msp430_cz9.pdf

PODZESPOŁY

MSP430: mikrokontrolery,

które (prawie) nie

pobierają prądu, część 9

Komparator analogowy

W ramach cyklu przedstawiamy dwa (w zasadzie

niemal trzy) kolejne przykładowe projekty dla

mikrokontrolerów MSP430. Funkcjonalność obydwu

przykładów oparto na komparatorze analogowym,

który jest jedynym z elementów peryferyjnych

zaimplementowanym w prezentowanych

mikrokontrolerach.

Dodatkowo włączony jest

wbudowany ﬁltr dolnoprze-

pustowy, stanowiący drugi

człon opóźnienia, który

ustala częstotliwość drgań

na wartości kilkuset kHz.

Teraz wystarczy do

wyprowadzenia CA1 pod-

łączyć płytkę wykonaną

z materiału przewodzącego,

by zbliżenie palca powo-

dowało zakłócenie pracy

generatora i zmianę jego

częstotliwości. Płytka może

być zaizolowana i umiesz-

czona pod osłoną. Dla za-

uważenia reakcji układu

wystarczy zbliżenie palca

na odległość kilku milime-

trów.

Konﬁguracja kompara-

tora obejmuje włączenie

inwersji wejść (bit CAEX ),

wybór referencji i włącznie

komparatora a następnie po-

łączenie wejścia i wyjścia.

Wyjście komparatora

P2.6 (CAOUT) należy pod-

łączyć zewnętrznym prze-

wodem do wejścia TACLK

licznika TimerA i włączyć

licznik w odpowiedni tryb

pracy, by mierzyć często-

tliwość generowanego syg-

nału. Licznik TimerA jest

skonﬁgurowany do pracy

ciągłej, z taktowaniem syg-

nałem TACLK.

Ponieważ komparator

w stanie generacji pobiera

sporo prądu, warto ograni-

czać czas pracy generatora

i czas pomiaru. Najlepiej

jest włączać generator cy-

klicznie na krótką chwilę.

Aby nie angażować zbyt

wielu zasobów mikrokon-

trolera do tego prostego

działania, zadanie odli-

czenia czasu pomiaru re-

alizuje pętla oczekiwania.

Postąpienie wbrew ogólnej

zasadzie unikania takich

pętli w energooszczędnych

aplikacjach jest tutaj całko-

wicie uzasadnione. Po każ-

dym cyklu pomiaru moduł

komparatora i moduł liczni-

ka są wyłączane a ich wy-

prowadzenia odłączane.

Czas pracy generatora

t wynosi ok. 1,5 ms. Po-

bór prądu i związany z je-

go działaniem wynosi ok.

0,5…1 mA (w zależności

od częstotliwości taktowa-

nia jednostki centralnej).

Średni pobór prądu wyno-

si zatem:

Eksperyment trzeci –

sensor pojemnościowy

W trzecim eksperymen-

cie moduł komparatora

użyty zostanie jako gene-

rator o zasadzie działania

identycznej z zasadą dzia-

łania działania generatora

przebiegu prostokątnego

ze wzmacniaczem opera-

cyjnym. Generator, jaki

powstał w wyniku ekspe-

rymentu, nie jest zbyt sta-

bilny ale to właśnie jego

niestabilność została użyta

w celu wykonania senso-

ra pojemnościowego do

zastosowań w aplikacjach

zasilanych bateryjnie. Nie-

wątpliwymi zaletami stoso-

wania takiego sensora jako

czujnika dotyku w miejsce

tradycyjnego klawisza jest

uproszczenie konstrukcji

obudowy i możliwość her-

metycznego zamknięcia

urządzenia.

W projekcie ( rys. 25 )

wykorzystano wejście P1.7

(CA1) oraz wyjście CAO-

UT, które należy połączyć

szeregowym rezystorem

o dużej rezystancji (ok.

1 MV). Rezystor ten wraz

ze szczątkową pojemnością

wyprowadzenia CA1 two-

rzy ﬁltr dolnoprzepustowy,

przez który wynik kom-

paracji napięć z wyjścia

podawany jest ponownie

na wejście, powodując

(z opóźnieniem zależnym

od parametrów układu RC)

ponowne przełączenie kom-

paratora. Powstaje generator

przebiegu prostokątnego.

