ПЗ_ЕПА_заочное

Індивідуальне завдання виконується на практичних заняттях в ході вивчення дисципліни «Електронні пристрої автоматики» і призначена для студентів дистанційної форми навчання, що займаються за напрямом 6.050202 «Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології» (спеціальність 7.05020203 «Автоматика та автоматизація на транспорті»).

Мета виконання індивідуального завдання: навчитися проектувати мікропроцесорні пристрої керування та контролю на базі однокристальної ЕОМ (ОЕОМ) К1816ВЕ51 (MCS-51), що знайшла широке застосування в сучасних пристроях промислової автоматики та системах цифрового зв’язку.

СТРУКТУРА ІНДИВІДУАЛЬНОГО ЗАВДАННЯ

1.Завдання (вихідні дані).

2.Принципова схема пристрою.

3.Короткий опис принципу роботи схеми і технічних характеристик електронних елементів пристрою.

ВИМОГИ ДО ОФОРМЛЕННЯ ІНДИВІДУАЛЬНОГО ЗАВДАННЯ

Індивідуальне завдання оформляється на аркушах формату А4 або в зошиті.

Кількість аркушів – не більше 10.

Рисунки, графіки та схеми можуть бути виконані на міліметрівці. Індивідуальне завдання повинно бути зшите скріпками або нитками. Листи індивідуального завдання повинні бути пронумеровані.

Усі елементи принципової схеми повинні бути зображені відповідно до державних стандартів (ДСТ) на умовні графічні позначення: ДСТ 2.743-82,

ДСТ 2.759-82, ДСТ 2.708-81.

Зразок оформлення титульного листа наведений у додатку 1.

ІНДИВІДУАЛЬНЕ ЗАВДАННЯ

Необхідно розробити мікропроцесорний пристрій на базі однокристальної ЕОМ К1816ВЕ51 (МСS-51) за заданими вихідними даними. Варіант вибирається за номером студента в списку групи. Індивідуальне завдання, виконаний не за своїм варіантом заліку не підлягає.

2

Таблиця 1

Індивідуальне завдання (варіанти 1 - 10)

3

Примітка. АЦП – 10–розрядний аналого-цифровий перетворювач типу К1113ПВ1; ЦАП – 10-розрядний цифро-аналоговий перетворювач типу К572ПА1; ПІТ – програмний інтервальний таймер К580ВИ53; ППІ – програмний паралельний інтерфейс типу К580ВВ55; - пристрій не використовується в системі.

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО ВИКОНАННЯ ІНДИВІДУАЛЬНОГО ЗАВДАННЯ

Проектування цифрових пристроїв керування та контролю починається з розробки принципової схеми. Принципова схема будь-якого мікропроцесорного пристрою створюється за шинною структурою, тобто усі зовнішні виводи мікросхем та інших елементів схеми з’єднуються між собою за допомогою графічного об’єкта – шини (товщиною 2-3 мм). Усі провідники, що входять у шину під однаковими іменами, вважаються з’єднаними між собою. Імена провідників, що входять у шину, рекомендується вибирати зі смисловим значенням, яке пояснює їхнє призначення: D0 – шина даних, А2 – шина адреси, U1 – керуючий сигнал.

Відповідно до ДСТ умовне графічне позначення (УГП) аналогових і цифрових інтегральних мікросхемах (ІМС) має форму прямокутника, що містить три поля: основне і два додаткових. Додаткові поля розташовуються праворуч і ліворуч від основного поля і можуть додатково розділятися горизонтальною лінією на зони. Розміри УГП ІМС по висоті визначаються кількістю зовнішніх виводів і повинні бути кратні 2,5 мм. Відстань між лініями виводів повинна бути не менш 5 мм чи кратною йому. Прийнято входи ІМС зображувати на лівому додатковому полі, а виходи на правому. Але в мікроконтролерах та інших мікропроцесорних мікросхемах, що мають двунаправленні зовнішні виводи, цього правила можна не дотримуватися. Ширина полів УГП ІМС повинна бути не менш 5 мм. УГП логічних ІМС виконують без додаткових полів, тому що в них усі виводи логічно рівнозначні і функції виводів однозначно визначаються функцією логічного елемента. В основному полі УГП (самий верхній рядок) поміщають скорочене позначення функцій, що виконуються мікросхемою: CPU – мікропроцесор, MCU - мікроконтролер, ADC – аналого-цифровий перетворювач, DAC – цифро-аналоговий перетворювач, RG – регістр, RAM – ОЗП, ROM – ПЗП, СТ – таймер, РІО – пристрій вводу-виводу даних. Також в основному полі можна вказувати тип мікросхеми. У додаткових полях позначається функціональне призначення виводів ІМС (бажано використовувати скорочення, які рекомендуються фірмою -

4

виробником ІМС). Над зовнішнім виводом обов'язково проставляється його номер, що визначається місцем розташування виводу в корпусі ІМС.

