ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет"

Кафедра электропривода, автоматики и управления в технических системах

Микроконтроллеры в системах управления

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторных работ № 1-3

по дисциплине "Управляющие микроЭВМ" для студентов направления 220400.62 "Управление в технических системах" (профиль «Управление и информатика в технических системах») очной формы обучения

Воронеж 2012

Составитель канд. техн. наук М.И. Герасимов

УДК 681.3-181.48

Микроконтроллеры в системах управления: методические указания к выполнению лабораторных работ № 1-3 по дисциплине "Управляющие микроЭВМ" для студентов направления 220400.62 "Управление в технических системах" (профиль «Управление и информатика в технических системах») очной формы обучения. / ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. М.И. Герасимов. Воронеж, 2012. 43 с.

Методические указания содержат теоретические сведения об устройстве и принципах работы микроконтроллеров AVR и их основных узлов, способах исследования и соответствующих программных средствах, предварительное и рабочее задания, определяющие порядок исследования, контрольные и итоговые вопросы.

Предназначены для студентов 4 курса.

Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе MS Word 2003 и содержатся в файле МУ_лаб_УЭВМ_1.doc

Табл. 6. Ил. 7. Библиогр.: 7 назв.

Рецензент канд. техн. наук, доц. А.В. Романов

Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. В.Л. Бурковский

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

©  ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2012

Общие сведения

Изучение дисциплины "Управляющие микроЭВМ" студентами направления 220400.62 "Управление в технических системах" обусловлено освоением нескольких предшествующих курсов, как в сфере аппаратных, так и программных средств. Управляющие ЭВМ (УЭВМ) входят в состав разнообразных микропроцессорных систем различной сложности /1/.

Управляющие ВМ (в настоящее время это обычно микроЭВМ) могут быть определены как управляемые программно ЭВМ, пред­назначенные не для вычислительных, а для специализированных примене­ний, таких, как управление различными объектами, сбор, регист­рация и поиск информации, автоматизированное проведение экспериментов, работа в измерительных приборах и комплексах и т.п. Такие ЭВМ органи­зованы как системы с обратной связью, и вычислительная машина работает как автомат, систематически корректирующий свою деятельность при помо­щи обратной связи от обслуживаемых им объектов, получая информацию для обработки от датчиков и других устройств объекта и направляя результа­ты обработки в исполнительные механизмы и другие устройства.

В отличие от ЭВМ вычислительного типа управляющая ЭВМ не занимается длительными вычислениями, при которых накапливаются погрешности численных методов, а проводит их кратковременно, но перио­дически, постоянно оценивая расхождения и внося поправки. Это дает возможность получить необходимую для целей управления точность вычис­лений при использовании уменьшенной разрядности двоичных чисел, с ко­торыми работает процессор, и не требует очень высокого его быстродейс­твия.

Принцип обратной связи с управляемым процессом дал основу для ис­пользования в качестве УЭВМ микроЭВМ с малой точностью вычислений (раз­рядностью) и невысоким быстродействием. Основные требования к такой ЭВМ:

иметь разветвленную и гибкую систему устройств связи с разнород­ными источниками управляющих воздействий и с управляемыми объектами;

согласовывать ход вычислительного процесса с ходом процесса уп­равления объектами (работа в реальном масштабе времени), выдавать воз­действия в соответствии с показаниями таймера;

обладать специальными режимами обмена с внешними устройствами, связанными с прерыванием хода основных вычислений процессора для об­служивания таких устройств или с передачей своей активной роли другому устройству.

Помимо перечисленных, УЭВМ должна удовлетворять и таким требованиям как дешевизна, надежность, климатоустойчивость, функциональная гибкость.

Одним из наиболее популярных архитектурных решений для таких УЭВМ стала иерархическая система однокристальных микроконтроллеров (МК). Они соответствуют перечисленным требованиям и способны обеспечивать большинство связей системы. Даже столь специфическая форма входного сигнала как фазовый сдвиг, не является препятствием ввиду наличия в составе МК таких узлов, как компараторы уровня сигнала, таймеры с функцией захвата и т.п.

Исполнение УЭВМ на базе одного или нескольких однокристальных микроконтроллеров (МК) позволяет минимизировать аппаратную базу и матобеспечение системы, полностью учесть особенности используемого оборудования /1, гл. 4/.

В настоящем цикле работ однокристальные микропроцессоры изучаются на примере популярных микроконтроллеров (МК) AVR фирмы Atmel. В ходе выполнения заданий усваиваются основные принципы архитектуры управляющих микроЭВМ, способы программного управления МК.

Разработка управляющих алгоритмов для однокристальных микроконтроллеров выполняется обычно специалистами той предметной области, которая автоматизируется, а не программистами. Поэтому все изготовители семейств МК разрабатывают различные программы, делающие программирование МК более доступным. В этой работе принимают участие и сторонние разработчики. В частности, в Туле разработана графическая среда Algorithm Builder для разработки программного обеспечения к микроконтроллерам с архитектурой AVR фирмы ATMEL (графический макроассемблер).

Среда предназначена для производства полного цикла разработки, начиная от ввода алгоритма, включая процесс отладки и заканчивая программированием кристалла. Разработка программы может выполняться как на уровне ассемблера, так и на макроуровне с манипуляцией многобайтными величинами со знаком.

В отличие от классического ассемблера программа вводится в виде алгоритма с древовидными ветвлениями и отображается на плоскости, в двух измерениях. Сеть условных и безусловных переходов отображается графически, в удобной векторной форме. Это к тому же освобождает программу от бесчисленных имен меток, которые в классическом ассемблере являются неизбежным балластом. Вся логическая структура программы становится наглядной.

Среда объединяет в себе графический редактор, компилятор алгоритма, симулятор микроконтроллера, внутрисхемный программатор.

Следует учесть, что среда является однозадачной, открытие нескольких проектов в одном экземпляре редактора невозможно. Среда предназначена для работы в ОС Windows 95/98/2000/NT/ME/XP.

При использовании внутрисхемного программатора микроконтроллер подключается к COM порту компьютера через несложный адаптер. Программатор ведет подсчет числа перепрограммирований кристалла, сохраняя счетчик непосредственно в кристалле.

Algorithm Builder обеспечивает мониторную отладку на кристалле (On Chip debug) которая позволяет наблюдать содержимое реального кристалла в заданной точке останова. При этом для связи микроконтроллера с компьютером используется только один вывод, причем по выбору пользователя. Мониторная отладка может быть применена к любому типу кристалла, имеющего SRAM.

Скачать архив данной среды можно по адресу http://home.tula.net/algrom/russian.html. Там же размещены ссылки на некоторые библиотеки подпрограмм и макросов, созданные пользователями этой среды.

В данном цикле лабораторных работ используется только режим симуляции (эмуляции) МК средствами ПК.

Программа дисциплины " Управляющие микроЭВМ" на уровне бакалавриата пре­ду­сматривает проведение трех лабораторных работ (12 часов).

Наименование лабораторной работы	Кол-во часов
1. Формирование алгоритмов управления микропроцессорной системой	4
2. Формирование алгоритмов управления в реальном времени	4
3. Использование памяти в алгоритмах управления МК	4

Проведение каждой лабораторной работы включает этапы подго­товки, выполнения работы, оформления и защиты отчета. Каждая ла­бораторная работа требует ориентировочно 2 часа на подготовку к выполнению и 2 часа на оформление отчета и подготовку к его за­щите. Это время предусмотрено в учебном плане как самостоятель­ная работа.

Данные методические указания выполнены в виде электронного документа с использованием аппарата гиперссылок и других средств повышения наглядности и удобства использования. Для совмещения на дисплее текста МУ и программы коммутации схем рекомендуется использовать режим «В окне» + «Веб-документ», при этом размер шрифта выбирать масштабом.

Лабораторная работа № 1

ФОРМИРОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМОЙ (МК)

Цель работы – изучение возможностей управления процессами через порты ввода-вывода однокристального микроконтроллера.

1. Теоретические сведения

Архитектура МК

В данной работе исследуются МК с архитектурой AVR фирмы ATMEL /2-6/. Этот выбор обусловлен целым рядом факторов, таких как распространенность микроконтроллеров в России, доступность технической информации (в частности, на сайте www.atmel.ru), наличие свободно распространяемых программных и сравнительно недорогих аппаратных средств поддержки проектирования.

В соста­ве данного семейства имеются микроконтроллеры с различным сочетанием периферийных узлов, различными объемами встроенной памяти и различ­ным количеством выводов. Это дает разработчику возможность выбрать именно ту конфигурацию, которая ему нужна. В качестве примера на рис. 1.1 приведено УГО МК AT90S4434.

Микроконтроллеры изготавливаются по малопотребляющей КМОП-технологии, которая в сочетании с усовершенствованной RISC-архитектурой позволяет достичь хорошего соотношения показателей быстродействие/энергопотребле­ние. Благодаря тому, что подавляющее большинство команд выполняется за один такт, быстродействие этих микроконтроллеров может достигать значения 1 MIPS (миллионов операций в секунду) на 1 МГц тактовой частоты.

В соответствии с принципами RISC-архитектуры практически все команды микроконтроллера (исключая те, у которых

одним из операндов является 16-разрядный адрес) занимают только в одну ячейку памяти программ. Но сделать это разработчикам удалось за счет одновременного использования принципов Гарвардской архитектуры и расширения ячейки памяти программ до 16 разрядов. Поэтому в системе команд AVR-микроконтроллеров целых 130 различных команд, что значительно больше, чем у большинства современных RISC- архитектур. Для сравнения, контроллеры фирмы Microchip с ядром PIC12, PIC16, PIC17 имеют всего 33 команды.

Структура ядра микроконтроллеров AVR приведена на рис. 1.2.

Рис. 1.2