Цифровые устройства и микропроцессоры. Частотомер
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
Владимирский государственный университет
Кафедра радиотехники и радиосистем
Курсовая работа по дисциплине
«Цифровые устройства и микропроцессоры»
на тему:
«Частотомер»
Шабанов Ю.В.
Владимир 2009
Задание.
Разработать Частотомер на микроконтроллере PIC16F84, программное обеспечения для него на языке ассемблер, рассмотреть вопросы программирования микроконтроллера.
Напряжение питания устройства 5В +/-1В
Частота тактового генератора М
Количество отображаемых цифр на индикаторе
Количество кнопок управления 2
Содержание
Введение
1.Разработка структурной
2.Выбор элементной базы
3.Разработка схемы
4.Разработка программного
5.Программирование
Заключение
Список литературы
Введение
Последние годы отмечены массовым наполнением рынка всевозможной автоматизированной аппаратурой самого различного назначения и самой различной сложности от пластиковой платежной карточки до холодильника, автомобиля и сложнейших установок. Это стало возможным благодаря микроконтроллерам (МК) Микроконтроллеры входят во все сферы жизнедеятельности человека, их насыщенность в нашем окружении растет из года в год. То что казалось нам 5 лет назад сказкой сейчас вполне возможно благодаря стремительному развитию технологии производства электронных компонентов. Да пять лет назад мы уже знали про суперкомпьютеры суперпроцессоры супер АЦП и т.д. Ну а что же сейчас а сейчас "ВСЕ В ОДНОМ КОРПУСЕ" и это жестокая правда. Раньше , изобретателю электронных схем приходилось иметь дело с "кучей" электронных компонентов , размещая с огромным трудом все на печатной плате размером метр на метр и при испытании кипятить чайник на той же плате (это про расходуемую энергию), в наше время разработчику электронной аппаратуры не грозят выше указанные сложности, точнее чем больше денег тем меньше сложностей. Но появляются новые неудобства информационного общества такие как :
Фирмы, производящие микроконтроллеры ATMEL,INTEL,ZILOG,MICROCHIP, "и с радостью для патриотов" АНГСТРЕМ, scenix, кажется можно продолжать бесконечно. Каждая из перечисленных фирм кроме АНГСТРЕМ имеет более 100 видов различных по назначению микроконтроллеров, а каждый микроконтроллер не менее 200 страниц технических описаний и характеристик плюс к этому на английском языке, кроме АНГСТРЕМ. Выбери свой девиз современного общества.
Средства разработки
программного обеспечения для
Вернемся к теме "в одном корпусе" раньше К155ХХ 50 штук а сейчас PIC16F84 и просто в подарок ПЗУ, ОЗУ, таймер, система прерываний, аналогово-цифровой преобразователь, встроенный генератор, корпус с 20 ножками и т.д.
В данном проекте будет разработано устройство на современном микроконтроллере, написана программа и рассмотрены инструментальные средства. Также будут применены знания, полученные на занятиях.
1.Разработка структурной схемы устройства
Структурная схема электронных часов на микропроцессоре приведена на рисунке 1. Она состоит из 4 основных блоков. Тактовый генератор предназначен для генерации прямоугольных импульсов частотой 4 Мгц для тактирования микропроцессора и программируемого таймера. Микропроцес-
Рисунок 1. Структурная схема устройства
Микропроцессорный блок состоит из микропроцессора, постоянного и оперативного запоминающего устройств, предназначенных для управления всеми другими блоками частотомера. Он осуществляет обработку прерывания полученного от таймера предварительно делает его установку на нужное значение, готовит данные полученные от таймера, выводит значение на индикатор. Контроллер клавиатуры и дисплея предназначен для дешифрации значений полученных от микропроцессора и усиления сигналов для индикатора также осуществляет предварительную обработку сигналов полученных от клавиатуры. Дисплей предназначен для вывода реального времени в графическом виде понятном для человека. Клавиатура электронного частотомера служит для ввода управляющих сигналов, таких как установка режима индикации дисплея.
2.Выбор элементной базы
Данное устройство может
быть выполнено на разной элементной
базе включая микросхемы серии 155,176,561
также различные
PIC16F84 относится к семейству КМОП микроконтроллеров.
Отличается тем, что имеет внутреннее
1K x 14 бит EEPROM для программ, 8-битовые данные
и 64байт EEPROM памяти данных. При этом отличаются
низкой стоимостью и высокой производительностью.
