Проектирование микропроцессорной системы управления объектом

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИФЕДЕРАЛЬНОЕГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА (МИИТ)»

Российская открытая академия транспорта

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Микропроцессорные системы»

на тему

«Проектирование микропроцессорной системы управления объектом»

Выполнил: студент 4 курса

Зинкевич С.В.

1511-СДс-1141

Проверил:

Доцент Ермакова О.П.

Москва 2019



1. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

Требуется разработать микропроцессорную систему управления объектом (МПС). Объект задан видом и количеством данных поступающих с объекта, потребным ресурсом для обработки данных, видом и количеством управляющих сигналов.

Число каналов ввода и вывода информации МПС для взаимодействия с объектом управления определяется по последней цифре учебного шифра:

число каналов ввода - 16;

число каналов вывода -16.

Объем внешней памяти программ (ПЗУ) и данных (ОЗУ) определяется по предпоследней цифре учебного шифра:

объем ПЗУ, Кбайт - 8;

объем ОЗУ, Кбайт -16.

Блок-схема алгоритма обработки данных представлена на рисунке 1.

Рисунок 1- Блок-схема алгоритма обработки данных

Частота синхронизации МК-51, скорость передачи данных через последовательный порт, длительность импульса определяются по последней цифре учебного шифра:

частота синхронизации МК-51, МГц - 5;

скорость передачи данных через последовательный порт, бит/с -300;

длительность импульса, мс -55.

Банк памяти, где будут располагаться регистры - счетчики и номер линии порта P3 определяются по предпоследней цифре учебного шифра:

номер банк памяти - 0

номер линии порта P3.6

Выбираем прерывание со входа INT1.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

В настоящее время в микропроцессорной технике выделился самостоятельный класс больших интегральных схем, называемых микроконтроллеры. Микроконтроллеры предназначены для построения "интеллектуального" оборудования различного назначения.

Микроконтроллеры представляют собой приборы, конструктивно выполненные в виде одной большой интегральной схемы и включающие в себя все устройства, необходимые для реализации цифровой системы управления минимальной конфигурации: процессор, оперативное запоминающее устройство данных, постоянное запоминающее устройство команд, внутренний генератор тактовых сигналов, а также программируемые периферийные схемы для связи с внешними устройствами.

Использование микроконтроллеров в системах управления и измерения обеспечивает исключительно высокие показатели эффективности при достаточно низкой стоимости. Низкая стоимость объясняется возможностью построения многих систем на одной большой интегральной схеме.

Микроконтроллеры обладают значительными функционально логическими возможностями и представляют собой эффективное средство автоматизации на основе применения цифровых средств и методов обработки данных и цифрового управления разнообразных объектов и процессов.

Часто микроконтроллеры называют однокристальными микро-ЭВМ. Это обосновывается тем, что такие микросхемы имеют ограниченный объем памяти для построения значительных контрольно-измерительных и вычислительных комплексов; логическое разделение адресного пространства памяти программ (ПЗУ) и памяти данных (ОЗУ); несколько упрощенную и ориентированную на задачи управления систему команди различные методы адресации команд и данных.

Специфическая организация ввода/вывода информации, структурная организация, набор команд микроконтроллеров лучше всего приспособлены для решения задач управления и регулирования в приборах, устройствах и системах автоматики.

Начало развитию семейства однокристальных микроконтроллеров положил выпуск фирмой INTEL микросхемы 8048, которая вначале восьмидесятых годов была заменена микросхемой 8051, положившей начало семейству MCS-51.

В настоящее время микроконтроллер устарел и вытеснен более современными устройствами совместимыми с 8051, производимыми более чем 20 независимыми производителями, такими как Atmel, Maxim IC (дочерняя компания DallasSemiconductor), NXP (ранее PhilipsSemiconductor), Winbond, SiliconLaboratories, TexasInstruments и CypressSemiconductor. При сохранении основной структуры 8-разрядного арифметико-логического устройства в системе команд произошли изменения, позволившие значительно повысить производительность микроконтроллера. Применение огромного количества битовых операций позволило говорить о реализации битового процессора. Увеличилось количество команд пересылки без участия аккумулятора, были введены команды умножения, деления и новые команды вычитания. Появились усовершенствования при работе со стеком.

Изменения в структуре временного цикла микроконтроллера привели к значительному ускорению работы с внешней памятью программ и данных. Было расширено адресное пространство внутренней памяти программ и увеличено пространство внешней памяти программ и данных до 64 Кбайт. 16-битные регистры счетчика команд и указателя данных позволили напрямую обращаться ко всему диапазону адресов, что дало возможность реализации быстрой обработки больших массивов данных. Все программно-доступные узлы микроконтроллера сведены в специальную область памяти данных (SFR - SpecialFunctionRegister), что позволило обращаться к ним как к обычным ячейкам резидентного ОЗУ.

Для расширения функциональных возможностей периферийных систем были введены:

два 16-ти разрядных многофункциональных таймера/счетчика;

последовательный порт с синхронным и асинхронным режимами передачи;

2-х уровневая система прерываний;

четыре параллельных порта ввода-вывода.

При сохранении потребления кристаллов была значительно увеличена максимальная тактовая частота микроконтроллеров до 12-16 МГц.

Дальнейшее применение более совершенной и низко потребляющей CHMOS технологии позволило также снизить потребление кристаллов микроконтроллера.

Для реализации микропроцессорной системы заданной в курсовой работе используется МК КР1830ВЕ51 который содержит масочное ПЗУ, программируемое в процессе изготовления кристалла (память программ емкостью 4096 байт) и рассчитан на применение в массовой продукции. За счет использования внешних микросхем памяти общий объем памяти программ может быть расширен до 64 Кбайт.

Данные микроконтроллеры представляют собой восьмиразрядные высокопроизводительные однокристальные микро-ЭВМ (ОМЭВМ) семейства МК51 выполнены по высококачественной n-МОП технологий (серия 1816) и КМОП технологии (серия 1830).

3. РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ МПС

При включении микропроцессорной системы, происходит начальная установка микроконтроллера, в течение 3 - 4 циклов. После чего начинает выполняться микропрограмма.

Для синхронизации работы узлов используется генератор тактовых импульсов. Генератор формирует сигналы с заданной частотой.

Обмен информации с внешним ОЗУ и ПЗУ производится через порт P0 по общей шине. Для этого микроконтроллер вырабатывает управляющие сигналы RDи WR.При обращении к ВПП в МК51 формируется16-ти разрядный адрес, причем порт P0 используется в режиме временного мультиплексирования: в начале каждого машинного обращения к ВПП (фаза S2P1) через порт P0 выдается младший байт адреса, который должен быть записан во внешний регистр RG по отрицательному фронту сигнала ALE; низкий уровень сигнала PME, формируемый в течение фаз S3P1…S4P1 машинного цикла, разрешает выборку байта данных из ПЗУ, который затем поступает на линии порта P0 и вводится в микроконтроллер. Временная диаграмма работы с ВПП показана на рисунке 2.

Для работы с ВПД, также как и для работы с ВПП используется порт P0 для выдачи младшего байта адреса и порт P2 для выдачи старшего байта адреса.

Младший байт адреса должен быть зафиксирован во внешнем регистреRG по отрицательному фронту сигнала ALE. В дальнейшем линии порта P0 используются для чтения или записи информации в/из микроконтроллера. При этом чтение информации стробируется сигналом RD, формируемым МК51, а запись - сигналом WR. На рисунке 3 показана временная диаграмма работы МК51 в режиме обмена данными с ВПД

Ввод информации с датчиков осуществляется через мультиплексоры, подключенные к линиям порта P1.Мультиплексоры 4 в 1 могут передавать информацию от 16 двоичных датчиков на четыре линии порта Р1 (Р1.0...Р1.3) МК51. Выводы Р1.4 и Р1.5 используются для выбора группы, состоящей из 4 - х датчиков,

Для управления объектами используются линии порта P3. Расширениеканалов вывода осуществляется с помощью регистров, стробирование которых производится путем подачи тактовыхсигналов, вырабатываемых на выходах дешифратора 2 в 4, входными сигналами которого являются сигналы P1.6-P1.7.

