Hardwaredesign mit Mikrocontrollern

Stromversorgung

Vorbetrachtungen

• Eingangsspannungsbereich
  • Eingangsspannungsbereich des MSP430: 1.8 - 3.6 V
  • Aber auch Eingangsspannungsbereich andere Peripherie-Module sind zu beachten!
  • Meist wird eine Auftrennung nach 3.3 V und 5 V benötigt.
• Auswahl der Batterietechnologie entsprechend des Stromverbrauchs und der Batterielaufzeit

Batterie- oder Akkumulatortechnologie

Super-Caps

• Ganz schnell wiederaufladbar mit ganz einfacher Ladeschaltung
• Nutzbar für hohe Betriebsströme
• vergleichsweise geringe Kapazität bei großer Bauform

• Formel zur Abschätzung der Laufzeit:

  \[ t = \frac{\Delta U \cdot C}{I} \]

• Beispiel:

  \[ I = 20\,\mu\text{A},\quad \Delta U = 3.6\,\text{V}-1.8\,\text{V} = 1.8\,\text{V},\quad C = 1\,\text{F}\]
  \[ t = 90000\,\text{s} = 25\,\text{h} \]

  → Nur für kurze Überbrückungen der Stromversorgung bei kleinen Verbrauchern geeignet.

• Wichtige Daten aus dem Datenblatt:
  • Maximale Ladespannung
  • Maximale Betriebsdauer
    SuperCaps entladen sich von selbst. Es fließt meist ein Leckstrom von wenigen Mikroampere.

Batterien und Akkumulatoren des AA/AAA-Standard

• Einfach austauschbar, überall erhältlich
• Wiederaufladen der Akkus meist in einen externen Netzteil
• Vergleichsweise geringe Zellspannung, Verwendung mehrere Batterien in Reihe ohne Probleme möglich
• Kapazität einer AA-Batterie meist > 2000 mAh
• Diese Kapazität wird jedoch nur erreicht, wenn die Batterie fast vollständig entladen wird

Lithium-Knopfzellen

• In verschiedenen Baugrößen und Kapazitäten erhältlich
• Auch als Akkumulator erhältlich, Laden meist in einen externen Ladegerät
• Zellspannung beträgt meist 3 V. Bei Akkumulatoren meist sogar bis 4 V!
• Verwenden eines Batteriehalters, der auf die Platine gelötet wird

Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Akkumulatoren

• sehr große Energiedichte! (ca. doppelte von AA-Batterien)
• Zellspannung von 3.6 - 4.2 V
• In sehr verschiedenen Größen und Kapazitäten erhältlich
• Größere Bauformen kommen meist in einer Parallel- oder Reihenschaltung
• Reihen- oder Parallelschaltungen nur vom Hersteller vorgenommen werden, Zellen müssen meist einzeln überwacht werden!
• Ladeschaltung muss meist im Produkt verbaut werden
• Folgende Komponenten für Batteriemanagement werden benötigt:
  • Ladeschaltung: Ladeschaltung mit constant current / constant voltage-Methode (maximal 4.2 V)
  • over discharge protection: Akkus dürfen maximal bis 2.5 V entladen werden.
  • short circuit protection: Der Ladestrom muss begrenzt werden.
  • Spannungswandler: Anpassen der Batteriespannung auf benötigte Betriebsspannung

Möglichkeiten der Spannungswandlung

• Problem: Batteriespannung meist nicht konstant, Batteriespannung muss reduziert oder erhöht werden, um für die Schaltung passend zu sein.

