Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Микропроцессорные устройства

МИНИСТЕРСТВО ПО РАЗВИТИЮ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

НУКУССКИЙ ФИЛИАЛ ТАШКЕНТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

КУРСОВАЯ РАБОТА

По предмету

На тему: Микроконтроллеры. Внедрение и организация микропроцессорных систем для управления и переработки информации.

Студентки 4В «Техника и технология оказания услуг»

Подготовила: Сапарова И.

Приняла:

НУКУС 2015

Содержание

Введение

1. Анализ технического задания

2. Разработка структурной схемы

3. Выбор элементной базы

3.1 Выбор микроконтроллера

3.2 Выбор микросхем для реализации системной шины

3.3 Выбор памяти

3.4 Выбор кварцевого генератора

3.5 Выбор сторожевого таймера

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Микропроцессорные устройства (МПУ) используются практически во всех областях деятельности человека, имеют самые разнообразные назначения и выполняют различные функции. При всем многообразии функций общими для МПУ являются управление устройствами ввода, обработки и преобразования информации, управления устройствами вывода и исполнительными устройствами.

По назначению и применяемости МПУ могут быть подразделены на следующие виды:

-встроенные МПУ для управления оборудованием, которые часто называют контроллерами;

-МПУ или микропроцессорные системы (МПС) управления группой оборудования;

-МПУ или МПС обработки информации. Основным целевым объектом таких систем является человек, который называется пользователем МПУ или МПС;

-МПУ или МПС автоматизированного управления каким-либо процессом, например технологическим процессом, испытаниями, измерением, экспериментом, проектированием и т.п.

Первый микропроцессор, выпущенный фирмой INTEL появился в 1971 году который положил начало компьютеризации. За чуть более чем 25 лет процессоры прошли поистине гигантский путь. Первый

МП фирмы Intel 4004 работал на частоте 750 Кгц и производительность его оценивалась в 60 тыс. операций в секунду. На сегодняшний день реальная производительность микропроцессоров превзошла 1300 Мгц. В течение четырех лет, начиная с 1976г. фирмой INTEL разрабатывалось семейство 8-разрядных однокристальных микроконтроллеров с программным управлением iMCS-48,которое получило широкое распространение. К этому семейству относят отечественные однокристальные микроЭВМ типов К1816ВЕ35 и К1816ВЕ49.

Вычислительные возможности первых однокристальных микроЭВМ были исчерпаны уже к началу 80-х гг.На смену пришло семейство микроконтроллеров iMCS-51 в 1981г..И эти МП стали на сегодняшний самыми востребованными. Каждый год появляются все новые варианты представителей этого семейства. Основными направлениями развития являются: увеличение быстродействия (повышение тактовой частоты и переработка архитектуры), снижение напряжения питания и потребления, увеличение объема ОЗУ и FLASH памяти на кристалле с возможностью внутрисхемного программирования, введение в состав периферии микроконтроллера сложных устройств типа системы управления приводами, CAN и USB интерфейсов и т.п.

1. Анализ технического задания

Исходя из технического задания, необходимо разработать микропроцессорную систему для сбора данных с аналоговых датчиков с накоплением информации в памяти микропроцессорной системы Проанализируем последовательно каждый пункт из технического задания:

1) Среди однокристальных МК отечественного производства следует отметить БИС К1816ВЕ49-базовый прибор МПК. В состав комплекта входят пять элементов: К1816ВЕ48, К1816ВЕ49, К1816ВЕ35, К1816ВЕ39, отличающимися функциональными возможностями памяти программ. В К1816ВЕ49 используется масочное ПЗУ, а в К1816ВЕ48 ПЗУ с УФ стиранием, а К1816ВЕ35/ВЕ39 представляет модель без ПЗУ. По данному техническому заданию мне задан микропроцессор типа К1816ВЕ49.Он является аналогом семейства iMCS-49.В основу его архитектуры положена организация гарвардского типа, ориентированная на интенсивное использование двух банков рабочих регистров и операций ВВ.

