Микропроцессорные системы в радиоэлектронных устройствах - электрошокер

Министерство образования  Республики Беларусь

 

Учреждение образования

«Белорусский государственный  университет

информатики и радиоэлектроники»

 

 

 

 

 

Кафедра ЭВС

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Контрольная работа по предмету:

«Микропроцессорные системы в радиоэлектронных устройствах»

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент гр. 802601:

Плешивцев А. Г.

Адрес: г.Минск,

ул. Щербакова,

д.17,кв. 75.

Проверил: Цырельчук И.Н.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Минск 2012 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение           

1. Постановка и анализ задачи        

2. Функциональная  спецификация системы      

3. Предварительное проектирование системы     

4. Проектирование  аппаратных средств системы     

5. Проектирование  программного обеспечения     

Заключение           

Список  использованных источников       

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Требования  пользователя определяют, что хочет  или в чем нуждается пользователь или потребитель. Требования пользователя могут быть получены во время встреч с пользователем или покупателем с целью выявления его нужд и определения того, что пользователь хочет от устройства. Другой подход используется при планировании ассортимента изделий, когда требования пользователей могут быть определены путем изучения рынка сбыта на основе спроса покупателей.

На первом шаге необходимо сформулировать вопросы, ответы на которые позволят получить информацию, касающуюся того, что устройство должно делать, т.е. определить требования пользователя. Эти вопросы должны быть связаны только с тем, что должен делать электрошокер. В частности, для электрошокера необходимо получить ответы на следующие вопросы:

  1. возможно ли получить достаточно высокий импульс напряжения?
  2. будет ли он достаточно компактным и удобным в применении?
  3. какие конструктивные особенности устройства необходимо предусмотреть для безопасности использования  его пользователем?

Из ответов на эти вопросы  можно сделать вывод относительно того, что будут собой представлять требования пользователя. Для электрошокера набор соответствующих требований пользователя приведен ниже:

  1. электрошокер предназначен для самообороны;
  2. прибор должен выдавать импульс высокого напряжения;
    1. электрошокер должен быть конструктивно удобным в применении для пользователя;
    2. прибор должен быть безопасным в применении для пользователя;
    3. устройство должно быть несложным в эксплуатации.

На основе этих требований можно  определить функциональную спецификацию электрошокера. 

1 ПОСТАНОВКА И АНАЛИЗ ЗАДАЧИ

 

Спроектировать и проанализировать микропроцессорное устройство электрошокер. Для этого, прежде всего, надо разобраться с таким понятием как функциональная спецификация.

Функциональная спецификация должна определять, какие функции должны выполняться для удовлетворения требований пользователя и обеспечения интерфейса между прибором и окружением. Функциональная спецификация включает два основных компонента:

      1. список функций, выполняемых прибором;
      2. описание интерфейса между прибором и пользователем.

Так как устройство проектируется на основе информации, содержащейся как в требованиях пользователя, так и в функциональной спецификации, важно, чтобы функции, которые должны отображать требуемое поведение электрошокера, были описаны достаточно подробно. По отношению к требованиям пользователя устройства функциональная спецификация должна давать ответы на следующие вопросы:

1) Какие средства необходимо предусмотреть для управления электрошоковым устройством?

2) Какие средства необходимо предусмотреть для проверки работоспособности прибора?

3) Какие средства необходимо предусмотреть для получения высокого импульса напряжения?

 

  1. Все электрошокеры как правило имеют в своем составе кнопку включения/выключения с предохранителем для исключения случайных срабатываний, рукоятку переключения уровня напряжения на электродах, кнопка для включения встроенного фонарика, кнопка для включения встроенной сирены.
  2. Для проверки работоспособности установлена система индикации уровня заряда аккумулятора, а также контрольные электроды.
  3. Для получения высокого импульса напряжения используются преобразователи напряжения.

Так же необходимо ознакомиться с  тем, что из себя представляет электрошокер и его принцип действия.

Принцип построения типового электрошокового устройства показан на рис.1. Постоянное напряжение источника питания (обычно это одна или две 9–вольтовых батареи) преобразуется электрической схемой в высоковольтные импульсы, которые подаются на выходные электроды.

Электроды представляют собой обычные металлические  стержни, разделенные промежутком. Обычно электрошокер содержит две пары электродов: контрольные (срезающие) и рабочие.

Контрольные электроды расположены друг от друга  на расстоянии достаточно близком для  электрического пробоя воздушного промежутка между ними и образования видимого искрового разряда. Рабочие электроды  разнесены на большее расстояние и ими наносится поражение  при контакте с объектом.

