Mikrokonverterrel vezérelt digitális jelgenerátor fejlesztése

Átírás

1 SZEGEDI TUDOMÁNYEGYETEM Természettudományi Kar Kísérleti Fizika Tanszék Informatikus Fizikus szak Mikrokonverterrel vezérelt digitális jelgenerátor fejlesztése Diplomamunka Készítette: Kopasz Péter Gábor Informatikus Fizikus hallgató Témavezetı: Dr. Gingl Zoltán egy. adjunktus SZTE, Kísérleti Fizika Tanszék SZEGED 2006.

2 1. Tartalmi összefoglaló Napjainkban a digitális technika alkalmazása, használata a mindennapok részévé vált. Digitális technikát használunk például, ha telefonálunk, ha használjuk a számítógépet, ha CD lemezt hallgatunk vagy ha DVD filmet nézünk. Gyakran észre sem veszzük, hogy mekkora segítség ez a mindennapokban. Dolgozatom célja, hogy egy igen egyszerő felépítéső, de, nagyon hatékony digitális jelgenerátort építsünk, illetve fejlesszünk. Az eszköz felhasználási területe igen széles lehet, pl.: átviteli függvény vizsgálat; a munka során én a leggyakrabban használt jeltípusokra írtam algoritmusokat, de a késıbbiekben ez bıvíthetı, fejleszthetı. A programot assembly nyelven írtam. Kulcsszavak: digitális jelgenerátor, mikrokonverter, A/D és D/A átalakító, assembly 2.

3 Tartalomjegyzék 1. Tartalmi összefoglaló 2 2. Bevezetés [1,2] 4 3. Elméleti áttekintés [3,4] A jelgenerátorokról A D/A konverterekrıl [4] A 8051-es mikrovezérlı [5,6] Felépítése Belsı és külsı tárolók Speciális funkció regiszterek (SFR) Megszakítások Az Analog Devices 842-es mikrokonvertere (ADuC 842) [7] Mikrokonverter alapú jelgenerátor fejlesztés A jelgenerálás elve A jelgenerátor felépítése Tulajdonságok A jelek elıállítása Főrész jel Háromszög jel Négyszög jel Szinusz jel Grafikonok Felhasználói felület Teszt Összefoglalás Köszönetnyilvánítás Nyilatkozat Irodalomjegyzék Függelék/melléklet 41 3.

4 2. Bevezetés [1,2] A függvénygenerátor olyan elektromos berendezés, amely az elektronikában használatos jelalakok generálására alkalmas. Ezek a jelalakok lehetnek ismétlıdık vagy impulzus formájúak. Az utóbbi esetben valamilyen belsı vagy külsı trigger forrást igényelnek. A kimeneti jelalakot a mérendı készülék bemenetére csatlakoztathatjuk és az átvitt jelbıl következtethetünk a rácsatlakoztatott eszköz helyes vagy helytelen mőködésére. Használhatóak továbbá átviteli függvények mérésére, meghatározására. A továbbiakban ismertetendı eszköz alapja egy mikrokonverter, mert ezzel az egy chippel megvalósítható a digitális jelgenerátor, ugyanis minden szükséges eszközt integráltak rá (A/D, D/A konverter, memória). Régebben lassabbak voltak a mikrovezérlık, de ma már nem korlát a digitális technika, mert nagyon jó a pontossága és nagy elınye még, hogy viszonylag olcsó. A hétköznapokban is fontos szerepet játszik a digitális jelgenerálás. Néhány példával is szeretném ezt alátámasztani: a CD illetve DVD lejátszóban is használnak digitális jelgenerátorokat, a monitorban is a képet három darab jelgenerátor állítja elı. Ez a technika annyira gyakori, hogy mára már minden mobiltelefonban a hangot például digitális jelgenerátor állítja elı. Analóg vagy digitális? A függvénygenerátorok tipikusan két kategóriába sorolhatóak: analóg vagy digitális. Az analóg függvénygenerátorok alapkimeneti jele a háromszögjel. A jel generálása egy kondenzátor feltöltésével és kisütésével történik. Ezáltal lineárisan növekvı illetve csökkenı feszültség keletkezik, ami egy lineáris háromszög jelet állít elı a kimeneten. Az 50%-os kitöltési tényezıvel rendelkezı négyszögjel viszonylag könnyen megkapható, ugyanis a kondenzátor kisülése elıtti értéket illetve a kisülés utáni érték kerül ki a kimenetre. A digitális jelgenerátorok ami a diplomamunkám tárgyát képezi egy digital-analóg konvertert (DAC) használnak, hogy elıállítsák a kívánt jelet a memóriában tárolt adathalmazból, értékekbıl. A digitális generátorok a jel frekvenciáját egy belsı órajel-generátorból (általában kvarc-kristály) származtatják. Következésképpen a frekvencia 4.

5 pontosság és stabilitás magasabb, mint ami egy analóg függvénygenerátortól elvárható. Elınyükhöz tartozik az is, hogy képesek elıállítani tetszıleges alakú jeleket is, természetesen bizonyos határok között. Ez sok alkalmazás számára kedvezı. A dolgozatom célja, a fentiekben ismertetett digitális eszköz megvalósítása, amit a késıbbiekben viszonylag egyszerően némi programmódosítással, vagy új programrészek írásával lehet fejleszteni, új funkciókat hozzávenni, úgy hogy nem kell változtatni hozzá a külsı megjelenést. 5.

