1 . Introducere

Aparatele i sistemele controlate cu microprocesor au aprut i s-au perfecionat odat cu apariia pe pia a miroproesoarelor (1970 -1980) dup care (n special dup 1985) s-au rspndit foarte rapid, nlocuind aproape complet aparatele i sistemele de msur i control numerice clasice (cu logic cablat), att n tehnica de laborator ct i n instrumentaia industrial, mai ales n controlul automat.

Clasificarea sistemelor cu microprocessor n funcie de complexitatea sistemului din care face parte vom avea:- aparate de msur cu microprocesor utilizate ca instrumente de laborator sau de teren; - sisteme de msur cu microprocesor folosite n complexe de msur i control n industrie.

Avantajele folosirii microprocesoarelor n sistemele de msur i control

Includerea unui microprocesor ntr-un sistem de msur i control d posibilitatea ca manevrele de operator s fie preluate (parial sau total) de ctre microprocesor i n plus s se obin cteva avantaje importante:1. Preluarea comenzilor de operator cum ar fi reglaje de zero i de cap de scar, selectarea gamelor asigurnd un plus de precizie i siguran n exploatare.2. Autocalibrarea i compensarea automat a influenei factorilor de clim. De asemenea se calculeaz abaterile i se corecteaz rezultatul final al msurrii.3. mbuntirea preciziei prin eliminarea erorilor sistematice (prin autocalibrare, autocorecie).4. Micorarea numrului de componente ale sistemului prin eliminarea componentelor destinate implementrii logicii cablate.5. Creterea versatilitii aparatului prin obinerea unor posibiliti suplimentare de msur pe baza programelor interne.6. Creterea vitezei de lucru prin automatizarea operaiilor de msurare.7. Posibilitatea determinrii prin calcul a altor parametrii de semnal (valoare de vrf, valoare medie, valoare efectiv, calculul distorsiunilor, a spectrului de amplitudini, determinarea fazei, defazajului).8. Posibilitatea autotestrii prin programe speciale executate de microprocesorul ncorporat, la comanda operatorului sau n cazul apariiei unei anomalii in funcionare. n acest caz se poate declana o procedur de testare i semnalizare a eventualelor defecte.Toate aceste avantaje arat clar c sistemele de msur i control moderne nu pot exista fr a fi controlate de ctre microprocesoare.

Microprocesoare : o privire general

n cele ce urmeaz ne vom referi la un microprocesor generic (presupus de 8 bii) i vom ncepe cu precizarea unor termeni i notaii utilizate n lucrrile din domeniul microprocesoarelor.

Definiii i terminologie

Sistemul de calcul este un echipament care transform datele de intare n rezultate de ieire pe baza unui algoritm materializat ntr-un program. Aceast definiie reprezint sensul clasic al noiunii de calculator .Sistemele inteligente sunt acele sisteme care pot prelucra informaii incomplete definite sau aproape complet definite. Astfel de sisteme sunt sistemele fuzzy sau reelele neuronale.n cazul n care informaiile de prelucrat sunt complet definite atunci avem de-a face cu algoritmi secveniali. Acest tip de algoritmi a stat la baza construciei mainilor secveniale (Von Newman).Dac operaiile elementare independente se pot executa paralel (pe mai multe uniti de calcul), avem de-a face cu algoritmi paraleli. ncepnd cu anii 1970 au aprut tendine de automatizare a proceselor de producie bazate iniial pe automate numerice cablate (logic cablat) i apoi pe sisteme cu microprocesoare (logic programat). De dat recent sunt sistemele bazate pe arhitecturi paralele (sisteme multiprocesor , sisteme distribuite).Arhitectura mainii secveniale standard (Von Newman) este urmtoarea:

Unitate Central MemorieSubsistem de intrare/ieireOm/proces

Unitatea central (CPU-Central Processing Unit), transform datele n rezultate pe baza execuiei instruciunilor programului memorat.Memoria este mediul principal de stocare/regsire a datelor, rezultatelor i programelor.Subsistemul de intrare-ieire este destinat realizrii interfeei om-main sau proces-main.Partea fizic a unui sistem de calcul (componentele electronice) este relative simpl, poate fi produs n serie i este relativ ieftin. Termenul hardware se refer tocmai la aceast parteCeea ce transform acest echipament ieftin ntr-o diversitate de instrumente, controlere industriale, calculatoare speciale sau de uz general, sunt programele (utilitare sau de aplicaii) i sistemele de programe (operare, exploatare), adic software care vor determina hardware-ul de uz general s execute ceea ce dorim.Un alt termen frecvent utilizat este firmware, care desemneaz programe speciale stocate n memorii nevolatile, al cror rol este de a asigura faciliti de configurare i testare a echipamentului, precum i minima sa funcionare. Exemplu biosul de la calculatoarele personale.Microprocesoarele actuale se produc ntr-o gam larg de variante, de la cele de uz general sau cele destinate aplicaiilor industriale, pn la procesoarele de semnal sau coprocesoarele cu funcii bine precizate. De asemenea, microprocesoarele pot fi:- microprocesoare monocip (unitatea central i circuitele de suport sunt dispuse n interiorul aceleiai capsule de circuit integrat).- microprocesoare multicip la care unitatea central i circuitele de suport, sunt realizate sub form de circuite integrate distincte. Microprocesoarele pentru aplicaii dedicate mai ales cele destinate mediului industrial sunt realizate monocip, oferind un plus de comoditate n proiectare i o fiabilitate sporit. De exemplu, microprocesorul 80186, al firmei Intel, include aproximativ toate componentele sistemelor cu 8086, adic unitatea central, generatorul de tact, controlerul de magistral i cel de ntreruperi, controlerul DMA, contor/timer-ul, logica de decodificare, etc.Deseori microprocesoarele monocip includ att memorie de lucru, ct i interfee de intrare/ieire, adic structura minimal a unui microcalculator, motiv pentru care ele se mai numesc i microcalculatoare ntr-un singur cip (Single Component Microcomputer). Deoarece aceast categorie de microprocesoare sunt destinate mai ales aplicaiilor de control n mediul industrial, ele se ntlnesc i sub denumirea de microcontrolere. Microprocesoarele de uz general multicip au fost realizate i n variante monocip, purtnd numele de microprocesoare nglobate. De exemplu, familiile 80186 sau 80386EX sunt produse de Intel i n varianta monocip avnd avantajul utilizrii suportului de programe i exploatare dezvoltat pentru sistemele de calcul existente curent pe pia (de exemplu calculatoarele personale). Elemente tehnologice

Microprocesoarele i circuitele de suport se pot produce n urmtoarele tehnologii: 1 . Tehnologia bipolar permite obinerea unor viteze de lucru mari, dar cu un consum ridicat i cu probleme de climatizare deosebite. 2 . Tehnologia MOS a evoluat mult, oferind condiii de obinere a unor performane de vitez deosebit, n condiiile unui consum redus i al unui grad de integrare foarte ridicat. Exist 3 familii MOS mai importante:PMOS se bazeaz pe realizarea tranzistoarelor MOS cu canal p, prin difuzia impuritilor de tip p (bor), ntr-un substrat de siliciu de tip n , pentru a forma drena i sursa. Se remarc prin densitate mare de integrare, ns microprocesorul este relativ lent.NMOS se bazeaz pe relizarea tranzistoarelor MOS cu canal n prin difuzia impuritilor de tip n (fosfor sau arseniu) ntr-un substrat de siliciu de tip p, pentru a forma drena i sursa. Se obine o densitate de componente similar cu cea specific PMOS, dar asigur o vitez mai mare pentru circuitele realizate, ns este mult mai scump dect tehnologia PMOS.CMOS combin ambele tipuri de tranzistoare ntr-o structur complementar, rezultatul fiind o vitez de lucru medie, imunitate mare la zgomote i un consum extreme de redus.HMOS este o tehnologie mai recent i a fost utilizat cu succes de firma INTEL la realizarea noilor sale generaii de microprocesoare i microcontrolere. Aceast tehnologie folosete tranzistoare cu canal n, proiectate special pentru a lucra la tensiuni joase i la viteze mari.CHMOS este rodul mbinrii performanelor de vitez deosebit ale tehnologiei HMOS, cu consumul sczut al celei CMOS. Rezultatul a fost remarcabil, astfel nct majoritatea productorilor de microprocesoare i microcontrolere au trecut la aceast tehnologie.

