Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Микропроцессорное управление устройствами преобразования электрической энергии и передачи электротехнической информации. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ
(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
КАФЕДРА 306
«МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ ЭЛЕКТРОСИСТЕМЫ»
Г.М. Ульященко
МИКРОПРОЦЕССОРНОЕ УПРАВЛЕНИЕ УСТРОЙСТВАМИ
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И ПЕРЕДАЧИ
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
Рекомендовано Редакционно-издательским советом
Московского авиационного института (национального исследовательского
университета) в качестве учебного пособия
© Ульященко Галина Михайловна, 2016
© ООО «Ай Пи Эр Медиа», 2016
ISBN 978-5-9908055-5-2
Саратов 2016
УДК 537
ББК 31.16
У51
Р ец ензенты:
доктор технических наук, профессор Лукин А.В.,
генеральный директор ЗАО «МПП ― ИРБИС»;
доктор технических наук, Соловьев В.А.,
профессор кафедры ФН -7 «Электротехника и промышленная электроника»
ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Н.Э. Баумана».
Ульященко, Г.М.
У51 Микропроцессорное управление устройствами преобразования электрической энергии и
передачи электротехнической информации [Электронный ресурс] : Учебное пособие / Г.М.
Ульященко. — Электрон. дан. и прогр. (5 Мб). — Саратов: Ай Пи Эр Медиа, 2016. — Учебное
электронное издание : 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). — Систем. требования: Intel; Microsoft
Windows (XP, Vista, Windows 7); дисковод CD-ROM, 512 Мб ОЗУ; разрешение экрана не ниже
1024×768; ПО Adobe Air, ПО IPRbooks Reader, мышь. — Загл. с титул. экрана.
ISBN 978-5-9908055-5-2
Учебное пособие разработано на кафедре 306 «Микроэлектронные электросистемы
МАИ в соответствии с рабочими программами дисциплин «Микропроцессорное
управление устройствами силовой электроники», «Проектирование микропроцессорных
систем» для студентов направления 13.03.02 «Электротехника и электроэнергетика»
профиля «Комплексная миниатюризация устройств и систем электрооборудования ЛА».
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям,
связанным с разработкой силовых полупроводниковых преобразователей
электроэнергии с использованием цифрового управления. Учебное пособие поможет
студентам в освоении микропроцессорной техники, будет полезно при выполнении
практических заданий, курсовых и дипломных работ.
Учебное электронное издание
Минимальные системные требования: процессор стандартной архитектуры x86
с тактовой частотой от 1,6 ГГц и выше; операционная система Microsoft Windows XP,
Vista или Windows 7; от 512 Мб оперативной памяти;
от 1 Гб свободного пространства на жестком диске;
разрешение экрана не ниже 1024×768; программа Adobe Air.
© Ульященко Галина Михайловна, 2016
© ООО «Ай Пи Эр Медиа», 2016
Редактор Е.А. Копылова
Технический редактор А.В. Кузнецова
Корректор А.В. Мисенжников
Компьютерная верстка С.С. Сизиумовой
Для создания электронного издания использовано:
Microsoft Word 2007, приложение pdf2swf из ПО Swftools,
ПО IPRbooks Reader, разработанное на основе Adobe Air
Подписано к использованию 25.11.2016. Уч.-изд. л. 2,0. Объем данных 5 Мб,
1 CD-ROM. Тираж 15 экз.
ООО «Ай Пи Эр Медиа»
Тел. 8-800-555-22-35, (8452) 24-77-97, вн. 208,
E-mail: izdat@iprmedia.ru, mail@iprbookshop.ru
www.iprbookshop.ru
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ......................................................................................................................... 5
1. ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ
И АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ....................................... 6
1.1. ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (ЦАП) .................................. 6
1.2. АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (АЦП) .................................. 7
2. УСТРОЙСТВА ПАМЯТИ ................................................................................... 11
3. МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ МЛАДШЕГО УРОВНЯ ....................................... 17
3.1. Функциональный состав МП .............................................................................. 17
3.2. PIC-микроконтроллеры ........................................................................................ 19
3.3. Система команд PIC16F84A ................................................................................ 25
3.4. Инициализация ..................................................................................................... 27
3.5. Ассемблер PIC-микроконтроллеров ................................................................... 28
3.6. Синтаксические правила написания программы .............................................. 28
3.7. Стек, режимы прерывания ................................................................................... 32
3.8. Использование встроенной памяти EEPROM ................................................... 34
3.9. Использование встроенных таймеров, примеры программ ............................. 36
3.10. Регистры INDF и FSR ........................................................................................ 40
4. МИКРОКОНТРОЛЛЕР СРЕДНЕГО УРОВНЯ PIC16F877 ......................... 42
4.1. Встроенный АЦП ................................................................................................. 44
4.2. CCP (захват, сравнение, ШИМ) .......................................................................... 49
4.3. Программирование на языке СИ для микроконтроллеров
с помощью среды «MikroC PRO for PIC» .......................................................... 50
4.4. Задачи, решаемые с помощью МП в агрегатах СЭС ........................................ 57
Список сокращений .................................................................................................. 61
Приложение ................................................................................................................ 62
Библиографический список .................................................................................... 72
ВВЕДЕНИЕ
Применение микроконтроллеров (МК) и микропроцессоров (МП) в системах преобразования, накопления, передачи и использования электрической
энергии и электротехнической информации находит всѐ большее применение,
что позволяет существенно влиять на качество этих систем.
