Обоснование применения и выбор микропроцессорного комплекта (МПК)

     МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНИ

ХЕРСОНСКИЙ  НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ТЕХНИЧЕСКОЙ КИБЕРНЕТИКИ 
 
 

Курсовой  проект

по дисциплине “ Микропроцессорная техника ” 
 
 
 

       Выполнила

студентка группы 3А2       _______________________  Белым В.Ю.

(подпись,  дата) 
 

Доцент, к.т.н.                     ________________________Тимофеев К.В.

(подпись,  дата)

    Нормоконтроль

 Доцент, к.т.н.                         ________________________  Тимофеев К.В                         (подпись, дата) 
 

ХЕРСОН 2010

Реферат

Пояснительная записка содержит:

   ___листов,  ___таблиц, графическая часть состоит  из листов формата___ листА1. 
 
 
 

В курсовом проекте  описан принцип работы устройства, представлена функциональная схема, разработанная в среде КОМПАС-3DV10. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Содержание 

    Введение.

    1. Обоснование применения и выбор микропроцессорного комплекта (МПК)

    2.Разработка структуры МПК.

    2.1.Разработка электрической функциональной схемы.

   3. Описание элементной базы.

   4. Разработка электрической принципиальной схемы.

   5.Разработка конструкции МПК.

    5.1.Разработка платы печатной.

    5.2.Описание сборочного чертежа.

   6. Расчетная часть.

  7.Программное обеспечение.

   Заключение.

Перечень  используемых сокращений

Список использованных источников. 
 
 
 
 
 
 
 
 

  Введение

      Микроконтроллеры  уверенно и, по-видимому, навсегда завоевали  место в нашей жизни. Найти  хоть одно электронное изделие, не имеющее  микроконтроллеров, практически не возможно. Поэтому одной из наиболее динамично развивающихся областей современной вычислительной техники является микроконтроллерная техника. Без микроконтроллеров сегодня немыслим ни один бытовой прибор, не говоря уже о более сложных изделиях. Сегодняшний микроконтроллер — это достаточно мощный и быстродействующий «интеллектуальный» элемент, как правило, имеющий достаточно высокую производительность, значительные объемы встроенной памяти программ и оперативной памяти, достаточно мощное вычислительное ядро с системой команд, ориентированной на решение задач управления и контроля. Многие современные микроконтроллеры имеют развитую встроенную цифровую и аналоговую периферию: подсистемы прерываний, таймеры/счетчики, охранные таймеры, супервизоры питания, широкий набор быстродействующих усовершенствованных последовательных интерфейсов, таких как UART, SPI, SMBus (I2C), CAN, JTAG, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, компараторы, мультиплексоры, масштабирующие усилители и другие узлы.

      Современные микроконтроллеры и базирующиеся на них изделия  являются основой так называемых «систем малой автоматизации», широко применяющихся для автоматизации небольших технологических, измерительных, исследовательских и лабораторных систем, а также для автоматизации сложного бытового оборудования и домашнего хозяйства. Используемые в системах малой автоматизации контроллеры должны быть достаточно многофункциональными и универсальными по структуре, а также обеспечивать работу в составе современных специализированных локальных сетей, имеющих упрощенный алгоритм работы и содержащих персональный компьютер в качестве главного управляющего элемента. Фактически современные системы малой автоматизации, построенные на базе специализированных локальных сетей, объединяющих несколько универсальных контроллеров, являются рассредоточенным интеллектуальным интерфейсом персонального компьютера, объединяющим в себе измерительные, контрольные и управляющие функции.

      Схемотехника  универсальных контроллеров, используемых в системах малой автоматизации, имеет ряд специфических особенностей и требует детального рассмотрения и определенной методики проектирования. Состав функциональных узлов таких контроллеров и принципы их построения определяются рядом требований, направленных на обеспечение высокой производительности, универсальности, гибкости, надежности, высокой ремонтопригодности, низкой себестоимости и т. п.

      Специализированные  локальные сети, используемые в системах малой автоматизации, также имеют ряд специфических особенностей, связанных с необходимостью обеспечения упрощенного алгоритма функционирования, высокой надежности и производительности, низкой стоимости, простоты установки, наладки и обслуживания.

1. Обоснование применения и выбор микропроцессорного комплекта (МПК)

         Выбор оптимального МПК для конкретного применения является наименее решаемой из многочисленных проблем развития микропроцессорной  техники. Это определяется постоянным ростом количества МПК, расширением  области их применения, а так же отсутствием четкой методики, позволяющей сделать однозначный выбор МПК.

