1 A T. I. MSP 430-as mikrokontroller család legújabb alkalmazásai Dr. GÁRDUS ZOLTÁN Miskolci Egyetem Automatizálási Tanszék, Miskolc Egyetemváros (46) - 565-111/17-76 gardus@mazsola.iit.uni-miskolc.hu http://mazsola.iit.uni-miskolc.hu/~gardus Absztrakt A cikk megírására az inspirált, hogy a mikrovezérlőket igen széles körben alkalmazzák az irányítástechnikai funkciók ellátására. Központi egységük korszerű RISC alapú processzorokra épül. Az Automatizálási Tanszéken kifejlesztett vezérlési és irányítástechnikai rendszerek, segítséget nyújtanak az informatikus, mechatronikai szakirányos, valamint a villamos hallgatók oktatásában és betekintést nyújtanak az ipari alkalmazásokba. 1. A mikrokontrollerek jellemzése A mikrokontrollerek a mikroprocesszorok jellegzetes csoportját alkotják. Elődjeiknek az egy Chipes mikroszámítógépek tekinthetők. A mikrovezérlőket elsősorban méréstechnikai, vezérléstechnikai és irányítástechnikai feladatok ellátására fejlesztették ki [1, 2, 4]. A főbb jellemzők az alábbiak: 1. RISC típusú utasításkészlet; 2. Watchdog logika; 3. Standbay üzemeltetési alternatíva; 4. speciális Interrupt lehetőségek; 5. FLASH EPROM memória alkalmazása; 6. A/D és D/A konvertereket tartalmaznak; 7. többcélú kivezetések. 2. Az MSP 430-FG 439 mikrokontroller felépítése Technikai jellemzői: 1. alacsony tápfeszültség tartomány 1,8 3,6 V; 2. működés közben alacsony áramfelvétel 250 µa 1MHz-en, 3V-os tápfeszültség esetén;
2 3. Stanbay üzemmódban az áramfelvétel kisebb, mint 0,1 µa; 4. öt különböző energiatakarékos üzemmód LPM0 LPM4; 5. Standbay üzemmódból 6 µs-os felébredési idő; 6. 16 bites RISC architektúra és 300 ns-os utasítás végrehajtási idő; 7. 32,786 Hz kvarc kristály az ACLK biztosításához, ill. 0,45 8 MHz tartományig külső órajel forrásból; 8. 100 khz 40 MHz belső frekvencia, digitálisan vezérelt Frequency Locked Loop rendszer; 9. integrált LCD Driver, S0 S31 szegmens vonallal; 10. integrált 12+2 bites A/D konverter, 12 csatorna bemenet, 4 konverziós üzemmód, a 10. csatorna belső hőmérsékletmérő szenzorral és referenciaforrással rendelkezik; 11. integrált 12 bites DUAL DAC; 12. három programozató jelkondícionáló erősítő; 13. két komparátor, bemenet beállítható referenciaforrással. A 2.1 ábrán az MSP 430-FG 430 mikrokontroller belső felépítésének blokkvázlata látható [1, 2, 4]. 2.1 ábra A blokkvázlaton látható funkcionális egységek az alábbiak: 1. Timer-ek; 2. I/O portok, I/O Devices; 3. A/D, D/A konverterek; 4. komparátor egység; 5. LCD Driver Circuit; 6. FLL + oszcillátor; 7. FLASH EPROM memóriák; 8. DMA Controller; 9. JTAG modul; 10. Serial Port. Az MSP 430-FG439 mikrokontroller Starter Kit és a fejlesztéshez szükséges egységcsomag a 2.1 és a 2.2 fényképeken láthatók.
3 2.1 fénykép 2.2 fénykép 3. A mikrovezérlők alkalmazási területei Néhány, a felhasználhatóságuk skálájából: HDD szervo kontrol (szervóhajtás szabályozás);
4 digitális motor kontrol (villamos hajtásszabályozás); optikai lézerek, digitális fényképezőgépek, kamerák; mobil telefonok; CD, DVD playerek, recorderek; mikrohullámú melegítők, sütők; kondícionáló gépek, fénymásolók, mosógépek; 4. Az Automatizálási Tanszéken kifejlesztett legújabb alkalmazások A 3. fejezetben felsorolt igen széles skálájú alkalmazásokon kívül, egy teljesen új terület, a relatíve kis lökettérfogatú (24 75 m 3 ) kétütemű belsőégésű motorok benzinbefecskendezőinek tervezése, valamint vezérlése mikrovezérlővel. Cél volt, a motorok különböző üzemállapotaihoz optimálisan szükséges összetételű benzin-levegő keveréket előállítani szoftveres úton, amit a hagyományos karburátorok csak korlátozott pontossággal képesek elvégezni. A szimulációt a 4.1 ábrán, a befecskendezés folyamatábráját pedig, a 4.2 ábrán láthatjuk [1, 2, 3, 4, 5]. 4.1 ábra
5 START Input: fordsz Gázkar pozíció jeladó által számlált impulzusszám IF fordsz < 2500 OR fordsz >60000 ford /min Output: fordsz, ford/min Számítás: vuz:=60*fordsz*vbenzin vlev:=60*fordsz*vlevego Számítás: Levegő pillangószelep aktuális helyzetének meghatározása Számítás: Assembly, C vagy DELPHI nyelveken vbenzin, m 3 /h vlevego, m 3 /h Korrekció: Léptetőmotor működtetése Levegő pillangószelep állítása 4.2 ábra
6 A megépített berendezést a 4.3 fénykép mutatja. 4.3 fénykép A tanszéken egyelőre még csak szimulációs úton, kísérletek folynak műrepülő modellek vezérlése és irányítása témakörökben, mikrokontrollerrel. Ez a mikrovezérlők felhasználásának legújabb alternatíváit is jelenthetik a modellezők táborában. A 4.4 ábra a modell működésének folyamatábráját szemlélteti, a 4.5 fénykép pedig a szimulációt mutatja [1, 2, 3, 4, 5]. A vezérlő szoftver C nyelven íródott, a grafikus szimulációkat megjelenítő szoftverek pedig Free Pascal programnyelven készültek. A fejlesztői környezet az 5. fejezetben kerül bemutatásra.
