Основні задачі функціонально-логічного і програмного рівнів:
деталізація функцій, що виконуються кожним блоком і пристроєм;
розробка функціональних і принципових схем всіх пристроїв;
алгоритмічна реалізація функцій, що виконуються програмним шляхом, і представлення алгоритмів на одній з прийнятих алгоритмічних мов або Асемблері;
синтез контролюючих і діагностичних тестів.
На схемотехнічному і мікропрограмному рівнях розробляються принципові схеми та найпростіші програмні модулі, здійснюється запис робочих програм в постійний запам’ятовуючий пристрій (ПЗП) ОМК.
Конструкторський аспект включає в себе ієрархічні рівні проектування стояків, панелей, типових елементів заміни (ТЕЗів), модулів і кристалів інтегральних мікросхем.
Технологічний аспект включає в себе ієрархічні рівні визначення принципової схеми технологічного процесу, тобто складу і послідовності етапів виготовлення МКС, розробку маршрутів технологічних процесів, визначення складу і послідовності операцій, вибір баз і групи технологічного обладнання, проектування технологічних операцій.
Блоково-ієрархічний підхід, розглянутий вище, дозволяє досить просто розподілити, у разі необхідності, інтелект пристроїв або систем між декількома мікроконтролерами. При цьому кожну глобальну задачу або навіть задачу меншої розмірності можна "доручити" вирішувати окремому мікроконтролеру. Очевидно, що в цьому випадку неминуче виникає задача організації хороших інтерфейсних зв'язків як між окремими ОМК і МКП, так і між МКП і ЕОМ, що знаходяться на більш високому рівні ієрархії в МКС (наприклад, в локальних керуючих мережах на основі ОМК). Причому, для зв'язку ОМК в межах одного МКП доцільно використати більш прості (нестандартні) інтерфейси. Стандартні ж інтерфейси типу I2C або RS-232 краще використовувати для обміну даними між МКП або МКП і ЕОМ в межах однієї МКС.
На кожному із рівнів, що розглядаються, розробнику доводиться вирішувати задачі синтезу і аналізу. Метою задачі синтезу є отримання конкретних варіантів апаратури, що проектується, а метою задачі аналізу – вивчення властивостей варіантів апаратури та їх оцінка.
Відрізняють структурний і параметричний синтез. Мета структурного синтезу – отримання структури пристрою, тобто складу елементів і способу зв'язку їх між собою. Задачу вибору оптимальної структури називають структурною оптимізацією. Мета параметричного синтезу – визначення числових значень параметрів елементів і пристроїв, причому задачу отримання оптимальних значень параметрів називають параметричною оптимізацією.
При вирішенні задач аналізу використовують моделі системи, що проектується. Відрізняють фізичні та математичні моделі. Фізичними моделями є різного роду макети, стенди. Математична модель – це сукупність математичних об'єктів (чисел, змінних, векторів, множин тощо...) та відношення між ними, яка адекватно відображає властивості об'єкта, що проектується. Математичні моделі можуть бути функціональними, якщо вони відображають фізичні або інформаційні процеси, які протікають в об'єкті, що моделюється, і структурними, якщо вони відображають тільки структурні (в тому числі й геометричні) властивості об'єктів.
Функціональні моделі, як правило, задаються у вигляді аналітичних співвідношень, а структурні – у вигляді графів і матриць. При проектуванні МКС, розробці та відлагодженні програм функціонування МКП широко використовують функціональні моделі роботи МКП, що реалізовуються на ЕОМ.
Розробка
апаратури за технічним завданням
починається
з аналізу можливостей реалізації вимог
ТЗ. У ТЗ на розробку окремих пристроїв
МКС входять: перелік всіх функцій, що
виконуються кожним пристроєм; умови
працездатності пристрою; вимоги до його
вхідних і вихідних параметрів; дані
пристроями апаратури; елементна база
для побудови пристрою
про
зміст і форму інформації, якою даний
пристрій обмінюється з іншим
Рисунок 1.2 - Схема процесу проектування
У разі позитивного результату аналізу розробляють моделі для структурного і параметричного синтезу апаратури. Відповідно до розроблених моделей генерується початковий варіант апаратури, параметри якого оцінюються з позицій задоволення умов працездатності. Якщо для варіанта структури, що синтезується, забезпечується виконання умов працездатності із заздалегідь обумовленим запасом (з урахуванням допустимих відхилень реально досягнутих значень параметрів апаратури), то задача синтезу вважається вирішеною. При цьому результати проектування оформляють у вигляді необхідної технічної документації. У разі невиконання умов працездатності проводять аналіз можливості поліпшення характеристик синтезованого варіанта об'єкта шляхом зміни структури і керованих параметрів в рамках моделей, що застосовуються для структурного синтезу і параметричної оптимізації. У випадку неможливості виконання умов працездатності проводять коректування ТЗ на об'єкт, що проектується. Таким чином, процес проектування носить ітераційний характер, ітерації можуть включати в себе і більше одного рівня проектування, необхідність повернення до попереднього рівня може виявитися на будь-якому подальшому рівні проектування.
Типова структура МКС
Типова структура МК-системи керування показана на рисунку 1.3 і складається з об'єкта керування, мікроконтролера та апаратури їх взаємного зв'язку (АВЗ).
Мікроконтролер шляхом періодичного опиту інформативних слів (ІС) генерує відповідно до алгоритму керування послідовності керуючих слів (КС). Інформативні слова – це сигнали стану об'єкта (СС), сформовані датчиками об'єкта керування, і прапорці. Вихідні сигнали датчиків внаслідок їх різної фізичної природи можуть зажадати проміжного перетворення на аналого-цифрових перетворювачах (АЦП) або на схемах формувачів сигналів (ФС), які частіше за все виконують функції гальванічної розв'язки і формування рівнів двійкових сигналів стандарту ТТЛ.
Мікроконтролер з необхідною періодичністю оновлює керуючі слова на своїх вихідних портах. Деяка частина керуючого слова інтерпретується як сукупність прямих двійкових сигналів керування (СК), які через схеми формувачів сигналів (підсилювачі потужності, реле, оптрони і т.п.) надходять на виконавчі механізми (ВМ) і пристрої індикації. Інша частина керуючого слова представляє собою упаковані двійкові коди, які через цифро-аналогові перетворювачі (ЦАП) впливають на виконавчі механізми аналогового типу.
Якщо об'єкт керування використовує цифрові датчики та цифрові виконавчі механізми, то наявність ЦАП і АЦП в системі необов'язкова.
До складу апаратури зв'язку, яка, як правило, побудована на інтегральних схемах серії ТТЛ, входить регістр прапорців, на якому фіксується деяка множина ознак, що специфікуються, як об'єкта керування, так і процесу роботи контролера.
Цей регістр прапорців використовується як апаратурний засіб реалізації механізму взаємної синхронізації відносно повільних і ймовірних процесів в об'єкті керування і швидких процесів в контролері. Регістр прапорців доступний як контролеру, так і датчикам. Внаслідок цього він є зручним місцем фіксації сигналів ГОТОВИЙ/ОЧІКУВАННЯ при передачах з квитанціями або сигналів ЗАПИТ ПЕРЕРИВАННЯ/ПІДТВЕРДЖЕННЯ при взаємодії контролера і об'єкта в режимі переривання. Якщо МК-система має багаторівневу систему переривань, то регістр прапорців містить схему впорядкування пріоритетів.
Для апаратурної реалізації часових затримок, формування сигналів необхідної частоти і скважності до складу апаратури взаємного зв'язку включають інтервальні таймери, що програмуються в тому випадку, якщо вони не входять до складу МК або їх кількість недостатня.
Рисунок 1.3 - Типова структура МК-систем і пристроїв на основі ОМК
Закони функціонування МК-системи керування зі структурою, показаною на рис. 1.3, цілком визначаються прикладною програмою, що розміщується в резидентній пам'яті програм МК. Іншими словами, спеціалізація МКП або МКС типової структури на рішення задачі керування конкретним об'єктом здійснюється шляхом розробки прикладних програм МК і апаратури зв'язку МК з датчиками і виконавчими механізмами об'єкта.
1.3 Розробка структурної схеми системи
Структурна схема – це схема, яка визначає основні функціональні частини виробу, їх взаємозв'язки та призначення. Під функціональною частиною розуміють складову частину схеми: елемент, пристрій, функціональну групу, функціональну ланку.
Структурна схема призначена для відображення загальної структури пристрою, тобто його основних блоків, вузлів, частин та головних зв'язків між ними. Із структурної схеми повинно бути зрозуміло, навіщо потрібний даний пристрій і як він працює в основних режимах роботи, як взаємодіють його частини. Позначення елементів структурної схеми можуть обиратись довільно, хоча загальноприйнятих правил виконання схем слід дотримуватись.
На структурних електричних схемах (ГОСТ 2.702-75[4]) у вигляді прямокутників або умовних графічних познак зображають всі основні частини виробу (елементи, пристрої, функціональні групи) і показують взаємозв'язок між ними. При цьому графічна побудова схеми має давати наочне уявлення про послідовність взаємодії функціональних частин виробу, яка простежується за допомогою стрілок, що наносяться на лініях взаємозв'язку.
У разі виконання функціональних частин у вигляді прямокутників найменування функціональної частини, тип елемента і позначення документа записують всередині них. При великій кількості функціональних частин допускається замість найменування, типів і позначень проставляти порядкові номери справа від зображення або над ним, як правило, зверху вниз в напрямку зліва направо. В цьому випадку найменування, типи і позначення записують у вигляді таблиці, розміщеній на полі схеми.
У схемотехніці разом із структурною розглядають також принципову та функціональну схему. З поміж всіх цих схем структурна найменш деталізована. Структурну схему розробляють при проектуванні виробів (устаткування) на стадіях, що передують розробці схем інших типів, і користуються ними для загального ознайомлення з виробом (устаткуванням).
Елементарні функціональні ланки зображаються прямокутниками, а зв'язки між ними — суцільними лініями зі стрілками, що показують напрям дії ланки. Іноді в полі прямокутника вписують математичний вираз закону перетворення сигналу в ланці, у цьому випадку схему іноді називають алгоритмічною.
Для виконання завдання курсового проектування необхідно застосувати готові схемотехнічні рішення, що функціонуватимуть згідно умов задачі. Основою мікроконтролерної системи керування є власне мікроконтролер, що проводить функції синтезу сигналів керування на основі даних, що поступили для обробки від пристроїв введення. Робота мікроконтролерної системи залежить від програми, що розміщена у пам’яті програм МК та виконується при подачі відповідного живлення та сигналів синхронізації.
Приклад структурної схеми мікроконтролерної системи збору інформації наведений на рисунку 1.4.
Рисунок 1.4 - Структурна схема системи збору інформації
Вибір мікроконтролера і особливості його архітектури
В останні роки при розробці систем керування все більше уваги приділяється мікроконтролерній техніці. Це пов'язано з її бурхливим розвитком і широким асортиментом пропонованої продукції. Використання мікроконтролерів дозволяє конструювати пристрої з невеликими габаритами, що є відносно дешевивими, простими і надійними, сумісними з персональним комп'ютером через стандартні інтерфейси.
Основна мета при виборі мікроконтролера - обрати мікроконтролер з мінімальною ціною, але в той же час він повинен відповідати вимогам по продуктивності, надійності, умовам застосування, тощо… Загальна вартість системи включає все: інженерне дослідження та розробку, виробництво, гарантійний ремонт, оновлення, обслуговування, сумісність, простоту в обігу, тощо...
Наступний крок при виборі мікроконтролера – пошук моделей, які задовольняють системним вимогам. Він 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 тощо...);
апаратна організація обробки даних (структура машинного циклу, співвідношення тактів ГТІ і машинних циклів);
можливість роботи по перериванню, за зовнішніми сигналами готовності або по командах людини;
кількість керованих портів введення/виводу, характер передачі - байт або біт, програмне налаштування напрямку передачі;
тип пристроїв введення/виводу, якими повинен керувати обирають мікро- контролер в проектованій системі (термінали, вимикачі, реле, клавіші, давачі, цифрові пристрої візуальної індикації, аналого-цифрові й цифро-аналогові перетворювачі, модулятори тощо);
підтримувані способи завантаження програм в мікроконтролер, -можливість внутрішньосистемного програмування (ISP), використання при цьому стандартизованих інтерфейсів (SPI, I2C);
кількість і тип напруги живлення;
масогабаритні та естетичні обмеження;
умови навколишнього середовища, необхідні для експлуатації.
Вибір мови програмування (наприклад, С або Паскаль замість Асемблер) може вплинути на продуктивність системи, яка потім може диктувати вибір 8 -, 16 - або 32-розрядної архітектури.
Тактова частота визначає, скільки обчислень може бути виконано за одиницю часу. Обчислювальна потужність, споживана потужність і вартість системи збільшуються з підвищенням тактової частоти. Ціна системи при підвищенні частоти збільшується не тільки по причині підвищення вартості мікроконтролера, але також і всіх потрібних додаткових мікросхем, таких як ROM, RAM тощо...
Щоб досягти більш високого рівня інтеграції та надійності при більш низькій ціні, всі мікроконтролери 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 елементів. Вони попередньо тестуються виробником і звільняють місце на платі, так як всі електричні з'єднувальні ланки виконані на кристалі в мікроконтролері. Деякими з найбільш популярних внутрішніх пристроїв є пристрої пам'яті, таймери, системний годинник /генератор і порти вводу - виводу (I/O). Пристрої пам'яті містять оперативну пам'ять (RAM), постійні запам'ятовуючі пристрої (ROM), перепрограмовану ROM (EPROM), електрично перепрограмовану ROM (EEPROM). Під таймером розуміють як годинник реального часу, так і пристрої періодичного переривання.
До пристроїв введення-виведення належать послідовні порти зв'язку, паралельні порти (I/O лінії), аналого-цифрові перетворювачі (A/D), цифро-аналогові перетворювачі (D/A), драйвери рідкокристалічного екрана (LCD) тощо... В більшість мікроконтролерів включається блок конфігураційних регістрів для управління ресурсами.
Але перш, ніж остаточно зупинитися на обраному процесорі, необхідно переконатися в тому, що можливостей процесора вистачить для рішення всіх поставлених завдань. Швидкодія будь-якого мікропроцесора визначається, насамперед, частотою його тактового генератора. За технічними умовами при роботі тактового генератора процесора на частоті 4 МГц, частота виконання команд мікроконтролера становить 1МГц.
Для того, щоб оцінити, чи вистачить існуючих виводів процесора для рішення всіх перерахованих вище завдань, потрібно мати досвід розробки мікропроцесорних пристроїв. При цьому потрібно помітити, що зовсім не обов'язково, щоб число виводів точно відповідало числу пристроїв, що обслуговуються. Існує безліч прийомів, що дозволяють використовувати ті самі виводи для керування декількома різними пристроями.
Для прикладу у методичних вказівниках використано PIC16F628А фірми Microchip. Він має два порти вводу-виводу, а це 14 двонаправлених виводів, які можуть бути цифровими входами або виходами, та три модулі таймерів TMR0,TMR1,TMR2. При частоті кварцового резонатора 4 МГц тактова частота мікроконтролера становить 1МГц. Всі команди виконуються за один такт, крім команд переходів, що дозволяє виконувати мікроконтролеру 1000000 команд за секунду. Мікроконтролер містить набір вбудованих модулів, таких як десятирозрядний модуль аналогово-цифрового перетворювача, модуль асинхронного прийомопередавача. Також містить достатній об’єм внутрішньої EEPROM для збереження проміжних даних при повторних включеннях мікроконтролера. Графічне зображення великої інтегральної схеми (ВІС) мікроконтролера (МК) та призначення виводів та основні параметри представлені у додатку А.
Вхідна тактова частота, яка надходить з виводу OSC1/CLKIN, всередині МК ділиться на чотири і з неї формуються чотири циклічні тактові послідовності Q1, Q2 , Q3 і Q4, що не перекриваються за часом (див. рис.1.5).
Вибірка команди та її виконання суміщені за часом таким чином, що вибірка команди займає один цикл, а її виконання наступний цикл. Ефективний час виконання команди складає один цикл. Якщо команда змінює лічильник команд, то для виконання цієї команди необхідно два цикли.
Цикл вибірки починається із збільшення лічильника команд у такті Q1. Команда зчитується з ПЗП пам’яті програм в тактах Q2 і Q3 та записується в регістр команд в такті Q4.
Рисунок 1.5 - Цикл виконання команди
Цикл виконання команди складається з 4-х тактів Q1 – Q4, в кожному з яких виконуються різні заздалегідь заплановані дії:
Q1 – вибірка певної команди з пам'яті програм і її декодування ;
Q2 – вибірка даних або NOP;
Q3 – виконання команди і обробка даних – “Виконання INST (PC)”;
Q4 – запис даних або NOP.
Мікроконтролери містять 8-розрядний універсальний арифметичний модуль (АЛП) і 8 - розрядний робочий регістр (W). АЛП виконує арифметичні й логічні операції між робочим регістром і будь-яким іншим регістром пам'яті даних.
8 - розрядний АЛП може виконувати додавання, віднімання, порозрядний зсув й логічні операції. Арифметичні операції виконуються за принципом доповнення до двох, якщо не зазначено інакше. У командах із двома операндами: перший операнд перебуває в робочому регістрі W, а другий операнд розташований у регістрі пам'яті даних або є константа. У командах з одним операндом: операндом є регістр W або регістр пам'яті даних.
Регістр W - неадресований 8- розрядний регістр, що використовується в операціях АЛП. Залежно від типу команди й результат команди АЛП може впливати на наступні прапори стану в регістрі STATUS: перенесення (C), перенесення з молодшої тетради (DC), прапорець нульового результату (Z). Біти C і DC працюють як біти запозичення й десяткового запозичення при виконанні команд віднімання.
Рисунок 1.6 - Операції АЛП й регістра W
У мікроконтролерів є два незалежних блоки пам'яті: пам'ять програм і пам'ять даних. Кожний блок має власну шину даних і шину адреси, дозволяючи організувати одночасний доступ до обох типів пам'яті протягом одного машинного циклу.
Роботу з ПЗП забезпечує 13- розрядний лічильник команд, що здатний адресувати 8К х 14 слів пам'яті програм. Вся пам'ять програм розділена на 4 сторінки по 2Кслів у кожному ( 0000h-07FFh, 0800h-0FFFh, 1000h-17FFh, 1800h-1FFFh). На рисунку 1.7 показана карта пам'яті програм і 8-рівневий апаратний стек.
Для переходу між сторінками пам'яті програм необхідно змінити старші біти регістра лічильника команд PC, записом у регістр спеціального призначення PCLATH. Тоді лічильник команд PC перетне границю сторінки пам'яті програм без додаткового втручання користувача.
У пам'яті програм є виділені адреси:
вектор скидання перебуває за адресою 0000h. У будь-якому мікроконтролері скидання приведе до очищення лічильника команд (PC), встановлюючи адресу 0h. За адресою 0h розташовується команда переходу на мітку, що розташована за підпрограмою обробки переривань;
вектор переривання – перебуває за адресою 0004h. За адресою 0004h розташовується підпрограма ідентифікації й обробки переривань. Коли виникає дозволене переривання, у лічильник команд PC записується адреса 0004h.
Рисунок 1.7 - Приклад організації памяті програм та стека.
Пам'ять даних МК розбита на дві області. Перші адреси - це область регістрів спеціальних функцій (SFR), а далі розміщена область регістрів загального призначення (GPR).
Пам'ять даних розділена на 4 банки. Кожний банк має довжину в 128 байт і містить регістри спеціального призначення (на початку адресного простору банку) і регістри загального призначення. Перемикання між банками здійснюється за допомогою бітів:
RP1 :RP0 у регістрі STATUS при прямої адресації;
ІRP у регістрі STATUS при непрямій адресації.
Рисунок 1.8 - Приклад організації пам'яті даних, що містить 2 банки.
Регістри спеціального призначення використовуються для керування ядром і периферійними модулями мікроконтролера. Ці регістри реалізовані як статичний ОЗП. Регістри спеціального призначення розміщені в різних банках пам'яті даних, а деякі з регістрів відображаються у всіх банках.