Laboratorio: registro a scorrimento

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In questa pagina è descritto come utilizzare un analizzatore di stati logici per osservare lo scambio di dati tra Arduino ed un registro a scorrimento con uscita parallela. Il registro utilizzato è 74HC595, un circuito il cui uso con Arduino è semplificato dalla presenza di una vasta documentazione e di funzioni specifiche.

Come analizzatore di stati logici utilizzeremo Picoscope 2205A-MSO (Mixed Signal Oscilloscope). Il software usato è la versione 7.0.121 , l'ultima per Linux disponibile nel momento della prima stesura di questa pagina.

In sintesi le attività descritte:

Osservare il segnale seriale generato da Arduino
Analizzare il circuito integrato 74HC595 e simularlo in Deeds
Collegare Arduino e 74HC595 ed osservare i segnali, sia seriale che paralleli
Collegare un display a sette segmenti a 74HC595

Attività 1

Questa attività ha lo scopo di acquisire confidenza con l'analizzatore di stati logici. Non serve realizzare alcun circuito da collegare ad Arduino.

Scrivere il breve programma seguente ed analizzare la funzione shiftOut() ):

int latchPin = 13;
int clockPin = 12;
int dataPin = 11;

void setup() {
pinMode(latchPin, OUTPUT);
pinMode(clockPin, OUTPUT);
pinMode(dataPin, OUTPUT);
}

void loop() {
digitalWrite(latchPin, LOW);
shiftOut(dataPin, clockPin, MSBFIRST, 0xA1);
digitalWrite(latchPin, HIGH);
delay(1);
}

Esso genera tre segnali:

(pin 11) Sequenza seriale di otto bit. Nell'esempio 0xA1 (1010 0001), trasmesso a partire dal bit più significativo (MSB, Most Significant Bit), cioè il bit a sinistra
(pin 12) Otto impulsi di clock
(pin 13) Un segnale che indica l'inizio ed il termine della trasmissione

Il segnale da visualizzare dovrebbe apparire simile al seguente:

Segnali sertiali

Per osservare i tre segnali occorre:

Collegare tre ingressi dell'analizzatore di dati logici ai tre pin 11, 12, 13 di Arduino, per esempio, nell'ordine, D0, D1, D2. Gli altri canali possono essere disattivati
Impostare la soglia (Threshold) a Vcc/2

Segnali da visualizzare

Impostare la base dei tempi a 20 µs/div o quanto ritenuto necessario per osservare al meglio la trasmissione di un byte
Impostare il Trigger utilizzando il segnale che meglio identifica l'inizio e la fine della trasmissione (D2) sul fronte di discesa (Falling) e con un valore di pre-trigger tale da vedere l'intera trasmissione, più o meno, al centro dello schermo

Impostazione del trigger

Ulteriori attività:

Quanto tempo è richiesto per trasmettere un bit? Utile una risposta articolata e non un semplice numero
Quanto tempo è richiesto per trasmettere un byte? Utile una risposta articolata e non un semplice numero
Cambiare il byte trasmesso ed osservare i cambiamenti nel segnale trasmesso
Modificare il codice per trasmettere il byte "al contrario" (LSB per primo)
Eliminare il breve ritardo di 1 ms (Inutile) ed osservare i cambiamenti

Attività 2

In questa attività analizzeremo il funzionamento del circuito integrato 74HC595 sia leggendo i datasheet, sia utilizzando il simulatore Deeds.

74HC595 è costituito da:

uno shift register SIPO a otto bit
da un registro PIPO a otto bit
da otto buffer 3-state non invertenti

La struttura ed il funzionamento di 74HC595 possono essere dedotti dal seguente schema a blocchi e dalla descrizione presente alla pagina 7 del data scheet:

Schema a blocchi di 74HC595

DS (o anche Ao anche SER) è l'ingresso seriale dei bit del registro SIPO
SHCP (o anche SRCLK, shift clock) è il clock del registro SIPO. Il fronte di salita su questo ingresso carica nel primo FF del registro il dato presente all'ingresso DS e sposta gli altri 7 bit verso destra. L'ultimo bit a destra è mandato all'uscita seriale (Q7S)
MR (Master Reset) è il reset del registro SIPO, attivo basso ed asincrono
STCP (o anche RCLK o anche Latch Clock) è il clock del registro PIPO; il fronte di salita memorizza nel registro PIPO le uscite del registro SIPO
OE (output enable, attivo basso) attiva le uscite parallele. Se le uscite non sono attive si trovano nello stato ad alta impedenza (HZ)
Q0... Q7 sono le otto uscite parallele

Per la descrizione completa di questo circuito integrato si rimanda al datasheet.

Per comprendere il funzionamento dell'integrato disegniamolo e simuliamolo in Deeds, sia in modalità Animation che Timing Diagram.

74HC595 simulato

Come segnali di ingresso possiamo utilizzarne di simili a quelli generati da Arduino nella precedente attività. Attenzione all'ordine con cui vengono letti i bit dell'uscita parallela, da sinistra a destra o viceversa.

Diagramma temporale

Attività 3

Con questa attività collegheremo Arduino e 74HC595, realizzando una trasmissione seriale sincrona unidirezionale:

Seriale significa che gli otto bit sono trasmessi in sequenza utilizzando un solo segnale
Sincrono significa, in questo contesto, che è utilizzato un clock comune a trasmettitore e ricevitore per identificare ciascun bit
Unidirezionale significa che il verso di comunicazione è sempre lo stesso, in questo caso da Arduino a 74HC595.

Il codice di esempio e lo schema da realizzare sono i seguenti:

int latchPin = 13;
int clockPin = 12;
int dataPin = 11;

void setup() {
   pinMode(latchPin, OUTPUT);
   pinMode(clockPin, OUTPUT);
   pinMode(dataPin, OUTPUT);
   Serial.begin(9600);
}

void loop() {
   for (int i = 0; i < 8; i++) {
      int dataOut = 1 << i;
      Serial.println(dataOut, BIN);
      digitalWrite(latchPin, LOW);
      shiftOut(dataPin, clockPin, MSBFIRST, dataOut);
      digitalWrite(latchPin, HIGH);
   }
}

Per mitigare eventuali effetti delle interferenze tra segnali, è utile collegare una coppia di condensatori in parallelo tra massa e Vcc: indicativamente uno da 100 nF ed uno da 10 µF (in genere polarizzato).

Attività:

Analizzare il codice alla luce delle precedenti attività
In aggiunta ai precedenti segnali seriali, osservare i segnali paralleli QA → QH collegati, per esempio, a D08 → D15. Di seguito un dettaglio esemplificativo

Modificare il codice per generare e trasmettere a 74HC595 una generica sequenza di bit, per esempio un conteggio o una sequenza casuale. Visualizzare i dati raggruppando gli otto bit di uscita Q. Di seguito un esempio, con sequenza casuale;

Sequenza casuale

Attività 4

Collegare un display a sette segmenti a catodo comune alle uscite di 74HC595, come nello schema seguente e nella fotografia di apertura, e scrivere il codice per la sua gestione

Pagina creata nel maggio 2023
Ultima modifica: 21 maggio 2024