Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Микроконтроллеры в системах управления. Лабораторный практикум
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Воронежский государственный
технический университет»
И. А. Болдырев, М. И. Герасимов, А. С. Кожин
МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ В СИСТЕМАХ
УПРАВЛЕНИЯ
Лабораторный практикум
Воронеж 2019
1
УДК 681.381(075.8)
Б791
ISBN 978-5-7731-0805-4
Болдырев И. А., Герасимов М. И.,
Кожин А. С., 2019
ФГБОУ ВО «Воронежский
государственный технический
университет», 2019
ББК 32.844.1я7
Б791
Рецензенты:
кафедра информатики и вычислительной техники Международного
института компьютерных технологий, г. Воронеж
(зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. В. А. Каладзе);
канд. техн. наук, доц. Б. Н. Воронков
Болдырев, И. А.
Микроконтроллеры в системах управления: лабораторный
практикум [Электронный ресурс]. – Электрон. текстовые и граф.
данные (1,3 Мб) / И. А. Болдырев, М. И. Герасимов, А. С. Кожин.
– Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2019. – 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.
ISBN 978-5-7731-0805-4
В лабораторном практикуме содержатся теоретические сведения об
устройстве и принципах работы микроконтроллера и его узлов, общие положения по организации лабораторных работ, способах исследования и соответствующих программных средствах, предварительное и рабочее задания к лабораторной работе, определяющие порядок исследования, а также контрольные и
итоговые вопросы.
Издание предназначено для студентов направления 27.03.04 «Управление
в технических системах» (профиль «Управление и информатика в технических
системах») очной формы обучения, изучающих дисциплину «Управляющие
микроЭВМ», а также может использоваться при написании выпускной квалификационной работы, а также представляет интерес для преподавателей, аспирантов и специалистов, связанных с разработкой и исследованием различных
систем управления.
Ил. 5. Табл. 6. Библиогр.: 17 назв.
УДК 681.381(075.8)
ББК 32.844.1я7
Научный редактор - д-р техн. наук, проф. В.Л. Бурковский
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ……………………………………………………...4
Организация цикла лабораторных работ ............................5
Структура МК семейства ATmega16 ...................................9
Среда разработки управляющих алгоритмов .................... 16
Среда разработки и отладки управляющих программ ..... 18
Лабораторная работа № 1. Формирование алгоритмов
управления микроконтроллерной системой ............................ 23
Теоретические сведения ................................................. 23
Порядок выполнения работы .......................................... 23
Предварительное задание................................................ 23
Рабочее задание ............................................................... 24
Итоговые вопросы ........................................................... 26
Лабораторная работа № 2. Формирование алгоритмов
управления в реальном времени .............................................. 27
Теоретические сведения ................................................. 27
Предварительное задание................................................ 37
Рабочее задание ............................................................... 38
Итоговые вопросы ........................................................... 40
Лабораторная работа № 3. Программирование МК-системы
управления шаговым приводом на языке Ассемблер .............. 41
Теоретические сведения ................................................. 41
Предварительное задание................................................ 47
Рабочее задание ............................................................... 48
Лабораторная работа № 4. Управление
микроконтроллером на языке СИ ............................................ 51
Теоретические сведения ................................................. 51
Предварительное задание................................................ 62
Рабочее задание ............................................................... 65
Библиографический список ................................................ 67
3
ВВЕДЕНИЕ
Успешное изучение дисциплины "Управляющие микро-
ЭВМ", проходящими обучение в образовательных учреждениях высшего образования по направлению 27.03.04 «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].
В настоящем цикле работ однокристальные микропроцессоры
изучаются на примере популярных микроконтроллеров (МК)
AVR фирмы Atmel (ныне интегрированной в Microchip Technology Inc.). В ходе выполнения заданий усваиваются основ-
ные принципы архитектуры управляющих микроЭВМ, способы программного управления МК.
Данный практикум рекомендуется в качестве руководства
для выполнения лабораторных работ по курсу. Он разработан с
учётом действующих государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования по данному
направлению.
Материалы данного практикума выполнены в виде электронного документа с использованием аппарата гиперссылок и
других средств повышения наглядности и удобства использования. При необходимости совмещения на дисплее текста МУ
и среды проектирования рекомендуется использовать режим
«В окне» + «Веб-документ», при этом размер шрифта выбирать масштабом.
Отзывы, замечания и предложения по совершенствованию
практикума просьба направлять автору по адресу электронной
почты migeras@bk.ru.
4
Наименование лабораторной работы
Кол-во
часов
1.
Формирование алгоритмов управления мик-
роконтроллерной системой
4
2.
Формирование алгоритмов управления
в реальном времени
4
3.
Программирование МК-системы управления
шаговым приводом на языке Ассемблер
4
4.
Управление микроконтроллером на языке Си
4
ОРГАНИЗАЦИЯ ЦИКЛА
ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
Состав и задачи цикла работ
Программа дисциплины "Управляющие микроЭВМ" пре-
дусматривает проведение трех лабораторных работ (12 часов).
На этот период преподаватель может выбрать лабораторные
работы по темам, перечисленным в табл. 1.
Таблица 1
Содержание цикла лабораторных работ – изучение свойств
основных функциональных узлов микроконтроллера (МК), регистровых моделей этих узлов и МК в целом, освоение программных средств (интегрированных сред проектирования),
предназначенных для составления алгоритмов управления МК
и его программирования, а также отладки разработанных программ и их записи в МК. В настоящем цикле работ однокристальные микропроцессоры изучаются на примере популярных
микроконтроллеров (МК) AVR фирмы Atmel.
Для исследования организации микроконтроллеров AVR
проводится алгоритмизация связанных с их портами и таймерами процессов средствами графической среды Algorithm
Builder и симуляция выполнения разработанных алгоритмов.
В последующих работах выполняется программирование тех
же процессов с использованием иной среды разработки – AVR
5
Studio. причем программа необходимых действий составляется
в одной из работ на машиноориентированном языке ассемблера AVR, в последующей – на языке высокого уровня Си. Следует усвоить, что этапу программирования обязательно должен
предшествовать этап разработки алгоритма и анализа результата симуляции.
Проведение каждой лабораторной работы включает этапы
подготовки, выполнения работы, оформления и защиты отчета.
Перед выполнением работы преподаватель может произвести
опрос по контрольным вопросам, отмеченным полужирным
шрифтом, для проверки готовности студентов к исследованию
(допуск – см. ниже). 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.
Подготовка к выполнению лабораторной работы
При подготовке к работе следует:
- изучить теоретические сведения, приведенные
в методических указаниях и рекомендованной литературе;
- составить заготовку отчета с названием работы, планом
эксперимента (в развернутой форме), заголовками подлежащих заполнению таблиц, диаграмм и т.п.;
- подготовить ответы на те контрольные вопросы к дан-
ной работе, которые отмечены полужирным шрифтом
(Bold).
Основной стадией подготовки к работе является составление плана эксперимента (ПЭ) – в данном цикле для изучения
лабораторного стенда либо исследования различных функциональных узлов и микросхем. Бригада, не подготовившая ПЭ, к
выполнению работы не допускается. План должен включать:
- цель работы (приведена в методических указаниях к
каждой работе);
6
1
- функциональный анализ исследуемого устройства (уз-
ла, микросхемы);
- перечень дополнительных элементов, необходимых для
исследования (рекомендованы в МУ);
- принципиальную схему (схемы) эксперимента;
- перечень подлежащих выполнению процедур, названия
и местонахождение анализируемых сигналов, методику
измерений или исследований.
Функциональный анализ начинают с уяснения назначения
устройства. Затем следует составить список его функций, изучив соответствующую литературу, ссылки на которую приведены в МУ к каждой работе. Если устройство имеет несколько
функций, следует определить их взаимное влияние,
в частности приоритеты. Удобно при этом пользоваться
структурными и функциональными схемами МК и его узлов
Уяснив назначение входов, следует определить, какое состоя-
ние должны иметь те из них, которые не исследуются
на данной стадии эксперимента, в частности, незадействованные выводы портов 1, в частности все неиспользуемые входы
каждого МК следует программно нагружать на внутренние резисторы.
Следующим этапом планирования является составление
(на основе результатов функционального анализа устройства)
перечня подлежащих выполнению процедур.
Проведение лабораторной работы
К началу лабораторного занятия каждый студент должен
представить отчет по предыдущей лабораторной работе (требования к отчету см. ниже) и заготовку отчета для очередной
Согласно /14/, «парящие в воздухе» высокоомные КМОП-входы
находятся в неустойчивом состоянии (то ли «нуль», то ли «единица») и любая внешняя наводка приводит к «дребезгу». Это заставляет хаотично работать логические элементы внутри МК, что приводит к увеличению динамических потерь и повышению энергопотребления.
7
работы (со схемами и планом экспериментов). В начале каждого занятия студент защищает отчет по предыдущей работе и
сдает коллоквиум по очередной. Если на коллоквиуме выясняется, что студент не готов к работе или не выполнил предварительного задания, то к работе он не допускается, так же как и
студент, не защитивший двух предыдущих работ к моменту
выполнения очередной работы. Последовательность работ
данного цикла носит логический характер, выполнение каждой
последующей работы без усвоения материала, осваиваемого в
предыдущей работе, невозможно, поэтому пропущенную лабораторную работу студент, как правило, должен успеть выполнить с другой подгруппой или в иное согласованное с преподавателем время ДО выполнения следующей.
В ходе лабораторной работы студентам следует обдумывать теоретическое обоснование каждого опыта перед его выполнением и после оформления результатов. Основные навыки
пользования лабораторным оборудованием студенты получают
в ходе предшествующих курсов.
В процессе выполнения лабораторной работы все данные
заносят в отчет или в протокол (один на бригаду), который после выполнения работы подписывается преподавателем и служит исходным материалом при составлении отчета.
Заключительной стадией проведения эксперимента должен
быть анализ полученных результатов и формулирование выводов, которые заносятся в отчет.
Требования к оформлению отчета по работе
Отчет должен выполняться на стандартных листах либо в
тетради (для всего цикла работ) аккуратно и в соответствии с
[5]. Он должен содержать заголовок с выходными данными
(институт, кафедра, группа, авторы, дата оформления, наименование лабораторной работы), материалы подготовительной
стадии работы (см. выше), результаты эксперимента, их анализ
и выводы.
8
СТРУКТУРА МК СЕМЕЙСТВА ATMEGA
В качестве объекта изучения в данном цикле работ выбран
микроконтроллер (МК) ATmega16. Это средней степени
сложности 8-разрядный (по данным) микроконтроллер, основанный на доработанной RISC архитектуре AVR. ATmega16
обеспечивает производительность 1 млн. оп. в секунду (MIPS)
на 1 МГц синхронизации за счет выполнения большинства команд за один машинный цикл.
В ядре AVR источником данных для АЛУ (арифметикологическое устройство) служит файл из 32 восьмиразрядных
рабочих регистров общего назначения. Все 32 регистра (имеющих пятиразрядный код адреса) непосредственно подключены к АЛУ. Это позволяет указывать как один, так и два регистра в одной команде (16 разрядов) и выполнять ее за один
цикл. Данная архитектура обладает бóльшей эффективностью
кода и примерно в 10 раз бóльшей производительностью по
сравнению с микроконтроллерами, имеющими архитектуру
CISC.
Модель ATmega16 обладает следующими возможностями:
16 кбайт внутрисхемно программируемой флэш-памяти с возможностью чтения во время записи, 512 байт электрически репрограммируемой ПЗУ (EEPROM), 1 кбайт статического ОЗУ
(SRAM), 35 линий ввода-вывода, 32 рабочих регистров общего
назначения (general purpose registers), встроенная система отладки и программирования, JTAG интерфейс (см., например,
[18]) для отслеживания прохождения процесса работы, четыре
универсальных таймера-счетчика (timer/counter) с режимами
сравнения (output compare) и захвата (input catch), программируемый сторожевой (watch dog) таймер с внутренним генератором, внутренние и внешние запросы на прерывание, два последовательных программируемых УСАПП, последовательные
порты SPI, TWI и др.
Устройство выпускается по разработанной Atmel технологии энергонезависимой памяти высокой емкости. Встроенная
ISP (In System Programming – внутрисистемно программируемая) флэш-память может перепрограммироваться через после-
9
довательный интерфейс SPI, обычным программатором энергонезависимой памяти или запущенной программой в секторе
начальной загрузки AVR ядра.
ATmega16 поддерживается полным набором инструментальных и программных средств для разработки приложений.
В их числе Cи-компиляторы, макроассемблеры, программные
отладчики / симуляторы, внутрисхемные эмуляторы, оценоч-
ные наборы. Кроме того, в Сети существуют многочисленные
группы поддержки, публикующие массу информационнообучающих материалов.
Структурная схема микроконтроллеров семейства Mega
приведена на рис. 1. Следует заметить, что на данном рисунке
изображена схема ATmega128x – наиболее сложного на сегодняшний день представителя семейства. В этой модели содержится 6 портов ввода/вывода (A – G), 2 интерфейса USART,
АЦП, несколько генераторов тактовых импульсов и др. При
рассмотрении других моделей необходимо принимать во внимание наличие или отсутствие различных периферийных
устройств и использование этими устройствами портов ввода/вывода. В частности, используемая в данной работе модель
ATmega 16 содержит два восьми- и два шестнадцатиразрядных
таймера/счетчика. Подробное описание одного из них – Т/С1,
его регистров и флагов приведено ниже.
Организация памяти
Память микроконтроллеров AVR организована так, что
разделены как адресные пространства памяти программ и памяти данных, так и шины доступа к этим типам памяти (Гарвардская архитектура). На рис. 1 ОЗУ – это память данных,
FLASH – память программ, EEPROM – память констант.
Регистры общего назначения
Все регистры общего назначения (32 РОН) непосредственно доступны АЛУ в отличие от микроконтроллеров других
типов, в которых имеется только один такой регистр – рабочий
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]