Подключение схемы DS1307 к микроконтроллеру по интерфейсу TWI

DS1307 – часы реального времени с последовательным интерфейсом, поддерживают. Часами можно управлять, используя микроконтроллер Atmega128 или другой МК, который имеет последовательный двухпроводной интерфейс. DS1307 подключается напрямую к двум портам I/O микроконтроллера, а двухпроводной интерфейс обеспечивается драйверами низкого уровня, которые описываются в разделе.

Основными характеристиками DS1307 являются: низкая потребляемая мощность, полный BCD часы/календарь и 56 байт энергонезависимой памяти SRAM. Адрес и данные передаются последовательно через двухпроводную двунаправленную шину. Часы/календарь выдают следующую информацию: секунды, минуты, часы, дни, месяцы и годы. Конец месяца автоматически устанавливается для тех месяцев, в которых менее 31 дня. Имеется поправка на високосный год. Часы работают в 24-часовом или 12-часовом формате с индикатором AM/PM. DS1307 имеет встроенную схему контроля питания, которая обнаруживает ошибки питания и автоматически переключается на батарейное питание.

DS1307 работает как «ведомое» устройство на последовательной шине. Для доступа к нему нужно установить состояние START и передать следом за адресом регистра идентификационный код устройства. К следующим регистрам можно обращаться последовательно, пока не установлено состояние STOP. Состояния START и STOP генерируются драйверами низкого уровня.

DS1307 имеет двухпроводную шину, подключённую к двум выводам порта I/O МК: SCL – PD0, SDA – PD1. Напряжение VDD равно 5В, схема использует кварцевый (часовой) резонатор с частотой 32.678 кГц.

В процессе передачи данных, при переходе линии тактового сигнала в высокое состояние, линия данных должна оставаться стабильной. Изменения состояния линии данных в тот момент, когда тактовая линия находится в высоком состоянии, будут пониматься как управляющие сигналы.

В соответствии с этим должны быть оговорены следующие условия:

Начало передачи данных. Изменение состояния линии данных при переходе из высокого в низкое, в то время как тактовая линия находится в высоком состоянии, определяется как состояние START.

Остановка передачи данных. Изменение состояния линии данных при переходе из низкого в высокое, в то время как тактовая линия находится в высоком состоянии, определяется как состояние STOP.

Действительные данные. Состояние линии данных соответствует действительным данным тогда, когда после условия START линия данных стабильна во время высокого состояния тактового сигнала. Данные на линии должны быть изменены во время низкого состояния тактового сигнала. Один тактовый импульс на один бит данных.

Рис. 2.40. Передача данных по последовательной двухпроводной шине

Каждая передача данных начинается при наступлении состояния START и прекращается при наступлении состояния STOP. Количество байт данных переданных между состояниями START и STOP не ограничено и определяется «ведущим» устройством. Информация передаётся побайтно, и каждый приём подтверждается девятым битом.

Подтверждение приёма. Каждое приёмное устройство, при обращении к нему, вынуждено генерировать подтверждение приёма после получения каждого байта. «Ведущее» устройство должно генерировать дополнительные тактовые импульсы, которые ставятся в соответствие битам подтверждения. Если сигнал подтверждения приёма находится в высоком состоянии, то по приходу тактового импульса бита подтверждения, подтверждающее приём устройство должно переводить линию SDA в низкое состояние. Конечно, должны учитываться время установки и время удержания. «Ведущее» устройство должно сигнализировать об окончании передачи данных «ведомому» устройству, прекращая генерацию бита подтверждения, при получении от «ведомого» тактового импульса подтверждения приёма. В этом случае, «ведомый» должен перевести линию данных в низкое состояние, чтобы позволить «ведущему» генерировать условие STOP.

На рис. 2.40 показано завершение передачи данных по двухпроводной линии. В зависимости от состояния бита R/-W, возможны два типа передачи:

1. Режим «ведомого» приемника (режим записи в DS1307): последовательные данные и такты получены через SDA и SCL соответственно. После передачи каждого байта передаётся подтверждающий бит (рис.2.40). Состояния START и STOP понимаются как начало и конец последовательной передачи. Распознавание адреса выполняется аппаратно после приема адреса «ведомого» и бита направления. Байт адреса является первым байтом, принимаемым после возникновения состояния START, генерируемого «ведущим». Байт адреса содержит семь битов адреса DS1307, равных 1101000, сопровождаемых битом направления (R/#W), который для записи равен 0 (рис. 2.40а). После приёма и декодирования байта адреса DS1307 выдаёт подтверждение на линию SDA. После подтверждения DS1307 адреса «ведомого» и бита записи, «ведущий» передает адрес регистра DS1307. Тем самым будет установлен указатель регистра в DS1307. Затем «ведущий» начнет передавать каждый байт данных с последующим приёмом подтверждения получения каждого байта. По окончании записи «ведущий» сформирует состояние STOP, для прекращения передачи данных.