Все команды состоят из одного слова (14
бит шириной) и исполняются за один цикл
(400 нс при 10 МГц), кроме команд перехода,
которые выполняются за два цикла (800 нс).
PIC16F84 имеет прерывание, срабатывающее
от четырех источников, и восьмиуровневый
аппаратный стек. Периферия включает в
себя 8-битный таймер/счетчик с 8-битным
программируемым предварительным делителем
(фактически 16 - битный таймер) и 13 линий
двунаправленного ввода/вывода. Высокая
нагрузочная способность (25 мА макс. втекающий
ток, 20 мА макс. вытекающий ток) линий ввода/вывода
упрощают внешние драйверы и, тем самым,
уменьшается общая стоимость системы.
Разработки на базе контроллеров PIC16F84
поддерживается ассемблером, программным
симулятором, внутрисхемным эмулятором
(только фирмы Microchip) и программатором.
Серия PIC16F84 подходит для широкого спектра
приложений от схем высокоскоростного
управления автомобильными и электрическими
двигателями до экономичных удаленных
приемопередатчиков, показывающих приборов
и связных процессоров. Наличие ПЗУ позволяет
подстраивать параметры в прикладных
программах (коды передатчика, скорости
двигателя, частоты приемника и т.д.). Малые
размеры корпусов, как для обычного, так
и для поверхностного монтажа, делает
эту серию микроконтроллеров пригодной
для портативных приложений. Низкая цена,
экономичность, быстродействие, простота
использования и гибкость ввода/вывода
делает PIC16F84 привлекательным даже в тех
областях, где ранее не применялись микроконтроллеры.
Например, таймеры, замена жесткой логики
в больших системах, сопроцессоры. Следует
добавить, что встроенный автомат программирования
EEPROM кристалла PIC16F84 позволяет легко подстраивать
программу и данные под конкретные требования
даже после завершения ассемблирования
и тестирования. Эта возможность может
быть использована как для тиражирования,
так и для занесения калибровочных данных
уже после окончательного тестирования.
Структурная схема микроконтроллера приведена на рисунке 2.
Рисунок 2. Структурная схема микроконтроллера PIC16F84
Архитектура основана на концепции раздельных шин и областей памяти для данных и для команд (Гарвардская архитектура). Шина данных и память данных (ОЗУ) - имеют ширину 8 бит, а программная шина и программная память (ПЗУ) имеют ширину 14 бит. Такая концепция обеспечивает простую, но мощную систему команд, разработанную так, что битовые, байтовые и регистровые операции работают с высокой скоростью и с перекрытием по времени выборок команд и циклов выполнения. 14- битовая ширина программной памяти обеспечивает выборку 14-битовой команды в один цикл. Двухступенчатый конвейер обеспечивает одновременную выборку и исполнение команды. Все команды выполняются за один цикл, исключая
команды переходов. В PIC16F84 программная память объемом 1К х 14 расположена внутри кристалла. Исполняемая программа может находиться только во встроенном ПЗУ.
Условно графическое обозначение микроконтроллера приведено на рисунке 3.
Программный код, который
записан в кристалл, может быть
защищен от считывания при помощи
установки бита защиты (CP) в слове конфигурации в ноль.
Содержимое программы не может быть прочитано
так, что с ним можно было бы работать.
Кроме того, при установленном бите защиты
становится невозможным изменять программу.
То-же относится и к содержимому памяти
данных EEPROM.
Если установлена защита, то бит CP можно
стереть только вместе с содержимым кристалла.
Сначала будет стерта EEPROM программная
память и память данных и в последнюю очередь
бит защиты кода CP.
Кристалл PIC16C84 имеет четыре слова,
расположенные по адресу (2000h-2003h) Они
предназначены для хранения идентификационного
кода (ID) пользователя, контрольной суммы
или другой информации. Как и слово конфигурации,
они могут быть прочитаны или записаны
только с помощью программатора. Доступа
по программе к ним нет.
Если кристалл защищен, пользователю рекомендуется
использовать для идентификации только
младшие семь бит каждого ID слова, а в старший
бит записывать `0`. Тогда ID слова можно
будет прочитать даже в защищенном варианте.
