Mikrodatamatsystemer Projektperiode: Fra d. 4/ til 30/ Gruppe E 441, Aalborg Universitet Esbjerg Medlemmer: Jakob Marmolin

Transkript

1 Titelblad Titel: Mikroprocessorstyret laserlysshow Tema: Mikrodatamatsystemer Projektperiode: Fra d. 4/ til 30/ Udarbejdet af: Gruppe E 441, Aalborg Universitet Esbjerg Medlemmer: Agnar Nygaard Tommy Harder Mikkelsen Jakob Marmolin Thomas P. B. Lorenzen Kristian Lymann Iversen Michal Kostrzewski Mikael Køhler Resume: This project deals with the construction of a laser lightshow. The basis of the project is the E-sectors curriculum for the 4th semester. Emphasis lies upon the construction, programming and understanding of microdata systems. The idea of the system is that it should be able to draw figures with a laserbeam that is controlled by 2 mirrors thus guiding the beam around on a screen. The whole system is built up around a microprocessor whose task it is to guide the steering of the galvosystem. In addition to this the system consists of a user interface on a computer from where the laser lightshow can be controlled. The complete system can depict figures on a screen, animate figures and has a pointer function. The system can depict figures on a screen 5 meters away. Vejleder: Henrik Rasmussen Oplag: 10 Sideantal: 167 Forsidebillede: Prototype af laserlysshow Synopsis: Dette projekt omhandler konstruktion af et laserlysshow. Udgangspunktet er taget i E- sektorens studieordning for 4 semester, hvor der er lagt vægt på konstruktion og programmering samt forståelse af mikrodatamatsystemer. Ideen med laserlysshowet er at dette skal kunne tegne figurer med en laserstråle, der er styret af 2 spejle, således at strålen bliver ført rundt på et lærred. Hele systemet er opbygget omkring en mikroprocessor, der har til opgave at sørge for styring af systemet. Herudover består systemet også af en brugerflade på en PC, hvorfra laserlysshowet kan styres. Det færdige systemet kan afbillede figurer på et lærred, animere figurer og anvende en pegepindsfunktion. Systemet kan afbillede figurer på et lærred 5 meter væk. Side 1

2 Forord Denne rapport er udarbejdet som dokumentation for P4-projektet: Mikroprocessorstyret Laserlysshow på 4. semester, Aalborg Universitet Esbjerg, i perioden 04/ / Formålet med rapporten er, at sætte gruppen i stand til at anvende den teori og de værktøjer, som gruppen har lært gennem PE- og SE-kurserne. Disse sætter gruppen i stand til at dimensionere, opbygge og programmere en Single Board Computer (SBC), således at den overordnede uddannelsesmålsætning for 4. semester elektronik opfyldes. Henvisninger til litteraturlisten markeres med (1), (2), (3), (4). Henvises der til bestemte sider, fremgår dette som: (1, s. 27), (2, s. 50) eller med sideangivelse i litteraturlisten. Henvisning til fodnoter markeres med A, B, C, D. Den vedlagte CD indeholder: Rapporten. Bilag til rapporten. PC program til styring af lysshow. Kildekoden til PC program og SBC software. Billeder af forsøgsopstillinger. Målgruppen for rapporten er medstuderende på Aalborg Universitet, samt andre med interesse i emnet. På denne baggrund håber vi at rapporten vil indeholde mange timers spændene læsning. I forbindelse med udarbejdelsen af rapporten vil vi gerne takke Anders Christensen for hjælp til Figur 4 og Ernest Claus Sprinkel for korrekturlæsning af resumeet. God læsning Gruppe E441 Esbjerg d. 30 maj 2002 Side 2

3 Indholdsfortegnelse 1 INDLEDNING LASERLYS GALVOSYSTEMET Et spejl To spejle To roterende spejle Delkonklusion på galvosystemet OPLØSNING I KOORDINATSYSTEM STYRING AF SPEJLE Stepmotorer Højtalermembran Delkonklusion på styring af spejle STYRING AF GALVOSYSTEMET Hardware Software DELKONKLUSION Afgrænsning Problemformulering Kravspecifikation GALVOSYSTEMET SPEJLOPSTILLINGEN FORSØG OG MÅLINGER Delkonklusion HARDWARE INPUT OG OUTPUT SINGLE CHIP COMPUTER (SCC) Mikroprocessor 80C196KB Clocksignal Resetkredsløb Minimumskonfiguration Test af CLKOUT, ALE og RD Timinganalyse for SCC en I/O porte Test af I/O PORT ADRESSERING Erasable Programmable Read- Only Memory Random Acess Memory Latch DELKONKLUSION INTERFACE SERIEL INTERFACE GALVO INTERFACE D/A konverter Timinganalyse for galvo interface Strømforstærker Overføringsfunktioner for galvosystemet Driver til galvosystem LASERINTERFACE Driver til laser Side 3

4 4.4 DELKONKLUSION SOFTWARE SBC SOFTWARE Hovedprogram Kommunikation med PC Styringssoftware til SBC SOFTWARE TIL SERIELKOMMUNIKATION PC SOFTWARE Underliggende procedure Konvertering De enkelte procedurer DELKONKLUSION SYSTEMTEST MODULTEST Brugerflade SBC HARDWARETEST Serielforbindelse Laser Galvosystem ACCEPTTEST Tegning af figurer Serielforbindelse Figuranimation Betjening af galvosystem Visning af valgt figur Laser til origo Pegepind Test af præcision STRESS-TEST Test Test Test Test DELKONKLUSION KONKLUSION STUDIEORDNINGEN OPSUMMERING AF DELKONKLUSIONER OPNÅEDE RESULTATER I FORHOLD TIL KRAVSPECIFIKATIONEN ÆNDRINGER OG PRODUKTMODNING APPENDIKS TIL KAPITEL 2 - GALVOSYSTEM MÅLINGER PÅ GALVOSYSTEMET UDEN DRIVERTRIN Bestemmelses af grænsefrekvenser og vandring Bestemmelse af vandring for jævnspænding Bestemmelse af vandring for vekselspænding Konklusion APPENDIKS TIL KAPITEL 4 - INTERFACE MÅLINGER PÅ D/A KONVERTERNE MED BELASTNING Konklusion OVERFØRINGSFUNKTION FOR BIPOLART KREDSLØB DIMMENSIONERING AF BIAS KREDSLØB DIMMENSIONERING AF SPÆNDINGSBEGRÆNSER DIMENSIONERING AF DRIVERTRIN TIL LYSDIODE Side 4

5 MÅLINGER PÅ GALVOSYSTEMET MED DRIVERTRIN Konklusion APPENDIKS TIL KAPITEL 5 SOFTWARE MODULOVERSIGT FOR SOFTWARE KOMMANDOLISTE BASICLIB CSTARTUP.S RAM.XCL ARRAY_KONSTANTER.C BRUGERFLADEPROGRAMMER Unit1.ccp Send.ccp Konvertering.ccp SBC PROGRAMMER SBC.c Kommunikation.h Kommunikation.c Styring.h Styring.c HEADERFILER APPENDIKS SBC DIAGRAM KOMPONENTLISTE KREDSLØBSDIAGRAM KILDEKRITIK LITTERATURLISTE Side 5