Verpolungsschutz

• Wenn die Batterie vom Nutzer eingelegt werden muss, sollte die Schaltung einen Verpolungsschutz besitzen.
• Eine invertierte Eingangsspannung sorgt in der Regel für eine Zerstörung der Bauteile
  DS-Dioden eines CMOS-Inverters:
  
• Mögliche Lösung: Einbau einer Diode in den Strompfad
  • Idealerweise eine Schottky-Diode auf Grund der geringeren Durchflussspannung
  • Achtung: Eingangsspannungsbereich verändert sich, da ein zusätzlicher Spannungsfall von circa \(200\,\text{mV}\) hinzukommt
• Link zum Kompendium zum Verpolungsschutz: http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/39-Verpolschutz

Lineare Spannungsregler

• Lineare Spannungsregler liefern bei einer variablen Eingangsspannung eine feste Ausgangsspannung
• Die Ausgangsspannung ist entweder durch den IC festgelegt oder kann durch eine Widerstandskombination frei definiert werden.
• Beispiel:

\[ U_{\text{OUT}} = 1.25\,\text V \cdot \frac{R_2}{R_1} \]

• Die Ausgangsspannung wird jedoch konstant gehalten, wenn gilt: \(U_E > U_A + U_{\text{Drop}}\), ansonsten fällt die Ausgangsspannung auf \(U_A = U_E-U_{\text{Drop}}\)
• Am Beispiel des LM7805:
  \(U_\text{Drop} = 2\,\text{V}\), \(U_\text{Reg} = 5\,\text{V}\)

• Stromfluss:

  \[ I_E = I_A + I_{\text{quiescent}} \]

  Für den LM7805 gilt: \(I_{\text{quiescent}} = 4.2 \,\text{mA}\)
  - Verlustleistung:

  \[ P_V \approx (U_E-U_A) \cdot I_A \]

  Je größer die Spannungsdifferenz, desto größer die Verlustleistung
  ggf. muss der Spannungsregler mit einen Kühlkörper versorgt werden
  - Deutlich besser für den Low-Power-Einsatz geeignet: Low Dropout Regulator (LDO)
  - z. B. MCP1700-3302
  \(I_{\text{quiescent}} = 1.6 \,\mu\text{A}\), \(U_{\text{Drop}} = 178\,\text{mV}\)
  Aber Achtung: \(U_{E, max} = 6\,\text V, I_{A, max} = 250\,\text{mA}\)

Buck-Converter

• schaltender Gleichspannungswandler
• Ziel: kleinere Ausgangsspannung \(U_A\) als Eingangsspannung \(U_E\) bei möglichst großem Wirkungsgrad
• Steuerung des Schalters S durch Regelkreis, entsprechend der Ausgangsspannung
• Erzeugen eines PWM-Signals durch den Schalter
• Spule L und Kondesator C sorgen für einen konstanten Stromfluss / konstante Spannung am Ausgang, auch wenn der Schalter geöffnet ist
  → Deutlich erhöhter Schaltungsaufwand im Vergleich zu LDO
  → Low-Power-Anwendung meist sehr aufwendig erreichbar
  → Eher für große Spannungsdifferenzen und große Ströme gedacht!

Boost-Converter

• schaltender Gleichstromwandler
• Ziel: Erzeugen einer größeren Ausgangsspannung \(U_A\) als Eingangsspannung \(U_E\)
• Nutzen der Selbstinduktionsspannung der Spule zum hochtransformieren der Spannung
• Glätten der Ausgangsspannung durch einen Kondensator
  → Effektiver Weg eines Spannungsaufwärtswandlers auch für große Lasten
  → Anwendung: Betreiben eines Mikrocontrollers mit einer AA-Batterie
  → Geringe Ruheströme meist nur sehr aufwendig erreichbar

• Empfehlenswerte Einführungsvideos von GreatScott:
  • Buck Converter: https://www.youtube.com/watch?v=m8rK9gU30v4
  • Boost Converter: https://www.youtube.com/watch?v=QnUhjnbZ0T8
  • Buck/Boost Converter: https://www.youtube.com/watch?v=ZiD_X-uo_TQ

Ladungspumpen

• Ziel: Vervielfachen der Eingangsspannung mit Hilfe einer Kondensatorschaltung

  \[U_A = 2 \cdot U_E - 2 \cdot U_D\]

→ Einfacher und günstiger Weg eine Spannungsaufwärtswandlung für kleine Lasten
→ z. B. Betreiben eines \(5\,\text V\)-LCD mit einem \(3.3\,\text V\)-Mikrocontroller

• Verwenden eines Mikrocontroller-Pins zum Erzeugen der Rechtecksignals an C1
• Verwenden des ACLK-Ausganges für die Erzeugung des Rechtecksignals

