Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Применение микроконтроллеров MCS-51 при проектировании электронных устройств. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
В.К. МАКУХА
ПРИМЕНЕНИЕ
МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ MCS-51
ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ
ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
НОВОСИБИРСК
2014
1
УДК 004.315(075.8)
М 178
Рецензенты:
канд. техн. наук, профессор Е.А. Подъяков
канд. техн. наук, доцент С.А. Чипурнов
Работа подготовлена кафедрой электронных приборов
для студентов направления подготовки
Электроника и наноэлектроника по профилю
«Электронные приборы и устройства»
Макуха В.К.
М 178 Применение микроконтроллеров MCS-51 при проектирова-
нии электронных устройств : учеб. пособие / В.К. Макуха. –
Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2014. – 68 с.
ISBN 978-5-7782-2505-3
УДК 004.315(075.8)
ISBN 978-5-7782-2505-3 Макуха В.К., 2014
Новосибирский государственный
технический университет, 2014
2
Предисловие к переизданию
Впервые эта работа была издана в 1996 году. Прошло почти 20 лет,
и возник вопрос: нужно ли ее переиздавать? В 1996 году это пособие
было точно актуальным: Интернет находился в зачаточном состоянии,
книги не издавались, информация о новых электронных компонентах
была доступна лишь только в виде документов от фирм-производителей на английском языке
дистрибьюторов, а их тогда было гораздо меньше, чем в настоящее
время. Возникало сомнение – представляет ли сейчас интерес информация о микроконтроллерах семейства MCS-51? Попробую прокомментировать эти позиции.
Да, сегодня Интернет вполне доступен, справочную информацию
легко получить и у производителя, обычно на английском языке, и
дистрибьюторов на русском, изданы книги, выложены электронные
версии документов на сайтах различных университетов. Некоторые из
них приведены в списке использованной литературы. Однако предлагаемая работа не является справочником в чистом виде. Ее следует
скорее рассматривать как учебное пособие, кратко освещающее основные этапы разработки, начиная от идеи и заканчивая снятием
водства. Конечно, в работе приведены сведения об архитектуре базовых версий микроконтроллеров семейства MCS-51, справочная информация о системе команд, но уделено внимание и оформлению программных продуктов, и использованию интегрированных средств разработки. Эти вопросы до сих пор широко в учебной литературе не рассматриваются. Поэтому студентам будет
ленную в данном пособии общую информацию о разработке микроконтроллерных систем.
По поводу актуальности микроконтроллеров MCS-51. Да, сейчас
всё более широкое применение на практике находят микроконтроллеры семейств ARM Cortex-M3 и ARM Cortex-M4. Однако говорить, что
микроконтроллеры MCS-51 не представляют интереса, пока рановато.
Здесь есть две причины.
Во-первых, в учебном процессе в большинстве
верситетов рассматриваются именно микроконтроллеры MCS-51, считающиеся классическим примером организации микроконтроллеров.
, которые можно было получить лишь у
у
с произ-
полезно изучить представ-
технических уни-
3
И во многих всероссийских и международных студенческих олимпиадах присутствуют задания по MCS-51.
Во-вторых, некоторые (причём достаточно давно) выпускаемые
промышленностью микроконтроллеры этого семейства обладают уникальной аналоговой периферией. Примером может служить микроконтроллер C8051F060 фирмы Silicon Laboratories, имеющий два
16-битных АЦП со скоростью выборки 10
6
выборок в секунду.
В-третьих, и сейчас ведутся разработки по созданию новых моделей. Например, в 2014 году фирма CAST объявила о создании нового
8051-совместимого ядра – S8051XC3, демонстрирующего производительность 0.252 DMIPS/MHz (Dhrystone 2.1), что в 26.85 раза превышает скорость оригинального кристалла 80C51, работающего на той же
самой частоте. Кроме того, эта модель обладает очень малым энергопотреблением
– 2.4 мкВт/МГц, что пока недостижимо в малопотребляющих 32-битных микроконтроллерах и меньше, чем в MCS-51-совместимых микроконтроллерах.
