Urządzenia operatorskie

Urządzenia operatorskie

Urządzenia operatorskie 2/46

Wejścia informacji

Wyjścia informacji

Urządzenia operatorskie - wejścia 3/46

Źródła informacji:• klawiatury

• stykowe (klasyczne, słabej jakości);• kontaktronowe (lepsze, wady łączenia);• hallotronowe (dobre ale drogie);• membranowe (popularne, estetyczne, praktyczne);

• zadajniki (stabilne)• kołowe (kodowane lub nie);• dip-switche;• przełączniki, przyciski.


Sposoby obsługi klawiatur i zadajników:

a) programowy bezpośredni odczyt/przeglądanie;

b) programowe przeglądanie matrycy klawiszy/zadajników;

c) klawiatura autonomiczna z możliwością wykorzystania przerwań.

A02

A13

A24

A35

A46

A57

A68

A79

B0 18

B1 17

B2 16

B3 15

B4 14

B5 13

B6 12

B7 11

E19

DIR174LS245

1

K0 K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7

VCC

VCC

D0D1D2D3D4D5D6D7

/CS


Ad a) bezpośredni odczyt/przeglądanie

Zaleta - duża prostota obsługi.Wada - przy większej liczbie styków zużywa się zbyt dużo buforów.Rozwiązanie stosowane tylko przy b. małej liczbie odczytywanych klawiszy.


Przykładowy algorytm obsługi klawiatury:

AIN[portwe]

START

T

opóźnienie kms

AIN[portwe]

T

likwidacja skutków drgań styków

N

N

oczekiwanie na klawisz

A=11111111b ?

A=11111111b ?

1


B:=0

RR A

CY = 0 ?T

B:=B+1kod_klaw:=B

opóźnienie kms

AIN[portwe]

N

KONIEC

oczekiwanie na zwolnienie klawisza

N

T

1

dekodowanie klawisza

A=11111111b ?


Drgania styków można także eliminować odpowiednim układem sprzętowym:

R

VCC

K

C

Uk Uwe Uwy

Uk

t

Uwe

t

Uwe

t


Realizacja przykładowego algorytmu w asemblerze MCS51:et1: mov a,P1 ;pierwszy odczyt portu klawiszy cjne a,#255,et2 ;czy sa zwarte styki sjmp et1 ;skok jesli nie - czekajet2: acall delay10ms ;opoznienie mov a,P1 ;ponowny odczyt cjne a,#255,et3 ;czy sa nadal zwarte styki sjmp et1 ;skok jesli nie - czekajet3: mov r7,#0 ;rozpoczecie dekodowaniadekod: rrc a ;przesuw bitow do CY jnc kod ;skok gdy CY=0 inc r7 sjmp dekod ;sprawdz nastepny bitkod: mov kod_klaw,r7 ;zapisz kod klawiszaczekaj: acall delay10ms ;opoznienie in a,P1 ;kontrolny odczyt portu klawiszy cjne a,#255,czekaj ;czy sa jeszcze zwarte styki ;skok jesli takkoniec:


Możliwe modyfikacje tego algorytmu - programu:

1. po ponownym odczycie stan A porównuje się nie z 255 (11111111b), ale z wynikiem pierwszego odczytu, zapamiętanym w pomocniczym rejestrze B:

et1: mov a,P1 ;pierwszy odczyt portu klawiszy cjne a,#255,et2 ;czy sa zwarte styki sjmp et1 ;skok jesli nie - czekaj mov b,a ;przechowanie kopii w Bet2: acall delay10ms ;opoznienie mov a,P1 ;ponowny odczyt cjne a,b,et3 ;czy sa nadal zwarte styki sjmp et1 ;skok jesli nie - czekajet3: ...


2.a. wyszukanie wszystkich wciśniętych klawiszy - tworzy się listę kodów klawiszy -

wymagany jest 9-bajtowy bufor klawiszy, przechowujący listy aktualnie zwartych

styków, lista kończy się bajtem 0FFh:

mov r2,#8 ;R2=ilosc bitow do przejrzenia mov r7,#0 ;R7=kod/numer bitu mov r1,#key_buf ;R1->poczatek listy aktywnych kl.dekod: rrc a ;przesuw bitow do CY jc niekod ;skok gdy CY=1 mov @r1,r7 ;dopisanie kodu z R7 do listy inc r1niekod: inc r7 djnz r2,dekod ;sprawdz nastepny bit mov @r1,#255 ;wpisanie znacznika konca listy


