Laboratorio 8 Convertitore Analogico/Digitale Parte I. Figura 8-2. VI di LabVIEW per simulare un ADC a rampa a 8 bit

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1 Laboratorio 8 Convertitore Analogico/Digitale Parte I Laboratorio 8 Convertitore Analogico/Digitale Parte I Il convertitore Analogico/Digitale, noto come convertitore A/D o ADC, è il secondo componente chiave che consente di collegare gli ambienti analogico e digitale. L ADC è il fondamento dei voltmetri digitali, dei multimetri digitali, degli analizzatori multicanale, degli oscilloscopi e di molti altri strumenti. Ci sono molti diverse tecniche per realizzare gli ADC; i convertitori più comuni sono del tipo a rampa, a inseguimento e per approssimazioni successive. Questo laboratorio presenta i convertitori A/D del tipo a rampa e a inseguimento. Scopo del convertitore Analogico/Digitale Lo scopo del convertitore ADC è di produrre un numero binario digitale che sia proporzionale al segnale analogico in ingresso. Il processo di conversione nella sua essenza è mostrato nello schema seguente. ADC a rampa Figura 8-1. Architettura di un convertitore Analogico/Digitale a 8 bit Un contatore crea una sequenza binaria di prova la sua uscita digitale viene convertita in una tensione analogica utilizzando un convertitore Digitale/Analogico. Il DAC è un elemento fondamentale di molti circuiti ADC ed è stato analizzato nel laboratorio 7 (è opportuno ripassare il suo funzionamento se non avete familiarità con il DAC). La tensione generata dal DAC viene quindi confrontata con il segnale in ingresso. Se il segnale di ingresso è maggiore del segnale generato internamente, il contatore viene incrementato per portare il segnale generato internamente il più vicino possibile al segnale in ingresso. Il processo continua fino a quando il comparatore cambia segno; a quel punto il livello del segnale generato internamente sarà pari, a meno di un bit, al valore del segnale in ingresso. Aumentando il numero di bit del contatore e del DAC aumenta la risoluzione della conversione. Gli ADC a rampa utilizzano un contatore binario per generare una forma d'onda a rampa. In questa dimostrazione, si usa un contatore binario a 8 bit in salita, Binary Counter.vi, insieme al DAC a 8 bit, DAC.vi (introdotto nel laboratorio precedente) per generare la forma d onda di riferimento. Il livello del segnale di riferimento sale National Instruments Corporation 8-1 Elementi di Elettronica Digitale

2 Laboratorio 8 Convertitore Analogico/Digitale Parte I da 0 a 255, ripetendosi ciclicamente se il programma viene lasciato in esecuzione. Quando il livello del segnale di riferimento diventa maggiore, o in questo caso uguale, al livello del segnale in ingresso, il comparatore cambia segno e si ferma. Figura 8-2. VI di LabVIEW per simulare un ADC a rampa a 8 bit L ultimo valore presente sui bit binari (b7-b0) è il valore digitalizzato della tensione in ingresso; nella simulazione realizzata con LabVIEW si è scelto di introdurre un tempo di attesa di 60 ms per consentire di seguire lo svolgersi delle operazioni. La funzione comparatore viene simulata con la funzione Equal di LabVIEW. Caricate ed eseguite il VI Ramp.vi e seguitene il funzionamento sul pannello frontale. Provate altri valori per la tensione in ingresso e osservate che il tempo di conversione dipende dal valore della tensione. Figura 8-3. Pannello frontale LabVIEW di un convertitore ADC a 8 bit. Il LED Comparator cambia di stato quando il valore numerico del segnale di riferimento supera la tensione in ingresso Nella simulazione successiva, Ramp4.vi, il contatore binario è in esecuzione libera. Ogni volta che il segnale di riferimento è maggiore del segnale in ingresso, il comparatore cambia segno. L'intersezione della forma d onda a rampa con la tensione in ingresso è visualizzata graficamente, e il valore binario del contatore nel punto di intersezione è il segnale digitalizzato; la transizione del comparatore segnala il verificarsi dell'evento. National Instruments Corporation 8-2 Elementi di Elettronica Digitale