6 3. Elméleti áttekintés [3,4] 3.1 A jelgenerátorokról A legtöbb függvénygenerátor kimeneti csatlakozó típusa a generátor frekvencia tartományától függıen más és más lehet. Általában a függvénygenerátorok képesek több mint 20 MHz-es jelek elıállítására és 50 vagy 75 ohmos lezárású BNC csatlakozó aljzatot igényelnek. A speciális rádiófrekvenciás generátorok képesek gigaherzes jelek elıállítására és általában N-dugós kimeneti csatlakozójuk van. Ezek az eszközök, mint általában a jelgenerátorok képesek a kimeneti jelek modulálására és csillapítására és gyakran képesek arra, hogy két határfrekvencia közt frekvenciasöprést végezzenek. Ezzel a tulajdonsággal könnyen meghatározható egy elektronikus készülék átviteli karakterisztikája. Némely generátorok képesek fehér vagy rózsaszín zaj elıállítására is. A legkorszerőbb jelgenerátorok DDS-t (Direct Digital Synthesis) használnak a hullámformák generálásához. A tetszıleges hullámforma generátorok is hasonló elven mőködnek, hogy elıállítsanak bármilyen hullámformát, amit amplitúdó értékek sorozatával le tudunk írni. A Direct Digital Synthesis elvén mőködõ jelforrás egy idõrekordot (mintasorozatot) rekonstruálva generál analóg jelet. A numerikus minták könnyen szerkeszthetõek szoftverrel, így - a mintavételezés és kvantálás korlátain belül - valósághő (tetszõleges) vizsgáló jelek elõállítására nyílik mód. (1. ábra) 1. ábra: A DDS mőködési elve [3] 6.

7 meg. [3] Mivel M értéke általában 32-bites, ezért az átfogási tartomány. A DDS blokkvázlata a 2. ábrán látszik. Minden egyes órajel-ciklusban a léptetıregiszter (M) tartalmát hozzáadjuk a fázisregiszter tartalmához. A keletkezett fázishoz tartozó amplitúdóértéket a jelalakot tartalmazó memóriából (RAM vagy ROM), olvassuk ki és egy D/A konverterrel feszültséggé konvertáljuk. 2. ábra: A DDS blokkvázlata [3] A digitális generálás által keletkezı lépcsık miatt létrejövı felharmonikusok kiszőrésére egy analóg szőrı szolgál (egy passzív ötödfokú elliptikus szőrı). A szőrı jelentıségét a 3. ábra szemlélteti. 3. ábra: A szőrıvel ill. a szőrı nélkül keletkezı jel A keletkezı jel frekvenciájának változtatását az M regiszter tartalmának változtatásával lehet elérni (a frekvencia igen gyorsan megváltoztatható, és nem jelentkeznek tranziensek). A kimenet frekvenciája a következı képlettel számolható: F OUT M * FDDS = (1) N 2 ahol F DDS a generátor referencia órajele, N pedig a fázisregiszter bitjeinek a száma. A frekvenciafelbontás nagyságát a fázisregiszter hossza határozza A függvény generátorok kimeneti fokozata végerısítıbıl és kimeneti osztóból áll. A végerısítı hasonlóan a szinuszos generátorokhoz - szélessávú. 7.

8 A digitális jelgenerátor megvalósítására nagyon sokféle mód létezik. Mi ebbıl a mikrokonverterrel történı megvalósítást választottuk, ugyanis ott egy helyen megvan minden ami kell a jelalakok elıállításához: memória, A/D és D/A konverterek. A következı fejezetben a 8051-es mikrovezérlı tulajdonságait fogom ismertetni, mert amit használunk mikrokonvertert annak a belsı magja ugyan 8052-es, de teljes mértékben kompatibilis a 8051-es mikrovezérlıvel. 3.2 A D/A konverterekrıl [4] A D/A konverter feladata, hogy egész számmal arányos feszültséget szolgáltasson, jelen esetben a 0V -2,5V-ig tartó tartományt 256 részre osztja, s ennek megfelelı feszültség értékeket állít elı. A konverzió a következı képlet alapján megy végbe: U REF b U = Z * (2) 2 ahol U REF a konverter referenciafeszültsége 2 b pedig a konverter pontosságára jellemzı egész szám, b a bitek száma, a mi esetünkben b=8. A Z szám értéke 0 és 2 b -1 között lehet. D/A konvertert nagyon sok mindenre lehet használni, például: különbözı alakú feszültségjelek elıállítására, feszültséggel vezérelhetı eszközök számítógéppel való vezérlésére, stb. A D/A konvertert kétféleképpen használhatjuk, az egyik, hogy a fix referenciafeszültség mellett változtatjuk a digitális bemenetet, a másik, hogy a referenciafeszültséget változtatjuk. Utóbbi esetben szorzó típusú átalakításról beszélünk, mert a kimenet a referencia és a digitális szám szorzatával arányos. Ezt az utóbbi lehetıséget nem minden D/A konverter biztosítja. A D/A konverterek felbontását az határozza meg, hogy hány bitesek, mert ez a szám adja meg, hogy a feszültség tartomány hány részre oszlik. 8.

9 3.3 A 8051-es mikrovezérlı [5,6] Felépítése A mikroprocesszor nem más, mint egy chipben egy számítógép-egység és annak vezérlése. Ahhoz, hogy ebbıl aztán mőködıképes számítógép legyen, sok kiegészítı áramkörre van szükség: órajel-generátorra (kvarckristály), tárolókra (RAM-ok), fix tárolókra (ROM, PROM, EPROM) amelyekbe a beolvasó program kerül. Ezeken kívül különféle periféria vezérlık is szükségesek, az analóg jelek átalakításához pedig A/D konverterek is kellenek. A mikrokontroller és a mikroprocesszor között az a különbség, hogy a mikrovezérlı tartalmazza a mikroprocesszort és további periféria áramköröket egyetlen egységbe integrálva. 4. ábra: A 8051-es mikrovezérlı blokkvázlata 9.

