AVR alapú Arduino működési ellenőrzése (alaplap-teszt)

A mikrokontroller alapú rendszerekben a hobbi és a profi fejlesztő kezében – szinte minden félvezető idővel megsérülhet, hibás lehet. Míg ez a diszkrét vagy céleszközök esetén teszteléssel (működik vagy sem) könnyen megállapítható – addig processzoros rendszerek esetén a komplexitás miatt ez kérdéses lehet.
Arduino esetén – főleg kezdőként – sokszor hajlamosak vagyunk a szoftverre, hardware környezetre fogni a nemműködést. És persze az alap, hogy a processzorlapkára fogunk mindent…

Arduino lapok esetén gyakran felmerül kérdésként, hogy: a lapka jó-e még, nem ártott-e meg neki a legutóbbi rövidzár illetve túláram, vagy egyszerűen csak a műszálas ruhában a feltöltődési szikra. Számos tünet lehet, ami gyanúra ad okot: melegedés, füst, hibázó programfutás, parázsló fényű LED-ek…

ESD and EOS Causes, Differences and Prevention (ESD demaged interconnects) — ESD okok és megelőzés – fém hozzávezetés ESD károsodása (Forrás: ESD and EOS Causes, Differences and Prevention – AN1785 (Microchip))

Hosszú lesz a cikk…. Hiszen több oldalról is vizsgálható a felvetett probléma…

Tartalomjegyzék

Hozzávalók

1x Arduino UNO (R3,CH340) alaplap
Ellenállások (470k, 10k)
LED-ek többféle színben

Az induláshoz csak néhány dologra van szükség. Lehet, hogy nem mindenre lesz szükség, attól függően, hogy mi van már meg belőle….

De hogyan teszteljünk?

Sok-sok megoldást lehet egy problémára kidolgozni. A cikkben is igyekeztem körüljárni a problémákat több oldalról is – egyre közelebb jutva a probléma megoldásához vagy felderítéséhez.

-1. Tápellátás

A minimális tesztelési követelményt megelőzi, hogy a lapkát feszültség alá helyezve – mutasson legalább minimális életjelet. Ez általában a tápfeszültség visszajelző LED világítása.
Tápellátást a lapok a külső tápcsatlakozón át vagy az USB csatlakozáson keresztül kaphatnak. A tápbemeneten át 7.5V…16V feszültséget adhatunk a lapokra – a belső tüske a pozitív kivezetés (a csatlakozó mérete szabványos: 5.5/2.1 mm).
Az itt bejutó nyers egyenfeszültségből kerül előállításra a rendszer 5V belső feszültsége. Ideális esetben – ha nincs egyéb követelmény a lapka áramfelvételével kapcsolatban – a külső tápfeszültségnek 9V egyenáramot javasolt adni. (Tipp: ugyan a 12V még elfogadható, azonban ekkor a rendszer teljes áramfelvétele lehetőleg 300mA alatt maradjon!) Az 5V rendszer és a bemeneti 9…12V közti szabályzást az esetek 95%-ában ún. áteresztő stabilizátor végzi – ennek alapvető tulajdonsága, hogy a fölösleges teljesítményt hőként adja le (azaz elfűti)…

tipp alapteszt 1 - Cseh Robert / TavIR - arduino,teszt,mikrokontroller — Az Arduino UNO 5V stabilizátor IC (1117-5 / 7805) minimális hűtőfelülete az áramköri lapon lyukgalvanizálva az alsó réteg felé és a hőátadást is lecsökkentve – lakkozva az ónozott rézréteget.

Az elfűtött energia a stabilizátoron fellépő feszültségesés és az átfolyó áramerősség szorzata:

P=(U_be – 5V) *I_aramkor

Az Arduino UNO külső tápfeszültségből 5V belső feszültség előállítása (schematic részlet)

A kis méretű és ráadásul lakkozott hőleadó felület miatt hőfokemelkedés indul el és így a szabályozó hővédelme akár be is kapcsolhat! (Tipp: a kisebb teljesítmény elfűtését a 9V külső tápfeszültséggel érhetjük el).

Ha a külső tápfeszültség nem szükséges – vagy úgyis a számítógépről használjuk a lapkát – az USB 5V feszültsége is biztosíthatja a működést. A PC védelme érdekében egy 500mA-es úgynevezett regenerálódó túláramvédő biztosíték került beépítésre (ismert még: polifuse, multifuse néven is), mely a túlzott áramfelvétel esetén a számítógépet megvédi.

Bármelyik külső tápellátást is biztosítjuk a lapka részére – a tápfeszültség-visszajelző LED-nek egyfolytában világítania kell (sőt, még pulzálás sem lehet!). Tipp: Ha az USB vonalon át és a külső táp felől is rendelkezésre áll az áramellátás, akkor a lapka elektronikája automatikusan a külső táplálásra kapcsol át (és ekkor az USB csak a kommunikációért felel).

Fontos! Az áram alá helyezéskor meleg vagy forró alkatrész nem lehet az áramköri lapon!

0. A soros vonal tesztje

Az áramkört a PC-re csatlakoztatva a feltöltési soros portnak meg kell jelennie az eszközkezelőben. Azonban, ha sárga felkiáltójeles eszközként jelenik meg a csatlakoztatott áramkör (Windows alatt) – akkor meghajtóeszköz-hibával állhatunk szemben. Ebben az esetben a meghajtóprogram frissítése illetve a driver ellenőrzése válik szükségessé…(Tipp: egyes régebbi operációs rendszerek esetén a meghajtóprogram telepítése nem automatikus – a felhasználónak kell megtennie.) Az USB és a sorosport illesztéséről, a működés háttérről az erről szóló tematikus cikkben lehet olvasni: Számítógép USB port – soros illesztés (és minden ami a buktatókkal együtt jár).)

Soros illesztés - eszközkezelő — Az eszközkezelőben a Portok (COM & LPT) kell látszódnia a csatlakoztatott eszköznek.

Az ellenőrzések során nem komplexen az összes rendszert egyszerre kell megvizsgálni – hisz így akár egyetlen kisebb hiba is a teljes rendszer működésképtelenségét mutatja; pedig csak egy-egy rész ellenőrzésével lehetséges lenne a hiba behatárolása. Az Arduino rendszerek kulcs funkciója, hogy a számítógéppel a soros-USB átalakítón keresztül kommunikálni lehet – elsőként ennek működőképességéről kell meggyőződni.

A vizsgálat az PC-USB funkcionális egységre kell hogy kiterjedjen – a processzor és környezete nem szabad, hogy „bekavarjon” a teszt folyamatába! Ehhez két lehetőség kínálkozik: a processzort kivesszük az áramköri lapból (klasszikus DIP tokos UNO esetén ez egyszerűen megoldható) vagy a processzort ún. RESET állapotban tartva kihasználhatjuk, hogy ekkor minden kivezetése bemenetté (illetve tri-state (ún. lebegő) állapotban levővé) válik.

Tipp: RESET gomb nyomva tartása helyett a RESET kivezetést és a GND-t a csatlakozósorban is összeköthetjük.

LoopBack és RESET bekötése — Az UNO lapon a LoopBack (D0-D1) és a RESET (GND-Reset) összekötése.

A tesztelés során a D0 és D1 kivezetéseket (Arduino soros kommunikációs vonala) összekötjük (ún. loopback tesztet hozunk létre). Az Arduino keretrendszerben az Eszközök → Port alatt az áramköri lap által használt soros portot választjuk ki, majd az Arduino terminal emulátorát megnyitva (Arduino → Eszközök → Soros monitor) kiírunk a soros vonalra valamit és elküldjük.

A küldést és a fogadást a Tx illetve Rx LED jelzi azonban a visszajövő adat az Arduino képernyőn nem minden illesztőchip használata esetén jelenik meg (pl. CH340 esetén nem látszik a vett adat)!

1. Szoftver/bootloader teszt

A legelső teszt, hogy a processzorunkkal kommunikálni tudjunk. Ideális esetben az áramkör a gyárilag beépített bootloadere még működik. Ennek ellenőrzése egyszerűen történhet: a Reset gombot megnyomva a D13 (vagy L jelzett) visszajelző LED felvillanással vagy villogással jelzi az üzemszerű működést. (Ha ez nem történik meg, akkor lehetséges hogy a processzor sérült, vagy a bootloader előre beégetett szoftvere hiányzik. Az újraprogramozást az AVR programozása külső programozóval cikk taglalja.)

A bootloader tesztelése a legegyszerűbben az Arduino keretrendszer segítségével történhet meg – valamelyik alapprogram feltöltésével. Ez célszerűen a Blink névre hallgat (Arduino → Fájl → Példák → 01.Basic → Blink útvonalon érhető el).

Az áramköri lap kiválasztása (Eszközök → Alaplap) után a kapcsolódási port (Eszközök → Port) meghatározása következik. Tipp: Az alaplap pontos meghatározása mind a processzort, mind a bootloader működését is meghatározza (pl. Arduino Nano lehet old vagy new bootloaderrel szerelt is!)

