MASOWE APLIKACJE MIKROKONTROLERÓW RODZINY HC809 – STUDENCKIE PREZENTACJE 2005/2006

Bogusław Wiśniewski

Barbara Szecówka-Wiśniewska

Jacek Ostrowski

Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie

Al. Mickiewicza 30

30-059 Kraków

bwisniew@agh.edu.pl

MASOWE APLIKACJE MIKROKONTROLERÓW RODZINY

HC809 – STUDENCKIE PREZENTACJE 2005/2006

Streszczenie: W referacie przedstawiono genezę studenckich prezentacji projektów. Uzasadniono wybór mikrokontrolerów rodziny HC908 (Freescale Semiconductor). Dokonano oceny ich przydatności pod kątem różnorodnych zastosowań. Omówiono wybrane problemy techniczne i organizacyjne prezentacji

1. GENEZA PREZENTACJI

Proces kształcenia w zakresie techniki mikroprocesorowej musi w dużej części opierać się na praktycznych projektach. Każdy student powinien przejść wszystkie etapy realizacji aplikacji praktycznej od strony sprzętu i oprogramowania. Często zdarza się, że przy projektowaniu układów współpracujących z mikroprocesorem jest okazja do uzupełnienia wiadomości, szczególnie z techniki analogowej.

Zajęcia z techniki mikroprocesorowej na kierunku Elektronika i Telekomunikacja wydziału EAIiE AGH to VI i VII semestr studiów. Na pierwszym z nich tok zajęć jest klasyczny – wykład uzupełniony przez laboratorium. Natomiast w semestrze VII, istotną częścią składową jest projekt praktyczny, będący aplikacją mikrokontrolera jednoukładowego. Od trzech lat projekt połączony jest z publiczną prezentacją wykonanych aplikacji (dotychczas odbyły się dwie prezentacje- na pierwszej 34, a na drugiej 44 dwuosobowych grup projektowych, lista tematów na stronie laboratorium Techniki Mikroprocesorowej home.agh.edu.pl/~ltmip). Prezentacja w bieżącym roku została włączona do Krakowskiego Festiwalu Nauki, jako jedyne przedsięwzięcie studenckie.

Projekt objął większość studentów kierunku Elektronika i Telekomunikacja (liczącego 160 osób). Aby wyrównać szanse, każda aplikacja wykorzystywała ten sam typ mikrokontrolera. Do wyboru były tematy z listy, ale każdy student mógł też zaproponować własne zastosowanie. Projekt chcieli wykonać prawie wszyscy studenci kierunku. Nie wszystkim oczywiście wystarczyło zapału, wiele pomysłów rozbiło się o barierę niedostępności elementów lub o problem kosztów. Pozostała jednak całkiem spora grupa, która zdecydowała się wziąć udział w publicznej prezentacji. Krótki czas i nadzwyczaj skromne środki finansowe nie pozwoliły na wykonanie „na czysto” płytek drukowanych- pozostawiono logikę montażu, a niektóre układy wykonawcze zostały zastąpione wersją zminiaturyzowaną. Wiele grup po próbach generalnych stwierdziło, że swoje aplikacje rozwiązaliby prościej

sprzętowo, a oprogramowanie napisaliby już w wersji „2.0”- co jest zjawiskiem pozytywnym i naturalnym.

Radości i rozczarowania dzielili wraz ze studentami opiekunowie tego przedsięwzięcia, które było poważnym wyzwaniem merytorycznym i logistycznym, a przede wszystkim czasowym. Satysfakcją jest ciągły wzrost liczby projektów, doprowadzonych do postaci finalnej w kolejnych prezentacjach - zaś obecny rocznik studentów w ogóle nie dopuszczał możliwości rezygnacji z tej formy projektu.

2. WYBÓR MIKROKONTROLERA

Około 10 lat wcześniej, w innej siatce godzinowej funkcjonował projekt praktyczny (semestr VI). Był on typowo dydaktycznym i wykorzystywał układy 8051. W chwili obecnej, mimo rozpowszechnienia i różnych rozszerzeń jest to konstrukcja zbyt przestarzała.

Ponieważ w programie wykładu zawsze były omawiane mikroprocesory firmy Motorola/Freescale, jak również duża część stanowisk laboratoryjnych dotyczy tych układów (68008, 68HC11, 68HC12, 68030, ’40, ’60) – a zatem zdecydowano się na rodzinę mikrokontrolerów 68HC908 Freescale. Przemawiały za tym:

- różnorodność układów rodziny,

- stosunkowo rozbudowana lista instrukcji, - dostępne darmowo środki uruchomieniowe i

„sample”,

- magistrala wyłącznie wewnętrzna,

- system przerwań z adresacją pośrednią procedur.

Tabela 1 przedstawia grupy funkcjonalne wraz z głównym przeznaczeniem. Gwiazdka oznacza typy używane w projektach. Preferowane były oczywiście wersje w mniejszych obudowach i szerszym rastrze lub dysponujące koniecznym interfejsem (CAN, USB).

3. WYBRANE PROBLEMY TECHNICZNE I ORGANIZACYJNE

Prowadząc w takiej ilości projekty praktyczne dla studentów o różnym stopniu przygotowania, mamy do czynienia z różnorodnymi problemami. Dotyczą one rozwiązań sprzętowych, programowych, jak również są natury organizacyjno - logistycznej. W czasie prac, często pojawiała się konieczność uzupełnienia na bieżąco luk z przedmiotów, nawet tych podstawowych. Oto problemy dotyczące sprzętu, z którymi spotykaliśmy się niejednokrotnie:

2006

Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne Poznań 7 - 8 grudnia 2006

Tab.1. Typy kierunkowe układów rodziny 68HC908 Oznaczenie typu Przeznaczenie Obudowy- Liczba wyprowadzeń AB Ogólne 64 AS/AZ Ogólne 52-64 AP Ogólne 42-48 GQ/GT/GP* Ogólne 40-44 AS/AZ Motoryzacja (łącze CAN) 52-64 GR/GZ* Ogólne/Motoryzacja (łącze CAN) 28-64 EY/QL Motoryzacja (łącze LIN) 16-32 BD/LD Obróbka grafiki 44-64 LJ/LK Obsługa LCD 52-80 LB*/MR Oświetlenie, napędy (precyzyjne/rozsze- rzone PWM) 20/28-64 JK*/JL Zbieranie danych analogowych 20-48 QB*/QT*/ QY* Ekonomiczne 8-16 SR Mikromocowe 42-48

JB* Łączność port USB 20-44

- brak „wyczucia” mikroprocesora tj. sposoby wykorzystania jego wbudowanych interfejsów i wymienności sprzętu na program,

- przeprowadzenie właściwej konwersji wielkości nieelektrycznych na sygnał napięciowy (prądowy),

- dokonanie eliminacji zakłóceń i właściwego rozwiązania zasilania,

- zapewnienie filtracji wstępnej i/lub wzmocnienia sygnału

Na rozwiązanie tych problemów zespół organizatorów nie szczędził czasu, gdyż wad sprzętu nie da się nadrobić nawet wyrafinowanym oprogramowaniem.

Natomiast w przypadku oprogramowania starano się narzucić właściwy szkielet czasowy, ustalić pętlę główną i zdefiniować procedury zależne od sprzętu. Okazało się, że problemem jest interpretacja bitów warunkowych i zagnieżdżanie procedur.

W przypadku wyboru wersji mikrokontrolera, oprócz oczywistych przypadków, konieczna była bezpośrednia sugestia prowadzących. Chodzi o to, aby wybór był zgodny z zasadami ekonomii - użycie układu o najmniejszym lecz jeszcze wystarczających możliwościach. Ponadto starano się minimalizować ilość wersji mikrokontrolera, przewijających się w aplikacjach.

Działania organizacyjne zmierzały do minimalizacji czasu poświęconego na problemy nie ściśle merytoryczne - stąd listy mailowe, forum studenckie, komunikaty obiegowe itd. Istotnym było etapowanie postępu prac (terminy kontrolne) -przedstawione na rys.1.

rys.1. Etapy prac

Pozwoliło to na konsultowanie podobnych problemów w tym samym czasie. Wykonanie projektu do wersji odpowiadającej wymaganiom publicznej prezentacji nie jest możliwe w realnych warunkach w ciągu jednego (zimowego) semestru. Stąd wyniknęła konieczność kontynuacji prac od początku semestru letniego do połowy maja (netto niecałe 3 miesiące) np. na prace mechaniczne oraz napisanie „przedostatniej” wersji oprogramowania.

