Analog/Digital Wandler mit SPI · SPI Betrieb 7 Der SPI-Bus kann mit einem einzigen Master-Gerät und einem oder mehreren Slave-Geräten arbeiten. Wenn ein einzelnes Slave-Gerät

Analog/Digital Wandler mit SPI

Raspberry Pi

Aufbau

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Serial Peripheral Interface

Analog-Digital Wandlung

Die Aufgabe

Die Lösung

Jose Gutierrez & Ole Gebert | Embedded Software 06.01.2014

Serial Peripheral Interface

3 06.01.2014 Jose Gutierrez & Ole Gebert | Embedded Software

Serial Peripheral Interface - Theorie

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SPI ist ein Bus-System mit einem „lockeren“ Standard für

einen synchronen seriellen Datenbus entwickelt von

Motorola

Hohe Taktfrequenzen möglich (MHz-Bereich)

Master-Slave-Prinzip

Ein oder mehrere Slave-Geräte, nur ein Master

4-Leitung Seriell Bus

06.01.2014 Jose Gutierrez & Ole Gebert | Embedded Software

SPI Leitungen

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SCLK: Serial Clock

MOSI: Master Output, Slave Input

MISO: Master Input, Slave Output

SS: Slave Select


SPI Leitungen

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Daisy-Chain


Drei unabhängige Slaves

SPI Betrieb

7

Der SPI-Bus kann mit einem einzigen Master-Gerät und einem

oder mehreren Slave-Geräten arbeiten.

Wenn ein einzelnes Slave-Gerät verwendet wird, kann der SS-

Pin auf logisch Null festgesetzt werden, solange der Slave es

erlaubt.

Mit mehreren Slave-Geräten, benötigt man unabhängige SS-

Signale für jedes Gerät.

Die meisten Slave-Geräte haben Tri-State-Ausgänge, damit ihr

MISO Signal hochohmig wird, wenn das Gerät nicht aktiv ist.


SPI Datenübertragung

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Um die Übertragung zu starten, setzt das Master-Gerät die

Taktfrequenz fest.

Der Master überträgt eine logische Null über die CS-Leitung,

um eine Slave auszuwählen.

In jedem Taktzyklus, passiert eine Full-Duplex-Übertragung.

Eine Datenübertragung kann eine beliebige Anzahl von

Taktzyklen haben, solange es Daten zu übertragen gibt. Wenn

es keine Daten mehr gibt, stoppt der Master die Umschaltung

des Taktes.

Datenübertragungen bestehen oft aus 8-Bit-Wörter, aber

andere Wortgröße sind auch üblich.


SPI Datenübertragung

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Datenübertragungen umfassen normalerweise zwei

Schieberegister einer gegebene Wörtergroße, eines in dem

Master und eines in dem Slave. Sie sind in einem Ring

verbunden. Daten werden üblicherweise mit dem MSB zuerst

verschoben.


SPI Betriebsmodi

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CPOL: Clock Polarity

CPHA: Clock Phase

Bei CPOL = 0 ist der Basiswert des Taktes ist Null.

Für CPHA = 0 werden die Daten bei steigender Flanke des Taktes erfasst und die Daten werden auf eine fallende Flanke propagiert.

Für CPHA = 1 werden die Daten auf fallende Flanke des Taktes erfasst und die Daten werden bei einer steigenden Flanke propagiert.

Bei CPOL = 1 ist der Basiswert des Taktes ist Eins.

Für CPHA = 0 werden die Daten auf fallende Flanke des Taktes erfasst und die Daten werden bei einer steigenden Flanke propagiert.

Für CPHA = 1 werden die Daten bei steigender Flanke des Taktes erfasst und die Daten werden auf eine fallende Flanke propagiert.


SPI Betriebsmodi

11 06.01.2014 Jose Gutierrez & Ole Gebert | Embedded Software

Mode CPOL CPHA

0 0 0

1 0 1

2 1 0

3 1 1

Vor- und Nachteile

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Vorteile

Full duplex.

Höheren Durchsatz als I2C oder SMBus.

Flexibilität

Nicht auf 8-Bit-Worte beschränkt.

Willkürliche Auswahl der Nachrichtengröße, Inhalt und Zweck.

Einfache Hardware Zusammenschaltung.

Typischerweise geringere Leistungsanforderungen als I2C oder SMBus durch weniger Schaltkreis.

Slaves verwenden den Takt des Masters.

