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  1. CONTENU DU COURS GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  2. Partie C − Concepts matériels C.1 Configurations matérielles du 68HC12: • architecture du système, mémoire, et ports d’e/s C.2 Gestion d’exceptions: • réponses aux remises-à-zéro et aux interruptions avec le 68HC12 • vecteur et priorité d’exceptions, et routines de service d’interruption C.3 Module de temporisation: • module de temporisation standard du 68HC12 • saisie des entrées et comparaison de sorties C.4 Convertisseurs analogique-numérique: • processus de conversion • système de conversion du 68HC12 C.5Interfaces de communications sérielles: • communications sérielles avec un microcontrôleur • interfaces sérielles multiples du 68HC12: SCI et SPI GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  3. Sommaire de la section C.4 C.4 Convertisseur analogique-numérique: • Concepts fondamentaux: • interface du transducteur • processus de conversion N-A et A-N • techniques standard de conversion • Module ATD du 68HC12: • description d’opération du système • registres et configurations • programmation du ATD GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  4. C.4(1) Concepts fondamentaux • Rôle du convertisseur: traduire un signal analogique en un {codes binaires}, avec: • l’échantillonnage: le signal analogique est échantillonné à intervalle périodique ou apériodique. • l’encodage: un code binaire, signé ou non, est attribué à chacune des valeurs échantillonnées • Exemple: signal analogique provenant d’un senseur IR GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  5. C.4(1) Concepts fondamentaux a. Interfaces de transducteurs • Processus de conversion de variables physiques (e.g., lumière, température, vitesse, etc.) en représentation numérique valeur physique→ voltage analogique → valeur numérisée (binaire) • conversion A: effectuée par un transducteur (e.g., senseur) • conversion B: effectuée par un convertisseur A-N, mais une autre interface de transducteur au microcontrôleur est souvent nécessaire A B GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  6. C.4(1) Concepts fondamentaux a. Interfaces de transducteurs • Avant une conversion A-N, la sortie d’un transducteur doit être conditionnée telle que: • la plage totalde conversion du convertisseur A-N, FS = VRL→ VRH, soit remplie pour que la résolutionde représentation soit maximisée. • Implique deux opérations analogiques: • décalage (bias): permetd’ajuster VRL (voltage de référence bas) • remise à l’échelle: permet d’ajuster VRH (voltage de référence haut) GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  7. C.4(1) Concepts fondamentaux a. Interfaces de transducteurs GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  8. C.4(1) Concepts fondamentaux • Interfaces de transducteurs • Conditionnement: Vsortie = Ventrée · K + B avec les bornes: V2max(out) = V2max(in) · K + B (1) V1min(out) = V1min(in)· K + B (2) V2min(in) V2max(out) V1min(in) V1min(out) GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  9. C.4(1) Concepts fondamentaux b. Processus de conversion A-N • conversion≡traduire un signal analogique en un {codes binaires}, par un processus en 2 phases: • l’échantillonnage: un voltage dans la plage de conversion du convertisseur A-N est mesuré à certaines intervalles • l’encodage: un code binaire est attribué à chaque voltage échantillonné • Caractéristiques distinctifs de convertisseurs A-N: • nombre de bits aux codes binaires: généralement 8-24 bits • précision: l’erreur absolue du processus de conversion • taux de traitement de données: le nombre d’échantillons par seconde GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  10. C.4(1) Concepts fondamentaux b. Processus de conversion A-N • Échantillonnage: mesurer un voltage à un intervalle régulier ou non Ts afin de représenter le signal analogique GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  11. C.4(1) Concepts fondamentaux b. Processus de conversion A-N • Taux d’échantillonnage minimum: • critère de Nyquist: ondoit échantillonner un signal analogique avec une fréquence fs qui est plus de 2 fois le contenu fréquentielle maximum fmax du signal: fs ˃ 2 fmax • donne le temps minimum entre 2 échantillons: Ts = 1/fs • problème d’alias: si fs ≤ 2 fmax • la translation de composantes indésirables de hautes fréquences en basses fréquences GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  12. C.4(1) Concepts fondamentaux b. Processus de conversion A-N • Encodage: attribué un code binaire non signé à chaque voltage analogique échantillonné GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  13. C.4(1) Concepts fondamentaux b. Processus de conversion A-N • b: nombre de bits utilisés par le convertisseur A-N pour encoder les échantillons • Quantification (n): nombre de niveaux discrets, entre VRHet VRL, sur lequel le signal analogique est divisé • n = (2bniveaux –1) • Résolution (ΔV): la plage de voltage par niveau discret • ΔV = (VRH – VRL)/n = (VRH – VRL)/ (2b–1) volts/niveau GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  14. C.4(1) Concepts fondamentaux b. Processus de conversion A-N • Taux de traitement moyen de données (d): le nombre total de bits générés par seconde • d = fsb bps (bits/sec) GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  15. C.4(1) Concepts fondamentaux b. Processus de conversion A-N • le processus de conversion consiste à: • échantillonner le signal analogique périodiquement ou non • encoder chaque échantillon en code binaire GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  16. C.4(1) Concepts fondamentaux c. Techniques de conversion • Circuit ‘sample-and-hold’:échantillonnage • fonction: prendre un échantillon stable du signal analogique s(t) et le retenir pour conversion • mise en oeuvre: • ‘sample’:commutateur fermé– charge le condensateur selon s(t) • ‘hold’:commutateur ouvert– déconnecter le condensateur de l’entrée pour conserver un échantillon VIN sur le noeud interne GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  17. C.4(1) Concepts fondamentaux c. Techniques de conversion N-A • Méthodes standards de conversion N-A • méthode par PWM • méthode basée sur un sommateur • méthode sérielle (SPI) basée sur un sommateur • méthode basée sur l’échelon (R-2R) GPA770: Microélectronique appliquée

