УСО и МК 2010

41

наиболее профессионально интересные остаются вне пределов досягаемости. Видимо, это объясняется тем, что время, необходимое на формализацию профессиональных знаний при работе “тандемом”, нередко составляет до 70 процентов всего времени, требующего для получения законченного микроконтроллерного изделия.

Работа “тандемом” в огромном большинстве случаев приводит к тому, что конечный пользователь МКсистемы отказывается от своих ранее сформулированных требований на программу и утверждает , что “имелось в виду нечто похожее, но не это”. Такое положение скорее всего объясняется тем, что начало процесса программирования задач, которые ставит конечный пользователь, немедленно изменяет его собственное представление об этих задачах. Отметит попутно, что до 60 процентов ошибок прикладных программ МКконтроллеров вызваны не ошибками в машинных кодах, не логическими ошибками в программе, а ошибочной формализацией прикладной задачи. Трудоемкость устранения этих ошибок, наработанных “тандемом”(профессиональный программистнепрограммирующий профессионал), столь велика, что зачастую вынуждает приступить к разработке прикладной программы МК-системы заново и с иными средствами.

Ресурсы, затрачиваемые собственно на программирование, т.е. на получение машинных кодов, столь незначительны по сравнению с ресурсами, затрачиваемыми на процесс формализации прикладной задачи и разработку алгоритма, что следует говорить не о проблеме разработки прикладного программного обеспечения МК-систем, а о проблеме формализации профессиональных знаний конечного пользователя микроконтроллерных изделий.

Подобно тому как появление микропроцессорных и микроконтроллерных средств привело к продолжающему процессу перемещения основного объема затрат на проектирование контроллеров из сферы разработки аппаратурных средств в сферу разработки программного обеспечения, так и стремительнее расширение возможных областей применения МК приводит к перемещению центра тяжести усилий по разработке прикладного программного обеспечения с фазы реализации на фазу постановки и формализации задачи.

Сложившаяся к настоящему времени структура трудозатрат в разработке МК-систем позволяет выделить три основные стадии проектирования прикладного программного обеспечения:

•анализ предметной области с целью определения задач, автоматизация решения которых на основе МК обещает наибольший эффект;

•разработку алгоритма решения поставленной задачи (или комплекса задач);

•собственно программирование, или, точнее, сопровождение разработки прикладных программ системными средствами поддержки проектирования.

Распределение трудозатрат в процентах по этим трем стадиям выглядит примерно так: 40-50-10. Это означает,

что если первая стадия работы уже выполнена с участием специалиста по системному анализу, т.е. если задача уже поставлена, то наиболее сложной, слабо формализуемой (из-за тесной связанности с областью приложения будущей программы) и трудоемкой стадией работы является стадия анализа задачи, ее инженерной интерпретации и разработки “функциональной спецификации” программы для формирования алгоритма решения поставленной задачи. Вся последующая работа по преобразованию алгоритма в машинные коды, т.е. создание прикладного программного обеспечения, представляет собой просто совокупность процессов трансляции. Эти процессы хорошо формализуемы, и их реализация опирается на уже существующие системные средства поддержки ( трансляторы, редакторы, отладчики). Именно вследствие этого собственно программирование требует только около 10 процентов трудозатрат. Очевидно, что основную творческую нагрузку при разработке прикладных программ для МК-систем несет не профессиональный программист, а непрограммирующий профессионал-специалист в данной области знаний. Если этот специалист овладеет основными программирования и станет программирующим профессионалом, то можно ожидать, что процесс формализации его профессиональных знаний будет протекать много результативнее, чем при “игре в испорченный телефон”, т.е. при алгоритмизации прикладной задачи “тандемом”.

