Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
DMITR / USED / DIPLOM1.DOC
Скачиваний:
8
Добавлен:
16.04.2013
Размер:
410.62 Кб
Скачать

Глава2. Плата интерфейса.

2.1 Разработка блока управления

Для того чтобы разработать оптимальный блок управления, необходимо определить те функции которые он должен выполнять. Первая это - преобразование аналоговых сигналов поступающих от блока измерения проводимости и блока измерения температуры в дискретную форму. Вторая - обеспечить поступление цифровой информации на ЭВМ. И третья немаловажная функция - диагностика и самоконтроль. Рассмотрим несколько вариантов решения поставленной задачи.

Схема без контроллера с АЦП.

Самым дешёвым способом с точки зрения аппаратной комплектации является схема с АЦП, преобразующем входной аналоговый сигнал в цифровой, и соединяющимся через какой-нибудь стандартный интерфейс непосредственно с ЭВМ. Но тогда вся работа по сбору информации с датчиков организации связи со схемой ложится на компьютер, что является нерациональным использованием машинных ресурсов.

Использование PIC- контроллера (Peripheral Interface Controller).

Использование PIC-контроллера в качестве АЦП и устройства связи с ЭВМ было бы идеальным вариантом благодаря удачному сочетанию функциональных, технических и стоимостных характеристик.

PIC16C5X, производимый Microchip Technologyотносится к семейству КМОП микроконтроллеров с внутренним ПЗУ, которые отличаются низкой стоимостью, высокой производительностью, 8-битовыми операциями с данными. Они основаны на RISC архитектуре и программируются всего через 33 команды, шириной в одно слово ПЗУ. Все команды выполняются за один цикл (200нс). PIC16C5X имеют характеристики, на порядок превосходящие конкурирующую продукцию но находятся в той же ценовой категории. Расширенные двенадцати битные команды приводят к сжатию кода до 2:1 по сравнению с 8-битными микроконтроллерами этого же класса. Простота изучения и применения команд экономит время разработчика. PIC16C5X имеют встроенные устройства, присущие большинству прикладных систем, что позволяет снизить стоимость, потребляемую мощность и увеличить надежность конечного устройства. Например, встроенная схема сброса и запуска генератора позволяют избавиться от внешних RC схем. Предлагается четыре типа встроенных генераторов на выбор, включая экономичный LP (Low Power) и дешевый RC генераторы. Экономичный режим SLEEP,Watchdog таймер и устройство защиты кода программы снижают стоимость и увеличивают мощность плюс надежность всей системы. Микросхемы с ультрафиолетовым стиранием идеальны для процесса отработки программы. Одновременно существуют однократно программируемые (OTP) кристаллы. Здесь разработчик может извлечь полное преимущество из сочетания низкой цены и гибкости OTP версий. Серия PIC16C5X подходит для широкого спектра приложений от схем высокоскоростного управления автомобильными и электрическими двигателями до экономичных удаленных приемопередатчиков, показывающих приборов и связных процессоров. Наличие ПЗУ позволяет подстраивать параметры в прикладных программах (коды передатчика, скорости двигателя, частоты приемника и т.д.). Малые размеры корпусов, как для обычного, так и для поверхностного монтажа, делает эту серию микроконтроллеров пригодной для портативных приложений. Низкая цена, экономичность, быстродействие, простота использования и гибкость ввода/вывода делает серию PIC16C5X привлекательной даже в тех областях, где ранее не применялись микроконтроллеры. Например, таймеры, замена жесткой логики в больших системах, сопроцессоры. Устройства серии PIC16C5X имеют большой выбор ПЗУ и ОЗУ разных размеров, разное количество линий ввода/вывода, различные виды возбуждения генераторов, разную скорость, климатику и типы корпусов.

Устройства с ультрафиолетовым стиранием удобно использовать в прототипных и опытных партиях. Конфигурация генератора ("RC", "XT", "HS", "LP") программируется самим пользователем на UF EPROM. При UF стирании или по умолчанию устанавливается тип "RC". В зависимости от выбранного типа генератора и частоты, рабочее напряжение питания должно быть в том же диапазоне, что будет и в будущем устройстве на OTP кристалле (если OTP предполагается использовать). Тип генератора на кристаллах OTP устанавливается на заводе и они тестируются только для этой специальной конфигурации, включая напряжение, частоту и ток потребления. Устройства выпускаются с чистым EPROM, что позволяет пользователю самому программировать их. Кроме того, можно отключить Watchdog таймер и/или защиту кода путем программирования битов в специальном EPROM. Также доступны 16 бит для записи кода идентификации (ID).