Для организации временных интервалов при работе МПС используется встроенный в МК51 таймер счетчик Т/С1. Таймер/счетчик предназначен для подсчета внешних событий, для получения программно-управляемых временных задержек и выполнения времязадающих функций МК.

Код величины начального счета заносится в регистр Т/С1 программно. В процессе счета содержимое регистра Т/С1 инкрементируется. Признаком окончания счета является переполнение регистра Т/С1, т.е. переход его содержимого из состояния "все единицы" в состояние "все нули". Регистртаймер/счетчика доступен для чтения, и, при необходимости, контроль достижения требуемой величины счета может выполняться программно.

Режим работы микроконтроллера задается при начальной установке.

Функциональная схема МПС приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Функциональная схема МПС

Все МК-51 серии 1830 (1816) имеют несколько адресных пространств, функционально и логически разделенных за счет разницы в механизмах адресации и сигналах управления записью и чтением:

внешняя память программ (ВПП);

резидентная память данных (РПД);

внешняя память данных (ВПД).

4. РАЗРАБОТКА БЛОК-СХЕМ АЛГОРИТМОВ И ПРОГРАММЫ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ

Разработка прикладного программного обеспечения на языке Ассемблере - творческая задача, требующая от программиста отличного знания программистской модели МК-51, состава и формата команд, способов адресации операндов и т.д. Однако существуют формальные правила составления программ, соблюдение которых позволяет даже начинающему разработчику составлять работоспособные программы. Подробно эти правила рассмотрены в [1], согласно которым для получения текста исходной программы необходимо выполнить следующую последовательность действий:

составить подробное описание исходной задачи;

выполнить инженерную интерпретацию задачи, желательно с привлечением того или иного аппарата формализации (сети Петри, графа автомата и т.п.);

разработать блок-схемы алгоритма работы МПС;

разработать детализированные блок-схемы алгоритмов отдельных процедур, выделенных на основе модульного принципа составления программ;

распределить рабочие регистры и память МК-51;

составить текст исходной программы.

Блок-схема алгоритма обработки данных представлена на рисунке 1.

В соответствии c блоком 2 алгоритма должна быть произведена предварительная установка микроконтроллера (МК-51), т.е. определены начальный адрес программы, константы, приоритет и источники прерывания, режим работы таймера/счетчика Т/С1 и последовательного порта, и задан вид сигнала прерывания (по фронту). Блок 3 программы переводит МК-51 в режим ожидания прихода прерывания. Внешнее прерывание поступает со входа . После прихода прерывания МК-51 читает байт данных (Date) из порта P1 (блок 4) и производит его сравнение с константой (Const) (блок 5). По результатам сравнения МК-51 либо выводит принятый байт через последовательный порт (блок 6), либо формирует на заданной линии порта P3 импульс заданной длительности (блок 7). После этого осуществляется переход в режим ожидания прихода следующего прерывания.

Разобьем блок-схему алгоритма на следующие модули:

передача через последовательный порт;

формирование импульса заданной длительности;

начальная установка и обработка прерываний.

Последовательный порт МК-51 может использоваться в качестве универсального асинхронного приемо-передатчика с фиксированной или переменной скоростью последовательного обмена и возможностью дуплексного включения. Скорость последовательного обмена в режимах 1 и 3 определяется по формуле (1):

, (1)

где- значение бита SMOD регистра PCON;

- частота синхронизации МК-51;

- десятичное значение содержимого регистра TH1.

Для использованияТ/С1 в качестве источника для задания частот и необходимо:

запретить прерывания от Т/С1;

запрограммировать работу Т/С1 в качестве таймера или счетчика, установив при этом для него один из режимов 0, 1 или 2;

запустить Т/С1 на счет.

Обычно для установки скорости передачи данных через последовательный порт таймер Т/С1 включается в режим 2 (режим автозагрузки).