Микроконтроллер МК49 имеет на кристалле (в корпусе БИС) следующие аппаратурные средства:

сопроцессор разрядностью 1 байт;

стираемое программируемое ПЗУ программ емкостью 1 Кбайт;

ОЗУ данных емкостью 64 байта;

программируемый 8-битный таймер/счетчик;

программируемые схемы ввода/вывода (27 линий);

блок векторного прерывания от двух источников,

генератор;

схему синхронизации и управления.

Микроконтроллер МК48 может работать в диапазоне частот синхронизации от 1 до 6 МГц

минимальное время выполнения команды составляет 2,5 мкс.

2) Частотный диапазон входных сигналов находиться в пределах от 20 Гц. до 20000 Гц. И мы должны обеспечить устойчивую и стабильную работу микроконтроллера в данном диапазоне. На данном диапазоне используется стандартная частота дискретизации F = 44,1 кГц, мс.

3) Точность представления сигнала связана с разрядностью АЦП.

Ввод сигнала, его представление в дискретную форму, проводится с учетом его требуемого интервала дискретизации, определяемой теоремой Котельникова, согласно формуле(1).

Величина определяет временной интервал только для одного сигнала.

, (1)

Где fВ верхняя гармоника сигнала, Гц

, (2)

Где f0 частота сигнала, Гц

кГц,

мкс

Быстродействие АЦП составит 11,35 мкс.Разрядность определим исходя из погрешности представления информации δпр

Определим число разрядов АЦП исходя из формулы (3)

, (3)

Приходим к выводу, что нам подходит 8 разрядная АЦП.

4) Микропроцессор должен работать в диапазоне от -10 до 0 В. При этом заданный диапазон не соответствует стандартному диапазону работы микропроцессора, поэтому в структурной схеме необходимо предусмотреть согласующий усилитель.

5) В данной курсовой работе нам необходимо спроектировать микропроцессорную систему сбора и обработки аналоговых сигналов на базе микроконтроллера К1816ВЕ49. Эта система должна получать аналоговые сигналы с 16 датчиков.

6) Количество накопляемых отсчетов 100 при кодировании каждого отсчета 8 битами, то есть 1 байтом займет 1 Кбайт в оперативной памяти.

7) С помощью АЦП можно преобразовывать аналоговый сигнал в цифровой и записывать данные об этом сигнале в ОЗУ. В моем варианте объем ОЗУ равно 4К. Блок ОЗУ предназначен для кратковременного или длительного хранения информации, которая в ходе работы устройства отображается на индикаторе.

8) Для контролирования микропроцессорной системы используются 4 кнопки управления.

9) Жидкокристаллическая индикация. Алфавитно-цифровые ЖКИ-модули представляют собой недорогое и удобное решение, позволяющее сэкономить время и ресурсы при разработке новых изделий, при этом обеспечивают отображение большого объема информации при хорошей различимости и низком энергопотреблении.

10) Количество индикаторов - 8.

11) Тип последовательного канала - RS232C,

12) Реализация программы ввода кода нажатой клавиши и вывода информации на индикацию.

На основании параметров технического задания можно поставить следующие цели: разработать схему сбора и обработки информации, определить критерии элементов и подобрать соответствующие компоненты системы.

2. Разработка структурной схемы

Структурная схема представляет собой соединение и модификация типовой микропроцессорной системы с учетом особенностей конкретных элементов этой структуры.

Рисунок 1. - Структурная схема микропроцессорной системы

По техническому заданию необходимо использовать МК К1816ВЕ49, схема которого показана на рисунке 2.1.Она состоит из следующих основных блоков: центрального микропроцессора, ПЗУ ,ОЗУ, последовательный порт, контроллер клавиатуры и дисплея, предназначенный для ввода данных с клавиатуры и вывода информации на дисплей, коммутатор, согласующее устройство, АЦП, программируемый параллельный интерфейс, сторожевой таймер, кварцевый резонатор.