Ориентация на разработку прикладных программ для МК-систем силами программирующих профессионалов получает распространение еще и потому, что в условиях быстро дешевеющей памяти изменились стиль и технология разработки программ. Экономят теперь уже не память МК-системы, а время разработчика программного обеспечения, т.е. сокращают сроки разработки изделия. Вследствие этого прикладные программы, созданные программирующим профессионалом, с точки зрения профессионального программиста зачастую выглядят неуклюжими и неизящными. Но зато они обладают одним общим достоинством - они действительно работают в контроллерах, чего нельзя сказать о девяти из каждых десяти изящных программ, созданных профессиональным программистом, не могущим (по определению) быть профессионалом и в каждой конкретной предметной области знаний.

С учетом масштабов выпуска и перспектив применения средств микроконтроллерной техники выход из создавшегося положения нам видится в том, чтобы побудить специалистов, работающих в своих предметных областях знаний, взять дело разработки прикладного программного обеспечения МК-систем в свои руки полностью (при некоторой технической поддержке профессиональных программистов). Для этого нужны не очень значительные усилия и первоначальные затраты: надо прежде всего решиться взять всю полноту ответственности за программное обеспечение на свои плечи, надо овладеть одним из языков программирования и освоить “кухню” программной реализации ограниченного множества наиболее употребляемых процедур и функций данной предметной области. Вслед за этим потребуется, конечно, выработать навыки алгоритмизации более сложных процедур и функций объекта автоматизации. Однако эта задача относительно легко решается с использованием метода декомпозиции (разбиения сложной функции на множество простых взаимосвязанных функций). К подобной постановке вопроса организации разработки прикладного программного обеспечения для МК-систем приводит и вполне очевидное соображение о том. что быстрый рост числа выпускаемых МК и областей их проблемных применений не может более сопровождаться соответствующим ростом числа программистов.

42

16 МОНИТОР НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАНИЯ

Схемы мониторов напряжения питания (супервизоров) для микропроцессорных систем включают в себя различные аналоговые и цифровые функции, что позволяет заметно сэкономить время и усилия при конструировании различных устройств. Эти схемы могут показаться незначительными, но тем не менее они исполняют большинство различных служебных функций, требуемых микропроцессорам. Такие функции жизненно необходимы микропроцессорным системам, потому что они гарантируют устойчивость от отказов, связанных со сбоями по цепям питания. Некоторые из этих функций включаются в новейшие микропроцессоры, но эти микропроцессоры не всегда могут диагностировать свои собственные сбои. Чтобы система была эффективной и надежной, схема монитора питания должна находиться во внешней микросхеме супервизора.

Функции микропроцессорных супервизоров включают в себя:

−Генерацию сигнала сброса при включении питания;

−Генерацию сигнала сброса при понижении питания и во время выбросов и провалов напряжения сети;

−Защиту памяти от записи недостоверных данных;

−Выдачу предупреждения о возможной аварии питания;

−Переключение на питание от резервной батареи;

−Сторожевой таймер.

Эти функции не трудно осуществить индивидуально. Но объединение их в одно целое, заметно упрощает отладку - особенно в критических случаях. Нижеследующий обзор этих супервизорных функций показывает место занимаемое ими в микропроцессорной системе.

16.1 Генерация сигнала сброса при включении питания.

При подаче питания на микропроцессор, внутренние регистры находятся в произвольных состояниях, т.е. содержат случайные данные. Применение сигнала сброса при включении питания устраняет этот хаос, устанавливая к моменту старта все внутренние схемы в определенное состояние. Как правило, для обеспечения нормального запуска, необходимо удерживать вход RESET в состоянии НИЗКОГО логического уровня в течение 20…120 миллисекунд, в зависимости от конкретного микропроцессора.

Являясь относительно простой, внешняя схема монитора питания (Рисунок 2) должна удерживать сигнал RES в состоянии НИЗКОГО логического уровня пока напряжение питания (Vcc) находится ниже минимального уровня, разрешенного для работы. В момент запуска, например, схема начинает "отсчет" интервала задержки выдачи сигнала сброса только тогда, косца напряжение питания (Vcc) достигает своего минимально-допустимого уровня. Если временной интервал сигнала сброса начинается рано (при слишком низком напряжении) или же оканчивается раньше, чем напряжение питания достигает минимально-допустимого рабочего уровня, то в момент старта регистры цифровой схемы могут иметь произвольные состояния. Поэтому схема монитора питания включает в себя таймер, компаратор, источник опорного напряжения, и буфер, необходимый для формирования сигнала сброса на входе RESET микропроцессора.

Рисунок 2 – Структурная схема монитора напряжения питания

16.2 Генерация сброса при понижении питания и во время выбросов и провалов напряжения сети.

Однажды включившись, микропроцессор должен работать до тех пор, пока напряжение питания (Vcc) остается в пределах, оговоренных спецификациями. Но для гарантии надежной работы система должна также контролировать Vcc на предмет понижения напряжения — как на короткое так и на длительное время. Эти понижения напряжения редко обладают разрушительными последствиями, но они могут вызывать непредсказуемые действия микропроцессора, ведущие к сбою программы. Во время такой аварии компьютер теряет "разум" и в этот момент никакой гений программирования не может это исправить. Таким образом, микропроцессору нельзя доверить управление собственным сбросом и поэтому большинство надежных средств сброса должны сбрасывать его сигналом, автоматически генерируемым внешним устройством, т.е. монитором питания.

16.3 Защита памяти от записи недостоверных данных.

Аварии питания плохи, но они могут привести к потенциально худшей проблеме — во время аварии в энергонезависимую память может быть записан "мусор". Это вызывает потерю данных и программ, которые не могут быть восстановлены последующим сбросом. Чтобы предотвратить эти потери, система должна перехватить и подавить сигнал разрешения работы памяти (СЕ) во время выбросов и провалов напряжения сети. Вы могли бы подать сигнал (СЕ) и сигнал с выхода компаратора, определяющего провалы в напряжении питания, на логический элемент, выход которого формирует сигнал для входа СЕ памяти. Но никакие обычные логические элементы не смогут этого сделать, так

43

как они должны надежно работать с напряжением питания на 2 В ниже номинального Vcc. Схема супервизора обычно содержит специальный низковольтный логический элемент, служащий для получения сигнала СЕ (Рисунок 3).

Рисунок 3 – Структурная схема защиты памяти и переключения на резервное питание

16.4 Выдача предупреждения о возможной аварии питания.

Может показаться невозможным совершить профилактическое действие прежде, чем произойдет обнаружение пониженного напряжения, но стабилизаторы источника питания работают таким образом, что это становится возможным. Стабилизаторы имеют входные фильтры с конденсаторами большой емкости, которые при типовом выходном напряжении 5 В, заряжаются до напряжения (8…10)В. Этот заряд позволяет стабилизатору продолжать работать после того, как пропадет входное напряжение питания и до разряда конденсаторов до напряжения приблизительно 6.5В (или меньше, для стабилизаторов с малым падением напряжения) в течении (50…100) мс.

Таким образом возможно получить сигнал раннего предупреждения, контролируя напряжение на конденсаторе фильтра. Когда стабилизируемое напряжение падает, скажем, до 7.5 В, внутренний компаратор супервизора выдает сигнал раннего предупреждения, который дает микропроцессору время, достаточное для подготовки к состоянию аварии прежде, чем произойдет генерация сигнала сброса.

16.5 Переключение на питание от резервной батареи.

Микросхемы КМОП ОЗУ обычно питаются от того же самого источника питания 5 В, что и микропроцессор. В момент выключения микропроцессорной системы или перехода на резервное питание, ОЗУ подключается к 3 В батарее и сохраняет свое содержимое, потребляя от этого источника питания очень небольшой ток. Резервные батареи могут быть очень маленькими, потому что ток потребления памяти, который при нормальной работе составляет несколько миллиампер, при питании от резервного источника, т.е. в дежурном режиме, понижается до нескольких микроампер.