  18. C.4(1) Concepts fondamentaux c. Techniques de conversion N-A méthode par PWM GPA770: Microélectronique appliquée

  19. C.4(1) Concepts fondamentaux c. Techniques de conversion N-A méthode basée sur le sommateur GPA770: Microélectronique appliquée

  20. C.4(1) Concepts fondamentaux c. Techniques de conversion N-A méthode sérielle avec sommateur Sortie B Sortie A GPA770: Microélectronique appliquée

  21. C.4(1) Concepts fondamentaux GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  22. C.4(1) Concepts fondamentaux c. Techniques de conversion N-A méthode basée sur l’échelon R-2R GPA770: Microélectronique appliquée

  23. C.4(1) Concepts fondamentaux c. Techniques de conversion A-N • Méthodes standards de conversion A-N • méthode basée sur l’intégration • méthode de type compteur (rampe) • méthode par approximation successive • méthode parallèle GPA770: Microélectronique appliquée

  24. C.4(1) Concepts fondamentaux c. Techniques de conversion A-N Méthode par intégration: Vin GPA770: Microélectronique appliquée

  25. C.4(1) Concepts fondamentaux c. Techniques de conversion A-N méthode de type compteur (rampe) GPA770: Microélectronique appliquée

  26. C.4(1) Concepts fondamentaux c. Techniques de conversion • Méthode par approximation successive: • Initialiserla plage des voltages FS(b) = VRH – VRL • Pour i = bit b→ bit 1 du SAR: • approximer le voltage Vappr(i) = FS(i) / 2, aumi-point dans la plage des voltages FS(i) • si VIN≤Vappr(i)→ FS(i-1) = moitié inférieure de FS(i) • si VIN>Vappr(i)→ FS(i-1) = moitié supérieure de FS(i) • comparerVIN et Vappr(i) pour assigner un bit au SAR • si VIN≤Vappr(i)→ SAR(i-1) = ‘0’ • si VIN>Vappr(i)→ SAR(i-1) = ‘1’ GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  27. C.4(1) Concepts fondamentaux c. Techniques de conversion • Méthode par approximation successive: (suite) GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  28. C.4(1) Concepts fondamentaux c. Techniques de conversion • Méthode par approximation successive: (suite) GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  29. C.4(1) Concepts fondamentaux c. Techniques de conversion • Exemple: choisir un voltage entre 0V et 4V, puis représenter avec un code binaire à 4 bits GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  30. C.4(1) Concepts fondamentaux c. Techniques de conversion • Exemple: choisir un voltage entre 0V et 5V, puis représenter avec un code binaire à 4 bits GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  31. C.4(1) Concepts fondamentaux c. Techniques de conversion • Méthode parallèle (3 bits): • compare simultanément VIN à plusieurs voltages de référence • un convertisseur à b bits utilise 2b – 1 comparateurs • donne une conversion très rapide, mais coûteuse GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  32. Sommaire de la section C.4 C.4 Convertisseur analogique-numérique: • Concepts fondamentaux: • interface du transducteur • processus de conversion A-N • techniques standard de conversion • Module ATD du 68HCS12: • description d’opération du système • registres et configurations • programmation du ATD GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  33. C.4(2) Convertisseur du 68HC12 • Rôle des types de sous-systèmes dans le 68HC12: • CPU12:unité de