         Микропроцессор является функционально сложным программно управляемым устройством, выполненным  в виде БИС, и характеризуется  большим количеством параметров. Поэтому задача выбора оптимального с технической и экономической точек зрения МПК БИС для конкретной задачи является многокритериальной.

         При выборе МПК БИС  важным является формирование основных требований, предъявляемых к проектируемой  аппаратуре. Аппаратура со встроенными микропроцессорами, как правило, должна удовлетворять следующим требованиям:

• работа  в режиме реального времени;

• повышенная  надежность, помехозащищенность, простота обслуживания;

• наличие фиксированного набора задач, многократно решаемых на протяжении всего срока службы аппаратуры.

         Выбор МПК БИС  обычно производится с трех основных позиций:

         1) с точки зрения  разработки математического обеспечения  следует анализировать: разрядность,  число и использование регистров  общего назначения, набор команд  и способы адресации, наличие и организацию стека;

         2) с точки зрения  системного проектирования нужно  анализировать следующие характеристики  МПК БИС: тип архитектуры МП (секционные или однокристальные)  и, как следствие этого, тип  организации управления (микропрограммное  или с жесткой логикой), наличие логически совместимых БИС из других комплектов, быстродействие МП, возможность прерывания и прямого доступа к память, наличие системы автоматизированного проектирования МПС;

         3) с точки зрения  разработки аппаратных средств  МПС необходимо учитывать: электрическую совместимость БИС, число источников питания и рассеиваемую мощность, размер, тип корпуса и число выводов, диапазон рабочих температур и др.

         Одной из основных характеристик, отражающих функциональные возможности  МП, может служить его разрядность. Диапазон требуемой разрядности в микропроцессорных системах довольно широк. Так при построении контрольно-измерительных систем и систем сбора данных довольно часто используются 8-разрядные МП, а при построении цифровых фильтров и спектральных анализаторов требуемая разрядность МП возрастает до 32.

4. Разработка функциональной  схемы 

         Функциональная схема ТМКС представлена  в                                   . Функциональная схема содержит следующие блоки:

1. Интерфейс RS232C. Интерфейс соединен с выходами МК TxD и RxD. Линия TxD предназначена для передачи данных с переферийной станции в ПК. Линия RxD предназначена для приема данных с ПК.
2. Супервизор питания со схемой защиты от зависаний WDT. Выход супервизора соединен со входом RST микроконтроллера. Один из входов супервизора соединен с интерфейсом RS232C с целью обеспечения возможности сброса ядра по этому интерфейсу. На вход WDT должны периодически подаваться импульсы запуска от микроконтроллера.
3. Разъем для установки микроконтроллера в корпусе DIP40.
4. Входной аналоговый мультиплексор для коммутации входных сигналов аналого-цифрового преобразователя ADC. Управление работой мультиплексора осуществляется подачей кода на его информационные входы с младших линий вывода регистра 10.
5. Шинный формирователь данных магистрали. Вход шинного формирователя соединен с линиями порта Р0 МК.
6. Регистр защелка младшего байта адреса. Вход регистра соединен с линиями порта Р0 МК. Строб выдачи младшего байта адреса определяется высоким уровнем на выходе ALE МК.
7. Дешифратор адреса. На вход дешифратора адреса поступают старшие линии порта Р2.
8. Дешифратор выбора столбца клавиатуры. На вход дешифратора поступают сигналы с линий Р3.2, Р3.3 МК.
9. Операционный усилитель с возможностью выбора полярности сигнала и коэффициента усиления.
10. Регистр управления мультиплексором и цифроаналоговым преобразователем. Вход регистра соединен с шиной данных магистрали.
11. Регистр ввода данных с клавиатуры. На вход регистра поступают сигналы с клавиатуры, выход соединен с шиной данных магистрали.
12. Клавиатура. В схеме используется клавиатура 4х5.
13. Среднескоростной аналого-цифровой преобразователь ADC с разрядностью 12 двоичных разрядов и связью по последовательному каналу SPI. На вход АЦП поступают сигналы с ОУ 9.
14. Быстродействующая оперативная память с параллельным доступом. На вход поступают линии шины адреса, выход соединен с шиной данных магистрали.
15. Цифроаналоговый преобразователь DAC с разрядностью 8 двоичных разрядов и связью по параллельному интерфейсу. Сигналы с выхода ЦАП поступают на разъем ХС3.
16. Таймер реального времени с параллельным доступом и встроенной энергонезависимой оперативной памятью. На вход поступают линии шины адреса, выход соединен с шиной данных магистрали.
17. Регистр управления светодиодным динамическим индикатором. На вход регистра поступают линии шины данных магистрали.
18. Четырехразрядный восьми сегментный светодиодный индикатор. Индикатор включен по схеме динамической индикации. Формирование отображаемого символа выполняется регистром 17, выбор катода осуществляется линиями Р1.0-Р1.3 МК.
19. Регистр ввода внешней информации. Вход регистра соединен с разъемом ХС4, выход соединен с шиной данных магистрали.
20. Регистр вывода информации. Вход регистра соединен с шиной данных, выход соединен с разъемом ХС5.

3.Выбор элементной базы 

3.1 Описание микроконтроллера  АТ89С51 

Проблема выбора микроконтроллера для схем малой  автоматизации является наиболее важной. МК определяет не только основные технические  показатели системы, но и принципы конструктивного  исполнения.

При выборе микроконтроллера необходимо обеспечить выполнение основных принципов построения ТМКС, таких  как принцип достаточной производительности, модульности, совместимости, принцип  минимальной избыточности и максимальной эффективности.

Исходя из вышеперечисленных требований, из всего множества микроконтроллеров выберем модель AT89С51 фирмы Atmel.

Отличительные особенности:

Совместимость с приборами семейства MCS-51TM ;

Емкость перепрограммируемой Flash памяти: 4 Кбайт, 1000 циклов стирание/запись.

Напряжение питания 5±20% B

Полностью статический  прибор - диапазон рабочих частот от 0 Гц до 24 МГц.

Группы по частотам: 12 МГц, 16 МГц, 20 МГц и 24 МГц

Трехуровневая блокировка памяти программ

СОЗУ емкостью 128 байтов

32 программируемых  линий ввода/вывода

Два 16-разрядных  таймера/счетчика событий 

Шесть источников сигналов прерывания

Программируемый последовательный канал UART

Пассивний (idle) и  стоповый (power down) режимы

Промышленный (-40°С...85°C), коммерческий (0°C...70°C), диапазоны температур.

КМОП микроконтроллер  АТ89С51, оснащенный Flash программируемым и стираемым ПЗУ, совместим по системе команд и по выводам со стандартными приборами семейства MCS-51TM. Микроконтроллер содержит 4 Кбайта Flash ПЗУ, 128 байтов ОЗУ, 32 программируемых линий ввода/вывода, два 16-разрядных таймера/счетчика событий, полнодуплексный последовательный порт (UART), пять векторных двухуровневых прерывания, встроенный генератор и схему формирования тактовой последовательности.

Существуют два  варианта микроконтроллеров АТ89С51: с возможностью внутрисистемного программирования с использованием при программировании напряжения 5 В, и программирование с использованием напряжения 12 В, применяемого в большинстве программаторов. Содержимое Flash памяти программ может быть защищено от несанкционированной записи/считывания. Имеется возможность очистки Flash памяти за одну операцию, возможность считывания встроенного кода идентификации.  

Потребление в  активном режиме на частоте 12 МГц не превышает 20 мА и в пассивном режиме, при котором остановлено ЦПУ, но система прерываний, ОЗУ, таймеры/счетчики событий и последовательный порт остаются активными, потребление не превышает 5 мА. В стоповом режиме потребление не превышает 100 мкА и 20 мкА при напряжении питания 6 В и 3 В, соответственно.

Микроконтроллер АТ89С51 ориентирован на использование  в качестве встроенного управляющего контроллера. В данной работе используем контролер реализований в корпусе PDIP (рис. 1.1)

Рисунок 1.1. Корпус реализации процессора АТ89С51 

Выводы микроконтроллера имеют следующее назначение:

Vcc -  напряжение питания;

GND -  общий вывод;

Порт Р.0 - 8-разрядный открытый двунаправленный порт ввода/вывода. Как порт вывода, каждый вывод порта Р.0.0-Р.0.7 может быть нагружен восемью входами ТТЛ. После записи 1 на выводы порта Р.0, они переводятся в высокоимпедансное состояние. Порт Р.0 может быть мультиплексирован с младшими линиями шины адреса/данных во время доступа к внешней программе и памяти данных.

Порт Р.0 также  получает байты кода в течении  программирования Flash памяти и выводит байты кода во время инициализации программ.

Порт Р.1 - 8-разрядный двунаправленный порт ввода/вывода с внутренней защелкой данных. Буферы вывода могут обрабатывать/нагружать четыре ТТЛ входа. Когда 1 записана на выводы порта Р.1, они переводятся внутренней защелкой в состояние высокого уровня и далее они могут использоваться как входы. Как входы, выводы порта Р.1 внешне имеют низкий уровень.

Организация выводов  микроконтроллера АТ89С51 представлена на рисунке 1.2.

