Управляющие микроЭВМ Часть 1. Герасимов М.И
.pdf
М.И. Герасимов
УПРАВЛЯЮЩИЕ МИКРОЭВМ Часть 1
Учебное пособие
Воронеж 2016
1
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»
М.И. Герасимов
УПРАВЛЯЮЩИЕ МИКРОЭВМ Часть 1
Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия
Воронеж 2016
2
УДК 621.865.8
Герасимов М.И. Управляющие микроЭВМ: учеб. пособие [Электронный ресурс]. – Электрон. текстовые и граф. данные (5,0 Мб) / М.И. Герасимов. - Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2016. Ч. 1. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM) : цв. – Систем. требования : ПК 500 и выше ; 256 Мб ОЗУ ; Windows XP ; SVGA с разрешением 1024x768 ; Adobe Acrobat ; CD-ROM дисковод ; мышь. – Загл. с экрана.
Вучебном пособии рассмотрены вопросы организации управления
вавтоматизированных электромеханических системах с использованием управляющих ЭВМ и микроконтроллеров, архитектуры комплексных микропроцессорных систем. Приведены основные сведения о типах интерфейсов последовательного обмена, используемых при организации таких систем. Даны методические рекомендации и задания для самостоятельной работы студентов, советы по подготовке к текущей аттестации и зачету.
Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования по направлению 27.03.04 «Управление в технических системах» (профиль «Управление и информатика в технических системах»), дисциплине «Управляющие микроЭВМ».
Пособие предназначено для студентов 4-го курса и может быть использовано при написании выпускной квалификационной работы.
Табл. 12. Ил. 55. Библиогр.: 30 назв.
Научный редактор д-р техн. наук, проф. В.Л. Бурковский
Рецензенты: кафедра информатики и вычислительной техники Международного института компьютерных технологий, г. Воронеж (зав. кафедрой канд. техн. наук, доц.
И.Н. Крючкова); канд. техн. наук, доц. Ю.С. Слепокуров
Герасимов М.И., 2016Оформление. ФГБОУ ВО
«Воронежский государственный технический университет», 2016
3
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................................. |
5 |
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ КУРСА, ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ..... |
5 |
1.1. Цель и задачи дисциплины, её место в учебном процессе ............................................. |
5 |
1.2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины .............................................. |
6 |
1.3. Содержание дисциплины .................................................................................................... |
7 |
Трудоемкость курса ................................................................................................................................ |
7 |
Структура дисциплины .......................................................................................................................... |
8 |
1.4. Методические рекомендации для студентов .................................................................. |
10 |
1.5. Архитектура микропроцессорных устройств управления: основные понятия и |
|
определения........................................................................................................................ |
12 |
2. ОСНОВНЫЕ СЕМЕЙСТВА 8-РАЗРЯДНЫХ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ И ИХ |
|
СВОЙСТВА............................................................................................................................... |
15 |
2.1. Схема анализа..................................................................................................................... |
15 |
Существенные параметры и особенности ядра семейства......................................................... |
15 |
Существенные параметры и особенности конкретной модели МК.......................................... |
15 |
2.2. Микроконтроллеры семейства MCS-51........................................................................... |
16 |
Существенные параметры и особенности......................................................................................... |
17 |
Совершенствование МК на основе процессорного ядра MCS-51 ............................................... |
17 |
2.3. Микроконтроллеры семейства AVR ................................................................................ |
21 |
Существенные параметры и особенности семейства.................................................................... |
21 |
Существенные параметры и особенности подсемейства Mega .................................................. |
22 |
Существенные параметры и особенности подсемейства XMega ............................................... |
23 |
2.4. Микроконтроллеры семейства PIC .................................................................................. |
24 |
Существенные параметры и особенности семейства.................................................................... |
24 |
Существенные параметры и особенности подсемейства PIC18 на примере PIC18F46J50 .. |
28 |
3. ИНТЕРФЕЙСЫ УДАЛЕННЫХ УСТРОЙСТВ ................................................................. |
29 |
3.1. Общие сведения ................................................................................................................. |
29 |
Модель взаимодействия открытых систем...................................................................................... |
30 |
Требования к сетевым интерфейсам ................................................................................................. |
33 |
Режимы и форматы обмена................................................................................................................. |
34 |
3.2. Интерфейсы группы RS .................................................................................................... |
39 |
Интерфейс RS-232C и COM-порт...................................................................................................... |
40 |
Интерфейс RS-485................................................................................................................................. |
43 |
Модуль UART ........................................................................................................................................ |
46 |
3.3. Интерфейс SPI ................................................................................................................... |
52 |
3.4. Интерфейс I2C и SMBus .................................................................................................... |
56 |
Сравнение шин I2C и SPI ..................................................................................................................... |
59 |
3.5. Протокол CAN ................................................................................................................... |
60 |
CAL – CAN-протокол прикладного уровня для индустриальных приложений .................... |
62 |
Краткая характеристика CAL ............................................................................................................. |
64 |
3.6. Стандарт LIN и микроконтроллеры для его реализации .............................................. |
64 |
Протоколы CAN и LIN: особенности и различия .......................................................................... |
65 |
Особенности LIN ................................................................................................................................... |
65 |
Программная реализация..................................................................................................................... |
67 |
Аппаратная реализация ........................................................................................................................ |
68 |
Средства разработки и отладки .......................................................................................................... |
68 |
Драйвер повышенной надежности для LIN интерфейса от компании Texas Instruments. ... |
68 |
3.7. Однопроводной интерфейс 1-Wire................................................................................... |
69 |
3.8. Интерфейс USB.................................................................................................................. |
71 |
3 |
|
Что такое USB 3.0?................................................................................................................................ |
73 |
Особенности USB 3.0 ........................................................................................................................... |
75 |
Виды USB разъемов – основные отличия и особенности ............................................................ |
76 |
Критика конструктивного и алгоритмического исполнения интерфейса USB....................... |
80 |
3.9. Варианты и сравнительный анализ локальных сетей для выбора последовательных |
|
интерфейсов............................................................................................................................... |
81 |
ВОПРОСЫ ДЛЯ ЗАЧЕТА ....................................................................................................... |
86 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................................... |
87 |
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ..................................................................................... |
88 |
4
ВВЕДЕНИЕ
Изложенный в пособии материал построен на материале лекций, читаемых автором студентам направления 27.03.04 «Управление в технических системах» (бакалавриат) – профиль «Управление и информатика в технических системах». Он соответствует типовой и рабочей программам курса «Управляющие микроЭВМ».
Структура курса организована так, чтобы теоретический материал предшествовал выполнению лабораторных работ по соответствующей теме, в результате основной упор в пособии сделан на прикладных вопросах применения микроконтроллерных средств цифровой электроники, а сведения, повторяющие и развивающие материал, пройденный в предшествующих курсах, студентам следует усваивать самостоятельно, пользуясь приведёнными в пособии методическими рекомендациями и заданиями.
Студентам следует также самостоятельно прорабатывать пройденный материал по курсу, закрепляя полученную информацию, а также просматривать материал предстоящей лекции, используя содержащиеся в нем средства повышения наглядности.
Пособие оформлено в виде электронного документа с выделениями цветом, внутренними и внешними гиперссылками, интерактивным оглавлением, предметным указателем в виде закладок и другими средствами повышения наглядности и удобства использования. Для пользования внешними гиперссылками требуется доступ к Интернету. Рекомендуется использовать «Режим чтения» программы Word (переход с помощью пиктограммы или через меню Вид).
Материал, выделенный зеленым, требует особо вдумчивого рассмотрения, выделенный желтым рекомендуется к записи в конспект лекций. Шрифтом красного цвета даны задания для самостоятельного выполнения.
1.ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ КУРСА, ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
ИОПРЕДЕЛЕНИЯ
1.1. Цель и задачи дисциплины, её место в учебном процессе
Разработка, внедрение и эффективное использование средств управления в технических системах невозможны без знания принципов построения, технических возможностей и особенностей работы разнообразных узлов цифровой электроники (ЦЭ), и в первую очередь управляющих ЭВМ.
Цель изучения дисциплины «Управляющие микроЭВМ» согласно образовательному стандарту – готовность обучающегося к участию в работах по изготовлению, отладке и сдаче в эксплуатацию систем и средств автоматизации и управления; готовность участвовать в разработке и изготовлении стендов для комплексной отладки и испытаний про- граммно-аппаратных управляющих комплексов; способность настраивать управляющие средства и комплексы и осуществлять их регламентное эксплуатационное обслуживание с использованием соответствующих инструментальных средств; готовность осуществлять проверку технического состояния оборудования, производить его профилактический контроль и ремонт заменой модулей; готовность производить инсталляцию и настройку системного, прикладного и инструментального программного обеспечения систем автоматизации и управления; способность разрабатывать инструкции по эксплуатации используемого технического оборудования и программного обеспечения для обслуживающего персонала.
Задачами дисциплины являются:
усвоение функционально-структурного подхода к синтезу систем на базе управляющих ЭВМ
изучение функционального состава, характеристик и способов применения современных микропроцессорных изделий и узлов;
5
изучение методов анализа и выбора соответствующего схемотехнического исполнения системы управления;
приобретение навыков разработки функциональных и принципиальных схем средств и систем управления;
освоение средств моделирования и макетирования микропроцессорных узлов вычислительной техники, приобретение навыков настройки и отладки макетов, применения контрольно-измерительной аппаратуры для определения характеристик и параметров макетов;
выработка навыков наладки аппаратной части систем управления и отладки программного обеспечения микропроцессорных средств управления сложных технических систем.
Место дисциплины в структуре ООП ВПО
Изучение базируется на математическом аппарате теории функций двоичных переменных, а также на базе информации о современных микроэлектронных комплектующих изделиях, способах обработки информации, функциональных возможностях вычислительных машин и их сетей.
Связи со смежными дисциплинами см. в табл. 1.1
Таблица 1.1
Цикл (раздел) ООП: Б3 |
код дисциплины в УП: Б3.В. ОД.2 |
Требования к предварительной подготовке обучающегося
Для успешного освоения дисциплины студент должен освоить следующие курсы: «Схемотехника элементов и устройств», «Математические методы системного анал и- за», «Вычислительные машины, системы и сети», «Технические средства автоматиз а- ции и управления», «Микропроцессорные устройства систем управления» в объеме бакалавриата
Дисциплины и практики, для которых освоение данной дисциплины (модуля) необходимо как предшествующее
Б6 |
Итоговая государственная аттестация |
|
|
1.2.Требования к уровню освоения содержания дисциплины
Врезультате изучения дисциплины студент должен
знать:
этапы разработки управляющих микроЭВМ;
методы анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования микропроцессорных средств управления;
методы анализа и выбора соответствующего схемотехнического исполнения системы управления;
устройство, принцип действия и свойства управляющих микроЭВМ;
основные свойства функциональных узлов микропроцессорных средств управления, способы описания этих свойств через параметры и характеристики;
способы разработки алгоритмов и программных средств микропроцессорных систем управления; прикладное программное обеспечение средств автоматизации;
функциональный состав, характеристики и способы применения современных микроконтроллеров и смежных микроэлектронных комплектующих изделий и узлов;
уметь:
определять необходимую конфигурацию центральных и периферийных модулей УЭВМ; рассчитывать основные характеристики управляющих микроЭВМ;
создавать программы на языке конкретной микроЭВМ, пользуясь современными средствами программирования и отладки микроЭВМ;
6
разрабатывать аппаратные и программные средства ввода-вывода и преобразования информации микропроцессорных средств управления;
моделировать и макетировать узлы вычислительной техники с применением микроЭВМ (микроконтроллеров);
настраивать и отлаживать макеты и узлы микропроцессорной техники с применением контрольно-измерительной аппаратуры;
разрабатывать конструкторскую проектную документацию микроконтроллерных, микропроцессорных узлов систем управления.
владеть:
навыками схемотехнического построения микроконтроллерных, микропроцессорных и смежных цифровых узлов и устройств;
навыками наладки аппаратной части систем управления и отладки программного обеспечения микропроцессорных средств управления;
иметь представление:
об основных путях развития микроЭВМ;
о перспективах практического использования микроЭВМ;
об альтернативных способах построения управляющих систем;
о перспективных видах прикладного программного обеспечения.
1.3.Содержание дисциплины
Основным предметом изучения дисциплины являются те микроЭВМ, которые используются именно в системах управления. Будет показано, что на нижнем уровне управления это микроконтроллеры (МК) – однокристальные ЭВМ с соответствующими интерфейсами на борту. Верхние уровни управления не рассматриваются в связи с малым объемом данного курса. Для использования МК студентам необходимо освоить не только методику выбора «кристалла» и его подключения, но и его программирование, т.е. составление алгоритмов, систему команд и инструментальные программирующие средства (комплексы).
Существенное значение при изучении курса имеет достаточное освоение знаний, полученных в предшествующих дисциплинах (см. табл. 1.1).
Общая трудоемкость курса – 72 часа, в том числе 36 часов самостоятельной работы студентов, распределение трудоемкости приведено в табл. 1.2. Структура курса и темы занятий приведены в табл. 1.3.
|
Таблица 1.2 |
|
Трудоемкость курса |
|
|
|
|
|
Виды занятий |
Всего часов |
|
|
|
|
Общая трудоемкость |
72 |
|
Аудиторные занятия, в том числе: |
36 |
|
лекции |
24 |
|
лабораторные работы |
12 |
|
Самостоятельная работа, в том числе: |
36 |
|
работа над темами для самостоятельного изучения |
12 |
|
подготовка к практическим, семинарским и лабораторным занятиям |
18 |
|
подготовка к контрольным мероприятиям |
6 |
|
Рубежи контроля знаний |
|
|
Контрольные работы |
две |
|
Экзамен /зачет |
ЗАЧЕТ с оценкой |
|
7
В ходе лекционных занятий студенты приобретают необходимые теоретические знания, на лабораторных работах – навыки анализа и синтеза узлов систем управления
(рис. 1.1).
Совокупность |
Функциональное представление |
функций |
устройства |
Варианты |
Структурное представление |
структур |
устройства |
Варианты |
Аппаратная реализация |
|
аппаратных |
||
устройства |
||
средств |
||
|
Синтез |
Анализ |
Рис. 1.1
Таблица 1.3
Структура дисциплины
|
|
|
Неделясеместра |
Вид учебной нагрузки и |
|||||
|
|
Семестр |
их трудоемкость в ча- |
||||||
|
|
Лекции |
Практические занятия Лабораторные работы |
СРС |
часовВсего |
||||
|
|
|
|
|
|
сах |
|
|
|
№ п/п |
Наименование раздела дисциплины |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
Введение. Архитектура управляющих |
8 |
23 |
1 |
– |
– |
|
– |
1 |
ЭВМ. |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
Основные семейства 8-разрядных микро- |
8 |
23-28 |
11 |
– |
4 |
|
16 |
31 |
контроллеров и их свойства |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
Интерфейсы удаленных устройств |
8 |
29-31 |
6 |
– |
– |
|
10 |
16 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Функциональная организация вычис- |
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
лительных и управляющих процессов. |
8 |
27-34 |
6 |
– |
8 |
|
10 |
24 |
Средства программирования систем |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
управления |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Итого |
|
|
12 |
24 |
|
12 |
|
54 |
72 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Содержание разделов дисциплины
РАЗДЕЛ I
Лекция 1. Введение. Архитектура управляющих ЭВМ.
Методические вопросы изучения дисциплины. Значение, цели и задачи курса. Архитектура микропроцессорных устройств управления. Основные понятия и определения. Самостоятельное изучение: Подготовка к контролю остаточных знаний по курсам «Вычис-
8
лительные машины, системы и сети» и «Микропроцессорные устройства систем управления».
РАЗДЕЛ 2. ОСНОВНЫЕ СЕМЕЙСТВА 8-РАЗРЯДНЫХ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ И ИХ СВОЙСТВА – 11 час.
Лекция 2. Контроль остаточных знаний.
Микроконтроллеры семейства MCS-51 фирмы Intel и их развитие. Самостоятельная работа: перечень семейств МК различных изготовителей с ядром MCS-51.
Лекции 3-4. Микроконтроллеры семейства AVR фирмы Atmel и их развитие. Блоки и устройства AVR, соответствующие регистры. Самостоятельная работа: достоинства и недостатки классических МК семейства AVR.
Лекция 5. Микроконтроллеры семейства PIC фирмы Microchip и их развитие. Самостоятельная работа: достоинства и недостатки МК семейства PIC.
Лекция 6. 16- и 32-разрядные микроконтроллеры. Контрольная работа. Самостоятельная работа: современная совокупность семейств 32-разрядных МК (Интернет).
РАЗДЕЛ II. ИНТЕРФЕЙСЫ УДАЛЕННЫХ УСТРОЙСТВ
Лекция 7. Требования к линиям связи. Отражения, затухания, индуктивные и кондуктивные помехи. Сопротивление линий, парафазная передача, гальваническая развязка, свивка, экранирование. Параллельные и последовательные интерфейсы. Самостоятельная работа: частотный диапазон использования шин PCI и PCI Express (Интернет).
Лекция 8. Последовательные интерфейсы. Интерфейсы RS-232C, RS-485, I2C, SPI, CAN и др. «Токовая петля». Схемные решения приёмопередатчиков. Преобразование кодов в последовательных интерфейсах. Самостоятельная работа: современная сфера применения интерфейса CAN.
РАЗДЕЛ III. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ И УПРАВЛЯЮЩИХ ПРОЦЕССОВ. СРЕДСТВА ПРОГРАММИРОВАНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
Лекция 9. Структура программного обеспечения микропроцессорной системы управления. Управление памятью, файлами, вводом-выводом в вычислительных и управляющих системах. Самостоятельная работа: Среды программирования МК различных семейств.
Лекции 10-11. Среды программирования. Разработка и отладка программ микроконтроллеров. Самостоятельная работа: достоинства и недостатки среды AVR Studio.
Лабораторный практикум – 12 час – табл. 1.4.
|
|
|
Таблица 1.4 |
|
|
|
|
Неделя |
Наименование лабораторной |
Часов |
Виды |
семестра |
работы |
|
контроля |
23-26 |
Формирование алгоритмов управления в реаль- |
4 |
Защита |
|
ном времени |
|
работы |
|
|
|
|
27-30 |
Изучение интегрированной среды разработки |
4 |
Защита |
|
AVR Studio |
|
работы |
|
|
|
|
31-34 |
Исследование системы управления исполнитель- |
4 |
Защита |
|
ного уровня на микроконтроллерах |
|
работы |
|
|
|
|
Итого часов |
|
12 |
|
|
|
|
|
Рекомендуемая литература
а) основная литература
1.Хартов, В.Я. Микропроцессорные системы. Учебное пособие для вузов. / В.Я. Хартов – 2 изд. М.: Академия, 2014.
9