Встраиваемые системы. Проектирование приложений на микроконтроллерах семейства 68HC12/HCS12 с применением языка С - Стивен Барретт

Какие устройства Вы можете подключить к выводам микроконтроллера 68HC12 напрямую, без дополнительных цепей согласования? Есть ли у Вас уверенность, что входные и выходные буферы внутри МК при этом останутся работоспособными? Ваша интуиция подсказывает, что, наверное, без дополнительных цепей согласования могут быть подключены логические ИС, выполненные по той же технологии, что и МК семейства HC12. Например, можно без опаски подключить элемент 74HC00, выполняющий функцию 2И-НЕ. А что Вы скажете о возможном числе этих элементов? Можно ли одновременно подключить 20, 30 или 50 таких элементов? А как насчет элементов другой серии? Например, можно ли подключить к выходу МК 68HC12 всего один элемент И-НЕ модели 74LS00? Основываясь на примерах предыдущей главы, Вы также должны предположить, что управление электрическим двигателем вряд ли возможно непосредственно с выходов МК. Для этого потребуются дополнительные цепи согласования и дополнительный источник электрической энергии, которая будет преобразована двигателем механическую энергию. Как определить технические требования к подобным цепям, а затем разработать их?

В этой главе мы ответим на поставленные вопросы. Мы подробно исследуем электрические характеристики выходов МК семейства 68HC12. Вы должны детально освоить этот материал, поскольку он является основой для проектирования электронных цепей сопряжения МК с различными устройствами ввода и вывода. Далее мы рассмотрим типовые способы подключения к МК наиболее часто используемых устройств ввода и вывода, научимся составлять программы для взаимодействия МК с этими устройствами. В завершении главы мы рассмотрим пример реализации на МК кодового замка. В процессе изучения мы, как и предыдущих главах, будем использовать МК семейства 68HC12, однако все рассмотренные методики полностью применимы и к МК семейства HCS12.

5.1. Электрические характеристики МК 68HC12

Микроконтроллеры 68НС12 принадлежат к семейству интегральных схем HC, выпускаемых компанией Motorola по технологии «high-speed CMOS». CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) или в русскоязычной терминологии КМОП — это технология производства цифровых интегральных схем на основе Комплементарных полевых транзисторов со структурой Металл–Окисел–Полупроводник. Семейство HC объединяет цифровые ИС различной степени интеграции: от простых логических элементов, счетчиков, дешифраторов до микроконтроллеров с архитектурой различной сложности. Все элементы, принадлежащие к семейству HC, электрически совместимы, поэтому сопряжение МК 68HC12 с другими элементами семейства HC не вызовет у Вас затруднений. Однако, если в процессе проектирования Вам потребуется подключить к выводам МК 68HC12 интегральные схемы, которые не принадлежат к семейству HC, то Вы должны провести анализ на совместимость электрических характеристик МК и этих ИС.

Рис. 5.1. Номограмма электрической совместимости логических элементов

Производители электронных компонентов обычно указывают их электрические и динамические характеристики в справочном листе, Для проведения анализа о возможности сопряжения компонентов Вам потребуются следующие восемь параметров (рис. 5.1):

• VOH — минимальное выходное напряжение логической 1;

• VOL — максимальное выходное напряжение логического 0;

• IOH — максимальный выходной ток логической 1;

• IOL — максимальный выходной ток логического 0;

• VIH — минимальное входное напряжение логической 1;

• VIL — максимальное входное напряжение логического 0;

• IIH — максимальный входной ток логической 1;

• IIL — максимальный входной ток логического 0.

Необходимо знать численные значения параметров из приведенного списка для всех ИС, которые подлежат объединению в систему. В нашем случае одной из таких ИС обязательно является МК семейства 68HC12, численные значения обсуждаемых параметров для которого приведены ниже:

• VOH = 4,2 В;

• VOL = 0,4 В;

• IOH = –0,8 мА;

• IOL = 1,6 мА;

• VIH = 3,5 В;

• VIL = 1,0 В;

• IIH = 10 мкА;

• IIL = –10 мкА.

