Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Проектирование микропроцессорных систем. Учебное пособие
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Оренбургский государственный университет»
Е. В. Бурькова
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ
Учебное пособие
Рекомендовано ученым советом федерального государственного
бюджетного образовательного учреждения высшего образования
«Оренбургский государственный университет» для обучающихся по
образовательным программам высшего образования по направлению
подготовки 09.03.01 Информатика и вычислительная техника
Оренбург
2025
УДК 004.891
ББК 32.965
Б91
Рецензент – кандидат технических наук, доцент Д.В. Горбачев
Бурькова, Е. В.
Б91 Проектирование микропроцессорных систем: учебное пособие /
Е. В. Бурькова; Оренбургский гос. ун-т.– Оренбург: ОГУ, 2025. –
114 с.
ISBN
Учебное пособие содержит рекомендации по решению задач
проектирования по курсу «Микропроцессорные системы», описаны этапы
проектирования, выбор аппаратных и программных средств,
информационного и программного обеспечения, рекомендации по
моделированию и отладке микропроцессорных систем.
Учебное пособие предназначено для обучающихся по направлению
подготовки 09.03.01 Информатика и вычислительная техника.
ISBN
УДК 004.891
ББК 32.965
© Бурькова Е.В., 2025
© ОГУ, 2025
2
Содержание
Введение ....................................................................................................................... 4
1 Общие положения курсового проектирования микропроцессорных систем .... 6
1.1 Рекомендуемая тематика курсовых работ .................................................... 6
1.2 Структура курсовой работы ............................................................................. 8
1.3 Рекомендации по содержанию разделов курсовой работы ............................ 9
1.4 Требования к графической части ВКР ........................................................... 10
2 Характеристика и классификация микроконтроллеров ..................................... 11
2.1 Микропроцессорные системы на микроконтроллерах ................................. 11
2.2 Разработка схемы питания АЦП и цепей коррекции входного сигнала .... 18
2.3 Платформы Arduino, характеристики и применение для
микропроцессорных систем .................................................................................. 19
2.4 Классификация микропроцессорных модулей ESP ...................................... 27
3 Порядок проектирования микропроцессорной системы ................................... 32
3.1 Основные этапы проектирования ................................................................... 32
3.2 Определение требований к проектируемой МПС ........................................ 34
3.3 Обзор аналогов проектируемой МПС ........................................................... 37
3.4 Определение функций проектируемой МПС ................................................ 40
3.5 Построение структурной схемы проектируемой МПС ................................ 43
3.6 Выбор и обоснование аппаратных средств проектируемой МПС .............. 47
3.7 Исследование интерфейса сопряжения МПС с компьютером .................... 49
4 Разработка электрических схем МПС .................................................................. 57
4.1 Электрические схемы аппаратных модулей .................................................. 57
4.2 Распределение портов микроконтроллера ..................................................... 62
4.3 Источники питания микропроцессорной системы ...................................... 64
4.4 Электрическая принципиальная схема МПС и спецификация ................... 66
4.5 Сборка и отладка аппаратных средств МПС ................................................. 70
5 Проектирование программного обеспечения МПС ............................................ 75
5.1 Этапы проектирования программного обеспечения ..................................... 75
5.2 Разработка инструкции программиста ........................................................... 78
5.3 Разработка инструкции пользователя ............................................................ 83
6 Задания для курсовой работы ............................................................................... 87
Заключение ............................................................................................................... 109
Список использованных источников .................................................................... 110
Приложение А Пример аннотации ....................................................................... 114
3
Введение
В образовательном процессе бакалавров по направлению подготовки
09.03.01 Информатика и вычислительная техника важное место занимают
дисциплины, ориентированные на проектно-конструкторская деятельность. В
этой связи задача обучения методам проектирования вычислительных, а в
частности микропроцессорных систем является актуальной.
В основе современных вычислительных микропроцессорных систем
лежат микроконтроллеры. Микроконтроллеры могут быть как
однокристальными, так и модульными устройствами, включающими в свой
состав процессор, память и порты вода/вывода данных. Широкое
распространение получили микропроцессорные платформы, такие как Arduino,
позволяющие проводить моделирование различных вычислительных задач с
использованием периферийных модулей.
При проектировании микропроцессорных систем возникает задача
параллельного создания как аппаратной, так и программной части. Необходимо
разделить функции проектируемой системы между аппаратными модулями и
программой для микроконтроллера. Причем, выполнение некоторых функций с
помощью аппаратных модулей значительно разгружает микропроцессор для
выполнения программных задач, что позволяет повысить быстродействие всей
системы в целом.
При проектировании микропроцессорных систем используются методы
аналитического и имитационного моделирования с использованием различных
автоматизированных программных сред. Главным достоинством среды при
проектировании микропроцессорной системы является объединение
инструментальных средств разработки программного обеспечения с
инструментальными средствами разработки аппаратного обеспечения.
Основной задачей такой среды является создание виртуальной модели
микропроцессорного электронного устройства. Эффективность проектирования
4
микропроцессорных систем определяется в первую очередь квалификацией
разработчика и арсеналом инструментальных средств.
При изучении курса «Микропроцессорные системы» используются
различные средства, выполняющие ввод/вывод аналоговых и цифровых
сигналов, хранение и обработки данных, хранение и выполнения командных
кодов, а также консольная индикация выполняемых операций и управление.
Данное учебное пособие предназначено для обучения студентов методам
проектирования микропроцессорных систем.
Структура пособия состоит из семи разделов. В разделах рассмотрены
общие положения курсового проектирования микропроцессорных систем,
характеристика микроконтроллеров и платформ Arduino различного типа,
приведен обзор интегрированных сред проектирования и учебных
микропроцессорных стендов.
В пособии приведены основные этапы проектирования, даны
рекомендации по разработке аппаратного и программного обеспечения
микропроцессорных систем, представлены практические примеры реализации
задач, даны варианты заданий для курсового проектирования по дисциплине
«Микропроцессорные системы».
5
1 Общие положения курсового проектирования
микропроцессорных систем
1.1 Рекомендуемая тематика курсовых работ
Тематика курсовых работ должна соответствовать квалификационным
требованиям Образовательного стандарта направления подготовки 09.03.01
Информатика и вычислительная техника и конкретно профилю
«Вычислительные машины, комплексы, системы и сети». Обобщенная тема
курсовых работ «Разработка микропроцессорной системы сбора и обработки
информации».
Основным звеном микропроцессорной системы (МПС) является
микроконтроллер или платформа на микроконтроллере типа Arduino, так
называемое интеллектуальное ядро системы. Микроконтроллер – это
программируемое устройство, которое представляет собой микро-ЭВМ, так как
включает в состав микропроцессор, память данных, память программ, порты
ввода-вывода, таймеры и другие модули. В зависимости от поставленной
задачи микроконтроллер осуществляет сбор и обработку информации от каких-
либо датчиков и выводит данные на дисплей. Поэтому задача курсового
проектирования сводится к выбору основных элементов МПС, расчету их
параметров, построению электрических схем и разработке программного
обеспечения для проектируемой МПС [3,4].
Важно правильно описать функции проектируемой МПС, провести
моделирование схемы работы в программной среде, а затем приступить к
изготовлению макета. Однако многие задачи сводятся к созданию моделей и
отладки их в программной среде, такой как Proteus. В данной среде есть
обширные библиотеки различных приборов: микроконтроллеров, LCD-
дисплеев, датчиков различного вида, кнопок, двигателей, светодиодов,
клавиатуры, динамиков и т.д. Примерная тематика курсовых работ по
6
направлению подготовки 09.03.01 Информатика и вычислительная техника
1. Разработка МПС контроля температуры и загазованности в помещении
2. Разработка МПС управления температурой и освещенностью в помещении.
3. Разработка МПС управления технологическим процессом хранения и
отгрузки нефтепродуктов
4. Разработка МПС охранной сигнализации помещения.
5. Разработка МПС контроля температуры и влажности в теплице.
