Implementazione del protocollo SSI2 su microcontrollore PIC18F452

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1 Scuola Politecnica e delle Scienze di Base Corso di Laurea in Ingegneria Informatica Elaborato finale in Misure per l Automazione e la Produzione Industriale Implementazione del protocollo SSI2 su microcontrollore PIC18F452 Anno Accademico 2014/2015 Candidato: Francesco Apuzzo matr. N

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3 Indice Indice... III Introduzione... 4 Capitolo 1: PROTOCOLLO SSI Master Slave... 7 Capitolo 2: PIC18F Capture/Compare Timer Timer Timer Capitolo 3: IMPLEMENTAZIONE MASTER Configurazione Timer Configurazione CCP Configurazione Interruzioni Capitolo 4: IMPLEMENTAZIONE SLAVE Configurazione Timer Configurazione CCP Configurazione Interruzioni Capitolo 5: SIMULAZIONE COMUNICAZIONE Schema Elettrico Display 7 segmenti Oscilloscopio Switch di Selezione Simulazione Real Time Conclusioni Bibliografia... 26

4 Introduzione Sempre più spesso nella vita quotidiana ci si trova di fronte a dover comunicare con il mondo che ci circonda; questo porta inesorabilmente a chiedersi come sia possibile la comunicazione tra due persone o entità. L'essere umano ha evoluto una notevole proprietà di linguaggio, che permette di poter scambiare informazioni molto facilmente tra gli individui; ciò non è possibile tra diversi dispositivi che vogliono comunicare. Per comunicare due dispositivi devono accordarsi sul protocollo utilizzato per la comunicazione; questi protocolli non sempre sono implementati sui dispositivi, a causa del progresso tecnologico, quindi le soluzioni possibili sono due: utilizzare dispositivi esterni che permettono lo scambio di informazioni, oppure emulare un protocollo di comunicazione direttamente sui dispositivi. In particolare prenderemo in esame l'emulazione del protocollo di comunicazione seriale sincrono SSI2 su microcontrollore PIC18F452. Il PIC18F452 è un microcontrollore sviluppato e venduto da Microchip Technology Inc. il quale non implementa il protocollo SSI2, che è stato sviluppato in tempi recenti. Questo non è un problema, in quanto già negli anni 2000 la maggior parte dei microcontrollori delle aziende non implementava protocolli di recente sviluppo. Il problema veniva superato attraverso l'emulazione software del protocollo; casi eclatanti 4

5 riguardano il PIC16F86 della stessa azienda, sul quale si implementava codice per permettere la comunicazione verso dispositivi esterni, come le memorie EEPROM seriali. Le specifiche dei protocolli di comunicazione sono rappresentate da una macchina a stati finiti. 5

6 Capitolo 1: PROTOCOLLO SSI2 SSI2 è un protocollo di comunicazione seriale sincrono, e si basa sul paradigma Master- Slave. Per l'implementazione fisica richiede solamente due linee: una Dati (SDO) ed una Clock (CLK). Su SDL vengono scambiate le informazioni tra i due dispositivi. La linea SCL viene utilizzata per temporizzare lo scambio tra i due dispositivi. Il protocollo specifica: T periodo di clock N numero di bites da trasmettere TL tempo di pausa TP tempo di stop Il protocollo non specifica la durata del periodo di clock, quindi lascia completa scelta al progettista di utilizzare quello più opportuno: ciò permette di poter comunicare alla velocità desiderata o quanto meno la massima supportata tra due dispositivi. Il protocollo specifica inoltre che non utilizza una trasmissione a blocchi di bytes, ma lascia al progettista il numero di bits che devono essere trasmessi; esso limita solamente il numero di bits trasmissibili in una sola comunicazione fissando N pari al massimo a 31 bits. Inoltre il protocollo specifica che la comunicazione dei bits deve avvenire 6

7 sequenzialmente dal bis MSB al LSB. Per terminare la comunicazione il protocollo specifica inoltre due tempi: tempo di pausa (TL) e tempo di stop (TP). Entrambi questi tempi vengono utilizzati per implementare un segnale di fine comunicazione. Il protocollo fissa questi due tempi nel seguente modo: TL dovrà essere superiore al più pari a 2 volte il periodo del Clock (T) TP maggiore o uguale a 4 volte il periodo del Clock (T) Queste scelte del protocollo per la condizione di STOP sono importanti in quanto, il dispositivo ricevitore (SLAVE) si sincronizza sul Clock per poter interpretare la fine della trasmissione. Infatti il dispositivo trasmettitore (MASTER) mantiene per un tempo TL il segnale di Clock ad un valore di riferimento basso, per poi spostare il segnale di Clock ad un valore di riferimento alto per un periodo pari a TP. 1.1 Master Il dispositivo Master avrà l incarico di configurare tutti i registri relativi alla comunicazione. Essendo emulato il protocollo, il Master dovrà farsi carico del problema della generazione del segnale di Clock; inoltre dovrà occuparsi della gestione delle due linee in uscita, atte alla comunicazione con il dispositivo Slave. Solo il Master può inizializzare una comunicazione. 1.1 Slave Il dispositivo Slave ha il compito di ricevere i bit sequenzialmente dal dispositivo Master. Per la ricezione dei dati, lo Slave dovrà sincronizzarsi con il segnale di Clock proveniente dal Master; ad ogni variazione dello stato logico del Clock passando dal valore logico Alto al valore Basso, il dispositivo Slave campionerà il segnale in ingresso al pin Dati. 7

