6. Пример проектирования микропроцессорного устройства

В примерах остановимся только на основных моментах разработки МПУ. В качестве примеров возьмем разработки МПУ из [4].

Разработка контроллера светофора

1. Требования пользователя и построение функциональной спецификации

Требования пользователя

Требуется спроектировать контроллер светофора на перекрестке главной улицы с второстепенной. Имеются четыре кнопки К1– К4для пешеходов и два датчика наличия автомобилей Д1, Д2на второстепенной улице (рис.6.1).

Рис.6.1. Схема перекрестка

Контроллер должен работать таким образом, чтобы зеленый сигнал светофора для второстепенной улицы включался только по сигналам датчиков Д1, Д2 или в случае запросов от пешеходов, вводимых с помощью кнопок К1– К4. В остальное время зеленый сигнал светофора должен быть включен для главной улицы. Желтый свет включается на 10с, красный свет для главной улицы удерживается 20с, реакция на очередное нажатие кнопки или на сработку датчика возможна не ранее 1мин после включения зеленого света для главной улицы. Для простоты не будем рассматривать другие возможные варианты, например, моргание зеленого сигнала светофора перед переходом на желтый свет.

Построение функциональной спецификации

1. Функции, которые необходимо выполнять системе:

• сформировать шесть управляющих сигналов: управление зелёным светом для главной – Зг и второстепенной – Зв улиц, управление желтым – Жг, Жв и красным – Кг, Кв светом. Возможные управляющие выходные воздействия (векторы) – Zjпредставлены в табл.6.1. Единица в соответствующей ячейке означает, что данный свет включён. Последовательность включения определяется правилами дорожного движения;

Таблица 6.1

ВЕКТОРЫ	Зв	Жв	Кв	Зг	Жг	Кг
Z1	0	0	1	1	0	0
Z2	0	1	1	0	1	0
Z3	1	0	0	0	0	1
Z4	0	1	0	0	1	1

• формировать временные интервалы, определяющие продолжительность воздействия выходных векторов Z (1мин, 10с, 20с);

• при зависании системы необходимо сформировать сигнал сброса;

• подавлять дребезг контактов при срабатывании датчиков и кнопок;

• защита микроконтроллера от помех, которые могут наводиться на длинных соединительных проводах (наведенная ЭДС), идущих к датчикам;

• система должна иметь возможность внутрисистемного программирования микроконтроллера.

2. Описание интерфейса между системой и пользователем:

• система должна реагировать на нажатие кнопок К1 – К4;

• система должна реагировать на срабатывание датчиков Д1, Д2;

• система должна зажигать 6 ламп светофора в соответствии с логикой работы.

Представим функциональную спецификацию в виде документа по категориям ВХОДЫ, ВЫХОДЫ и ФУНКЦИИ.

А. ВХОДЫ

1. Контактные кнопки.

2. Детекторы наличия автомобиля.

3. Управляющие сигналы для внутрисистемного программирования микроконтроллера.

Б. ВЫХОДЫ

1. Шесть визуальных сигналов:

Зг и Зв – управление зелёным светом для главной и второстепенной улиц;

Жг и Жв – управление желтым светом;

Кг и Кв – управление красным светом.

2. Возможные управляющие выходные воздействия (векторы) – Zjпредставлены в табл.6.1.

В. ФУНКЦИИ

1. Система восстанавливается при зависаниях.

2. Система имеет защиту от помех и дребезга контактов.

3. При включении устанавливается выходной вектор Z1.

4. Визуальные сигналы переключаются:

   1. при нажатии на кнопку, но не ранее 1мин после включения Зг;

   2. при срабатывании детектора, но не ранее 1мин после включения Зг;

   3. по истечении времени горения Зв - 20с;

   4. по истечении времени горения желтого сигнала – 10с.

5. Последовательность установления выходных векторов при срабатывании кнопки (детектора):

• Z1 – исходный выходной вектор;

• при срабатывании кнопок или датчиков устанавливается выходной вектор Z2;

• через 10с устанавливается выходной вектор Z3;

• через 20с устанавливается выходной вектор Z4;

• через 10с устанавливается выходной вектор Z1;

• в течение 1мин – отсутствие реакции на срабатывания кнопок или датчиков.

Руководство пользователя

При включении система переходит в исходное состояние разрешения движения по главной улице: включены сигналы - Зг и Кв, остальные выключены.

При нажатии кнопки на панели для пешеходов или при срабатывании датчиков второстепенной дороги на появление машин система переходит в новое состояние: остается включенным Кв и одновременно включаются сигналы желтого света Жг и Жв, свидетельствующие о начале фазы переключения на другое направление. Длительность фазы горения желтого света составляет 10с, после чего осуществляется переход в следующее состояние: разрешение движения через перекрестке с второстепенной дороги – включаются сигналы Зв и Кг, остальные выключены. Длительность нахождения в данном состоянии 20с, после чего осуществляется переход в новое состояние: остается включенным Кг и включается желтый свет (Жг и Жв). Длительность фазы горения желтого света составляет 10с, после чего осуществляется переход в начальное состояние (разрешение движения по главной улице) : горят Зг и Кв, остальные выключены.

В этом состоянии система остается минимум 1мин, в течение которой она не реагирует на сработку датчиков и кнопок. Если в течение этой минуты была сработка, то система среагирует на нее сразу по её окончании, т.е. перейдет в состояние переключения на фазу горения желтого света. Если сработки не было, то система будет находиться в состоянии разрешения движения по главной улице до тех пор, пока не произойдет сработка датчиков/кнопок.

Далее функционирование системы циклически повторяется.