Slaves brauchen keine Adressierung.

Transceivers werden nicht benötigt.

Maximal ein eindeutiges Bus-Signal pro Gerät (Chip select).

Signale sind einseitig, einfache galvanische Trennung

Nachteile

Benötigt mehr Pins als I2C.

Keine Hardware Datenflusssteuerung von dem Slave.

Keine Hardware Slave Acknowledgment.

Unterstützt nur ein Master-Gerät.

Keine Fehlerprüfung Protokoll definiert.

Ohne einen formalen Standard.

Nur kurze Distanzen, viel weniger als RS-232, RS-485 oder CAN-Bus Protokolle.


Analog-Digital-Wandlung

13 Jose Gutierrez & Ole Gebert | Embedded Software 06.01.2014

Analog-Digital-Wandlung

Allgemeines

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Themen:

Die Theorie

Die Verfahren

Der MCP3008

Die Funktionalität


Analog-Digital-Wandlung – Die Theorie

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Analoges Signal wird abgetastet, wobei die Abtastfrequenz

über die Genauigkeit entscheidet

Also: Je größer die Abtastfrequenz im Bezug auf das Eingangssignal,

um so genauer kann das Signal reproduziert werden (?)

Nicht ganz: Die Bitrate entscheidet dabei über die Höhe des

Dynamikbereiches

Nyquist-Shannon-Abtasttheorem: Abtastfrequenz >= 2x Frequenz des

Eingangssignal

Der Vorgang der Digitalisierung eines Werte wird

Quantisierung genannt

Das Ergebnis sind einheitslose Digitalwerte, die mit Hilfe eines

Referenzwertes gedeutet werden können (s. MCP3008)


Analog-Digital-Wandlung - Verfahren


Flash-Wandler:

Hohe Abtastrate bis über 1000 Msps

Geringe Auflösung bis etwas über 10 Bit

Pipeleine-Wandler:

Etwas geringere Abtastrate als Flash-Wandler

Höhere Auflösung bis etwas 14 Bit

Slope-Wandler

Abtastraten nur im Ksps Bereich

Auflösungen bis 17 Bit

Sigma-Delta-Wandler

Abtastraten unter 10 Msps

Höchste Datenauflösung bis 20 Bit

SAR-Wandler

Geringe Abtastrate bis zu 1 Msps

Hohe Auflösung bis zu 17 Bit

Analog-Digital-Wandlung - Verfahren

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Parallelumsetzer (Flash-Wandler)

Viele Comparatoren und entsprechend viele Spannungsteiler. Ein Eingang der Comparatoren hat die Uin der andere die entsprechende Abteilung von UREF

Pipeline-Wandler

Mehrstufiger A/D Wandler, bestehend aus mehreren Parallelumsetzern, was höhere Auflösungen ermöglicht bei ähnlich hohen Abtastraten

Slope-Verfahren

Uin wird mit einem Sägezahnverglichen, dieser Start bei 0 V und steigt an bis er gleich Uin ist. Im Hintergrund läuft ein Zähler, der beim Erreichen von Uin, den Spannungswert weiter gibt und dann für den nächsten Wert resetet wird

Sigma-Delta-Wandler

Im einfachsten Fall steht 1 für steigende Spannung und 0 für fallende Spannung, was die Analog-Kurve in einem Zickzack-Muster nachstellt

SAR-Verfahren

Später genauer Erklärt


Analog-Digital-Wandlung – MCP3008

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10 Bit Auflösung:

210 Bitkombinationen = 1024

Pins:

VDD Spannungsversorgung (3,3 V)

VREF Referenzspannung (3,3 V)

AGND Analoge Masse

CLK Serial Clock

DOUT Serial Data-Out (vom MCP3008)

DIN Serial Data-In (vom Raspberry Pi)

! CS/SHDN Chip-Select, Low-Aktiv / Shutdown Input

DGND Digitale Masse

CHX Analoger Eingang X, Channel X


Analog-Digital-Wandlung – MCP3008

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Durch die Referenzspannung und die Anzahl der

Bitkombinationen lässt sich der Spannungssprung von einem

zum nächsten Bitwert berechnen

U = UREF / 1024 = 3,3 V / 1024 = 0,003223 V = 3,2 mV

Als Beispiel: wir empfangen am Raspberry Pi einen Wert von 42, d.h.

am analogen Eingang liegt eine Spannung von U = 42 * 3,2 mV =

0,1344 V an.