Скорость последовательного обмена УАПП определяется по формуле:

Примем бит , тогда получим:

Переведем десятичное число в шестнадцатеричную систему счисления:

Составим блок-схему алгоритма передачи данных через последовательный порт. Первым делом необходимо остановить Т/С1, после чего загрузить в регистр TH1число,определяющее скорость передачи через последовательный порт.Далее необходимо в регистрах SCONи TMODустановить режимы работы последовательного порта и Т/С1 соответственно. После всех установок производится запуск Т/С1 на счет и запускается цикл ожидания окончания передачи. Если передача оконченавыполняется очистка флага передачи T1. После чего происходит выдача 9 бит данных в последовательный порт.

Блок схема алгоритма передачи через последовательный порт показана на рисунке 5.

Рисунок 5- Блок схема алгоритма передачи через последовательный порт

Для выдачи в порт импульса заданной длительностью установить заданную линию порта P3 в 1.Сформировать импульс заданной длительности можно, используя либо таймер/счетчик, либо регистры РПД. Блок-схема алгоритма формирования временной задержки большой длительности показана на рисунке 6. микропроцессорный управление данные сигнал

Данный алгоритм использует так называемые вложенные циклы. На начальном этапе в регистр R1 загружается число “большого” цикла X (блок 2), а в регистр R2 - число “малого” цикла Y (блок 3). Эти две команды выполняются за один машинный цикл. С помощью блоков 4, 5 подпрограммы содержимое регистра R2 уменьшается до 0 и осуществляется переход к блоку 6 подпрограммы. Этот цикл удобнее организовать с помощью команды DJNZ Rn, rel которая выполняется МК-51 за два машинных цикла. Аналогично организуется и “большой” цикл (блоки 6, 7). Таким образом, длительность временной задержки, формируемой с помощью этого алгоритма, в машинных циклах можно рассчитать по формуле (2):

(2)

Время задержки в секундах рассчитывается по формуле (3):

. (3)

Рисунок 6 - Блок-схема алгоритма формирования временной задержки

Если задана длительность импульса, формируемого с помощью рассмотренного алгоритма, то необходимо подобрать X и Y так, чтобы выполнялось условие (4):

, (4)

где - заданная длительность импульса

Для того чтобы МК-51 сформировал импульс с точностью плюс/минус 1 цикл в подпрограмму необходимо добавить команду “нет операции” (NOP), число которых можно рассчитать по формуле (5):

. (5)

Если число команд NOP, необходимых для “подгонки” задержки, получится больше 5, то рекомендуется для этих целей использовать локальный цикл, который вставляется в тело подпрограммы после блока 7.

Рассчитаем количество больших и малых циклов необходимых для формирования задержки указанной длительности.

Так как максимальное количество малых циклов не может превышать FFh или 255, получим:

Если Y=255,то X=(22917 -1)/(3+2*Y) = 22916/(3+2*255)= 22916/513=44,6706

Если Y=254,то X=(22917 -1)/(3+2*Y) = 22916/(3+2*254)= 22916/511= 44,8454

Если Y=253,то X=(22917 -1)/(3+2*Y) = 22916/(3+2*253)= 22916/509=45,0216?45

X и Y: X=45dиY=253d.

Рассчитаем число пустых операций:

После начальной установки начинается выполнение программы по заданному алгоритму. Вначале в указатель стека загружается адрес вершины стека, затем происходит переход на основную программу.

Программа обработки прерывания производит чтения байта порта P1, содержимое которого пересылается в регистр аккумулятор. Следующим этапом происходит сравнение содержимого аккумулятора и регистра R7, в котором храниться константа.Сравнение выполняется следующим образом: из содержимого аккумулятора вычитается содержимое регистра R7 и если флаг переноса С=0 (Date<Const) выполняется передачаинформации через последовательный порт, иначе - выдача в порт импульса заданной длительности.

Блок-схема алгоритма начальной установки и прерывания показана на рисунке 7.

Рисунок 7 - Блок-схема алгоритма начальной установки и прерывания

Объединив все модули, получим алгоритм программы обработки данных, который показан на рисунке 8.

Рисунок 8 - Блок-схема алгоритма программы обработки данных

На основе полученного алгоритма составим машинный алгоритм и программу на языке Ассемблер.

Машинный алгоритм показан на рисунке 9.