Isr

⋅

Uzyskany pobór prądu

jest na tyle niewielki, że

można rozpatrzeć zasto-

sowanie takiego rozwią-

zania w każdej aplikacji.

Na koniec uwaga. Można

założyć, że zbliżenie pal-

ca zwiększa pojemność

wcho dzącą w skład układu

RC. Stąd też częstotliwość

pracy generatora spada

nieznacznie, gdy zbliżymy

palec do płytki metalowej.

W przedstawionej konﬁgu-

racji uzyskuje się zmianę

częstotliwości o ok. 1…2%,

co swobodnie wystarcza

do detekcji zbliżenia pal-

ca. Autor pozostawia Czy-

telnikom swobodę w eks-

perymentowaniu z innymi

ustawieniami.

Rys. 25. Schemat połączeń dla sensora pojemnościowego

Elektronika Praktyczna 5/2008

PODZESPOŁY

List. 12. Fragment programu obsługującego sensor pojemnościowy

{

TACTL = TASSEL0 + TASSEL1 + TACLR + MC1; // wlaczenie licznika

P1SEL |= BIT5; //wybor wejscia dla InClock (TACLK)

P1DIR &=~ BIT5; // wejscie TACLK jako wejscie

CACTL1 = CAEX + CAREF0 + CAON; // wlaczenie komparatora

P2SEL |= BIT6; //wybor wyjscia clk

CACTL2 |= P2CA1; // P1.7 jako (+) komparatora

CACTL2 |= CAOUT ;

P2DIR |= BIT6; // koncówka jako wyjscie

for (i=0;i<burst;i++) {}

zliczenie = TAR; // odczyt licznika drgan

P1SEL &=~ BIT5;

TACTL &=~MC1; // wylaczyc TimerA

P2DIR &=~ BIT6;

CACTL2 &=~ CAOUT + P2CA1; //odlaczenie wyprowadzen

CACTL1 &=~ CAEX + CAREF0 + CAON ; //wylaczenie komparatora

P2SEL &=~ BIT6; //odlaczenie wyjscia

P1SEL &=~ BIT5; //odlaczenie wyjscia

P1DIR |= BIT5;

}

oczekuje na przerwanie

od licznika Basic Timer ,

w wyniku którego wyko-

nywane są dalsze operacje

(np. treść innego warunku

instrukcji case). Częstość

przerwania od Basic Ti-

mera ustalono na 32 Hz.

Okno czasowe dla po-

miaru, wyznaczone przez

częstość przerwania, wy-

nosi 30 ms, co powinno

być wystarczające w każ-

dych warunkach (warto

wiedzieć, że rezystancja

termistora NTC może być

w temperaturze bliskiej 0°C

nawet kilkukrotnie większa

od nominalnej).

W pierwszym warunku

(gdy zmienna LicznikBT

= 0) występuje operacja

ustalająca stan początkowy.

Modyﬁkowane są ustawie-

nia dla wyprowadzenia

P1.6 (CA0), tj. odłączenie

wejścia komparatora i usta-

wienie portu jako wyjście

w celu rozładowania kon-

densatora. Wprowadzony

jest tryb redukcji pobo-

ru mocy LPM3, w którym

działa właściwie tylko ge-

nerator kwarcowy, sygnał

taktujący ACLK i licznik

Basic Timer – elementy

niezbędne do odliczenia

czasu do kolejnego prze-

rwania.

W tym miejscu warto

zwrócic uwagę, że zapis:

LPM3;

jest równoznaczny z za-

pisem:

_BIS_SR(LPM3_bits);

W obu przypadkach

mamy do czynienia z ma-

krem zdeﬁniowanym m.in.

w środowiskach IAR Em-

bedded Workbench i Qu-

adravox AQ430 . W następ-

stwie przerwania realizo-

wany jest kolejny fragment

programu, gdzie włączany

jest komparator z referencją

0.5V CC i włączane wypro-

wadzenie CA0. Następnie

wykonywana jest konﬁgu-

racja bloku komparującego

licznika TimerA .

Instrukcja o treści:

CCTL1 = CM0 + CCI-

S0 + CAP;

wykonuje operacje kon-

Eksperyment czwarty

– pomiar rezystancji

Pomiary rezystancji

w elektrotechnice występu-

ją bardzo często. Pomiar

większości parametrów śro-

dowiskowych to w istocie

pomiar rezystancji. Wy-

konanie takiego pomiaru

nie zawsze musi się wią-

zać z użyciem przetworni-

ka analogowo–cyfrowego.