Info zum Fotowiderstand: Je stärker die Beleuchtung um so

geringer der elektrische Wiederstand

Der MCP3008 kann bis zu eine Umwandelrate von 200ksps

arbeiten (sps = samples per second)


Analog-Digital-Wandlung - Funktionalität

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DAC = Digital Analog Wandler

SAR = Successive Approximation Register

Ablauf:

Über das Sample-and-Hold Glied wird Uin geholt

Im Comparator wird die analoge Eingangsspannung mit VREF/2 verglichen – Im ersten Durchlauf wird das MSB auf 1 (Uin > UREFVergleich) oder auf 0 (Uin < UREFVergleich) gesetzt

Darauf hin wird VREFVergleich halbiert und im DAC zum Comparator zurückgegeben für den nächsten Vergleich. Je nach Ausgang des Vergleiches wird VREFVergleich/2 vom vorherigen UREFVergleich abgezogen oder zuaddiert – Ist Uin > UREFVergleich wird das nächste Bit auf 1 gesetzt. Dies geschieht solange bis das LSB erreicht ist

Die Anzahl der gesetzten Bits ist gleich der Auflösung (hier 10 Bit)

Zum Schluss wird ein neues Uin aus der Sample-and-Hold Schaltung geholt

Pro Bit wird ein Taktzyklus gebraucht


Analog-Digital-Wandlung - Funktionalität


MCP3008 und SPI

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Zu Beginn muss der !CS Pin von HIGH auf LOW gezogen

werden um Kommunikation zu initialisieren

Die erste Clock wo DIN HIGH ist während !CS auf LOW

gezogen ist stellt den Start dar

Als nächstes folgt das SGL/!DIFF Bit welches bestimmt in

welchem Mode die Eingänge Betrieben werden (1 = single

ended, 0 = differential)

Danach wird über D2, D1, D0 der Channel angewählt (Bei uns

single-ended CH0 = 1 0 0 0)

Nun ist DIN Don‘t Care. Bei der nächsten fallenden Falke wird

DOUT LOW ausgeben. Die nächsten 10 Bit sind die Daten (MSB

first)


MCP3008 – SPI Mode 0


MCP3008 mit Microcontrollern

24

Da viele Microcontroller in Byte Schritten arbeiten (8 Bit)

pausiert die Clock alle 8 Takte

So ist zu beachten, dass bei dem 10 Bit Wert die ersten zwei

Bits noch im vorherigen Datenblock liegen


Die Aufgabe


Die Aufgabe

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Bestimmen Sie die am Fotowiderstand abfallenden

Spannungen. Nutzen Sie hierfür den MCP3008 A/D Converter

und lesen Sie diesen über seine SPI Schnittstelle aus.

Das zu schreibende Programm soll in C (wenn möglich)

objektbasiert programmiert werden und ohne die Nutzung der

wiringPi Bibliothek arbeiten.

Optional: Wenn um den Fotowiderstand herzu zu dunkel wird

soll eine LED auf dem Testboard eingeschaltet werden.


SPI Einstellungen

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sudo nano /etc/modprobe.d/raspi-blacklist.conf

blacklist spi-bcm2708 -> #blacklist spi-bcm2708

sudo reboot

ls /dev/spidev*

/dev/spidev0.0 /dev/spidev0.1


SPI Einstellungen

28

Includes:

#include <fcntl.h>

#include <unistd.h>

#include <sys/ioctl.h>

#include <linux/types.h>

#include <linux/spi/spidev.h>


SPI Einstellungen

29

spidev.h

struct spi_ioc_transfer {

__u64 tx_buf; /* Zeiger zu ein Buffer */

__u64 rx_buf; /* Zeiger zu ein Buffer */

__u32 len; /* Länge von tx und rx Buffers */

__u32 speed_hz; /* Übertragungsfrequenz */

__u16 delay_usecs; /* Verzögerung nach die letzte

Bitübertragung */

__u8 bits_per_word; /* Bits pro Wort */

__u8 cs_change;

__u32 pad;

};


SPI Einstellungen

30

spidev.h Makros für ioctl():

SPI_IOC_WR_MODE

SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD

SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ

SPI_IOC_MESSAGE(N)


SPI Einstellungen

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Spi Initialisierung:

static uint8_t mode = 0; // CPOL = 0, CPHA = 0

static uint8_t bpw = 8; // 8 bits per word

static uint32_t speed = 1000000; // Up to 1MHz clock frequency

static uint16_t delay = 0; // No delay after last bit transfer

fd = open("/dev/spidev0.0", O_RDWR); // Device 0, CS0

ioctl (fd, SPI_IOC_WR_MODE, &mode);

ioctl (fd, SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD, &bpw);

ioctl (fd, SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ, &speed);


SPI Einstellungen

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Übertragung: Full- oder Halb-Duplex

Halb-Duplex: read() and write() Befehle.