Основные параметры PIC- контроллеров:

- 33 простых команды;

- все команды выполняются за один цикл, (команды перехода - 2 цикла);

- рабочая частота 0 Гц ... 20 МГц (200 нс цикл команды);

- 12- битовые команды;

- 8- битовые данные;

- 512 ... 2К х 12 программной памяти на кристалле EPROM;

- 25 ... 72 х 8 регистров общего использования;

- 7 специальных аппаратных регистров SFR;

- двухуровневый аппаратный стек;

- прямая, косвенная и относительная адресация данных и команд;

Периферия и Ввод/Вывод:

- 12 ... 20 линий ввода-вывода с индивидуальной настройкой;

- 8 - битный таймер/счетчик RTCC с 8-битным программируемым предварительным делителем;

- автоматический сброс при включении;

- таймер запуска генератора;

- Watchdogтаймер WDT с собственным встроенным генератором, обеспечивающим повышенную надежность;

- EPROM бит секретности для защиты кода;

- экономичный режим SLEEP;

- программируемые EPROM биты для установки режима возбуждения встроенного генератора;

- RC генератор: RC

- обычный кварцевый резонатор: XT

- высокочастотный кварцевый резонатор: HS

- экономичный низкочастотный кристалл: LP

Архитектура основана на концепции раздельных шин и областей памяти для данных и команд (Гарвардская архитектура). Шина данных и память данных (ОЗУ) - имеют ширину 8 бит, а программная шина и программная память (ПЗУ) имеют ширину 12 бит. Такая концепция обеспечивает простую, но мощную систему команд, разработанную так, что битовые, байтовые и регистровые операции работают с высокой скоростью и с перекрытием по времени выборок команд и циклов выполнения. Битовая шина данных соединяет два основных функциональных элемента вместе: набор регистров, который может быть длиной до 80 адресуемых 8-битовых регистров (включая порты) и 8-битное арифметико-логическое устройство. Первые 32 байта ОЗУ адресуются прямо и называются "Банк 0". Если кристалл PICа имеет увеличенную память, то она наращивается банками по 16 байт в каждом. Данные могут адресоваться прямо или косвенно через регистр выбора банка. Непосредственная адресация к константам организуется при помощи специальных команд, которые загружают в рабочий регистр W данные из программной памяти. Встроенная программная память (EPROM) имеет ширину слова 12 бит. Прямо адресованы могут быть до 512 слов программной памяти. Программная память большего объема адресуется постранично, путем выбора одной из четырех доступных страниц, длиной 512 слов каждая.

Несмотря на огромные преимущества PIC-контролеров всё упирается в стоимость отладки программного обеспечения при непосредственной аппаратной реализации схемы с PIC- контроллером. А вернее в отсутствии в Зеленограде отладочных систем, которые можно было - бы бесплатно использовать. Если такие отладочные системы отсутствуют, то нет и надежного способа определить место программы, содержащее ошибку. Единственное, что может сделать инженер - это наблюдать за неправильно работающей системой, как за черным ящиком. Он не может определить, в каких местах программы совершены ошибки, так как не знает, каким образом она на самом деле выполняется. Отладка в таком случае заключается в многократных экспериментах по изменению программы и программированию ПЗУ. Такое "колдование" может продолжаться неопределенно долго, а результирующая программа, как правило, работает ненадежно.

Использование контроллера МК51.

На данный момент широко применяются микроконтроллеры МК51. Существует обширная техническая документация и что самое главное широкий выбор отладочных средств от эмулятора ПЗУ и отладочного монитора до внутрисхемного эмулятора. Рассмотрим микроЭВМ МК51 более подробно.

Восьмиразрядные высокопроизводительные однокристальные микроЭВМ (ОМЭВМ) семейства МК51 выполнены по высококачественной n-МОП технологии (серия 1816) и КМОП технологии (серия 1830).

Семейство МК51 включает пять модификаций ОМЭВМ (имеющих идентичные основные характеристики), основное различие между которыми состоит в реализации памяти программ и мощности потребления.

ОМЭВМ КР1816ВЕ51 и КР1830ВЕ51 содержат масочно-програмируемое в процессе изготовления кристалла ПЗУ памяти программ ёмкостью 4096 байт и рассчитаны на применение в массовой продукции. За счёт использования внешних микросхем памяти общий объём памяти программ может быть расширен до 64 Кбайт.