3 Laboratorio 8 Convertitore Analogico/Digitale Parte I Se il cambiamento di stato del comparatore azzera il contatore binario, viene simulato un vero ADC a rampa. In questo caso, il contatore binario viene sostituito dal contatore binario con reset presentato nel laboratorio 6. Caricate il VI Ramp2.vi e osservatene il funzionamento; notate che appena il livello del segnale di riferimento raggiunge il livello del segnale in ingresso, il contatore binario viene azzerato e il ciclo di generazione della rampa ricomincia dall'inizio. Nella figura sottostante la tensione in ingresso è stata cambiata tre volte. Figura 8-4. Il grafico che mostra l'adc a rampa in funzione Una caratteristica interessante, tipica dell'adc a rampa, è che il tempo di conversione dipende dall ampiezza del segnale di ingresso. Segnali di ingresso di valore modesto sono digitalizzati più velocemente di segnali molto ampi; il tempo di conversione dipende quindi dal segnale di ingresso e dalla velocità di clock del circuito. Per un DAC a 8 bit il fatto che il tempo di conversione sia variabile può non essere un problema quando il clock ha frequenze dell'ordine dei megahertz, ma per i DAC a 12 bit questa caratteristica rappresenta un inconveniente. L'ADC a rampa funziona altrettanto bene con un contatore a decremento che effettua il conteggio da 255 a 0. Il cambio di stato del comparatore segnala anche in questo caso che il contatore binario ha generato un segnale di riferimento il cui livello è uguale a quello del segnale in ingresso. La sfida in LabVIEW Progettate un ADC a rampa che utilizzi un contatore a decremento per generare la forma d onda di riferimento. Potreste utilizzare un contatore up/down per valutare il livello del segnale in ingresso? La risposta è sì; questa tecnica di conversione è chiamata "ADC a inseguimento" e possiede un tempo di conversione inferiore. ADC a inseguimento La prima attività compiuta da un ADC a inseguimento è di usare una qualche tecnica, come la forma d onda a rampa, per capire qual è il livello del segnale in ingresso. A quel punto, indicato graficamente dall intersezione della rampa con il segnale in ingresso, l algoritmo di inseguimento prende il controllo del sistema. National Instruments Corporation 8-3 Elementi di Elettronica Digitale

4 Laboratorio 8 Convertitore Analogico/Digitale Parte I Figura 8-5. L'ADC a inseguimento deve raggiungere per prima cosa il livello del segnale in ingresso e poi ne inizia l'inseguimento L algoritmo alla base di questa tecnica di conversione è semplice, se livello di riferimento superiore al livello del segnale, diminuisci il contatore di 1 se invece livello di riferimento inferiore al livello del segnale, aumenta il contatore di 1 e ripeti continuamente. Nell esempio seguente, viene usata la tecnica della rampa positiva per giungere sino al valore del segnale in ingresso pari a Una volta raggiunto questo valore, entra in gioco l algoritmo di inseguimento. Espandendo la scala verticale, potete vedere l algoritmo in azione Figura 8-6. Uscita dell' ADC in inseguimento quando il segnale in ingresso è costante Se il livello del segnale in ingresso cambia, l ADC deve ritornare a una forma d'onda a rampa per trovare il nuovo valore del segnale; se il clock è sufficientemente veloce, l'algoritmo di inseguimento può riuscire a mantenere il passo, ma se il segnale cambia troppo velocemente, il segnale digitalizzato viene perso sino a che la tensione di riferimento interna non riesce a raggiungere il valore del segnale in ingresso. In pratica è la velocità con cui il DAC si adegua al nuovo valore che limita la massima frequenza in ingresso per l'adc a inseguimento. National Instruments Corporation 8-4 Elementi di Elettronica Digitale

