4
I
MPLEMENTAZIONE SOFTWARE E REALIZZAZIONE DELLA
SCHEDA
AMS
Il C utilizzato in questo progetto (MPLAB C18 Compiler) adopera gli stessi tipi di oggetti usati dall’elaboratore (caratteri, numeri e indirizzi) che possono essere trattati dagli stessi operatori logici. Si vuole evidenziare infatti che molti dispositivi (tra questi anche il PIC18F8722 adottato) sono stati progettati per poter essere programmati, mediante l’uso di opportuni compilatori, attraverso codici sviluppati in C.
Figura 4-1 Programmazione scheda AMS.
In questo capitolo:
• inizialmente si affronta l’analisi della progettazione di un programma C;
• si presenta una descrizione delle operazioni svolte per la realizzazione della scheda considerata, attraverso l’ambiente di design per circuiti elettronici Altium;
• infine si espongono i risultati ottenuti attraverso i test effettuati direttamente sul prototipo dell’AMS.
4.1
Pianificazione e diagramma di flusso del programma
La strategia di programmazione complessiva deve essere completamente stabilita prima della realizzazione e della scrittura dettagliata del programma. Questo permette al programmatore di concentrarsi sulla logica di programma generale, senza dover fare attenzione alla sintassi dello stesso [5].
Di seguito si riportano alcune considerazioni sulla pianificazione adottata per la realizzazione del codice.
4.1.1 Pianificazione del programma di tipo TOP DOWN
L’organizzazione Top Down della programmazione può essere suddivisa in tre fasi [5]:
1. si sviluppa inizialmente una descrizione informale del programma, costituita soprattutto da commenti che aiutano la comprensione delle parti logiche cui è suddiviso il programma. In questa fase il linguaggio C utilizzato è minimo e consiste solo nelle parti del codice di maggiore importanza (come per esempio l’heading delle funzioni);
2. in seguito si riportano alcuni dettagli addizionali nella forma di commenti di programma;
3. Infine si riporta il codice stando attenti alla corretta sintassi, si mantengono solo i commenti essenziali per rendere chiaro il programma.
Risulta in questo modo più semplice lo sviluppo di un algoritmo.
Si ricorda infine che per programmi più corposi può essere necessario ripetere questo approccio di programmazione più volte.
In Appendice E ed in Appendice F sono contenuti gli approfondimenti relativi, rispettivamente, ai protocolli di comunicazione:
1. Inter-Integrated Circuit (I2C);
A titolo d’esempio, si riporta nel seguito la struttura della funzione principale dell’algoritmo, per la misura d’impedenza, realizzata durante la prima fase di progettazione top-down dell’intero programma.
main ( ) {
/* Configurazione della modalità operativa I2C Master */;
/* Configurazione della modalità operativa SPI Master */;
/* Attesa di una richiesta di misura da parte dell’utente sul bus I2C */;
/* Ricevuta richiesta di misura sul bus I2C */;
/* Configurazione dell’oscillatore numerico attraverso il bus SPI */;
/* Recupero delle informazioni, da parte del sistema, per la misura d’impedenza */;
/* Elaborazione di tali informazioni e misura d’impedenza */;
/* Trasferimento dell’informazione relativa all’impedenza misurata sul bus I2C*/;
4.1.2 Diagramma di flusso del programma C
Di seguito si riporta il diagramma di flusso relativo al codice realizzato in linguaggio C.
Nessuna richiesta ricevuta
Richiesta ricevuta Configurazione bus I2C Master e bus
SPI Master. Attesa richiesta di misura da parte dell’utente. Configurazione dell’Oscillatore Numerico.
Ricezione delle informazioni sugli ingressi analogici del PIC 18F8722.
Figura 4-2 Diagramma di flusso del Programma realizzato. Pilotaggio dell’ATU.
4.1.3 Interfaccia di comunicazione del PIC18F8722
Il PIC18F8722 incorpora una gamma di periferiche per la comunicazione seriale attraverso bus SPI ed I2C.
Per realizzare tale connessione seriale si utilizza il modulo MSSP (master serial synchronous port) utile per comunicare con le altre periferiche o microcontrollori.
Il modulo MSSP può operare in due modalità:
1. Serial Peripheral Interface (SPI); 2. Inter-Integrated Circuit (I2C);
l’interfaccia I2C supporta i seguenti modi (si rimanda all’appendice E per un approfondimento sul protocollo I2C):
•Master Mode;
•Multi-Master Mode;
•Slave Mode;
Tutti i PIC della famiglia, cui appartiene il PIC18F8722, hanno due moduli MSSP (MSSP1 ed MSSP2) ed ognuno di questi lavora indipendentemente dall’altro.
Ogni modulo MSSP è associato a tre registri di controllo (SSPxSTAT, SSPxCON1 ed SSPxCON2) del PIC.
L’uso di questi registri e la loro configurazione individuale cambia significativamente a seconda che il modulo MSSP funzioni in modalità SPI oppure
C
I2 .
Si suppone di voler operare un trasferimento dati utilizzando un protocollo di comunicazione di tipo SPI, il modulo considerato deve essere configurato attraverso la modifica dei seguenti registri:
• Registro di controllo numero uno (SSPxCON1);
Per configurare la modalità I2C si utilizza anche il registro di controllo SSPxCON2.
Un operazione di reset, del PIC 18F8722, comporta la disabilitazione del modulo MSSP e l’interruzione del trasferimento dati corrente.