traitement central • gestion d’exceptions: interrompre l’exécution normal d’un programme • Bus: le module LIM combine DATA, ADDR et CTRL • Mémoire: stocker des configurations (bloc), des variables (RAM) , des programmes (ROM) et des vecteurs • Périphériques d’entrée/sortie: • ports d’entrée/sortie: échanger des données avec le monde externe • temporisation: capter des entrées, générer des sorties, accumuler des impulsions, PWM • conversion de données: convertir un signal analogique en codes binaires non-signés • communication sérielle: échanger de données par communications asynchrones (SCI) et synchrones (SPI) GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  34. C.4(2) Convertisseur du 68HC12 MC9S12C32 GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  35. C.4(2) Convertisseur du 68HC12 A/N GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  36. C.4(2) Convertisseur du 68HC12 • Sous-système de conversion A-N du 68HC12: GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  37. C.4(2) Convertisseur du 68HC12 • Fonctionnement du module ATD: • dessert 8 canaux d’entrée/sortie individuels: • vue interne:PORTAD (adresse $008F) est associé aux 8 canaux • vue externe: broches PAD[7:0] sont associées aux 8 canaux • les échantillons de signaux analogiques aux 8 canaux sont transmis à travers d’un MUX 8:1 • on peut effectuer n conversions successives d’un seul canal, ou bien une conversion sur m canaux en succession. • permet l’échantillonnage de 10 bits en 7 µsec si le ATD clk = 2MHz. GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  38. C.4(2) Convertisseur du 68HC12 • Fonctionnement du sous-système: (suite) • le convertisseur A-N par approximations successives traite un échantillon à la fois • départ: une séquence de n conversions est initiée en écrivant au registre de contrôle • fin: les drapeaux appropriés sont fixés au registre d’état et les résultats sont disponibles dans un registre des résultats GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  39. VRH 1/2FS 1/4FS 1/8FS VRL $FF $00 C.4(2) Convertisseur du 68HC12 • Conversion par approximation successive: • chaque échantillon du signal analogique → code binaire signé/non-signée justifié à gauche ou non et pondéré, avec 8 ou 10 bits de résolution • précision de ± 1 du LSb GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  40. C.4(2) Convertisseur du 68HC12 • Registres pertinents: • [$0082 - $0085] ATDCTL2-5: registres de contrôle • configurent la séquence de conversion pour des opérations spécifiques • [$0086 / $008B] ATDSTAT0/ATDSTAT1: registres d’états • deux registres de 8 bits qui contiennent les drapeaux du convertisseur • [$008F] PORTAD: registre de port ATD • un port associé aux entrées ATD • [$0090 - $009F] ATDDR0H-ATDDR7H: 8 registres de résultats de16 bits • contiennent les résultats binaires après la conversion GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  41. C.4(2) Convertisseur du 68HC12 • [$0082] ATDCTL2- registre de contrôle 2: • pour l’activation et la configuration de base • ADPU(‘ATD Power Up’): activation du convertisseur • ‘1’ = activer le ATD – suite à l’activation, on doit attendre une période d’initialisation d’au moins 100µsec avant d’utiliser le convertisseur A-N • ‘0’ = désactiver (toutes conversions sont