Рис

Некоторые выводы порта Р.1 обеспечивают выполнение дополнительных функций, которые описаны в таблице 1

                                                                                                         Таблица 1

Выводы Р.1.4-Р.1.7 могут быть настроены для организации  SPI интерфейса.

Порт Р.2 - 8-разрядный  двунаправленный порт ввода/вывода с внутренней защелкой данных. Буферы вывода могут обрабатывать/нагружать четыре ТТЛ входа. Когда 1 записана на выводы порта Р.2, они переводятся внутренней защелкой в состояние высокого уровня и далее они могут использоваться как входы. Как входы, выводы порта Р.2 внешне имеют низкий уровень. Порт Р.2 генерирует старший байт адреса данных при выборке из внешней памяти программ и при доступе к внешней памяти данных, которые используют 16-битные адреса. При доступе к внешней памяти данных, которая использует 8-битные адреса, порт Р.2 генерирует содержимое регистра специального назначения Р2.

Порт Р.3 - 8-разрядный  двунаправленный порт ввода/вывода с внутренней защелкой данных. Буферы вывода могут обрабатывать/нагружать  четыре ТТЛ входа. Когда 1 записана на выводы порта Р.3, они переводятся внутренней защелкой в состояние высокого уровня и далее они могут использоваться как входы. Как входы, выводы порта Р.3 внешне имеют низкий уровень.

Порт Р.3 получает некоторые управляющие сигналы  для программирования Flash-памяти и инициализации.

Порт Р.3 обеспечивает специальные функции процессора, которые приведены в таблице 2 

Таблица 2  

RST – вход сброса МК. Удержание на этом входе высокого уровня в течении двух машинных тактов, пока работает тактовый генератор, перезапускает устройство.

ALE/PROG – импульс, который запирает младший байт адреса в течении доступа к внешней памяти. Этот вход также используется для подачи входного импульса (PROG) при программировании Flash.

В нормальной операции сигнал ALE генерируется с частотой 1/6 длительности импульсов тактового генератора и может быть использован для внешней синхронизации или других целей. Один импульс пускается во время любого обращения к внешней памяти.

Если необходимо, сигнал ALE может быть заблокирован установкой бита 0 регистра SFR по адресу 8EH.

С установкой бита, сигнал ALE активен лишь при использовании инструкций MOVX и MOVC. Иначе, вывод установлен в высокий уровень.

PSEN – Program Store Enable, строб чтения внешней памяти программы. Когда процессор выполняет код внешней памяти программы, сигнал PSEN активируется дважды за один машинный цикл, за исключением моментов, когда выполняется доступ к внешним данным.

EA/VPP – External Access Enable. ЕА должен быть соединен с землей, чтобы позволить устройству выбрать код из внешней памяти, которая занимает адресное пространство от 0000Н до FFFFH. Между тем, если бит блокировки 1 программируемый, то ЕА должен быть внутренне заперт на сбросе.

ЕА должен быть соединен с землей для внутреннего  выполнения программы.

На этот вывод  подают напряжение 12В (Vpp) при программировании Flash, когда выбрано 12-вольтовое программирование.

XTAL1 – вход инвертирующего усилителя генератора и вход внешнего тактового сигнала.

XTAL2 – выход инвертирующего усилителя генератора.  

3.2 Супервизор питания

Супервизор питания (Power Supervisory Circuit, далее – SV) предназначен для начальной инициализации МК при включении питания или снижении напряжения питания ниже определенного значения в процессе работы. Длительность сигнала сброса должна быть больше некоторой оговоренной величины. Полярность сигнала сброса должна соответствовать полярности входа сброса МК.

Супервизор питания  TL7705 (Texas Instruments) предназначен для формирования импульса сброса микроконтроллера при включении питания или при снижении его ниже определенной величины. Хотя микросхема TL7705 и не имеет встроенного WDT, однако она выгодно отличается от известных комбинированных микросхем фирмы Maxim доступностью и в 3-5 раз меньшей ценой. Функциональная схема микросхемы TL7705 представлена на рис.2.1.

Рис.2.1. Функциональная схема микросхемы TL7705

Назначение выводов  микросхемы TL7705:

1 —вывод подключения  конденсатора фильтра опорного  напряжения; 2— цифровой вход внешнего сброса (активный уровень — лог. 0);

3 — вход подключения  время задающего конденсатора, определяющего  длительность импульса сброса;

4 — вывод  общего провода питания; 

5 — выход  отрицательного (инверсного) импульса  сброса;

6 — выход положительного импульса сброса;

7 — вход анализа  напряжения;

8—вывод подключения  питания.

Микросхема содержит следующие основные узлы: резиcтивный делитель ((R1, R2) входного напряжения; стабилитрон на 2,5 В, питающийся от встроенного генератора тока; компаратор Соmp1; схема 2И-НЕ; тиристор, питающийся от встроенного генератора тока; компаратор Соmp2 с выходными транзисторами. Выпускаются микросхемы с различными номиналами делителя, предназначенные для тестирования различных напряжений. Выв. 7 подключается к тестируемому источнику напряжения, при этом на средней точке делителя R1, R2 напряжение оказывается больше опорного (2,5 В). Соответственно, на выходе компаратора Соmp1 формируется уровень лог.1, поступающий на второй вход элемента 2И-НЕ,

а на первом входе этого элемента (если он не подключен) также присутствует лог.1. При этом на выходе элемента 2И-НЕ получается лог.0, тиристор выключен, напряжение на прямом входе второго компаратора Соmp2 выше опорного (2,5 В), поступающего на инверсный вход компаратора, оба выходных транзистора закрыты. При уменьшении на выв.7 тестируемого напряжения или при подаче на вывод 2 уровня лог.0, на выходе элемента 2И-НЕ формируется сигнал лог.1, включающий тиристор. При этом срабатывает компаратор Соmp2, и открываются выходные транзисторы. Если к коллектору соответствующего транзистора подключен резистор нагрузки (с выв. 6 на общий провод или с выв. 5 на провод питания), на нем формируется соответствующий импульс сброса (положительный на выв. 6, отрицательный на выв. 5). Длительность импульса сброса определяется емкостью конденсатора, подключенного между выв.З общим проводом питания. Он подключен параллельно тиристору, и если вследствие снижения напряжения на выв. 2 или выв. 7 тиристор кратковременно открывается, то после его выключения конденсатор линейно заряжается через генератор тока, удерживая на время заряда импульс сброса на выв. 5, 6. Зависимость длительности импульса сброса от емкости конденсатора также приведена на рис.2.2.

Рис.2.2. Зависимость  длительности импульса сброса от емкости конденсатора 

3.3 Описание таймера реального времени:

Таймер реального  времени (Real Time Clock, далее – RTC или таймер) предназначен для независимого подсчета текущего времени и ведения функций календаря.

Таймер может  иметь встроенную энергонезависимую память, встроенную литиевую батарейку или гнезда для установки сменных батареек, WDT и SV.

Для построения ТМКС возьмем RTC типа DS1644 фирмы Dallas Semiconductors.

Технические характеристики микросхемы RTS приведены в таблице 1.

Таблица 1

Выбранная микросхема имеет параллельную шину и модульное  исполнение с корпусом М28.

Функциональное  обозначение и цоколевка выводов МС RTC показана на рисунке 1

Рис.1.Функциональное обозначение выводов микросхемы DS1644

DS1644 – устройство, содержащее 32 кБ энергонезависимого  статического ОЗУ и полнофункциональные  часы реального времени. Доступ  к обоим компонентам организован  в параллельном формате. Данное  устройство по цоколевке и  функциональным возможностям эквивалентно любому параллельному статическому ОЗУ емкостью 32 кБ, размещенному в JEDEC корпусе Оно может легко заменить ПЗУ, ЭПЗУ, ЭППЗУ, обеспечивая энергонезависимые операции чтения/записи и дополнительную функцию часов реального времени. Информация о реальном времени представлена в последних 8-ми ячейках ОЗУ. Регистры часов содержат год, месяц, дату, день, часы, минуты, секунды в 24-х часовом двоично-десятичном формате. Корректировка дней месяца выполняется автоматически и учитывает высокосность года. Регистры часов выполнены с двойной буферизацией, чтобы избежать проникновения некорректных данных во время изменения состояния часов. Двойная буферизация также предотвращает потерю времени, поскольку счет с понижением частоты сопровождается периодическим доступом к данным регистров времени. DS1644 также содержит схему обнаружения нарушения питания, которая запрещает доступ к ОЗУ, когда уровень Vcc за пределами допустимых значений. Эта функция позволяет предотвратить потерю данных из-за непредсказуемых действий управляющей системы (ошибочный доступ и обновление данных) при снижении Vcc. Данная разработка позволяет подключить PowerCap модуль на поверхности DS1644P после завершения ее поверхностного монтажа. Установка PowerCap модуля по окончании поверхностного монтажа предотвращает повреждение кварцевого резонатора и батареи при действии высоких температур в процессе пайки. PowerCap модуль снабжен устройством фиксации на закрепляемой поверхности. Устройство к которому подключается PowerCap модуль и сам модуль заказываются раздельно и поставляются в отдельных контейнерах. Серийное обозначение PowerCap модуля - DS9034PCX.