10 A 8051-es mikrokontrollernek belsı órajel-egysége van. Az áramkör egy invertáló erısítı, amelynek a be-, és a kimenete az XTAL1 és az XTAL2 lábakhoz csatlakozik (19 és 18-as lábak ). A felhasználáshoz szükséges órajel frekvenciát a csatlakoztatott külsı áramköri elemek határozzák meg. Rendszerint erre a célra kvarcot, vagy kerámia-rezonátort használhatunk. Az 5. ábra egy kvarccal stabilizált órajel-generátort mutat. 5. ábra A belsı oszcillátor kimenete, illetve a bevezetett órajel egy belsı ütemgenerátort hajt meg. Ez állítja elı a szükséges belsı ütemezı jelet, amelynek frekvenciája mindenkori órajel frekvencia fele. A belsı jel ütemezi a mőveleteket. A 8051/8031 típusoknál minden gépi-ciklus hat ütemő, melyeket S1-tıl S6-ig jelölünk. Mindegyik ütem két oszcillátor periódusból - P1 és P2 - áll. Minden gépi-ciklus P tehát 12 órajel-periódusból áll, vagyis az S1P1-el kezdıdik és az S6P2-vel fejezıdik be. A gépi ciklus periódusideje (P) a következı összefüggés alapján számolható ki: P = 12 (3) f Az f-et 1/s - ban ( Hz-ben ) helyettesítve a P periódusidıt sec-ban, illetve mikrosecundumban kapjuk. Például ha egy kontrollert 8 MHz-es órajellel mőködtetünk, akkor: P = 12 1,5µs 6 8*10 = (4) 10.

11 hosszú lesz egy gépi ciklus. A ciklusidı ismeretében egy adott program futási ideje is kiszámolható. A 8051/8031 kontrollerek utasításai 1-3 bájt hosszúak és végrehajtásuk egy vagy két ciklus alatt történik. Kivétel a szorzás (MUL), illetve az osztás (DIV), melyeket a mikrokontroller 4 ciklus alatt hajt végre Belsı és külsı tárolók A 8051 mikrokontroller 64 Kbájt külsı adatmemóriát és 64 Kbájt külsı programmemóriát tud kezelni. A család minden tagjában van belsı adatmemória (RAM ), illetve egyes típusokban belsı programmemória (ROM / EPROM) is található. A 8051 típusú mikrokontroller belsı RAM-ja két 128 bájtos területet tartalmaz: operatív memória (00h 7Fh) illetve a speciális funkció regiszter memóriát (SFR) (80h FFh). Az operatív memória további három részre tagolódik: 1. Négy 8 bájtos Regiszter Bank ( BANK0, BANK1, BANK2, BANK3) - A BANK-ok közül mindig csak egy lehet aktív, s ezekhez rendelıdnek az R0,R1,...,R7 regiszterek 2. Bit-címezhetı memória - A bit címezhetı memória 16 bájtja elérhetı bájtos címzéssel is, de a memóriaterület 128 bitje ( 16*8 ) bites változóként külön-külön írható/olvasható, illetve használható bitmőveletek változóiként. 3. általános felhasználású memória - Az általános felhasználású memóriaterület csak bájtos szervezéső. Az operatív memória teljes területe direkt vagy indirekt címzéssel érhetı el. Az alkalmazások széles körében nem elég a belsı tárolók memóriakapacitása. Ilyenkor kell a 8051-et külsı adat- és/vagy programtárolóval kiegészíteni. Használatuknál figyelni kell arra, hogy a 8051 nem használ várakozó állapotot ( Wait-States ), ezért csak megfelelı sebességő tárolók alkalmazhatók. 11.

12 3.3.3 Speciális funkció regiszterek (SFR) A belsı adatmemória 80H - FFH címterületén találhatók az ún. Speciális Funkció Regiszterek ( SFR ). A 8051-es család minden belsı funkciója ezek segítségével vezérelhetı. Itt találhatók a CPU regiszterek (ACC, B, PSW, SP), a címzı regiszterek (PC, DPTR), a portok regiszterei (P0, P1, P2, P3), a belsı perifériák: idızítı/számláló (TMOD, TCON, TH0, TL0, TH1, TL1), soros vonal (SCON, SBUF), megszakítások (IP, IE). Az SFR regiszterek csak direkt címzéssel írhatók/olvashatók. Ezen regiszterek között vannak olyanok, amelyek bitjei is külön-külön kezelhetık. Az SFR-ek elnevezései, funkciói és címei láthatóak az 1. Táblázatban: Szimbólum Jelentés Cím (Hex) SP Stack-Pointer 81 DPL Data-Pointer: LOW bájt 82 DPH Data-Pointer: HIGH bájt 83 *TCON Idızítı/Számláló vezérlı regiszter 88 TMOD Idızítı/Számláló mód-regiszter 89 TL0 0-ás Idızítı/Számláló: LOW bájt 8A TL1 1-es Idızítı/Számláló: LOW bájt 8B TH0 0-ás Idızítı/Számláló: HIGH bájt 8C TH1 1-es Idızítı/Számláló: HIGH bájt 8D *P1 Port 1 90 PCON Power vezérlı regiszter 97 *SCON Soros Port vezérlı regiszter 98 SBUF Soros port buffer 99 *P2 Port 2 0A0 IE Megszakítás engedélyezı regiszter 0A8 *P3 Port 3 0B0 *IP Megszakítás prioritás regiszter 0B8 +*T2CON 2-es Idızítı/Számláló vezérlı regiszter 0C8 +*RCAP2L 2-es Idızítı/Számláló Capture regiszter LOW bájt 0CA +*RCAP2H 2-es Idızítı/Számláló Capture regiszter HIGH bájt 0CB +*TL2 2-es Idızítı/Számláló: LOW bájt 0CC +*TH2 2-es Idızítı/Számláló: HIGH bájt 0CD *PSW Programstátusz regiszter 0D0 *ACC Akkumulátor 0E0 12.