Bii , octei , cuvinte

Marea majoritate a echipamentelor numerice folosesc pentru reprezentarea intern a numerelor sistemul binar, caracterizat de utilizarea a numai 2 cifre: 0 i 1. Bitul reprezint cea mai mic unitate de informaie, echivalent cu o afirmaie (DA , 1) sau o infirmaie (NU, 0).Pentru uniti mai mari, cea mai important este octetul, obinut din gruparea a 2 8 bii. Octetul reprezint unitatea cea mai folosit pentru caracterizarea dimensiunii blocurilor de memorie. Dac aceast dimensiune este mare, se pot folosi multiplii acestuia:Kilooctet 210 bii Megaoctet 220 bii 210 KBGigaoctet 230 bii 210 MB 220 KBUn cuvnt este un grup de bii ce desemneaz cantitatea maxim de informaie ce poate fi transferat la un moment dat de un dispozitiv numeric. Cuvntul este materializat prin ci paralele de comunicaie a informaiei numite magistrale. Numrul de bii al unui cuvnt constituie lungimea sa. Lungimea unui cuvnt este una dintre caracteristicile cele mai importante ale unui microprocesor, deoarece hotrte precizia datelor i viteza de prelucrare a acestora.

Algoritmi , programe i limbaj main

Fiind dat o problem pentru rezolvarea acesteia trebuie gsit o metod adecvat algoritmul. Un algritm este o secven de operaii, grupate ntr-o succesiune de etape (pai) ce permit rezolvarea problemelor specificate. Pentru a fi neles de microprocesor, algoritmul trebuie prezentat ntr-un limbaj adecvat, limbaj care const ntr-un set de simboluri i reguli de sintax foarte bine precizate. Materializarea algoritmului cu ajutorul unui limbaj se face ntr-un program ce const ntr-o succesiune de operaii elementare instruciuni.La nivelul cel mai de jos, instruciunile programului se prezint ca iruri de bii ce pot fi transformate cu uurin n impulsuri electrice, dar care sunt foarte greu de manevrat de ctre programator. Acest limbaj, singurul neles de procesor este numit limbaj main. Din acest motiv, au fost create programe speciale, care permit utilizarea unor limbaje mai apropiate de cel uman (limbaj de asamblare).Ulterior au fost create o multitudine de limbaje (BASIC, FORTRAN, C etc) , numite de nivel ridicat, a cror scop a fost gsirea unei modaliti ct mai accesibile de a programa un microprocesor.

Logic cablat i logic programat

Logica cablat presupune un automat de control n care secvena de semnale de sincronizare/coordonare sunt elaborate pe baza unei scheme fixe (de obicei cu pori i bistabile interconectate convenabil), imposibil de modificat.Logica programat se bazeaz pe un automat de control flexibil, capabil s genereze semnale de sincronizare/coordonare, pe baza unui program executat de microprocesor. Majoritatea aparaturii moderne utilizeaz logic programat. Prin simpla modificare a programului, ntreaga funcionare a aparatului se poate schimba. Puterea de calcul i viteza de lucru a microprocesorului