2. Режим «ведомого» передатчика (режим чтения из DS1307): Первый байт принимается и обрабатывается как в режиме «ведомого» приёмника. Однако в этом режиме бит направления укажет, что направление передачи изменено. Последовательные данные передаются DS1307 по SDA, тактовые импульсы - по SCL. Состояния START и STOP понимаются как начало и конец последовательной передачи (рис. 2.40). Байт адреса является первым байтом, принимаемым после возникновения состояния START, генерируемого «ведущим». Байт адреса содержит семь битов адреса DS1307, равных 1101000, сопровождаемых битом направления (R/-W), который для чтения равен 1. После приёма и декодирования байта адреса DS1307 принимает подтверждение с линии SDA. Тогда DS1307 начинает передавать данные с адреса, на который показывает указатель регистра. Если указатель регистра не записан перед инициализацией режима чтения, то первым прочитанным адресом является последним адрес, сохранённый в указателе регистра. DS1307 должен послать бит «неподтверждения», чтобы закончить чтение (рис. 2.40б).

Схема подключения DS1307 к МК Atmega128 приведена на рис. 2.41, где кнопки SA1 и SA2 предназначены для начальной настройки часов.

Рис. 2.41. Подключение схемы DS1307 микроконтроллеру по интерфейсу IIC (шина TWI)

Контрольные вопросы

1. В чем отличие RISC –процессора от CISC-процессор?

2. В чем преимущества аккумуляторной архитектуры от архитектуры с регистрами общего назначения?

3. Что значит команды с фиксированной разрядностью? Дайте разъяснение.

4. Перечислите периферийные устройства МК и приведите примеры их использования.

5. Назначение отладочных средств. Что дает программисту использования отладчиков?

6. На какие линии делятся МК фирмы Atmel? В чем их отличие.

7. Где используются МК сверхмалым энергопотреблением?

8. Какие меры принимаются для снижения энергопотребления фирмами-разработчиками?

Глава III. Лабораторный практикум по микроконтроллерам семейства AVR фирмы ATMEL[6]

Лабораторный практикум предназначен для изучения студентами специальностей 22.01.00, 23.03.00 и 23.05 всех форм обучения основных принципов построения и программирования, цифровых систем управления и обработки данных и является частью учебно-методических разработок по дисциплинам «Микропроцессорные системы», «Микропроцессорные устройства систем управления», «Микропроцессорные системы управления», «Машинно-ориентированные языки программирования». Приведенные в практикуме лабораторные работы позволят получить практические навыки по разработке аппаратного, алгоритмического и программного обеспечения микроконтроллерных систем управления и обработки данных.

В настоящем лабораторном практикуме наряду с описаниями лабораторных работ приводятся основные справочные и теоретические положения по теме выполняемой работы или ссылки на соответствующий материал данного учебного пособия, необходимый при подготовке и выполнении работы, а также контрольные вопросы, которые позволяют оценить степень подготовленности к работе.

Все работы проводятся на учебно-лабораторном стенде УЛС-ATmega8535, разработанным автором по единой схеме «Получение задания [Анализ задания [ Разработка алгоритма решения задачи [ Разработка и отладка программного обеспечения на отладчике AVR Studio 4 [ Программирование реальной системы с использованием PonyProg2000[Проверка работоспособности и демонстрации реальной системы [ Составление и защита отчета».

Отличительными особенностями стенда являются:

· универсальность;

· возможность подключения различных типов датчиков и исполнительных устройств;

· возможность использования современных аппаратно–программных средств отладки и программирования микроконтроллеров в реальных условиях;

Эффективность использования УЛС в учебном процессе определяется:

1. Универсальностью стенда, т.к. стенд позволяет посредством коммутации перестраивать структуру стенда для решения различных задач, что даст возможность на одном стенде проводить большое количество лабораторных работ (более 30);

2. Повышением эффективности проведения занятий, так как отладкапрограммного обеспечения стенда производится на отладчике AVR Studio 4, a программирование реального МК производится с использованием аппаратно-программных средств PonyProg2000;

3. Возможностью решения поставленных задач по схеме «Получение задания [Анализ задания [ Разработка алгоритма решения задачи [ Разработка и отладка программного обеспечения на отладчике AVR Studio 4 [ Программирование реальной системы с использованием PonyProg2000[Проверка работоспособности и демонстрации реальной системы [ Составление и защита отчета» с использованием реальных микроконтроллеров и современных аппаратно–программных средств отладки и программирования микроконтроллерных систем управления и обработки данных.

4. Получением дополнительных навыков по работе с различными периферийными устройствами (системами индикации на основе ЖКИ, интерфейсами UART, SPI, IIC и RS-232) и т.д.;

5. Возможностью разработки собственных вариантов лабораторных работ.

Принципиальная схема УЛС и расположение элементов на печатной плате приведены на рисунках 3.1 и 3.2.

Основные элементы УЛС следующие:

1. Кнопка включения напряжения питание SB9 (В качестве источника питания стенда используется блок питания компьютера +5В, что обеспечивает безопасность работы на стенде).

2. Светодиод HL17 индицирует наличие напряжения +5В.

3. . Микросхема D1 - микроконтроллер Atmega8535 семейства AVR, производства фирмы ATMEL, 8-восьмиразрядный, с тактовой частотой от 0 до 16 МГц. В своем составе имеет – Flash-память программ 8 Кбайт, ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) 512 байт, 512 байт EEPROM (электрически перепрограммируемая память), два 8-разрядных и один 16-разрядный таймеры/счетчики, 8-канальный 10-битный АЦП (аналого-цифровой преобразователь), программируемый последовательный интерфейс UART, последовательные интерфейсы SPI и I2C.

4. Жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) LCD, подключенный к микроконтроллеру через параллельный порт (8 линий данных и 3 линии управления, разъемы Х8 и Х11 соответственно). ЖКИ дает возможность наглядно устанавливать (посредством кнопок настройки часов) и отображать текущее время и результаты работы АЦП.

5. Кнопки SB1, …, SB8 и светодиодные индикаторы HL1- HL8, предназначены для имитации дискретных сигналов ввода.

6. Линейка индикации дискретных сигналов вывода, реализованной на светодиодах HL9- HL16.

7. Резисторы переменного сопротивления R20, R21 для имитации датчиков угла поворота (задающее устройство в системах управления) или для формирования входного аналогового сигнала АЦП.

8. Кнопки-имитаторы внешних сигналов запроса прерывания S16, S17.

9. Кнопка S10 формирования одиночных импульсов (имитаторы импульсных датчиков)

10. Звуковой сигнализатор НА1 может обеспечивать звуковую сигнализацию при выходе контролируемых параметров за заданные пределы.

11. Выходные ключи на оптопарах (D2, D3), с рабочим током 300mА и напряжением 30В, позволяет управлять нагрузкой.

12. Микросхема D8 - преобразователь интерфейса RS232 в логические уровни, позволяет подключать отладочную плату к персональному компьютеру для двухстороннего обмена данными.

13. Разъемы X4, X6, X9 и X7 предназначены для подключения функциональных узлов стенда к портам A, B, C и D микроконтроллера.

14. Клеммы Разъемы SP11-SP10 для подключения внешних устройств к УЛС (осциллограф, шаговый двигатель, твердотельное реле, элементы памяти и/или ЦАП по интерфейсам IIC (TWI) или SPI и др.)

15. Разъемы X3 и X5 предназначены для подключения тумблерного регистра (кнопки SB1, …, SB8) и линейки индикации (светодиоды HL1- HL8) к портам микроконтроллера соответственно

Оформление отчета

Отчет о работе должен быть составлен индивидуально на стандартных листах бумаги с соблюдением следующих рекомендаций:

-отчет должен быть кратким, без описания хода работы и промежуточных пояснений;

-титульный лист отчета должен содержать: наименование учебного заведения, кафедры, номер и название работы, фамилию и инициалы студента, курс и номер группы, а также фамилию и инициалы преподавателя;

-в начале отчета приводятся наименование и цель работы, номер варианта или домашнего задания, далее - краткие теоретические сведения по теме работы, схемы, алгоритмы и программы в соответствии с заданием и выводы по работе;

-рисунки, схемы и графики вычерчиваются или непосредственно на листах отчета, или на листах миллиметровки и вклеиваются в отчет.