6

7 Indledning 1 Indledning Dette kapitel vil indeholde en let indføring i laserlys og en analyse af grundprincipperne for opbygning af et galvosystem A, implementering af hardware og konstruktion af tilhørende software. Med henblik på at kunne afgrænse emnet, opstille en problemformulering og fremkomme med de indledende kravspecifikationer til systemet. Udfra temaet på 4. semester vælges det at opbygge en prototype af et laserlysshow. Hele systemet ønskes automatiseret med henblik på en maksimalt præcision samt minimal overvågning og vedligeholdelse af laserlysshowet. Denne problemstilling kan løses vha. implementering af et mikrodatamatsystem til styring. Dette sammen med andre anvendelser af laserlyset har dannet grundlag for projektets initierende problem, som er formuleret således: Kan der udarbejdes et processorstyret laserlysshow, ved hjælp af et galvosystem? 1.1 Laserlys I 1958 publicerede Arthur L. Schawlow og Charles H. Townes de første tekniske studier omhandlende laserens principper. Siden da har laserteknologien været et hjælpsomt værktøj for det moderne samfund, og laseren kan i dag relateres til mange aspekter af vores liv. Lasere ses i dag både anvendt i underholdningsbranchen, til kommunikation, kirurgi og til forskning. De udgør en vigtig del af bl.a. scannere, laserprintere, samt CD afspillere. Laserens anvendelse findes også i materialeindustrien bl.a. til skæring og boring i metaller og andre materialer. Laserens størrelse kan variere fra meget små lasere, som f. eks halvlederlasere, med output på 1-5mW og helt op til highpower lasere, der kan have output på flere terawatt. (1) Udviklingen i laserteknologien har også gjort sin entré i showbusiness- og reklamebranchen. I dag er det blevet meget populært at lave såkaldte laserlysshow, der typisk kan findes på diskoteker og ved messer. Generelt anvendes der her lasere i milliwattklassen, for at beskytte tilskuernes øjne, men ved større arrangementer kan lasere med større output, som ved tegning af reklamer eller kunst på bygninger osv. benyttes. A Ved et galvosystem forstås en ophængt spejlkonstruktion til afbøjning af laserlyset. Side 7

8 Indledning Mikroprocessorstyret laserlysshow 1.2 Galvosystemet For at danne en 2D figur med en laserstråle, skal der designes et styrbart galvosystem, der er i stand til at reflektere laserlyset i forskellige vinkler. For at opnå denne refleksion, kan der benyttes én af tre principper: Laserstrålen reflekteres af et frit ophængt spejl, der kan roterer efter samme princip som f. eks et elektrisk-justerbar sidespejl til en bil. Laserstrålen reflekteres af to spejle, et horisontalt og et vertikalt. En figur opstår ved at tilte de to spejle individuelt. Laserstrålen reflekteres af to roterende spejle, som er skråt monteret på deres rotations akser, hvilket giver en cirkulær refleksion af laserstrålen. De tre konstruktioner kan igen løses på forskellige måder, hvilket vil blive gennemgået i det efterfølgende Et spejl Konstruktionen, hvor et spejl frit kan bevæge sig, er en velkendt løsning, kendt fra sidespejle på biler. Dette vil kræve, at spejlet monteres på en fastsiddende kugle i dets midte, samt at der monteres arme, der kan vippe spejlet horisontalt og vertikalt, se Figur 1. En måde at justere spejlets stilling på, kunne være ved at anvende to motorer, som henholdsvis bestemmer den horisontale og vertikale refleksion. En anden metode til at justere spejlet på, kunne være ved anvendelse af to spoler (eksempelvis højtalermembraner), som henholdsvis er tilkoblet den horisontale og den vertikale retning. Ved at justere på et analogt signal til højtalerne, kan spejlets vinkler kontrolleres. Figur 1: Principskitse af frit ophængt spejl To spejle Dette princip bygger på en opstilling med to spejle, hvor laserstrålen først reflekteres på spejl A, som vippes horisontalt. Dernæst reflekteres lyset fra spejl A på et tilsvarende spejl B, der vippes vertikalt. Systemet kan nu frembringe figurer ved, at de to spejle vippes uafhængigt af hinanden. Hvis spejl A holdes stille og spejl B bevæges mellem dets to yderpositioner, vil der fra systemet fremkomme en vandret streg se Figur 2. Måden hvorpå de to spejle skal styres, er enten ved brug af: Side 8

9 Indledning Stepmotorer, der enten direkte indstiller spejlets vinkel eller indirekte ved hjælp af en gearing, som vil kunne øge antallet af step, men som også mindsker hastigheden. PM-motorer (permanent magnetiseret), som f. eks anvendes i en harddisk, kan indstille spejlene i meget præcise vinkler og med en høj hastighed. Højtalerenheder kan, som tidligere nævnt, styres ved brug af et analogt signal. Højtalerenhedernes mekaniske egenskaber kan, ved at magnetens vandring i spolen styres analogt, anvendes til at styre vandringen på spejlene. Figur 2: Principskitse over to individuelle spejle To roterende spejle Når spejlene monteres for enden og på skrå af akslen, vil laserstrålen reflekteres som en cirkel. Den reflekterede cirkel vil så blive kastet over på det næste spejl, som så igen reflekterer en cirkel. Alt efter de to motorers rotationshastighed i forhold til hinanden, vil systemet danne forskellige figurer, se Figur 3. Til denne løsning kan der anvendes DC-motorer, som kan reguleres vha. deres styrespænding. Dette vil derfor medfører en billig løsning, dog vil systemet sætte en begrænsning på hvilke figurer, som kan dannes, hvilket er en stor ulempe. Figur 3: Principskitse over to roterende spejle Delkonklusion på galvosystemet Til konstruktion af et system, som kan tegne vilkårlige figurer, er løsningen med de to roterende spejle for kompliceret rent afbildningsmæssigt, da figuren begrænses af spejlets vinkel i forhold til motorernes aksel. Til gengæld kan både konstruktionen med et eller to Side 9

10 Indledning Mikroprocessorstyret laserlysshow spejle benyttes. Da det anses for den simpleste løsning at opbygge et system bestående af to spejle, vil denne løsningsmodel blive benyttet i projektet. Galvosystemet skal altså opbygges, så laserstråler rammer det første spejl i et fast punkt, som derefter kan reflekteres til det næste spejl i hele dets bredde. Udfra dette, er det muligt at fremstille en firkant. Se Figur 4. Figur 4: Principskitse for galvosystemet. Hvordan det endelige galvosystem skal styres, vurderes ud fra mulighederne i de enkelte styremodeller, under hensyntagen til krav om hastighed og præcision. Side 10

11 Indledning 1.3 Opløsning i koordinatsystem For at kunne tegne en valgt figur, skal systemet have et foruddefineret koordinatsystem. Disse figurer tegnes ved, at laserstrålen bevæges fra koordinatsæt til koordinatsæt. Præcisionen som systemet skal kunne tegne figurerne med, kan udtrykkes ved antallet af inddelinger i koordinatsystemets x- og y-retning. Inden denne præcision tages i betragtning, skal det vurderes hvor stor den tegnede figur skal være på den projekterede flade. Her fastsættes det, at figuren skal have en dimension på op til 1m 1m i en afstand af 5m fra galvosystemet, hvilket giver en spredningsvinkel fra laseren på i alt 11,4 Se Figur 5. Figur 5: Skitse over lasershowets rækkevidde. I en afstand på 5m fra galvosystemet, fastsættes en punktinddeling på på lærredet, da dette vil gøre systemet i stand til at tegne eksempelvis en cirkel i så stor opløsning at den opfattes som rund. Dette giver et koordinatsystem på felter (pixels), med en afstand imellem punkterne på 0,5cm. 1.4 Styring af spejle For at kunne bevæge de to spejle i 200 trin opdelt på kun 11,4 kræves der stor præcision. Dette kan løses ved tre modeller: PM- motorer fra en harddisk. Stepmotorer. Ved brug af vandringen fra en spole. PM- motorer kunne være en præcisionsmæssig god løsning. Dog er prisen i for hold til andre løsninger for høj, da prisen ligger fra 1400 kr. og opefter pr. motor. Derfor er en løsning med PM- motorer fravalgt. (2) De to resterende muligheder vil blive gennemgået i det følgende Stepmotorer Der kan benyttes stepmotorer med en meget fin inddeling, som kan regulerer spejlet i 200 step i intervallet 11,4. Dette betyder, at de skal kunne håndtere 0,057 pr. step. En stepmotor med en sådan præcision vil ikke være økonomisk rentabel, da priserne for en sådan løsning ligge fra 750kr. pr. motor, hvorfor denne løsning må udelukkes. (3) Side 11

12 Indledning Mikroprocessorstyret laserlysshow Højtalermembran Ved at placere en lille arm, med et påmonteret spejl, på en højtalermembran, kan spejlets bevægelser kontrolleres ved hjælp af signaler til højtaleren. Figur 6. (4) Figur 6: Højtaler med påmonteret spejl. Princippet i en højttalerenhed er reelt meget enkel. Denne består af følgende dele: Membran, magnet og en spole (se Figur 7). Membranen er fastgjort til et ophæng, og spolen er fastgjort til membranen. Rundt om spolen sidder den faste ringmagnet. (5) Når der sættes et signal til spolen, vil denne bevæge sig i forhold til magneten. Figur 7: Opbygningen af en højttalerenhed. Anvendelse af højtalerenheder er en billig løsning, da prisen ligger fra kr. 250 og præcisionen afhænger kun af, hvor præcis de analoge signal til spolen kan kontrolleres. Den bedste kontrol fås ved at anvende en højtalerspole med stor vandring, hvilket giver et større arbejdsområde. Dog kan højtalerspoler med stor vandring også have en anselig størrelse, hvilket betyder at spejlkonstruktionen optager betydelig plads. (6) Delkonklusion på styring af spejle Til styring af de to spejle er der to muligheder. Enten stepmotorer eller højtalerenheder. Som det er beskrevet i det forgående, er løsningen med to stepmotorer dog væsentligt dyre end løsningen med højtalerenheder. Løsningen med at anvende to højtalermembraner og styre disse ved hjælp af signalet, der påtrykkes spolerne, er til gengæld billig og let tilgængelig. Side 12

13 Indledning Det er derfor valgt, at der i dette projekt vil blive konstrueret et mekanisk system bestående af to højtalere monteret således, at den reflekterede laserstråle vil kunne danne vilkårlige figurer. Side 13

14 Indledning Mikroprocessorstyret laserlysshow 1.5 Styring af Galvosystemet Styringen til systemet består af en hardwaredel (HW) og en softwaredel (SW). I det følgende vil der blive gennemført en principiel beskrivelse af de to givne dele Hardware I dette projekt vælges der en Single Board Computer (SBC), som den intelligente hardware-enhed. SBC en skal udover at afvikle SW, kunne gøre det muligt, at kommunikere i mellem systemet og brugeren. Al kommunikation vil således kunne ske ved, at SBC en forbindes til en PC vha. en seriel forbindelse og til systemet ved hjælp af analoge/digitale forbindelser. Figur 8: Principiel opbygning af SBC og kommunikation til omverdenen. Den principielle opbygning af SBC-enheden er vist på Figur 8. De væsentligste byggeblokke er en embedded controller (CPU), programlager (ROM), datalager (RAM), analog til digital konverter, digital til analog konverter og porte evt. relæer for digitale input/output. På baggrund af det analyserede problem, er der valgt at opbygge en SBC baseret på en Intel 80C196KB microprocessor, 32-kbyte RAM, samt 32-kbyte EPROM. Der vælges et eksternt oscillatorkredsløb med 8 MHz krystal, da denne enhed ikke findes internt i processoren. Med hensyn til kommunikationen med brugeren anvendes der en standard RS232 seriel forbindelse. Det skal bemærkes at processoren internt indeholder en ADC converter, samt en PWM-udgang, som giver mulighed for hhv. A/D og D/A konvertering. Dette er blot den principielle løsningsmodel. Med hensyn til en komplet og mere detaljeret beskrivelse af hardwareenheden og dens virkemåde henvises til afsnit Software Softwaredelen består af de programmer, der skal laves til at styre og overvåge galvosystemet. Idet det er softwaren, der bestemmer hvilke signaler hardwaren skal aktivere, på baggrund af de indkomne signaler. Softwaren til systemet er udviklet i programmeringssproget C. På PC en designes en interface mellem systemet og bruger i form af en brugerflade til styring af galvosystemet. Side 14

15 Indledning 1.6 Delkonklusion Delkonklusionen er opdelt i tre afsnit: Afgrænsning. Problemformulering. Kravspecifikationer Afgrænsning Der skal udvikles en prototype af et laserlysshow med mikroprocessorstyring. Som løsningsforslag vælges der, at anvende højtalerenheder, som driftsmekanismer til de to spejle. Grunden til valget af denne løsningsmodel er, at det er den løsning, der virker mest realistisk at bygge og styre, med udsigt til at opnå et brugbart resultat. Højtalere er desuden lette at skaffe og kan reguleres trinløst. Grunden til at valget falder på de to spejle er, at det er en konstruktion, der er overskuelig at opbygge, samt beregne på og styre disse. Den valgte laser er af en standardtype, som let kan fremskaffes og har en god effekt og kvalitet. Systemopstillingen vil blive drevet af en ekstern strømforsyning til laseren og højtalerne. Selve kontrolenheden bag laserlysshowet baseres på en SBC, der skal kunne kommunikere med brugerfladen på PC en vha. en seriel forbindelse, brugerfladen er i dette tilfælde en PC. Det benyttede programmeringssprog er C. Der vil i problemløsningen primært blive lagt vægt på SBC en og sekundært på PC en og den grafiske brugerflade. Den principielle opbygning af systemet er illustreret på Figur 9: Figur 9: Model af systemet Problemformulering Ud fra de analyserede aspekter skal der, til den opbyggede prototype af galvosystemet, designes en styring, så brugeren får frihed til at styre laserlyset efter egne ønsker. Dette udmønter sig i en problemløsning, hvor SBC en udvikles, så denne kan styrer galvosystemet, og ligeledes skal der etableres en seriel kommunikation imellem SBC en og PC en, så brugeren får mulighed for at styre laserlysshowet via en PC. Målet for prototypen vil i første omgang være at tegne en cirkel på et lærred, så stor og så hurtig, som det er mulig for systemet. De fysiske begrænsninger vil herved blive fundet for prototypen og resultatet heraf vil så kunne danne grundlag for en vurdering af en eventuel videreudvikling. Side 15

16 Indledning Mikroprocessorstyret laserlysshow Kravspecifikation Til PC en skal der konstrueres software, der kan bearbejde brugerens input og omsætte disse til koordinater, som kan opfattes af SBC en. Brugerens input skal være forudbestemte figurer, der kan vælges imellem. Til SBC en skal der laves grundsoftware, som indeholder en kommandofortolker og interfacesoftware til de enkelte hardware komponenter. Brugeren skal via PC en kunne bestemme, hvilke figurer der skal tegnes, hvorefter disse oplysninger sendes til SBC en og den fysiske forbindelsen til PC en kan afbrydes. SBC en skal herefter kunne koordinerer bevægelserne af de to spejle ved at regulere på signalet til højtalerspolerne. Herudover skal SBC en også kunne tænde og slukke for laseren, når dette ønskes af brugeren eller når systemet skal gå i standby. Disse figurer skal kunne afbildes på et lærred på en minimums afstand på 5m og have en størrelse på 1 1m. Opløsningen skal være på minimum pixels, svarende til et koordinatsystem på 200 x 200 punkter. Testfiguren, som skal kunne afbildes indledningsvis, skal være en cirkel; dette skal dog senere kunne udvides til flere figurer. Udover at hardwaren og softwaren skal testes hver for sig i udviklingsfasen, skal der foretages en samlet systemtest. Ved denne test skal alle funktionaliteterne afprøves, hvorefter det ses om systemet reagerer, som forventet og opfylder denne kravspecifikation. Side 16

17 Galvosystem 2 Galvosystemet I dette kapitel vil det opbyggede galvosystem blive beskrevet. Der vil ligeledes blive foretaget målinger for at afdække galvosystemets muligheder og begrænsninger. Systemets muligheder og begrænsninger skal således danne grundlag for en yderligere specifikation af de tidligere opstillede kravspecifikationer. 2.1 Spejlopstillingen For at imødegå konstruktionsfejl, er det valgt at sætte højtalermembranerne på et justerbart aluminiumchassis, idet der herved er gode muligheder for at justere vinkler og afstande på i konstruktionen Figur 10. Figur 10: Oversigt over forsøgsopstillingen med indsatte billeder. For at bestemme de data, der er gældende for galvosystemet, samt at få afdækket de begrænsninger, der er for systemet, udføres der en række praktiske forsøg og målinger. Måleresultaterne samt de begrænsninger, der er for konstruktionen, skal være med til at danne grundlag for det videre udviklingsforløb, således at der kan opstilles krav til mikrocomputeren og den dertilhørende software. Nedenfor ses de data og begrænsninger, der skal findes for systemet, ved at foretage forsøg og målinger: Højtalermembranens vandring i forhold til den vekselspænding, som højtalerspolen påtrykkes (med oversving ). Side 17

18 Galvosystem Mikroprocessorstyret laserlysshow Højtalermembranens vandring i forhold til den jævnspænding, som højtalerspolen påtrykkes (uden oversving ). B Grænsefrekvenser for det mekaniske system. Membranens maksimale fysiske vandring. Figur 11: Galvosystemet. På Figur 11 ses galvosystemet. Den højtaler, som systemet hviler på, er den der via spejlet får laserstrålen til at bevæge sig horisontal, og den øverste højtaler er så den, der bevæger det andet spejl og dermed strålen i vertikal retning. Til opstillingen er forsøgt at kalibrere laserstrålen ud for centrum i et koordinatsystem på lærredet se Figur 12. Linjen her er vist, for at markere yderpunkterne for den vertikale retning. Yderpunkterne i den horisontale retning Her befinder laserlyspunktet sig, når når de to membeaner er i hvile. 4235mm Figur 12: Principskitse for forsøgsopstilling set fra siden. B Systemet kommer i svingning ved AC-spænding, og der opstår et oversving i forhold til, hvis systemet var påtrykt en DC-spænding. Side 18

19 Galvosystem 2.2 Forsøg og målinger Nedenfor ses de data og begrænsninger, der skal findes ved at foretage forsøg og målinger C. For nærmere detaljer omkring forsøgsbeskrivelser m.m. henvises til appendiks side 105. Idet det er skønnet, at der ikke er forskelle i resultaterne ved 1Hz og 5Hz, er testresultaterne for den lave frekvens foretaget ved 5 Hz. Den midterste målefrekvens er sat til 25 Hz, idet dette er den laveste frekvens med en sammenhængende blink fri figur i overensstemmelse opdateringsfrekvensen på film. Med 40 Hz er nået en grænse, hvor det ikke længere er muligt, af få laserstrålen til at returnerer præcist oveni den samme linje, når denne tegnes som en ret linje. Lysstrålens vandring i forhold til et påtrykt sinussignal. Diagrammet på Figur 13 viser den vertikale vandring i forhold til effektivspændingen for henholdsvis 5, 25 og 40 Hz. 60,0 Vandring [cm] 40,0 20,0 Spænding [mv] 0, ,0-40,0-60,0 5 Hz 25 Hz 40 Hz Figur 13: Diagram over sammenhængen mellem forskellige frekvenser og effektivspænding for den vertikale spole. På Figur 13 ses der en tydelig forskel på målinger i samme spændingsområde, men med forskellig frekvens. C De omtalte frekvenser vil kunne variere fra person til person, i det der her er tale om subjektive vurderinger. Side 19

20 Galvosystem Mikroprocessorstyret laserlysshow Lysstrålens vandring i forhold til en påtrykt jævnspænding. 60 Vandring [cm] Spænding [V] -2,00-1,50-1,00-0,50 0,00 0,50 1,00 1,50 2, Horisontal vandring Vertikal vandring Figur 14: Kurverne er for henholdsvis horisontal og vertikal DC vandring Der er foretaget to separate målinger for dels horisontal og vertikal vandring og derefter er resultaterne indsat i Figur 14. Grænsefrekvenser for det mekaniske system. Normalt vil man ikke sende en jævnspænding ind på en højtaler, men da det ønskes, at kunne holde laserstrålen konstant i en bestemt vinkel, er dette en nødvendighed. Dette kan højtaleren også klare idet den påtrykte spænding er meget lav, i forhold til den maksimale spænding, som membranen kan påtrykkes - og den nedre grænsefrekvens må siges at være lig 0Hz, se Tabel 1 Vertikale højtaler Horisontale højtaler Nedre grænsefrekvens 0 Hz 0 Hz Øvre grænsefrekvens 39,3 Hz 33,2 Hz Tabel 1: Grænsefrekvenser for anvendte højtalerenheder. Det ses, at de øvre grænsefrekvenser ikke er ens for de to højtalere. Dette skyldes dels forskellighed i den mekaniske belastning (spejlakslerne), og at de to højtalere ikke påvirkes ens af tyngdekræften Membranens maksimale fysiske vandring. Grunden til den lave DC-spænding, den horisontale højtaler kan påtrykkes, skyldes en begrænsning i spejlets bredde ved højere spænding rammer laserstrålen ved siden af spejlet, se Tabel 2 og Figur 15. Side 20

21 Galvosystem Vertikale højtaler Horisontale højtaler Positiv retning 24 V 4,8 V Negativ retning -20 V -8,2 V Tabel 2: Den maksimale spænding for brugbar membranvandring for henholdsvis. Det ses, at der er forskel på spændingen i den positive og den negative retning, hvilket skyldes at laserstrålen ikke er centreret på spejlets midte. For den vertikale højtaler ligger begrænsningen i selve højtaleren idet den ikke kan tåle større spænding. Figur 15: Nærbillede af membranen, der regulerer laserstrålen vertikalt. For at kunne forklare nogle af afvigelserne ved forsøg og målinger, er det nødvendigt, at se nærmere på det mekaniske system. Der er mindst 7 punkter, hvorved afvigelser kan forklares, se Figur 15: Når laseren skal bevæges 1 cm. på lærredet, skal spejlet bevæges 0,135. En så lille bevægelse vil være følsom overfor unøjagtigheder i det mekaniske system. Spejlet er fastgjort på akslen med silikone. Her er mulighed for små afvigelser specielt ved høje frekvenser, da silokonen virker elastisk. For at lave modstanden mellem aluminiumsstellet og spejlakserne så lille som muligt, er hullerne, til akslen lidt for store. Dette medfører slør, selv ved lave frekvenser. Der er anvendt krympefleks til det fikserende led. Dette formodes at bidrage med en del af unøjagtighederne. Endelig er monteringen på højtalermembranen foretaget med silikone. Som formodes at bidrage med en del af unøjagtighederne. Ved høje frekvenser og firkantsignaler vil membranens bremselængde spille en væsentlig rolle. En mindre indflydelse på afvigelserne, skyldes tyngdekraftens påvirkning af membranernes vandring. Den horisontale højtalermembrans vandring vil besværes af tyngdekraften i den ene retning og bliver hjulpet i den anden. Den samme problematik vil være gældende for den vertikal højtalermembran, dog med mindre effekt pga. dens placering. Dette problem vil kunne afhjælpes ved at ligge konstruktionen ned. Hermed ville tyngdekraften påvirke de to membraner ens. Side 21

22 Galvosystem Mikroprocessorstyret laserlysshow Delkonklusion På baggrund af de ovenstående resultater, kan det konkluderes, at systemet er tilnærmelsesvis lineær i de spændingsområder og indenfor de frekvenser, der er foretaget målinger. Årsagen til afvigelserne skal for størstedelens vedkommende findes i den mekaniske konstruktion samt det faktum, at der anvendes en signalgenerator til testen. Det vurderes ligeledes, at et indsat drivertrin med en lavere udgangsimpedans ville kunne forbedre ovennævnte resultater. For at der kan opnås en figurstørrelse på op til 1 1m, skal driverne kunne levere en spænding mellem + 2V og 2V. Ved at vælge en fast frekvens, mellem 25 Hz og 40 Hz, kan der senere bestemmes én overføringsfunktion for systemet, idet hældningskoefficienten ændrer i forhold til frekvensen. Side 22

23 Hardware 3 Hardware Hardwarekapitlet har til formål at beskrive opbygningen af SBC en samt funktionen af de enkelte komponenter på SBC en. Der henvises til kredsløbsdiagrammet bagerst i rapporten. I starten af kapitlet fastlægges de krav til input og output, der stilles til hardwareenheden. Herefter gøres der rede for processorens opbygning og virkemåde. I den sammenhæng lægges der vægt på dens interne enheder. EPROM, RAM og Latch beskrives i det følgende, idet der tages udgangspunkt i adresseringen af disse komponenter. Der laves en timinganalyse for processer, RAM, EPROM og Latch i hvert afsnit, hvor disse komponenter er beskrevet. Det bemærkes, at der til processoren laves en simpel test, hvis formål er at bestemme, om dennes virkemåde er som forventet. I kapitlet vil følgende benævnelserne blive benyttet: Processor: Den på boardet monterede mikroprocessor 80C196kb fra Intel. CPU: Den centrale regneenhed i processoren. SCC: Processoren opsat i minimumskonfiguration med oscillatorkredsløb og resetkredsløb. SBC: SCC tilslutte RAM og EPROM de øvrige komponenter (latche, D/A-konverter, operationsforstærkere (OPAMP), linedriver samt tilhørende modstande, kondensatorer, spændingsregulator m.fl.). På Figur 16 ses en oversigt over de anvendte benævnelser: SBC SCC Processor CPU Figur 16: Benævnelser for hardware. Side 23

24 Hardware Mikroprocessorstyret laserlysshow 3.1 Input og output I input og output afsnittet fastlægges der, hvor mange in og outputs der skal bruges, hvilken kategori disse hører under, samt hvilke signalniveauer de skal arbejde med. Det er først og fremmest antallet og typer af de I/O signaler, der skal anvendes til styring, og de signaler SBC en skal kunne registrere, der bestemmer de specifikke krav til hardwaren. Galvosystemet stiller krav om, at der fra SBC en skal styres 3 komponenter: Laseren (tænd og sluk) 2 spoler (drivere). Det er besluttet, at laseren skal have en TTL styret tænd/sluk funktion, mens driverne til spolerne skal styres af to D/A konvertere. Dette vil sige, at systemet skal indeholde 2 analoge- og et digitalt output: SBC TTL styret ON/OFF Laser SBC D/A konverter drivere Spoler Desuden er der valgt en brugerflade på en PC med et digitalt input/output til SBC en. Det bestemmes på forhånd, at kommunikationen mellem brugerfladen og SBC en sker vha. en RS232 seriel forbindelse. SBC RS232 Brugerfladen Således kan alle inputs/outputs illustreres på tabelform, se Tabel 3. Type Digital output Analog output Digital Input / output TTL ON/OFF D/A konverter RS232 Laseren 1 Spoler (drivere) 2 Brugefladen 1 Tabel 3: Inputs/outputs til SBC en. Side 24

25 Hardware 3.2 Single Chip Computer (SCC) Kernen i SBC en udgøres af en Single Chip Computer (SCC en), som består af følgende: 1. Intel 80C196KB mikroprocessor (processer). 2. Clocksignal. 3. Resetkredsløb. I dette afsnit vil de enkelte kredse blive beskrevet Mikroprocessor 80C196KB I dette projekt anvendes som processor en mikroprocessor fra Intel, der er designet til digital signalprocesising. Denne besidder bl.a. egenskaber som indbygget register. Den generelle opbygning af processoren ses på blokdiagrammet på Figur 17: Figur 17: Blokdiagram over processoren. Internt i processoren kan denne opdeles i flere blokke: Central Processing Unit (CPU). Memory Controller. Interruptcontroller. A/D converter. High Speed Output (HSO). High Speed Input (HSI). Pulse Width Modulation output (PWM). I/O porte. De i projektet væsentlige blokke er nærmere beskrevet i det følgende. Side 25

26 Hardware Mikroprocessorstyret laserlysshow Central Processing Unit Hovedparten af CPU en udgøres af Register File og Register / Arithmetic Logic Unit (RALU), som kommunikerer med komponenter udenfor CPU en. Dette sker gennem et Special Function Register (SFR), som er placeret i registerfilen eller i Memory Controller CPU en styres af en Microcode Engine, som føder regneenheden (RALU en). Dette sker ved at den midlertidigt gemmer oplysninger fra køen i et instruktionsregister. Herefter gives instruktionerne videre til RALU en. (7, s.1-4) RALU en der, ses på Figur 18 indeholder: 17 bit Arithmetic Logic Unit (ALU). Denne udgøre regneenheden i RALU en og kan udfører simple regneoperationer. Program Status Word (PSW). Både PSW, Upper word og Lower word bruges som midlertidigt register til 32 bit instruktioner. Herfra kan de derpå sendes til ALU en. Program Counter (PC). PC en øger dens tælletal for hvert opstået ny instruktion(upcode fetch), således at der peges på næste funktion. Loop counter. Gentagelser varetages af loop counteren. 3-midlertidige registre. To af registrene indeholder egen logik, som bruges ved multiplikation og division. Det tredje register anvendes til algebrainstruktioner f. eks til multiplikator. Outputtet fra registrene kan desuden inverteres før ALU en. Konstanter. Konstanter som 0, 1 og 2 gemmes for at øge hastigheden i beregninger og udvælges af en 3 bit registervælger. Dette sker da disse ofte bruges. Side 26

27 Hardware Figur 18: Blokdiagram over RALU. Interruptcontroller Der findes 28 kilder til at kreere et interrupt indbygget i processoren fordelt på 15 interruptvektorer plus tre speciale interrupt vektorer, se Figur 19. Side 27

28 Hardware Mikroprocessorstyret laserlysshow Figur 19: Interruptkilder og vektorer. Hvilke interrupt. der ønskes kaldt bestemmes i registerne INT_MASK og INT_MASK1. Det er også her at prioteringen af interrupts ne kan ses, den laveste prioterede interrupt i INT_MASK er f.eks. TIMER OVERFLOW. Ved at sætte et bit i en af registrene, åbnes der for den tilhørende interruptvektorer. Se Figur 20 og Figur 21: Side 28

29 Hardware Figur 20: Interrupt systemets opbygning. Interrupt forekommer, når Transitiondetector registrerer et signal fra en af interruptvektorerne. Herved sættes et bit i enten registeret INT_PEND eller INT_PEND1, hvis det pågældende interrupt er sat i en af MASKregistrene køre processoren interruptrutinen. Den eneste type interrupt, der i projektet vil blive benyttet er en softwaretimere til timing af signalerne. (7) Figur 21: Oversigt over registrene INT MASK og INT PENDING High Speed Output HSO-enheden kan udføre kommandoer med et minimalt brug af processorkraft til en bestemt tid. HSO enheden kan programmeres til at lave et interrupt til en bestemt tid, som er bestemt af Timer1. Sådanne software timere kan HSO-enheden lave 4 stk. af på engang. Registeret HSO_COMMAND bestemmer, hvilken af de 4 softwaretimer, der skal aktiveres. HSO-enhedens opbygning kan ses på Figur 22: Side 29

30 Hardware Mikroprocessorstyret laserlysshow Figur 22: Blokdiagram over opbygning af HSO enhed. En hurtig gennemgang af HSO-enheden er således: Timer1 er en 16-bit store-timer, der forøges med hver ottende statetime D. Den bruges til en tidsmæssig reference for HSO kommandoer. Når der skrives en ønsket kommando til HSO_COMMAND og derefter den tilhørende relative tid til HSO_TIME vil kommandoen og tiden blive lagt ind i HSO CAM (Content Adressable Memory) som er på 8 3 byte (24 8 bit). Tiden i CAM og Timer1 sammenlignes skiftevis. Det gøres hver statetime så CAM filen gennemløbes på 8 statetimes, hvilket er lig 8 250ns = 2000ns. Hvis en tid i CAM er opnået, det vil sige hvis sammenligningen passer, udføres den pågældende kommando, der er oplageret sammen med tiden. De mulige kommando kan ses Figur 23. (7) Figur 23: HSO Commando registeret Clocksignal For at processoren kan fungere kræves et clocksignal. Dette tilsluttes som et eksternt kredsløb opbygget omkring en krystal som vist på Figur 24. D 1 statetime er to clockcykler for krystallet = 250ns. Side 30

31 Hardware I dette projekt er valgt at benytte en 8MHz krystal, hvilket betyder at processoren vil arbejde med 4MHz, da 1 state time svarer til to perioder for krystallen. Dette bevirker igen, at (7, s.2, 65) state timer er lig 250ns Resetkredsløb For at kunne nulstille RAM en og processoren, er der opbygget et resetkredsløb, som ses på Figur 24. For at resetfunktionen skal have indvirkning på processoren, skal resetbenet holdes lavt i 4 state times, hvilket svare til 1µs. Det valgte kredsløb er en forenkling af et (8, s.26) anbefalet kredsløb fra Intel. Resetkredsløbet fungerer ved, at kontakten (SW1) kortsluttes og kondensatoren (C 6 ) aflades. Herved bliver indgangen på Schmitt trigger 1 (U 6B ) lav og ligeledes gør udgangen på U 6B. Når SW1 afbrydes oplades C 6 gennem R 1 med tidskonstanten (τ) = C 6 R 1. Da kravet til resetkredsløbet er, at U 6B er lav i over 1µs vælges at τ = 1ms, hvorefter det vælges at anvende en 100nF kondensator. Dette medfører, at der til opstillingen er valgt følgende komponenter: τ = C 6 R 1 = 1ms τ = 100nF R 1 = 1ms R 1 = 10kΩ C 6 = 100nF Minimumskonfiguration Den grundlæggende opsætning af processoren er vist på Figur 24. Minimumskonfigurationen, som anvendes i dette projekt, består at processoren forbundet med en 8MHz krystal og et resetkredsløb. Forsyningsbenene (V cc og V ref ) er tilsluttet 5V DC. V cc forsyner processorens digitale dele, A/D converter samt portene med V ref som reference. Benyttes A/D converterne skal denne tilsluttes separat forsyning for at mindske støj. Forsyningerne (V ss1, V ss2, V ss3 og An gnd ) skal forbindes til jord for at portene fungerer. EA forbindes til jord for, at Chip Configurations Byte (CCB) læser fra eksterne hukommelse. (7, s.8,s.65.) V pp tilsluttes 5V DC med en afkoblingskondensator på 1µF imellem forsyning og 0V for at (7 s.70) fjerne støj og sikre en konstant DC-værdi. Ready forbindes til 5V DC. Busbredden sættes til 8 bit ved at forbinde BUSWIDTH til 0V. (7, s.76), (7,s.8,s.64-69) Side 31

32 Hardware Mikroprocessorstyret laserlysshow C7 Y1 C8 Vcc p 8 MHz 22p 66 0 R1 10k U6B U6C SW1 C6 100n Vcc C9 C u u RESET RXD TXD Redy Vpp VCC VSS 1 VSS 2 VSS 3 Vref U7 XTAL1 ANGND EA Buswidth P2.5 P2.6 P2.7 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RD 61 XTAL2 WR A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A ALE 53 A7 54 A6 55 A5 56 A4 57 A3 58 A2 59 A1 60 A0 N80C196KB16 Figur 24: Minimumskonfiguration for processoren Test af CLKOUT, ALE og RD For at verificeret at den opstillede minimumsløsning fungerer som forventet, anvendes forskellige testmetoder. Den indledende test foretages ved en visuel kontrol, hvor alle forbindelser kontrolleres jf. kredsløbsdiagrammet og afprøves med en gennemgangstest uden komponenter isat. Efter den visuelle kontrol, tages der fat på kontrollen ved hjælp af et lille softwareprogram. Kontrollen foretages med nedenstående program. NAME test0 ORG 2018h CCR: DCW B ; Initialize Configuration register ; 0: Powerdown Mode Disabled ; 1: Select 8 or 16-Bit Bus 8_Bit ; 2: Select Write Strobe mode WR_BHE ; 3: Select Address Valid Strobe ALE ; 4-5: Internal Ready Control Three ; 6-7: Program Lock NONE ORG 2080H ; Start address for 80C196 NOP L0: SJMP L0 ; Infinite loop END Programmet loades som hex-fil i prombrænderen, hvorefter der brændes en EPROM. Programmet vil udføre en uendelig række af loops og startes ved at resette kredsløbet. Dette bruges til at teste følgende : Side 32

33 Hardware CLKOUT: Til kontrol af clockfrekvensen måles, som skal være det halve af CLKIN, hvilken er 8 MHz. CLKOUT måles til 4MHz og er derfor i orden. ALE(ADV): Sender cloksignalet til latchen. På et oscelloscope fremkommer et firkantsignal efter af resetknappen er aktiveret og indikerer hermed, at signalet er kommer korrekt igennem. RD (READ) : Sætter OE lav på EPROM og RAM og læser dermed fra henholdsvis EPROM en og RAM en. Side 33

34 Hardware Mikroprocessorstyret laserlysshow Timinganalyse for SCC en Formålet med timinganalysen er at undgå de konflikter, der kan opstå mellem processoren og de øvrige kredse på adresse- og databussen. I den forbindelse vil der først ske en gennemgang SCC ens timingdiagram. Analysen af timingen for de øvrige kredse laves senere i rapporten. På Figur 25 er der angivet en række tider, der beskriver SCC ens timing. Figur 25. Timingdiagram for SCC'ens data- og adressebus. Timingen er vist for både Read- og Write Cycle. I hardwaredelen er det SCC en der sætter krav til de øvrige komponenter. Mange tider på Figur 25 afhænger af clockoscillatorfrekvensen (T OSC ), som er givet til: T 1 1 = = = ns OSC XTAL 8MHz 125 Side 34

35 Hardware For at processoren både kan læse fra og skrive til en vilkårlig kreds uden konflikter, er der nogle bestemte tider, der skal overholdes. Læsningen skal kunne ske indenfor et bestemt tidsrum angivet af T RLDV ( RD Low to Input Data). Endvidere skal data på databussen slukkes inden processoren igen sender en adresse ud. Denne tid er betegnet T RHDZ. Max værdier de overnævnte tider beregnes i Tabel 4. E Benævnelse Udregningsformel Tid T RLDV max T OSC 23ns 102ns T RHDZ max T OSC 20ns 105ns Tabel 4. Max værdier for T RLDV og T RHDZ. Da der læses fra både EPROM en, RAM en skal disse overholde førnævnte tider. Skrivningen til en kreds på adresse- eller databussen kan foregå uden timingkonflikter hvis kun kredsen er i stand til at modtage dataene i løbet af processorens skrivecyklus. Der er tider: T QVWH og T WHQX der skal overholdes i forbindelse med skrivning. T QVWH angiver tiden fra der er gyldige data på databussen til WRITE går høj, mens T WHQX er den tid der er gyldige data på databussen efter WRITE er gået høj. Desuden er der også gå en vis tid, betegnet T LLWL, fra processorens ALE går lav til E (7, s. 81) WRITE går lav. De overnævnte tider beregnes i Tabel 5. Benævnelse Udregningsformel Tid T QVWH T OSC 23ns 102ns T WHQX T OSC 15ns 110ns T LLWL T OSC 10ns 115ns Tabel 5. Verdier for hhv. T QVWH, T WHQX og T LLWL. Da der kun skal skrives til RAM- kredsen, skal denne overholde krav mht. de overnævnte tider I/O porte På processoren er der 5 stk. 8 bit porte til rådighed til eksterne komponenter. Det er port 0, port 1 og port 2. Port 0 består af 8 analog/digitale indgange. Port 1 består af 8 analog/digitale udgange, mens port 2 indeholder flere funktioner, der er vist på Figur 26. Port (7, s. 60) 3 og 4 bruges til adressering af ROM og RAM. E Datablad se bilag 3 på CD-ROM. Side 35