Таким образом, с учётом гигантского накопленного программного
обеспечения можно перефразировать известное выражение из сказки
А.Н. Толстого «Золотой ключик, или Приключения Буратино», что
«8051 скорее жив, чем мёртв».
Перечисленные выше доводы и послужили основанием
для переиздания работы. Текст полностью идентичен изданию 1996 года, за
исключением комментариев в сносках. Таким образом, читатель может
судить о динамике развития характеристик микроконтроллеров, процессов разработки электронных устройств, оформления программного
обеспечения и интегрированных сред разработки.
Информация о приложении ApBuilder будет полезна студентам,
использующим учебный лабораторный стенд «Классик-1» при изуче-
дисциплин «Основы микропроцессорной техники» и «Микропро-
нии
цессорные системы и персональные компьютеры», а сведения о микроконтроллерах MCS-51 – дисциплины «Автоматизация эксперимента».
Д-р техн наук, профессор В.К. Макуха
19.07.2014
4
1. РЕГЛАМЕНТАЦИЯ ПРОЦЕССА РАЗРАБОТКИ
ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
Оказывается, что жизнь электронных приборов и устройств (как,
впрочем, и любой другой продукции) – это вовсе не такая уж простая
штука. Только подумайте, эта жизнь в обязательном порядке должна
пройти 8 фаз! Если, конечно, вы хотите, чтобы ваши приборы и
устройства прожили полноценную жизнь. Вот каковы эти фазы.
1. Исследования
2. Опытно-конструкторские работы (ОКР) или опытно-технологи-
ческие работы (ОТР).
3. Производство (постановка на производство, единичное, повто-
ряющееся, массовое).
4. Поставка (обращение).
5. Эксплуатация (применение, хранение).
6. Ремонт (увы!).
7. Обеспечение эксплуатации и ремонта предприятиями промыш-
ленности.
8. Снятие с производства (ничто не вечно под луной!).
Если вам это кажется фантастикой, то
миться с официальным документом ГОСТ Р 15.000-94
такое название: «Система разработки и постановки продукции на производство. Основные положения», Госстандарт, России, Москва, 1994 г.
Буквы ГОСТ означают, что мы имеем дело с государственным стандартом, буква Р – что это стандарт Российский, 15 – что стандарт отно-
1
Обычно этап исследований называют «Научно-исследовательская рабо-
та – НИР».
2
Что интересно, при подготовке первого издания в 1995 году это был со-
вершенно новый ГОСТ, и при размышлении о переиздании в 2014 году автор
был уверен, что в обращение должен был быть введён новый ГОСТ. Однако
оказалось, что и в 2014 году ГОСТ Р 15.000-94 является действующим (последнее переиздание было в 2008 году).
1
, аванпроект.
вам следует просто познако-
2
[1], имеющим
5
сится к системе разработки и постановки продукции на производство в
части народнохозяйственной продукции, следующий 0 – шифр класса
группы, две последние цифры – порядковый номер стандарта в группе.
В частности, в 0-й группе стандарт номер 0 относится к основным положениям, номера с 1-го по 8 описывают перечисленные выше фазы.
Другие номера присваиваются прочим стандартам.
Например, ГОСТ Р
15.013-94 «Система разработки и постановки продукции на производство. Медицинские изделия» [2]. Последние две цифры означают год
введения ГОСТа (предполагается, что они введены в XX веке)
3
.
Поскольку нам предстоит познакомиться с самым начальным этапом разработки – исследованиями и аванпроектом, нам было бы полезно узнать, что на этот счёт говорит ГОСТ Р15.001-94. Но к моменту
написания текста
4
данный ГОСТ, по-видимому, ещё не был выпущен,
и мы воспользуемся документом ГОСТ 15.001-88. Из него становится
ясно, что основным документом, который требуется на данном этапе,
является техническое задание (ТЗ), которое «... должно содержать технико-экономические требования к продукции, определяющие её потребительские свойства и эффективность применения, перечень документов, требующих
совместного рассмотрения, порядок сдачи и приёмки результатов разработки». Тем, кто решил связать свою деятельность с медицинскими электронными приборами и устройствами (и
вообще с медицинскими изделиями), следует иметь в виду, что в соответствии с [2] в медицинских изделиях роль ТЗ выполняют медикотехнические требования (МТТ).
ГОСТ 15.001-88 допускает некоторую свободу: «2.4. В
качестве ТЗ
допускается также использовать любой документ (контракт, протокол,
эскиз и др.), содержащий необходимые и достаточные требования для
разработки и признанный заказчиком и разработчиком, а также образец продукции, предназначенный для воспроизведения». Однако при
выполнении курсового проекта или подготовке выпускной квалификационной работы будем считать признаком хорошего тона составление
3
В стандартах, изданных в XXI веке, год издания кодируется четырьмя
разрядами.
4
В 1995 году. Более того, ГОСТ с номером 15.001 вообще не был выпущен, а
в 2001 году в качестве замены ГОСТ15.001-88 был выпущен ГОСТ Р 15.201-2000,
последнее переиздание которого было произведено в 2008. В этом ГОСТе
рассматриваются вопросы порядка разработки и постановки на производство
продукции производственно-технического назначения.
6
ТЗ, содержащего, по крайней мере, две части. Первую часть, описывающую основные технические параметры, будем называть техническими требованиями. Вторую часть, отражающую основные принципы
функционирования разрабатываемого устройства, в соответствии с [3]
назовём функциональной спецификацией.
Кроме ТЗ очень полезно разработать раздел, который должен быть
посвящён тому, что у нас скучно называется «Руководство
по эксплуатации 07.00.00.00.000. РЭ», а в [3] – маняще-притягательно «Интерфейс пользователя». Почувствуйте разницу! – и выбирайте подходящее для вас название раздела.
7
2. ЭТАПЫ РАЗРАБОТКИ
МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ
Обязательным атрибутом пакета документации, подготовляемой к
договору по исследованиям, является календарный план – тоже довольно скучный, на первый взгляд, объект. Но если вы читаете эти
строки в связи с необходимостью выполнить курсовой проект по дисциплине «Микропроцессорные системы и персональные компьютеры»
или сдать план работ в соответствии с графиком выполнения
ной квалификационной работы, то вам ничего не остаётся делать, как
начать составлять этот самый календарный план. Причём ненавязчиво
предлагается включить следующие пункты.
1. Подготовка проекта ТЗ и интерфейса пользователя.
2. Согласование проекта с заказчиком (в данном случае с препода-
вателем).
3. Разработка функциональной схемы устройства.
4. Выбор элементной базы.
5. Разработка принципиальной
логии печатной платы).
6. Составление функциональной схемы программного обеспечения
(не забывайте магические слова «Проектирование сверху вниз» и
«Структурированное программирование»).
7. Разработка блок-схемы алгоритмов на уровне идеи (на языке
проектирования) и на уровне ассемблера.
8. Составление исходных текстов программ.
9. Отладка (насколько это возможно) программы.
Несмотря на
возможно, пока еще нет ответа на очень простой вопрос: «Так как же
создать требуемое устройство?». Необходим какой-то алгоритм действий. Согласно [3] удобно в процессе проектирования выделить следующие этапы.
ЭТАП I. Формулировка проблемы – осознание цели разработки,
анализ набора требований, определение основных функций, описание
обилие приведенной выше информации, у некоторых,
схемы (и при необходимости топо-
выпуск-
8
входных и выходных параметров. Основное здесь – начинать анализ не
с конкретных узлов и блоков, а с системы в целом, а затем переходить
к составляющим системы (концепция проектирования «Сверху вниз»).
Совсем не вредно оценить критические параметры. Чем раньше в цикле проектирования обнаружена проблема, тем меньше затрат на корректировку. Именно
здесь к месту вспомнить очень характерную пословицу: поспешишь – людей насмешишь, поскольку опыт разработчиков говорит о том, что затрата часа на начальном этапе проектирования экономит сотни часов впоследствии. Полезно также рассмотреть
возможность расширения и объединения с имеющимися системами.
В процессе работы над этим этапом должен быть выработан проект ТЗ
Здесь следует не забывать об очень хорошем правиле, что «... законченная система должна выполнять только то, что ожидает от неё потребитель, и не должна делать ничего такого, чего потребитель не
хочет от неё». Это, конечно, не значит, что разработчик не должен
ничего предлагать – должен, но с учётом мнения потребителя.
Недаром ГОСТ 15.001-88 требует: «Заказчик должен во всех случаях руководствоваться интересами потребителя»! Финалом этого этапа
должно быть согласование ТЗ с заказчиком.
ЭТАП II. Выработка базовой концепции посредством системного
анализа – поиск различных путей решения проблемы в целом (в виде
системы), анализ достоинств и недостатков каждого из вариантов.
Непременно найдите несколько (по крайней
мере, два) способов достичь поставленной цели. На этом этапе определяется возможный
набор аппаратных средств, набор программных средств, оценивается
предварительная стоимость проекта. Наиболее предусмотрительные
могут позаботиться о принципах организации контроля в процессе отладки и нормального функционирования устройства. Вы сильно облегчите себе жизнь сейчас и потом, если примите на
веру, что модульный
принцип организации (если вы еще не слышали этих слов, проштудируйте [1]) – это хорошо. Результат деятельности на этом этапе – функциональная схема самого лучшего в России (а возможно, и в мире) варианта требуемого устройства.
ЭТАП III. Распределение решения задачи по аппаратным и про-
граммным средствам. Постарайтесь всё переложить на
программное
обеспечение (software), поскольку вы уже знаете, что за монитором сидеть куда приятнее, чем за паяльником, являющимся пока основным
средством реализации аппаратных средств (hardware). Но не забывайте,
что и то и другое вредно для здоровья! Не вредно лишь думать, особен-
.
9
но перед тем, как начать что-нибудь делать. Немаловажным фактором
является также то, что тиражирование программных средств – более
удобный выгодный процесс, чем тиражирование аппаратных средств.
Обычно необходимость применять аппаратные средства связана с требованием получить высокое быстродействие. На этом этапе определяется тип микроконтроллера или микропроцессора исходя из следую-
факторов: требуемая разрядность данных, требуемый объем памя-
щих
ти, ограничения на потребляемую мощность, наличие и стоимость
средств разработки и отладки программного обеспечения, необходимость в дополнительных возможностях (АЦП, каналы связи и т. д.),
наличие интерфейсных схем, стоимость самих микроконтроллеров или
микропроцессоров. Ранее существовавшая проблема «возможность
приобретения» в настоящее время не возникает. Поскольку
на кафедре электронных приборов НГТУ включено в международную
программу фирмы Intel
5
по поддержке технических университетов, нет
обучение
ничего удивительного в том, что вам рекомендуется использовать для
выполнения данного курсового проекта микроконтроллеры семейства
MCS-51 (MCS-251) фирмы Intel, или семейства MCS96, или встраиваемые микропроцессоры i386EX. Но учтите, что при массовом производстве вашего устройства вклад микропроцессора в стоимость будет в
среднем составлять 5$, или 40$, или 60$ в ценах 1995 года в
г. Новосибирске. Впрочем, если бы обучение и не поддерживалось фирмой
Intel, все равно имеет смысл использовать эти микроконтроллеры и
микропроцессоры, ибо они действительно обеспечивают лучшие характеристики по параметру стоимость/производительность
6
.
На этом же этапе следует позаботиться о выборе физических и физико-химических принципов, на которых будут работать датчики первичной информации; о выборе исполнительных устройств и об их сопряжении с системой.
5
С 2006 года обучение на кафедре электронных приборов поддерживается
Университетской программой фирмы Texas Instruments, но это не значит, что
не рекомендуется использовать изделия фирмы Intel. В учебном стенде
«Классик 1» в качестве объектов изучения как раз используются встраиваемый микропроцессор i80386EX и микроконтроллер C8052F340 фирмы Silicon
Laboratories, относящийся к семейству MCS51.
6
На самом деле ситуация меняется достаточно быстро и нужно внима-
тельно следить за рынком. Например, в 2014 году наиболее перспективными
для разработок (но не для обучения!) считаются ARM микроконтроллеры семейства Cortex M3 – M4.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]