Проектирование микроконтроллера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

1.1 Общие сведения о микроконтроллерах

Микропроцессорная система - представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств, главным образом из микропроцессора и / или микроконтроллера.

Структура микропроцессорной системы (МПС) является магистрально - модульной. В такой структуре имеется группа магистралей (шин), к которым подключаются различные модули (блоки), обменивающиеся между собой информацией по одним и тем же шинам поочередно, в режиме разделения времени.

Типичная микропроцессорная система работает с помощью шин, по которым в систему передаются адреса модулей, к которым обращается микропроцессор. В шину включен шинный формирователь (ШФ), обеспечивающий работу микропроцессора (МП) на нагрузку, образуемую внешними цепями. Собственной нагрузочной способности у выводов МП, как правило, не хватает.

К настоящему времени более двух третей мирового рынка микропроцессорных средств составляют именно однокристальные микроконтроллеры.

Микроконтроллер - микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает на одном кристалле функции процессора и периферийных устройств, содержит ОЗУ и (или) ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи.

Популярностью у разработчиков пользуются 8-битные микроконтроллеры PIC фирмы Microchip Technology и AVR фирмы Atmel, 16-битные MSP430 фирмы TI, а также 32-битные микроконтроллеры, архитектуры ARM, которую разрабатывает фирма ARM Limited.

PIC - микроконтроллеры Гарвардской архитектуры, производимые американской компанией Microchip Technology Inc. Название PIC является сокращением от Peripheral Interface Controller, что означает «контроллер интерфейса периферии». Название объясняется тем, что изначально PIC предназначались для расширения возможностей ввода-вывода 16-битных микропроцессоров CP1600.

1.2 Архитектура микроконтроллера

микроконтроллер светодиодный табло

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. Все команды выполняются за один цикл, исключая команды переходов. В PIC16C84 программная память объемом 1К х 14 расположена внутри кристалла.

Исполняемая программа может находиться только во встроенном ПЗУ.

Исполнения микросхем бывают трех типов: коммерческие, для промышлености и для автомобильной электроники. Основное их отличие в температурном диапазоне и рабочем напряжении.

Рисунок 1 - Расположение выводов микроконтроллера PIC16C84

О назначениях ножек входа и выхода описано в таблице. Серия PIC16C84 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.).

Обзор характеристик микроконтроллера:

- только 35 простых команд;

- все команды выполняются за один цикл(400ns), кроме команд перехода - цикла;

- рабочая частота 0 Гц… 10 МГц;

- 14 - битовые команды;

- 8 - битовые данные;

- 1024 х 14 электрически перепрограммируемой программной памяти на кристалле (EEPROM);

- 36 х 8 регистров общего использования;

- 15 специальных аппаратных регистров SFR;

- 64 x 8 электрически перепрограммируемой EEPROM памяти для данных;

- восьмиуровневый аппаратный стек;

- прямая, косвенная и относительная адресация данных и команд;

- четыре источника прерывания;

- внешний вход INT;

- переполнение таймера RTCC;

- прерывание при изменении сигналов на линиях порта B;

- по завершению записи данных в память EEPROM.

- улучшенный температурный диапазон эксплуатации

- высокий максимальный выходной ток на Vss

- 15 аппаратных регистров специального назначения

- прямой, косвенный и относительный режимы адресации для данных и инструкций

- RISC архитектура.

Таблица 1 - Назначение ножек микроконтроллера

2. Специальная часть

2.1 Принцип работы светодиодного табло

В основе схемы микросхема PIC16C84. Стабилизатор напряжения DA1 служит для получения напряжения стабилизированного +5В, которое питает все устройство. На элементах R1, C4 собрана частотно задающая цепочка, для внутреннего тактового генератора микросхемы. Вход RA0 используется для ввода стартового сигнала в микроконтроллер. Для этого на него, через резистор R2 подано напряжение питание, образующее на входе сигнал логической единицы. Контактная пара «Старт» срабатывает при резком ускорении движения устройства и замыкает вход RA0 на общий провод, создавая на нем нулевой уровень. Программа постоянно опрашивает состояние этого входа. Когда после очередного цикла опроса программа получит нулевой уровень в младшем разряде порта RA, она перейдет к циклу вывода изображения. Светодиоды подключены к пяти младшим разрядам порта RB процессора. Автор подключил светодиоды непосредственно к выходам микросхемы для получения большей яркости свечения, хотя такая схема включения создает слишком большую нагрузку на выходы. Для повышения надежности и яркости светодиодов нужно подключить светодиоды через транзисторные ключи.

Для синхронизации процесса вывода изображения с движением палочки применяется инерционный контактный датчик движения. Устроен он следующим образом:

В состоянии покоя контакты разомкнуты. Если же резко махнуть палочкой, то груз под действием силы инерции замкнет контакты. На входе RA0 контроллера появится сигнал логического нуля. По этому сигналу процессор запустит процесс вывода изображения.

В этой программе реализован самый элементарный алгоритм. В авторском варианте она может выводить только заглавные латинские буквы. После включения программа сначала производит настройку портов (процедура init). Все разряды порта b переводятся в режим вывода. А порт b настраивается таким образом, что его младший разряд RA.0 включается в режим ввода. Для этого в управляющие регистры соответствующих портов записываются управляющие коды. Далее программа переходит к процедуре опроса датчика запуска getbut. Пока датчик не замкнут, программа находится в непрерывном процессе опроса датчика и из программы опроса не выходит. Как только программа обнаружит нулевой сигнал на RA0, она переходит к процедуре вывода слова letters.

2.2 Программирование микроконтроллера

Процедура вывода слова представляет собой последовательные обращения к подпрограммам вывода букв отображаемого слова. У автора программа выводит слово «HELLO». Поэтому она последовательно обращается к подпрограммам вывода именно этих букв. Для вывода каждой буквы имеется своя отдельная подпрограмма. Для вывода буквы «A» служит подпрограмма, на которую можно перейти по метке «la». Подпрограмма вывода буквы «B» имеет метку «lb» и так далее. Все подпрограммы вывода букв совершенно одинаковы. Различаются они лишь выводимыми кодами. Каждая подпрограмма последовательно выводит на выходные светодиоды четыре кода, соответствующие четырем столбцам матрицы, отображающей изображение буквы. Эта матрица, как мы знаем, образуется при движении пяти светодиодов в пространстве. Следовательно, каждый знак отображается матрицей 4X5 точек. После вывода очередного столбца матрицы, подпрограмма рисования буквы переходит к подпрограмме задержки wait. Подпрограмма задержки обеспечивает нужный темп вывода столбцов. Задержка подобрана таким образом, что бы при движении устройством с разумной для человека скоростью, ширина букв была пропорциональна их высоте.

После вывода всех четырех столбцов, подпрограмма вывода буквы переходит к процедуре space1, служащей для формирования промежутка между буквами. Подпрограмма space1 гасит все светодиоды и выдерживает необходимый временной интервал.

Описываемая программа содержит подпрограммы для высвечивания всех букв латинского алфавита. Поэтому вы сами легко можете переделать программу, заставив ее выводить ваше слово. Для этого нужно переписать процедуру letters таким образом, что бы она обращалась к подпрограммам вывода нужных букв.

3. Основные понятия надежности системы

Теория надёжности - наука, изучающая закономерности распределения отказов технических устройств, причины и модели их возникновения.

Базой математического аппарата теории надежности являются:

- теория вероятностей;

- математическая статистика;

- математическая логика;

- теория случайных процессов;

- теория массового обслуживания;

- теория графов;

- теория оптимизации.

Основные понятия и определения теории надёжности технических устройств, сформулированы в ГОСТ 27.002 89 «Надёжность в технике. Основные понятия. Термины и определения»

Общие понятия (по ГОСТу 27.002 89):

- Надежность - свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.

- Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки.

- Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

- Ремонтопригодность - свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта

- Сохраняемость - свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способности объекта выполнять требуемые функции, в течение и после хранения и (или) транспортирования

Структурная надежность любого радиоэлектронного аппарата, в том числе и ЭВМ, - его результирующая надежность при известной структурной схеме и известных значениях надежности всех элементов, составляющих структурную схему.

При последовательном включении элементов для надежной работы схемы необходима работа всех функциональных элементов.

Рассчитываем надежную работу P(t) схемы по формуле

P(t)= P1 (t)*P2 (t)*…Pn(t) (1)

где n - число элементов надежностной схем, шт.;

Р1 (t) - работа первого элемента;

P2 (t) - работа второго элемента;

Pn(t) - работа n - го элемента.

Заключение

В заключении описаны достоинства и недостатки микроконтроллеров PIC.

Основным достоинством таких микроконтроллеров является простота в их использовании, программировании, установке и др. Также благодаря малому количеству компонентов в микроконтроллерах, используемых при построении приборов, их размеры уменьшаются, а надежность увеличивается.

Основным недостатком PIC микроконтроллеров является их сравнительно большая стоимость, при том, что выполняют они не особо много функций.

Применение PIC-контроллеров целесообразно в несложных приборах с ограниченным током потребления (автономные устройства, приборы с питанием от телефонной линии и т.п.).

Список литературы

1 Воловий А., Верлович Г. Интегральные акселерометры. - Компоненты и технологии, 2002.

2 Григорьев В.Л. Программное обеспечение микропроцессорных систем. - М.: Энергоатомиздат, 1983.

3 Грушвицкий Р.И., Мурсаев А. X., Угрюмов Е.П. Проектирование систем на микросхемах программируемой логики. - СПб.: БХВ-Петербург, 2002.

4 Грушин С.И., Душутин И.Д., Мелехин В.Ф. Проектирование аппаратных средств микропроцессорных систем: Учеб.пособие. - Л.: ЛПИ им. Калинина, 1990.

5 Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергоатомиздат, 1988.

6 Кауфман М., Сидман А. Практическое руководство по расчетам схем в электронике 1991.

7 Каган Б.М., Сташин В.В. Основы проектирования микропроцессорных устройств автоматики. - М.: Энергоатомиздат, 1988.

8 Лебедев О.П., Мирошниченко А.И., Телец В.А. Изделия электронной техники. Цифровые микросхемы. Микросхемы памяти. Микросхемы ЦАП и АЦП: Справочник. - М.: Радио и связь, 1994.

9 Незнайко А.П. Геликман Б.Ю Конденсаторы и резисторы, 1974.

10 Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника2004.

Размещено на Allbest.ru