчик	Тепловое расширение	-50° - +500° С
Платиновый термометр сопротивления	Изменение электрического сопротивления	-50° - +300° С
Термопара	Генерация термо-ЭДС	-100° - +1300° С
Термоферрит	Изменение магнитной проницаемости	-20° - +150° С
Диод, транзистор, тиристор	Изменение проводимости	-20° - +100° С
Инфракрасный пироэлектрический детектор	Тепловое излучение	-150° - +1300° С
Кварцевый резонатор	Изменение частоты	-20° - +200° С
Плавкий предохранитель	Деформация, разрушение	+40° - +400° С

Как можно заключить из приведенной таблицы, различные температурные датчики имеют различную чувствительность и разный диапазон рабочих температур. В последнее время практическое применение нашли интегральные температурные датчики, имеющие на одном кристалле термочувствительный диод, усилитель и периферийные схемы для связи с микро-ЭВМ.

Оптические датчики. Подобно температурным, оптические датчики отличаются большим разнообразием и массовостью применения. По принципу преобразования «свет - электрический сигнал» в оптических датчиках можно выделить типы, основанные на следующих явлениях:

1. эффект фотоэлектронной эмиссии;
2. эффект фотопроводимости;
3. фотогальванический эффект;
4. пироэлектрический эффект.

Фотоэлектронная эмиссия - это испускание электронов при падении света на физическое тело.

Эффект фотопроводимости связан с изменением электрического сопротивления физического тела при облучении его светом.

Фотогальванический эффект - это возникновение ЭДС на выводах p-n перехода в облучаемом светом полупроводнике.

Пироэлектрический эффект связан с появлением на поверхности физического тела электрических зарядов при изменении уровня освещенности.

Преимущества оптических датчиков перед датчиками других типов заключаются в следующем:

1. возможность бесконтактного обнаружения;

2. возможность за счет изменения оптики работать с объектами чрезвычайно больших или очень малых размеров;

3. высокая скорость реакции;

4. обширная сфера использования, например, от измерения перемещения до определения формы и распознавания предметов.

Однако среди оптических датчиков практически нет датчиков, обладающих достаточной чувствительностью во всем световом диапазоне. Большинство датчиков имеют оптимальную чувствительность в довольно узкой зоне ультрафиолетовой, видимой или инфракрасной части спектра.

К недостаткам оптических датчиков следует также отнести чувствительность к загрязнению, уровням посторонней фоновой засветки.

Датчики давления. Такие датчики используются в задачах измерения давления газов, массы и положения твердых тел, уровня и расхода жидкости.

Обычным способом реакции на изменение давления в таких датчиках является эффект деформации упругих тел (диафрагмы, мембраны и т.д.). Но при использовании эффекта деформации трудно получить электрический сигнал. В датчиках давления типа потенциалометрических (реостатных), емкостных, индукционных и ультразвуковых на выходе имеется электрический сигнал, но сами датчики более дорогие и сравнительно сложны в изготовлении.

Более перспективным является использование тензометров. Полупроводниковые диффузионные тензометры обладают высокой чувствительностью, малыми размерами, легко сопрягаются с периферийными схемами.

При изготовлении тензометра на поверхности кристалла кремния с n-проводимостью по тонкопленочной технологии формируется круглая диафрагма. На ее краях (рисунок 1.3) наносят пленочные резисторы, имеющие p-проводимость и ориентированные вдоль осей.

Рисунок 1.3 - Конструкция и схема тензометрического датчика

При приложении давления сопротивление одной пары резисторов увеличивается, а другой - уменьшается. С помощью мостовой схемы формируется выходной сигнал датчика. Недостатками этого типа датчика является температурная зависимость, небольшой срок службы.

Полупроводниковые датчики давления широко используются в автомобильной электронике, компрессорах, системах измерения артериального давления крови и т.д.