5 Laboratorio 8 Convertitore Analogico/Digitale Parte I Figura 8-7. Un cambiamento improvviso nel livello di ingresso determina l'adeguamento del livello del segnale di riferimento sino al nuovo livello. Dato che l ADC a inseguimento utilizza un contatore up/down, si presenta lo stesso problema quando il segnale in ingresso improvvisamente scende al di sotto del livello del segnale di riferimento. L'ADC a inseguimento utilizza una rampa decrescente (Figura 8-8) per diminuire il valore del segnale di riferimento sino a che raggiunge il livello del segnale in ingresso. Figura 8-8. Una diminuzione del livello del segnale in ingresso determina la discesa del livello dl segnale di riferimento sino al nuovo valore. Si è utilizzato il VI chiamato Tracking ADC.vi per presentare questa tecnica e per generare tutti i grafici mostrati in precedenza. L algoritmo mostrato nel diagramma a blocchi è abbastanza semplice. L'implementazione dell'algoritmo avviene utilizzando la funzione Select di LabVIEW ed il registro a scorrimento nel ciclo While. Figura 8-9. VI di LabVIEW per l'adc a inseguimento La funzione Wait è impostata a 0.10 secondi in modo che l utente possa osservare il funzionamento del programma sul pannello frontale. Potete utilizzare inoltre lo strumento Operate value per ingrandire la scala dell asse verticale nel corso della simulazione. Per osservare come l'algoritmo è in grado di inseguire un valore in National Instruments Corporation 8-5 Elementi di Elettronica Digitale

6 Laboratorio 8 Convertitore Analogico/Digitale Parte I ingresso variabile, riducete la costante di ingresso per la funzione Wait rappresentata nella Figura 8-9 a 1 ms. VI del Laboratorio 8 (in ordine di presentazione) Ramp.vi (ADC a rampa a 8 bit, conversione rallentata per un osservazione più comoda) Ramp4.vi (ADC rampa senza feedback dal comparatore) Ramp2.vi (ADC rampa a 8 bit con rappresentazione grafica dell'uscita) Tracking ADC1.vi Binary Counter.vi (subvi contatore binario a 8 bit) BIN_RST.vi (subvi contatore binario a 8 bit con reset esterno) DAC.vi (SubVI DAC a 8 bit) FlipFlop.vi (subvi) National Instruments Corporation 8-6 Elementi di Elettronica Digitale

7 Laboratorio 9 Convertitori Analogico/Digitali, Parte II Laboratorio 9 Convertitori Analogico/Digitali, Parte II Nell ultimo laboratorio, i contatori binari up/down sono stati utilizzati per creare forme d onda di riferimento per gli ADC a rampa e a inseguimento. Un altro ADC molto usato è basato su una forma d onda di riferimento creata da un registro ad approssimazioni successive (SAR, dall inglese Successive Approximation Register). Questi ADC sono significativamente più veloci degli ADC a rampa e hanno un tempo di conversione costante e noto. I SAR fanno uso di uno schema di ponderazione binaria generando ciascun bit in successione dal bit più significativo (MSB, dall inglese Most Significant Bit) al bit meno significativo (LSB, dall inglese Least Significant Bit). L algoritmo SAR è il seguente: 1. Azzera il registro SAR e imposta il DAC a zero. 2. Imposta l'msb di SAR: Se V DAC è maggiore di V in, allora disattiva il bit. se invece VDAC è minore di Vin, lascia il bit attivo. 3. Ripete il passo 2 per il successivo MSB, fino a che tutti gli n bit del SAR sono stati impostati e controllati 4. Dopo n cicli, l uscita digitale del SAR conterrà il valore digitalizzato del segnale di ingresso. Questo algoritmo può essere meglio compreso con l aiuto di un grafico che mostra il livello del segnale in ingresso e la forma d onda DAC prodotta dal SAR. Supponiamo di applicare all'ingresso di un circuito DAC il valore 153. Il numero 153 è pari a In notazione binaria, leggendo da destra a sinistra, il numero è = ( ) 2 L algoritmo SAR richiede che il bit più significativo, di valore 128, sia elaborato per primo. Essendo 128 minore di 153, MSB viene mantenuto impostato a 1. La miglior stima dopo il primo ciclo è ( ). Durante il ciclo successivo, il successivo MSB, che vale 64, viene sommato alla stima migliore (in questo caso, = 192). Dato che 192 è maggiore di 153, questo bit non viene impostato, e quindi la stima migliore resta ( ). Durante il ciclo seguente, il successivo bit che vale 32 produce un valore di controllo pari a = 160. Come prima, il valore di controllo è maggiore del valore in ingresso, il bit non viene impostato e la stima migliore resta ( ). Nel ciclo seguente, il successivo valore di controllo è 16 che dà = 144. Questo valore è minore di 153, quindi questo bit viene impostato a 1. Dopo 4 cicli, la stima migliore è ( ). I cicli rimanenti si possono osservare nella simulazione di LabVIEW per un convertitore Analogico/Digitale ad approssimazioni successive. National Instruments Corporation 9-1 Elementi di Elettronica Digitale

