Микропроцессорные средства и системы. Методические указания к лабораторным работам №1-3 на стенде НТЦ-02.31.2

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СРЕДСТВА И СИСТЕМЫ Методические указания

к лабораторным работам № 1-3

на стенде НТЦ-02.31.2

Составитель П.Н. Левин

Липецк Липецкий государственный технический университет

2014

УДК 621.34(07) Л363

Рецензент - В.Н. Мещеряков, проф., д-р техн. наук

Левин, П.Н.

Л363 Микропроцессорные средства и системы [Текст]: методические указания к лабораторным работам №1-3 на стенде НТЦ-02.31.2 / сост. П.Н. Левин. - Липецк: Издательство Липецкого государственного технического университета, 2014. - 32 с.

Методические указания предназначены для студентов направлений «Электроэнергетика и электротехника» (профиль «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов») и «Мехатроника и робототехника», а также для студентов смежных специальностей.

Содержит описание выполнения лабораторных работ по дисциплине «Микропроцессорные средства и системы» на стенде НТЦ-02.31.2.

При составлении методических указаний принимали активное участие студенты группы МЭП-13.

Табл.3. Ил. 3. Библиогр.:3 назв.

©ФГБОУ «Липецкий государственный технический университет», 2014 г.

©Левин П.Н., 2014

2

Лабораторная работа №1 ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ УЧЕБНОГО СТЕНДА НТЦ-02.31.2

Цель работы:

Изучить состав, функциональную схему стенда, ознакомиться со струк-

турой и принципом работы микроконтроллера, изучить порядок работы стенда.

Порядок выполнения работы:

1. Изучить краткие теоретические сведения о структуре и принципе рабо-

ты микроконтроллера.

2.Изучить функциональную схему стенда.

3.Изучить порядок работы со стендом.

4.Изучить расположение и назначение рабочих органов стенда и разъ-

ёмов для подключения внешних устройств.

5.Оформить отчёт по лабораторной работе.

6.Ответить на контрольные вопросы.

1.Краткие теоретические сведения

1.1.Микроконтроллеры семейства dsPIC33fj32

Микроконтроллер dsPIC33fj32mc204 относится к семейству 16-ти разряд-

ных Flash микроконтроллеров с поддержкой команд цифровой обработки сиг-

налов. Высокое быстродействие (40 MIPS для dsPIC33FJ) и эффективная си-

стема команд позволяет использовать контроллеры в сложных системах реаль-

ного времени. Ключевые особенности:

- расширенная система команд, включающая специфические команды поддержки цифровой обработки сигналов (DSP);

3

- 24-разрядные инструкции выполняются за 2 периода тактовой частоты,

за исключением команд деления, переходов, команд пересылки данных из ре-

гистра в регистр и табличных команд;

-разрядность программного счетчика позволяет адресовать до 4М слов программной памяти (4М * 24бит);

-аппаратная поддержка циклов типа DO и REPEAT, выполнение которых не требует дополнительных издержек программной памяти и времени на анализ условий окончания, в то же время эти циклы могут быть прерваны событиями прерывания в любой момент;

-16 рабочих регистров, каждый регистр массива может выступать как данные, адрес или смещение адреса;

-два класса команд: микроконтроллерные инструкции (MCU) и команды цифровой обработки сигналов (DSP). Оба этих класса равноправно интегриро-

ваны в архитектуру контроллера и обрабатываются одним ядром.

-различные типы адресации;

-система команд оптимизирована для получения максимальной эффек-

тивности при программировании на языке высокого уровня Си.

Микроконтроллер обладает обширным набором периферийных модулей:

-порты ввода-вывода общего назначения;

-таймеры;

-модули захвата и сравнения;

-модули генерации сигналов широтно-импульсной модуляции (ШИМ);

-модуль интерфейса квадратурного энкодера;

-10- и 12-битный аналого-цифровой преобразователь;

-коммуникационные интерфейсы (UART, SPI, I2C, DCI, CAN).

Основной средой разработки для всех семейств (и 8- и 16-битных) явля-

ется MPLAB IDE, которую предоставляет компания Microchip.

4

1.2.Учебный стенд НТЦ-02.31.2

1.2.1.Структура стенда

Структурная схема стенда представлена на рис.1. Стенд построен на базе микроконтроллера dsPIC33fj32mc204. Микроконтроллер имеет встроенное ОЗУ для хранения пользовательских программ. Для изучения простейших операций ввода-вывода дискретных данных и ввода аналоговых данных непосредственно к контроллеру подключены светодиодные индикаторы, тумблеры и аналоговые задатчики. Для изучения принципа обработки квадратурного сигнала использу-

ется энкодер. Для подключения большого числа периферийных модулей в стенде организована последовательная шина данных, по которой происходит управление портами расширений дискретных входов-выходов, а также свето-

диодной семисегментной индикацией. Так же для взаимодействия с пользова-

телем посредством знако-символьной информации к контроллеру подключён жидко-кристаллический индикатор (ЖКИ). С помощью дешифратора и муль-

типлексора реализована возможность обработки клавиатуры, построенной по матричной схеме. Для подключения иных периферийных устройств (ЦАП,

внешняя память) используется шина I2C. Для организации связи с внешними устройствами (в частности с ПК) микроконтроллер имеет порт последователь-

ного асинхронного приёмо-передатчика, позволяющий организовывать обмен данными по интерфейсу RS232.

Все устройства, входящие в состав стенда и отображённые на структур-

ной схеме стенда, являются программно-доступными.