2.b. wyszukanie wszystkich wciśniętych klawiszy - tworzy się listę kodów klawiszy -

wymagany jest 9-bajtowy bufor klawiszy, przechowujący listy aktualnie zwartych

styków, lista kończy się bajtem 0FFh - wersja wykorzystująca o 1 rejestr roboczy mniej:

mov r2,#8 ;R2=ilosc bitow do przejrzenia ;a takze kod/numer bitu mov r1,#key_buf ;R1->poczatek listy aktywnych kl.dekod: rlc a ;przesuw bitow do CY jc niekod ;skok gdy CY=1 mov @r1,r2 ;dopisanie kodu z R2 do listy dec @r1 ;korekta wpisu inc r1niekod: djnz r2,dekod ;sprawdz nastepny bit mov @r1,#255 ;wpisanie znacznika konca listy


Wykorzystanie przerwań zegarowych do odczytu i eliminacji drgań styków klawiatury

Założenia do przykładu: • do 8 klawiszy wczytywanych poprzez ten sam port portwe, • przerwania zegarowe o okresie rzędu kilku milisekund.

Wymagane jest użycie przynajmniej 2 zmiennych:

klaw - podającej aktualny stabilny stan klawiatury;

tmpklaw - rejestrującej zmiany stanu klawiszy, odczytanego z portwe


wewnątrz P.O.P. należy zrealizować następujące działania:

A=tmpklaw ?

AIN[portwe]

START

T

N

klawA tmpklawA

RETURN

N

Tewentualne dekodowanie stanu

klawiszy

działania opcjonalne

inne działania procedury obsługi przerwania zegarowego


A=11111111b ?


Ad b) przeglądanie matrycy klawiszy/zadajnikówprzykład matrycy klawiszy 8x8 (64 klawisze)

OC1 C11

1D2 2D3 3D4 4D5 5D6 6D7 7D8 8D9

1Q 192Q 183Q 174Q 165Q 156Q 147Q 138Q 12U1

74HC573

A02 A13 A24 A35 A46 A57 A68 A79

B0 18B1 17B2 16B3 15B4 14B5 13B6 12B7 11

E19 DIR1U2

74HC245

/CS

/WR

/RD

D0D1D2D3D4D5D6D7

D0D1D2D3D4D5D6D7

R1R6R7R8

VCC


R1R3R4R5

VCC

R2

1

1

1

1

0

1 1 1 101 11 0 0

odpowiedź prawidłowaodpowiedź obserwowana

pozorniewciśniętyklawisz

Prosta matryca klawiatury ma następującą wadę:

eliminacja błędnych odczytów:


Przykładowy algorytm obsługi przez program główny (bez przerwań) matrycy 8x8 niestabilnych klawiszy (przycisków) :

BOUT[portwy]AIN[portwe]

START

T

opóźnienie kms

AIN[portwe]

TRR BC:=C+8

szukanie wciśniętego klawisza

likwidacja skutków drgań styków

N

NN

B:=01111111bC:=0

T

przejście do następnej kolumny/wiersza matrycy

A=11111111b ?

A=11111111b ?

C = 64 ?

A B


opóźnienie kms

AIN[portwe]

N

KONIEC

oczekiwanie na zwolnienie klawisza

kod_klawC

T

B:=11111111b

BOUT[portwy]

wyłączenie pobudzeń matrycy

RR A

T

C:=C+1

Ndekodowanie

klawiszaCY = 0 ?

A=11111111b ?

A B


Korzystniejsze jest użycie przerwań zegarowych ponieważ:

• nie ma „jałowego” oczekiwania w pętli na klawisz lub jego zwolnienie;

• okres przerwań zegarowych sprzyja stabilizacji sygnałów na rozległych połączeniach matrycy klawiszy;

• łatwiej jest eliminować drgania styków na drodze programowej;

• użycie przerwań zegarowych wymaga zastosowania bufora stanu klawiatury w pamięci RAM, co ułatwia późniejszą interpretację jej stanu.


