Laboratorio: registro a scorrimento

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In questa pagina è descritto come utilizzare un analizzatore di stati logici (Logic Analyser) per osservare lo scambio di dati tra Arduino e 74HC595, un registro a scorrimento con uscita parallela 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) strumento dotato di due ingressi analogici (canali A e B) e 16 ingressi digitali (da D0 a D15). Il software usato è la versione 7.0.121 , l'ultima disponibile nel momento della prima stesura di questa pagina.

In sintesi le attività che verranno fatte:

Osservare il segnale seriale generato da Arduino senza collegare il registro a scorrimento
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 e scrivere il codice per la sua gestione

Attività 1

Questa attività ha lo scopo di acquisire confidenza con la funzione shiftOut. Inizialmente non serve realizzare alcun circuito da collegare ad Arduino.

Scrivere il breve programma seguente ed analizzare con l'oscilloscopio la funzione shiftOut():

int clockPin = 12;
int dataPin = 11;

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

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

Esso genera due segnali:

(dataPin, pin 11) Sequenza seriale di otto bit. Nell'esempio 0xA1 (in binario: 1010 0001), trasmesso a partire dal bit più significativo (MSB, Most Significant Bit), cioè il bit a sinistra
(clockPin, pin 12) Otto impulsi di clock

Attività:

osservare il segnale con l'oscilloscopio, collegando i canali A e B a clockPin e dataPin.
quanto tempo è necessario per trasmettere un bit? Quanto vale il bit rate, misurato in bit/s, cioè il numero di bit trasmessi in un secondo?
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 ed osservare i cambiamenti. Potrebbe essere complesso osservare il segnale, soprattutto con alcune sequenza di bit; una soluzione in questo caso accettabile è porre l'oscilloscopio in Stopped.

Attività 1bis

Questa attività ha lo scopo di acquisire confidenza con l'analizzatore di stati logici, strumento utile per osservare più segnali digitali, soprattutto quando non si dispone di un sufficiente numero di ingresso dell'oscilloscopio. Non serve realizzare alcun circuito da collegare ad Arduino.

Scrivere il breve programma seguente:

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);
}

Oltre ai due segnali già visti nell'attività 1 è presente un terzo segnale:

(latchPin, pin 13) Il segnale che indica l'inizio ed il termine della trasmissione. Viene attivato prima di iniziare la trasmissione del byte e disattivato al termine.

Osservazione ovvia: l'oscilloscopio utilizzato non dispone di tre canali per osservare contemporaneamente tutti questi segnali... Per questo utilizzeremo tre ingressi digitali dell'analizzatore di stati logici (da D0 a D15, i fili gialli nell'immagine di apertura).

Per osservare i tre segnali occorre:

collegare tre ingressi dell'analizzatore di stati logici ai tre pin 11, 12, 13 di Arduino, per esempio, nell'ordine, D0, D1, D2. Gli altri canali possono essere disattivati. Utile assegnale una Label
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 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

Il segnale da visualizzare dovrebbe apparire simile al seguente:

Segnali sertiali

Oltre a ripetere le attività già descritte in precedenza:

confrontare la visualizzazione dei segnali in modalità analogica (oscilloscopio) e digitale (analizzatore di stati logici). Quali gli aspetti negativi e positivi di uno strumento e dell'altro?
quanti bit possono essere trasmessi al massimo in un secondo? Utile una risposta articolata e non un semplice numero

Attività 2

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

74HC595 è costituito da:

uno shift register SIPO, 8 bit
da un registro PIPO, 8 bit
da buffer 3-state non invertente, 8 bit

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 (a volte sono usati anche altri nomi, per esempio A₀ oppure 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.

Attività 2bis

(questa attività può essere svolta in un secondo momento: passare all'attività 3)

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:

utilizzare collegamenti non troppo lunghi
collegare il più possibile vicino al circuito integrato una coppia di condensatori in parallelo tra massa e Vcc, indicativamente uno da 100 nF ed uno da 10 µF (quest'ultimo in genere polarizzato). Spesso sono indicati come condensatori di disaccoppiamento

Attività:

analizzare il codice alla luce delle precedenti attività
in aggiunta ai precedenti segnali seriali, osservare i segnali paralleli QA → QH collegandoli agli ingressi D08 → D15 del logic analyser. Di seguito un esempio:

modificare il codice per 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

[Approfondimento] 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: 1 aprile 2025