Возможно подключение рассмотренных устройств к системной шине МК или к свободным портам ввода/вывода. Подключение к портам ввода/вывода обеспечивает гибкость в управлении устройством, но усложняет программное обеспечение.

Подключение к системной шине требует согласования временных характеристик подключаемых устройств и системной шины.

При таком подключении упрощается программирование МК при работе с данными устройствами. Для проведения арбитража на системной шине необходимо введение дешифраторов. При магистральном подключении возможно расширение микропроцессорной системы, подключая дополнительные компоненты.

3. Выбор элементной базы

3.1 Выбор микроконтроллера

Данная микросхема К1816ВЕ49 предназначена для использования в системах обработки информации в качестве высокопроизводительных контроллеров и управляющих устройств в изделиях самого широкого применения.

Система команд МК49 содержит 96 базовых команд с форматом 1,2 байта. Особенности данной микросхемы:

-8-ми битовый канал данных ;

внутреняя память данных емкостью 64 байт;

внутреняя память емкостью 1 Кбайт;

четыре способа адресации данных (прямая, непосредственная, косвенная, неявная);

два векторов прерывания;

четыре 8-ми разрядных программируемых канала ввода/вывода;

последовательный канал ввода/вывода;

три битовых флага;

-программируемый 8-битный таймер/счетчик;

МК49 не имеет команд загрузки байта в стек или его извлечения из стека;

-двоичную и десятичную арифметику.

Время выполнения команд составляет 2.5 или 5.0 мкс (один или дна машинных цикла (МЦ) соответственно) при тактовой частоте 6.0 МГц.

Структурная схема приведена в приложении 1.

Оценка быстродействия МПУ производится с учетом длительности выполнения каждой команды и длительности преобразования АЦП. При этом время преобразования округляется в большую сторону до целого числа машинных тактов.

Микроконтроллер конструктивно выполнен в корпусе БИС с 40 внешними выводами. Все выводы электрически совместимы с элементами ТТЛ: входы представляют собой единичную нагрузку, а выходы могут быть нагружены одной ТТЛ-нагрузкой.

Из такой краткой характеристики видно, что эти приборы обладают значительными функционально-логическими возможностями и представляют собой эффективное средство компьютеризации (автоматизации на основе применения средств и методов обработки данных и цифрового управления) разнообразных объектов и процессов. Семейство МК серии 1816 имеет в своем составе различные модификации, отличающиеся друг от друга признаками, которые перечислены в таблице .1

Таблица 1.Семейство МК серии 1816.

Тип МК	Емкость памяти программ, Кбайт	Емкость памяти данных, байт	Частота синхронизации, МГц
КМ1816ВЕ48	СППЗУ 1	64	6
КМ1816ВЕ49	ПЗУ 2	128	11
КМ1816ВЕ35	--	64	6/11
КМ1816ВЕ51	СППЗУ 4	128	12
КМ1816ВЕЗ1	--	128	12

Анализ основных признаков МК серии 1816 показывает, что МК48, МК49 и МК51 целесообразно использовать на этапе опытно-конструкторской разработки и отладки систем, а также в малосерийных изделиях. Микроконтроллеры, в которых нет резидентной памяти программ, используют, как правило, не в конечных изделиях, а в автономных отладочных устройствах и многофункциональных программируемых контроллерах, где в качестве памяти программ и данных используются внешние БИС и имеются средства загрузки программ.

3.2 Выбор микросхем для реализации системной шины

В микропроцессорной системе используется внешняя организация системной магистрали: с помощью регистра происходит разделение младшего байта данных и адреса (формирование шины данных и шины адреса). МП в строго определенные моменты времени должен взаимодействовать с определенными микросхемами. Поэтому в данной схеме необходимо предусмотреть устройство, которое по сигналам от процессора, будет подключать к его шинам адреса или данных ту или иную микросхему или группу микросхем. Из этого можно сделать вывод, что в схеме системы должен протекать некоторый процесс однозначного выбора и он организуется подачей на линии адреса А12 А14 определенного кода выбора или сигнала разрешения доступа к отдельному блоку или блокам.