Prosty algorytm obsługi matrycy klawiszy w przerwaniach zegarowych z podwójnym buforowaniem:

AIN[portwekl]

START

T

M[bsk+lk]AM[brk+lk]A

N

lk:=(lk+1)mod nk

operacje startowe procedury obsługi przerwania zegarowego odczyt odpowiedzi matrycy na

pobudzenie wysłane wcześniej

porównanie nowego odczytu z buforem roboczym,

aktualizacja wpisu w buforze roboczym albo stanu

modyfikacja licznikakolumn matrycy/indeksu

buforówA

A=M[brk+lk]?


struktury danych: brk0 brk1 . . . brknk-1 bsk0 bsk1 . . . bsknk-1

lk brk bsk

lk=0 ? T

RETURN

N dekodowanie stanu klawiatury(wykonywane co nk przerwań)


operacje końcowe procedury obsługi przerwania zegarowego

lkOUT[portwykl]

wysłanie nowego pobudzenia do matrycy,

zał: sprzętowy dekoder NB 1zN

A


Ad c) Klawiatury autonomiczne

Charakteryzują się one:

- sprzętowym układem przeglądania klawiszy (tzw. sekwenter);

- możliwością włączenia w system przerwań mikroprocesora;

- różnymi funkcjami dodatkowymi zrealizowanymi sprzętowo

(autorepeat, eliminacja drgań styków, programowanie funkcji);

- odciążają oprogramowanie systemowe;

- komunikacja z systemem mikroprocesorowym

łączem równoległym lub szeregowym.


Przykładowy schemat klawiatury 64 klawiszy zrealizowany w TTL:


Klawiatura PC na mikrokontrolerze:

Urządzenia operatorskie - wyjścia 25/46

Rodzaje informacji wyjściowej:

a) binarna (stany on/off różnych składników systemu, alarmy itp.);

b) znakowa (cyfrowa lub tekstowa, np. o zmierzonych wielkościach analogowych).


Ad a) Informacja binarna

Stosuje się różnego rodzaju sygnalizację:

- diody świecące LED;

- miniaturowe żarówki / LEDy mocy;

- sygnały akustyczne;


Sterowanie diodami LED:

VCC

VCC"1"=on

"0"=off

"1"=on

"0"=off'07

'06

gorsze rozwi¹zanie

lepsze rozwi¹zanie

D02

D13

D26

D37

Q0 16

Q1 15

Q2 10

Q3 9

Q0 10

Q1 14

Q2 11

Q3 8

E0113

E234 7475

OC1

C11

1D2

2D3

3D4

4D5

5D6

6D7

7D8

8D9

1Q 19

2Q 18

3Q 17

4Q 16

5Q 15

6Q 14

7Q 13

8Q 12

74HC573

VCC VCC

"1"=off"0"=on

"1"=on"0"=off


Sterowanie miniaturowymi żarówkami:

Należy korzystać z tranzystorów ze względu na prąd uderzeniowy przy

włączaniu "zimnej" żarówki (ok. 10 razy większy od nominalnego)

VCC VCC

"1"=on

"0"=off

"1"=on

"0"=off'07

'06

albo


Sygnalizacja dźwiękowa:

• "niewielkiej mocy"

- elementy piezoceramiczne sterowane bitami rejestru portu wyjściowego

(wyjściowe przebiegi okresowe albo wbudowane generatory);

• "dużej mocy"

- różnego rodzaju syrenki włączane przekaźnikami

lub kluczami półprzewodnikowymi

• „werbalna”

- układy pamiętające i odtwarzające sekwencje dźwiękowe.


Ad b) Informacja znakowa

Stosowane rozwiązania:

- wyświetlacze segmentowe LED:

- sterowane statycznie

- sterowane dynamicznie;

- wyświetlacze mozaikowe LED;

- wyświetlacze LCD segmentowe;

- wyświetlacze LCD mozaikowe.


Wyświetlacze segmentowe LED - zespoły diód LED o wspólnej jednej elektrodzie: WA albo WK.

Zalety wyświetlaczy LED: Wady wyświetlaczy LED:

- długa żywotność; - duży pobór mocy;

- duży zakres temperatur pracy; - kontrast zależny od oświetlenia zewn.

- duża częstotliwość pracy;

- brak refleksów świetlnych;


Sterowanie można realizować statycznie - w sposób analogiczny do sterowania

pojedynczymi diodami LED (wygodniejsze są układy WA).

Do uzyskania potrzebnych znaków na wyświetlaczu segmentowym stosuje się:

- bezpośrednie sterowanie segmentami - cyfry, niektóre litery, symbole;

- standardowe dekodery sprzętowe - tylko cyfry, czasem litery/symbole.