8 Laboratorio 9 Convertitori Analogico/Digitali, Parte II Nella figura sottostante il grafico in funzione del tempo mostra esattamente questo processo. La linea piena rappresenta il valore di controllo per ogni ciclo, mentre la linea tratteggiata è il valore in ingresso di 153. Eseguendo anche i quattro cicli successivi si genera il valore binario finale visualizzato con otto indicatori LED. Figura 9-1. Il metodo delle approssimazioni successive usato per digitalizzare la tensione in ingresso Caricate il VI chiamato SAR.vi ed eseguitelo in modalità continua. Potete utilizzare lo strumento Operate value per cambiare il valore in ingresso; la forma d'onda generata dall'algoritmo SAR seguirà diligentemente questo valore, impiegando in tutti i casi 8 cicli per digitalizzare il valore in ingresso. Il tempo di assestamento dell'msb dell uscita DAC rappresenta il vincolo fondamentale per la velocità di conversione. Molti ADC basati su SAR hanno tempi di conversione inferiori a 100 ms. Figura 9-2. Valore digitalizzato di un ADC SAR visualizzato come vettore Booleano Un secondo VI, SAR0.vi, opera in modo rallentato in modo che si possa osservare ciascun ciclo. Il livello di ingresso è impostato a 153. Il livello di collaudo è l uscita DAC, con ogni valore di bit sommato alla precedente stima migliore, come discusso in precedenza. Il valore digitalizzato è la miglior stima del livello di ingresso dopo 8 cicli. Il vettore Booleano degli indicatori mostra il valore binario della miglior stima nel modo in cui è stata sviluppata, dopo 8 cicli il vettore contiene il valore digitalizzato. National Instruments Corporation 9-2 Elementi di Elettronica Digitale

9 Laboratorio 9 Convertitori Analogico/Digitali, Parte II Simulazione SAR La simulazione in LabVIEW è piuttosto complessa, come lo è anche un vero chip SAR. Per questo motivo il diagramma a blocchi SAR0.vi verrà analizzato in due parti - prima l algoritmo SAR, e poi la rappresentazione binaria effettuata con un array Booleano. Il bit di controllo si forma prendendo il numero 256 e dividendolo successivamente per due otto volte in un registro a scorrimento. La sequenza che si leggerà sull'indicatore Bit Value è (128, 64, 32,16, 8, 4, 2, 1) mentre il contatore del ciclo va da 0 a 7. Il nono ciclo è necessario per caricare il valore iniziale nei registri a scorrimento. Il valore di controllo è costruito sommando il nuovo valore del bit alla precedente migliore stima. La funzione di confronto decide se il bit corrente deve essere incluso nella nuova migliore stima. Dopo 8 cicli di SAR, la migliore stima è il valore digitalizzato. Figura 9-3. Simulazione in LabVIEW dell algoritmo SAR utilizzando i registri a scorrimento Per generare una rappresentazione binaria della migliore stima viene utilizzato un accumulatore Booleano sotto forma di un registro a scorrimento Booleano. Il bit di controllo (Test Bit), sia esso alto o basso, viene inserito nel vettore dopo ogni ciclo utilizzando la funzione Replace Array Element di LabVIEW. Il valore Booleano Vero (TRUE) o Falso (FALSE) è inserito nel vettore Booleano al valore dell indice specificato dal contatore del ciclo. Inizialmente, il vettore a otto elementi è inizializzato a FALSE per assicurare che tutti i LED del vettore Booleano siano spenti. Figura 9-4. Simulazione in LabVIEW di un SAR utilizzando i vettori National Instruments Corporation 9-3 Elementi di Elettronica Digitale