Вход в режим SLEEP осуществляется командой SLEEP. По этой команде, если WDT разрешен, то он сбрасывается и начинает счет времени, бит "PD" в регистре статуса (f3) сбрасывается, бит "TO" устанавливается, а встроенный генератор выключается. Порты ввода/вывода сохраняют состояние, которое они имели до входа в режим SLEEP. Для снижения потребляемого тока в этом режиме, ножки на вывод должны иметь такие значения, чтобы не протекал ток между кристаллом и внешними цепями. Ножки на ввод должны быть соединены внешними резисторами с высоким или низким уровнем, чтобы избежать токов переключения, вызываемых плавающими высоко омными входами. То же и про RTCC. Ножка /MCLR должна быть под напряжением Vihmc.
Обозначение |
Нормальный режим |
Режим записи EEPROM |
RA0 - RA3 |
Двунаправленные линии ввода/вывода.Входные уровни ТТЛ. |
- |
RA4/RTCC |
Вход через триггер Шмитта. Ножка порта ввода/вывода с открытым стоком или вход частоты для таймера/счетчика RTCC |
- |
RB0/INT |
Двунаправленная линия порта ввода/вывода или внешний вход прерывания. Уровни ТТЛ. |
- |
RB1 - RB5 |
Двунаправленные линии ввода/вывода. Уровни ТТЛ. |
- |
RB6 |
Двунаправленные линии ввода/вывода. Уровни ТТЛ. |
Вход тактовой частоты для EEPROM |
RB7 |
Двунаправленные линии ввода/вывода. Уровни ТТЛ. |
Вход/выход EEPROM данных. |
/MCLR/Vpp/ |
Низкий уровень на этом входе генерирует сигнал сброса для контроллера. Активный низкий. Сброс контроллера. |
Для режима EEPROM - подать Vpp. |
OSC1 /CLKIN |
Для подключения кварца, RC или вход внешней тактовой частоты. |
- |
OSC2 /CLKOUT |
Генератор, выход тактовой частоты в режиме RC генератора, в остальных случаях - для подкл.кварц |
- |
Vdd |
Напряжение питания |
Напряжение питания |
Vss |
Общий(земля) |
Общий(земля) |
Выход параметров за данные
пределы может привести к повреждению
микросхемы. Работа кристалла на предельно допустимых значениях
в течение длительного времени повлияет
на его надежность.
Интервал рабочих температур |
-55 ... +125С |
Температура хранения |
-65 ... +150С |
Напряжение на любой ножке относительно Vss (земли) (исключая Vdd и /MCLR) |
-0.6...Vdd +0.6 В |
Напряжение Vdd относительно Vss |
0 ... +7.5 В |
Напряжение на /MCLR относительно Vss |
0...+14 В (Прим.2) |
Общая рассеиваемая мощность |
800 мВт (Прим.1) |
Макс. ток в ножку Vss |
150 мА |
Макс. ток в ножку Vdd |
100 мА |
Макс. ток в любую ножку ввода |
+- 500 мкА |
Макс. втекающий ток (любая ножка Вывода) |
25 мА |
Макс. вытекающий ток (любая ножка Вывода) |
20 мА |
Макс. сумарный вытекающий ток для всех ножек порта_А |
80 мА |
Макс. сумарный вытекающий ток для всех ножек порта_В |
50 мА |
Макс. сумарный втекающий ток для всех ножек порта_А |
50 мА |
Макс. сумарный втекающий ток для всех ножек порта_В |
100 мА |
Область ОЗУ организована как 128 х
8. К ячейкам ОЗУ можно
Это также относится и к EEPROM памяти данных-констант.
В регистре статуса (03h) есть
биты выбора страниц, которые позволяют
обращаться к четырем страницам
будущих модификаций этого
Watchdog таймер представляет собой полностью независимый встроенный RC генератор, который не требует никаких внешних цепей. Он будет работать, даже если основной генератор остановлен, как это бывает при исполнении
команды SLEEP. Таймер вырабатывает сигнал сброса. Выработка таких сбросов может быть запрещена путем записи нуля в специальный бит конфигурации WDTE. Эту операцию производят на этапе программирования микросхем.
Номинальная выдержка WDT
составляет 18 мс (без использования
делителя). Она зависит от температуры, напряжения питания,
от особенностей типов микросхем. Если
требуются большие задержки, то к WDT может
быть подключен встроенный делитель с
коэффициентом деления до 1:128; который
программируется путем записи в регистр
OPTION. Здесь могут быть реализованы выдержки
до 2.5 секунд.