13 3.3.4 Megszakítások A 8051 típusnál öt megszakítás forrás és két prioritási szint van. A 8052 típusú mikrokontrollerbe még egy további megszakításforrást (T2) integráltak. Megkülönböztetünk külsı és belsı megszakítás-forrásokat. A külsı megszakításokat (INT0,INT1) a megfelelı bemenetre (12-es ill. 13-as lábak) adott feszültségszint, vagy negatív él indítja. Az egyes bemenetek szint-, vagy él-érzékenységét a TCON (Timer-Control) regiszter IT0, illetve IT1 bitjeivel lehet megválasztani. Az egyes megszakítások végre-hajtását a TCON.1 (IE0) illetve a TCON.3 (IE1) bitek 1-be írásával engedélyezhetjük. A belsı megszakításokat - az elızıekkel ellentétben - nem külsı, hanem a tokon belüli esemény kezdeményezi. A felhasználó ezért csak közvetetten kezdeményezheti. A belsı megszakításra példa az ES, amelyet a soros vonal indít az RI vagy a TI beíráséval. További belsı megszakítási források még a TF0 és a TF1. Ezeket a megfelelı idızítı/számláló (T0, illetve T1) túlcsordulása indítja. A táblázat foglalja össze a megszakításforrásokat és kezdıcímeiket. 2. Táblázat: Megszakítás-forrás Kérı-flag Kezdı-cím 0-ás külsı megsz. IE H Timer 0 megsz. TF0 000B H 1-es külsı megsz. IE H Timer 1 megsz. TF1 001B H Soros vonal megsz. RI vagy TI 0023 H A 8052-es mikrokontroller kibıvített megszakítása: Timer 2 megsz. vagy külsı töltés TF2 vagy EXF2 002B H 13.

14 A külsı megszakítás-forrás megszakítást kérı jelének LOW, vagy HIGH szintje minden esetben legalább egy teljes gépi ciklus idıtartamáig kell fennálljon. Csak ezzel biztosítható a megszakítás-kérés biztonságos felismerése. A 8051 megszakítás-vezérlı logikája bármelyik megszakítási kérelem felismerése után egy LCALL utasítást generál. A megszakítás lekezelése tehát a következı lépésekbıl áll: Ellenırzés, hogy kiadható-e az LCALL utasítás. Ha a kérés pillanatában azonos, vagy magasabb prioritású megszakítás kiszolgálása folyik, akkor a kontroller nem ad ki LCALL utasítást. Az alacsonyabb szintő megszakításvégrehajtást egy magasabb prioritású megszakítja. Ha a megszakítás-kérés utasítás végrehajtása közben érkezik, akkor elıször befejezıdik az, és csak utána történik a megszakítás-rutin hívása. - A programszámláló pillanatnyi értékét leteszi a VEREM-be. - A programszámlálót feltölti az aktuális megszakítást kiszolgáló rutin kezdıcímével. - A megszakítás-rutint egy RETI utasítással kell lezárni. Ennek hatására folytatódik a megszakított program végrehajtása. A megszakítás-kiszolgáló rutinokat minden esetben a RETI ( Return from Interrupt ) utasítással kell befejezni. Ez jelzi a megszakítás-vezérlı rendszernek, hogy egy kiszolgálás befejezıdött. 14.

15 3.4 Az Analog Devices 842-es mikrokonvertere (ADuC 842) [7] Az alábbiakban az ADuC 842-es mikrokonvertert fogom ismertetni. Azért ezt a konvertert használjuk, mert minden olyan dolog, amire szükségünk van megtalálható ebben a chip-ben (memória, A/D, D/A). Ez a chip rendelkezik egy többcsatornás, önkalibráló analóg-digital (A/D) konverterrel, kettı darab digitalanalóg (D/A) átalakítóval, és egy 8052-es maggal, ami teljes 8051-es kompatíbilis utasításkészlettel rendelkezik. Blokk Diagram 6. ábra: Az ADuC 842-es mikrokonverter blokk vázlata Mint, ahogy a 6. ábrán is látható a 842-es mikrokonverterre három típusú memóriát integráltak: 62 kb FLASH/EE program memória, 4 kb FLASH/EE adat memória és 256 byte RAM és 2 kb külsı RAM. 15.

16 Flash/EE Program memória: 62 kb program memória áll rendelkezésre a program kód futtatásához, amit csak és kizárólag innen lehet futtatni. A programot soros porton keresztül lehet feltölteni a memóriába. Flash/EE adat memória: Ennek a típusú memóriának 4 kb a mérete, és indirekt módon érhetı el control regiszterek használatávall. Általános célú RAM: Két 128 byte-os memória részre van osztva: alsó és felsı rész. Az alsó részt direkt és indirekt címzéssel is el lehet érni, a felsı részhez viszont csak indirekt címzéssel férhetünk hozzá, mert ugyanazt a címzési területet használja, mint a speciális funkció regiszterek (SFR), ami pedig csak direkt módon címezhetı. Az alsó memóriaterület címtartományait a 7. ábra szemlélteti. A memória legalsó 32 byte-ja 4 részre van osztva, 8 darab regiszter számára (R0- tól R7-ig). A verem a belsı memória bármelyik részén lefoglalódhat, és a legnagyobb mérete 2048 byte lehet. Az inicializálás (Reset) során a verem mutató (stack pointer) felveszi a 07h értéket és használat elıtt megnöveli az értékét 08h-ra, ami épp az elsı regiszter címe lesz (R0, BANK1). 7. ábra: A belsı adat memória alsó 128 byte-ja 16.