A mintaprogram feltöltése a Vázlat → Feltöltés menüben indítható. A feltöltés folyamata során a Tx és az Rx LED villogással jelzi a kommunikációt. A sikeres feltöltés végén az Arduino státuszsorában megjelenő Feltöltés kész üzenet jelzi. Hiba esetén piros kiírást látunk a fekete üzenőterületen! (Tipp: A Fájl → Beállítások → Bővebb kimenet mutatása pontban a fordításkor és a feltöltéskor is legyen kipipálva – így a fordítási és a feltöltési üzenetek is láthatóak.)

A sikeres feltöltés után a Blink program feltöltésével ellenőriztük le a bootloader és a feltöltési alapfunkciók működését. A feltöltés után a Blink programban megadott 1 másodperc világítás, 1 másodperc sötét LED a normál működést jelenti.

2. Rendszerfeszültség

Ha már a rendszerfeszültségről volt szó – azok tesztelése sem maradhat el – hiszen ha hiányzik, akkor az ugyanúgy működési problémákat okozhat. A kimutatása egyszerű: a tápfeszültség-kivezetésre 1-1 LED-et teszünk – mintegy visszajelzésként a tápfeszültség és a GND közé (persze védőellenállással).

673 supply led - Cseh Robert / TavIR - arduino,teszt,mikrokontroller — 5V; 3V3; Vin (V+) és a GND közt tápfeszültség-figyelés…

Azt, hogy a feszültség értéke megfelelő-e: egy trükkel vizsgálhatjuk nagyon könnyen. Nem, nem egy multiméter. Hanem a látást vesszük alapul, meg azt a trükköt, hogy ha azonos sorozatból származó LED-eken azonos áram folyik át, akkor azonos fényerőt produkálnak. És az emberi szem a fényeket a fényerősség különbségként is érzékeli. A trükk, hogy a LED-eket olyan tartományban használjuk, ahol kis áramváltozás is már nagy fényerőváltozást okoz (áram, mert a LED-ek előtét-ellenállásán és a LED-en levő feszültségesés az bizony áramot hajt át a LED fénykibocsátó félvezető rétegén keresztül.) Az ideális a Piros színű LED – kb. 2-3 mA átfolyó áramnál.
A vizsgálandó tápfeszültségek: a 3.3V, 5V illetve, ha szükséges a külső betáp feszültsége. Így a kapcsolás részlete a háromféle feszültség figyelésére:

Tipp (utolsó LED): az A_ref belső ADC referenciafeszültsége is ellenőrizhető. Itt beállításfüggő a névleges A_ref feszültsége: chiptől és beállítástól függően 1.1V vagy 2.56V vagy 5V lehet. (A kivezetés terhelhetősége ~5mA!). Az ábrán VCC_INT-ként jelölve.
Az I/O tesztek vizuális ellenőrzésekor nem csak az adott kivezetés működőképességét láthatjuk, hanem, az esetleges föld-, táp- vagy szomszédos kivezetésekkel való zárlat is láthatóvá válik….

3. I/O teszt

Az áramköri lapok leggyakoribb meghibásodása a ki/bemenetek sérülése. Ezt okozhatja túlterhelés, rövidzár, túlfeszültség, sztatikus kisülés, induktív áramlökés, meg még jónéhány károsító hatás. A ki-/bemenetek a mikrokontroller alapú rendszerek működésének alapját képezik, hiszen a külvilág fele ezeken a kivezetéseken át lehet kommunikálni. A ki- és bemenetek az angol szaknyelvből származóan Input-Output (vagy rövidítve I/O) néven ismertek.

UNO pinout — Arduino Uno ki-/bemenetek jelölése (a funkciók feltüntetésével)

Tipp: A D0/D1 kivezetés funkcionálisan már tesztelésre került, hiszen a programkód ezen át tölthető fel.

A legegyszerűbb I/O funkcionális teszt, hogy az adott kivezetést kimenetre kapcsolva magas illetve alacsony szintre kapcsoljuk és ennek meglétét ellenőrizzük. Ha ide egy LED-sort kapcsolunk, akkor gyakorlatilag egy futófényt hozhatunk létre. Ha a kimenetre mind a magas, mind az alacsony állapotra egy LED-et kötünk be, akkor alacsonyra és magasra állítva is kigyújthatunk egy LED-et. Ha a kivezetés szakadt vagy bemenetre állított, akkor mindkét LED halványan világít. Ez így leírva bonyolult, de a megvalósítás kapcsolási rajza szemléletessé teszi:

A kontroller minden kivezetése alapesetben bemeneti állapotban található – Reset után a standard, belső funkcionális hardware alapinicializálás miatt (lásd bővebben a kontroller adatlapjában). Ezt az alapállapotot természetesen utána a futó programból át lehet állítani.