На принциповій схемі необхідно нанести номінальні значення резисторів і конденсаторів, а також типи усіх елементів, що використовуються. Усі елементи принципової схеми повинні мати позиційні позначення відповідно до ДСТ:

VT2 – біполярні та польові транзистори;

VD3 – напівпровідникові діоди, світлодіоди і т.п.; R7 – резистори;

C8 – конденсатори;

SA2 – механічні перемикачі; K1 – обмотки реле;

K1.2 – контакти реле;

Q1 – кварцовий резонатор;

DD1 – цифрова мікросхема;

DA2 – аналогова мікросхема.

Опис принципової схеми повинний містити в собі:

-опис роботи принципової схеми (робота із зовнішньою пам’яттю, керування зовнішніми пристроями, робота схеми скидання та ін.);

-опис принципу роботи всіх ІМС, що входять у систему;

-параметри і технічні характеристики ІМС, які використовуються при проектуванні мікропроцесорного пристрою.

Основу цифрового пристрою керування та контролю складає мікроконтролер типу К1816ВЕ51 (аналог MCS-51 фірми Intel), що виконаний по КМОП технології і випускається в корпусі DIP-40. УГП мікроконтролера К1816ВЕ51 наведено на рис. 1.

ОЕОМ К1816ВЕ51 вимагає для роботи всього одного джерела живлення з напругою +5 В. Взаємодія ОЕОМ із зовнішніми пристроями здійснюється через чотири 8-розрядних порти вводу-виводу (Р0 – Р3) за допомогою логічних сигналів ТТЛ - стандарту. Мікроконтролер має внутрішній генератор тактових імпульсів (ГТІ), що вимагає для роботи лише підключення зовнішнього кварцового резонатора. До складу мікроконтролера К1816ВЕ51 входить 8-розрядний арифметико-логічний пристрій, що може виконувати наступні операції: додавання, вирахування, множення, цілочислене ділення, логічні операції, циклічне зсунення, операції з бітами. Для реалізації часових функцій (вимір частоти та тривалості сигналів, часових затримок і т.п.) ОЕ-

5

ОМ оснащена двома 16-розрядними таймерами. Для роботи ОЕОМ необхідно підключити до неї схему автоматичного скидання при вмиканні живлення, а також кнопку для ручного скидання. До внутрішнього ГТІ ОЕОМ необхідно підключити схему синхронізації на кварцовому резонаторі (рекомендується брати частоту кварцу рівну 12 МГц). Мікроконтролер К1816ВЕ51 може працювати із зовнішньою пам’яттю (ОЗП і ПЗП) обсягом до 64 КБайт.

Рис. 1. Мікроконтролер К1816ВЕ51 (MCS-51)

Призначення виводів ОЕОМ (див. рис. 1):

Р1.0 – Р1.7 (1 – 8) – двунаправлений порт вводу - виводу Р1; RST (9) – вхід скидання мікроконтролера;

Р3.0 – Р3.7 (10 – 17) - двунаправлений порт вводу - виводу Р3, що має зв'язок з регістрами спеціальних функцій:

- RXD – вхід приймача послідовного порту;

6

-TXD – вихід передавача послідовного порту;

-INT0, INT1 – входи запиту зовнішнього переривання;

-T0, T1 – входи лічильників;

-WR – запис у зовнішнє ОЗП;

-RD – читання з зовнішнього ОЗП;

Х1, Х2 (18, 19) – виводи внутрішнього ГТІ; GND (20) – загальний вивід;

Р2.0 – Р2.7 (21 – 28) - двунаправлений порт вводу - виводу Р2; PSEN (29) – вихід читання з зовнішнього ПЗП;

ALE (30) – вихід строба зовнішньої адреси;

EA (31) – вмикання/вимикання внутрішнього ПЗП;

P0.0 – P0.7 (32 – 39) - двунаправлений порт вводу - виводу Р0; VCC – вивід живлення +5 В.

Параметри й характеристики ОЕОМ К1816ВЕ51:

-напруга живлення: Uжив. - + 5 В 10%;

-максимальна потужність споживання: Рмакс. – 1,5 Вт;

- температурний діапазон роботи: t – 0 70 0C;

- діапазон частот внутрішнього ГТІ: Fгті – 1,2 12 МГц;

-обсяг внутрішнього ПЗП – 4 Кілобайти;

-обсяг внутрішнього ОЗП – 128 байт.

Для підключення до ОЕОМ зовнішніх ОЗП та ПЗП використовуються порти Р0 і Р2. Порт Р2 використовується для формування старшого байта адреси і підключається безпосередньо до виводів А8 - А15 ІМС зовнішньої пам’яті. Порт Р0 використовується для формування молодшого байта адреси ІМС зовнішньої пам’яті, а також як двунаправлена шина даних. Тому порт Р0 підключається до виводів А0 - А7 зовнішньої пам’яті через додатковий регістр. Приклад підключення ПЗП обсягом 2 КБ до ОЕОМ за допомогою 8- розрядного регістра типу К555ИР22 наведений на рис. 2.

Сигнал ALE (лог. 1) використовується для фіксації молодшого байта адреси в регістрі. Читання даних із зовнішнього ПЗП здійснюється по сигналу RD (лог. 0), що формується ОЕОМ на виводу PSEN. При звертанні до зовнішнього ОЗП замість виводу PSEN використовуються виводи порту Р3: WR – запис у зовнішнє ОЗП, RD – читання із зовнішнього ОЗП. В іншому підключення зовнішнього ОЗП нічим не відрізняється від підключення зовнішнього ПЗП. Як зовнішній ПЗП рекомендується використовувати інтегральні мікросхеми з ультрафіолетовим стиранням типу: К573РФ2(5) – обсяг 2 КБ,

7

К573РФ4 – 8 КБ, 2716 – 2 КБ, 2764 – 8 КБ, 27128 – 16 КБ (рис. 4). Для одер-

жання ПЗП обсягом 4 або 16 КБ можна використовувати дві ІМС ПЗП обсягом 2 чи 8 КБ. Для цього необхідно задіяти ще один вивід порту Р2, підключивши його до виводу CS молодшого ПЗП безпосередньо, а до виводу старшого ПЗП через інвертор.

Рис. 2. Підключення ПЗП К573РФ5 до ОЕОМ К1816ВЕ51

Мікросхеми ПЗП типу К573РФхх можуть працювати у двох режимах: збереження інформації та читання даних. ПЗП у режимі збереження може працювати як при наявності живлення, так і при його відсутності. У режимі читання зовнішній мікропроцесор формує адресу комірки пам’яті, а потім подає керуючі сигнали на входи CS і OE. Після чого на шині даних ПЗП з'являється зміст обраної комірки пам’яті. Призначення виводів ІМС пам’яті типу К573РФхх (див. рис. 3):

А0 – Аn – адресні входи, призначені для вибору комірки пам’яті;

D0 – D7 – шина даних, призначена для читання змісту вибраної комірки пам’яті;

ОЕ – керуючий вхід: читання з ПЗП (лог. 0);

CS – керуючий вхід: вибір мікросхеми (лог. 0), якщо на вивід подана лог. 1, то ІМС вимкнена і не реагує на керуючі сигнали;

Upp – вхід подачі напруги програмування ПЗП (формується тільки на етапі програмування ПЗП).

8

Параметри ПЗП типу К573РФхх:

-час збереження інформації при вимкненому живленні – не менш 100000 годин;

-число циклів програмування – не менш 25;

-час читання – не більш 400 нс;

-напруга живлення - +5 В 5%;

-потужність споживання – не більш 400 мВт;

-діапазон температур - -45 ... +70 0С.

Рис. 3. УГП постійних запам’ятовуючих пристроїв

Як зовнішній ОЗП рекомендується використовувати ІМС статичної па- м'яті типу: К537РУ10 – обсяг 2 КБ, К537РУ17 – 8 КБ (рис. 4).

Застосування статичних ОЗП в цифрових пристроях на базі мікроконтролерів обумовлено їх перевагами: легкість керування (можна обійтися всього двома керуючими сигналами) і висока швидкість роботи. Мікросхеми ОЗП типу К537РУхх можуть працювати в трьох режимах: збереження, читання та запис даних. ОЗП у режимі збереження може працювати тільки при наявності напруги живлення. У даному режимі ОЗП знаходиться, якщо не активізовані режими читання або запису. У режимі читання зовнішній мікропроцесор формує адресу комірки пам’яті, а потім подає керуючі сигнали на входи CS і OE. Після чого на шині даних ОЗП з'являється зміст обраної комірки пам’яті. У режимі запису зовнішній мікропроцесор формує адресу комірки пам’яті та

9

виставляє на шині даних інформацію, яку треба записати в обрану комірку пам’яті. Після цього формуються керуючі сигнали (лог. 0): CS і WR. Призначення виводів ІМС пам'яті типу К537РУхх (див. рис. 4):

А0 – Аn – адресні входи, призначені для вибору комірки пам'яті;

D0 – D7 – шина даних, призначена для читання або запису в обрану комірку пам’яті;

ОЕ – керуючий вхід: читання з ОЗП (лог. 0); WR - керуючий вхід: запис в ОЗП (лог. 0);

CS – керуючий вхід: вибір мікросхеми (лог. 0), якщо на вивід поданий сигнал лог. 1, то ІМС вимкнена і не реагує на керуючі сигнали.

Рис. 4. УГП оперативних запам'ятовуючих пристроїв

Параметри ОЗП типу К537РУхх:

-інформаційний обсяг (для К537РУ10) – 2048х8 байт;

-час вибірки адреси – не більш 220 нс;

-напруга живлення - +5В 5%;

-потужність споживання у режимі збереження – не більш 5 мВт;

-потужність споживання у режимі звертання – не більш 370 мВт;

-діапазон температур - -10 ... +70 0С.

Як АЦП рекомендується використовувати ІМС типу К111ЗПВ1 (або його закордонні аналоги), а як ЦАП – К572ПА1. При підключенні 10-розрядних АЦП і ЦАП до 8-розрядних портів, необхідно використовувати 8 старших

10