ОМЭВМ КР1816ВЕ31 и КР1830ВЕ31 не содержат встроенной памяти программ, однако могут использовать до 64 Кбайт внешней постоянной или перепрограммируемой памяти программ и эффективно использоваться в системах, требующих существенного большего по объёму (чем 4 Кбайт на кристалле) ПЗУ памяти программ.

Микросхемы

Аналог

Объём внутренней ПП, байт

Тип ПП

Объём внутренней ПД, байт

max частота следования тактовых сигналов, МГц

Ток потребления, мА

КР1816ВЕ31

8031AH

-

внеш.

128

12,0

150,0

КР1816ВЕ51

8051AH

ПЗУ

128

12,0

150,0

КР1816ВЕ751

8751H

ППЗУ

128

12,0

220,0

КР1830ВЕ31

80C31BH

-

внеш.

128

12,0

18

КР1830ВЕ51

80C31BH

ПЗУ

128

12,0

18

Таблица 1.

ОМЭВМ КМ1816ВЕ751 содержит ПЗУ ёмкостью 4096 байт со стиранием ультрафиолетовым излучением и удобна на этапе разработки системы при отладке программ, а также при производстве небольшими партиями или при создании систем, требующих в процессе эксплуатации периодической подстройки. За счёт использования внешних микросхем памяти общий объём памяти программ может быть расширен до 64 Кбайт.

Микросхемы семейства КМ186ВЕ751 конструктивно выполнены металлокерамическом корпусе типа 2123.40-6 с прозрачной для ультрафиолетового излучения крышкой.

Каждая из перечисленных выше микросхем является соответственно аналогом БИС 8051, 80С51, 8031, 80С31, 8751 семейства MCS-51 фирмыIntel (США). Сравнительные данные приведены в таблице 1.

Каждая ОМЭВМ рассматриваемого семейства содержит встроенное ОЗУ памяти данных ёмкостью 128 байт с возможностью расширения общего объёма оперативной памяти данных до 64 Кбайт за счёт использования внешних микросхем ЗУПВ. Общий объём памяти ОМЭВМ семейства МК51 может достигать 128 Кбайт: 64 Кбайт памяти программ и 64 Кбайт памяти данных.

ОМЭВМ содержат все узлы для, необходимые для автономной работы:

  1. центральный восьмиразрядный процессор;

  2. память программ объёмом 4 Кбайт (для КР1816ВЕ751, КР1816ВЕ51, КР1830ВЕ51);

  3. память данных объёмом 128 байт;

  4. четыре восьмиразрядных программируемых канала ввода-вывода;

  5. два 16-битовых многорежимных таймера-счётчика;

Рис. 4а Структурная схема МК51

Рис. 4б Структурная схема МК51

  1. систему прерываний с пятью векторами и двумя уровнями;

  2. последовательный интерфейс;

  3. тактовый генератор.

Система команд ОМЭВМ содержит 111 базовых команд с форматом 1,2 или 3 байта.

ОМЭВМ имеет:

  • 32 РОН;

  • 128 определяемых пользователем программно-управляемых флагов;

  • набор регистров специальных функций.

РОН и определяемые пользователем программно-управляемые флаги расположены в адресном пространстве внутреннего ОЗУ данных.

Важнейшей и отличительной чертой архитектуры семейства МК51 является то, что АЛУ может наряду с выполнением операций над 8-разрядными типами данных манипулировать одноразрядными данными. Отдельные программно-доступные биты могут быть установлены, сброшены или заменены их дополнением, могут пересылаться, проверяться и использоваться в логических вычислениях. Тогда как поддержка простых типов данных (при существующей тенденции к увеличению длины слова) может с первого взгляда показаться шагом назад, это качество делает микроЭВМ семейства МК51 особенно удобным для применений, в которых используются контроллеры. Алгоритмы работы последних по своей сути предполагают наличие входных и выходных булевых переменных, которые сложно реализовывать при помощи стандартных микропроцессоров. Все эти свойства в целом называются булевым процессором семейства МК51. Благодаря такому мощному АЛУ набор инструкций микроЭВМ семейства МК51 одинаково хорошо подходит как для применений управления в реальном масштабе времени, так и для алгоритмов с большим объёмом данных.

Структурная схема ОМЭВМ представлена на рис. 4 (а, б)

Блок управленияпредназначен для выработки синхронизирующих и управляющих сигналов, обеспечивающих координацию совместной работы блоков ОМЭВМ во всех допустимых режимах её работы. В состав блока управления входят устройство выработки временных интервалов, логика ввода-вывода, регистр команд, регистр управления потреблением, дешифратор команд, ПЛМ и логика управления ЭВМ.

Устройство выработки временных интерваловпредназначено для формирования и выдачи внутренних синхросигналов фаз, тактов и циклов.

Логика ввода-выводапредназначена для приёма и выдачи сигналов, обеспечивающих обмен информацией ОМЭВМ с внешними устройствами через порты ввода-вывода Р0-Р3.

Регистр командпредназначен для записи и хранения 8-разрядного кода операции выполняемой команды, который с помощью дешифратора команд преобразовывается в 24-разрядный код дляПЛМ, с помощью которой вырабатывается набор микроопераций в соответствии с микропрограммой выполнения команды. Регистр команд программно недоступен.

Регистр управления потреблениемPCONуправляет скоростью передачи последовательного портаSMOD.

Логика управления ЭВМ в зависимости от режима работы ОМЭВМ вырабатывает необходимый набор управляющих сигналов.

АЛУпредставляет собой параллельное восьмиразрядное устройство, обеспечивающее выполнение арифметических и логических операций, а также операции логического сдвига, обнуления, установки и т.п.

Регистр аккумулятора и регистр временного хранения - восьмиразрядные регистры, предназначенные для приёма и хранения операндов на время выполнения операций над ними. Программно недоступны.

ПЗУ константобеспечивает выработку корректирующего кода при двоично-десятичном представлении данных, кода маски при битовых операциях и кода констант.

Параллельный восьмиразрядный сумматорпредставляет собой схему комбинационного типа с последовательным переносом, предназначенную для выполнения арифметических операций сложения, вычитания и логических операций сложения умножения неравнозначности и тождественности.

Регистр В- восьмиразрядный регистр, используемый во время операций умножения и деления. Для других инструкций он может рассматриваться как дополнительный сверхоперативный регистр.

Аккумуляторпредставляет собой восьмиразрядный регистр, предназначенный для приёма и хранения результата, полученного при выполнении арифметико-логических операций или операций пересылки.

Регистр состояния программы предназначен для хранения информации о состоянии АЛУ при выполнении программы.

Таймеры/Счётчикипредназначены для подсчёта внешних событий, для получения программно-управляемых временных задержек и выполнения времязадающих функций ОМЭВМ.

Блок последовательного интерфейса и прерываний (ПИП) предназначен для организации ввода-вывода последовательных потоков информации и организации системы прерывания программ.

Счётчик команд (РС)предназначен для формирования текущего 16-разрядного адреса внешней памяти данных.

ПортыР0, Р1, Р2, Р3 являются двунаправленными портами ввода-вывода и предназначены для обеспечения обмена информацией ОМЭВМ с внешними устройствами.

Память данныхпредназначена для приёма, хранения и выдачи информации, используемой в процессе выполнения программы. Память данных, расположенная на кристалле ОМЭВМ, состоит из регистра адреса ОЗУ, дешифратора, ОЗУ и указателя стека.

Память программпредназначена для хранения программ и имеет отдельное от памяти данных адресное пространство объёмом до 64 Кбайт.

АЦП и микроконтроллер МК51.

В качестве конкретной интегральной микросхемы применим ИС МАХ 186. Микросхема представляет собой функционально завершенный и сопрягаемый с микропроцессорами 12-разрядный, АЦП. Позволяет подключать до 8 аналоговых каналов. Предназначена для преобразования входного напряжения в последовательный двоичный код.

Краткие характеристики аналого-цифрового преобразователя МАХ-186:

- число входных каналов 8;

- разрядность 12 бит;

- интерфейс последовательный;

- диапазон входного напряжения 0..4,096 В или -2,048..+2,048 В;

- напряжение питания +5 В и -5 В при двуполярном включении;

- источник опорного напряжения встроенный.

Для связи с микроконтроллеров задействуются линия синхронизации, линия строба, и две линии данных.

Комплексная таблица вариантов Блока Управления.

Для того чтобы сделать оптимальный выбор, представим всё вышесказанное в виде таблицы, значения которой представлены в условных единицах (0-10):

Варианты БУ

Стоимость сборки схемы

Стоимость отладки ПО

Стоимость обработки информации

Эффективность работы

с АЦП

1

1

10

1

PIC- контроллер

1

10

2

10

МК51

2

2

1

8

АЦП + МК51

3

2

1

10

Таблица 2.

Из таблицы 2 видно что из оптимального сочетания стоимость-эффективность наилучшим выбором является использование блока управления состоящего из АЦП, преобразующего аналоговый сигнал в цифру и микроЭВМ МК51 для обмена информацией с ЭВМ и диагностики схемы.

Соседние файлы в папке USED