Reset állapot

Fontos! A reset gombot nyomva tartva van a mikrokontroller Reset állapotban tartható. A gomb elengedése után a bootloader programja kezd futni – ebben a programban a D13 visszajelző LED kimeneti állapotba kerül, a D0/D1 kivezetés pedig a soros kommunikációhoz inicializálódik.

A haladó információk iránt érdeklődőknek egy kis kiegészítés:
A reset gomb elengedése után (vagy a tápfeszültség megjelenésekor) az órajel stabilizálódik (Ennek ideje a kontroller konfigurációs biztosítékbiteknél 65msec + 254 órajel az Arduinohoz konfigurálás esetén). Ezzel párhuzamosan a tápfeszültség is figyelésre kerül és ha adott feszültségszint alatt van, akkor a kontroller továbbra is reset állapotban marad. Ez a tápfeszültségfüggő reset-figyelés az ún. BOD (BrownOutDetect). Ez a feszültségszint az 5V rendszerek esetén 4.3V-ra van konfigurálva. Ezért indul újra a chip például nagyobb relék meghúzásakor fellépő feszültségesés esetén.
A reset állapotot sok esemény kiválthatja – például ezek a lehetőségek az Atmega328P adatlapjából :

Ezen 4-féle lehetőség mind RESET állapotot hoz létre:

Power on reset (bekapcsolás/tápfeszültség megjelenése)
WatchDogTimer reset
Brown Out reset (feszültségfigyelés)
Külső reset

Kimenetek modellezése

A kimenetek ellenőrzése könnyen modellezhető. Ehhez elég megnézni az adatlap vonatkozó részét:

Az I/O kivezetések alapesetben bemenetek (kikapcsolt felhúzó-ellenállással), így a kivezetésen levő kettős-LED-ek halványan világítanak. A kimenetek beállítása a főprogram elején megtörténik, ugyanis a bootloader által a D0/D1 kivezetések sorosporti beállítását vissza kell állítani az alapértelmezett bemeneti I/O funkcióra (mert ugye bekapcsoláskor a bootloader – mint program, – már lefutott és átállított pár beállítást).

A teszt során a vizsgált kivezetést kimenetre kell állítani és magas/alacsony szintet adni rá. A működést szemmel lehet tesztelni.

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Serial.end();  //A D0 és D1 kivezetés felszabadul
  for(int i=0; i<19; i++){
    pinMode(i,OUTPUT);
  }
}

void loop() {
  for (int i=0;i<19;i++){
    digitalWrite(i,HIGH);
    delay(100);
    digitalWrite(i,LOW);
  }
}

void setup() {

Serial.begin(9600);

Serial.end(); //A D0 és D1 kivezetés felszabadul

for(int i=0; i<19; i++){

pinMode(i,OUTPUT);

}

void loop() {

for (int i=0;i<19;i++){

digitalWrite(i,HIGH);

delay(100);

digitalWrite(i,LOW);

}

A könnyebb illetve gyorsabb teszthez egyszerű minták is beállíthatóak – így a rendellenes működés könnyebben észrevehető (például a felváltva futó fény):

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Serial.end();    //A D0 és D1 kivezetés felszabadul
  for(int i=0; i&lt;19; i++){
    pinMode(i,OUTPUT);
  }
}

void loop() {
  for (int i=0;i&lt;19;i++){
    if ((i mod 2)== 0) {
      digitalWrite(i,HIGH);
      }
    else
      {
      digitalWrite(i,LOW);
      }
    delay(100);
    if ((i mod 2)== 0) {
      digitalWrite(i,LOW);
      }
    else
      {
      digitalWrite(i,HIGH);
      }
  }
  for (int i=1;i&lt;19;i++){
    if ((i mod 2)== 1) {
      digitalWrite(i,HIGH);
      }
    else
      {
      digitalWrite(i,LOW);
      }
    delay(100);
    if ((i mod 2)== 1) {
      digitalWrite(i,LOW);
      }
    else
      {
      digitalWrite(i,HIGH);
      }
  }
}

void setup() {

Serial.begin(9600);

Serial.end(); //A D0 és D1 kivezetés felszabadul

for(int i=0; i<19; i++){

pinMode(i,OUTPUT);

}

void loop() {

for (int i=0;i<19;i++){

if ((i mod 2)== 0) {

digitalWrite(i,HIGH);

}

else

{

digitalWrite(i,LOW);

}

delay(100);

if ((i mod 2)== 0) {

digitalWrite(i,LOW);

}

else

{

digitalWrite(i,HIGH);

}

for (int i=1;i<19;i++){

if ((i mod 2)== 1) {

digitalWrite(i,HIGH);

}

else

{

digitalWrite(i,LOW);

}

delay(100);

if ((i mod 2)== 1) {

digitalWrite(i,LOW);

}

else

{

digitalWrite(i,HIGH);

}

→ A teljes program ide kattintva letölthető. (Hosszú lenne ide beilleszteni.)