W czwartym eksperymen-

cie omówiony zostanie

porównawczy pomiar re-

zystancji z przetwornikiem

integracyjnym wykonanym

w oparciu o komparator

napięcia. Opisana aplika-

cja pomiarowa może być

podstawą do budowy ter-

mometru elektronicznego

i została do takiego zasto-

sowania zoptymalizowana.

Metoda pomiaru polega na

porównaniu stałej czaso-

wej obwodu RC, w którym

znajduje się kondensator

C o niezmiennej wartości

i element rezystancyjny R,

którym naprzemiennie jest

rezystor wzorcowy Rref

lub rezystor mierzony

Rpom. Przy zachowaniu

zbliżonych warunków po-

miaru zachodzi zależność:

Rpom =

Tpom

kondensator C=220 nF,

co daje stałą czasową ok.

2,2 ms. Przypomnijmy, że

stała czasowa to czas, po

którym kondensator nała-

duje się do wartości ok.

0,69 V CC . Ponieważ mie-

rzony jest czas ładowa-

nia do wartości 0,5 V CC ,

faktycznie zmierzony czas

może być jeszcze krótszy

– na pewno nie dłuższy

niż 2 ms dla rezystora

wzorcowego. Aby uzyskać

rozsądną precyzję pomiaru

czasu, warto ustalić wyso-

ką częstotliwość taktującą

licznik TimerA. Ustalono

ją na ok. 3 MHz, co po-

winno dać wynik pomiaru

czasu wzorcowego na po-

ziomie 5000 cykli.

Program ( list. 13 ) jest

tak przygotowany, by był

możliwie krótki i mało

skomplikowany. Stąd za-

stosowanie kilku uprosz-

czeń, szczególnie w sposo-

bie wyzwolenia pomiaru

i zbierania wyników.

Pomiar składa się

z czterech operacji: łado-

wania kondensatora przez

rezystor wzorcowy z po-

miarem, pobrania wyniku

i rozładowania, ponownego

ładowania przez rezystor

mierzony z pomiarem oraz

ponownego pobrania wyni-

ku i rozładowania. Wszyst-

kie te operacje odbywają

się pojedynczo, w wyniku

wykonania instrukcji wy-

boru case , a po każdej

z nich następuje zatrzy-

manie jednostki centralnej

(wprowadzenie trybu obni-

żonego poboru pomocy co

najmniej LPM0). System

Rref

Tref

, czyli

Rref

⋅

Tpom

Rpom

Rref

Kondens ator C jes t

podłączony do wyprowa-

dzenia P1.6 (CA0). Będzie

on ładowany z napięcia

V CC przez rezystor Rref

lub Rpom, kluczowany

odpowiednio przez port

P1.3 lub P1.7. Komparator

z napięciem referencyjnym

o wartości 0,5 V CC ma za

zadanie śledzić narastanie

napięcia i wykryć fakt na-

ładowania kondensatora do

wartości progowej. Wyjście

komparatora jest sprzężone

z licznikiem TimerA a czas

osiągnięcia wartości pro-

gowej jest rejestrowany.

Następnie kondensator jest

rozładowywany przed po-

nownym pomiarem.

Postawmy kilka założeń

wstępnych przyjmując, że

docelową aplikacją jest ter-

mometr z termistorem NTC

o wartości 10…20 kV (dla

25 o C). Zastosowano rezy-

stor wzorcowy o wartości

zbliżonej do średniej ocze-

kiwanej rezystancji termi-

stora – Rref=10 kV oraz

Rys. 26. Schemat połączeń dla pomiaru rezystancji

Elektronika Praktyczna 5/2008

PODZESPOŁY

ﬁguracji bloku komparują-

cego CCR1 i włącza tryb,

w którym nastąpi rejestra-

cja wartości rejestru TAR ,

tj. stanu licznika TimerA

w wyniku pojawienia się

zbocza narastającego sygna-

łu CCI1B, który w mikro-

kontrolerze MSP430F449

jest w istocie sygnałem

CAOUT. Operacja ta nastą-

pi w chwili, gdy napięcie

kondensatora przekroczy

wartość progową.