Команды "CLRWDT" и "SLEEP" обнуляют
WDT и делитель, если он подключен к WDT. Это
запускает выдержку времени сначала и
предотвращает на некоторое время выработку
сигнала сброс. Если сигнал сброса от WDT
все же произошел, то одновременно обнуляется
бит "TO" в регистре статуса (f3). В приложениях
с высоким уровнем помех, содержимое регистра
OPTION подвержено сбою. Поэтому регистр
OPTION должен обновляться через равные промежутки
времени. Следует учесть, что наихудшей
комбинацией является: Vdd=min, температура
= max и max коэффициент деления делителя,-
это приводит к самой большой выдержке
времени, она может достигать нескольких
секунд.
Также в устройстве будет
использован цифро-буквенный
3.Разработка схемы
Применение микроконтроллеров P
Кристаллы PIC16F84 могут работать с четырьмя типами встроенных генераторов. Пользователь может запрограммировать два конфигурационных бита (FOSC1 и FOSC0) для выбора одного из четырех режимов: RC, LP, XT, HS. Кристаллы PIC16... могут также тактироваться и от внешних источников. Генератор, построенный на кварцевых или керамических резонаторах, требует периода стабилизации после включения питания. Для этого, встроенный таймер запуска генератора держит устройство в состоянии сброса примерно 18 мс после того, как сигнал на /MCLR ножке кристалла достигнет уровня логической единицы. Таким образом, внешняя цепочка RC , связанная с ножкой /MCLR во многих случаях не требуется.
Встроенные генераторы работоспособны при определенных номиналах питающего напряжения:
Vdd |
OSC mode |
Max Freq |
2..3V |
RC |
2 MHz |
LP |
200 kHz | |
3..6V |
RC, XT |
4 MHz |
LP |
200 kHz | |
4,5..5,5 |
HS |
10 MHz |
При частотах ниже 500 кГц, внутренний генератор может генерировать сбойный импульс на гармониках, когда переключается бит 0 порта A. Этого не происходит при использовании внешнего генератора или при встроенном RC генераторе. PIC16F84-XT, -HS или -LP требуют подключения кварцевого или керамического резонатора к выводам OSC1 и OSC2. Маркировка следующая: XT - стандартный кварцевый генератор, HS - высокочастотный кварцевый генератор, LP - низкочастотный генератор для экономичных приложений. Резистор Rs может потребоваться для генератора "HS", особенно при частотах ниже 20 МГц для гашения гармоник. Он также может потребоваться в режиме XT с резонатором типа AT strip-cut. Необходимые значения конденсаторов для разных частот приведены в таблице.
Более высокая емкость будет увеличивать стабильность генератора, но также будет увеличивать время запуска. Значения приведены для ориентировки. В режимах HS и XT, чтобы избежать гармоник может потребоваться последовательный резистор Rs.
Таблица Выбор конденсатора для кварцевого генератора
Тип генератора |
Частота |
Конденсатор С1 |
Конденсатор С2 |
LP |
32 КГц |
30 пФ |
30 - 50 пФ |
100 КГц |
15 пФ |
15 пФ | |
200 КГц |
0- 15 пФ |
0 - 15 пФ | |
XT |
100 КГц |
15 - 30 пФ |
200 - 300 пФ |
200 КГц |
15- 30 пФ |
100 - 200 пФ | |
455 КГц |
15 - 30 пФ |
15 -100 пФ | |
1 МГц |
15 - 30 пФ |
15 - 30 пФ | |
2 МГц |
15 пФ |
15 пФ | |
4МГц |
15 пФ |
15 пФ | |
HS |
4 МГц |
15 пФ |
15 пФ |
10 МГц |
15пФ |
15 пФ |
Контроль частотомера осуществляется через 2 кнопки подключенных к портам RB0 и RA0 микроконтроллера. Схема подключения показана на рисунке 6. Меры по предотвращению дребезга
контактов могут реализоваться программным методом. Сопротивление резисторов выбирается из расчета протекания наименьшего тока необходимого для фиксации логической 1 на входах микроконтроллера при неактивных позициях кнопок и в данном случае составляют 10 кОм.
Рисунок 6 . Подключение клавиатуры управления
Также в устройстве присутствует
блок индикации состоящий из 4-х
индикаторов АЛС324А которые
Электрическая принципиальная схема устройства приведена на чертеже 1.
4.Разработка программного
При разработке и отладке программы была использована бесплатная программа Mplab предоставляемая фирмой Microchip.