17 Külsı adat memória (External XRAM): Ez a memória terület a MOVX utasítással érhetı el, és mérete pedig meghaladja a 16 Mbyte-ot. Ezt a memóriaterületet használtam a különféle jeleket elıállító algoritmusok által generált pontok tárolására és kiolvasására. Az ADuC 842-es speciális funkció regiszterei (SFR): Az ACCUMULATOR (ACC) regisztert matematikai mőveletekhez összeadás, kivonás, egész számmal való szorzás és osztás használhatjuk, és az A regiszterrel hivatkozunk rá A B funkció regisztert az Accumulatorral együtt használjuk a szorzás illetve az osztás mővelet megvalósításához. Verem mutató (Stack Pointer, SP): A Verem mutató mindig a verem tetejére mutat, és az értéke akkor nı, ha a PUSH utasítással adatot töltünk a verembe, illetve a CALL utasítás hatására. Data Pointer (DPTR): A Data Pointer három 8-bites regiszterbıl áll: DPP (page byte), DPH (magas byte), DPL (alacsony byte). Ezek memória címeket adnak vissza, és ezáltal tudja a program címezni a külsı és belsı memória területeket, illetve a DPTR-t használjuk még a külsı adat memória címzéséhez is. 16-bites regiszterként bánhatunk vele (DPTR = DPH, DPL). 17.

18 Az utasítások legtöbbje egy vagy két órajel ciklus alatt lefut. A programban használt utasításokat illetve, hogy mennyi órajel ciklus alatt fut le, a 3. táblázat tartalmazza. Mnemonic Leírás Bytes Cklus Aritmetikai ADD A,Rn Az A-hoz hozzáadja a regisztert 1 1 ADD A, #data Azonnali hozzáadás 2 2 SUBB A,Rn A regisztert kivonja A-ból 1 1 INC Rn A regisztert növeli 1-gyel 1 1 INC DPTR A data pointer értékét növeli 1-gyel 1 3 DEC Rn A regiszter értékét csökkenti 1-gyel 1 1 Logikai RLC A Bitenkénti forgatás a Carry flag-en keresztül 1 1 Adat mozgatás MOV A,Rn A regiszter értékét beleteszi az A-ba 1 1 MOV Rn, A Az A értékét beleteszi a regiszterbe 1 1 MOV A,dir Dir helyett álló byte-ot teszi bele az A-ba 2 2 MOV A,#data Az adatot az A-ba teszi 2 2 MOV Rn,#data Az adatot a regiszterbe teszi 2 2 MOV dir,a Direkt byte-ba teszi az A-t 2 2 MOV Rn, dir Direkt byte-ot tesz a regiszterbe 2 2 MOV DPTR,#data A data pointer értékét írja felül 3 3 MOVC A,@A+DPTR code mem-bıl A+PDTR helyen lévı értéket teszi A-ba 1 4 Az A értékét a külsı RAM-ba írja a DPTR címen 1 4 MOVX A,@DPTR A DPTR címen lévı adatot írja az A-ba 1 4 PUSH dir A verembe tesz 2 2 POP dir A verembıl olvas 2 2 Boolean CLR bit Törli a konkrét bitet 2 2 SETB bit Beállítja a konkrét bitet 2 2 CPL bit Komplementjét veszi a direkt bitnek 2 2 Elágazások LJMP Hosszú ugrás 3 4 JMP rel Feltétel nélküli ugrás 1 3 RET Szubrutinból való visszatérés 1 4 RETI Megszakításból való visszatérés 1 4 JNZ rel Ha az A nem egyenlı 0-val, ugrik a rel-re 2 3 DJNZ Rn, rel Rn-t csökkenti, és amíg Rn nem egyenlı 0, ugrik 2 3 JB bit, rel Ha a konkrét bit = 1, akkor ugrik a rel-re 3 4 CJNE A, #data, rel Amíg A nem egyenlı #data-val ugrik 3 4 Egyéb NOP Nem csinál semmit (No operation)

19 A TIMER 2 mőködése: A Timer 2 egy 16-bites idızítı-számláló, ami lehet esemény idızítı illetve esemény számláló, és a T2CON speciális funkcióregiszterrel lehet beállítani. A Timer 2 három különbözı - Capture, Auto-Reload és Baudrate- Generátor - üzemmódban használható. Az üzemmód kiválasztását a T2CON.0, a T2CON.2, valamint a T2CON.4 és T2CON.5 bitek végzik. Capture üzemmód: Ebben az üzemmódban a TH2 és a TL2 regiszterek tartalma az RCAP2H, ill. az RCAP2L regiszterekbe átírható. Az átírást a T2EX bemenetre ( 2 láb ) adott lefutó él vezérli. A vezérlést az EXEN2 bittel engedélyezhetı vagy tiltható ( a logikai 1 engedélyez ). Az adatátvitellel egyidejőleg a Timer 2 megszakítása is beíródik. Az RCAP2H és RCAP2L regiszterek tartalma szoftverbıl állítható. Mivel a megszakítási folyamat hardvervezérelt, ezért ebben az üzemmódban a külsı esemény idejét vagy frekvenciáját mérhetjük. A Timer 2 megszakítás rutin le tudja kérdezni a TF2 és EXF2 állapotát, és ezáltal megállapítható, hogy mi okozta a megszakítást. Baud Rate üzemmód: A Timer 2 idızítı használható ütemezıjel-adónak is. A Timer 2 túlcsordulását választva a soros átvitel vezérlésére, megoldható az adás és a vétel független ütemezése. Ha a Timer 2-ıt Baudrate opcióba akarjuk állítani, akkor Auto-Reload üzemmódba kell kapcsolni. A számláló túlcsordulása vezérli az RCAP2H és RCAP2L regiszterek tartalmának ismételt betöltését. Ebben az üzemmódban a számláló túlcsordulása nem írja be a TF2 bitet, ezért nem indít megszakítást sem. Ha EXEN2 bitet 1-re állítjuk, akkor a T2EX bemenetre érkezı negatív él megszakítást fog kezdeményezni, de nem tölti fel újból a T2 regiszterit. Így itt a T2EX bemenet különálló megszakításként alkalmazható. 19.

20 Auto-Reload üzemmód Ebben az üzemmódban további választási lehetıség van. Itt a Timer 2-ıt lehet számlálóként illetve idızítıként is konfigurálni. A számlálás iránya lehet növekvı vagy csökkenı ami a DCEN (Down Counter Enable) bittel vezérelhetı. Ezt a bitet a T2MOD regiszterrel lehet módosítani. Az üzemmód counter bitje, DCEN alapértelmezésben 0, ami azt jelenti, hogy a Timer 2 növekvı számlálást végez. Az üzemmódban növekvı számlálás van beállítva és amikor az EXEN2 bit értéke 0, akkor a Timer 2 minden túlcsordulásakor az R2CAPx regiszterek tartalma átíródik. A programozott számtartalom 0-tól eltérı, tetszıleges 16-bites érték lehet. Az EXEN2 bit 1 értékénél az átírást a T2EX bemenetre érkezı negatív él is vezérli. A Timer 2 akkor generál megszakítást, ha a TF2 vagy az EXF2 bit értéke 1. A Timer2 FFFFh-nél csordul túl és beállítja a TF2, hogy a következı körbe is megszakítás keletkezzen. Ha bekövetkezett a túlcsordulás akkor a 16-bites értéket rendre visszaírja az RCAP2l, RCAP2H-ból a TL2 és TH2 regiszterekbe. Tulajdonképpen a csökkenı üzemmód is hasonlóan mőködik, ezért az alapértelmezést használtuk. 8. ábra: Timer 2, Auto Reload üzemmód 20.

21 4. Mikrokonverter alapú jelgenerátor fejlesztése Az eszköz 4 típusú jel generálására képes: szinusz-, háromszög-, főrészés négyszögjel, de ez bármikor továbbfejleszthetı szoftveresen. Mindegyik jel 256 darab pontból áll. A memóriából a pontokat egyetlen megszakítás rutin olvassa ki és küldi ki a digital-analog konverterre (D/A), amit 8-bites üzemmódban használunk. Azért volt szükség a Timer 2 megszakításra, mert azzal valósítható meg a periodikus megszakításhívás, s ehhez használtuk a Timer 2-nek az Auto-Reload üzemmódját, s így az RCAP2x regiszter értékétıl függı változtatható frekvenciájú jel állítható elı. 4.1 A jelgenerálás elve Mindegyik jelhez a szükséges pontokat külön algoritmus generálja, és tölti fel a külsı memóriába (XRAM). Adott t idıközönként (ezt a Timer 2 beállítása szabja meg) egy új adat kerül ki a memóriából, s megy a D/A konverterre, az index eggyel vagy M-mel nı. M azt a számot jelenti, hogy mekkora lépéssel olvasunk a memóriából (mindegyik, minden második, stb.). Feladatok: - jelek elıállítása a memóriába - t beállítása f osc 4 * RCAP L ( ( 2H, RCAP2 )) - M beállítása - jelgenerálás - felhasználói felület kezelése 21.

22 4.2 A jelgenerátor felépítése A jelgenerátor egy mikrovezérlıbıl, egy LCD kijelzıbıl és egy végerısítıbıl áll. Blokkvázlatát a 9. ábra tartalmazza. Rendelkezik még három darab potenciométerrel és 4 darab nyomógombbal. Egy BNC csatlakozóaljzat is megtalálható a külsı panelen, ide küldjük ki az outputot. A potméterek beolvasása analog digital átalakítóval történik, úgy, hogy mivel az A/D csak 12-bites üzemmódot tud, ezért az eredmény felsı byte-jának alsó négy bitjét illetve az alsó byte felsı négy bitjét nézem, s így lesz majd 8-bites a felbontás. A gombok beolvasását úgy végzem el, hogy a 2-es port P2.0 P2.3-ig tartó bitjeit lekérdezem a JB utasítással (jump if bit set). A/D D/A ADuC ábra: a jelgenerátor blokkvázlata 22.

23 4.3 Tulajdonságok A 842-es mikrokonverter két 12-bites D/A konverterrel rendelkezik (onchip), mindkettı két feszültségtartományban használható: 0V - V REF (2,5V) illetve 0V - AV DD (analog positive supply voltage, 3V vagy 5V). Mindkét feszültség tartományban lehet 8-bites illetve 12-bites üzemmódban használni. A 8-bites üzemmódot használtuk és a 0V - V REF ig tartó terjedı kimenetet. Ezáltal az amplitúdó pontossága 8-bites, vagyis a 0V - V REF ig terjedı tartományt 256 részre bontja és a digitális értéknek megfelelı feszültséget küld a kimenetre, tehát az amplítúdópontosság ~0,4%. A frekvenciatartománya körülbelül 0,25 Hz-tıl 16 khz-ig terjed, a pontossága rendkívül jó a tesztek alapján. A harmonikus torzítás, a felharmónikusok teljesítményének az aránya az alapjel (más meghatározás szerint az összegjel) teljesítményéhez képest. A mi esetünkben ez az arány igen jónak mondható ~01,%. 23.