Konfigurieren des P2.0 als ACLK-Ausgang

P2DIR |= BIT0;
P2SEL |= BIT0;

Fehlerquellen beim der Strommessung bei LPM-Anwendungen

• Problem: Sehr große Dynamik des Stromverbrauchs: z.B. Messbereich \(100\,\text{nA}\) bis \(100\,\text{mA}\)
• Grundprinzip der herkömmlichen Strommessung:
  • Verwenden eines Serienwiderstandes (Shunt) zur Wandelung des Stromes in einen kleine Spannungfall
  • Bürdenspannung (burden voltage) wird durch den ADC des Multimeters gemessen
  • Bürdenspannung bedeutet zusätzlichen Spannungsfall auf dem Messleitung
• Beispiel für die Größe des Shunt-Widerstandes

• Was passiert, wenn der Mikrocontroller den LPM verlässt?
  • Vorher: \(I = 1\,\mu\text A\) → \(R_S = 100\,\Omega\) → \(\Delta U = 100\,\Omega \cdot 1\,\mu\text A = 100\,\mu\text V\)
  • Mikrocontroller verlässt den LPM und eine zusätzliche Last wird aktiviert, Multimeter kann Messbereich nicht schnell genug wechseln:
    \(I = 10\,\text{mA}\) → \(\Delta U = 100\,\Omega \cdot 10\,\text{mA} = 1\,\text V\)
  • Es kommt für einen kurzes Zeitpunkt zu einen Spannungfall von \(1\,\text V\) über dem Messgerät, die Betriebspannung des MCU bricht zusammen → MCU resetet sich!
• Mögliche Lösungen:
  • Verwenden eines größeren Messbereiches → niederohmiger Shunt
  • Automatisches Umschalten des Messbereiches vor dem Lastwechsel
  • Verwenden eines Vorverstärkers

Möglichkeiten der Datenausgabe

LEDs

Verwenden einzelner LEDs als Statusanzeige

• Typischer Stromverbrauch einer LED: \(1 ... 20\,\text{mA}\)
• Möglichkeiten zur Senkung des Stromverbrauchs:
  • LED-Statusanzeige muss durch Interaktion des Nutzers aktiviert werden
  • Heart-Beat-Anzeige:
    • LED wird immer nur für ein extrem kurzes Zeitintervall aktiviert
    • z. B. LED wird für \(1\,\text{ms}\) alle \(2\,\text s\) aktiviert
      → mittlerer Stromverbrauch: \(\overline I = 5\,\text{mA} \cdot \frac{1\,\text{ms}}{2\,\text s} = 2.5\,\mu\text A\)

Möglichkeiten des Multiplexing mehrere LEDs

• LED-Matrix siehe Kapitel 6.3
  • Bei einer \(n\times m\)-Matrix werden \(n+m\) Pins benötigt
  • LEDs können entweder nur zeilen- oder spaltenweise angesteuert werden
  • Verwendung einer LED-Matrix erst ab \(3\times 3\) LEDs sinnvoll:
    9 LEDs können mit 6 Pins angesteuert werden
  • LED-Matrix nur für sehr große LED-Anzahlen sinnvoll
• Verwenden der Charlieplexing-Methode
  • Mit \(N\) Pins eines Mikrocontrollers können \(N \cdot (N-1)\) LEDs angesteuert werden
  • Entwickler: Charlie Allen von Maxim Integrated
  • Beispiel mit \(3\) Pins → \(3 \cdot (3-1) = 6\) LEDs
    
  • Grundprinzip des Ansteuerns der LEDs:
    • Pin 1: H-Pegel, Ausgang
    • Pin 2: L-Pegel, Ausgang
    • Pin 3: Eingang (High-Z)
    • Vertauschen der Pins in allen Kombinationen → alle LEDs können angesteuert werden
  • Wichtig: Deaktivieren aller LEDs durch alle Pins auf Ausgang, Low
    Ansonsten: Floating Pins!