36 Hardware Mikroprocessorstyret laserlysshow Figur 26: Oversigt over port2 funktioner Test af I/O PORT Opsættes processoren i minimumskonfiguration, kan der laves en simpel test for at verificere om I/O portene reagerer som forventet. Til dette anvendes følgende assemblerkode: (9) sfrb IOPORT_1=0FH ORG 2018h CCR: DCW B ; Initialize Configuration register ; 0: Powerdown Mode Disabled ; 1: Select 8 or 16-Bit Bus 8_Bit ; 2: Select Write Strobe mode WR_BHE ; 3: Select Address Valid Strobe ALE ; 4-5: Internal Ready Control Three ; 6-7: Program Lock NONE ORG 2080H ; Start address for processoren NOP ; Tæller én op L0: LDB IOPORT_1,#0FFH ; Port 1 høj LDB IOPORT_1,#00H ; Port 1 lav SJMP L0 ; Loop til L0 END Denne test lader et program køre ved at starte i adresse 2080H. Herefter tælles én op til adresse 2081H og PORT 1 sættes HØJ. Derefter sættes PORT 1 LAV på adressen 2083H, hvorefter den, i adresse 2085H med et small jump, returnerer til L0 som er adresse 2081H. Derved fås en uendelig loop. På processoren måles, at signalet går skiftevis højt og lavt, når resetknappen aktiveres. Side 36

37 Hardware 3.3 Adressering I det følgende afsnit vil EPROM, RAM og Latch blive beskrevet og analyseret med hensyn til opbygning, timing og verificerende test. Desuden vil der til EPROM og RAM blive defineret, hvilke adresser, som anvendes til hvilke formål, samt hvor disse er placeret Erasable Programmable Read- Only Memory EPROM en udgør sammen med RAM en den eksterne hukommelse i SBC en og bruges til lagring af software. Til dette formål anvendes der en AM27C EPROM. Denne EPROM har en 32Kbyte hukommelse, hvilket svarer til en lagerplads på byte á 8 bit. Ifølge databladet er EPROM ens maksimale accestid på 90ns. Det er denne tid, der går fra EPROM en får en adresse, til den har lagt data ud på databussen. F Blokdiagrammet over den benyttede EPROM s virkemåde er vist på Figur 27. Figur 27. Blokdiagram over EPROM. EPROM en er opbygget af lagerpladser, der har nogle deciderede adresser, hvor der opbevares data, der senere kan hentes igen. Af blokdiagrammet kan det ses, at EPROM en har 15 adresseindgange (A0-A14) og 8 dataudgange (DQ0-DQ7). For at læse data fra EPROM en skal kontrolindgangene: Chip Enable og Output Enable være inverterede. CE er forbundet til adresse A15 på processoren, og OE er forbundet til RD på processoren. Kontrolindgangene til Output Tristate er høje og virker som sluttede kontakter, der lader data komme igennem. Adressebittene bestemmer, hvorfra der skal læses data, som herefter bliver lagt på databussen. I forbindelse med Chip Enable s og Output Enable s virkemåde opstilles der en sandhedstabel for disse. Se Tabel 6. G F Datablad se bilag 9 på CD-ROM. G Datablad se bilag 9 på CD-ROM. Side 37

38 Hardware Mikroprocessorstyret laserlysshow CE OE IN/OUT H - High Z L L Data out L H High Z Tabel 6: Sandhedstabel for EPROM's CE og OE. Timing for EPROM Timingdiagrammet for EPROM en vises på Figur 28: Figur 28. Timingdiagram over EPROM'ens Read Cycle. I timingen for EPROM en lægges der vægt på to tider: t OE og t DF. Ud fra diagrammet ses, at når OE går lavt, tager det en vist tid t OE inden der er gyldigt dataoutput. For den valgte EPROM er t OE givet til 40ns. Denne tid for processoren T RLDV er på 102ns, kan der konstateres at t OE < T RLDV. Kravet er dermed opfyldt. Den anden tid t DF er den tid fra CE eller OE går høj til alle output er High Z. Denne tid skal være mindre end processorens T RHDZ på 125ns. Da t DF er opgivet til 25ns er t DF < T RHDZ og kravet er også blevet opfyldt. H Tabel 7 viser sammenhængen af de overnævnte tider: Read Cycle EPROM Processor t OE = 40ns < T RLDV = 102ns t DF = 25ns < T RHDZ = 125ns Tabel 7. Tabellen viser EPROM'ens tider, der overholder timingkrav mht. processorens tider Random Acess Memory For at processoren kan udføre regneoperationer, skal den bruge et lager. hvor den kan opbevare midlertidige informationer, som for eksempel mellemregninger. I RAM-lageret kan der indskrives, opbevares og igen senere udlæses data. Det binære indhold bevares i hukommelsen indtil det enten overskrives af nye data, eller spændingsforsyningen forsvinder fra kredsløbet (statisk RAM). H Datablad se bilag 9 på CD-ROM. Side 38

39 Hardware Der anvendes en 32K 8 statisk RAM-kreds af typen CY7C199 I. Kredsen er en organiseret i bytes, hver bestående af 8 bit (se Figur 29 for opbygning). Figur 29: Intern opbygning af RAM-kredsen. Skrive/læse-funktionen i RAM-kredsen kontrolleres ved hjælp af et aktivt lav write enable -signal (WE) Timing for RAM RAM er en kreds, man kan både læse fra og skrive til. I forbindelse med timingen for RAM en laves der derfor en analyse for dens læse- og skrivecyklus. En læsecyklus for RAM kan ses på Figur 30. Figur 30. Read Cycle for RAM. I Datablad se bilag 10 på CD-ROM. Side 39

40 Hardware Mikroprocessorstyret laserlysshow Her er der tider: t DOE, t HZOE samt t RC, som er afgørende om der kan læses fra RAM en uden konflikter. Den første tid t DOE (OE Low to Data Valid) er opgivet i databladet til 7ns. Da denne til er mindre end processorens T RLDV, er kraver overholdt. Tiden t HZOE (OE High to High Z) er den tid, der skal være mindre end processorens T RHDZ. Da t HZOE er 7ns, er den indenfor de stillede krav. Samtidlig skal tiden for en Read Cycle fra RAM en (t RC ) ligge indenfor en tilsvarende cyklus for ALE-signalet på processoren (T LHLH ). t RC er 15ns og overholder krav mht. tiden T LHLH som er 4*T OSC = 500ns. J Figur 31 viser RAM- kredsens skrivecyklus. Figur 31: Skrivecyklus for RAM. For at skrivningen til RAM en kan foregå uden konflikter, skal der overholdes følgende tider: t SD, t SA, samt t HD. Tiden t SD skal være mindre end den tid (T QVWH ), som er tiden processoren afsætter til skrivningen til RAM en. Da t SD er mindre end T QVWH er kraver overholdt. RAM en kræver også, at den tid der går fra adressen er klar, til WE går lav (t SA ) er kortere end tiden T LLWL. Da t SA er opgivet til 0ns overholder den kravet. Tiden som RAM- kredset kræver for at holde data efter at WE er gået høj igen (t HD ) skal være kortere end T WHQX. Tiden t HD er 0ns og dermed overholder krav. J J Datablad se bilag 10 på CD-ROM. Side 40