24 4.4 A jelek elıállítása A leggyakrabban használt jelek megvalósítására írtam programot, de a késıbbiekben bármilyen típusú jel elıállítható ezzel a digitális technikával. Például lehet impulzus alapú is egy trigger jel segítségével. Az algoritmusoknál törekedtem arra, hogy mindegyik külön szubrutinban legyen, illetve az objektum orientáltságra, hogy a késıbbiekben egyszerően lehessen például az új jelalakot generáló algoritmust beilleszteni a programba. Ezek miatt az R7 regiszter lett globálisan a pontok száma, az R4 regiszterben tudjuk beállítani az offszet feszültségnek megfelelı értéket. A jeleket egyetlen szubrutin küldi ki a DAC0-ra a külsı memóriából (XRAM) a Timer 2 megszakítás periódusának megfelelıen. ================================ jelkiküldés ================================ megszak: push acc push psw push dph push dpl mov dac0h,#00h mov dph,#0 mov dpl,dac_i movx a,@dptr ; csak az alsó 8 bitet használjuk ; memo címzés ; kiveszi a felso byte-ot a table-bol ; beleteszi a dac regiszterbe mov dac0l,a mov a,dac_i add a,r0 ; leptetes alapeset r0=1 mov dac_i,a clr tf2 clr exf2 pop dpl pop dph pop psw pop acc reti 24.

25 4.4.1 Főrész jel A főrész jelet az alábbi algoritmus generálja, ami az analóg jel elıállításához hasonlóan mőködik, azzal a különbséggel, hogy a kondenzátort itt egy regiszter valósítja meg. Az R7 regiszter kezdıértékének nullát választottunk, mivel az R7 maximális értéke 255 lehet, s csak így érhetı el, hogy a jel 256 pontból álljon. A regisztert a DJNZ utasítással módosítjuk, ami eggyel csökkenti az értékét és figyeli, hogy nullára lecsökkent-e már Az A regiszterbe töltjük bele a pontokat, és a MOVX utasítással helyezzük el a külsı RAM-ban (XRAM). Az A-hoz mindig hozzáadjuk az R6 értékét, ami jelen esetben 1, de ez állítható, ami a háromszög jel miatt szükségeltetik. A két címkét az indokolja, hogy a háromszög jelet a főrészjel felhasználásával állítjuk elı. Ebbıl következik, hogy a furesz címke csupán inicializáló részként szerepel. ================================ furesz (10. ábra) ================================ furesz: mov a,r4 ; offset mov r7,#000h ; 256 pont legyen a jel mov r6,#001h ; ezzel lépkedünk frsz: inc dptr ; memoléptetés add a,r6 ; r6-val lépkedünk djnz r7,frsz ret 25.

26 4.4.2 Háromszög jel A háromszög jelet a főrész jelbıl állítjuk elı, úgy hogy az R6 regiszter értékét kettıre állítjuk, azért, hogy gyorsabban emelkedjen, s így minden összeadásnál kettıt ad az elızı értékhez. A felmenı ág 128 pontból áll, a lemenı ág pedig 127-bıl. Beállítjuk az R7 regisztert (pontok száma) és az R6- ot, s ezekre hívjuk meg a Főrész jelet generáló algoritmust. A memóriába itt is MOVX utasítással kerülnek bele a pontok. A lemenı ág pedig úgy jön létre, hogy a csúcstól indulva kivonogatunk kettıt minden iterációban, mindaddig amig az R7 regiszter értéke nulla nem lesz. ================================ haromszog (11. ábra) ================================ haromszog: ;inic mov r7,#080h ;128 pont mov r6,#002h mov a,r4 ;offszet call frsz mov r7,#081h ;127 add a, #001h hszog: subb a,r6 inc dptr djnz r7,hszog ret 26.

27 4.4.3 Négyszög jel A négyszög jelnél változtatható az amplitúdó és megadható a kitöltési tényezı is. A kitöltési tényezıt az R6 regiszterben kell megadni, a 256 pontból ennyi pont lesz magas feszültségi szinten. Az R7-ben pedig az össze pontok számát tároljuk, és azt is csökkentjük minden magas iterációban, s így megmarad, hogy a további pontok alacsony értéket vesznek fel (0V). A B regiszterben állítható az amplitúdó, úgy hogy a 0V - V REF (2,5V) ig terjedı tartományt 256 részre osztjuk és annak megfelelıen, hogy milyen értéket adtunk B-nek, jön ki a feszültség a kimeneten. ================================ negyszog (12. ábra) ================================ negyszog: ;inic mov r7,#000h ; mely mov r6,#0f0h ; magas mov a,#001h mov b,#0ffh ; csak egy érték, magas = b mul ab ; amplitudo add a,r4 ; r4 = offset, hozzáadjuk magas: ; ez megy ki inc dptr ; memoléptetés dec r7 ; r7 = pontokszáma djnz r6,magas ; 128-ig magas mely: mov a,r4 inc dptr djnz r7,mely ret 27.

28 4.4.4 Szinusz jel A szinusz jel az egyetlen, amit nem egy konkrét algoritmus generál, hanem egy a kód memóriában elıre definiált táblázatból olvassa be és tölti fel a külsı memóriába a pontokat. A szinusz pontjait az 2π x = 127 *sin (5) N egyenlettel számoltam ki. Az N=256, a pontok száma, 128-at pedig azért kell hozzáadni, hogy ne legyen negatív érték a pontok között. ================================ szinusz (13. ábra) ================================ sinus: ;inic mov r0,#00h ;futó index sin: mov dptr,#table ; tábla kezdıcím mov a,r0 ; belerakja r0-t a-ba movc a,@a+dptr ; kiveszi a felso byte-ot a table-bol mov dph,#0 ; mov dpl,r0 ; memo léptetés ; adat kitolás inc r0 ; tovabb az also bytehoz mov a,r0 cjne a,#000h,sin ; elérte a 256 pontot ret 28.

29 4.4.5 Grafikonok 2.6 Fûrész jel feszültség (V) idõ (us) 10. ábra: Főrész jel 2.6 Háromszög jel feszültség (V) idõ (us) 11. ábra: Háromszög jel 29.

30 2.6 Négyszög jel feszültség (V) idõ (us) 12. ábra: 50%-os kitöltési tényezıjő négyszög jel 2.6 Szinusz jel feszültség (V) idõ (us) 13. ábra: Szinusz jel 30.