Можно использовать дешифратор, выполненный в виде ТТЛ устройства среднего уровня интеграции, предназначенного для преобразования двоичного кода в напряжение логического уровня, которое появляется в том выходном проводе, десятичный номер которого соответствует двоичному коду. Впоследствии выходной провод дешифратора подключают к входу "Выбор микросхемы" нужной микросхемы.

В качестве дешифратора будем использовать микросхему КР531ИД7. Выбор данного дешифратора обусловлен количеством выходных линий и нагрузочной способностью.

Микросхема КР531ИД7 - высокоскоростной дешифратор, преобразующий трехразрядный код в напряжение низкого логического уровня, появляющегося на одном из восьми выходов 0 7. Дешифратор имеет трехвходовый логический элемент разрешения.

Для выбора элементов памяти и выбора других периферийных микросхем необходимо использовать разные дешифраторы.

Определяем микросхемы для реализации системной шины:

- регистр защелка 74АС573 - для хранения младшего байта адреса (А0-А7) защелкивание данных происходит по сигналу ALE.

дешифратор КР531ИД7 - для обеспечения арбитража на системной шине в зависимости от адресных битов AB15, AB16.

3.3 Выбор памяти

1.Параметры ОЗУ:

Память микропроцессорных устройств подразделяется на память программ и память данных. В микроЭВМ закрытой архитектуры все ресурсы памяти находятся на кристалле и их нельзя увеличить. МикроЭВМ открытой архитектуры допускают увеличение памяти программ и данных или только данных за счет подключения внешней памяти. Имеются еще и отладочные кристаллы, которые функционируют только с внешней памятью программ (микропроцессорное включение). С целью повышения скорости выполнения программ применяются также загружаемые микроЭВМ , код программы в которые заносится во внутреннее ОЗУ при включении питания из внешних схем (чаще всего из последовательной Flash памяти).

Основными характеристиками микросхем памяти являются: информационная емкость, быстродействие, электропотребление .Исходя из этих критериев и условию технического задания, где требуется выбрать память данных емкостью 4К, я выбираю две отечественные микросхемы КР537РУ8А.

Микросхема состоит из накопителя, формирователей адреса строк и столбцов, дешифратора строк на 8 входов и 256 выходов, дешифратора столбцов на 2 входа и 8 выходов. Информационная емкость данного устройства составляет 65536 бит. Время выборки адреса составляет не более 200 нс. Напряжение питания составляет 5В. А так же наша микросхема совместима по входу и выходу с ТТЛ- и КМОП схемами, что нам и необходимо.

2.Параметры ПЗУ:

Кроме ОЗУ необходимо также выбрать постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), в котором хранится программа в соответствии с которой работает устройство.

Существует четыре типа микросхем ПЗУ: ROM (Read Only Memory) - постоянные запоминающие устройства; PROM (Programmable ROM) - программируемые постоянные запоминающие устройства; EPROM (Erasable PROM) - перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства с ультрафиолетовым стиранием информации; EEPROM (Electrically Erasable PROM) - перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства с электронным стиранием информации, также называемые flash ROM.

Благодаря предусмотренным в моей микросхеме средствам внешнего расширения то возможен вынос за пределы кристалла и прямое увеличение размеров управляющей памятью до 4К байт.

В качестве БИС ПЗУ я взяла микросхему типа К537РФ6А, которая является перепрограммируемым постоянным запоминающие устройством с электронным стиранием информации и обладает информационной емкостью 4К.

3.4 Выбор кварцевого генератора

Для обеспечения надежности нам необходимо использовать схему сброса и синхронизации. При любом применении микроконтроллера важно быть уверенным, что он работает в допустимых окружающих условиях. Запуск микроконтроллера должен иметь место только тогда когда установилось требуемое напряжение питания. Сброс осуществляется подачей высокого уровня напряжения на вход "RST".

Для того чтобы сброс микросхемы произошел, длительность сигнала на входе RST должна быть не менее 2 машинных циклов. При поступлении внешнего сигнала сброса на вход RST микроконтроллер формирует сигнал сброса.

С помощью кварцевого генератора мы задаем тактовую частоту микроконтроллера. Для нашего микропроцессора она составляет 6МГц.

Кварцевый генератор подключается к входам BQ1 и BQ2.

Рисунок 3.1. Схема подключения кварцевого резонатора

Широкий диапазон возможных рабочих частот позволяет разработчику лучше настроить микроконтроллер на выполнение конкретных заданных функций.

3.5 Выбор сторожевого таймера

Часто электрические помехи, производимые окружающим оборудованием, вызывают обращение микроконтроллера по неправильному адресу, после чего его поведение становится непредсказуемым. Чтобы отслеживать такие ситуации в состав микроконтроллера часто включают сторожевые таймеры. Это устройство вызывает сброс микроконтроллера, если его содержимое не будет обновлено в течение определенного промежутка времени. Если изменение содержимого программного счетчика не соответствует заданной программе, то команда модификации сторожевого таймера не будет выполнена. В этом случае сторожевой таймер производит сброс микроконтроллера, устанавливая его в исходное состояние.

Микросхема сторожевого таймера(Wathdog) выбрана из серии ADM691

Wathdog - охранный таймер, предназначенный для предоставления большего времени для срабатывания. Данная микросхема ADM691 включает в себя еще и супервизор. Супервизор - микросхема, обеспечивающее наблюдение за напряжением питания, поступающего в микропроцессор.

Заключение

Согласно проведенной работе, получено оптимальное решение организации микропроцессорной системы сбора и обработки данных. Вследствие чего, возможно использование разработанной электрической функциональной схемы в соответствующих устройствах.

В техническом приложении приведен обзор литературы, в которой содержится информация о микропроцессорах семейства МК-49 .Учитывая данные сведения, выбор марки микропроцессора обоснован и эффективен.

В техническом проектировании представлены элементная база, используемая в работе, листинг программы следующих блоков: инициализации, опроса клавиатуры, основной программы. На основе полученных данных построена электрическая функциональная схема устройства.

Согласно проведенной работе, на мой взгляд, не получено оптимального решения организации микропроцессорной системы сбора и обработки данных. Так как микропроцессор выбран базовый, выбор МП с большим числом встроенных компонентов позволил бы значительно упростить систему. Также отечественные микросхемы следовало бы заменить на зарубежные аналоги, что соответствовало бы рекомендациям производителей МК. Но для учебной задачи такое решение вполне приемлемо, и использование разработанной принципиальной схемы возможно в соответствующих устройствах.

Список использованной литературы

1. Каган Б. М. Электронные вычислительные машины и системы: Учеб.Пособие для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1991. -592 с.

2. Лисицын Б. Л. Низковольтные индикаторы: Справочник. - М.: Радио и связь, 1985.-136 с.

3. Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем: Справочник. В 2 т. под ред. В. А. Шахнова. - М.: радио и связь, 1988.-Т.1.-370С

4. Однокристальные МикроЭВМ. А. В. Боборыкин, Г. П. Липовецкий, Г.В. Литвинский и др. М.: МИКАП, 1994, - 400 с.

5. Федорков Б. Г., Телец В. А. Микросхемы АЦП и ЦАП: функциональные параметры и применение. - М., Энергоатомоиздат. 1990. - 320 с.

6. Пухальский Г.И. Новосельцева Т.Я. Проектирование устройств на интегральных микросхемах: Справочник._ М.: Радио и связь, 1990.

7. Сайт всей поставляемой продукции: www.icmicro.ru

Микропроцессорные устройства 📙 Курсовая → 🆔 130769