Konﬁgurowany jest

również licznik TimerA

do trybu pracy z zegarem

SMCLK, w tym wypad-

ku ok. 3 MHz. Następnie

włączony zostaje klucz

dla rezystora wzorcowego

i usunięte zwarcie kon-

densatora. Rozpoczyna się

ładowanie kondensatora

przez rezystor wzorcowy.

Zostaje wprowadzony tryb

LMP0, w którym wyłączo-

na jest jednostka centralna

lecz działa sygnał SMCLK,

taktujący licznik TimerA .

Wynik pomiaru czasu zo-

stanie wychwycony samo-

czynnie.

W kolejnym fragmencie

programu, realizowanym

po następnym przerwaniu

od Basic Timera zachowy-

wany jest wynik pomiaru

czasu, odłączane wejście

CA0, odłączany klucz rezy-

stora referencyjnego i zwie-

rany kondensator. Kompa-

rator nie jest wyłączany.

Nie jest również wyłącza-

ny licznik TimerA , co nie

ma większego znaczenia,

gdyż w trybie LPM0, który

następuje bezpośrednio po-

tem, licznik nie jest tak-

towany, gdyż jego sygnał

taktujący – SMCLK – jest

wyłączany.

W kolejnych fragmen-

tach programu powtarza-

ne są powyższe operacje

w odniesieniu do rezysto-

ra mierzonego. Na koniec

wyłączany jest komparator

i licznik TimerA oraz ob-

liczana jest i wskazywana

wartość. Warto zwrócić

uwagę, że do obliczenia

wartości rezystora mie-

rzonego uwzględnia się

List. 13. Program realizujący pomiar rezystancji

void BT_TM1(void)

{ // przerwanie ma czestosc 32Hz

licznikBT = (licznikBT & petla); //modulo 15, co daje 1/2 sek okresu

switch (licznikBT)

{

case 0:

{

CACTL2 &=~ P2CA0;

P1DIR |= klucz; //zwarcie kondensatora

LPM3;

break;

}

case 1:

{

CACTL1 = CAON + CARSEL + CAREF1; // ustaw ref na 0.25 Vcc

CACTL2 = P2CA0; // P1.6 = +comp

CCTL1 = CM0 + CCIS0 + CAP; //ustawienie capture

P1DIR |= wzorzec;

TACTL = MC1 + TASSEL1 + TACLR; // SMCLK, bez dzielnika, zerowanie

P1DIR &=~ klucz; //wylacz zwarcie kondensatora

LPM0;

break;

}

case 2:

{

v_wzorzec = CCR1; //pobierz wynik

P1DIR &=~ wzorzec;

CACTL2 &=~ P2CA0;

P1DIR |= klucz; //zwarcie kondensatora

LPM3;

break;

}

case 3:

{

CACTL1 = CAON + CARSEL + CAREF1; // ustaw ref na 0.25 Vcc

CACTL2 = P2CA0; // P1.6 = +comp

CCTL1 = CM0 + CCIS0 + CAP; //ustawienie capture

P1DIR |= termistor;

TACTL = MC1 + TASSEL1 + TACLR; // SMCLK, bez dzielnika, zerowanie

P1DIR &=~ klucz; //wylacz zwarcie kondensatora

CCR1 = 1;

LPM0;

break;

}

case 4:

{

v_termo = CCR1; //pobierz wynik

P1DIR &=~ termistor;

CACTL1 = 0; //wylacz komparator

CACTL2 &=~ P2CA0;

TACTL = 0; //wylacz timerA

P1DIR &=~klucz; //odpusc kondensator, oszczedz prad

obliczenie = wzorcowy+portrez;

obliczenie = obliczenie *v_termo;

obliczenie = obliczenie / v_wzorzec;

obliczenie –= portrez;

swiec (obliczenie);

uni_pntr = (unsigned char *)LCD_buffer;

seven_seg2LCD (LCD_buffer);

LPM3;

break;

}

default:

{

LPM3;

break;

}

} //end of switch

licznikBT++;

}

w równaniu rezystancję

klucza (portu).

Na koniec jeszcze kil-

ka słów o uproszczeniach

programu i sposobach jego

rozwinięcia.

