ВИмоги до оформлення курсового проекту
Результати проектування повинні бути представлені в записці розрахункового пояснення об'ємом до 40 сторінок тексту на листах формату А4 і в графічній частині об'ємом 1 аркуш формату А1.
Пояснювальна записка повинна бути оформлена відповідно до ГОСТ 2.105-85 «Загальних вимог до текстових документів», а також ДСТУ 3008-95. "Документація. Звіти у сфері науки і техніки".
Порядок проходження розділів повинен відповідати таким, що приводиться в завданні на проектування. Всі розрахунки повинні виконуватися з приведенням розрахункових формул і підстановкою в них цифрових даних, з вказівкою результатів, їх одиниць вимірювання в системі СІ. Текст записки пояснення необхідно писати чітко чорним чорнилом або виконувати в машинописному вигляді за допомогою ПЕОМ. Схеми, малюнки, таблиці, що приводяться в тексті повинні бути виконані відповідно до вимог ДСТУ 3008-95. В кінці записки приводиться перелік посилань на літературу, яку студент використовував при виконанні роботи.
Розрахунок, побудову графіків і залежностей рекомендується здійснювати за допомогою прикладного математичного програмного пакету MATHCAD або MatLab.
Графічна частина повинна бути виконана з дотриманням вимог ГОСТ 2.743-82 «Схеми цифрової техніки», ГОСТ 2.759-82 «Схеми аналогової техніки», ГОСТ 2.721-74 «Позначення умовні графічні загального застосування», ГОСТ 19002-80, 19003-80 «Правила виконання блок-схем алгоритмів», ГОСТ 2.702-75 «Правила виконання електричних схем», ГОСТ 2.710-81 «Позначення буквено-цифрові в електричних схемах» та ін.
Загальний розділ
3.1 Загальні відомості про ЕОМ
В даному розділі потрібно навести основні параметри сучасних контролерів, які можна використати при проектуванні опираючись на технічне завдання на проектування. Зробити висновки та обрати потрібний контролер. Приклад наведено нижче.
В останні роки при розробці систем управління об'єктами різного типу та рівня складності все більше уваги приділяється мікроконтролерній техніці. Це пов'язано з її бурхливим розвитком і широким асортиментом пропонованої продукції. Використання мікроконтролерів дозволяє конструювати пристрої, що володіють такими якостями, як невеликі габарити, відносна дешевизна, простота і надійність, сумісність з персональним комп'ютером через стандартні інтерфейси.
При розробці пристрою виникає необхідність у виборі мікроконтролера, що задовольняє вимогам по продуктивності, надійності, умовам застосування і т.д.
Вибір мікроконтролера (МК) є одним з найбільш важливих рішень, від яких залежить успіх або провал усього проекту. При виборі мікроконтролера існують численні критерії, більшість з яких представлені в цьому розділі.
Основна мета - обрати контролер з мінімальною ціною (щоб знизити загальну вартість системи), але в той же час задовольняє системної специфікації, тобто вимогам по продуктивності, надійності, умовам застосування і т.д. Загальна вартість системи включає все: інженерне дослідження та розробку, виробництво (комплектуючі і праця), гарантійний ремонт, оновлення, обслуговування, сумісність, простоту в обігу і т.д.
Другий крок - пошук мікроконтролерів, які задовольняють всім системним вимогам. Він звичайно включає підбір літератури, технічних описів і технічних комерційних журналів, а також демонстраційні консультації.
Остання стадія вибору складається з кількох етапів, мета яких - звузити список прийнятних мікроконтролерів до одного. Ці етапи включають в себе аналіз ціни, доступності, засобів розробки, підтримки виробника, стабільності та наявності інших виробників.
Проведення системного аналізу проекту дозволяє визначити вимоги до мікроконтролера:
розрядність обчислювального ядра;
набір вбудованих периферійних пристроїв (таймери, АЦП і т.п.);
наявність бітових операцій;
апаратна організація обробки даних (структура машинного циклу, співвідношення тактів ГТВ і машинних циклів);
можливість роботи по перериванням, за зовнішніми сигналами готовності або по командах людини;
кількість керованих портів введення /виводу, характер передачі - байт або бітів, програмна настройка напрямку передачі;
тип пристроїв введення /виводу, якими повинен управляти обирають МК в проектованої системі (термінали, вимикачі, реле, клавіші, датчики, цифрові пристрої візуальної індикації, аналогово - цифрові й цифро - аналогові перетворювачі, модулятори і т.д.);
підтримувані способи завантаження програм в контролер, можливість внутрішньо системного програмування (ISP), використання при цьому стандартизованих інтерфейсів (SPI, I2C);
кількість і тип напруги живлення;
відмовостійкість джерела живлення;
масогабарітне та естетичні обмеження;
умови навколишнього середовища, необхідні для експлуатації.
Вибір прикладної мови програмування (наприклад, С або Паскаль замість асемблер) може сильно вплинути на продуктивність системи, яка потім може диктувати вибір 8 -, 16 - або 32-розрядної архітектури.
Тактова частота або, більш точно, швидкість шини визначає, скільки обчислень може бути виконана за одиницю часу. Деякі контролери мають вузький діапазон можливої тактової частоти, в той час як інші можуть працювати аж до нульової частоти. Іноді вибирається спеціальна тактова частота, щоб згенерувати іншу тактову частоту потрібну в системі, наприклад, для завдання швидкостей послідовної передачі (згадати 11059,2 кГц).
В основному, обчислювальна потужність, споживана потужність і вартість системи збільшуються з підвищенням тактової частоти. Ціна системи при підвищенні частоти збільшується із-за вартості не тільки мікроконтролера, але також і всіх потрібних додаткових мікросхем, таких як ROM, RAM, PLD та контролери шини.
При виборі МК важливо також взяти до уваги технологію, з використанням якої виготовлено процесор МК: N-канальний метал-оксид-напівпровідник (NMOS) в порівнянні з комплементарних MOS високого ступеня інтеграції (HCMOS). На відміну від ранніх NMOS - процесорів, в HCMOS сигнали змінюються від 0 до значення напруги живлення. Так як ця обставина може значно впливати на рівень перешкод у схемі, звичайно віддається перевага процесорам HCMOS. Крім того, HCMOS споживає меншу потужність і, таким чином, менше нагріваються. Геометричні розміри HCMOS менше, що дозволяє мати більш щільні схеми і, таким чином, працювати при більш високих швидкостях. Більш щільний дизайн також зменшує вартість, так як на кремнієвій пластині того ж розміру можна зробити більшу кількість чіпів. З цих причин більшість мікроконтролерів сьогодні виробляються з використанням HCMOS - технології.
Щоб досягти більш високого рівня інтеграції та надійності при більш низькій ціні, всі контролери мають вбудовані додаткові пристрої. Ці пристрої під керуванням мікропроцесорного ядра мікроконтролера виконують певні функції. Вбудовані пристрої підвищують надійність, тому що вони не вимагають ніяких зовнішніх електричних ланцюгів. Вони попередньо тестуються виробником і звільняють місце на платі, так як всі електричні з'єднувальні ланцюга виконані на кристалі, в мікроконтролері. Деякими з найбільш популярних внутрішньо схемних пристроїв є пристрої пам'яті, таймери, системний годинник /генератор і порти вводу - виводу (I /O). Пристрої пам'яті включають оперативну пам'ять (RAM), постійні запам'ятовуючі пристрої (ROM), перепрограмуєму ROM (EPROM), електричне перепрограмовану ROM (EEPROM) і електричне стираємо пам'ять (EEM). Термін EEM відноситься до інженерно розвивається версії мікроконтролера, де EEPROM замінює ROM, щоб зменшити час розробки. Під таймером розуміють як годинник реального часу, так і пристрої періодичного переривання. Слід брати до уваги діапазон дозволу таймера, так само як і інші під функції, такі як порівняння стану таймера та /або вхідних ліній вимірювання сигналу.
До пристроїв введення-виведення відносять послідовні порти зв'язку, паралельні порти (I /O лінії), аналого-цифрові перетворювачі (A /D), цифро-аналогові перетворювачі (D /A), драйвери рідкокристалічного екрана (LCD) і драйвери вакуумного флуоресцентного екрану (VFD). Іншими, рідше використовуються, вбудованими ресурсами є внутрішня /зовнішня шина, таймер стеження за нормальним функціонуванням системи (COP), сторожова схема, система виявлення відмов тактового генератора, вибираємо конфігурація пам'яті та системний інтеграційний модуль (SIM). SIM звичайно замінює зовнішню логіку, необхідну для взаємодії із зовнішніми пристроями через обрані контакти мікросхеми.
В більшість мікроконтролерів з внутрішньо схемні ресурсами включається блок конфігураційних регістрів для управління цими ресурсами. Хоча конфігураційні регістри можуть спочатку злякати своєю складністю, вони дуже цінні завдяки гнучкості при низькій вартості, так що одному мікроконтролера можна знайти різні застосування.
Адресний простір
В даному розділі потрібно розглянути загальні відомості про адресний простір ЕОМ та адресний простір контролера який було обрано відповідно до технічного завдання. Розглянемо на приладі контролера К1816ВЕ51.
Якщо адресна шина містить всього три сигнальні лінії, то по ній можна передати 23 = 8 різних адрес: 000, 001, 010, 011, 100, 101, ПО, 111. При чотирьох лініях число можливих станів шини складає 24 = 16: 0000, 0001 ..., 1111; при 16 лініях число можливих станів складає 216 = 65536 = 64К, де D= 210=1024.
Адресним простором є впорядкована безліч код 0, 1, 2..., (2n — 1); де n — число адресних ліній. Цю множину для наочності представляють у вигляді відрізання числової осі або у вигляді таблиці. Нумерація крапок, або «осередків», адресного простору при його графічному уявленні проводиться від низу до верху або зверху вниз (що зручніше) в десятковій, восьмирічній або шістнадцятирічній формі.
На рисунку 1.1 приведено представлення адресного простору: а – у вигляді відрізання числової осі; б – у вигляді таблиці з числом стовпців m, рівним розрядності шини даних.
Рисунок 1.1 – Зображення адресного простору
На рисунку 1.2 приведено ділення адресного простору: а — одним старшим розрядом адреси на дві частини; б — двома старшими розрядами адреси на чотири частини; у — трьома старшими розрядами адреси на вісім частин.
Рисунок 1.2 - Ділення адресного простору
Адресний простір визначає число можливих відмітних один від одного кодових комбінацій (адрес), які може видати на адресну шину активний пристрій. Це, звичайно, не означає, що кожній такій комбінації відповідає програмно доступний елемент. Адресний простір визначає лише потенційні можливості системи – максимальне число програмно-доступних елементів, які можуть бути присутніми в ній. Тому адресний простір можна порівняти з порожнім або частково заповненим приміщенням бібліотеки, в якому можна розмістити, наприклад, не більш за 64К книги.
Старший двійковий розряд адреси ділить адресний простір на дві рівні частини (рис. 1.2, а), два старші розряди ділять його на чотири рівні частини (рис. 1.2, б), три старші розряди – на вісім рівних частин (рис. 1.2, в) н т.д. Шістнадцять розрядів адреси ділять адресний простір ємкістю 64К на 64К частин по одному осередку.
Якщо процесор звернеться в будь-який незайнятий осередок адресного простору, то він не отримає у відповідь сигналу (у «загальній шині »— сигналу SSYN) і «зависне». Щоб стан зависання не тривав дуже довго, в процесорі зазвичай передбачається схема формування штучної відповіді, яка після закінчення, наприклад, 10 мкс примусово завершує цикл обміну по магістралі і примушує процесор перейти до спеціальної програми реакції на зависання. В ході виконання цієї програми операторові може бути видане повідомлення у вигляді друкарського тексту або виконані будь-які інші дії, визначувані програмою.
Всі контролери сімейства MCS-51 мають Гарвардську архітектуру, тобто роздільний адресний простір програм і даних. Таке розділення дозволяє здійснювати доступ до пам'яті даних по 8-бітових адресах, що сприяє швидшій обробці даних в ЦП. Проте, можливе використання і 16-бітових адрес даних.
Програмна пам'ять, карта якої представлена на рисунку 1.3, доступна виключно по читанню. Загальний об'єм її адресного простору складає 64 кбайт. У різних версіях кристалів може бути присутнім до 32 кбайт внутрішньої пам'яті програм. При зверненні до цих областей пам'яті використовуються цикли обміну по внутрішній магістралі мікроконтролера. При необхідності можна розширити пам'ять програм за рахунок зовнішнього ПЗП.
-
FFFFh
Зовнішній ПЗП
Зовнішній ПЗП ЕА=0
Внутрішній ПЗП ЕА=1
0000h
Рисунок 1.3 – Карта пам'яті програм
Після сигналу RESET мікроконтролер починає виконання програми з адреси 0000h або зовнішньою або внутрішній пам'яті програм, залежно від стану сигналу EA.
Пам'ять даних (Рисунок 1.4) доступна як по читанню, так і по запису. Загальний об'єм її адресного простору складає 64 Кбайта. Адреса може мати розмір 1 або 2 байти. Однобайтна адресація часто використовується при сторінковій організації ОЗП.
-
FFFFh
Зовнішня пам'ять даних
0100h
00FFh
Внутрішня пам'ять даних
0000h
Рисунок 1.4 – Карта пам'яті даних
Внутрішня пам'ять даних (Рисунок 1.5) може бути розділена на три умовні блоки – нижній, верхній і простір регістрів спеціальних функцій (SFR).
-
FFh
80h
Верхня область внутрішнього ОЗП (доступна в режимі непрямої адресації)
Область регістрів спеціальних функцій (доступна в режимі прямої адресації)
7fh
00h
Нижня область внутрішнього ОЗП (доступна в режимах прямої і непрямої адресації)
Непряма адресація
Пряма адресація
Рисунок 1.5 – Карта внутрішньої пам'яті даних
Внутрішня пам'ять даних завжди адресується байтом, що має на увазі 256 байт адресного простору. Проте фактично можна звертатися до 384 байтів. Пряма адресація осередку з адресою зверху 7Fh здійснює доступ до області регістрів спеціальних функцій, а непряма – до верхньої області внутрішньої пам'яті даних. Тобто ці дві області займають один і той же адресний простір, хоча і розділені фізично. Всі байти в нижній 128-байтной половині внутрішньої пам'яті даних можуть адресуватися як прямо, так і побічно (Рисунок 1.6).
Перші 32 байти в нижній області внутрішнього ОЗП згруповано в 4 банки по 8 регістрів. Інструкції програми можуть оперувати з ними як з регістрами загального призначення R0-R7. Два біта регістра PSW визначають, який з банків використовується у нинішній момент. Це дозволяє ефективніше використовувати пам'ять програм, оскільки регістрові інструкції коротші, ніж пряма адресація. Перемикання регістрових банків ефективно замінює операції збереження регістрів в стеку на час обробки переривання.
Наступні за регістровими банками 16 байт утворюють блок побитно простору, що адресується. Набір інструкцій MCS-51 містить широкий набір операцій над бітами, а 128 битий (16 байт по 8) в цьому блоці можуть бути прямо адресовані. Бітові адреси мають значення від 00h до 7Fh.
Для 16 адрес в просторі SFR є можливість як бітової, так і байтової адресації. Бітовими регістрами, що адресуються, є ті, чия шістнадцятирічна адреса закінчується на “0” або “8”. Бітові адреси в цій області розташовуються із значення 80h по 0FFh.
7Fh ... 30h
Область
внутрішнього ОЗП, що побайтно
адресується
Побітно-адресуєма
область внутрішнього ОЗП
2Fh
7Fh
7Eh
7Dh
7Ch
7Bh
7Ah
79h
78h
2Eh
77h
76h
75h
74h
73h
72h
71h
70h
2Dh
6Fh
6Eh
6Dh
6Ch
6Bh
6Ah
69h
68h
2Ch
67h
66h
65h
64h
63h
62h
61h
60h
2Bh
5Fh
5Eh
5Dh
5Ch
5Bh
5Ah
59h
58h
2Ah
57h
56h
55h
54h
53h
52h
51h
50h
29h
4Fh
4Eh
4Dh
4Ch
4Bh
4Ah
49h
48h
28h
47h
46h
45h
44h
43h
42h
41h
40h
27h
3Fh
3Eh
3Dh
3Ch
3Bh
3Ah
39h
38h
26h
37h
36h
35h
34h
33h
32h
31h
30h
25h
2Fh
2Eh
2Dh
2Ch
2Bh
2Ah
29h
28h
24h
27h
26h
25h
24h
23h
22h
21h
20h
23h
1Fh
1Eh
1Dh
1Ch
1Bh
1Ah
19h
18h
22h
17h
16h
15h
14h
13h
12h
11h
10h
21h
0Fh
0Eh
0Dh
0Ch
0Bh
0Ah
09h
08h
20h
07h
06h
05h
04h
03h
02h
01h
00h
1Fh ... 18h
Регістровий
банк 3
17h ... 10h
Регістровий
банк 2
0Fh ... 08h
Регістровий
банк 1
07h ... 00h
Регістровий
банк 0
Рисунок 1.6 – Карта нижньої області внутрішнього ОЗП
Канальні сигнали ЕОМ
В даному розділі потрібно навести інформацію про сигнали каналу адреси даних та управління обраного контролеру за формою наведеною нижче.
До канальних сигналів можна віднести сигнали приведені в таблиці 1.1.
Таблиця 1.1 – Канальні сигнали ЕОМ
Назва сигналу |
Значення сигналу |
P0.0/AD0-P0.7/AD7 |
Мультиплексна шина адреса-даних |
P1.0/T2 |
Зовнішній рахунковий вхід-вихід таймера T2 |
P1.1/T2EX |
Введення таймера T2, що управляє |
P1.2/ECI |
Зовнішній рахунковий вхід масиву PCA |
P1.3/CEX0 |
Вхід-вихід модуля PCA0 |
P1.4/CEX1 |
Вхід-вихід модуля PCA1 |
P1.5/CEX2 |
Вхід-вихід модуля PCA2 |
P1.6/CEX3 |
Вхід-вихід модуля PCA3 |
P1.7/CEX4 |
Вхід-вихід модуля PCA4 |
P2.0/A8-P2.7/A15 |
Старший байт шини адреси для доступу до зовнішньої пам'яті |
P3.0/RXD |
Вхід послідовного порту |
P3.1/TXD |
Вихід послідовного порту |
P3.2/ |
Зовнішній вхід запиту переривання 0 |
P3.3/ |
Зовнішній вхід запиту переривання 1 |
P3.4/T0 |
Зовнішній рахунковий вхід таймера 0 |
P3.5/T1 |
Зовнішній рахунковий вхід таймера 1 |
P3.6/ |
Строб запису в зовнішню пам'ять даних |
P3.7/ |
Строб читання в зовнішню пам'ять даних |