8 Capitolo 2: PIC18F452 Questo microcontrollore sviluppato da Microchip Inc. possiede molte caratteristiche. Esso integra al suo interno numerose componenti tra cui 5 Timer e 2 Captur/Compare, le quali verranno utilizzate per implementare il protocollo SSI2. Inoltre verranno utilizzate ricorrentemente le interruzioni, le quali per questo microcontrollore sono del tipo non vettorizzate. 2.1 Capture/Compare Questo device interno al microcontrollore permette di settare o campionare in determinati istanti di tempo il valore logico di un pin ingresso. Verranno utilizzati contemporaneamente entrambi i dispositivi per entrambi i device. Il Master genererà con un CCP il segnale di clock. Lo Slave campionerà con un CCP il segnale di clock ed inoltre campionerà il valore del Timer. Inoltre il CCP ha al suo interno diverse modalità di utilizzo da come si evince dal datasheet. Verrà utilizzata la modalità Compare Mode Toggle Output on Match per alternare il semiperiodo del segnale di Clock. Il secondo CCP sarà configurato in Compare Mode Trigger Special Event. Questo consentirà di resettare il Timer 1 per il conteggio dei due semiperiodi in cui il segnale di Clock avrà un valore logico alto e poi basso. 8

9 Il CCP ha al suo interno due registri CCPH e CCPL che saranno caricati con il numero di conteggi per avere un delay pari al semiperiodo. Lo Slave campionerà con un CCP il segnale di clock ed inoltre comparerà il valore del Timer. 2.2 Timer Il Timer è un componente fondamentale per il microcontrollore; esso permette di contare, se settato opportunamente, il numero di impulsi di clock trascorsi tra il verificarsi di due eventi. All interno del microcontrollore sono presenti numerosi timer. I Timer sono implementati come contatori che vengono incrementati ogni 4 colpi di clock generato internamente al microcontrollore. 9

10 Essendo un contatore, il Timer ha un registro lungo 16 bits, all interno del quale può essere precaricato un valore N0. Il Timer dopo 0xFFFF (65535) conteggi, l ulteriore conteggio farà scattare un interruzione sul Flag Overflow del Timer. Quindi volendo far trascorrere 4N0Tc istanti di tempo, conoscendo il valore di T è possibile ricavare il valore N0 attraverso la seguente formula: N 4T 0 T C Dopo N0 impulsi di clock il Timer genererà un interruzione che verrà gestita dal microcontrollore opportunamente Timer 1 Ecco un estratto del datasheet in cui si evince come configurare il Timer 1. 10

11 Il Timer 1 verrà utilizzato in accostamento con il CCP. Il CCP invierà un impulso sul pin CCP Special Eventi Trigger. All interno del blocco Timer 1 andranno configurati il Prescaler, per un aumento del numero di conteggi, e la sorgente del segnale di Clock Timer 3 Il Timer 3 verrà utilizzato per configurare correttamente il CCP per il reset del Timer 1. 11

12 Capitolo 3: IMPLEMENTAZIONE MASTER L implementazione del protocollo SSI2 richiede numerose configurazione sul microcontrollore. In primis verrà configurati i Timer ed i 2 CCP. Il primo CCP verrà utilizzato per generare il fronte di salita del segnale di Clock; il secondo CCP per il reset del Timer 1 per generare il secondo semiperiodo del Clock. Il segnale Dati sarà generato genericamente su di un pin del microcontrollore. 3.1 Configurazione Timer Ecco il listato per la configurazione del Timer 1 e del Timer 3. Le ultime due istruzioni servono per collegare Timer 1 ai component CCP del microcontrollore. 3.2 Configurazione CCP CCP1 verrà configurato per invertire il segnale di clock sul piedino di uscita del microcontrollore. CCP2 sarà utilizzato per inviare il segnale di reset al Timer 1. Inoltre i due CCP hanno due registri che verranno settati; questi due registri contengono il numero di conteggi che Timer1 dovrà eseguire prima di essere resettato per il successivo 12

