Курсовая работа (т): Разработка схемы микропроцессорной системы

Разработка схемы микропроцессорной системы

Содержание

Введение

1. Обзор литературы

2. Анализ технического задания

3. Разработка структурной схемы системы и ее описание

4. Разработка функциональной схемы системы и ее описание

4.1 Микроконтроллер ADuC812

4.2 Внешняя память E²PROM

4.3 Матричная клавиатура AK1604A-WWB

4.4 Жидкокристаллический индикатор WH1602B-NGK-CP

4.5 Часы реального времени PCF8583P

4.6 ПЛИС PM3064ATC100

4.7 Интерфейс RS232 (COM порт)

4.8 Интерфейс процессора с памятью

5. Разработка схемы электрической принципиальной системы и ее описание

. Разработка программного обеспечения

6.1 Разработка программы для микроконтроллера

6.1.1 Создание нового проекта

6.1.2 Резидентный загрузчик НЕХ202

6.1.3 Загрузка программ в лабораторный стенд SDK-1.1

6.1.4 Описание основной части кода программы для микроконтроллера

6.2 Разработка программы для ПК

Заключение

Список использованных источников

Приложение А

Приложение Б

Введение

В настоящее время жизнь современного человека уже трудно представить без электронных устройств. Они используются во всех сферах жизни и деятельности людей. В современной технике все чаще используются встраиваемые компьютерные системы, основанные на микропроцессорах и однокристальных микроконтроллерах.

Микропроцессорная система - это функционально законченное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств.

Микроконтроллер помимо центрального процессора содержит память и многочисленные устройства ввода/вывода: последовательные и параллельные каналы передачи информации, аналого-цифровые преобразователи, таймеры реального времени и т.д.

Микроконтроллеры в основном применяются в системах автоматического управления, встраиваемые в различные устройства: сотовые телефоны, фотоаппараты, телевизоры, стиральные машины, микроволновые печи и т.д.

На сегодняшний день производители микропроцессоров все больше и больше сближают их с однокристальными микроконтроллерами, сочетая в одном кристалле вычислительную мощь и возможность реализации функций контроля и управления.

Использование микроконтроллеров в оборудовании позволяет повысить производительность, качество работы, помогает снизить затраты некоторых ресурсов. Даёт возможность решать сложные проблемы программного регулирования, существенно улучшает технические и экономические характеристики автоматизированного оборудования.

1. Обзор литературы

микропроцессорный микроконтроллер программный стенд

Большинство современных устройств в своем составе имеют хотя бы один микроконтроллер.

Информационно - измерительные и управляющие цифровые и микропроцессорные системы предназначены для измерения, сбора, обработки, хранения и отображения информации с реальных объектов, а также для управления ими.

Очень полно о современных системах сбора данных описывает в своей книге А.Ю. Кузьминов «Интерфейс RS-232. Связь между компьютером и микроконтроллером». Автор этой книги разделяет современные системы сбора данных на два основных класса.

К первому можно отнести так называемые компьютерные системы сбора, когда микроконтроллер расположен в специальном устройстве сопряжения с объектом (УСО), имеющем отдельный корпус, как правило, со своим блоком питания, подключаемым к сети (220В). К этому устройству подведены кабели от датчиков, с которых снимается информация. УСО сопрягается с компьютером по интерфейсу RS-232, по которому в компьютер передаётся измерительная информация. Управление УСО осуществляется также компьютером по тому же интерфейсу, т.е. микроконтроллер получает команды от компьютера, выполняет их, и результат выполнения посылает в компьютер. Последний получает предварительно обработанную (как правило, только оцифрованную) микроконтроллером информацию, окончательно её обрабатывает и выводит результаты этой обработки на экран монитора и/или принтер. Иногда УСО может находиться на значительном удалении от компьютера (до десятков метров и более); такие системы часто называют удаленными.

Отличительные черты компьютерных систем сбора следующие:

·    Обмен информацией микроконтроллера с компьютером идет постоянно, кроме того, в некоторых случаях основная программа работы микроконтроллера может передаваться в него из компьютера; в этих условиях от интерфейса потребуется повышенные надежность и скорость обмена (115200 бод); в связи с этим обязательным является возможность программирования микроконтроллера по RS-232.

·    «Интеллектуальная» нагрузка на микроконтроллер достаточно низкая; микроконтроллер ничего не считает, ввод/вывод информации осуществляется только по интерфейсу, поэтому программа для микроконтроллера примитивна, как правило, написана на ассемблере и в очень редких случаях её объем превышает 2кбайта; основную «интеллектуальную» нагрузку несет программа, написанная для компьютера.