10 Laboratorio 9 Convertitori Analogico/Digitali, Parte II Durante il calcolo della migliore stima, viene visualizzato sul pannello frontale il valore binario digitalizzato. Dopo 8 cicli, il valore binario è completo, e il suo equivalente decimale è identico al valore digitalizzato mostrato sul display numerico. La funzione stringa Format and Strip di LabVIEW formatta qualunque stringa in ingresso come un numero in base allo schema di conversione che le viene fornito. In SAR_Hex.vi, una stringa di due caratteri che rappresenta un valore esadecimale da $00 a $FF viene convertita in una cifra numerica da 0 a 255 e digitalizzata utilizzando l algoritmo SAR con i vettori. Provate ad eseguire questo VI. In sintesi Negli ultimi due laboratori sono stati presentati e analizzati 3 tipi di convertitori Analogico/Digitale L'ADC a rampa è concettualmente il più semplice, ma ha lo svantaggio di avere un tempo di conversione variabile proporzionale all ampiezza del segnale di ingresso. L'ADC a inseguimento è il convertitore più veloce, sempre che non avvengano cambiamenti rapidi nel livello del segnale di ingresso. La scelta complessivamente migliore è l ADC ad approssimazioni successive, con tempo di conversione costante e noto. VI del Laboratorio 9 (in ordine di presentazione) SAR.vi (ADC ad approssimazioni successive basate sui registri) SAR0.vi (versione rallentata dell ADC SAR per osservare il processo di conversione) SAR_Hex.vi (ADC SAR con ingresso esadecimale) National Instruments Corporation 9-4 Elementi di Elettronica Digitale

11 Laboratorio 10 Display Digitale a Sette Segmenti Laboratorio 10 Display Digitale a Sette Segmenti I display digitali collegano il mondo digitale di uni e zeri con il mondo dei numeri degli uomini. Avete visto come rappresentazioni parallele di uni e zeri possano rappresentare numeri binari, esadecimali o digitali. Per la maggior parte degli strumenti più semplici, i display digitali utilizzano i numeri 0-9 e sono realizzati utilizzando display a sette segmenti. Ogni segmento viene controllato da un singolo bit, e le combinazioni di segmenti in posizione ON o OFF possono visualizzare tutti i numeri 0-9 e qualche carattere, come per esempio A, b, c, d, E e F. Display a Sette Segmenti Il display a LED a sette segmenti utilizza sette diodi che emettono luce e che sono disposti in modo tale da formare il numero 8, come è mostrato nella figura seguente: Figura Display a sette segmenti che utilizza sette LED a barra I singoli segmenti vengono codificati con le lettere a, b, c, d, e, f, g e ordinati in senso orario, con l ultimo segmento (g) utilizzato come barra centrale. Quando si alimenta un LED con polarizzazione diretta esso emette luce. Si può costruire un segmento disponendo il LED in orizzontale o in verticale. Molti dispositivi di uscita, come le porte parallele dei computer, hanno un'ampiezza di 8 bit. In alcuni display a sette segmenti è anche disponibile un ottavo diodo di forma rotonda per indicare il punto decimale. Eseguite il VI 7 Segment.vi, una simulazione in LabVIEW di un display a sette segmenti. Provate diverse combinazioni degli interruttori. National Instruments Corporation 10-1 Elementi di Elettronica Digitale