Przykład statycznego sterowania wyświetlaczami przy użyciu 7447:

seria TTL: ’46, ‘246, ‘247, ’48, ‘248, ‘249;seria CMOS: 4055, 4547, 4558.


z zatrzaskiem na cyfrę BCD: 4056, 4511, 4543, 4544, 4513


Dynamiczne sterowanie wyświetlaczami LED

Cechy:

• równolegle połączone linie segmentów wszystkich pozycji wyświetlacza;

• wspólne elektrody poszczególnych pozycji sterowane niezależnie;

• mniejsza liczba elementów sterujących - oszczędności;

• prostsza sieć połączeń - oszczędności;

• wymaga buforowania wyświetlanej informacji;

• trudniejsze sterowanie - rozbudowany program albo specjalny sterownik sprzętowy;

• stosowane także w przypadku grup pojedynczych LED.


W1 W3W2 W4 W1 W2stan linii

segmentowych

W1

W2

W3

W4

WGWG WG WG WG WG

TO

TP

zasada pracy:

W1, W2, W3, W4 – sterowania wspólnych elektrod kolejnych pozycji wyświetlaczaWG – okresy wygaszania międzysegmentowegoTP – okres powtarzaniaTO – okres obsługi


Aby uzyskać podobną jak przy sterowaniu statycznym obserwowaną jasność

świecenia segmentów LED należy stosować impulsowo prąd segmentu

k-krotnie większy (tzw. forsowanie prądu).

Częstotliwość powtarzania dla pojedynczego wyświetlacza powinna być większa od

50Hz (TP < 2,5ms), wynika to ze zdolności postrzegania oka ludzkiego. Przy N

wyświetlaczach w zestawie, otrzymujemy częstotliwość obsługi:

fO > N∙fP


Przykład algorytmu obsługi zestawu 8 wyświetlaczy w przerwaniach zegar.założenia:

- częstotliwość przerwań zegarowych fC 850Hz = 400Hz;

- pozycje wyświetlacza są wybierane kodem poprzez port portselcyfr;- informację wyświetlaną wpisuje się do portu portwysw;- struktury danych:

selektor 8z1indeksW0W1W2W3W4W5W6W7swlw bufwy

bufor wyświetlacza bufwy przechowuje informacje (W0..W7) wyświetlane na poszczególnych pozycjach wyświetlacza jako: kody segmentowe, kody specjalne, cyfry BCD (pojedyncze lub pary).


AOUT[portselcyfr]

START

lw:=(lw+1) mod 8AM[bufwy+lw]

RL sw

RETURN


operacje końcowe procedury obsługi przerwania zegarowego

operacje startowe procedury obsługi przerwania zegarowego

wyłączenie wszystkich pozycji wyświetlacza

wysłanie do portwysw informacji o stanie kolejnej

pozycji wyświetlacza, przygotowanie nowej wartości selektora sw

aktualizacja portselcyfr - włączenie kolejnej pozycji

wyświetlacza

A:=11111111b


AOUT[portwysw]

swOUT[portselcyfr]


Vcc

sterowanie 1 pozycj¹:"1"=off, "0"=on

T

Vcc

a b c d e f g

hW

DL-WA

sterowanie segmentami:"1"=on, "0"=off

B11

B22

B33

B44

B55

B66

B77

B88

GND9

K1 18

K2 17

K3 16

K4 15

K5 14

K6 13

K7 12

K8 11

U 10

U3 ULN2803A

OC1

C11

1D2

2D3

3D4

4D5

5D6

6D7

7D8

8D9

1Q 19

2Q 18

3Q 17

4Q 16

5Q 15

6Q 14

7Q 13

8Q 12

U2

74HC573

OC1

C11

1D2

2D3

3D4

4D5

5D6

6D7

7D8

8D9

1Q 19

2Q 18

3Q 17

4Q 16

5Q 15

6Q 14

7Q 13

8Q 12

U1

74HC573

Przykładowa realizacja sprzętowa:

- wyświetlacz typu WA

sterowanie 1 pozycj¹:"1"=on, "0"=off

Vcc

a b c d e f g

hW

DL-WK

sterowanie segmentami:"1"=off, "0"=on

OC1

C11

1D2

2D3

3D4

4D5

5D6

6D7

7D8

8D9

1Q 19

2Q 18

3Q 17

4Q 16

5Q 15

6Q 14

7Q 13

8Q 12

U2

74HC573

OC1

C11

1D2

2D3

3D4

4D5

5D6

6D7

7D8

8D9

1Q 19

2Q 18

3Q 17

4Q 16

5Q 15

6Q 14

7Q 13

8Q 12

U1

74HC573T


Przykładowa realizacja sprzętowa:

- wyświetlacz typu WK


Vcc

T1

Vcc

a b c d e f g

hW

sterowanie segmentami:"1"=on, "0"=off

B11

B22

B33

B44

B55

B66

B77

B88

GND9

K1 18

K2 17

K3 16

K4 15

K5 14

K6 13

K7 12

K8 11

U 10

U2

ULN2803A

D034

D133

D232

D331

D430

D529

D628

D727

PA0 4

PA1 3

PA2 2

PA3 1

PA4 40

PA5 39

PA6 38

PA7 37

PB0 18

PB1 19

PB2 20

PB3 21

PB4 22

PB5 23

PB6 24

PB7 25

PC0 14

PC1 15

PC2 16

PC3 17

PC4 13

PC5 12

PC6 11

PC7 10

RD5

WR36

A09

A18

RESET35

CS6

U1

8255A

T2

Vcc

a b c d e f g

hW

T3

Vcc

a b c d e f g

hW

T4

Vcc

a b c d e f g

hW

A1

B2

CLR3 Q 4

Q 13

Cext14

RCext15U3A

74123

C

RVcc

A1 B2 C3

E14 E25 E36

Y0 15Y1 14Y2 13Y3 12Y4 11Y5 10Y6 9Y7 7U4

74138

Vcc

R1

R2

R3

R4

Vcc

R5

R6

R7

R8

D

'138CBA funkcja000 w³.poz.1010 w³.poz.2100 w³.poz.3110 w³.poz.4xx1 wyl.poz.1-4


Wyświetlacze mozaikowe LED.Umożliwiają one przedstawianie różnych znaków i symboli w matrycy5x7, 5x8 itp. pikseli. Sterowanie nimi może być zrealizowane jako:- sterowanie dynamiczne kolejnymi kolumnami pikseli (dostępne są scalone generatory znaków np.7304xx);- sterowanie statyczne lub dynamiczne całymi matrycami zintegrowanymi z lokalnymi sterownikami.


Wyświetlacze LCD segmentowe i mozaikowe.

Zalety LCD:- "bezprądowe" sterowanie, mały pobór mocy;- stały kontrast niezależny od oświetlenia zewnętrznego;- możliwość uzyskania dowolnych kolorów przez filtry barwne;- tanie;- mogą być podświetlane od tyłu.Wady LCD:- duża bezwładność odpowiedzi (10-20ms czas włączenia, 100-200ms czas wyłączenia);- powierzchnia wyświetlacza dająca refleksy świetlne;- mały zakres temperatur pracy;- wymagają do pracy przebiegu prostokątnego ok. 32Hz.


A B C D E F GW

fgedcbaW

a b c d e f g

W

b,c

B,C

A,D,E,F,G

a,d,e,f,g

zasada pracy wyświetlacza LCD


Do sterowania wyświetlaczy segmentowych można używać rejestrów

zatrzaskowych i bramek XOR. Dostępne są także scalone sterowniki

wyświetlaczy LCD zwykłe - 4055 i z zatrzaskiem - 4056, 4543, 4544.

Mozaikowe wyświetlacze LCD są dostępne w dwóch odmianach:

- 1,2 lub 4 wierszowe np. po 16 (20) znaków w linii;

- ekrany o rozdzielczościach jak w komputerach laptop, palmtop itp.

Wyświetlacze takie są zintegrowane z odpowiednimi sterownikami, z którymi

mikroprocesor komunikuje się normalnym łączem równoległym,

umożliwiającym przesył danych i rozkazów programujących sterownik.

Przykładowe sterowniki:

- 7211;

- PCF8566, PCF8576, PCF8577, PCF8578 (wszystkie z I2C).


Wyświetlacze pseudoanalogowe.

Do reprezentacji wielkości analogowych są niekiedy stosowane wskaźniki

linijkowe typu LED lub LCD np.:

- sterowane cyfrowo dekodery NB-->1zN: 7442 (10), 74154 (16), itd.;

- sterowany analogowo UL1970 - skala z 16 diód LED;

- sterowany cyfrowo 4754V - skala 18 elementów LCD.

Tzw. linijka może też być jednym z dodatkowych elementów wyświetlacza

segmentowego LCD.

Documents

Urządzenia operatorskie