Prin putere de calcul se nelege mai ales capabilitatea de prelucrare numeric a acestuia i este determinat de lungimea cuvntului, de arhitectura intern i viteza de execuie a instruciunilor.Viteza microprocesorului este condiionat de 2 factori: -Frecvena ceasului un tact mai rapid determin un procesor s execute un program mult mai rapid; -Arhitectura intern permite creterea vitezei de lucru (meninnd frecvena ceasului neschimbat) pe baza trecerii de la execuia strict secvenial a operaiilor, la execuia lor paralel, ntr-un mod transparent pentru utilizator, folosind tehnici ca: utilizarea memoriilor CACHE, creterea numrului de magistrale interne ale unitilor de prelucrare, succesiune pipeline (suprapunerea parial a operaiilor). -Viteza de execuie a instruciunilor este dificil de msurat direct. Se definete de obicei ca durata de execuie a unor instruciuni foarte des folosite sau ca numr mediu de instruciuni executate ntr-o secund. -Setul de instruciuni - condiioneaz indirect viteza de calcul. Cu ct modul de codificare a instruciunilor este mai simplu i secvena microoperaiilor este mai rapid, cu att microprocesorul va avea o vitez de lucru mai mare. Microprocesoarele cu set complet de instruciuni (CISC) consum un timp relative ridicat pe instruciune, dar compenseaz acest lucru printr-o gam divers de instruciuni.Spre deosebire de ele, microprocesoarele cu set redus de instruciuni (RISC) sunt optimizate astfel nct instruciunile s fie executate foarte rapid, chiar mai multe ntr-un singur tact main .

Arhitectura intern a unui microprocessor

Ca orice unitate central a unui sistem de calcul, microprocesorul conine urmtoarele componente principale:- unitatea de control CPU ;- unitatea logico-aritmetic ALU;- registre interne;Acestea comunic ntre ele prin ci de transfer informaiei numite magistrale, ce leag ntre ele mai multe dispozitive, dar la un moment dat doar dou dispozitive pot schimba informaie: sursa i destinaia. Coordonarea transferurilor pe magistral se face de ctre un dispozitiv master, cele subordonate fiind slave. Microprocesorul posed i o magistral intern, legat printr-o interfa la magistrala extern.Structura intern a unui microprocesor generic este urmtoatea:

PS CLK Gen IR PC SP Inst DCD CPU BIADDBUSDATABUS REG DCD R2 R1 R4 R3BXTMPACCALUCMDBUSCuartzINTReset

Sarcina tehnic

Proiectul dat din punct de vedere a prtii sale electronice, va fi realizat n baza microcontrolerului Atmega16, scopul principal fiind realizarea unui sistem de achitare electronic n transport public. La realizarea proiectului voi utiliza mediul de proiectare AVR-Studio pentru elaborarea si compilarea programului microcontrolerului. Pentru simularea circuitului voi folosi pachetul de programe pentru simulare Proteus i schema electrica va fi realizat n Eagle. Structura i principiul de funcionarea al microcontroleruluiATmega 16 este un microcontroler CMOS de 8 bii de mic putere bazat pe arhitectura RISC AVR imbunataita. Dispune de un set de 131 instruciuni i 32 de regitri de uz general. Cele 32 de registre sunt direct adresabile de Unitatea Logica Aritmetica (ALU), permind accesarea a doua registre independente intr-o singura instruciune. Se obine astfel o eficiena sporita in execuie (de pana la zece ori mai rapide decat microcontrorelerele convenionale CISC).ATmega16 este un microcontroler RISC pe 8 bii realizat de firma Atmel. Caracteristicile principale ale acestuia sunt:

-16KB de memorie Flash reinscriptibil pentru stocarea programelor-1KB de memorie RAM-512B de memorie EEPROM-dou numrtoare/temporizatoare de 8 bii-un numrtor/temporizator de 16 bii-conine un convertor analog digital de 10 biti, cu intrri multiple-conine un comparator analogic-conine un modul USART pentru comunicaie serial (port serial)-dispune de un cronometru cu oscilator intern-ofer 32 de linii I/O organizate n patru porturi (PA, PB, PC, PD).Structura intern general a controlerului este prezentat n Figura 1. Se poate observa c exist o magistral general de date la care sunt conectate mai multe module:-unitatea aritmetic i logic (ALU)-registrele generale-memoria RAM i memoria EEPROM-liniile de intrare (porturile I/O Lines) i celelalte blocuri de intrare/ieire. Aceste ultime module sunt controlate de un set special de registre, fiecare modul avnd asociat un numr de registre specifice.Structura interna a microprocesorului poate se poate vedea in fig.1.Port A (PA7 .. PA0)Port-ul A servete drept port de intrri analogice pentru Convertorul A/D.Port-ul A serveste de asemenea i ca un port bidirecional I/O de 8 bii,n cazul n care Convertorul A/D nu este folosit. Pinii de port pot fi conectai opional la VCC prin rezistori interni, (selectai pentru fiecare bit). Buffer-ele de ieire ale Portului A au caracteristici de amplificare .

Port B (PB7.. PB0)Portul B este un port I/O de 8 bii bidirecional cu rezistori interni (opionali).Buffer-ele de ieire ale Port-ului B au caracteristici de amplificare.Port-ul B indeplinete de asemenea funcii speciale ale microcontrolerului ATmega 16

Port C (PC7PC0)Portul C este un port I/O de 8 bti bidirecional cu rezistori interni (opionali).Buffer-ele de ieire ale Port-ului C au caracteristici de amplificare.Daca interfaa JTAG (de depanare) este activat, rezistorii pinilor PC5(TDI), PC3(TMS) si PC2(TCK) vor fi activai, chiar daca are loc o resetare.Port-ul C indeplinete de asemenea funcii ale interfeei JTAG i alte funcii speciale ale ATmega 16.

Fig. 1: Structura interna a microprocesorului ATmega16

Port D (PD7PD0) Portul D este un port I/O de 8 bii bidirecional cu rezistori interni conectai optional la VCC (selectai pentru fiecare bit). Buffer-ele de output ale Port-ului D au caracteristici de amplificare.Port-ul D indeplinete de asemenea funcii speciale ale ATmega 16.

Reset Un nivel sczut la acest pin mai mare ca durat decat o valoare prestabilit, va genera o iniializare.XTAL 1: Intrare pentru amplificatorul inversor al Oscilatorului;XTAL 2: Ieire pentru amplificatorul inversor al Oscilatorului.AVCC: AVCC este pin de alimentare pentru Port-ul A si Convertorului A/D. Trebuie conectat extern la Vcc, chiar dac ADC nu este folosit. Daca ADC este folosit , ar trebui conectat la Vcc printr-un filtru trece -jos.AREF :AREF este pinul de referina analogica pentru Convertorul A/D

Figura 2 ne prezint n paralel o instruciune provocat i instruciunea de execuie permis de arhitectura Harward i accesul rapid la regitrele fiier. Acesta este conceptul de baz pentru a obine mai mult de 1 MIPS /MHz i cele mai bune rezultate din punct de vedere funciuni/cost , funciuni/timp i funciuni/unitate.

Fig.2: Instruciuni paralele de executie

Figura 3 ne arat timpul de registriu. ntr-un singur ciclu de ceas o operaie ALU folosete 2 registre pentru a executa calculul respectiv. Iar rezultatul este stocat napoi n registrul de destinaie .

Fig.3: Operaii ALU ntr-un singur ciclu de ceas

Toate porturile AVR , utilizate ca porturi digitale I/O ndeplinesc funciile de citire/scriere i pot fi modificate.Cu instruciunile SBI i CBS direcia unui port-pin poate fi schimbat fr ca acest lucru s afecteze ceilali pini. Aceste caracteristici se pstreaz i n cazul modificrii valorii de driver(dac este configurat ca o ieire) sau de activare/dezactivare dac rezistorii sunt dezactivai(dac este configurat ca o intrare). Fiecare buffer de ieire are caracteristici de drive simetrice cu ambele capaciti ale sursei. Pinul driver-ului are suficient putere pentru o afiare direct.Toi pinii porturilor au fiecare rezistori de pull-up selectabili cu rezerve de putere. Toi pinii I/O au diode de protecie la ambele surse de curent digitale si mpmntare.