12 Laboratorio 10 Display Digitale a Sette Segmenti Quanti caratteri alfabetici si possono visualizzare? Figura Simulazione in LabVIEW di un display a sette segmenti I bit di ingresso 0-7 sono rappresentati da otto interruttori Booleani. I segmenti corrispondenti nel display a sette segmenti sono tradizionalmente indicati con le lettere a g e dp (posizione decimale, dall inglese decimal place). Il bit 0, meno significativo, è collegato al segmento a, il successivo bit 1 è collegato al segmento b e così via. Il bit più significativo in uscita, il bit 7, è spesso collegato ad un ottavo LED e utilizzato come punto decimale. Agendo sugli interruttori si possono visualizzare tutti i numeri e qualche carattere. Dopo aver fatto qualche prova, tentate di far apparire il messaggio help call 911 un carattere alla volta. La maggior parte dei display a sette segmenti è azionata da un codificatore che converte un nibble binario (pari a mezzo byte) in un valore numero, che sua volta attiva i segmenti opportuni del display. Il primo passo nella simulazione LabVIEW è di convertire i nibble binari composti da 4 bit in un numero compreso tra 0 e 15. Il VI chiamato Bin->Digit.vi simula questa operazione. Figura Pannello frontale del programma di conversione da binario a digitale a 4 bit. Nel diagramma a blocchi, un convertitore digitale/analogico a 4 bit completa le operazioni necessarie. National Instruments Corporation 10-2 Elementi di Elettronica Digitale

13 Laboratorio 10 Display Digitale a Sette Segmenti Figura VI di LabVIEW per un convertitore digitale/analogico a 4 bit Il passo successivo consiste nel convertire le cifre da 0 a 15 nell opportuno a visualizzazione sul display a sette segmenti. Per i numeri da 10 a 15, viene usato un unico carattere esadecimale [A F]. In Encoder Hex.vi si utilizzano comandi Case multipli per fornire la funzione di codifica. Il terminale? del Case è collegato ad un controllo numerico predisposto per consentire la selezione di un solo numero intero. Il numero 0 genera il codice a sette segmenti per zero, il numero 1 genera il codice per 1, e così via sino a F. Le costanti Booleane all interno di ogni istruzione Case sono opportunamente inizializzate in modo da generare il codice a sette segmenti corretto. Figura VI di LabVIEW per Display Numerici/Sette Segmenti Il numero esadecimale all'interno del riquadro del Case è la rappresentazione esadecimale della configurazione di 8 bit necessaria per rappresentare il numero #n. Ogni uscita ha un unico indirizzo che deve essere selezionato prima che i dati possano essere scritti o letti dal mondo reale. L indirizzo corretto deve essere inserito nel pannello frontale per accedere alla porta. In questa simulazione l indirizzo aziona il comando di esecuzione. National Instruments Corporation 10-3 Elementi di Elettronica Digitale

14 Laboratorio 10 Display Digitale a Sette Segmenti Figura Codificatore e visualizzatore in un display esadecimale a sette segmenti Selezionate l indirizzo della porta 1 ed eseguite Encoder.vi. Con lo strumento Operate value fate click sul controllo a scorrimento e provate i diversi valori tra 0 a 15. Potrete vedere tutti i numeri codificati come caratteri esadecimale a sette segmenti. Questi due VI, Bin->Digit.vi ed Encoder.vi, possono essere combinati per costruire codificatore e un display binario/sette segmenti. Figura Architettura di un circuito che effettua la conversione e la visualizzazione da binario a sette segmenti. In generale, l ingresso dovrebbe essere un numero a 4 bit e l uscita un codice a sette segmenti corrispondente alla configurazione di bit binari in ingresso. Prima di tutto, il nibble binario viene convertito in 16 uscite che selezionano il codice a sette segmenti idoneo e vengono infine trasferite ad un display a sette segmenti. Caricate ed eseguite il VI Display7.vi, che esegue queste operazioni. National Instruments Corporation 10-4 Elementi di Elettronica Digitale

15 Laboratorio 10 Display Digitale a Sette Segmenti Figura Pannello frontale del VI da binario a sette segmenti. La sfida in LabVIEW Progettate un contatore a due cifre che conti da 0 a 99. Utilizzate il contatore binario a 8 bit del laboratorio 6 modificato per contare in decimale. VI del Laboratorio 10 (in ordine di presentazione) 7Segment.vi (simulazione in LabVIEW di un display a sette segmenti) Bin->Digit.vi (convertitore digitale/analogico a 4 bit) Encoder Hex.vi (display a sette segmenti, versione esadecimale) Display7.vi (display esadecimale codificato binario/sette segmenti) National Instruments Corporation 10-5 Elementi di Elettronica Digitale