6. Разработка МПС управления лифтом
7. Разработка МПС измерения и анализа веса человека
8. Разработка МПС охранной сигнализации автомобиля
9. Разработка МПС обнаружения и оповещения признаков пожара в
помещении
10. Разработка МПС управления промышленным холодильником
11. Разработка МПС управления процессом смешивания горючих жидкостей в
резервуаре
12. Разработка МПС контроля и управления работой хладоцентра ледового
комплекса
13. Разработка МПС управления микроклиматом инкубатора
14. Разработка МПС обнаружения контроля препятствий для автомобиля
15. Разработка МПС управления микроклиматом пчелиных ульев
16. Разработка МПС контроля параметров электросети
17. Разработка МПС контроля давления и температуры для
газоперекачивающего агрегата
18. Разработка МПС управления бытовой хлебопечкой
19. Разработка МПС управления стиральной машиной
20. Разработка МПС мониторинга микроклимата книгохранилища библиотеки
представлена в таблице 1.
Таблица 1 - Тематика курсовых работ
7
1.2 Структура курсовой работы
Пояснительная записка к курсовой работе должна быть оформлена в
соответствии с требованиями стандарта организации СТО 02069024.101–2015
Работы студенческие. Общие требования и правила оформления.
Пояснительная записка включает следующие разделы:
− Введение;
− Системный анализ предметной области;
− Разработка структуры МПС;
− Выбор и обоснование элементов проектируемой МПС;
− Разработка электрических схем и программного обеспечения МПС;
− Заключение.
Структурными элементами курсовой работы являются:
− титульный лист;
− задание на курсовую работу;
− аннотация на русском языке;
− содержание;
− введение;
− основная часть;
− заключение;
− список использованных источников;
− приложения (графический материал, текст программы).
Количество страниц текста пояснительной записки должен быть не менее
30 страниц, количество приложений – не менее 3 (структурная схема, блоксхема алгоритма программы для микроконтроллера, электрическая
принципиальная схема микропроцессорной системы, спецификация
оборудования, текст программы), количество использованных источников – не
менее 30 (издания за последние 10 лет).
Во введении необходимо указать тему, цель работы, объект и предмет
работы, краткое содержание разделов.
8
1.3 Рекомендации по содержанию разделов курсовой работы
В первый раздел необходимо включить следующие пункты:
− Обоснование актуальности разработки МПС по заданному варианту
(привести статистические данные по применению микроконтроллеров и
промышленных контроллеров в задачах автоматизированного управления
технологическими процессами);
− Обзор научно-технической и патентной литературы по теме
курсовой работы (приводится таблица, включающая перечень учебников,
научных статей, патентов и свидетельств о регистрации программ для ЭВМ с
аннотацией, указанием названий журналов). Публикации должны быть за
последние 10 лет;
− Анализ аналогов проектируемой МПС (провести поиск на сайтах
производителей) устройств, реализующих задачи, аналогичные поставленным в
заданном варианте проектирования МПС; привести структурные схемы,
технические характеристики; провести сравнение нескольких аналогов по
ключевым параметрам);
Второй раздел «Разработка структуры МПС» должен содержать
следующие пункты:
− Определение требований к проектируемой микропроцессорной
системе (количественные и качественные требования в соответствии с
реализуемыми функциями проектируемой МПС);
− Разработка функциональной спецификации проектируемой МПС с
указанием необходимых модулей и элементов;
− Определение состава элементов и модулей проектируемой МПС в
соответствии с выполняемыми функциями по заданию;
− Разработка классификаций датчиков и других устройств, входящих
в проектируемую МПС.
− Разработка структурной схемы проектируемой МПС.
9
Третий раздел должен содержать:
− Сравнительный анализ и выбор устройств и элементов МПС;
− Разработка электрических схем подключения каждого устройства к
микроконтроллеру;
− Распределение портов микроконтроллера по устройствам;
− Разработка электрической принципиальной схемы и спецификации
оборудования проектируемой МПС;
− Разработка схемы алгоритмов программы для микроконтроллера;
− Разработка и тестирование программы для микроконтроллера;
− Моделирование и отладка проектируемой МПС.
Четвертый раздел присутствует в том случае, если в результате
проектирования изготовлен прототип микропроцессорной системы. В этом
разделе приводятся фотографии изготовленного прототипа в различных
режимах работы МПС, а также данные этих режимов. Приводится инструкция
программиста и инструкция пользователя.
1.4 Требования к графической части ВКР
Графические материалы курсовой работы должны содержать:
1) структурная схема МПС;
2) электрическая принципиальная схема МПС;
3) спецификация оборудования;
4) схема алгоритма программы;
5) текст программы для микроконтроллера
6) оконные формы отладки программы или фото собранной МПС.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]