Рисунок 1 – Электрошокер

 

2 ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СПЕЦИФИКАЦИЯ  ЗАДАЧИ

 

Ответив на вопросы из пункта 1, можно составить функциональную спецификацию для электрошокера.

1. Вход:

1.1 Кнопку включения/выключения с предохранителем для исключения случайных срабатываний.

1.2 Рукоятка переключения уровня напряжения на электродах.

1.3 Кнопка для включения встроенного фонарика.

1.4 Кнопка для включения встроенной сирены.

2. Выход:

2.1 Световая индикация зеленого цвета (наличие заряда в аккумуляторе).

2.2 Световая индикация красного цвета (аккумулятор требует подзарядки).

3. Функции:

3.1 Включение\выключение разряда высокого напряжения на электродах. Если светодиод зелёного цвета горит, то поступает напряжение питания и прибор находится в активном режиме. Если же загорается красный светодиод, то включение разряда высокого напряжения невозможно, происходит выключение всех видов световых и звуковых сигналов.

3.2 Переключение уровня напряжения  подаваемого на электроды при  помощи рукоятки переключения.

3.3 Включение\выключение встроенного фонарика.

3.4 Включение\выключение встроенной сирены.

Примечание: Горит световая индикация зелёного цвета – наличие заряда в аккумуляторе, допустимого для использования электрошокера. Загорелась световая индикация красного цвета – запрет на использование прибора, аккумулятор требует подзарядки.

Важным  вопросом при разработке функциональной спецификации является взаимодействие между пользователем и системой. В электрошоковом устройстве взаимодействие между системой и пользователем осуществляется при помощи кнопочных переключателей, визуальных (световых) и звукового сигналов (рис. 2).

Рисунок 2 –  Интерфейс между прибором и пользователем

 

В общем  случае могут существовать различные  способы взаимодействия между пользователем  и системой:

Тактильные (контактные) входы. Пользователь может нажимать кнопки, поворачивать ручки.

Визуальные выходы. Визуальная индикация электрошокового устройства является примером визуального выхода. Другие системы используют для вывода информации цифровые индикаторы, ЖКИ экраны, печатающие устройства и т.д.

Звуковые выходы. Звуковая сигнализация в электрошоковом устройстве является примером звукового выхода.

Учет  человеческого фактора при проектировании должен приводить к простоте системы  и легкости ее использования. Эти  цели достигаются посредством проектирования соответствующего системного интерфейса, обеспечивающего экономный обмен  информацией между пользователем и системой. Это позволяет уменьшить затраты на обучение пользователя и не требует больших усилий при взаимодействии с системой. Человеческий фактор в вопросах проектирования микропроцессорных систем проявляется также в том, что некоторые характеристики существующих систем должны быть учтены при проектировании новых систем. Например, инженер, который использует генератор сигналов, привык вращать ручки для установки амплитуды и частоты формируемого сигнала. Поэтому, даже если эти функции находятся теперь под управлением микропроцессора, проектировщик должен оставить ручки, чтобы пользователю не пришлось переучиваться для того, чтобы выполнять хорошо знакомые ему функции, особенно если эти ручки хорошо спроектированы с точки зрения человека.

Рассмотренное электрошоковое устройство является достаточно простым, поэтому определение для нее функциональной спецификации не составило особого труда. В более сложных системах определение функциональной спецификации может оказаться достаточно непростой задачей. В таких случаях удобнее сначала разбить систему на несколько подсистем меньшего размера, а затем определить функциональную спецификацию для каждой из них.

 

3 ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ  СИСТЕМЫ

 

В этом разделе должно быть произведено  предварительное проектирование системы  и осуществлен выбор соотношения  между аппаратными и программными средствами. Вначале необходимо на основе функциональной спецификации определить набор модулей, реализующих выполняемые в системе функции. Этот набор функциональных модулей составляет первый уровень проектирования систем. После разбиения системы на модули надо отделить аппаратные модули от программных. В результате этого строится модульная структура аппаратных средств системы, которая оформляется в виде электрической структурной схемы.

Прежде чем начинать детальное  проектирование, необходимо определить, какие функции лучше выполняются  с помощью программного обеспечения  системы, а какие – с помощью аппаратных средств. Все функции предварительно должны быть распределены между программными и аппаратными средствами. Часть функций может быть реализована с помощью как аппаратных, так и программных средств.

От выбора решения зависит, как  проектировать аппаратные и программные средства системы. Во время детального проектирования аппаратных и программных средств часто становится очевидным, что некоторые аппаратные функции могут быть лучше выполнены с помощью программных средств и наоборот. Таким образом, во время последующих стадий процесса проектирования может иметь место модификация предварительного проектного решения.

Основу аппаратных средств системы  составляет управляющая микроЭВМ, которая в общем случае включает (рис. 3):

  • ПРОЦЕССОРНЫЙ модуль;
  • модуль ГЕНЕРАТОРА ТАКТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ (ГТИ);
  • модуль ПАМЯТИ;
  • модуль ИНТЕРФЕЙСА ВВОДА и модуль ИНТЕРФЕЙСА ВЫВОДА, содержащие интерфейсные компоненты, необходимые для связи ПРОЦЕССОРНОГО модуля с другими модулями системы;
  • модуль ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВХОДНОГО СИГНАЛА и модуль ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА, которые содержат компоненты, необходимые для обмена входными и выходными сигналами с внешним окружением. Примерами таких компонентов являются различные датчики, детекторы, переключатели, кнопки, клавиатуры, устройства визуальной (световой) и звуковой сигнализации, цифровые (символьные) индикаторы, аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи и т.п.

 

Рисунок 3 – Общая модульная структура  аппаратных средств микропроцессорной  системы

 

Остальные модули системы могут быть реализованы  с помощью как аппаратных, так и программных средств. Конкретное распределение модулей между аппаратной и программной частями системы зависит от ее целевого назначения (решаемой задачи). Модули, реализуемые с помощью аппаратных средств, совместно с управляющей микроЭВМ образуют аппаратную часть системы.

Рассмотрим разбиение электрошокового устройства. Из рассмотрения функциональной спецификации следует, что система состоит из трех частей: ВХОД, ВЫХОД и ФУНКЦИИ. В данном случае каждая из частей ВХОД и ВЫХОД может быть реализована в одном модуле, поскольку они являются относительно простыми:

  • ВХОДНОЙ модуль (модуль считывателя). Выполняет считывание состояния рукоятки переключения уровня напряжения, кнопки включения/выключения прибора, и кнопок для включения встроенного фонарика и встроенной сирены;
  • ВЫХОДНОЙ модуль (сигнальный модуль). Включение/выключение визуальных (световых) и звукового сигналов.

Для части  функциональной спецификации ФУНКЦИИ  можно выделить пять различных модулей.

  1. Модуль ОЖИДАНИЯ. Выполняет проверку состояния переключателя уровня напряжения и ожидание изменения его состояния, чтобы предпринять соответствующие действия.
  2. Модуль ПРОВЕРКИ. Выполняет проверку состояния аккумулятора электрошокового устройства, определяет, какие действия должны быть предприняты по результатам проверки.
  3. Модуль ВОССТАНОВЛЕНИЯ. Выполняет инициализацию системы (аппаратных и программных средств) при начальном включении (включение питания), переключение уровня напряжения.

После разбиения  на функциональные модули строится функционально-модульная  структура электрошокового устройства. Каждый из модулей размещается на одном из четырех уровней нисходящей иерархии. Так как микропроцессор является последовательным устройством, которое выполняет операции одну за другой, то на высшем уровне модульной структуры должна находиться управляющая функция, обеспечивающая последовательное исполнение системой других функций. Средства, необходимые для реализации управляющей функции содержит ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ модуль. ВХОДНОЙ модуль, ВЫХОДНОЙ модуль, располагаются на самом нижнем уровне. Модуль ВОССТАНОВЛЕНИЯ должен находиться на более низком уровне по отношению к модулю ПРОВЕРКИ и модулю ОЖИДАНИЯ. Полученная таким образом модульная структура электрошокового устройства показана на рис.4.

Рисунок 4 –  Функционально-модульная структура  электрошокового устройства

 

Каждый модуль состоит из набора функций, принадлежащих этому модулю. Способ распределения функций по конкретным модулям зависит от личного предпочтения разработчика. Если модуль содержит слишком много функций, он может быть разделен на несколько модулей. С целью упрощения несколько модулей, каждый из которых содержит небольшое число функций, могут быть объединены в один модуль. Модульная структура позволяет легко добавлять функции к системе, а также изменять или удалять часть системы в любой момент цикла ее проектирования.

Рассмотрим, как распределяются функции  по модулям электрошокового устройства.

  1. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ модуль состоит из единственной управляющей функции.
  2. ВХОДНОЙ модуль:
  • считывание состояния рукоятки переключения уровня напряжения;
  • считывание состояния переключателя включения\выключения прибора;
  • считывание состояния переключателя включения\выключения встроенного фонарика;
  • считывание состояния переключателя включения\выключения встроенной сигнализации;
  1. ВЫХОДНОЙ модуль:
  • включение/выключение световой индикации белого цвета;
  • включение/выключение световой индикации зелёного цвета;
  • включение/выключение световой индикации красного цвета;
  • включение/выключение звуковой сигнализации.
  1. Модуль ОЖИДАНИЯ:
  • ожидание переключения режима уровня напряжения;
  1. Модуль ПРОВЕРКИ:
  • проверка состояния аккумулятора;
  1. Модуль ВОССТАНОВЛЕНИЯ:
  • инициализация системы при начальном включении (включение питания)

Полная  функционально-модульная структура  электрошокового устройства, включающая функции для каждого модуля, показана на рис.5.


Рисунок 5 –  Функционально-модульная структура  электрошокового устройства, включающая функции для каждого модуля

 

Рассмотрим  соотношение между аппаратными  и программными средствами электрошокового  устройства.

Функция управления устройством реализуется управляющей микроЭВМ в результате выполнения основной (управляющей) программы путем последовательного вызова функций соответствующих программных модулей системы.

 Ниже приведём схему связи между  аппаратными и программными средствами электрошокового устройства на рис.6.

Рисунок 6 –  Связь между аппаратными и  программными средствами электрошокового  устройства

 

 

4 ПРОЕКТИРОВАНИЕ АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ  СИСТЕМЫ

 

Как видно из рассмотренного выше, разрабатываемые в контрольной работе микропроцессорные системы по своей сути являются управляющими системами – основной функцией, реализуемой в них, является управление разнообразными объектами и процессами. Управляющая микропроцессорная система содержит микроЭВМ, устройства связи с объектом (с датчиками и исполнительными устройствами управляемого объекта) и периферийные устройства. Такие системы наиболее эффективно могут быть построены с помощью специализированных однокристальных микроЭВМ, ориентированных на выполнение функций управления, - однокристальных микроконтроллеров (в дальнейшем просто микроконтроллеры). Микроконтроллеры представляют собой приборы, конструктивно выполненные в виде БИС и включающие в себя все составные части обычной микроЭВМ: микропроцессор, память, а также программируемые интерфейсные схемы для связи с внешней средой. Использование микроконтроллера в управляющих системах обеспечивает достижение высоких показателей эффективности при очень низкой стоимости - во многих применениях система может состоять только из одной БИС микроконтроллера. Микроконтроллер характеризуется небольшой емкостью памяти, физическим и/или логическим разделением памяти программ (ПЗУ, флэш-память) и памяти данных (ОЗУ), упрощенной и ориентированной на задачи управления системой команд, простыми способами адресации команд и данных, а также специфической организацией ввода/вывода. Все это предопределяет область их использования в качестве специализированных вычислителей, включенных в контур управления объектом или процессом. Структурная организация, набор команд и аппаратно-программные средства ввода/вывода микроконтроллеров лучше всего приспособлены для решения задач управления и регулирования в приборах, устройствах и системах автоматики, а не для решения задач обработки данных. Микроконтроллеры не являются машинами классического фон-неймановского типа, так как память физически и/или логически разделена на память программ и память данных, что исключает возможность модификации и/или замены прикладных программ микроконтроллеров во время работы.

Типовая структура (рис. 7) системы управления, построенной на базе микроконтроллера, состоит из объекта управления, микроконтроллера и аппаратуры их взаимной связи.

Рисунок 7 – Структура цифровой системы управления на основе микроконтроллера

 

Микроконтроллер путем периодического опроса осведомительных слов (ОС) формирует  в соответствии с алгоритмом управления последовательность управляющих слов (УС). Осведомительные слова - это  сигналы состояния (СС) объекта, сформированные датчиками объекта управления, и  флаги. Выходные объекта, сформированные датчиками объекта управления, и флаги. Выходные сигналы датчиков вследствие их различной физической природы могут потребовать промежуточного преобразования на АЦП или на схемах формирователей сигналов (ФС), которые чаще всего выполняют функции гальванической развязки и формирования необходимых уровней сигналов.

Микроконтроллер с требуемой периодичностью обновляет управляющие слова  на своих выходных портах. Некоторая  часть управляющего слова интерпретируется как совокупность прямых двоичных сигналов управления (СУ), которые через схемы  формирователей сигналов (усилители мощности, реле, оптроны и т.п.) поступают на исполнительные устройства и устройства индикации. Другая часть управляющего слова представляет собой двоичные коды, которые через ЦАП воздействуют на исполнительные устройства аналогового типа. Если объект управления использует цифровые датчики и цифровые исполнительные устройства, то АЦП и ЦАП будут отсутствовать.