16 Laboratorio 10 Display Digitale a Sette Segmenti Note National Instruments Corporation 10-6 Elementi di Elettronica Digitale

17 Laboratorio 11 Comunicazione seriale Laboratorio 11 Comunicazione seriale La maggior parte degli strumenti, dei controller e dei computer sono dotati di una interfaccia seriale. La capacità di comunicare con questi dispositivi attraverso un interfaccia seriale apre nuovi orizzonti alle applicazioni di misurazione e controllo. Il formato seriale standard, RS-232, stabilisce l ordine dei bit e l aspetto della forma d onda sia nell'andamento temporale che in ampiezza. Nella configurazione più essenziale sono necessarie solo tre linee di comunicazione tra un computer ed un dispositivo esterno: trasmetti (Transmit), ricevi (Receive) e massa (Ground) di riferimento. Figura Linee di comunicazione seriale Nella comunicazione seriale un livello alto viene chiamato stato Mark, mentre il livello basso è detto stato Space. Nel corso del normale funzionamento, la linea di uscita è in uno stato alto, spesso indicato come 1 o come True Booleano in LabVIEW. Il trasmettitore segnala al ricevente che sta per spedire i dati portando la linea di trasmissione allo stato basso, cioè Space (0). Questa transizione negativa, o fronte discendente, segnala al ricevente che deve prepararsi a ricevere i dati in ingresso. Nella comunicazione RS-232, tutti i bit di dati vengono spediti e mantenuti per un periodo di tempo costante. Questo intervallo di tempo è il reciproco del baud rate, la frequenza della trasmissione dei dati misurata in bit al secondo. Ad esempio, un baud rate pari a 300 ha un periodo di 1/300 di secondo ovvero 3.33 ms. All inizio di ogni intervallo di tempo, la linea di uscita viene posta alta o bassa e quindi mantenuta in quello stato per tutto l intervallo. Questa transizioni ed i corrispondenti livelli di segnale creano una forma d onda seriale. Considerate un byte di dati a 8 bit $3A (oppure ( ) in cifre binarie). Per la comunicazione seriale il protocollo richiede che il bit meno significativo, b0, sia trasmesso per primo ed il bit più significativo, b7, per ultimo. Per convenzione, il tempo è rappresentato come se scorresse da sinistra a destra, perciò il suddetto bit di dati sarà trasmesso come ( ), in ordine inverso. Figura In una trasmissione seriale viene spedito prima LSB (b0) Il protocollo richiede inoltre che i byte di dati siano racchiusi tra due bit speciali, il bit di Start (stato Space) ed il bit di Stop (stato Mark). National Instruments Corporation 11-1 Elementi di Elettronica Digitale

18 Laboratorio 11 Comunicazione seriale Figura I bit di Start and Stop racchiudono i byte di dati Nel complesso sono necessari 10 cicli di temporizzazione per inviare un byte di dati. Se ogni byte rappresenta un carattere ASCII, vengono spediti 10 bit seriali per ogni carattere. Ad esempio, un modem da 9600 baud è in grado di inviare 960 caratteri al secondo.in termini di andamento temporale, la forma d onda seriale RS-232 per la trasmissione del byte di dati $3A sarà di questo tipo. Figura Forma d onda seriale Trasmettitore seriale In LabVIEW, un trasmettitore seriale può essere realizzato utilizzando un registro a scorrimento ed un ciclo di ritardo che simula il baud rate. Lanciate il VI Serial.vi. Figura Simulazione in LabVIEW di un trasmettitore seriale Sul pannello frontale potete introdurre il byte dei dati nel registro a scorrimento agendo sugli otto interruttori. Osservate che l ordine dei bit in notazione esadecimale pone il bit più significativo a sinistra, quindi $33 viene inserito come ( ). I dati però fuoriescono in ordine inverso, cioè viene trasmesso prima il bit meno significativo. L uscita seriale viene visualizzata tramite il grosso LED quadrato; all inizio è nello stato Mark. Prima dell esecuzione tutti i bit di dati e i bit accessori sono impostati a zero. Appena viene premuto il pulsante Run, $33 è caricato nel registro a scorrimento, il bit finale (Stop) diventa 1 e quello iniziale (Start) diventa 0. Il bit di uscita immediatamente va nello stato off (spento), segnalando l inizio della trasmissione. Dopo un ritardo pari a (1/baud rate) viene emesso il bit successivo. Il diagramma a blocchi visualizza l algoritmo usato dal trasmettitore. National Instruments Corporation 11-2 Elementi di Elettronica Digitale