·        Повышены требования к точности измерений; особенно это касается точности временных характеристик: погрешности таких временных характеристик, как общее время измерений (Т), интервал времени измерений (∆Т) и т.п., как правило, не должны превышать 1мс, а в некоторых случаях (если, например, такая система используется в различного рода поверочных установках, да еще связанных с приборами коммерческого учета) должна быть на порядок выше.

·        Повышены требования к АЦП: многоканальность (не менее восьми), повышенная точность, дискретность измерений должна быть не менее 16 разрядов; АЦП должен иметь самокалибровку; перед АЦП обязательно должен располагаться низкочастотный фильтр, частота среза которого равна частоте Найквиста - Котельникова (в два раза ниже частоты дискретизации АЦП), кроме того, желательно, чтобы фильтр был еще и заграждающим, т.е. имеющим полюс (0). При этом затухание должно быть не менее |-100| дБ на частоте питающей сети (50Гц).

·        Системы, как правило, многоканальные и достаточно универсальные, т.е. имеют несколько(восемь и более) аналоговых, частотных и/или дискретных каналов.

·        Имеют свой блок питания, подключаемый к сети, потребление энергии такими системами не имеет особого значения; как правило, микроконтроллер работает при напряжении питания 5 В.

·        Выпускаются, как правило, в небольших количествах, причем, львиная доля стоимости системы приходится на программное обеспечение, написанное для компьютера, поэтому стоимость аппаратных средств (а тем более - стоимость микроконтроллера) особого значения не имеют.

Ко второму классу можно отнести так называемые автономные системы сбора, представляющие собой по существу приборы, правда, достаточно «интеллектуальные». Здесь микроконтроллер выступает в качестве основы, как аппаратных, так и программных средств. Автономные системы сбора представляют собой устройства, оснащенные не только средствами измерений (датчиками измерительной информации), сбора и обработки измерительной информации, но и средствами индикации результатов измерений (в простейших системах это может быть, например, цифровой семисегментный индикатор с несколькими цифрами, в более сложных -одно , либо двустрочный алфавитно - цифровой или матричный графический дисплей; иногда автономная система оснащается даже примитивным печатающим устройством, например - кассовый аппарат), а также средствами ручного ввода информации (например, кнопочной мембранной клавиатурой) или хотя бы примитивного ручного управления.

Автономные системы конструируются в отдельном корпусе и оснащаются своим блоком питания (во многих случаях батарейным). Часто автономные системы содержат в своем составе интерфейс сопряжения с компьютером (например, RS-232). Иногда этот интерфейс выполнен только опционально, реже он все -таки используется, но основные его задачи - плановый съём архивной информации, тестирование системы, начальное занесение в систему необходимых коэффициентов и/или режимов работы и т.п. При штатном режиме работы автономной системы интерфейс, как правило, не используется.

Отличительные черты автономных систем сбора следующие:

·    Обмен информацией с компьютером по интерфейсу (если он вообще существует) происходит время от времени и достаточно редко; от интерфейса не требуется высокое быстродействие (115200 бод); если автономная система сбора все-таки оборудована интерфейсом RS-232 для обмена информацией с компьютером, то желательна возможность программирования по RS-232.

·        «Интеллектуальная нагрузка» на микроконтроллер достаточно высокая; в связи с этим программа для микроконтроллера сложная, как правило, написана на языке Си и, хотя даже современные компиляторы Си (например, С-Keil, V.6.12-6.20) для микроконтроллера и обладают массой оптимизационных свойств (в том числе - оптимизацией объема памяти), эта программа занимает десятки килобайт программной памяти и/или памяти данных; кроме того, повышены требования и к объему ОЗУ.

·        Повышенная точность измерения временных характеристик, как правило, не требуется, зато необходим из большой временной диапазон: секунды, минуты, часы, сутки, месяцы и даже годы; это нужно для возможного архивирования результатов измерений, так как автономная система (оснащена, например, батарейным блоком питания с литиевыми элементами) может работать несколько лет.

·        Повышены требования к АЦП: многоканальность (не менее восьми), повышенная точность, дискретность измерений должна быть не менее 16 разрядов; АЦП должен иметь самокалибровку; перед АЦП обязательно должен располагаться низкочастотный фильтр, частота среза которого равна частоте Найквиста - Котельникова (в два раза ниже частоты дискретизации АЦП), кроме того, желательно, чтобы фильтр был еще и заграждающим, т.е. имеющим полюс (0). При этом затухание должно быть не менее |-100| дБ на частоте питающей сети (50Гц).