Датчики влажности и газоанализаторы. Влажность - физический параметр, с которым человечество имеет дело очень давно. Раньше датчиком влажности выступал человеческий или конский волос, изменяющий свою длину при изменении влажности. Позднее применяли специальную полимерную пленку, разбухающую от воды. Однако, датчики на этой основе обладают нестабильностью характеристик во времени, узким рабочим диапазоном, наличием гистерезиса чувствительности.

В настоящее время для датчиков используется специальная пористая керамика и твердые электролиты. В этих датчиках устранены описанные выше недостатки. Датчики на основе керамики используются в видеомагнитофонах и видеокамерах для обнаружения повышенной влажности с последующим переводом аппаратуры в нерабочее состояние до высыхания. Другой областью применения этих датчиков можно назвать схемы управления электронными кухонными плитами. В плитах по уровню влажности можно судить о степени готовности блюда.

Газовые датчики или газоанализаторы используются в бытовых случаях для обнаружения утечек горючего газа. Датчики могут использовать свойства явления катализа в твердых электролитах, интерференции и поглощения инфракрасных лучей, свойств полупроводниковой керамики, работающей по принципу каталитического горения.

Однако газовые датчики обладают большой избирательной характеристикой относительно газовой среды.

Магнитные датчики. Магнитные датчики, как и оптические, имеют возможность бесконтактного измерения и обнаружения, обладают высоким быстродействием. Однако для этих датчиков важен фактор расстояния, требуется достаточная близость к источнику магнитного поля. По классификации магнитных датчиков можно выделить датчик Холла, магниторезистор, датчик Джозефсона.

Среди магнитных датчиков широко известен датчик Холла. Принцип эффекта Холла основан на возникновении разности потенциалов на гранях твердого тела при протекании тока в условиях приложения магнитного поля перпендикулярно направлению электрического тока. Датчики Холла в интегральном исполнении широко применяются в двигателях видеомагнитофонов и видеокамер для определения положения, угла поворота и управления частотой вращения двигателя.

Магниторезистивные датчики изменяют свое сопротивление в магнитном поле. Более ранними являются магниторезисторы на основе полупроводников. Сейчас активно разрабатываются магниторезисторы на основе ферромагнетиков. Для последнего вида характерна высокая чувствительность и технологичность производства. Датчики применяются в магнитных головках многодорожечных цифровых магнитофонов. Недостатком отмечают узкий динамический диапазон обнаружения изменений магнитного поля.

Перспективными являются магнитные датчики на эффекте Джозефсона - явлении низкотемпературной сверхпроводимости, зависящей от магнитных полей. Датчики на этом принципе отличаются сверхвысокой чувствительностью к изменению магнитного поля. В качестве недостатка можно назвать относительную сложность изготовления и применения, особенно за счет необходимости использования очень низких температур при работе.

Перечисленные типы датчиков являются очень интересными и распространенными. Можно также назвать и другие типы датчиков: звуковые, радиационные, рентгеновские, СВЧ-датчики, датчики вибрации, скорости вращения, датчики вкуса, запаха и т.п.

К современным датчикам предъявляются довольно жесткие требования:

1. Высокие качественные характеристики: чувствительность, точность, линейность, скорость отклика, взаимозаменяемость.

2. Высокая надежность: длительный срок службы, устойчивость к влияниям внешней среды, безотказность в работе.

3. Технологичность: малые габариты, масса, низкая себестоимость, простота конструкции.

При подключении датчиков к устройству управления, выполненного на основе микро-ЭВМ, появляются дополнительные возможности и для самих датчиков. Частично удается скомпенсировать недостатки датчиков. При этом:

1. линеаризуется нелинейная характеристика конкретного типа датчиков;

2. подавляются шумы датчика;

3. корректируются чувствительность датчика и точка нуля, которые могут изменяться при длительной эксплуатации;

4. производится автоматическая диагностика датчиков.

В дальнейшем для разработки датчиков будут ужесточены требования:

1. Интегральное исполнение. В датчиках обязательными будут интерфейсные схемы, усилители, АЦП и.т.д.

2. Комбинирование. В одном корпусе нужно объединять несколько датчиков, либо объединять датчики с исполнительными устройствами.