A programkódok trükkje, hogy az összes funkcionális kivezetés használható digitális I/O lábként (kivéve az Atmega328P A7/A6 lába a speciális pro mini esetén.).
A serial.* utasítások magyarázata az Arduino súgóban vagy a 60+15 nap alatt tanfolyam keretében megismerhető.

Tápfeszültség-trükk

Ha a tesztpanelt több alaplapon is használni szeretnénk, akkor univerzálisnak kell lennie. Ennek egyik sarokköve azonban, hogy egyes panelek 3.3V rendszerfeszültségűek és a bemenetein nem (vagy nem mindegyiken) viselik el az 5V feszültséget (ilyen alappanelek: Arduino Due, ESP8266/ESP32 alapú panelek, STM32 chipcsaládra épülő lapok). Az Arduino standard panelek az R3 lábkiosztás bevezetésével a rendszerfeszültséget megjelenítik az IORef lábon! Azaz a LED-ek közösített pozitív ágát elég ide kötni az 5V rendszer helyett… De ennek a következménye az, hogy a két LED működtetését meg kell tudni oldani a 3.3V tápfeszültségről.

Az IORef (VccIO) közös tápfeszültség a LED-ekhez.

Ebben a kialakításban csak a piros LED jöhet szóba, mivel ezek nyitófeszültsége a legalacsonyabb: 1.4…1.6V (Tipp: Infravörös fényben ha látunk, akkor az infraLED is megfelelő a maga ~1.2V nyitófeszültségével…). Jelen megvalósításban (lebegő I/O kivezetés esetén) a 2 db piros LED világít és a maradék feszültség: 3.3V – (2 x 1.5V) = 0.3V. Az áramkorlátozó ellenállás értéke így: 0.3V/1mA = 300Ohm. Ezt igazságosan kétfelé osztva kb. 2×150 Ohmos lesz a két ellenállás. Vagy hasonló értékű, ami a fiókban van… (100…220Ohm). Így ha az I/O kivezetésen magas vagy alacsony feszültség jelenik meg, akkor a LED-en átfolyó áram: I=(3.3V-1.4V)/100Ohm =19mA.

Optikailag, így ha az I/O kivezetés bemenet/lebeg, akkor a LED-eken ~1mA áram folyik át, míg alacsony vagy magas szinten tartott I/O kivezetés esetén ~15mA. Így a LED-ek fényereje is utal arra, hogy épp milyen állapotban van a kivezetés.

Persze, ha 3.3V-os paneleket nem kell tesztelni, akkor ez az eszmefuttatás csak egy oldalági kitérő volt…. (ami ugyanúgy alkalmas 5V rendszerek esetére is – az ellenállás javasolt értéke ekkor 2 x 1kOhm).

Lábak száma és a tesztpanel

Persze a tesztekhez nem szükséges 1000+1 shield kivitelű tesztpanelt gyártani minden egyes lapkához – a Mega shield megfelel az összes Mega, Uno, Leonardo lábkiosztású áramköri laphoz; ahogyan a Pro mini – Pro Micro lapokhoz is elég lehet egy egyszerű csupalyuk NyÁK-lapocska. Némi trükkel ezen a csupalyuk panelen a NodeMCU / D1 mini család tesztáramköre is összehozható…

1 LED-soros tesztpanel UNO kialakításhoz (kísérleti/DEMO példány)

Analóg rendszerteszt

A kapcsolás lényege – egyetlen lábcsoporton keresztül bemutatva…

A mérés három alapelven nyugszik:

A bemenetre konfigurált kivezetések nagyimpedanciás, de legalábbis MegaOhm bemeneti ellenállást képviselnek (nem terhelik a rákapcsolt külső feszültségszintű (nagy árammal meghajtott jeleket)),
Kimenetként erős meghajtást képviselnek, akár 20mA áramot is átküldhetünk rajtuk,
Az analóg bemenet >10k bemeneti ellenállású, ugyanakkor ha nagyobb bemeneti ellenállású eszköz mérésére használjuk – csak kimértékben lesz zavarérzékeny és nem romlik jelentősen a pontossága sem.