LCD

• Liquid crystal display
• Aufbau:
  
• Ansteuern von nicht-gemultiplexten LCD (static drive)
  
  
• Ansteuern von gemultiplexten LCD
  
  • Verwenden von Mikrocontrollern mit integrierten LCD-Treiber
  • Verwenden eines LCD-Driver-IC
    → Ansteuerung über I²C, SPI oder parallele Schnittstelle
  • Verwenden eines LCD mit integrierten Treiber
    z. B. LCD am des Education Systems
  • Stromverbrach meist \(< 1\,\text{mA}\), aber Hintergrundbeleuchtung \(> 10\,\text{mA}\)

OLED-Displays

• Meist nur als Dot-Matrix-Display erhältlich
• Ansteuerung über SPI, I²C
• Selbstleuchtende Pixel → bessere Kontrast
  → Höherer Stromverbrauch \(>20\,\text{mA}\)
• Aber nur angeschaltete Pixel benötigen Strom.
• Organische LEDs → Einbrenneffekte durch organische Reaktionen!

E-Ink-Displays

• Meist sehr hohe Pixeldichte
• Großer Vorteil: kein Stromverbrauch zum Erhalten der Anzeige
• Pixel besitzen einen bistabilen Zustand!
• Sehr langsame Aktualisierungrate (bis 10 sec)
• Meist keine Abstufungen der Intensität möglich (entweder schwarz oder weiß)

USB-UART-Wandler

• Anwendungsbeispiel:
  • MSP430 speichert Daten im Flash
  • Einmal pro Monat wird das Messsystem über UART an einen Auswerte-PC angeschlossen
  • Alle aufgenommenen Daten werden übertragen

• Typische USB-UART-Wandler:

  • FT232R

    • Der USB-UART-Wandler von FTDI (USB-UART-Wandler werden manchmal auch als FTDI-Chips bezeichnet)

    

  • ACHTUNG! Nicht alle FT232R sind Originale! Probleme mit Treiber oder Timing möglich!

  • MCP2221A

    • UART, I²C und GPIO-Wandler

    
    - weitere: CH430, CP2104, ...
    - Python-Programm
    

    import serial
    ser = serial.Serial('/dev/ttyUSB0')  # oder 'COM1'
    ser.write('hello')
    line = ser.readline()
    

    
    weitere Informationen: https://pyserial.readthedocs.io/
    - C# (Visual Studio mit GUI-Designer)
    

    SerialPort port = new SerialPort("COM1", 9600);
    port.Open();
    port.Write("Hallo!");
    char c = this.port.ReadChar();
    

Bluetooth-Module

• Verwenden einer Bluetooth-Verbindung zum Übertragen von Daten vom MSP430 zu einen Smartphone (Android App)
• Grundprinzip:
  • Daten werden von MSP430 über UART an Bluetooth-Modul übertragen.
  • Bluetooth-Modul sendet Daten mit Bluetooth Serial Port Protocol (SPP)
• Bluetooth-Module
  • HC-05 / HC-06
    

Anschluss HC-05 an MSP430

grün -> GND
blau -> 3,3 V
lila -> P3.4
grau -> P3.5

• Achtung! Sehr hoher Stromverbrauch bis \(60\,\text{mA}\)
• Bluetooth 4.0 BLE
  • Deutlich geringere Stromverbrauch mit Bluetooth Low Energy (ca. \(1\,\text{mA}\))
  • Ähnliche Ansteuerung über UART
  • Android Programme müssen angepasst werden, da SSP nicht im BLE-Standard existiert
  • Typische Controller: Texas Instruments CC2540, CC2640R2F (MSP432 mit Bluetooth-Funktionalität)

Möglichkeiten der Dateneingabe

Taster

• Verschaltung eines Tasters:

  

  • R1: Pullup-Widerstand
  • R2: Schutzwiderstand (wenn P1.0 auf Ausgang, High, Taster wird gedrückt)
  • C1: Kondensator zum Entprellen
  • Vereinfachter Schaltplan:

  

  • Pullup-Widerstand: Verwenden des internen Pullup-Widerstandes des MSP430
  • Schutzwiderstand: P1.0 wird durch die Software nie als Ausgang, High konfiguriert
  • Entprell-Kondensator: Software-Entprellen
  • Programmierung des internen Pullup/Pulldown-Widerstände:
    Programmierung des internen Pullup/Pulldown-Widerstände
    