3. «Интеллектуализация». На кристалле датчиков необходим микропроцессор, обрабатывающий и контролирующий состояние датчиков. Микропроцессор также должен принимать решение относительно полученных данных. Такая необходимость актуальна в системах обеспечения безопасности, где недопустима ложная информация и важна малая протяженность и недоступность линии передачи данных к устройству управления.

 

Однокристальные контроллеры

 

Значительный прогресс и улучшение характеристик однокристальных микроконтроллеров (ОМК) объясняет широкое распространение их в системах управления РЭСБН. В микросхеме ОМК на одном кристалле расположен полный набор компонентов микропроцессора: АЛУ, регистры, память программ, память данных, порты ввода/вы-вода. Для ОМК характерно наличие небольшого объема памяти программ и данных, простой набор команд, сравнительно ограниченные возможности ввода-вывода информации. ОМК находят применение в качестве специализированного вычислителя, включаемого в контур управления объектом или процессом.

При использовании контроллеров разработчик избавляется от необходимости разработки процессорной части устройства и может уделить больше внимания программному обеспечению, схемам сопряжения контроллера с датчиками, исполнительными механизмами объекта управления. При этом значительно снижаются затраты на разработку и изготовление плат, как следствие, увеличивается скорость выполнения разработки.

Многие известные зарубежные фирмы разработали и выпускают целые серии однокристальных микроконтроллеров и микро-ЭВМ. Эти ОМК отличаются друг от друга системой команд, разрядностью архитектуры, быстродействием, структурным составом, областью применения. Несмотря на эти обстоятельства, с точки зрения пользователя, между ОМК, микро-ЭВМ разных производителей значительно меньше различий, чем сходства. Приведем характеристики некоторых серий микро-ЭВМ, применяемых в бытовой, медицинской, связной и другой радиоэлектронной аппаратуре [1].

Микро-ЭВМ серии PD-75х фирмы NEC представляют собой однокристальные 4-х разрядные микро-ЭВМ с различными емкостями программ и данных. Микро-ЭВМ управляют данными в 1/4/8 битовом формате и имеют разнообразные порты ввода/вывода, которые могут функционировать при различных напряжениях питания и токах нагрузки (например, для прямого управления светодиодными индикаторами и подключения клавиатуры). Эти микро-ЭВМ применяются в схемах управления видеомагнитофонов, видеокамер, CD-проигрыва-телей, радиоприемных устройств, копировальных аппаратов, телефонных аппаратов, электронных кассовых аппаратов, медицинской технике и в других случаях.

Некоторые наиболее важные характеристики однокристальных микро-ЭВМ семейства PD-75х приведены в таблице 1.2:

Таблица 1.2 - Типовые характеристики микро-ЭВМ семейства PD-75х

Серия содержит большое число разнообразных микро-ЭВМ, совместимых на программном уровне, предназначенных для выполнения разнообразных задач управления РЭА. Перечислим имеющиеся ЭВМ этой серии: PD75004, PD75006, PD75008, PD75028, PD75036, PD75104, PD75108, PD75111, PD75112, PD75116, PD75208, PD75212, PD75216, PD75238, PD75304, PD75306, PD75316 и другие.

Примером развития микро-ЭВМ серии PD-75x можно назвать быстродействующую архитектуру микро-ЭВМ серии COM-75x. Для сравнения в таблице 1.3 приведены только улучшенные характеристики, в сравнении с микро-ЭВМ серии PD-75x.

Таблица1.3 - Характеристики микро-ЭВМ серии COM-75x

Микро-ЭВМ серии LC6xxx фирмы SANYO представляют собой однокристальные 4-х разрядные микро-ЭВМ с высокопроизводительным ядром. Часть выводов микро-ЭВМ могут прямо управлять вакуумными люминесцентными индикаторами и светодиодами. Микро-ЭВМ применяется в схемах управления и индикации музыкальных центров, усилителей, видеомагнитофонов, телефонов, автоответчиков, факсимильных аппаратов и другом оборудовании.