A mérési trükk: vegyünk (legalább) 3 kivezetést és ezeket azonos ellenállással kössük össze. És a közös pontot egy minimum 15x nagyobb ellenállásból álló ellenállásosztóval fél tápfeszültségere húzzuk. Így a közös pont nem „lebeg” ha mindhárom láb bemenet (input) akkor sem – ugyanakkor a 3 kimenetre állított láb az ellenállásokon keresztül el tudja húzni a közös ponti feszültségszintet. És ezt a közös pontban lévő feszültséget a beépített analóg bemeneti lábra kapcsolva mérhetjük…

	1	2	3	4	5	6	7
D7	x	1	0	0	0	1	0
D6	x	x	1	0	1	1	0
D5	x	x	x	1	1	1	0
A0 (Vcc)	1/2 Vcc	1 Vcc	1/2 Vcc	1/3 Vcc	2/3 Vcc	1 Vcc	0 GND

Az egyes állapotok igazságtáblázata a bemeneti lábak függvényében:

x – Bemenet
1 – Logikai H kimenet
0 – Logikai 0 kimenet
A0 – az analóg bemeneten mérhető feszültség (Vcc-arányban)

Tipp: a feszültségeket az IO_ref lábhoz képest is lehet mérni (Vcc helyett a közös pont az IO_ref) mérjük – így a 3.3V és 5V rendszerek is egyszerűen mérhetőek… Fontos azonban tudni, hogy a mért feszültségtartománynak a kiértékeléshez a GND és a Vcc közt kell lennie!

Programkód belső működése

A program komplex a működése során a D0/D1 kivezetésen írja vissza a PC felé az eredményt, valamint a dedikált analóg kivezetésen át történik a mérés és ehhez D2 és D3 kivezetések adják a két referencia digit kivezetéseket.

A program több fő részre tagozódik:

TEST 001 – az analóg méréshez a kivezetés nem sérült-e?
TEST 002 – a digitális lábak H szintje megfelelő-e?
TEST 003 – a digitális lábak L szintje megfelelő-e?
TEST 004 – az analóg lábak digitális H szintje megfelelő-e?
TEST 005 – az analóg lábak digitális L szintje megfelelő-e?
TEST 006 – analóg lábak analóg feszültség-mérése megfelelő-e (közép-feszültség – 2.5V)?
TEST 007 – analóg lábak analóg feszültség-mérése megfelelő-e (felső-feszültség – 3.33V)?
TEST 008 – analóg lábak analóg feszültség-mérése megfelelő-e (alsó-feszültség – 1.66V)?

A feltöltött kód kétféle módú működést tud:

Soros vonalon a részeredményeket visszaírja és kiértékel, és
Vak (soros kivezetés nélküli) módban az Ok-/hiba-kódot elvillogja.

Az eredmény képe (soros vonal):

Tesztfuttatás - hibás! — A teszt hibára futott…

És a hiba (D6 és D7 közti rövidzár) megkeresése és eltávolítása után:

Tesztfuttatás - rendben — A teszt most már sikeres, a korábbi rövidzár megszüntetésre került.

→ A teljes program ide kattintva letölthető. (Hosszú lenne ide beilleszteni.)

A digitális és analóg kivezetések ellenőrzése az alábbi logika alapján történik (lásd a programkódban sorról-sorra ellenőrizve):

az analóg jel mérése: A0 kivezetésen történik,
a D0/D1 kivezetések működőképességét feltételezzük (soros kommunikáció / program feltöltése miatt),
A digitális kimeneteken a kapcsolgatott ellenállások a D2, D3 kivezetéseken vannak (alap-ellenállások) és ezeket lehet kombinálni a D4…D19 kivezetéseken lévőkkel,
Az analóg jelszinteket az A1…A5 kivezetéseken is meg lehet mérni (ADC működési teszt).

3. Kiegészítő tesztek

A rendszerben néhány beépített eszköz még rendelkezésre áll, hogy funkcionális tesztet hajtsunk végre. A meghibásodások során az I/O hibák után a belső adattárolási hibák következnek: SRAM, Flash, EEPROM.

Az SRAM meghibásodás inkább véletlenszerű fagyásokat okoz – és az átmenetileg tárolt tartalom sérül meg pl. röntgen, háttérsugárzás, BOD nélküli tápfeszültség-ingadozás miatt. De fontos még a memóriakezelés esetleges hibakezelése is – itt az ún. heap elfogyása kritikus. Ez nem a chip hardware meghibásodására vezethető vissza, hanem a memória kihasználásának korlátaira. Bővebben a →Memóriakezelési problémák cikkben olvashatsz róla…

A Flash (program) memória sérülése programozási anomáliára vezethető vissza – például tápfeszültség-ingadozás programozás alatt. Fontos! Az újabb bootloader (Uno, Mega, stb – optiboot néven is fut, 512byte méret) nem véges tényleges Flash memória visszaolvasását ellenőrzéskor! Az összehasonlításra küldött adatot adatot adja csak vissza – nem a ténylegesen Flashba beírt adatot! A régi (old boootloader: diecimila, duemilanove, nano alaplapok esetén) végez csak tényleges Flash memóriába beírás utáni kiolvasási ellenőrzést!