13 conteggio. Essi sono mappati con un comparatore binario che esegue diverse operazioni all interno del microcontrollore PIC18F452. Nelle prime 4 istruzioni si assegna il semiperiodo del segnale di Clock desidera in uscita per la comunicazione. L assegnazione CCP1CON configura il CCP1 in Compare and Toggle Mode, per invertire il segnale di clock ogni semiperiodo. L assegnazione CCP2CON configura il CCP2 in Compare Mode Trigger Special Event, per resettare il conteggio del Timer Configurazione Interruzioni Le interruzioni sono indispensabili per tutta l implementazione del protocollo SSI2. La Special Subroutine ha all interno diverse istruzioni per la gestione dei vari stati che implementano il protocollo. 13

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15 All interno del codice C sono presenti diverse istruzioni Assembly per l utilizzo di istruzioni speciali che il microcontrollore ha a disposizione per lo shift dei dati in uscita sul pin scelto. Inoltre viene utilizzata l istruzione di moltiplicazione per aumentare il semiperiodo del segnale di Clock; questa istruzione viene eseguita in 4 cicli macchina così da poter velocizzare la chiamata ad interruzione. Come si evince dal codice, la chiamata ad interrupt è stata programmata come una macchina a stati finiti. Il valore dello stato viene salvato nella variabile X. L intervallo degli stati da 2 a 18, sono utilizzati per l invio dei Dati sul pin in uscita. Lo stato pari a 19 sarà quello in cui il microcontrollore genererà sul segnale di Clock il Tempo di Pausa (TL); nel codice riportato TL sarà pari almeno a 2 volte il periodo del Clock. L ultimo stato invece genererà sul pin Clock il Tempo di Stop (TP) che in questo caso specifico sarà pari a 4 volte il periodo del segnale di Clock. 15

16 Capitolo 4: IMPLEMENTAZIONE SLAVE Il dispositivo Slave avrà un implementazione molto simile al Master. Esso dovrà implementare tutta la tempistica per il riconoscimento sul segnale di Clock del Tempo di Pausa e Tempo di Stop. 4.1 Configurazione Timer Il dispositivo Slave utilizzerà solamente il Timer 1 per l autoapprendimento del Tempo di Pausa e del Tempo di Stop. Esso sarà settato a 0 inizialmente. Essendo essenzialmente un contatore, ad ogni istruzione del microcontrollore, il Timer incrementerà il valore del suo registro. 16

17 4.2 Configurazione CCP Lo Slave utilizzerà anch esso i due CCP. CCP1 sarà configurato in Capture Mode Every Falling Edge; questa configurazione sarà utile per campionare il segnale Dati, sul fronte di discesa del segnale di Clock. CCP2 invece sarà configurato in Compare Mode Trigger Special Event: in questa modalità sarà possibile generare un interruzione quando Timer 1 avrà contato per un periodo pari almeno a 2 TC, così da poter interpretare il segnale di Pausa e successivamente il segnale di Stop. 4.3 Configurazione Interruzioni La gestione delle interruzioni nel dispositivo Slave permette di campionare ad ogni fronde di discesa del segnale di Clock il bit Dato sul piedino di ingresso al microcontrollore. Nello specifico verranno utilizzati due interruzioni: CCP1 Interrupt, per campionare i dati CCP2 Interrupt, per resettare il timer del dispositivo 17

18 Nella prima parte del codice vengono configurate le porte di uscita ed d ingresso. Dopo avvenuta la configurazione, il dispositivo Slave andrà a definire i parametri di settaggio dei due CCP ed successivamente abiliterà le interruzioni. Le assegnazioni T3CCP2 e T3CCP1 riferite al Timer 3, definiscono il collegamento del Timer 1 al CCP2. Nel registro CCP2 viene caricato un valore pari a 2 volte TC; questo sarà utilizzato per il reset del microcontrollore: il Master mantiene ad un livello logico basso il segnale di Clock per un periodo superiore, al più uguale, a 2 TC. Tale operazione farà sì che il Timer 1 del dispositivo Slave genererà un interruzione che resetterà lo stato della comunicazione all interno del dispositivo. Le interruzioni del dispositivo saranno abilitate attraverso le ultime istruzioni in figura. 18

19 La subroutine per gestire le interruzioni sarà implementate nel seguente modo: Ad ogni interruzione il microcontrollore Slave interroga, sui relativi Flag, i dispositivi, per conoscere quale sia stato il CCP che ha generato un interruzione. Nel caso sia CCP1, la gestione controllerà in quale stato si trova il dispositivo Slave; in funzione dello stato, sarà eseguita la relativa operazione. Se CCP2 ha innescato un interruzione invece, il dispositivo resetterà lo stato dello Slave in ricezione. 19