Любая современная электротехническая система не обходится без управления с помощью так называемой «программируемой логики». Для полноценного освоения этого класса устройств необходимо очень хорошо владеть навыками использования классической непрограммируемой или, как часто говорят, «жесткой» логики. Это важно не только потому, что в основе аппаратной
реализации микропроцессоров любой сложности лежат элементы «жесткой»
логики, но и потому, что на сегодняшний день весьма перспективным направлением является использование вместе с МП и МК (или вместо них) аналогоцифровых базовых матричных кристаллов (БМК), для которых именно элементы «жесткой» логики являются теми кирпичиками, из которых строится
кристалл.
Поэтому первый раздел пособия посвящен краткому повторению материала по аналого-цифровым и цифро-аналоговым преобразователям (АЦП, ЦАП)
и микросхемам памяти, условно относимым к «жесткой» логике, а также изучению основных периферийных устройств МК и МП.
Во втором и третьем разделах пособия рассмотрены вопросы управления
устройствами силовой электроники на МК младшего уровня PIC16F84A c
примерами программирования на языке ассемблера, а также на МК среднего
уровня PIC16F877 c примерами программирования как на языке ассемблера,
так и на языке СИ.
В пособии дан ряд тестовых задач, решение которых помогает качественному изучению курса и повышает компетенции студентов.
5
1. ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ И АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
1.1. ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (ЦАП)
Задача ЦАП (DAC — diqital-analog converter) — однозначно преобразовать величину, заданную двоичным или двоично-десятичным кодом в пропорциональный уровень напряжения или тока.
Напряжение на выходе ЦАП:
Uвых = Еоп(Х1 × 2-1 + Х2 × 2-2 + ……XN × 2-N),
где X1,… XN ― код;
X1 ― старший разряд;
ХN ― младший разряд;
Еоп ― опорное напряжение.
Основа интегральных схем ЦАП ― резистивные матрицы. Принцип
преобразования может быть основан на суммировании токов или делении
напряжений.
Ниже представлены условные схемы, поясняющие основные применяемые
на сегодня способы цифро-аналогового преобразования методом деления на-
пряжения с масштабирующими резисторами и цепью R-2R (рис. 1.1, рис. 1.2).
Рис. 1.1. ЦАП с масштабирующими резисторами
6
Рис. 1.2. ЦАП с цепью R-2R
Студентам предлагается самостоятельно объяснить работу схем и
решить ряд тестовых заданий из Приложения 1.
1.2. АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (АЦП)
На вход АЦП (ADC — analog-diqital converter) поступает аналоговый сигнал и после определенного конечного времени на его выходе появляется цифровой код. Существует много способов аналого-цифрового преобразования,
каждый из которых обладает своими плюсами и минусами:
1. Преобразование методом последовательного счета (рис. 1.3). Время преоб-
разования не постоянно, оно зависит от величины преобразуемого напряжения.
Рис. 1.3. АЦП последовательного счета. Тmax = t × 2n (для n-разрядного кода)
7
2. Преобразование методом последовательного приближения (поразрядно-
го уравновешивания). Схема реализации метода изображена на рис. 1.4.
Рис. 1.4. АЦП последовательного приближения. Т = Тmax = t × n = const
Если выходной сигнал Uцап < Uвх, то разряд остается в 1, и наоборот.
Подобный процесс может быть представлен как двоичный поиск, начинаемый с середины (код среднего числа ― единица в старшем разряде, остальные ― нули).
Пример. Входной сигнал Uвх соответствует коду 0010.
Последовательность действий:
1) код выходного сигнала ЦАП ― 1000, Uцап > Uвх, код ― 0000;
2) код выходного сигнала ЦАП ― 0100, Uцап > Uвх, код ― 0000;
3) код выходного сигнала ЦАП ― 0010, Uцап < Uвх, код ― 0010;
4) код выходного сигнала ЦАП ― 0011, Uцап > Uвх, код ― 0010.
Ответ 0010 n = 4, число тактов = 4.
На этом методе построены ИС АЦП наиболее известных серий, а также
АЦП для микропроцессоров.
Студентам предлагается проверить правильность метода для любого
другого входного сигнала.
3. АЦП параллельного кодирования (рис. 1.5) самые быстродействующие.
Требуется 2n-1 компаратор (n-разрядность АЦП). На первые входы компораторов подается Uвх, а на вторые входы ― смещения от опорного источника
с шагом, равным напряжению младшего значащего разряда Uмзр.
8
Рис. 1.5. АЦП параллельного кодирования
Изготовители МП и МК часто выпускают свои микросхемы АЦП для соединения с шинами данных. Они имеют байтовые шины с тремя состояниями,
которые можно непосредственно соединять с шиной данных МП.
Пример применения АЦП для реализации ШИМ
Существуют цифровые и аналоговые ШИМ. Принцип их работы остается
одинаковым вне зависимости от исполнения.
Принцип действия аналогового ШИМ заключается в сравнении двух видов
сигналов:
Uпил ― опорное (пилообразное, треугольное) напряжение;
Uвх ― входное постоянное напряжение.
Эти сигналы поступают на компаратор, где они сравниваются и при их пересечении возникает/исчезает (или становится отрицательным) сигнал на выходе ШИМ (рис. 1.6).
Выходное напряжение ШИМ имеет вид импульсов. Изменяя их длительность, регулируем среднее значение напряжения (Ud) на выходе ШИМ.
9
Рис. 1.6. Иллюстрация к ШИМ-регулированию:
Ud ― сумма площадей, отнесенная к периоду
Пример реализации ШИМ на микросхемах «жесткой» логики, включая
АЦП (рис. 1.7).
Рис. 1.7. Применение АЦП для ШИМ-регулирования
Принцип работы схемы не требует пояснения, достаточно вспомнить
такие функциональные узлы как счетчик, триггер. Студентам предлагается
самим прокомментировать работу схемы.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]