EEPROM-teszt

Az EEPROM tesztelése viszonylag egyszerű, hiszem a futó programból lehet a háttértár tartalmát byte szinten módosítani. A legegyszerűbb ellenőrzés, hogy az adott memóriarekeszbe beírt adatot visszaolvassuk és összehasonlítjuk, hogy tényleg ezt írtuk-e be.

Fontos! Az EEPROM-ok élettartama nem végtelen – legkedvezőtlenebb esetben cellánként 100.000 írást garantál az adatlapja! (Cellánként és nem a teljes EEPROM területre – összesen)!

Az EEPROM írási teszt eredménye:

673 eprom ok - Cseh Robert / TavIR - arduino,teszt,mikrokontroller — EEPROM írás rendben…

vagy pedig hiba esetén:

673 eprom error - Cseh Robert / TavIR - arduino,teszt,mikrokontroller — EEPROM teszt – hiba a 1023. címen!

→ A teljes program ide kattintva letölthető. (Hosszú lenne ide beilleszteni.)

Hőfokteszt

Néhány kontroller belső hőmérővel is rendelkezik. Ezek működésének alapja, hogy egy belső diódán eső feszültség-változását lehet mérni. A szilicium-dióda esetén a változás kb. 10mV/C. A gyártási szórás miatt abszolút hőmérsékletmérésre nem alkalmas, csak a hőmérséklet változását lehet vele követni. Az analóg rendszerben érhető el – ATMega328P mikrokontroller esetén a 8. ADC csatornára van kötve.

673 adc bemenetek - Cseh Robert / TavIR - arduino,teszt,mikrokontroller — Az ATMega328P ADC blokkvázlat szintű felépítése az adatlap alapján

A folyamatos hőméréssel kontrollálható a chip működése: a hőfok megszaladása jelentős (külső) áramra, zárlatra utal. Így elegendő a processzor belső hőfokteszt többszöri lefutása során ellenőrizni a hőfok emelkedését. De mely chipekben van hőfokszenzor?

- ATmega8 : No
- ATmega8L : No
- ATmega8A : No
- ATmega168 : No
- ATmega168A : Yes
- ATmega168P : Yes
- ATmega328 : Yes
- ATmega328P : Yes
- ATmega1280 (Arduino Mega) : No
- ATmega2560 (Arduino Mega 2560) : No
- ATmega32U4 (Arduino Leonardo) : Yes

A programkód is egyszerű:

void setup() 
{
  Serial.begin(9600);
  ADMUX = 0xC8; // turn on internal reference, right-shift ADC buffer, ADC channel = internal temp sensor
  delay(10);  // wait a sec for the analog reference to stabilize
}

void loop() 
{
  Serial.println(averageTemperature()); // so we can debug
  delay(500); // just to slow things down a bit
}

int readTemperature() 
{
  ADCSRA |= _BV(ADSC); // start the conversion
  while (bit_is_set(ADCSRA, ADSC)); // ADSC is cleared when the conversion finishes
  return (ADCL | (ADCH &lt;&lt; 8)) - 342; // combine bytes &amp; correct for temp offset (approximate)} 
}

float averageTemperature()
{
  readTemperature(); // discard first sample (never hurts to be safe)

  float averageTemp; // create a float to hold running average
  for (int i = 1; i &lt; 1000; i++) // start at 1 so we dont divide by 0
    averageTemp += ((readTemperature() - averageTemp)/(float)i); // get next sample, calculate running average

  return averageTemp; // return average temperature reading
}

void setup()

{

Serial.begin(9600);

ADMUX = 0xC8; // turn on internal reference, right-shift ADC buffer, ADC channel = internal temp sensor

delay(10); // wait a sec for the analog reference to stabilize

}

void loop()

{

Serial.println(averageTemperature()); // so we can debug

delay(500); // just to slow things down a bit

}

int readTemperature()

{

ADCSRA |= _BV(ADSC); // start the conversion

while (bit_is_set(ADCSRA, ADSC)); // ADSC is cleared when the conversion finishes

return (ADCL | (ADCH << 8)) - 342; // combine bytes & correct for temp offset (approximate)}