7 Indítás Késleltetés, program növelés prog=1 Alaphelyzet prog=2 Felszállás prog=3 Repülés egyenesen prog=4 Fordulás balra prog=5 Fordulás jobbra prog=6 Emelkedés prog=7 Sülyedés prog=8 Orsózás jobbra prog=9 Orsózás balra prog= 10 Leszállás 4.4 ábra
8 4.5 fénykép A fenti alkalmazásokon kívül, kísérletek és fejlesztések folynak laboratóriumi dimenziókban, rádió távirányítású autómodellek, valamint automatikus előtolású, kéttengelyű faipari marógép vezérlésére mikrovezérlővel. A marógép modell kommunikációja jelenleg a PC paralel portján keresztül valósul meg. A vezérlés pedig szoftveres úton, assembly és DELPHI nyelveken történik. A marógép fényképe a 4.6 fényképen látható. 4.6. fénykép
9 5. Fejlesztői környezet A T. I. gyártmányú MSP 430-as mikrokontroller család programozásához, programozási felületéhez, két fejlesztői környezet is rendelkezésünkre áll. Ezek az assembly és a C nyelvű lehetséges alternatívák. Kezelői felületük 5.1 és az 5.2 fényképeken láthatók [2, 4]. 5.1 fénykép 5.2 fénykép
10 Az alábbi assembly nyelvű szoftver, a Demo Board-on elhelyezett LED villogtatását mutatja be mintapéldaként. ; MSP-FET430P440 Demo - Software Toggle P5.1 ; ; Description; Toggle P5.1 by xor'ing P5.1 inside of a software loop. ; ACLK = n/a, MCLK = SMCLK = default DCO ; ; MSP430F449 ; ----------------- ; / \ XIN - ; ; -- RST XOUT - ; ; P5.1 -->LED ; ; M.Buccini ; Texas Instruments, Inc ; October 2003 ;****************************************************************************** #include "msp430x44x.h" ;----------------------------------------------------------------------------- ORG 01100h ; Program Start ;----------------------------------------------------------------------------- RESET mov.w #0A00h,SP ; Initialize 'F449 stackpointer StopWDT mov.w #WDTPW+WDTHOLD,&WDTCTL ; Stop WDT SetupP1 bis.b #002h,&P5DIR ; P5.1 output ; Mainloop xor.b #002h,&P5OUT ; Toggle P5.1 Wait mov.w #050000,R15 ; Delay to R15 L1 dec.w R15 ; Decrement R15 jnz L1 ; Delay over? jmp Mainloop ; Again ; ;------------------------------------------------------------------------------ ; Interrupt Vectors Used MSP430x4xx ;------------------------------------------------------------------------------ ORG 0FFFEh ; MSP430 RESET Vector DW RESET ; END A rendszer és a fejlesztői környezet indítása a szoftver installálását követően, a START-> PROGRAMS->IAR SYSTEMS->IAR EMBEDDED WORKBENCH KICKSTART FOR MSP 430 V2->KICKSTART IAR EMBEDDED WORKBENCH ikonnal történik. Ezután a FILE->OPEN WORKSPACE menüpont kiválasztását követően, az Embedded Workbench MSP 430 FET_examples\fet_projects.eww. file megnyitása szükséges. A hardver típusának beállítása után, melyet az OPTINONS almenüpontban találunk, a PROJECT futtatása a REBUILD ALL, a DEBUG és a GO parancsok alkalmazását követően lehetséges. Az MSP 430-as család legújabb fejlesztése az Ultra-Low-Power MCUs USB Portra csatlakoztatható ez430-f2013 mikrokontrollere. A mikrovezérlő dokumentációja és a szoftver a: www.ti.com/ez430. Web-címen elérhető a felhasználók számára. A Quick Start Guide ez430-f2013 Development Tool Windows 2000, vagy XP operációs rendszerek használatát írja elő.
11 A szoftver és a hardver installálását követően, az elérési útvonal az alábbi lesz: C:\Program Files\IAR Systems\Embedded Workbench 4.0\430\drivers\TIUSBFET\WinXP. A fejlesztő rendszer és a mikrokontroller a 5.3 fényképen látható. 6. Irodalomjegyzék 5.3 fénykép [1] Gárdus Zoltán: MIKROPROCESSZOROK ÉS ALKALMAZÁSUK Bíbor Kiadó ISBN 963 9634 18 2 Miskolc, 2006 p. 125 [2] Gárdus Zoltán: DIGITÁLIS RENDSZEREK SZIMULÁCIÓJA Második, bővített és javított kiadás Bíbor Kiadó ISBN 978-963-9634-83-1 Miskolc, 2009 p. 244 [3] Dr. Gárdus Zoltán: Kétütemű, belső égésű motorok benzinbefecskendezőinek tervezése és kialakítása, valamint vezérlése digitalis jelproceszszorral ELEKTRO net ELEKTRONIKAI INFORMATIKAI SZAKFOLYÓIRAT XVI. évfolyam 1. szám, 2007 február Eng. szám: É B/SZI/1229/1991 HU ISSN 1219-705 X (nyomtatott), HU ISSN 1588-0338 (online) p. 70-72. [4] www.ti.com/texas cég honlapja [5] Aktuális szakdolgozatok, ahol a tervezésvezetői funkciókat láttam el