·        Не содержат большого числа однотипных измерительных каналов (как правило, число однотипных каналов не превышает трех - четырех), но число различного рода устройств, входящих в состав микроконтроллера, может быть большим (АЦП, ЦАП, таймеры/счетчики, часы, источники опорного напряжения и/или тока и т.п.), т.е. от микроконтроллера требуется повышенная универсальность.

·        Во многих случаях работают от батарейного блока питания, поэтому от микроконтроллера требуется пониженное энергопотребление; в связи с этим такие системы, как правило, работают от напряжения 3 В (литиевые батарейки).

·        Выпускаются в достаточно больших количествах, поэтому стоимости аппаратных средств (в том числе, стоимость микроконтроллера) играет важную роль, а вот стоимость программного обеспечения, которая иногда даже превышает стоимость программного обеспечения компьютерных систем (программа для микроконтроллера + программа для компьютера), существенного значения не имеет, так как распределяется на большое число устройств.

2. Анализ технического задания

Согласно ТЗ на курсовой проект необходимо разработать систему сбора данных с использованием стендов SDK 1.1 и SDX 0.9.

Исходные данные:

- число каналов 8;

источник входного сигнала - генератор звуковых частот;

диапазон частот входного сигнала (20-20000)Гц;

оцифрованные данные должны сохраняться на ЖМД ПК;

интерфейс связи с ПК - RS-232.

Записываемая на ЖМД информация должна включать:

12-разрядные оцифрованные данные;

номер канала;

время начала оцифровки данных.

По заданию на КП необходимо разработать систему сбора данных с последующей их оцифровкой и записью на жесткий магнитный диск. Система включает программную и аппаратную части. Аппаратная часть реализована на базе двух стендов и описана ниже.

Рассмотрим аппаратную часть микропроцессорного стенда SDK-1.1.

В своей основе стенд имеет микроконтроллер ADuC812BS. Процессор ADuC812 является клоном Intel 8051 со встроенной периферией.

Основные характеристики микропроцессора:

- рабочая частота 11,0592 МГц;

8-канальный 12-битный АЦП со скоростью выборок 200 K/c (в режиме ПДП);

два 12-битных ЦАП (код-напряжение);

внутренний температурный сенсор;

640 байт программируемого E²PROM со страничной организацией (256

страниц по 4 байта);

256 байт внутренней памяти данных (участок регистров общего назначения, битовый сегмент, свободный участок, участок регистров специального назначения);

адресное пространство 16 Мб;

память программ 8Кб

внешнее ОЗУ 512 Кб;

режим управления питанием;

асинхронный последовательный ввод-вывод;

интерфейс I2C;

три 16-битных таймера/счетчика и таймер WatchDog.

Внешняя E2PROM. E2PROM - перепрограммируемое электрически стираемое постоянное запоминающее устройство. Объем памяти E2PROM, установленной в стенде SDK-1.1, составляет 128 байт (возможна установка E2PROM большего объема, до 32 Кб). Микросхема E2PROM взаимодействует с процессором посредством интерфейса I2С. В таблице 1.2 дана адресация микросхем E2PROM.

Основные характеристики E2PROM:

- возможность перезаписи до 1 млн. раз;

возможность побайтной и постраничной записи (в текущей конфигурации размер страницы составляет 8 байт).

Таблица 1 - Адресация микросхем E2PROM

Адресное пространство процессора разделяется на два, не отображаемых друг на друга участка - внешнюю память и внутреннюю. На рисунке 1 показана схема распределения памяти в SDK-1.1. На представленной схеме внутренняя память расположена в левой части, а внешняя - в правой части.

Рисунок 1. Схема распределения памяти SDK-1.1

Внутренняя память. Микропроцессор ADuC812BS,являясь аналогом процессора Intel 8051, унаследовал типичную для процессоров этого семейства структуру организации внутренней памяти. Внутренняя память (256 байт) разделена на 4 участка:

- участок регистров общего назначения;

битовый сегмент;

свободный участок;

участок регистров специального назначения.

В таблице 2 содержится информация о распределении внутренней памяти в SDK-1.1.

Стандартная для архитектуры 8051 структура внутренней памяти представлена четырьмя банками по восемь регистров общего назначения (диапазоны адресов 00h-07h, 08h-0Fh, 10h-17h, 18h-lFh), битовым сегментом (20h-2Fh), свободным участком 30h-7Fh, областью размещения SFR (регистров специального назначения) 80h-FFh, доступной при прямой адресации, и свободной областью 80h-FFh, доступной при косвенной адресации.