MPLAB - это интегрированная среда
разработки (IDE) для семейства
Инструментальные средства MPLAB, организованные как ниспадающие меню и определяемые быстрые клавиши, позволяют:- ассемблировать, компилировать исходный текст;- отлаживать логику работы, наблюдая с помощью симулятора или, в реальном времени, с эмулятором MPLAB-ICE ;- просматривать переменные в окнах просмотра;- программировать кристаллы с помощью программаторов PICSTART Plus или PRO MATE II- и многое другое.
Рисунок 8. Блок схема программы
MPLAB работает под Microsoft Windows 3.1x, Windows 95, 98, NT, 2000 (начиная с версии 5.00.00). Правда не все дополнительное оборудование, такое как внутрисхемные эмуляторы и программаторы будет функционировать под всеми операционными системами. Для более подробного описания обращайтесь к специализированной литературе и техническим описаниям фирмы Microchip.
Описание программы можно найти на Интернет сайте фирмы Microchip
Блок схема разрабатываемой программы приведена на рисунке 8.Она состоит из блока начальных установок в который входят процедуры обнуления переменных используемых в программе, установки направления портов, установки нужного коэффициента пред делителя, тест работоспособности индикаторов. Блока вывода на индикацию в котором осуществляется преобразование двоичного кода в код семисегментных индикаторов, формируются необходимые задержки времени для динамической индикации, также контроль вывода выбранного пользователем режима индикации. Участок программы сканирования клавиатуры отвечает за выбор режима индикации. Самая ответственная часть программы это обработка прерывания полученного от встроенного таймера микроконтроллера от неё зависит точность измерения т.е ошибки в этой части программы приводят к значительной погрешности прибора там же может быть осуществлена точная подстройка.
Рассмотрим получение
интервала в 1 секунду с помощью
таймера, при конфигурации
1. F(г)=4 МГц/4=1000000
2. 1000000/64=15625
3. 15625/125=125
4. 125/125=1 Гц
processor 16f84a ;for Microchip MPLAB
#include p16f84a.inc
LIST p=16F84A
__config _HS_OSC & _WDT_OFF & _PWRTE_ON
;
;Регистры статуса:
pc equ 02 ;програмный счетчик
porta equ 05 ;I/O регистра
portb equ 06 ;I/O регистра
status equ 03 ;статус регистра
tmr equ 01 ;8-bit счетчик
trisa equ 0x5 ;порт "a" направление регистра
trisb equ 0x6 ;порт "b" направление регистра
intcon equ 0x0B ;прервать контроль регистра
;
;главный регистр:
H_byte equ 0x10
;высокий байт измерения
L_byte equ 0x11 ;низкий байт измерения частоты
count_r equ 0x12 ;перезагрузка счетчика
U equ 0x13 ;единицы
D equ 0x14 ;десятки
H equ 0x15 ;Сотни
M equ 0x16 ;тысячи
count1 equ 0x17 ;счетчик регистра
N equ 0x18 ;главный регистр
;
;*************************** Главная программа
org 0
start
movlw 0x27
option ;загрузка 00100111 в опции регистра
movlw 0x10
movwf intcon
clrf porta
clrf portb
bsf status,5
movlw 0x10
movwf trisa ;портa:0-3 = выпуск, porta:4 = ввод
clrf trisb ;портb:0-7 = выпуск
bcf status,5
movlw 0x08 ;все сегменты включены
movwf U ;проверить индикаторы
movwf D
movwf H
movwf M
movlw .125 ;проверить перезагрузку 0.5 сек.
movwf count_r
loop1 call refresh ;перезагрузка дисплея
decfsz count_r
goto loop1
work clrf tmr ;очистка таймера
clrwdt ;очистка делителя частоты
bsf status,5
movlw b'10000000' ; портB:7 - вход, счет возможен
movwf trisb ;-
bcf status,5 ; |
movlw .99 ; |
movwf count1 ; |
ms1 nop ; |
nop ; |
nop ; |
nop ; |
nop ; |
nop ; |- Это 1 миллисекунда измеряющая время для 4Mhz.
nop ; |- этот блок не изменять если не потребуется коллибровка!
decfsz count1 ; |
goto ms1 ; |
nop ; |
nop ; |
nop ; |
nop ; |Если потребуется коллибровка добавь или передвинь один или более NOP сюда.
nop ; |