Full-Duplex: ioctl() Befehl.

Full-Duplex:

struct spi_ioc_transfer tr;

ioctl(fd, SPI_IOC_MESSAGE(1), &tr);


Aufbau

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Raspberry Pi Pins MCP3008


Aufbau


Hilfestellungen

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uint8_t spiData[3];

spiData[0] = 1; //start bit

spiData[1] = 0x80; //single-ended, channel 0 of the MCP3008

spiData[2] = 0; //"don't care bits"


GPIO Steuerung

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Beispiel für GPIO15:

Initialisierung:

Export GPIO:

– fd = open("/sys/class/gpio/export", O_WRONLY);

– write(fd, "15", sizeof("15"));

– close(fd);

GPIO als Ausgang:

– fd = open("/sys/class/gpio/gpio15/direction", O_WRONLY);

– write(fd, “out", sizeof(“out"));

– close(fd);


GPIO Steuerung

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Beispiel für GPIO15:

Steuerung:

GPIO schalten:

– fd = open("/sys/class/gpio/gpio15/value", O_WRONLY);

– write(fd, “1", sizeof(“1")); // “1”: Auf, “0”: Aus

– close(fd);

Am Ende:

Unexport GPIO:

– fd = open("/sys/class/gpio/unexport", O_WRONLY);

– write(fd, "15", sizeof("15"));

– close(fd);


GPIO Steuerung

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myPins.h und myPins.c:

typedef struct pin_struct{

PinClass *class;

int pinNumber;

int pinMode;

} PinInstance;

Konstruktor:

//pinNumber: GPIO number

//pinMode: INPUT or OUTPUT

Pin newPin(int pinNumber, int pinMode);

typedef struct pin_class{

int (*init)(Pin aPin);

int (*remove)(Pin aPin);

int (*set)(Pin aPin, int pinState);

} PinClass;


GPIO Steuerung

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Benutzung:

Pin led = newPin(15, OUTPUT); //GPIO 15, Ausgang

if(led->class->init(led) < 0){

//Fehlerhandlungsroutine

}

led->class->set(led, ON); //LED auf

led->class->set(led, OFF); //LED aus

led->class->remove(led);


Unsere Lösung


Unsere Lösung

41

Klassen:


Unsere Lösung

42

Signale:


Quellen

43

Foliendesign:

https://wiki.fh-

muenster.de/verwaltung/styleguide/lib/exe/fetch.php?media=fh_ppt_m

aster.pptx

Bilder:

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/15/Zeroorder

hold.signal.svg/500px-Zeroorderhold.signal.svg.png

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Tel%C3%A9fono_de_cordel_(1

882).jpg

http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21295d.pdf


https://wiki.fh-muenster.de/verwaltung/styleguide/lib/exe/fetch.php?media=fh_ppt_master.pptx






http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/15/Zeroorderhold.signal.svg/500px-Zeroorderhold.signal.svg.png






http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Tel%C3%A9fono_de_cordel_(1882).jpg



http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21295d.pdf

Quellen

44

http://en.wikipedia.org/wiki/Serial_Peripheral_Interface_Bus

http://hertaville.com/2013/07/24/interfacing-an-spi-adc-mcp3008-chip-to-the-raspberry-pi-using-c/

https://www.kernel.org/doc/Documentation/spi/spidev

http://www.cs.fsu.edu/~baker/devices/lxr/http/source/linux/include/linux/spi/spidev.h

http://www.brianhensley.net/2012/07/getting-spi-working-on-raspberry-pi.html

http://git.kernel.org/cgit/linux/kernel/git/torvalds/linux.git/plain/Documentation/spi/spidev_test.c

http://armbedded.eu/node/318

http://kerneldox.com/kdox-linux/d9/dee/spidev_8h.html

http://www.cs.fsu.edu/~baker/devices/lxr/http/source/linux/drivers/spi/spidev.c

https://projects.drogon.net/understanding-spi-on-the-raspberry-pi/



































































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