}

float averageTemperature()

{

readTemperature(); // discard first sample (never hurts to be safe)

float averageTemp; // create a float to hold running average

for (int i = 1; i < 1000; i++) // start at 1 so we dont divide by 0

averageTemp += ((readTemperature() - averageTemp)/(float)i); // get next sample, calculate running average

return averageTemp; // return average temperature reading

}

Ez a processzor belső hőmérsékletének mérése nem használható a környezeti hőmérséklet leolvasására – mivel a működési melegedés is meghamisítja a mérést. Ha mégis szükség van a környezet monitorozására , az esetben lehetséges, ha a chip belső hőmérője:

frissen bekapcsolás után, vagy
10 perc alacsony áramfelvételű (idle/sleep) módban tartás után

kerül kiolvasásra. A belső hőmérsékletszenzor által visszaadott érték akkor is használható, ha a normál üzemi hőmérséklet és a környezeti hőmérséklet ismert. Ekkor a normál működés közben (terhelés és számításfüggő!) a belső hőmérséklet 1…5 fokkal emelkedik – az normál állapot. Azonban a 20 fokos emelkedés már működési problémát jelez.

Tipp: Magas hőmérsékletű helyzetekben a kalibrált hőmérséklet-leolvasás megelőzheti az áramkör illetve a teljes elektronika károsodását. A legtöbb AVR lapka működési hőmérséklethatára 85 Celsius fok – így ha a belső hőmérséklet 80 fokot eléri – egyszerűen vész-üzemmódú lekapcsolást kell indtani és hibajelet generálni.

Fontos! A belső mérődióda abszolút hőfokértéke nem pontos! A gyártási szórása magas, ezért csak a változás monitorozásra alkalmas – a korrekcióval lehetséges a kapott értéket módosítani.

673 internal temperature - Cseh Robert / TavIR - arduino,teszt,mikrokontroller — Belső hőfok mérése – kézrátétellel.

Az eredmény soros monitoron követhető. A változás oka az volt, hogy a ATMega328P chipőre az ujjamat rátettem, és a testhőmérséklet ~35 fokos felülete is melegítette a chip házát. Még semmi drasztikus beavatkozást nem végeztem. Azonban rövidzár vagy egyéb drasztikus hiba esetén a hőfokemelkedés 1-5 fok is lehet másodpercenként!

Tipp: az AVR chipek I/O kivezetései 20…40mA terhelhetőségűek és túlterhelés esetén áramgenerátor jellegű működésűek lesznek. Egyéb kontrollerek esetén is az adatlapokat kell mintaként tekinteni! Azonban az adatlapban megadott limitek összetettek: AVR esetén a táplábak, a porton levő áramigények összessége és az egyedi kivezetések áram-átvezetési képességei is különböző mértékben korlátozottak! Egyes kontrollerek esetén a magas illetve az alacsony szintű kimeneti állapotok terhelhetősége is eltérő lehet!

Zárszó

A korábbi tesztek során oda kellett figyelni, hogy a teszt teljesen jól fut-e le, és nem is egy számítógép érzékeli az eredményt. Így sok alappanel tesztje egy idő után nagyon fárasztó sok mindenre oda kell figyelni. Sokkal egyszerűbb, hogyha egy előszűréssel a jó/nemjó eredményt pl. egy LED elvillogja a panelen. A holmi úgyis tele van LED-ekkel gyárilag is – erre a célra akár a D13 kivezetésen levő LED is használható.

A trükk, hogy a LED-en a villogás a kivezetés állapotával összefügg, yg a tesztelések során ezt is időnként figyelembe kellett venni. Kettős funkció, hogy épp mérünk rajta, de ugyanakkor a villogással is jelzi a folyamatot – ez a logika nem működik (pl. I/O teszteléskor biztosan hibás eredményt kapnánk).

Azonban a tesztfolyamat végén, amikor már további tesztelés nem lesz – a D13 kivezetés LEDje már felhasználható ilyen célra. Egyszerűen kimenetre állítva a jó/nemjó állapotot villogással jelezheti (pl. jó: lassú villogás, hibás eredmény: gyors villogás). Ha pedig a részletes eredményeket kell ellenőrizni és behatárolni a hibát – ott elegendő a soros monitoron át elolvasni a részletes hibaüzenetet….

Ez a nem is olyan rövid leírás az AVR alapú lapokat járta körbe. De az Arduino alá már rengeteg egyéb rendszer is illeszthető – azok esetén szintén hasonló logikával lehetséges a jóságteszteket alkalmazni (persze igazodva a chipek sajátságaihoz).