4.2
Realizzazione del prototipo dell’AMS
L’Automatic Matching System è stato realizzato attraverso l’utilizzo dell’ambiente software Altium Designer. Quest’ultimo è comunemente utilizzato in ambito aziendale e consente il design di PCB e lo sviluppo di dispositivi programmabili. L’ambiente Altium permette inoltre di operare una progettazione, di un sistema o di un ambiente elettronico, su più livelli gerarchici, come segue:
1. si suddividono gli elementi che compongono il circuito in blocchi logici;
2. è importante associare ad ogni blocco un nome che indica la particolare funzione dello stesso;
3. si realizzano gli schemi circuitali dei dispositivi associati ad un singolo elemento dello schema a blocchi iniziale;
4. infine, l’ambiente Altium, consente di ricavare automaticamente il layout (usato per la realizzazione della scheda) di un generico schema circuitale.
4.2.1 Suddivisione dell’AMS in blocchi logici e realizzazione degli Schemi circuitali
Si riporta di seguito lo schema a blocchi dell’AMS realizzato in ambiente ALTIUM.
Si consideri il blocco logico denominato “Oscillatore Numerico”. Questo è associato allo schema elettrico di figura 4-4 ed è composto da:
• un integrato AD9851 (DDS/DAC);
• un oscillatore al quarzo (clock di riferimento);
• un filtro passa basso per l’eliminazione delle repliche dello spettro del segnale, campionato, in uscita dall’AD9851;
• un amplificatore.
Figura 4-4 Schematic dell’Oscillatore Numerico.
Si vuole evidenziare che l’oscillatore numerico è controllato dalla CPU attraverso un bus SPI (figura 4-4).
Di seguito si riporta lo schema associato al blocco di misura del modulo e della fase del segnale legato all’impedenza ai terminali di un generico DUT (figura 4-5).
Figura 4-5 Schematic del circuito di misura del modulo e della fase del segnale in uscita dal ponte direzionale.
Le grandezze misurate sono poi inviate all’unità centrale di controllo (figura 4-6).
Figura 4-6 Unità centrale di controllo.
Lo schema elettrico di figura 4-6 è caratterizzato da:
• un bus di tipo I2C che consente il collegamento con l’utente e con l’ATU;
• due ingressi analogici utilizzati per la ricezione delle informazioni necessarie al fine di ottenere una misura d’impedenza.
4.2.2 Realizzazione del prototipo dell’AMS
Come esposto precedentemente l’ambiente Altium consente di ricavare automaticamente il Layout relativo al circuito considerato. Si vuole evidenziare che per rendere più agevole l’analisi sperimentale condotta sul prototipo dell’AMS, sono state realizzate due schede:
1. la prima contiene il PIC18F8722;
2. la seconda invece (figura4-7) è composta dall’oscillatore numerico, dal ponte riflettometrico ed infine dal blocco di misura del modulo e della fase del segnale in uscita dal ponte direzionale.
Figura 4-7 Layout della scheda che contiene: L’oscillatore Numerico, il ponte riflettometrico ed infine il circuito di misura del modulo e della fase del segnale
Di seguito si riporta l’immagine del prototipo realizzato.
4.3
Analisi e test della scheda (AMS)
In questo paragrafo sono riportati i risultati ottenuti dai test effettuati sulla scheda AMS.
4.3.1 Test effettuati sull’oscillatore numerico
Come esposto nel capitolo precedente, per realizzare l’oscillatore numerico, indispensabile per la generazione del segnale di test utile per la misura, si utilizza l’integrato AD9851.
Quest’ultimo deve essere configurato dal PIC18F8722 attraverso un interfaccia di comunicazione di tipo SPI.
L’unità centrale di controllo invia all’integrato considerato una parola da trentadue bit, discussa nel capitolo tre, al fine di impostare la frequenza d’oscillazione del segnale in uscita dall’integrato AD9851.
Di seguito si riportano le immagini, ottenute attraverso l’utilizzo di un oscilloscopio, che mostrano i test effettuati sull’oscillatore numerico per valori di frequenza rispettivamente di:
•5MHz;
•10MHz.
Figura 4-9 Segnale sinusoidale, di frequenza pari a 5MHz, in uscita dall’oscillatore numerico.
Figura 4-10 Segnale generato dall’NCO, con frequenza pari a 10 MHz
4.3.2 Interazione tra l’NCO ed il ponte riflettometrico
L’oscillatore numerico è collegato ai terminali d’ingresso del ponte direzionale. Si riportano di seguito le immagini, ottenute attraverso un oscilloscopio, del segnale con frequenza pari a 20 MHz, generato dall’NCO (channel 2) e del segnale presente sull’uscita del ponte direzionale (channel 1), ottenuti rispettivamente:
1. in assenza di carico sulla bocca di misura del ponte riflettometrico (figura 4-11); 2. se è soddisfatta la condizione di equilibrio dello stesso (figura 4-12);
Figura 4-11 Segnali di ingresso e di uscita dal ponte direzionale in assenza di carico (20 MHz).
Figura 4-12 Segnali di ingresso e di uscita dal ponte direzionale nel caso in cui è soddisfatta la condizione di equilibrio dello stesso (20 MHz).
Tali test sono stati effettuati anche per una frequenza di 1MHz (figure 4-13, 4-14).
Figura 4-13 Segnali di ingresso e di uscita dal ponte direzionale in assenza di carico (1 MHz).
Figura 4-14 Segnali di ingresso e di uscita dal ponte direzionale nel caso in cui è soddisfatta la condizione di equilibrio dello stesso (1 MHz).