abandonnées) GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  42. C.4(2) Convertisseur du 68HC12 • [$0082] ATDCTL2- registre de contrôle 2: • AFFC (‘ATD Fast Flag Clear All’):RAZ rapide des drapeaux SCF et CCFn dans le registre ATDSTAT0 et ATDSTAT1 • ‘0’:normale – processus en 2 étapes (spécialisé pour le mode ‘polling’) • ‘1’:rapide – se fait automatiquement lorsqu’on lit un résultat des registres ATDDRn (spécialisé pour le mode INT) GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  43. C.4(2) Convertisseur du 68HC12 • [$0082] ATDCTL2- registre de contrôle 2: • AWAI(‘ATD Stop in Wait Mode’): opération s’éteint si le 68HCS12 est en mode ‘wait’ • ‘0’: ATD continue d’opérer si en mode ‘wait’ • ‘1’: ATD cesse d’opérer pour consommer moins de puissance • ASCIE(‘ATD Sequence Complete InterruptEnable’): • ‘0’: masquer l’interruption du convertisseur • ‘1’:permet l’interruption (quand une séquence de conversion est complétée, c.-à-d., quand ASCIF = 1) • ASCIF(‘ATD Sequence Complete Interrupt Flag’): • un drapeau qui s’active quand une séquence de conversion est complétée (il y a aussi une INT si ASCIE = 1) GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  44. C.4(2) Convertisseur du 68HC12 • [$0083] ATDCTL3- registre de contrôle 3: • permet de contrôler le nombre de conversions par séquence GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  45. C.4(2) Convertisseur du 68HC12 • [$0084] ATDCTL4- registre de contrôle 4: • permet de contrôler l’échantillonnage, la résolution et le temps du S/H pour une séquence de conversion GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  46. C.4(2) Convertisseur du 68HC12 • [$0084] ATDCTL4- registre de contrôle 4: • PRS[4:0](‘Select ATD Clock Prescaler’): indique le facteur d’échelle pour division de PCLK fATD = fBCLK / {2 · (PRS[4:0]+1)10} GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  47. C.4(2) Convertisseur du 68HC12 • [$0084] ATDCTL4- registre de contrôle 4: • SMP[1:0](‘Select Sample Time’): • indique le nombre de périodes de l’horloge ATD pour effectuer un échantillonnage • dans le calcul de la fréquence d’échantillonnage fech GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  48. C.4(2) Convertisseur du 68HC12 • [$0084] ATDCTL4- registre de contrôle 4: • SRES8 (‘A/D Resolution Select’): • 0 10-bits résolution • 1 8-bits résolution GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  49. C.4(2) Convertisseur du 68HC12 • [$0085] ATDCTL5- registre de contrôle 5: pour configurer le mode de conversion utilisé (gâchette) • DJM: ‘Result Register Data Justification’Justification à droite ou à gauche • ‘0’: Justification à gauche • ‘1’: Justification à droite • DSGN: ‘Result Register Data Signed or Unsigned’ • ‘0’: Non signé • ‘1’: Signé GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger

  50. C.4(2) Convertisseur du 68HC12 • [$0085] ATDCTL5- registre de contrôle 5: • SCAN: activer la conversion par balayage continu • ‘0’: effectue une séquence de conversion • ‘1’: effectue continuellement des séquences • MULT: active le mode de conversion pour de multiples canaux • ‘0’: échantillonnage d’un canal individuel • ‘1’: échantillonnage de canaux multiples • CC,CB,CA: sélection du canal de départ GPA770: Microélectronique appliquée Éric Granger