1.2.2 Органы управления

Лицевая панель стенда представлена на рис. 2. На передней панели стен-

да расположены:

5

1 – датчики дискретных сигналов (10 переключателей SA1..SA10);

2 – дискретный светодиодный индикатор (10 светодиодов VD1..VD10);

3 – светодиодный семисегментный индикатор (LED);

4 – матричный жидкокристаллический индикатор (LCD);

5 – индикатор выходного аналогового сигнала (LLI);

6 – датчики аналоговых сигналов (2 задатчика RP1, RP2);

7 – источник квадратурного сигнала (энкодер EP1);

8 – матричная двенадцатикнопочная клавиатура;

9- кнопка сброса контроллера RESET

Рис.1. Структурная схема учебного стенда

6

Рис.2. Лицевая панель стенда

Рис.3. Задняя панель стенда

Задняя панель стенда представлена на рис.3. На задней панели стенда расположены:

1 – тумблер включения питания стенда;

2 – разъём для подключения внешних устройств;

3 – разъём RS232 для организации связи по интерфейсу RS232;

4 – разъём USB-B для подключения стенда к компьютеру для программи-

рования микроконтроллера.

7

2. Порядок работы с учебным стендом

2.1. Подключить стенд к сети. Включить тумблер «Сеть» на задней пане-

ли стенда.

2.2. С помощью шнура USB AM-BM через гнездо «USB» на задней пане-

ли стенда подключить стенд к USB-порту компьютера.

2.3.Запустить MPLAB IDE.

2.4.С помощью пункта меню «File → Import…» открыть файл тестовой прошивки стенда «Test.hex».

2.5.С помощью пункта меню «Programmer → SelectProgrammer» выбрать программаторPICkit 2.

2.6.Запрограммировать стенд тестовой прошивкой, воспользовавшись пунктом меню «Programmer → Program».

2.7.Перевести микроконтроллер в рабочий режим, воспользовавшись пунктом меню «Programmer → ReleasefromReset».

2.8.Закрыть MPLAB IDE.

2.9.Изучить назначение органов управления стенда.

2.10.По результатам выполненных операций сделать вывод.

3. Контрольные вопросы

3.1. Перечислите основные характеристики микроконтроллеров семей-

ства dsPIC33?

3.2. Какие структурные элементы входят в состав микроконтроллеров се-

мейства dsPIC33?

3.3.Каковы основные структурные элементы учебного стенда НТЦ-

02.31.2?

3.3.Опишите органы управления лабораторного стенда.

3.4.Каков порядок работы со стендом?

8

Лабораторная работа №2

ИЗУЧЕНИЕ СИСТЕМЫ КОМАНД И ОСНОВ РАБОТЫ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА СЕМЕЙСТВА dsPIC33

Цель работы

Изучить состав и особенности выполнения команд микроконтроллера,

программное обеспечение лабораторного стенда, освоить технику программной симуляции работы микроконтроллера на примере построения элементарной конструкции.

Порядок выполнения работы:

1.Изучить систему команд микроконтроллера.

2.Изучить программное обеспечение лабораторного стенда.

3.Составить программу в соответствии с индивидуальным заданием.

4.Написать исходный код и отладить программу в среде MPLAB IDE.

5.Исследовать выполнение программы в симуляторе MPLAB SIM.

6.Оформить отчёт по лабораторной работе.

7.Ответить на контрольные вопросы.

1. Краткие теоретические сведения

1.1. Архитектура

Ядро dsPIC построено по модифицированной Гарвардской архитектуре с расширенной системой команд. Микроконтроллеры dsPIC33 поддерживают выполнение специфических для алгоритмов цифровой обработки сигналов ин-

струкций (умножение с накоплением), специальные методы адресации (мо-

дульная, бит-реверсивная), знаковые вычисления с целыми числами и числами с фиксированной точкой.

9

1.2. Память программ

Карта памяти программ контроллеров dsPIC линейная и несегментиро-

ванная. Счётчик команд (PC – ProgramCounter) имеет разрядность 23 бита, од-

нако младший бит всегда равен 0 для обеспечения выравнивания данных при выборке инструкции. Следовательно, для задания непосредственно адреса ис-

пользуется 22 бита, и таким образом эффективное количество адресуемых ин-

струкций равно 222 ~ 4 млн.

Адрес памяти более удобно рассматривать в виде младшего и старшего слова, при этом старший байт старшего слова не используется и равен 0. Млад-

шее слово всегда располагается по четному адресу, а старшее – по нечетному.

Адреса памяти программ всегда выравниваются по границе слова и при выпол-

нении программного кода всегда инкрементируются и декрементируются на 2.

Семейства dsPIC33 не имеют EEPROM, что связано с изменением тех-

нологии изготовления кристаллов. Поэтому при необходимости наличия в си-

стеме энергонезависимой памяти малого объема с большим количеством цик-

лов перепрограммирования рекомендуется использовать внешние микросхемы памяти EEPROM с последовательным интерфейсом.

1.3. Память данных

Шина адреса данных микроконтроллеров dsPIC33 является 16-битной и позволяет адресовать до 64 кБ памяти ОЗУ, которая физически выполнена в ка-

честве статической памяти с возможностью байтового доступа. Почти все ин-

струкции, работающие с ОЗУ, имеют спецификатор, указывающий, будет ли осуществляться доступ к слову (16 бит) или к байту (8 бит).

В начале ОЗУ расположена область регистров специального назначения

(SFR) объемом 2 кБайта. Внутри семейства все регистры SFR расположены статически по одним адресам. Первые 8 кБайт ОЗУ (включая область SFR)

называются пространством ближней памяти (NearDataSpace). Прямая адресация

10