20 Capitolo 5: SIMULAZIONE COMUNICAZIONE La simulazione della comunicazione è stata effettuata nell ambiente di sviluppo Proteus 7. All interno del programma andranno inseriti due microcontrollori PIC18F452 collegati tra loro; inoltre per il check della comunicazione viene utilizzato un oscilloscopio. 5.1 Schema Elettrico All interno del seguente Schema Elettrico, è possibile notare i due microcontrollori PIC18F452, un oscilloscopio per la visualizzazione delle forme d onda generate dal microcontrollore Master (a sinistra), ed due display a sette segmenti sui quali andremo a visualizzare i messaggi inviati e ricevuti. Collegato al dispositivo Master risultano collegati diversi interruttori con il quale è possibile selezionare il messaggio da inviare. 20

21 5.1.1 Display 7 segmenti Il display a 7 segmenti dispone di 7 leg collegati nel seguente modo. Nello schema precedentemente visto, i display utilizzato, incorpora un driver BCD, che converte un numero binario a 4 cifre, in un numero esadecimale facilmente leggibile. Questo componente è utilizzabile solo ai fini della simulazione Oscilloscopio L oscilloscopio è uno strumento, attraverso il quale è possibile, visualizzare le forme d onda generate dal microcontrollore PIC18F452. All interno dell interfaccia utente è possibile selezionare diversi parametri. 21

22 Accetta al più 4 segnali in ingresso, sui quali è possibile selezionare la risoluzione più opportuna per la visualizzazione dei segnali; è possibile settare anche una base dei tempi di scansione, uguale per tutti i segnali in ingresso. Per ogni singolo canale inoltre è possibile settare il tipo di segnale da analizzare Switch di Selezione Questo componente ci permette di selezionare il messaggio di prova da inviare. Esso ha 8 pin commutabili, che permettono di selezionare in binario la stringa da inviare. 5.2 Simulazione Real Time Prima della comunicazione il due microcontrollori si configurano per eseguire le operazioni di inizializzazione. Per avviare la comunicazione, pigiamo sul pulsante posto sul lato destro del dispositivo master. Sul lato sinistro, attraverso i dip switch, verrà selezionato il messaggio da inviare. Il Master leggerà questi dati in ingresso, e inizierà la sua comunicazione. I segnali generati verranno visualizzati sull oscilloscopio. 22

23 L oscilloscopio ci mostra le forme d onda generate dal microcontrollore Master; come possiamo notare, sulla prima riga mostra il segnale di Clock, mentre nella seconda riga è visualizzato il segnale Dati. Facendo un paragone con l esempio della comunicazione SSI2 possiamo facilmente visualizzare che la comunicazione avviene correttamente. Simulazione Specifiche Protocollo SSI2 Com è possibile notare il segnale di Clock rispetta esattamente le specifiche. Aumentando la frequenza di campionamento possiamo notare il Tempo di Pausa. L oscilloscopio virtuale è settato in modo da visualizzare ogni 2 quadratini un intervallo di tempo pari ad un semiperiodo del segnale di Clock; com è possibile notare TL risulta essere pari a 4 quadratini. Risulta evidente anche come il tempo di Stop sia pari a più di 4 23

24 volte il periodo di Clock. L ulteriore verifica ci viene data dal dispositivo Slave che visualizza sul display a 7 segmenti il messaggio ricevuto. Come risulta il messaggio selezionato sul dip switch, viene correttamente trasmesso dal Master e ricevuto dallo Slave. 24

25 Conclusioni Da quanto si evince la comunicazione avviene in maniera ottima tra MASTER e SLAVE. Anche la generazione dei segnali DATA e CLOCK viene eseguita ottimamente attraverso l'oscilloscopio. L'emulazione per ovvie ragioni non sarà mai paragonabile ad un dispositivo che implementa il protocollo SSI2 in hardware, in quanto a livello software il microcontrollore richiede cicli macchina per eseguire il software per la comunicazione. Durante l emulazione le performance dei dispositivi analizzati sono ridotte, questo permette di simulare e testare il protocollo così da poterlo implementare direttamente in hardware. In generale qualsiasi sviluppo di un nuovo protocollo di comunicazione sarà implementato preliminarmente in software per testarne l'effettiva fattibilità e la coerenza con quanto specificato nella fase di analisi. Di conseguenza l'esigenza di dispositivi programmabili in software sarà sempre presente anche nei tempi a venire. 25

26 Bibliografia [1] SpeedGoat, Moduli FPGA SSI2 [2] PIC18F452 DataSheet, Microchip Inc. 26