W programie nie użyto

żadnego przerwania poza

przerwaniem od licznika

Basic Timer . Zrezygnowa-

no z użycia przerwania od

modułu komparatora lub

przerwania od licznika Ti-

merA , związanego z prze-

chwyceniem zdarzenia od

komparatora, które umoż-

liwiłyby natychmiastowe

wykonywanie kolejnych

zadań. W efekcie wszyst-

kie działania są rozsunięte

w czasie, pomiar odbywa

się dłużej ale zachowana

jest przejrzysta struktu-

ra programu. Należy za-

uważyć, że program nie

zadziała właściwie, jeśli

w systemie pojawi się do-

datkowe przerwanie, a to

z uwagi na zastosowany

bardzo prosty mechanizm

przerywania działania

funkcji BT_TM(void) przez

zatrzymanie jednostki cen-

tralnej.

Przyjęta metoda pomia-

ru czasu ładowania kon-

densatora nie jest opty-

malna. Przede wszystkim

pomiar czasu ładowania

jest obciążony relatywnie

dużym błędem związanym

z chwilowym spadkiem na-

pięcia zasilania w chwili

ładowania kondensatora

(szczególnie w przypadku

zasilania słabą baterią).

Lepszym rozwiązaniem

jest wstępne ładowanie

kondensatora i pomiar cza-

su rozładowania, na który

stan baterii nie ma wpły-

Elektronika Praktyczna 5/2008

PODZESPOŁY

Elektronika Praktyczna 5/2008

PODZESPOŁY

rejestracja wyniku i w kon-

sekwencji wpływa na

zmierzone czasy. Ponieważ

jednak zmiany te są pro-

porcjonalne, w efekcie nie

odnotowujemy ich wpływu

na wynik obliczenia.

stają dwa czasy ładowa-

nia a wynik obliczany jest

z prostej proporcji czasów.

W przypadku pomia-

ru napięcia zasilania stałą

wartość zachowuje rezy-

stor (nie musi być to re-

zystor precyzyjny) a prze-

łączaniu ulegają wartości

napięcia progowego (np.

0,25 Vcc i 500 mV). Po-

nownie zmierzone zosta-

ją dwa czasy ładowania,

skomplikowaniu ulegają

tylko obliczenia, które jed-

nak w warunkach małych

wahań napięcia zasilania

można zastąpić prostą pro-

porcją.

Mariusz Kaczor

Contrans TI

Rys. 27. Przebieg napięcia na kondensatorze w trakcie

pomiaru

Pomiar własnego

napięcia zasilania

Program pomiaru re-

zystancji niezwykle łatwo

jest zmodyﬁkować tak, by

użyć go do pomiaru na-

pięcia zasilania mikrokon-

trolera. Warto zauważyć,

że w programie pomiaru

rezystancji stałe są war-

tości napięcia progowego

a przełączana jest wartość

rezystancji. Zmierzone zo-

wu. Warto wtedy też zasto-

sować referencję 0,25Vcc,

do której kondensator roz-

ładowuje się dłużej. Wy-

dłużenie mierzonego okresu

czasu mogłoby pozytywnie

wpłynąć na precyzję po-

miaru. Autor ponownie po-

zostawia Czytelnikom pole

do usprawnień. Na koniec

rozważmy wpływ napięcia

niezrównoważenia na pre-

cyzję pomiaru. Jego war-

tość wpływa na faktyczną

wartość napięcia kondensa-

tora, przy którym nastąpi

eMeSPEk 430

Czytelników zainteresowanych mikrokontrolerami MSP430 zachęcamy do udziału w konkursie (piszemy o nim

na str. 8).

Oprócz mikrokontrolera wyposażonego w 8 kB + 256 B pamięci Flash i 256 B pamięci RAM, komputerek

wyposażono w dwa źródła sygnałów zegarowych, dwa mikroprzełączniki, interfejs RS232, złącze JTAG,

złącze USB (do zasilania), stabilizator napięcia 3,3 V, głośnik piezoceramiczny, gniazdo baterii 3 V oraz

złącze wyświetlacza LCD 2 x16 znaków ze sterownikiem 44780. Wszystkie linie I/O wyprowadzono na złącza

szpilkowe.

Szczegółowy wykaz nagród publikujemy na str. 47.

Elektronika Praktyczna 5/2008

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: