85_87.pdf

K U R S

Pamięci nieulotne w systemach

mikroprocesorowych, część 1

Jedn¹ z†najbardziej efektywnych

i†jednoczeúnie tanich metod przecho-

wywania danych jest wykorzystanie

pamiÍci RAM mikrokontrolera. Ma to

jedn¹, waøn¹ zaletÍ: w†przypadku awa-

rii napiÍcia zasilaj¹cego dane juø znaj-

duj¹ siÍ tam, gdzie bÍd¹ potrzebne po

przywrÛceniu ìnormalnychî warunkÛw

pracy. Nie trzeba zatem wykonywaÊ

øadnych dodatkowych krokÛw w†celu

ich przechowania. Oczywiúcie pozosta-

je kwestia kontroli, czy zapamiÍtane

dane nie zosta³y uszkodzone, ale nie

zmienia to cech, o†ktÛrych by³a mowa

wczeúniej. To od strony programowej.

A†jak wygl¹da to samo zagadnienie od

strony sprzÍtowej?

Niestety, niezbÍdne s¹ pewne do-

datkowe po³¹czenia i†elementy ze-

wnÍtrzne. Jak zapewne pamiÍtamy,

pamiÍÊ DRAM jest zbudowana z wie-

lu miniaturowych kondensatorÛw, ktÛ-

re przechowuj¹ ³adunek elektryczny

nios¹cy informacjÍ o†stanie bitu. Pa-

miÍci DRAM wymagaj¹ odúwieøania

zawartoúci, czyli okresowego do³ado-

wywania kondensatorÛw. PamiÍÊ

SRAM nie wymaga odúwieøania (a

w†tak¹ zazwyczaj s¹ wyposaøane mik-

rokontrolery) i†moøe przechowywaÊ

dane dowolnie d³ugi czas, ale pod

warunkiem zapewnienia zasilania. Ro-

lÍ ürÛd³a zasilaj¹cego moøe pe³niÊ

kondensator elektrolityczny o†bardzo

duøej pojemnoúci, akumulator lub ba-

teria. Wszystko zaleøy od wymagaÒ

aplikacji. W†swoich projektach czÍsto

wykorzystujÍ bateriÍ litow¹ o†napiÍciu

3†V. Zasilanie mikrokontrolera wy³¹cz-

nie z†baterii jest raczej nieefektywne,

toteø stosuje siÍ automatyczne prze-

³¹czniki zasilania prze³¹czaj¹ce zasila-

nie mikrokontrolera pomiÍdzy ürÛd³em

stacjonarnym (np. zasilaczem) a†bate-

ri¹ czy akumulatorem. Prze³¹cznik

moøna zbudowaÊ w†oparciu o†specja-

lizowany uk³ad scalony lub za pomo-

Konstruuj¹c urz¹dzenia z†mikrokontrolerami czÍsto

stajemy przed koniecznoúci¹ zapewnienia przechowywania

danych takøe po wy³¹czeniu lub zaniku zasilania. £atwo

jest, jeúli s¹ to sta³e jak: napisy menu (dla przyk³adu

w†rÛønych jÍzykach), obrazy, sta³e parametry nastaw.

Gorzej, gdy musimy przechowaÊ zmienne. Jeszcze

trudniej, gdy musz¹ one byÊ zapamiÍtane rÛwnieø

w†przypadku awarii napiÍcia zasilania.

c¹ diod krzemowych lub lepiej - ger-

manowych. Przyk³adami fabrycznych

rozwi¹zaÒ w†formie uk³adÛw scalo-

nych mog¹ byÊ MAX6326, -75, -81.

Inne, bardziej skomplikowane, wypo-

saøone s¹ rÛwnieø w†funkcjÍ nadzoru

napiÍcia zasilania MAX6365...68, wej-

úcie sygna³u zewnÍtrznego reset

(MAX6366) i†uk³ad watchdog

(MAX6368). Przyk³ady ich zastosowaÒ,

zaczerpniÍte z†not aplikacyjnych pro-

ducenta, umieszczono na rys. 1 i† 2 .

Na rys. 3 przedstawiono schemat naj-

prostszego prze³¹cznika diodowego.

Oczywiúcie, oprÛcz przytoczonych,

moøna zaproponowaÊ rÛwnieø wiele

innych rozwi¹zaÒ sprzÍtowych. Opra-

cowuj¹c konstrukcje w³asnych prze-

³¹cznikÛw, zw³aszcza w†po³¹czeniu

z†uk³adem nadzoru napiÍcia zasilania,

trzeba mieÊ na uwadze kilka istotnych

czynnikÛw, miÍdzy innymi:

- zanik napiÍcia zasilaj¹cego powinien

zostaÊ wykryty wczeúniej niø pojawi

siÍ sygna³ reset dla mikrokontrolera,

- napiÍcie zasilaj¹ce z†baterii musi

byÊ prze³¹czone w†sposÛb ìpewnyî,

eliminuj¹cy wahania napiÍcia mog¹-

ce zak³ÛciÊ pracÍ mikrokontrolera,

- spadek napiÍcia na diodzie krzemo-

wej spolaryzowanej w†kierunku prze-

wodzenia to oko³o 0,6 V, natomiast

na diodzie germanowej 0,2 V; war-

toúÊ t¹ naleøy odj¹Ê od napiÍcia ba-

terii zasilaj¹cej i†ta rÛønica zasila

mikrokontroler,

- pr¹d pobierany przez pamiÍÊ CMOS

lub mikrokontroler w†stanie IDLE

jest tak ma³y, øe rÛwnieø detekcyj-

ne diody germanowe z†powodzeniem

mog¹ spe³niaÊ rolÍ prze³¹cznika na-

piÍcia zasilaj¹cego; odnosz¹c tÍ uwa-

gÍ do rys. 3: dioda D2 moøe byÊ

diod¹ germanow¹.

Uk³ady mikrokontrolerÛw wprowa-

dzone w†tryb IDLE pobieraj¹ znikom¹

iloúÊ energii i†zachowuj¹ zawartoúÊ pa-

miÍci RAM. Typowo pr¹d potrzebny do

zasilania w†trybie IDLE ma wartoúÊ

mniejsz¹ niø 100

Rys. 1. Przykład zastosowania układu MAX6326 do przełączania źródeł

napięcia zasilającego

Rys. 2. Przykład użycia układu

MAX6368 do przełączania źródła

napięcia zasilającego oraz

generowania sygnału reset dla

mikrokontrolera

Elektronika Praktyczna 10/2003

A. W†sytuacji jak

opisywana wyøej, gdy do przechowywa-

K U R S

List. 1. Przykład procedury obsługi przerwania wprowadzającej mikrokontroler

w stan obniżonego poboru energii IDLE

;********** PRZERWANIE ZEWN.INT1 ****************

IrqExt1:

clr EA

mov P1,INIT_FOR_P1

mov P2,INIT_FOR_P2

mov P3,INIT_FOR_P3

orl PCON,#3

;wyłączenie mikrokontrolera, przechowywanie zawartości RAM

ajmp $

;ponowne załączenie po sygnale RESET (PD=IDL=1 -> PD)

Rys. 3. Budowa taniego, diodowego

przełącznika napięcia zasilania

List. 2. Przykład realizacji funkcji zapisu/odczytu danych w EEPROM

;***************** OBSŁUGA DANYCH PAMIĘTANYCH W EEPROM ***********************

;Testowanie bitu gotowości pamięci EEPROM po operacji zapisu

EE_BusyTest: mov A,WMCON

anl A,#00000010B

jz EE_BusyTest

ret

nia danych uøywana jest wewnÍtrzna

pamiÍÊ CMOS, uk³ad mikrokontrolera

musi byÊ zasilany z†baterii a†zanik na-

piÍcia zasilaj¹cego powinien byÊ sygna-

lizowany w†celu wprowadzenia mikro-

kontrolera w†stan obniøonego poboru

energii (IDLE). Abstrahuj¹c od rozwi¹-

zaÒ sprzÍtowych, mikrokontroler naleøy

wyposaøyÊ w†tak zwane wejúcie pomia-

rowe. Oczywiúcie dla wiÍkszoúci zasto-

sowaÒ wystarczaj¹ce jest wejúcie cyfro-

we pozwalaj¹ce stwierdziÊ obecnoúÊ sta-

nu logicznego wysokiego lub niskiego

przy³oøonego do wyprowadzenia.

CzÍsto do sygnalizacji zaniku na-

piÍcia wykorzystuje siÍ wejúcie ze-

wnÍtrznego przerwania. Dla mikrokon-

trolera z†rodziny 8051, wejúcia te

oznaczane s¹ jako INT0 i†INT1. Dos-

konale nadaj¹ siÍ one do takiej syg-

nalizacji, poniewaø kaøde z†wejúÊ po-

siada przerzutnik Schmitta pozwalaj¹-

cy jednoznacznie okreúliÊ stan logicz-

ny. Dodatkowo poziom napiÍcia (lub

jego zmianÍ) na wejúciu ³atwo jest po-

wi¹zaÊ z†odpowiadaj¹cym mu fragmen-

tem programu. Fragment ten moøe za-

wieraÊ na przyk³ad ustalenie stanu

portÛw wyjúciowych oraz wprowadze-

nie mikrokontrolera w†tryb obniøonego

poboru energii. Przyk³ad takiej funkcji

obs³ugi przerwania zewnÍtrznego

przedstawiono na list. 1 .

W†tym miejscu waøna uwaga: czÍs-

to programista wykorzystuj¹c wejúcie

przerwania zewnÍtrznego w†sposÛb ta-

ki, jak opisa³em wyøej (sam rÛwnieø

pope³nia³em taki b³¹d) ustawia bit po-

woduj¹cy wygenerowanie sygna³u prze-

rwania w†momencie pojawienia siÍ

opadaj¹cego zbocza sygna³u na wejúciu

INTx. Funkcja moøe zawieraÊ rozkaz

wprowadzenia mikrokontrolera w†tryb

IDLE w†celu obniøenia poboru energii

z†baterii. PÛüniej pojawia siÍ sygna³

reset generowany przez uk³ad nadzor-

cy napiÍcia zasilaj¹cego. Jeúli uk³ad

ten nie jest zasilany z†baterii (a naj-

czÍúciej w†celu oszczÍdzania energii

tak jest), to aktywny reset zaniknie

wraz z†zanikiem napiÍcia zasilania ca-

³ego obwodu poza mikrokontrolerem.

W†takiej sytuacji, zasilany energi¹

z†baterii mikrokontroler, zaczyna wy-

konywaÊ program pocz¹wszy od adre-

su 0, poniewaø aktywny sygna³ reset

wyprowadzi³ go z†trybu IDLE a†opa-

daj¹ce zbocze sygna³u na wejúciu

przerwania nie pojawi aø do momen-

;Wyłączenie EEPROM

EE_Disable: anl WMCON,#11100111B

ret

;Zapamiętanie bajtu danych w pamięci EEPROM,16-bitowy adres w DPTR, bajt w ACC

;po odczytaniu bajtu wartość DPTR jest zwiększana o 1

EE_SaveByte: orl WMCON,#00011000B ;Włączenie trybu zapisu

movx @DPTR,A

;Zapis bajtu

call EE_BusyTest

;Test zakończenia operacji

inc DPTR

ret

;Odczyt bajtu danych z pamięci EEPROM,16-bitowy adres w DPTR, bajt zwracany w ACC

;po odczytaniu bajtu wartość DPTR jest zwiększana o 1

EE_ReadByte: anl WMCON,#11100111B

orl WMCON,#00001000B

;Tryb odczytu

movx A,@DPTR

;Odczyt bajtu

inc DPTR

ret

tu za³¹czenia i†ponownego wy³¹czenia

zasilania. A†my dziwimy siÍ, gdzie

podziewa siÍ energia z†baterii, ktÛra

powinna wystarczyÊ na co najmniej

pÛ³ roku pracy...

OmÛwiony wyøej problem moøna

rozwi¹zaÊ na szereg rÛønych sposo-

bÛw, zarÛwno programowo jak i†sprzÍ-

towo. Najprostszym jest programowe

testowanie wejúcia pomiarowego lub

ustawienie przerwaÒ aktywowanych

poziomem niskim sygna³u a†nie jego

zboczem. Oczywiúcie zarÛwno czÍúÊ

sprzÍtowa jak i†programowa musz¹ ze

sob¹ wspÛ³graÊ w†celu osi¹gniÍcia jak

najlepszego efektu. PamiÍtajmy, øe mi-

mo wprowadzenie w†stan IDLE mikro-

kontroler nadal jest zasilany! W†przy-

padku niektÛrych aplikacji waønym

moøe byÊ rÛwnieø w³aúciwe ustawie-

nie stanÛw portÛw wejúciowych i†wyj-

úciowych. Praktyka pokazuje, øe mimo

iø porty nie powinny byÊ aktywne

i†dopuszczaÊ do ìwyciekÛwî energii

List. 3. Przykład użycia funkcji do obsługi pamięci EEPROM z list. 2

;Zapamiętanie parametrów ustawionych po kalibracji

EE_SaveParams:

mov DPTR,#EE_PLCSTADDR

mov A,PLCSTATE

;<- nastawy maszyny

call EE_SaveByte

mov A,PRNR

;<- numer aktywnego programu

call EE_SaveByte

mov A,CALSTEPS

call EE_SaveByte

mov A,CALSTEPS+1

;<- liczba kroków kalibracji

call EE_SaveByte

mov A,CALSTEPS+2

call EE_SaveByte

call EE_Disable

ret

;Odczyt parametrów systemowych

EE_RestParams:

mov DPTR,#EE_PLCSTADDR

call EE_ReadByte

mov PLCSTATE,A

call EE_ReadByte

cjne A,#0FFH,EE_RestP1 ;<- numer aktywnego programu

clr A

mov PRNR,A

call EE_ReadByte

mov CALSTEPS,A

call EE_ReadByte

mov CALSTEPS+1,A

;<- liczba kroków kalibracji

call EE_ReadByte

mov CALSTEPS+2,A

call EE_ReadProg

;<- odczyt ostatniego programu

ret

Elektronika Praktyczna 10/2003

K U R S

Rys. 4. Również układ popularnego RTC zawiera 240 bajtów pamięci RAM,

którą można wykorzystać do przechowywania danych

zawartoúci moøna uzyskaÊ dostÍp juø

po wykonaniu pojedynczego rozkazu,

o†tyle dostÍp do danych poprzez in-

terfejs SPI czy I 2 C wymaga wykonania

kilku lub kilkunastu rozkazÛw.

Przyk³ad pod³¹czenia zasilania do

uk³adu zewnÍtrznej pamiÍci np. na-

staw przedstawiony jest na rys. 4 .

Wykorzystano tu popularny uk³ad ze-

gara czasu rzeczywistego (RTC)

PCF8583 zawieraj¹cy w†swojej struktu-

rze 240 bajtÛw pamiÍci RAM do wy-

korzystania przez uøytkownika.

W†uk³adzie pokazanym na rys. 4†wy-

korzystano prosty prze³¹cznik diodowy.

Po zaniku g³Ûwnego napiÍcia zasilaj¹-

cego +5 V, samoczynnie za³¹cza on

zasilanie PCF8583 z†baterii litowej 3†V.

A†co w†takiej sytuacji z†zasilaniem

mikrokontrolera? Jeúli zewnÍtrzna pa-

miÍÊ RAM jest jedynie pamiÍci¹ na-

staw, moøna od³¹czyÊ zasilanie awa-

ryjne od mikrokontrolera. Jednak

w†przypadku, gdy zawiera rÛwnieø

zmienne, naleøy wyposaøyÊ mikrokon-

troler w†wejúcie pomiarowe i†wykonaÊ

pewien fragment programu w†celu za-

pamiÍtania zmiennych, po zaniku

g³Ûwnego napiÍcia zasilaj¹cego. Gdy

bÍdzie on sygnalizowany wystarczaj¹-

co szybko a†w†obwodzie zasilania mik-

rokontrolera umieúcimy kondensator

elektrolityczny o†duøej pojemnoúci, nie

jest konieczne doprowadzanie awaryj-

nego napiÍcia zasilania. Mikrokontro-

ler ìzd¹øyî przes³aÊ zmienne. Oczy-

wiúcie nic nie stoi na przeszkodzie

a†nawet jest to rozwi¹zanie bezpiecz-

niejsze, aby mikrokontroler by³ pod³¹-

czony do zasilania awaryjnego wspÛl-

nie z†uk³adem pamiÍci. Moøe on np.

po wykonaniu procedury awaryjnej

przechodziÊ do trybu wy³¹czenia - PO-

WER DOWN lub oszczÍdnego - IDLE

w†celu wyd³uøenia øywotnoúci baterii.

Rozwi¹zania z†zastosowaniem pa-

miÍci zewnÍtrznych SRAM moøna

mnoøyÊ w†nieskoÒczonoúÊ. CzÍsto do

zasilania zamiast baterii stosuje siÍ

akumulator wyposaøony w†uk³ad ³ado-

wania. Moøna uøywaÊ pamiÍci rÛwno-

leg³ych lub szeregowych. Moøna sto-

sowaÊ uk³ady pamiÍci wykonane

w†technologiach Flash i†EEPROM. Wy-

daj¹ siÍ bardzo dobr¹ alternatyw¹

w†porÛwnaniu z†wszelkimi odmianami

RAM. Nie wymagaj¹ bowiem uøycia

øadnych dodatkowych ürÛde³ zasilania.

Ponadto oferta handlowa zwi¹zana

zw³aszcza z†pamiÍciami Flash jest bar-

dzo szeroka. SpotkaÊ moøna pamiÍci

wykonane przy uøyciu rÛønych tech-

nologii o†pojemnoúciach od kilkuset

bitÛw do 2 a†nawet i†wiÍcej Mb. Dla

przeciÍtnych zastosowaÒ czÍsto wystar-

czaj¹c¹ jest pamiÍÊ EEPROM wbudo-

wana w†strukturÍ mikrokontrolera. Ich

wad¹ w†porÛwnaniu z†RAM jest d³ugi

czas konieczny na zapamiÍtanie da-

nych.

Jacek Bogusz, AVT

jacek.bogusz@ep.com.pl

zasilaj¹cej, to bywa z†tym rÛønie

w†przypadku rÛønych mikrokontrolerÛw

od rÛønych producentÛw.

Innym zagadnieniem jest w³aúciwa

inicjalizacja zmiennych znajduj¹cych

siÍ w†pamiÍci RAM. Naleøy bardzo

uwaøaÊ na wszelkiego rodzaju polece-

nia testuj¹ce stan RAM. CzÍsto dzia-

³aj¹ one w†taki sposÛb, øe zapisuj¹ do

i†odczytuj¹ z†pamiÍci pewn¹ wartoúÊ.

Dobrze jest w†pamiÍci mikrokontrolera

wydzieliÊ dla tego celu pewien obszar

a†zawarte w†nim dane opatrzyÊ dodat-

kowo sum¹ kontroln¹.

Inn¹ moøliwoúÊ tworzy dodanie ze-

wnÍtrznej pamiÍci CMOS RAM. Najle-

piej, gdy jest to pamiÍÊ z†interfejsem

szeregowym SPI lub I2C. WÛwczas ca-

³y ciÍøar zwi¹zany z†obs³ug¹ jej spo-

czywa na oprogramowaniu. Nie jest

konieczne projektowanie i†budowa

skomplikowanych dekoderÛw adresu.

Jednak w†przypadku uøycia pamiÍci

zewnÍtrznej, naleøy dobrze przemyúleÊ

zarÛwno budowÍ sprzÍtow¹ jak i†spo-

sÛb funkcjonowania programu. O†ile

bowiem w†przypadku uøycia wewnÍt-

rznego RAM mikrokontrolera do jego

List. 4. Funkcje zapisu i odczytu pamięci EEPROM w języku AVR asembler

wraz z przykładami ich użycia

.def eedata = r23 ;bajt do zapisu w eeprom

.def eeaddr = r24 ;adres zapisu bajtu

;---------------------------------------

;obsługa pamięci eeprom

;---------------------------------------

;zapis bajtu do EEPROM

;adres bajtu w eeaddr, bajt w eedata

ee_write: sbic eecr,EEWE

;czekaj na EEWE = 0

rjmp ee_write

out eear,eeaddr

;podaj adres danych w eeprom

out eedr,eedata

;zapisz dane

sbi eecr,EEMWE

;ustaw bit „master ee write enable”

nop

sbi eecr,EEWE

;ustaw bit „ee write enable”

ret

;odczyt bajtu z EEPROM

;adres bajtu w eeaddr, bajt zwracany w eedata

ee_read: sbic eecr,EEWE

;czekaj na EEWE = 0

rjmp ee_read

out eear,eeaddr

sbi eecr,EERE

;ustaw bit „ee read enable”

in eedata,eedr

;czytaj dane

ret

;zapis danych z bufora w pamięci RAM do EEPROM

;spodziewane: adres danych w eeaddr, koniec oznaczony jako EOD

ee_write_buf: ldi yl,LOW(buffer)

clr yh

ee_write_loop: ld eedata,y

;if (eedata != EOD) goto ee_write_next

brne ee_write_next

rcall ee_write

;zapisz EOD do eeprom

ret

ee_write_next: rcall ee_write ;zapisz bajt do eeprom

inc eeaddr

inc yl

;eeadr = eeaddr+1

rjmp ee_write_loop

;goto ee_write_loop

;odczyt danych z EEPROM do bufora w pamięci RAM

;adres danych w eeaddr, koniec oznaczony jako EOD,

;adres miejsca,do którego przesyłane są dane w rej.Y

ee_read2buf: rcall ee_read

cpi eedata,EOD

;if (eedata != EOD) goto ee_read_next

brne ee_read_next

st y,eedata

;(Y) += EOD

ret

ee_read_next: st y,eedata

inc yl

;Y += 1

inc eeaddr

;eeadr += 1

rjmp ee_read2buf

ret

Elektronika Praktyczna 10/2003

;podaj adres w eeprom

cpi eedata,EOD

;sbuf = (Y)

;Y = Y + 1

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: