4.1 Выбор микроконтроллерного комплекта

Основным узлом устройства, который управляет всеми процессами и осуществляет все необходимые вычисления в системе, является микроконтроллер (МК). В настоящее время выпускается широкая номенклатура микроконтроллеров различного назначения, отличающихся друг от друга архитектурой, производительностью, разрядностью, способами организации внешней шины, наборами коммуникационных интерфейсов, способностью обрабатывать аналоговые сигналы и т.д. Многие МК имеют интегрированные в одном с микропроцессором кристалле АЦП, контроллеры интерфейсов, ПЗУ команд (масочные или перепрограммируемые), ОЗУ данных, параллельные порты ввода-вывода.

Для того чтобы выбрать микроконтроллер, способный эффективно выполнять возложенные на него функции, сформулируем основные требования к нему.

Производительность МК во многом определяется тактовой частотой, на которой он работает. Для разрабатываемой системы с учетом возможности наращивания и усложнения алгоритмического и программного обеспечения тактовая частота должна составлять не менее 20 МГц.

Количество аналоговых сигналов, исходя из структурной схемы устройства, должно быть, не менее 5. Погрешность измерения параметров функционирования автомобиля обычно не должна превышать 1 %. Чтобы обеспечить этот показатель разрядность цифрового кода, полученная с помощью встроенного АЦП, должна быть не менее 10 бит.

В качестве основного коммуникационного интерфейса между электронными блоками управления автомобиля наибольшее распространение получил САN-интерфейс [2]. Для более надежной работы желательно иметь два канала связи по CAN – один основной, другой резервный. В этой связи необходимо сопряжения МК с CAN-шиной.

В данном устройстве используем микроконтроллер 1887ВЕ7Т.

В целях достижения максимальной производительности и параллельной работы у AVR-микроконтроллеров используется Гарвардская архитектура с раздельными памятью и шинами программ и данных. Команды в памяти программ выполняются с одноуровневой конвейеризацией. В процессе выполнения одной инструкции следующая команда предварительно считывается из памяти программ. Данная концепция позволяет выполнять одну инструкцию за один машинный цикл. Память программ представляет собой внутрисистемную программируемую флэш-память.

Регистровый файл с быстрым доступом содержит 32 x 8-разрядных рабочих регистров общего назначения с одно тактовым циклом доступа. Благодаря этому, достигнута одно тактность работы арифметико-логического устройства (АЛУ).

6 регистров из 32 могут использоваться как три 16-разр. регистра косвенного адреса для эффективной адресации в пределах памяти данных. Один из этих указателей адреса может также использоваться как указатель адреса для доступа к таблице преобразования во флэш-памяти программ. Данные 16-разр. регистры называются X-регистр, Y-регистр и Z-регистр.

АЛУ поддерживает арифметические и логические операции между регистрами, а также между константой и регистром. Кроме того, АЛУ поддерживает действия с одним регистром. После выполнения арифметической операции регистр статуса обновляется для отображения результата выполнения операции.

AVR-микроконтроллеры поддерживают несколько различных источников прерываний. Все прерывания, а также сброс имеют свой индивидуальный вектор в памяти программ. Для каждого прерывания имеется собственный бит разрешения. Кроме того, имеется возможность общего разрешения работы прерываний с помощью управления соответствующим битом в статусном регистре. В зависимости от значения программного счетчика прерывания могут быть автоматически отключены, если запрограммировать биты защиты загрузочного сектора BLB02 или BLB12.

Имеется два основных типа прерываний. Первый тип прерываний активизируется событием, которое приводит к установке флага прерываний. Для данных прерываний программный счетчик изменяется на соответствующий вектор прерывания для выполнения процедуры его обработки и затем аппаратно очищает флаг прерывания. Флаги прерывания также сбрасываются путем записи лог.1 в соответствующий разряд. Если возникает условие прерывания, но данное прерывание запрещено, то флаг устанавливается и запоминается до разрешения этого прерывания или сбрасывается программно. Аналогично, если возникает одно и более условий прерываний при сброшенном флаге общего разрешения прерываний, то соответствующий флаг устанавливается и запоминается до возобновления работы прерываний, а затем прерывания будут выполнены в соответствии с приоритетом.

Второй тип прерываний активизируется сразу после выполнения условия прерывания. Данные прерывания не обязательно имеют флаги прерываний. Если условие прерывания исчезает до его разрешения, то данный запрос игнорируется.

Реакция на отработку запроса на прерывание длится минимум 4 машинных цикла. По истечении этого времени программа продолжает свое выполнение с вектора соответствующего прерывания. Выход из процедуры обработки прерывания требует 4 машинных цикла.

1887ВЕ7Т содержит 128 кбайт внутренней внутрисистемной перепрограммируемой флэш-памяти для хранения программы. Для программной защиты флэш-память программ разделена на два сектора: сектор программы начальной загрузки и сектор прикладной программы. Кроме того ATmega128 содержит 4 Кбайт встроенной статической ОЗУ памяти данных и имеется возможность подключения 64 Кбайт внешней статической ОЗУ.

Основным источником синхронизации для 1887ВЕ7Т является кварцевый генератор, подключаемый к входам XTAL1 и XTAL2. Для задания частоты может использоваться либо кварцевый, либо керамический резонатор.

1887ВЕ7Т имеет возможность реализовать 8 внешних прерываний, а также прерывания по таймерам, что позволяет использовать его в проектируемой системе. Также можно осуществлять прерывания по завершению преобразования АЦП и по изменению состояния аналогового компаратора.

Контроллер имеет 8 универсальных параллельных портов ввода-вывода. Для каждого порта ввода-вывода в памяти ввода-вывода зарезервировано три ячейки: одна под регистр данных – PORTx, другая под регистр направления данных – DDRx и третья под состояние входов порта – PINx. Ячейка, хранящая состояние на входах портов, доступна только для чтения, а регистры данных и направления данных имеют двунаправленный доступ. Кроме того, установка бита выключения подтягивающих резисторов PUD регистра SFIOR отключает функцию подтягивания на всех выводах всех портов.

Большинство выводов поддерживают альтернативные функции в дополнение к универсальному цифровому вводу-выводу.

Контроллер обладает 8-разрядным АЦП, что делает его пригодным для реализации проектируемой системы. Кроме того он обладает таймерами, осуществляющими генерирование ШИМ - сигналов, которые требуются для формирования управляющих сигналов на поворотные двигатели фар.

Аналогово-цифровой преобразователь обладает следующими параметрами:

– 10-разрядное разрешение;

– интегральная нелинейность 0.5 младшего разряда;

– абсолютная погрешность ± 2 мл. разр.;

– время преобразования 65 – 260 мкс;

– частота преобразования до 15 тыс. преобразований в 1секунду при максимальном разрешении;

– 8 мультиплексированных однополярных входов;

– 7 дифференциальных входных каналов;

– 2 дифференциальных входных канала с опциональным усилением на 10 и 200;

– представление результата с левосторонним или правосторонним выравниванием в 16-разр. слове;

– выборочный внутренний ИОН на 2,56В;

– режимы одиночного преобразования и автоматического перезапуска;

– прерывание по завершении преобразования АЦП;

– механизм подавления шумов в режиме сна.

АЦП преобразовывает входное аналоговое напряжение в 10-разр. код методом последовательных приближений. Минимальное значение соответствует уровню GND, а максимальное уровню AREF минус 1 мл. разр. К выводу AREF опционально может быть подключено напряжение AVCC или внутренний ИОН на 1.22 В путем записи соответствующих значений в биты REFSn в регистр ADMUX. Несмотря на то, что ИОН на 2.56 В находится внутри микроконтроллера, к его выходу может быть подключен блокировочный конденсатор для снижения чувствительности к шумам, т.к. он связан с выводом AREF.

Для связи с САN-шиной используется преобразователь, входы которого можно подключить к универсальному синхронному и асинхронному последовательному приемопередатчику (УСАПП), предназначен для организации гибкой последовательной связи.

Отличительные особенности данного приемника следующие.

1 Полнодуплексная работа (раздельные регистры последовательного приема и передачи).

2 Асинхронная или синхронная работа.

3 Ведущее или подчиненное тактирование связи в синхронном режиме работы.

4 Высокая разрешающая способность генератора скорости связи.

5 Поддержка формата передаваемых данных с 5, 6, 7, 8 или 9 битами данных и 1 или 2 стоп-битами.

6 Аппаратная генерация и проверка бита паритета (четность/нечетность).

7 Определение переполнения данных.

8 Определение ошибки в структуре посылки.

9Фильтрация шума с детектированием ложного старт-бита и цифровым ФНЧ.

10 Три раздельных прерывания по завершении передачи, освобождении регистра передаваемых данных и завершении приема.

11Режим многопроцессорной связи.

12 Режим удвоения скорости связи в асинхронном режиме.

Основные электрические характеристики 1888ВЕ7Т представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Основные электрические характеристики 1888ВЕ7Т

№ п/п		Наименование параметра, единица измерения		Значение параметра
				Тип 1		Тип 2
1.		Максимальная рабочая частота, МГц		8		16
2.		Напряжение питания, В		5 ± 0,5		3 ± 0,3
3.		Система команд и архитектура		AVR		AVR
4.		Разрядность данных, бит		8		8
5.		Встроенная память программ Flash, бит		128К×8		128К×8
6.		Встроенная память данных, бит		4К×8		4К×8
7.		Встроенная RAM, бит		4К×8		4К×8
8.		Внешняя RAM, бит		64К×8		64К×8
9.		Последовательный порт USART		2		2
10.		Последовательный периферийный интерфейс SPI		1		1
11.		Двухпроводной последовательный интерфейс TWI (I2C)		1		1
12.		Число 8-разрядных таймеров/счетчиков		2		2
13.		Число 16-разрядных таймеров/счетчиков		2		2
14.		Сторожевой таймер WDT		1		1
15.	Аналоговый компаратор		1		1
16.	АЦП 8 каналов/10 разрядов		1		1
17.	JTAG-интерфейс		1		1
18.	Число режимов энергосбережения		6		6
19.	Диапазон рабочих температур, ºС		от -60 до 85		от -60 до 85

Функциональные аналоги – микроконтроллеры типа ATmega128 фирмы Atmel.

На рисунке 3 приведена структурная схема микроконтроллера 1888ВЕ7Т.

Рисунок 3 структурная схема микроконтроллера 1888ВЕ7Т