Схема, которая переключает ОЗУ с главного питания на резервное, должна постоянно находиться в активном состоянии, чтобы выполнить обратное переключение. Вместе с ОЗУ, эта схема питается от батареи и поэтому должна работать при токе потребления в несколько микроампер. Кроме низкого потребления, схема должна надежно работать при низком напряжении питания, те от сильно разряженной батареи. Тот же самое справедливо и для схемы сброса и схемы защиты памяти от записи недостоверных данных, которые остаются активными а дежурном режиме (смотри Рисунок 3).

16.6 Схемы применения супервизора PST529.

Примечания

1 Цепь из светодиода и резистора R2 является индикатором падения напряжения.

2 Выбор соответствующего конденсатора С1 и постоянной времени цепи R1C1 позволяет подобрать требуемое время задержки при включении питания.

44

17 СТОРОЖЕВОЙ ТАЙМЕР (WDT)

Программное обеспечение обычно пишется как последовательность программных модулей, связанных в непрерывное кольцо. Непредвиденная последовательность событий во время выполнения может иногда заставить программу остановиться в пределах одного модуля, бесконечно выполняя некоторую бесполезную (или возможно вредную) функцию. "Сторожевой таймер" — это схема, которая контролирует выполнение программы и запускает команду сброса, когда появляется необходимость остановки программы.

Сторожевой таймер WDT представляет собой независимый встроенный RC генератор, не требующий никаких внешних цепей. Он работает, даже если основной тактовый генератор остановлен, как это происходит при исполнении команды SLEEP. При нормальной работе сторожевой таймер по истечении заданной выдержки времени вырабатывает сигнал сброса. Если находился в режиме пониженного энергопотребления SLEEP, срабатывание сторожевого таймера выводит его из этого режима и переводит в режим нормальной работы. Функционирование сторожевого таймера может быть запрещено путем записи “0” в бит конфигурации WDTE на этапе программирования микросхем.

Чтобы использовать сторожевой таймер, надо подключить одну из линий порта микропроцессора ко входу схемы сторожевого таймера и создать такое программное обеспечение, которое записывало бы данные в этот порт несколько раз в секунду. Отсутствие изменений на своем входе в течение некоторого определенного времени сторожевой таймер интерпретирует как аварию программного обеспечения и выдает сигнал сброса системы.

Оптимальный промежуток времени зависит как от аппаратных средств микропроцессорной системы, так и от программного обеспечения. В некоторых системах сторожевой таймер активизируется только во время выполнения некоторых операций, т.к. (к примеру) нет возможности запустить его при включении системы из-за того, что микропроцессору необходимо дополнительное время для инициализации системы перед стартом главной последовательности программного обеспечения.

18 Аналого-цифровые преобразователи в составе МК

18.1 Блок схема АЦП.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) предназначен для ввода в микроконтроллер аналоговых напряжения с датчиков физических величин в диапазоне от 0 до 5 В и преобразования этих сигналов в цифровой 8—или 10разрядный код с целью последующей программной отработки. Кроме режима стандартного аналого-цифрового преобразования обеспечивается дополнительный режим так называемого порогового детектирования, когда автоматически отслеживается достижение входным сигналом заданной установки (снизу или сверху).

Упрощенная блок-схема АЦП показана на Рисунок 6.

47

20 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Микропроцессоры. В 3 кн. Кн.2. Средства сопряжения Учеб. для техн. вузов под ред. Л.Н. Преснухина М., В.

школа, 1987.

2.Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах Сташин В.В. и др. М. - Энергоатомиздат, 1990.

3.Устройства сопряжения с объектом и локальные вычислительные сети: Метод. указания к лаб. работам. Ч.1 / Владим. гос. ун-т. Сост. В.М. Дерябин. Владимир, 1998.

4.Цифровые сигнальные процессоры. Книга 1. Марков С. М.- Фирма МИКРОАРТ, 1996.