31 4.5. Felhasználói felület Az eszköz jelenleg funkcionálisan teljes tesztverzió, tehát a kinézet és a felhasználói felület is változhat még a késıbbiekben. A menürendszert négyszintesre és közel hasonlóra terveztem mindegyik jelalaknál. Ezeket a 14., 15., 16. és 17. ábrán lehet látni. A fımenüben lehet kiválasztani a 4-féle jelalak egyikét, de ez késıbb változtatható például olyanra, hogy két gombbal pörgı menüként lehessen válogatni az egyes funkciók vagy jeltípusok között. A második szinten lévı menü az mindegyik jelnél megegyezik, itt lehet beállítani a frekvenciát, illetve miután ez megtörtént kiküldeni a jelet a kimenetre az OK gombbal, valamint vissza lehet térni mindegyik menübıl a fımenübe a Vissza gombbal. A harmadik szint a frekvencia állítási szint, itt lehet kiválasztani az állítás funkciót, s ha megnyomtuk a gombot, akkor bekerülünk a negyedik szintre, ahol is ténylegesen a potenciométerekkel beállítható a kívánt frekvencia. A négyszögjelnél van egy plusz opció is a második szintő menüben, a kitöltési tényezınek a beállítása. Ha mindent beállítottunk, akkor az Indit gombbal tudjuk kitenni a kívánt paraméterekkel a jelalakot. A 4.6-os fejezetben a teszt elrendezésrıl láthatunk képeket, a jelgenerátort egy Tektronix TDS 1002-es digitális oszcilloszkópra kötöttem, s néztem a kijövı jelalakot. 31.

32 14. ábra: A Fımenü 15. ábra: Második szintő menü 32.

33 16. ábra: Harmadik szintő menü 17. ábra: Negyedik szintő menü 33.

34 A menüket úgy valósítottam meg, hogy a kódmemóriában definiáltam az egyes felületeket, amiket ki kellett írni a kijelzıre, soronként, ezáltal egyszerőbb és áttekinthetıbb lett a programkód, mert nem betőnként kellett megcímezni az LCD kijelzıt. Minden menünek van egy külön címkéje, ott állítottam be, hogy a kódmemóriában mettıl meddig található meg a keresett menürész. 18. ábra: Külsı megjelenés 34.

35 4.6. Teszt 19. ábra: Oszcilloszkópon kimért háromszögjel 20. ábra: Oszcilloszkópon kimért szinuszjel 35.

36 21. ábra: Közeli oszcilloszkóp kép a szinuszjelrıl 36.

37 5. Összefoglalás A dolgozat célja, a diplomamunka során kifejlesztett digitális jelgenerátor bemutatása volt. Az eszköz nagy elınye az egyszerő felépítése, könnyen kezelhetısége, a stabilitása, a gyorsasága, a szoftveresen megvalósítható bıvíthetısége, és nem utolsó sorban a relatív olcsósága. A jelgenerátor elkészítése során az Analog Devices 842-es mikrokonverterét használtam, mert ez a chip rendelkezik minden olyan integrált eszközzel, amire szükségem volt (memória, A/D, D/A konverter). A kijövı jelet különbözı végerısítıkkel tovább lehet majd erısíteni, eltolni a kívánt mértékben. A harmonikus torzítás a mi esetünkben igen jó, 0,1% körüli. Frekvenciatartománya körülbelül 0,25 Hz-tıl 16 khz-ig terjed, a pontosság a tesztek alapján rendkívül jónak mondható, még kevesebb számú pontból történı generálás esetén is. Célunk volt továbbá, hogy a késıbbiekben az eszköz egyszerően szoftveres úton továbbfejleszthetı legyen, ennek tudatában írtam az algoritmusokat, illetve építettem fel a program szerkezetét. Ezáltal sem a külsı megjelenésen, sem a felépítésen nem kell változtatni új funkciók hozzáadásakor. Az eszköz továbbfejleszthetısége rendkívül rugalmas: új funkciók hozzáadása, kevés módosítással több területen történı alkalmazhatósága, bármilyen hullámforma generálható vele, impulzus alapú felhasználás, stb. 37.

38 6. Köszönetnyilvánítás Ezúton szeretném megköszönni Dr. Gingl Zoltánnak a diplomamunkám elkészüléséhez nyújtott segítségét. Szeretnék még köszönetet mondani Mingesz Róbertnek, hogy kérdéseimmel fordulhattam hozzá is. 38.

39 7. Nyilatkozat Alulírott Kopasz Péter Gábor, informatikus-fizikus szakos hallgató, kijelentem, hogy a diplomadolgozatban foglaltak saját munkám eredményei, és csak a hivatkozott forrásokat (szakirodalom, eszközök, stb.) használtam fel. Tudomásul veszem azt, hogy szakdolgozatomat/diplomamunkámat a Szegedi Tudományegyetem könyvtárában, a kölcsönözhetı könyvek között helyezik el. Szeged, május 12. Kopasz Péter 39.

40 8. Irodalomjegyzék [1]: Thurlby Thandar Instruments- [2]: [3]: Mingesz Róbert: Digitális mőszer fejlesztése az atomi erı mikroszkóp dinamikus üzemmódjai számára (TDK dolgozat) [4]: Dr. Gingl Zoltán: A/D és D/A konverterek (jegyzet) [5]: Roland Dilsch: a 8051 mikrokontroller-család, Bp. : Mőszaki K., 1993 [6]: [7]: Analog Devices

41 9. Függelék/melléklet A melléklet egy darab floppy (3,5 ös lemez), rakta az assembly forráskód, a szükséges fordító és a fordítási direktívákat tartalmazó mod842 -es fájl. Szintén a melléklethez tartozik a forráskód kinyomtatva is. 41.