Рисунок 9 - машинный алгоритм программы обработки данных

Программа обработки данных

Метки	Команды в мнемокоде	Комментарии
START:	CLR A;	ОЧИСТКА АККУМУЛЯТОРА
	MOV P1,#255;	ПОДГОТОВКА ПОРТА P1 НА ВВОД
	MOV IP, #00000100B;	ВЫСШИЙ ПРИОРИТЕТ INT1
	MOV IE, #10000100B;	ПРЕРЫВАНИЕ ОТ INT1
	MOV R7, #100;	ЗАПИСЬ CONST
	MOV P1, #41;	ЗАПИСЬ ДАННЫХ
WAIT:
	SJMPWAIT;	ОЖИДАНИЕ ПРЕРЫВАНИЯ
	MOV A,P1;	ЧТЕНИЕ БАЙТА ДАННЫХ ИЗ P1
	SUBB A,R7;	СРАВНЕНИЕ БАЙТА С CONST
	JNC IMPULS;	ПЕРЕХОД, ЕСЛИ РЕЗУЛЬТАТ МЕНЬШЕ
OUT:	CLR TR1;	ОСТАНОВ Т/С1
	MOV TH1, #D5H;	ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ СКОРОСТИ
	MOVSCON, #11011100B;	УСТАНОВКА РЕЖИМА 3 ПОРТА
	MOV TMOD,#00100000B;	УСТАНОВКА РЕЖИМА 2 Т/С1
	SETB TR1;	ЗАПУСК ТАЙМЕРА
LABEL:	JNB T1,LABEL;	ОЖИДАНИЕ ОКОНЧАНИЯ ПЕРЕДАЧИ
	CLR T1;	ОЧИСТКА ФЛАГА ПЕРЕДАЧИ
	MOV SBUF, A;	ВЫДАЧА ДАННЫХ В ПОРТ
	SJMP WAIT;	ОЖИДАНИЕ ПРЕРЫВАНИЯ
IMPULS:	SETB P3.6;	УСТАНОВКА БИТА P3.6
	MOV R1, #45;	ЗАПИСЬ В R1 X
CIKL2:	MOV R2,#253;	ЗАПИСЬ В R2 Y
CIKL1:	DJNZ R2, CIKL1;	ДЕКРИМЕНТ YИ ПЕРЕХОД
	DJNZ R1, CIKL2;	ДЕКРИМЕНТ X И ПЕРЕХОД
	CLRP3.6;	СБРОСБИТАP3.6
	SJMPWAIT;	ОЖИДАНИЕ ПРЕРЫВАНИЯ



ЛИТЕРАТУРА

1. ГореликА.В., ГореликВ.Ю., ЕрмаковА.Е., ЕрмаковаО.П. Микропроцессорные информационно-управляющие системы железнодорожного транспорта. - М.: МИИТ, 2011. - 230 с.

2. Однокристальные микро-ЭВМ./ Боборыкин А.В., Липовецкий Г.П. и др. М.: МИКАП, 1994. - 400 с.

3. Сташин В.В., Урусов А.В., Мологонцева О.Ф. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 224 с.



ПРИЛОЖЕНИЕ

Листинг программы

START:

CLRA;

MOVP1,#255;

MOVIP, #00000100B;

MOV IE, #10000100B;

MOV R7, #100;

MOV P1, #41;

WAIT:

SJMPWAIT;

MOV A,P1;

SUBB A,R7;

JNC IMPULS;

SJMP WAIT

MOV A , P1;

SUBB A, R7;

JNC IMPULS;

OUT:

CLR TR1;

MOV TH1, #D5H;

MOV SCON, #11011100B;

MOV TMOD, #00100000B;

SETB TR1;

LABEL:

JNB T1, LABEL;

CLR T1;

MOV SBUF, A;

SJMP WAIT;

IMPULS:

SETB P3.6;

MOV R1, #45;

CIKL2:

MOV R2, #253;

CIKL1:

DJNZ R2, CIKL1 ;

DJNZ R1, CIKL2 ;

CLR P3.6;

SJMP WAIT;

Размещено на Allbest.ru