Fig.4: Schema echivalent a pinilor I/O

Proiectarea sistemului de achizitie a datelorMicroprocesorul ATmega16 are incorporat 8 convertoare analog-digitale (ADC) cu rezolutia de 10 biti.Schema bloc a convertorului este aratata in figura 6, iar diagrama temporala a convertorului este prezentata in figura 5.

Fig.5: Diagrama temporala a convertorului analog-numericPentru ca convertorul sa poate functiona este necesar sa alimental pin-ul AREF, sau AVCC cu o tensiune de referinta, aceasta poate fi efectuata de la o sursa stabilizata de tensiune si eventual filtrate cu ajutorulul unui filtru trece-jos LC.Valoare adc-ului este calculata conforma urmatoarei formule: Din formula de mai sus putem deduce o formula pentru calculul tensiunii de intrare VIN.Adc-ul are o eroare de neliniaritate de 0.5 LSB, iar acuratetea medie este de 2 LSB.Limita tensiunii de intrare este data de tensiunea de alimentare a microcontrollerului, adica maxim 5v.

Fig.6: Schema bloc a modulului de conversie ADCTehnologia RFID i implementarea cu microporcesorul Atmega 16

Tehnologia RFID este folosit de noi n zilele noastre zi cu zi. Cele mai cunoscute exemple se pot ntlni n coli, birouri sau la sisteme de deschidere automat a uilor. RFID conine dou pri, i anume tag-ul i modemul receptor. Cnd o etichet RFID vine n intervalul de receptor, eticheta este activat i transmite codul unic de identificare a modulului receptor.Ieirea receptorului RFID este ID-ul unic, fie serial (RS232) sau formatul Wiegand. Cele mai multe dintre receptoare sunt echipate cu hardware suplimentar pentru a trimite codul extras n formatul de mai sus, care pot fi apoi utilizate de ctre procesoarele de semnal digital. Acest proiect prezint interfee de ATMEGA16 cu RFID.Modulul RFID utilizat aici ofera un ID unic de 12 octeti de o anumit etichet n format nivel de logica RS232 serial. Prin urmare, un MAX232 convertor de nivel este utilizat n modul receptor ntre RFID i microcontroler. Conexiunile de modul RFID i ATMEGA16 sunt prezentate circuitul diagrama.PIN-ul la sol de MAX232 i ieire de serie a modulului RFID se fac comune. O conexiune cruce de cablu este configurat ntre modulul RFID i MAX232 prin conectarea transmitorului dat de una la PIN-ul receptor de cellalt i invers aa cum se arat n diagrama circuitului.Pin 2 of max 232Pin 3 of RFID modem

Pin 3 of max 232Pin 2 of RFID modem

Pin 5 ground pin of max 232Pin 5 ground of RFID modem

Pentru a nelege codul RFID care este interfaat cu ATMEGA16, trebuie s aib cunotine de baz de comunicare de serie i LCD. Datele seriale de la modulul RFID pot fi luate de ctre microcontroler fie de votare sau prin utilizarea conceptelor de ntrerupere de serie.Aceast tez de an exploreaz interfaa pentru modul RFID cu microcontroler AVR (ATMEGA16), folosind tehnica de votare. Codul descris aici continu monitorizarea de intrare de serie pn cnd primete toate cei 12 octei de la modulul RFID.Primirea datelor de ntrerupere de serie 12 bii prin metoda de votare:Paii pentru a primi date serial 12 octei1. Iniializarea USART n modul de citire. 2. Ia un ir de 12 octei.

void getcard_id(void) // Function to get 12 byte ID no. from rfid card{ for(i=0;i