В состав аппаратуры связи может  входить регистр флагов, на котором  фиксируется некоторое множество  признаков как объекта управления, так и процесса работы микроконтроллера. Регистр флагов используется в качестве аппаратного средства реализации механизма взаимной синхронизации относительно медленных и асинхронных процессов в объекте управления и быстрых процессов в микроконтроллере. Регистр флагов доступен как микроконтроллеру, так и датчикам. Поэтом он является удобным местом фиксации сигналов «готов/ожидание» при передачах с квитированием, «запрос прерывания/подтверждение» при взаимодействии микроконтроллера и объекта в режиме прерывания.

Для аппаратной реализации временных  задержек, формирования сигналов требуемой  частоты и скважности используют программируемые таймеры.

В том случае, если их нет в микроконтроллере или их число недостаточно, программируемые таймеры включают в состав аппаратуры связи.

Функционирование системы на базе микроконтроллера полностью определяется прикладной программой, размещаемой в памяти программ микроконтроллера. Поэтому специализация системы типовой структуры на решение задачи управления конкретным объектом осуществляется путем разработки соответствующих прикладных программ и аппаратуры связи микроконтроллера с датчиками и исполнительными устройствами объекта.

Применение микроконтроллеров  в устройствах управления объектами  привело к кардинальным изменениям в разработке аппаратных средств микропроцессорных систем. Поскольку микроконтроллер представляет собой функционально законченную однокристальную микроЭВМ, то построение микропроцессорного Применение микроконтроллеров в устройствах управления объектами привело к кардинальным изменениям в разработке аппаратных средств микропроцессорных систем. Поскольку микроконтроллер представляет собой функционально законченную однокристальную микроЭВМ, то построение микропроцессорного блока полностью определяется выбранным типом микроконтроллера. Конкретный микроконтроллер допускает очень немного вариантов его системного включения, которые приводятся в фирменной технической документации. В свою очередь конкретный вариант включения выбранного микроконтроллера полностью определяется решаемой прикладной задачей (точнее методом ее решения). Таким образом, основным вопросом при проектировании микропроцессорного блока является выбор типа используемого микроконтроллера.

При выборе микроконтроллера необходимо определить:

  • тип операций, используемых при решении прикладной задачи;
  • емкость ОЗУ;
  • емкость ПЗУ (флэш-памяти);
  • необходимость использования функциональных преобразователей;
  • число портов ввода/вывода и их назначение;
  • число и тип запросов прерывания;
  • необходимость использования таймера.

В каждом конкретном случае разработчик  должен определить, какая часть названных  средств и в каком объеме реализована  в том или ином типе микроконтроллера, т.е. в какой степени микроконтроллер  может удовлетворить поставленной задаче.

При выборе микроконтроллера важно правильно определить число и назначение портов ввода/вывода. Параметры и число портов ввода/вывода задаются особенностями внешних устройств, подключаемых к микроконтроллеру. Для подключения внешних устройств могут использоваться как последовательные, так и параллельные порты ввода/вывода.

Выбор современных микроконтроллеров  достаточно широк. В контрольной работе мы будем использовать микроконтроллер фирмы Microchip серии PIC16C5X (PIC16С56). Структурная схема микроконтроллера PIC16С56 показана на рис. 8.

 

Рисунок 8 –  Структурная схема микроконтроллера PIC16С56

По сигналу RESET, формируемому аппаратно или  программно, блок формирования команд начинает последовательно с тактовой частотой CLK (от внутреннего или внешнего тактового генератора) выбирать из встроенного ПЗУ и выдавать на выход 12 разрядные слова-команды. В зависимости от их назначения, команда может:

  • активизировать рабочий регистр W путем записи в него 8-разрядной константы в зависимости от конкретного вида которой может быть активизировано либо АЛУ (и выполнится команда), либо изменится информация (биты) в регистре OPTION;
  • являться 5-разрядным адресом (и активизировать по входу С) одного из регистров ОЗУ, разрешая ему взаимодействовать (читать или писать) с общей шиной (строго говоря, с рабочим регистром W);
  • разрешать взаимодействовать (читать или писать) внутреннему регистру. Это бывает необходимо, т.к. при выполнении некоторых команд (например, btfsc, btfss) блоку формирования команд «надо знать» результат их выполнения (имеющийся на шине данных), для того чтобы выбрать одну из двух возможных следующих команд.
Микропроцессорные системы в радиоэлектронных устройствах - электрошокер