Обратите внимание, некоторые токи в этом списке указаны со знаком минус. Это означает, что соответствующий ток вытекает из МК. А токи с положительным знаком втекают в МК. Очень легко запомнить это условное обозначение, воспользовавшись аналогией с собственными денежными средствами. Финансовые поступления на ваш счет Вы рассматриваете со знаком плюс, а траты, т.е. вытекающие финансы, — со знаком минус.

5.1.1. Нагрузочные характеристики

Предположим, что некая периферийная ИС присоединена к выводу МК. Если входной ток этой ИС превышает максимальный выходной ток вывода МК, то могут возникнуть проблемы с формируемыми микроконтроллером уровнями напряжений логической 1 или логического 0. Выходные токи МК различаются в состоянии логической 1 и логического 0, поэтому рассмотрим эти два случая по отдельности.

а) Для втекающего тока нагрузки

б) Для вытекающего тока нагрузки

Рис. 5.2. Нагрузочные характеристики логического элемента, выполненного по технологии HC CMOS

Если на выходе МК формируется напряжение низкого логического уровня VOL, то ток нагрузки IOL положительный, т.е. ток нагрузки втекает в МК. Интегральная схема, присоединенная к выводу МК, формирует вытекающий ток IIL, который и является током нагрузки вывода МК. Если величина входного тока ИС IIL превышает указанное в листе электрических характеристик значение максимального тока нагрузки IOL, то выходное напряжение VOL на выходе МК может повыситься. Это явление иллюстрируют выходные характеристики МК в состоянии логического 0 (рис. 5.2,а). При определенном токе нагрузки IOL напряжение на выводе МК может превысить значение входного напряжения логического нуля VIL для периферийной ИС. Тогда периферийная ИС будет поставлена в ненормированный режим работы, ее работа в соответствии с техническим описанием не гарантируется.

Если на выходе МК формируется напряжение высокого логического уровня VOH, то ток нагрузки IOH отрицательный, т.е. ток нагрузки вытекает из МК. Входной ток IIL присоединенной ИС является втекающим. Таким образом, ток нагрузки IOH вытекает из МК и втекает в периферийную ИС. Если величина входного тока ИС IIH превышает значение максимального тока нагрузки IOH, то выходное напряжение VOH на выходе МК может понизиться. Это явление иллюстрируют выходные характеристики МК в состоянии логической 1 (рис. 5.2,б). При определенном токе нагрузки IOH напряжение на выводе МК может стать ниже минимально допустимого значения входного напряжения логической единицы VIH для периферийной ИС. И мы опять поставим периферийную ИС в ненормированный режим работы, при котором ее функционирование может не соответствовать желаемому.

В справочных данных компания Motorola/Freescale Semiconductors обычно указывает, что максимальный ток нагрузки для каждого из выводов портов равен ±25 мА. Однако следует понимать, что это всего лишь максимальный ток, который могут выдержать транзисторы выходного буфера линии порта. При таком токе нормированные значения выходного напряжения линии в состоянии логического 0 или логической 1 не гарантируются.

Во многих приложениях МК должен управлять некоторым устройством, входные напряжения и токи которого, превышают выходные параметры МК. Что делать в этом случае? Ответ категоричный. Вы, как разработчик системы, должны убедиться, что подключаемое устройство не превышает нагрузочных характеристик используемых линий МК. В противном случае нельзя выполнять непосредственное соединение, и необходимо разработать цепи усиления и согласования.

5.1.2. Что произойдет, если Вы должным образом не учтете электрические характеристики периферийных ИС?

Давайте рассмотрим очень простой пример. Мой близкий друг, доктор Jim Rasmussen (J.R.) работал инженером-электронщиком в течение 20 лет. В свое время, возвратясь из рядов вооруженных сил, он поступил на работу по контракту в одну известную фирму. Его первым заданием было спроектировать панель аварийных состояний. Эта панель должна была иметь несколько логических выходов, состояние которых отображалось светодиодными индикаторами. Одна из возможных схем подключения светодиода к выходу логической ИС показана на рис. 5.3. Давайте предположим, что вместо этой логической схемы используется выход МК семейства 68HC12. Видите ли Вы какие-либо проблемы в этой схеме? Для ее обсуждения давайте сначала более подробно остановимся на электрических характеристиках индикаторных светодиодов.