7.5.Однокристальные микроЭвм

Специализированные МК класса «Motor Control» представляет собой единство трех составляющих (рис. 7.5): процессорного ядра с блоками памяти программ и данных; некоторого набора периферийных модулей; который может изменяться от модели к модели портами ввода-вывода, многорежимными таймерами с функциями входного захвата и выходного сравнения и многоканальными АЦП; специализированного модуля ШИМ-генератора, который характерен только для МК «Motor Control».

МК для управления двигателями класса «Motor Control» выпускают следующие фирмы: «Texas Instruments», «Analog Devices», «Motorola», «Infineon», «Intel», «Hitachi», «Mitsubishi» (Microchip). Основной классификационный признак МК общего назначения — разрядность и архитектура процессорного ядра. Поскольку процессорное ядро МК для управления электроприводом в большинстве случаев не является специально разработанным, а заимствуется от МК общего назначения, то и МК «Motor Control» делят на следующие группы: 8-разрядные, 16-разрядные и DSP. DSP «Motor Control» — это МК с процессорным ядром, архитектура которого ориентирована на алгоритмы цифровой обработки сигналов, а набор периферийных модулей аналогичен рассмотренному.

Группа 8-разрядных МК невелика, это направление развивают фирмы: «Motorola», «Infineon»,(Microchip).

7.6. Микроконтроллеры серии pic16

Рассмотрим микроконтроллеры фирмы MICROCHIP cерии PIC интересные доступностью цены и простотой в освоении и применении.

Все микроконтроллеры серии PIC (Peripheral Interface Controller - периферийный контроллер интерфейса) построены по так называемой Гарвардской архитектуре, когда используются раздельные области памяти и шины для данных и для команд. Это позволяет одновременно, за один цикл, получать доступ, как к памяти команд, так и к данным. Кроме того, существует двухступенчатый конвейер, который обеспечивает одновременное исполнение команды и выборку следующей. Все команды, кроме команд перехода, выполняются за один машинный цикл. Переходы, включая возврат из подпрограмм, выполняются за два цикла.

Система команд высокосимметрична, то есть позволяет выполнять любую операцию над любым регистром с применением любого спосо­ба адресации. Такая система команд значительно упрощает процесс программирования, сокращает объем программы и увеличивает про­изводительность.

Память программ располагается на кристалле и снабжается битом защиты. Микроконтроллеры выпускаются в отладочном, однократно программируемом и масочном вариантах.

Отладочные кристаллы бывают как с электрически стираемой FLASH- памятью, так и с ультрафиолетовым стиранием. Наиболее удобны для отладки микроконтроллеры с FLASH-памятью, позволяющие быстро и многократно перепрограммировать контроллер, внося изменения в программу.

Однократно программируемые контроллеры дешевле отладочных и позволяют пользователю самому записать в них окончательную версию программы, что удобно при мелкосерийном производстве. Кроме того, некоторые однократно программируемые контроллеры дополнительно имеют EEPROM (электрически перепрограммируемое ПЗУ) памяти данных, что позволяет, даже после записи программы в кристалл, изменять константы программы, например, код доступа к сигнализации, частоты передатчика/приемника, частоту вращения двигателя и т. д. Таким образом, осуществляется индивидуальная настройка устройства. Такие контроллеры имеют в маркировке букву F, например PIC16F.

Масочно программируемые кристаллы имеют самую низкую стоимость и программируются при изготовлении крупных партий на заводе фирмы Microchip.

Некоторые микроконтроллеры обладают специальными функциями: встроенный драйвер ЖКИ, до 16-ти каналов АЦП, ШИМ, поддержка протоколов I²С™ и SPI™, контроль за напряжением питания и т. д.

Для написания и отладки программ удобно использовать фирменный пакет - интегрированную среду разработчика MPLAB-IDE, включающую в себя редактор, ассемблер и программный симулятор с возможностью пошаговой отладки. Также поддерживается фирменный программатор и внутрисхемный эмулятор. MPLAB-IDE распространяется бесплатно и может быть загружен с сайта производителя www.microchip.com или с сайта российского дистрибьютора www.microchip.ru.

Микроконтроллеры PIC16F8x могут программироваться непосредственно на плате устройства, что позволяет отлаживать программу либо записывать константы и калибровочные данные. Для программирования на плате необходимо максимум пять проводов: питание 5 В, напряжение программирования, последовательные данные, тактирующие импульсы. Микроконтроллер РIC16F имеют функциональную схему, приведенную на рис. 7.6, включающую: АЛУ, регистры , память, порты ввода- вывода, таймеры, АЦП, генератор и делители частоты.

PIC16 имеет следующие параметры и режимы.

Высокоскоростную RISC архитектуру:

• 35 инструкций;

• все команды выполняются за один цикл, кроме инструкций переходов, выполняемых за два цикла;

• тактовая частота: DC – 20 МГц, тактовый сигнал DC – 200 нс, один машинный цикл;

• до 8к х 14 слов FLASH памяти программ; до 368 х 8 байт памяти данных (ОЗУ); до 256 х 8 байт EEPROM памяти данных;

Систему прерываний (до14 источников):

• 8-уровневый аппаратный стек;

• сторожевой таймер WDT с собственным RC генератором;

• программируемая защита памяти программ;

• режим энергосбережения SLEEP;

• выбор параметров тактового генератора;

• высокоскоростная, энергосберегающая CMOS FLASH/EEPROM технология;

• полностью статическая архитектура;

Рис 7. 6. Функциональная схема PIC16F

• программирование в готовом устройстве (используется два вывода микроконтроллера);

• низковольтный режим программирования;

• режим внутрисхемной отладки (используется два вывода микроконтроллера);

• широкий диапазон напряжений питания от 2,0 В до 5,5 В;

• повышенная нагрузочная способность портов ввода-вывода (25 mА малое энергопотребление: < 0,6 mА

Характеристика перифирийных модулей:

• таймер 0: 8-разрядный таймер/счетчик с 8-разрядным программируемым предделителем;

• таймер 1: 16-разрядный таймер/счетчик с возможностью подключения внешнего резонатора;

• таймер 2: 8-разрядный таймер/счетчик с 8-разрядным программируемым предделителем и выходным делителем;

• два модуля сравнение/захват/ШИМ (ССР): 16-разрядный захват (максимальная разрешающая способность 12,5 нс); 16-разрядное сравнение (максимальная разрешающая способность 200 нс); 10-разрядный ШИМ;

• многоканальное 10-разрядное АЦП;

• последовательный синхронный порт MSSP ведущий/ведомый режим SPI ведущий ведомый режим I²C;

• последовательный синхронно-асинхронный приемопередатчик USART с поддержкой детектирования адрес

• ведомый 8-разрядный параллельный порт PSP с поддержкой внешних сигналов RD, WR, CS (только в 40/44-выводных микроконтроллерах).

Рассмотрим особенности отдельных блоков схемы.

Регистры специального назначения. С помощью семи регистров специального назначения (POR, OST, PWRT, WDT, BOR, ICD, LVP) выполняется управление функциями ядра и периферийными модулями микроконтроллера. Регистры специального назначения реализованы как статическое ОЗУ.

Порты ввода-вывода. У микроконтроллеров PIC16F есть пять портов: PORT A, B, C, D E. Некоторые каналы портов ввода-вывода мультиплицированы с периферийными модулями микроконтроллера. Когда периферийный модуль включен, вывод не может использоваться как универсальный канал ввода-вывода. Работу портов рассмотрим на примере порта А, схема которого состоит из двунаправленного буферного усилителя и регистра TRISA. PORT A - 6-разрядный порт ввода вывода. Все каналы PORT A имеют соответствующие биты направления в регистре TRISA, позволяющие настраивать канал как вход или выход. Запись 1 в TRISA переводит соответствующий выходной буфер в 3-е состояние. Запись '0' в регистр TRISA определяет соответствующий канал как выход, и содержимое защелки PORTA передается на вывод микроконтроллера (если выходная защелка подключена к выводу микроконтроллера).

Чтение регистра PORT A возвращает состояние на выводах порта, а запись производится в защелку PORT A. Все операции записи в порт выполняются по принципу «чтение - модификация - запись», т. е. сначала производится чтение состояния выводов порта, затем изменение и запись в защелку.

Каналы PORT A мультиплицированы с аналоговыми входами АЦП и аналоговым входом источника опорного напряжения Vref.

Биты регистра TRISA управляют направлением каналов PORT A, даже когда они используются как аналоговые входы. Пользователь должен удостовериться, что соответствующие каналы PORT A настроены на вход при использовании их в качестве аналоговых входов.

Назначение выводов всех портов приведено в табл. 7.3