    // Interner Pullup-Widerstand
    P1DIR &= ~BIT0;
    P1REN |= BIT0;
    P1OUT |= BIT0;
    
    // Interner Pulldown-Widerstand
    P1DIR &= ~BIT0;
    P1REN |= BIT0;
    P1OUT &= ~BIT0;
    

  • PxREN: Aktivieren des Pullup/Pulldown-Widerstandes
  • PxOUT: Im Input-Modus: 0: Pulldown, 1: Pullup
  • Stromverbrauch eines Tasters:
  • Geöffneter Taster: \(I = 0\)
  • Geschlossener Taster: Stromfluss über den Pullup-Widerstand
    Datenblatt des MSP430F2274: typische \(R_\text{Pull} = 35\,\text k\Omega\)
    → \(I = \frac{3.3\,\text V}{35\,\text k\Omega} = 94.3\,\mu\text A\)
  • Taster sollten immer nur einen Bruchteil der Betriebslaufzeit geschlossen sein.

DIP-Schalter

• Funktionsweise:
  • mehrere kleine Schalter
  • werden an die parallele Schnittstelle angeschlossen
  • Kodieren von Einstellungen, meist Adressen
• Ansteuerung ähnlich der Taster
• Problem: konstanter Stromverbrauch von \(\approx 100\,\mu\text A\) durch Pullupwiderstand pro geschlossenen Taster

• Lösung:

  • Verwenden der internen Pullupwiderstände des MSP430

    

  • Idee: Pullupwiderstände werden nur eingeschaltet, wenn der Schalterzustand ausgelesen werden muss
    → Interrupts können nicht verwendet werden, Polling ist notwendig!
  • Programmierung
    

    P1DIR &= ~(BIT0 + BIT1 + BIT2 + BIT3);
    P1REN |= BIT0 + BIT1 + BIT2 + BIT3;
    
    while (1) {
      P1OUT |= BIT0 + BIT1 + BIT2 + BIT3;   // Pullups
      uint8_t dip = P1IN & (BIT0 + BIT1 + BIT2 + BIT3);
      P1OUT &= ~(BIT0 + BIT1 + BIT2 + BIT3); // Pulldowns
    
      // Andere Rechenaufgaben
    }
    

    
    → Kein Stromfluss, wenn Pulldown-Widerstände verwendet werden.

Taster-Matrix

• Varianten zum Multiplexen von Tastern
• Verwendung z. B. in Tastaturen oder Keypads
  

• Hier:
  • Immer nur ein Row-Pin wird auf Masse gezogen, die anderen auf High-Z
  • Gedrückte Taster der ausgewählte Reihe erscheinen mit LOW-Pegel an den Col-Pins
  • Dioden können wegelassen (überbückt) werden, jedoch dann kann das Drücken mehrerer Tasten zu Fehlern kommen
    (Taster die nicht gedrückt sind, werden als gedrückt erkannt)

Messen der Batteriespannung

• Verwenden der internen Batteriespannungsmessung des ADC10
  
  • INCH = 0b1011 = 11
  • \(V_\text{ref} = 1.5\text{ oder }2.5\,\text V\)
  • Es wird die Eingangsspannung des MSP430 gemessen (\(V_{CC}/AV_{CC}\)) !
    → Einsatz mit Spannungswandler nicht möglich, da \(U_\text{Bat} \neq V_{CC}\)
  • Messbereich:
    Bei \(V_\text{ref} = 1.5\,\text V\) → \(1.5\,\text V < V_{CC} < 3.0\,\text V\)
    Bei \(V_\text{ref} = 2.5\,\text V\) → \(2.5\,\text V < V_{CC} < 5.0\,\text V\)
• Verwenden eines externen Spannungsteilers zum Anpassen des Messbereichs auf 1,5 V oder 2,5 V
  • Durch eine Spannungsteiler fließt ein konstanter Strom von \(I = \frac{U_{Bat}}{R_1+R_2}\)
  • Spannungsteiler muss durch einen MOSFET deaktiviert werden.
  • MOSFETs besitzen im angeschalteten Zustand ein sehr kleine \(R_{ON} < 1\,\Omega\)
  • Für \(R_{ON} << R_1, R_2\) kann der Einfluss des MOSFETs vernachlässigt werden
    
