This is an old revision of the document!
Table of Contents
Návrh vestavných systémů
Elektronické obvody a prvky pro vestavné systémy. Mikrořadiče - struktura, vlastnosti a programování. Návrh vest. systémů s mikrořadiči a dalšími vstupně- výstupními obvody a bloky. Řešení jejich spolupráce.
- Základy el. obvodů: odporový dělič, Theveninův teorém, zatížený odporový dělič, měření proudu ve vestavném systému. V/A charakteristika diod Si a LED, diferenciální (dynamický) odpor, bipolární tranzistory a jejich základní vlastnosti, tranzistor jako spínač, tranzistory MOS s kanálem N a kanálem P, prahové napětí.
- Operační zesilovač (OZ), jeho vlastnosti a použití; symetrické a nesymetrické napájení OZ, neinvertující zesilovač s OZ.
- Mikrořadič – microcontroller (MCU) jako logický obvod CMOS, obvyklé vstupní a výstupní napěťové úrovně, vstupní napěťová tolerance. MCU s jádrem ARM Cortex M3, základní vlastnosti; periferie integrované na čipu:-GPIO, UART, SPI, IIC Bus,..; jejich vlastnosti a použití.
- Typické řady log. obvodů CMOS používaných ve vestavných systémech (VS), jejich základní vlastnosti; dynamický proudový odběr MCU a logických obvodů CMOS. Blokování napájení MCU a log. obvodů - způsob, důvod, použité součástky.
- Podpůrné a dohlížecí bloky MCU (hodinový generátor, Reset, POR, BOR , RTC, Watch Dog,..); čítačové jednotky v MCU (PWM, „input capture“, output compare,..) jejich funkce a využití. Vstupy a výstupy VS, bloky komunikace s obsluhou ve VS, tlačítka, klávesnice a zobrazovače, vstupy a výstupy s posuvnými registry.
Základy el. obvodů: odporový dělič, Theveninův teorém, zatížený odporový dělič, měření proudu ve vestavném systému. V/A charakteristika diod Si a LED, diferenciální (dynamický) odpor, bipolární tranzistory a jejich základní vlastnosti, tranzistor jako spínač, tranzistory MOS s kanálem N a kanálem P, prahové napětí.
Odporový dělič
Theveninův teorém - rálně jsme nedělali
- Théveninova poučka (Théveninův teorém) o náhradním zdroji napětí tvrdí, že lze libovolně složitý lineární obvod nahradit obvodem skutečného zdroje napětí, připojeným k libovolným dvěma svorkám.
Zatížený odporový dělič
- Prostě se paralelní odpor co vznikne připojením zátěže k děliči převede na jeden odpor podle paralelního vzorečku
Měření proudu ve vestavném systému - nenašel jsem v přednáškách
V/A charakteristika diod Si a LED, diferenciální (dynamický) odpor
- LED
- Si dioda
- Diferenciální (dynamický) odpor rd
- Udává lokální odpor diody při daném pracovním bodě.
- Je definován jako derivace:
- rd=dU/dI
- Jinými slovy: Jak moc se změní napětí při malé změně proudu.
Bipolární tranzistory a jejich základní vlastnosti
- Tranzistor zesiluje proud – malý proud bází řídí větší proud mezi kolektorem a emitorem.
- Ic=β⋅Ib
Tranzistor jako spínač
- Tranzistor je buzen malým proudem do báze, čímž umožní průchod většího proudu mezi kolektorem a emitorem. V režimu spínače pracuje ve dvou stavech:
- Vypnuto (cut-off) - Do báze neteče proud → tranzistor zavřený (nevede)
- Zapnuto (saturace) - Do báze teče dostatečný proud → tranzistor plně sepnutý (vede jako uzavřený spínač)
Tranzistory MOS s kanálem N a kanálem P, prahové napětí
- Prahové napětí je minimální napětí mezi gate (G) a source (S), při kterém se tranzistor začne otevírat – tzn. vytvoří se vodivý kanál mezi drain (D) a source (S).
Operační zesilovač (OZ), jeho vlastnosti a použití; symetrické a nesymetrické napájení OZ, neinvertující zesilovač s OZ.
- Operační zesilovač je integrovaný obvod, který zesiluje rozdíl napětí mezi svými dvěma vstupy:
- invertující vstup: V−
- neinvertující vstup: V+
- výstup: VOUT
Symetrické a nesymetrické napájení OZ
- Symetrické - třeba +15V a -15V
- Nesymetrické - 0V a 5V
Neinvertující zesilovač s OZ.
Mikrořadič – microcontroller (MCU) jako logický obvod CMOS, obvyklé vstupní a výstupní napěťové úrovně, vstupní napěťová tolerance. MCU s jádrem ARM Cortex M3, základní vlastnosti; periferie integrované na čipu:-GPIO, UART, SPI, IIC Bus,..; jejich vlastnosti a použití.
Obvyklé vstupní a výstupní napěťové úrovně
- Vstup typicky 0-3.3V
- někdy 5V tolerantní - v datasheetu pin označen FT
- log 0 - Uin < 0.3 * Ucc
- log 1 - Uin > 0.7 * Ucc
- má ochrané diody (většinou)
- výstup 0-3.3V
MCU s jádrem ARM Cortex M3, základní vlastnosti
- Cortex-M3 je 32bitové RISC jádro od firmy ARM, navržené specificky pro vestavěné systémy
- Thumb-2 instrukční sada - Kompaktní (16bit) + plné (32bit) instrukce → menší kód, rychlé provádění.
- NVIC (Nested Vectored Interrupt Controller)
Periferie integrované na čipu:-GPIO, UART, SPI, IIC Bus,..; jejich vlastnosti a použití.
GPIO
- Programovatelný pin – může být vstupem nebo výstupem.
- Možnost pull-up / pull-down rezistorů (vnitřních)
- LED, tlačítka, relé, spínače.S
- Stavové signály, řízení periferií.
- Detekce událostí na pinech (tlačítko → přerušení).
UART
- Asynchronní sériová komunikace (TX, RX).
- Podpora rychlostí (např. 9600 – 115200 baud, klidně víc).
- Možnost přenosu dat v 8/9 bitech, parita, stop bity.
- Často podpora DMA.
- Někdy více UART kanálů.
SPI
- Sériová synchronní komunikace (MOSI, MISO, SCK, SS).
- Master/slave režim.
- Rychlosti až jednotky Mbit/s (záleží na MCU).
- Full-duplexní – zároveň odesílá a přijímá.
- Možnost více slave zařízení (s více CS piny).
IIC Bus
- Sběrnice s dvěma vodiči: SDA (data), SCL (hodiny).
- Master/slave komunikace, více zařízení na jedné sběrnici.
- Adresace zařízení (7bit nebo 10bit).
- Rychlosti: standardní (100 kHz), fast (400 kHz), fast+ (1 MHz).
- Pull-up rezistory nutné na SDA a SCL.