19 Laboratorio 11 Comunicazione seriale Figura Il diagramma a blocchi in LabVIEW per la simulazione della trasmissione seriale Il primo bit che viene trasmesso (Start) è inizializzato allo stato Space (0), corrispondente al valore Booleano FALSE. Gli otto elementi seguenti sono i byte dei dati in sequenza, dal bit meno significativo a quello più significativo. L ultimo elemento del registro a scorrimento (il bit Stop) è inizializzato allo stato Mark (1), corrispondente al valore Booleano TRUE. Il VI, quando viene richiamato, esegue il ciclo 10 volte e ogni ciclo genera un bit seriale. Una struttura con il comando Wait simula "la base dei tempi" pari a 1/baud rate. Via via che i dati vengono trasmessi lungo la linea seriale, il registro a scorrimento è riempito con 1, per garantire che l uscita sarà nello stato Mark alla fine della trasmissione, dopo 10 cicli. Figura Buffer del trasmettitore dopo la trasmissione del byte dati Diventa più semplice visualizzare le forme d onda seriali scrivendo l uscita seriale su un oscilloscopio o su un registratore a carta. Nel secondo VI, Serial1.vi, l uscita seriale viene convertita in notazione numerica e scritta nel diagramma di LabVIEW. Selezionando opportunamente i simboli e le caratteristiche di interpolazione, il tracciato assomiglierà a quello di un oscilloscopio, e potrete vedere le forme d onda seriali trasmesse con valori di baud rate bassi. La figura seguente mostra le forme d onda per i numeri $00 ( ), $55 ( ), e $FF ( ). National Instruments Corporation 11-3 Elementi di Elettronica Digitale

20 Laboratorio 11 Comunicazione seriale Figura Forme d onda seriali per trasmissione ripetitiva dello stesso byte di dati. Osservate che nel caso centrale, $55, sull uscita seriale si genera un onda quadra. Una volta costruito, il convertitore parallelo/seriale può essere salvato come un subvi e utilizzato in altri programmi. In generale questo VI avrà otto ingressi binari per l ingresso parallelo del byte di dati, una uscita binaria per il flusso di bit seriali e un vettore numerico per la rappresentazione grafica. Trasmissione in seriale di una tensione In questa prima applicazione un valore numerico, compreso tra 0 e 255, simula un ingresso analogico. RampADC.vi, introdotto nel laboratorio 9, converte il segnale analogico in un numero binario a 8 bit, che viene trasferito a sua volta al convertitore parallelo/seriale. Per osservare il segnale, la forma d onda seriale viene trasferita in un vettore e visualizzata graficamente sul pannello frontale. Figura Il trasmettitore seriale utilizza i SubVI di LabVIEW Caricate il VI chiamato V->Serial.vi ed osservate le forme d onda seriali. Ogni numero compreso tra 0 e 255 produrrà una diversa forma d onda. Provate i byte di dati $00, $5 e $FF per verificare le forme d onda mostrate nella figura Nel secondo esempio, una stringa ASCII codificata esadecimale a due caratteri viene immessa in un subvi chiamato Hex->Numeric.vi, che converte i caratteri esadecimali in numeri. National Instruments Corporation 11-4 Elementi di Elettronica Digitale

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