4. OCENA PRZYDATNOŚCI

MIKROKONTROLERÓW 68HC908

Pierwszą prezentację zorganizowano, dla wyrównania szans i standaryzacji, wykorzystując dla wszystkich projektów, identyczny typu mikrokontrolera. Wybrano wersję ‘HC908QT4CP, przede wszystkim ze względu na wyposażenie w przetwornik a/c, a także dwukanałowy „timer” plus typowe podzespoły dla całej rodziny. Przeważyła też, „prowokacyjna” obudowa 8 pin (tj. 6 linii we/wy - wielofunkcyjne), gdyż chciano unaocznić, że ilość pinów obudowy nie przekłada się wprost na możliwości funkcjonalne. Mikrokontroler ‘HC908QT4CP generalnie wykazał swoją dużą skuteczność. Jego jedynym mankamentem, jak i całej rodziny jest brak tzw. akumulatora impulsowego. Przebiegi można zliczać wykorzystując funkcję „input capture” wydatnie ogranicza górną częstotliwość zliczanych impulsów, ze względu na softwarową obsługę. Użyte mikrokontrolery są wyposażone w wewnętrzny generator (wymaga tzw. trymowania czyli dostrojenia częstotliwości do nominalnej). Dla praktycznie wszystkich aplikacji stabilność wewnętrznego generatora (układy RC) była wystarczająca, za wyjątkiem syntezy częstotliwości czy dokładnych pomiarów czasu (zewnętrzny generator jest jako opcja). Dysponowana pamięć flash 4kB i RAM 64 B były wystarczające. Problemem było natomiast

wąskie gardło - ilość linii wejścia- wyjścia. Trudność tę rozwiązywano na wiele sposobów, typowe układy ekspansji linii wejścia - wyjścia z wykorzystaniem dodatkowych układów zewnętrznych zaprezentowano na rys.2. (nie będą omawiane). Wystąpiły problemy z generacją przebiegu typu PWM o częstotliwości dowolnej (skrócony obieg 16 - bitowego licznika głównego). Testując ulepszoną wersję układu (908QTA), która pojawiła się w tym czasie w ofercie, nie stwierdzono tych ograniczeń.

Przystępując do drugiego rzutu projektu (ubiegły rok) zdecydowano się na dobór typu mikrokontrolera do konkretnej aplikacji. Na fot.1. zestawiono kilka przykładowych projektów (gra Sudoku, syntezer dźwięku, samochód sterowany światłem, ploter i inne). Należy podkreślić, że środki softwarowe i sonda adaptera są identyczne dla wszystkich wersji rodziny HC908. Pojemniejsze pamięci flash w większości wersji pozwoliły np. na obfite komentowanie na panelach LCD czy tablicowanie funkcji.

rys.2. Przykład optymalnego wykorzystania linii we-wy

1. PODSUMOWANIE

Obecnie trwają prace pierwszej fazy III Prezentacji. „Zainstalowały” się już grupy projektowe. Na podstawie obserwacji z lat ubiegłych przełoży się to na co najmniej 50 tematów zakończonych (stałe tendencje zwyżkowe). Wiele tematów jest bardzo ambitnych. Formuła tego samego typu mikrokontrolera została ewolucyjnie rozszerzona na kontrolery sygnałowe serii 56F8XX czy kontrolery MCF5XXX (seria „Coldfire”). Aby nie generować „ciągu rozbieżnego” i ze względów organizacyjno- uruchomieniowych pozostano przy wyrobach firmy Freescale, które sprawdziły się w poprzednich prezentacjach. Za ich użyciem przemawiają ogólnodostępne środki uruchomieniowe, pełna dokumentacja i bogaty wybór darmowych „sampli”.

Tradycją stały się dyplomy, wręczane przez przedstawicieli firmy Freescale oraz udział inżynierów z ich laboratoryjnych centrów aplikacyjnych (Roznov Czech System Center).

5. LITERATURA:

[1] Jacek Bogusz, Lokalne interfejsy szeregowe w systemach cyfrowych, BTC 2004

[2] Zbigniew Hajduk, Mikrokontrolery w systemach zdalnego sterowania, BTC 2005

[3] Ryszard Pełka, Mikrokontrolery- architektura programowanie zastosowania WKŁ 2000

[4] James M. Sibigtroth, Zrozumieć małe mikrokontrolery, BTC 2004