Перечислим некоторые микро-ЭВМ этой серии: LC65204А, LC662304А, LC662306А, LC662308А, LC662312А, LC662312А, LC66304А, LC66306А, LC66308А, LC66354В, LC66356В, LC66358В, LC66506В, LC66508В, LC66512В, LC66516В и другие.

Наиболее важные характеристики микро-ЭВМ серии LC6xxx приведены в таблице 1.4.

Таблица 1.4 - Характеристики микро-ЭВМ серии LC6xxx

Микро-ЭВМ серии LC86x фирмы SANYO относятся к 8 разрядным однокристальным микро-ЭВМ и имеют различную емкость внутренних ПЗУ и ОЗУ. Имеются варианты интегральных микросхем (ИМС) с электрически перепрограммируемыми ППЗУ и с однократно программируемыми ПЗУ.

Перечислим микро-ЭВМ этой серии, опубликованные в [1]: LC865008В, LC865012В, LC865016В, LC865020В, LC865008В, LC866216А, LC866220А, LC866224А, LC866228А, LC866232А.

Наиболее важные характеристики микро-ЭВМ серии LC86x приведены в таблице 1.5.

Таблица 1.5 - Типовые характеристики микро-ЭВМ серии LC86x

Микро-ЭВМ серии 68HCxx фирмы MOTOROLA относятся к 8 разрядным однокристальным микро-ЭВМ с различной емкостью памяти программ и данных. Серия микро-ЭВМ находит применение в устройствах управления компьютерными мониторами, средствах беспроводной связи, устройствах сбора информации, телефонии и автомобильной электронике.

Примеры микро-ЭВМ этой серии: 68HC05В, 68HC11Е.

Наиболее важные характеристики микро-ЭВМ фирмы MOTOROLA приведены в таблице 1.6

Таблица 1.6 - Типовые характеристики микро-ЭВМ серии 68HCxx

Микро-ЭВМ серии AT89 фирмы ATMEL представляют собой 8 разрядные однокристальные микро-ЭВМ с различными емкостями внутренних ПЗУ команд, ОЗУ данных, типами запоминающих устройств, различной тактовой частотой. Микро-ЭВМ находят применение в качестве встроенных управляющих микроконтроллеров в промышленной и бытовой аппаратуре.

В семейство входят АТ89С1051, АТ89С2051, АТ89С51, АТ89LV51, АТ89С52, АТ89LV52, АТ89S8252 и т.д. Семейство по структуре, расположению выводов и по системе команд совместимо с семейством серии MSC-51, рассматриваемой в другом разделе.

Микро-ЭВМ серии AT90S фирмы ATMEL представляют собой высокопроизводительные 8 разрядные однокристальные RISC - микроконтроллеры с различными емкостями внутренних ПЗУ команд, ОЗУ данных, типами запоминающих устройств, различной тактовой частотой. Контроллеры находят применение в качестве встраиваемых управляющих микроконтроллеров.

В семейство входят AT90S1200, AT90S2313, AT90S2323, AT90S2343, AT90S4414, AT90S4434, AT90S8535, AT90S8515, AT mega 103, AT mega 603 и другие.

Важные характеристики данного семейства приведены в таблице 1.7.

Таблица 1.7 - Типовые характеристики микро-ЭВМ серии AT90S

Микро-ЭВМ серии MSC-51 фирмы INTEL представляют собой 8 разрядные однокристальные микро-ЭВМ с различными емкостями внутренних ПЗУ команд, ОЗУ данных, типами запоминающих устройств, различной тактовой частотой, разным внутренним набором компонентов и количеством разрядов ввода/вывода.

Среди микро-ЭВМ этой серии можно назвать 8031AH, 8051AH, 8751BH, 80C32, 80C32, 87C52, 80C54, 87C54, 87C58, 80C51GB, 83C51GB, 87C51GB и еще более 35 представителей семейства. Более подробная характеристика будет дана в следующих разделах.

Из рассмотренных примеров можно сделать вывод, что решение с помощью микро-ЭВМ задач управления в бытовой РЭА требует некоторого схожего набора характеристик по объему программ, данных, длительности выполняемых команд и других. Поэтому, при кажущихся серьезных различиях структур микро-ЭВМ разных фирм, для разработчика и пользователя управляющие микро-ЭВМ и микроконтроллеры, используемые в РЭСБН, весьма близки.

Для изучения можно ограничиться одним, наиболее характерным представителем разнообразного множества управляющих микро-ЭВМ и микроконтроллеров. В практической деятельности при рассмотрении другого представителя этого множества микроконтроллеров достаточно будет уяснить имеющиеся различия в архитектуре, системе команд и используемых ресурсах.

 

Передающая часть

Обычно передающая часть представляет собой пульт дистанционного управления (ПДУ). Современные ПДУ состоят из клавиатуры, жидкокристаллического индикатора (ЖКИ), контроллера, усилителя-формирователя (У-Ф) и излучающего инфракрасного светодиода. В простых случаях ЖКИ может отсутствовать, а вместо контроллера может применяться микросхема передатчика команд ДУ.

Контроллер - микросхема, которая, кроме функции шифрации команд управления ТВ-приемником, имеет встроенную память и может управлять ЖКИ.

Передатчик команд ДУ - микросхема, предназначенная для шифрации команд управления ТВ-приемником. Иногда его называют «шифратором». В соответствии с форматом конкретной системы команд управления передатчик команд ДУ формирует электрический сигнал и подает его на усилитель-формирователь.

Усилитель-формирователь - устанавливается на выходе контроллера или передатчика и выполняет функции формирования и усиления по мощности сигнала, поступающего на ИК-излучающий диод. В простом случае состоит из транзистора, работающего в ключевом режиме.

Жидкокристаллический индикатор - предназначен для отображения вводимой или текущей информации.

Приемная часть

Приемник системы ДУ обычно включает в себя фотодиод, входной усилитель, контроллер и энергонезависимую память. В случае, когда энергонезависимая память и перечисленные выше типы шин управления не используются, на выходе входного усилителя вместо контроллера ставится микросхема дешифратора команд ДУ.

Входной усилитель - микросхема, выполняющая функцию преобразования ИК-сигналов с выхода приемного фотодиода, в импульсную последовательность, соответствующую передаваемому коду для подачи на дешифратор или контроллер. В литературе может называться «предусилителем».

В настоящее время выпускаются микросхемы, объединяющие входной усилитель со схемой автоматической регулировки усиления (AРУ), фотодиод, светофильтр, полосовой фильтр и формирователь выходного сигнала. Такие схемы называются «приемниками ИК-сигналов».

Дешифратор команд - микросхема, выполняющая в основном функции дешифрации команд управления ТВ-приемником и не имеющая в своем составе запоминающего устройства. По простому может называться «приемником».

Контроллер - микросхема, которая, кроме функции дешифрации команд управления ТВ-приемником, имеет встроенную постоянную память (ПЗУ), программируемую на заводе-изготовителе или потребителем, и может обмениваться информацией в процессе работы с внешней энергонезависимой памятью и другими блоками ТВ-приемника. В литературе может называться «микроконтроллером», «микропроцессором», «процессором», «компьютером».

Энергонезависимая память - микросхема, сохраняющая данные о настройке на конкретные ТВ-каналы и значения заводских и пользовательских регулировок (яркость, контрастность и т.п.) при отключении приемника от сети.

 

Помехоустойчивость

ИК-сигнал, в силу специфики среды его распространения, испытывает воздействие различных помехообразующих факторов. Среди основных источников таких помех следует назвать солнце (в основном прямые лучи солнечного света), искусственные источники света типа ламп накаливания и люминесцентных ламп, передатчики стереозвуковых сигналов в ИК-диапазоне и строчная развертка в ТВ-приемниках.

Для устранения перечисленных мешающих факторов в схеме приемника используется индуктивная нагрузка, которая позволяет устранить пульсации с частотами напряжения сети и его гармонических составляющих. Использование оптического полосового ИК-фильтра позволяет снизить влияние облучения фотодиода солнечным светом, освещением от ламп накаливания и люминесцентных ламп. Несущая частота 36 кГц системы RC-5 обеспечивает помехозащищенность приемника от излучения системы телевизионной строчной развертки и беспроводной акустической передачи на стереофонические наушники.

 

Опрос клавиатуры

Все линии опроса (строки) устанавливаются на ВЫСОКИЙ логический уровень. Затем они последовательно переключаются на НИЗКИЙ логический уровень. При каждом переключении осуществляется проверка всех линий считывания на выявление нажатой клавиши. В обнаружении нажатой клавиши запоминается номер соответствующей клавиши и, если нажата только одна клавиша, выставляется флаг «Одна клавиша» (One Key). Повторный опрос клавиатуры спустя 20 мс устраняет «дребезг» контактов. Если подтверждается, что нажата та же самая клавиша, устанавливается флаг «Переключение» (Toggle) - контроллер переходит к выполнению модуля формирования командного слова дистанционного управления. В случае нажатия нескольких клавиш передача блокируется. Если при повторном опросе нажатой клавиши не обнаружено, контроллер переходит в STOP-peжим.

Передача командного слова

При использовании керамического резонатора на 4.3 МГц (Рисунок 2.5) частота модуляции равна 35.83 кГц (t = 27.91 мкс), а не 36 кГц. Для формирования пакета импульсов с коэффициентом заполнения 0.25 аппаратный модулятор в РСА84С122А устанавливается на длительность интервала «включено», равного 6.977 мкс, и интервала «выключено» - 20.925 мкс.

При двухфазной модуляции (код Манчестер) число формируемых импульсов с частотой 36 кГц в «пачке» определяется комбинацией двух соседних бит. Если логические уровни этих двух бит совпадают, то формируется 32 импульса. Если такая комбинация имеет вид «1-0», то формируется 64 импульса. В случае комбинации вида «0-1» импульсы не формируются.

 

Приемная часть системы ДУ

 

Архитектура системы ДУ

 

Для передачи команд ДУ по протоколу ITT используются короткие импульсы ИК диапазона. Информация кодируется путем изменения временного интервала между импульсами. Это позволяет работать при высоком импульсном токе светодиода (1 А и выше), что увеличивает расстояние передачи и помехозащищенность при одновременном увеличении срока службы батарей. Рассмотрим архитектуру системы ДУ по протоколу ITT на примере системы ДУ управления телевизионным приемником.

В приемной части ДУ фотодиод преобразует ИК-сигнал в электрический, который затем усиливается ИМС TBA2800, после чего поступает для дешифрации команд ДУ на ИМС контроллера ТВ-приемника, как показано на рисунке 2.8.

Рисунок 2.8 - Структура системы ДУ по протоколу ITT

В ИМС контроллера сигнал преобразуется в соответствующие команды: вкл/выкл, выбор принимаемых программ, установка аналоговых значений для громкости, яркости, управления телетекстом и т.д.

Каждая кодовая посылка или слово ДУ состоит из 10 бит. Поэтому микросхема передатчика SAA1250 может передать 1024 различных слова. Слово обычно состоит из четырех бит, кодирующих 16 адресов, и шести бит, кодирующих 64 команды. Однако такое разделение не ограничивает возможностей ИМС SAA1250. ИМС дешифратора позволяет использовать режим, в котором могут вызываться команды подсистем, типа меню. В этом случае число передаваемых команд и адресов для дополнительных ИМС оказывается практически не ограниченным.

КМОП ИМС SAA1250 была разработана для использования в устройствах ДУ цветных телевизоров, но с успехом может также использоваться в других системах ДУ. Малый потребляемый ток и большой набор команд обеспечивает ей широкую область применений. Системой ДУ на SAA1250 может быть передано до 1024 команд.

 

Приемная часть системы ДУ

Введение

Для восьмибитных систем, например, систем с однокристальным микроконтроллером, можно установить следующие критерии проектирования.

· Полная система обычно состоит из одного микроконтроллера и периферийных устройств (запоминающие устройства, устройства ввода/вывода).

· Стоимость различных устройств, связанных внутри системы, должна быть минимизирована.

· Такие системы обычно выполняют функции управления и не требуют высокой скорости передачи данных.

· Общая эффективность зависит от выбранных приборов и взаимосвязей в шинной структуре.

Чтобы построить систему, удовлетворяющую этим критериям, нужна шинная структура последовательного типа. Хотя последовательные шины не обладают пропускной мощностью параллельных шин, они требуют меньше проводов и контактных выводов.

Однако шина - это не только соединительные провода. Она включает в себя форматы и процедуры обмена информацией внутри системы. Устройства, обменивающиеся информацией по последовательной шине, должны иметь определенную форму протокола, которая устраняла бы возможности ошибок: потери данных и блокирования информации. Быстрые приборы должны иметь возможность обмениваться информацией с медленными. Система не должна зависеть от устройств, подключенных к ней. В противном случае модификация и усовершенствования стали бы невозможными.

Должна быть разработана процедура, предусматривающая принятие решения, какое устройство является управляющим в шине и когда. И, если к шине присоединены приборы с различными тактовыми скоростями, должен быть определен источник тактового сигнала шины. Все эти критерии включены в спецификацию I²C-шины (Inter Integrated Circuit) [3].

 

3.2 Шина I²C

 

3.2.1 Концепция I²C-шины

Интегральные схемы любой технологии изготовления (n-МОП, КМОП, биполярной) могут поддерживать I²C-шину. Шина содержит всего две линии: последовательности данных (SDA) и последовательности тактовых сигналов (SCL). По этим двум проводам информация передается между устройствами, присоединенными к шине.

Каждое устройство в шине должно иметь свой уникальный адрес, по которому оно распознает обращение к себе. Все устройства в шине (например, микроконтроллер, схема управления ЖК-дисплея, запоминающее устройство, клавиатура и т.д.) могут работать как передатчик, или как приемник, в зависимости от функции этого прибора. Очевидно, что схема управления дисплеем может быть только приемником, а запоминающее устройство может быть и приемником, и передатчиком.

В связи с этим передающие и принимающие устройства также могут рассматриваться как ведущие (master) и ведомые (slave) при выполнении передачи данных (таблица 3.1). Ведущим является устройство, которое инициирует передачу данных по шине и генерирует тактовые сигналы для разрешения этой передачи. В это время все адресуемые устройства рассматриваются как ведомые.

Таблица 3.1 - Терминология I²C-шины

ТЕРМИН	ОПИСАНИЕ
Передатчик	Устройство, которое посылает данные на шину
Приемник	Устройство, получающее данные с шины
Ведущий (мастер)	Устройство, инициирующее передачу, генерирующее сигналы и обрывающее передачу
Ведомый	Устройство, адресуемое ведущим
Мультимастер	Ситуация, когда более одного ведущего может пытаться управлять шиной в одно и то же время без искажения информации
Арбитраж	Процедура, гарантирующая, что если более одного ведущего одновременно пытаются управлять шиной, только одному будет позволено делать это, и сообщения не будут искажены
Синхронизация	Процедура синхронизации, гарантирующая работоспособность системы при генерации тактовых сигналов от двух или более устройств

 

I²C-шина является мультимастер шиной. Это означает, что к шине может быть присоединено больше одного устройства, которое может управлять ей. Поскольку обычно ведущим является микроконтроллер, рассмотрим случай передачи данных между двумя микроконтроллерами, присоединенными к шине (рис.3.1). Этот случай ярко отражает отношения «ведущий - ведомый» и «передатчик - приемник», которые могут быть на I²C-шине. Следует отметить, что последнее отношение не является постоянным, оно зависит только от направления передачи данных в данный момент времени.

Рисунок 3.1 - Конфигурация I²C шины

Передача данных может проходить следующим образом:

1. Предположим, микроконтроллер А хочет послать информацию микроконтроллеру В:

a. микроконтроллер А (ведущий) адресует микроконтроллер В (ведомого);

b. микроконтроллер А (ведущий передатчик) посылает данные микроконтроллеру В (ведомому приемнику);

c. микроконтроллер А обрывает передачу.

2. Если микроконтроллер А хочет получить информацию от микроконтроллера В:

d. микроконтроллер А (ведущий) адресует микроконтроллер В (ведомого);

e. микроконтроллер А (ведущий приемник) получает данные от микроконтроллера В (ведомого передатчика);

f. микроконтроллер А обрывает передачу.

Даже в этом (втором) случае ведущий (микроконтроллер А) генерирует синхронизацию и обрывает передачу.

Возможность присоединения более одного микроконтроллера к I²C-шине означает, что более, чем один ведущий, может пытаться инициировать передачу данных в одно и то же время. Чтобы избежать хаоса, который может возникнуть в данном случае, была разработана процедура арбитража. Эта процедура обеспечивается соединением всех интерфейсных выводов (каждой из двух линий) I²C-шины по схеме «монтажное И».

Если два или более ведущих пытаются передать информацию по шине, то первый прибор, который выдаст «единицу», в то время когда остальные выдадут «ноль», выбывает в результате арбитража. Тактовые сигналы в течение процедуры арбитража являются синхронизированной комбинацией тактов, генерируемых ведущими при помощи соединения «монтажное И» с линией SCL-выходов тактовых сигналов.

Генерация тактовых сигналов на I²C-шине всегда является обязанностью ведущих; каждый ведущий генерирует свои собственные тактовые сигналы при передаче данных по шине. Шинные тактовые сигналы от ведущего могут изменяться в случае, когда они растягиваются медленными ведомыми, удерживающими в низком состоянии линию синхронизации, или другими ведущими в процессе арбитража.

 

Общие характеристики

Линия данных (SDA) и линия синхронизации (SCL) являются двунаправленными линиями, связанными с положительным напряжением источника питания через подтягивающий резистор (рис.3.2).

Рисунок 3.2 - Соединение приборов с I²C шиной

Когда шина свободна, обе линии находятся в состоянии «1». Выходной каскад устройств, соединенных с шиной, должен иметь открытый сток или открытый коллектор для того, чтобы выполнять функцию «монтажное И». Данные на I²C-шине могут передаваться со скоростью до 100 Кбит/с в стандартном режиме или 400 Кбит/с в быстром режиме. Количество интерфейсов, связанных с шиной, зависит только от ограничения на емкость шины (400 пФ).

 

Передача бита

Из-за разнообразия технологий (КМОП, n-МОП, биполярная), применяемых при изготовлении приборов, которые могут быть присоединены к I²C-шине, уровни логических «нуля» и «единицы» не фиксированы и зависят от уровня используемого питающего напряжения V_DD.

Для каждого передаваемого бита данных генерируется один тактовый импульс. Данные на SDA линии должны быть стабильными в течение высокого уровня периода тактовой частоты. Смена состояния на линии данных должна происходить только тогда, когда тактовый сигнал на SCL-линии находится в низком состоянии (рис.3.3).

Рисунок 3.3 - Передача бита данных по I²C – шине

 

Условия START и STOP

В порядке действия I²C-шины возникают особые ситуации, которые определяются как START- и STOP- условия (рис. 3.4).

Рисунок 3.4 - START и STOP - условия

Переход «1 → 0» на линии данных SDA, если при этом линия SCL находится в состоянии «1»,- это одно из таких состояний. Такая ситуация определяет START-условие.

Переход «0 → 1» на линии SDA, если при этом линия SCL находится в состоянии «1», определяет STOP-условие.

Условия START и STOP всегда генерируются ведущими. Считается, что шина занята после условия START и свободна после условия STOP.

Определение состояний START- и STOP-устройствами, связанными с шиной, осуществляется легко, если они содержат необходимые интерфейсные аппаратные средства. Однако, микроконтроллерам, не имеющим таких средств, приходится опрашивать SDA-линию, по крайней мере, дважды за тактовый период, чтобы обнаружить этот переход (от «0» к «1»