  • MOSFET wird immer nur während der Messung der Batteriespannung aktiviert (VBAT_EN = H)

Besonderheiten der Eingänge des MSP430

Störeinkopplung

• Die Eingänge der parallelen Schnittstelle des MSP430 sind extrem hochohmig.
• Werden keine Pullup- oder Pulldownwiderstände verwendet, so können kleinste Störströme zum Aussteuern des Eingäng folgen
• z. B. Störspannungen durch kapazitive Einkopplung von Quellen mit großen Quellspannungen
  (230 V Netzleitung)
• Probleme treten auf:
  • Bei gestörten Messleitungen am hochohmigen Eingang des MSP430
  • Wenn der Störer und der MSP430 die gleiche Masseverbindung aufweisen
• Lösungen:
  • Trennen der Masseverbindung (galvanische isolierter Transformator, Batteriebetrieb)
  • "Niederohmigerer" Eingang ist zu verwenden:
    • Verwenden eines Parallelwiderstandes zum Eingang des MSP430
    • Bei starken Störern hilft die Verwendung von Optokopplern für die galvanische Trennung
      

Floating-Pins

• Eingangspins, die offengelassen werden, nennt man Floating-Pins
• Floating-Pins sorgen für einen erhöhten Stromverbrauch
  • durch Pegelwechseln bei Störeinkopplung
  • CMOS-Schaltungen benötigten erhöhten Stromverbrauch \(V_{CC}/2\)
    

Hardwareimplementierung eines MSP430

• Wie kann ein MSP430 auf eine Platine oder Steckbrett gebracht werden?
• Welche Bauteile werden im Minimalfall benötigt?

Programmierung eines MSP430

JTAG

• Joint Test Action Group
• IEEE-Standard, der die Methodik für das Testen und Debuggen intergrierter Schaltungen auf Leiterplatten beschreibt
• Viele Mikrocontroller unterstützen JTAG und werden über JTAG programmiert. (ATmega328P, manche MSP430)
• Signalleitung der JTAG-Schnittstelle:
  • TDI: Test Data Imput
  • TDO: Test Data Output
  • TCK: Test Clock
  • TMS: Test Mode Select
  • TRST: Reset der Testlogik
• Signalverlauf vergleichbar mit SPI
• Für die Programmierung über JTAG wird ein MSP430-FET benötigt:

Spy-Bi-Wire

• Von TI entwickeltes Protokoll zur Übertragung des JTAG-Protokolls über zwei Datenleitungen.
• Vor allem MSP430 mit geringer Pinanzahl können meist nur über SBW programmiert werden.
• Datenleitungen:
  • SBWTDIO: Spy-Bi-Wire Test Data In/Out, meist mit RST-Pin verbunden.
  • SBWTCK: Spy-Bi-Wire Test Clock, meist mit TEST-Pin verbunden

• Der MSP430G2553 kann nur über SBW programmiert werden. Das Launchpad MSP-EXP430G2ET kann als SBW-Programmer für eine Vielzahl von weiteren MSP430 verwendet werden.

Minimaler Aufbau MSP430G2553

• R1: Pullup-Widerstand für den Reset-Pin wichtig!!!
• C1: Großer Entkoppelkondensator
• C2: Kleiner Entkoppelkondensator, möglichst nah an DVCC-Pin
• JP1: Programmieranschluss für Spy-Bi-Wire
• Q1: optionaler Uhrenquarz für ACLK, möglichst nahe an XIN und XOUT Pin, symmetrisch

Minimaler Aufbau MSP430F2274

• Im Unterschied zum G2553 besitzt der F2274 getrennte Pins für digitale und analoge Betriebsspannung.
• Zur Rauschunterdrückung sollte AVCC zusätzlich gefiltert werden.
• Der Massesternpunkte sollte nahe des AVSS-Pins aufgebaut werden