Проектирование микроконтроллера для определения результатов спортивных соревнований

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления»

Электротехнический факультет

Кафедра Электронно-вычислительные системы

Курсовая работа

На тему: «Проектирование микроконтроллера для определения результатов спортивных соревнований.»

Выполнила:

Севостьянова И.Е.

Проверил: доцент, к/н, кафедры ЭВС

Могнонов П.Б.

2021, Улан-Удэ

Техническое задание

МикроЭВМ используется для определения результатов победителей забегов на спринтерские дистанции с точностью до 1 мс.

Подсчет времени начинается по сигналу от стартового пистолета и заканчивается в момент пересечения спортсменом луча лазера, установленного на финише. После этого микроЭВМ выводит результат на табло, где каждая десятичная цифра формируется семисегментным индикатором (13). Индикация прекращается после нажатия клавиши СБРОС на пульте управления. В случае «фальстарта» микроЭВМ прекращает процесс подсчета времени.

Программа работы микроЭВМ храниться в ПЗУ, выполненном на микросхемах К155РЕ3 (9,10).

Содержание

Введение

1. Программистская модель процессора и описание системы команд

2. Структурная схема ПЛК

3. Описание блоков, входящих в состав ПЛК

3.1 АЛУ

3.2 Устройство управления

3.3 Блок прерывания

3.4 Устройство сопряжения с памятью

4. Разработка электрической принципиальной схемы и перечня элементов

5. Разработка блок-схем и кодирование микропрограмм машинного цикла

6. Временные параметры устройства

7. Разработка программного обеспечения

Выводы

Список литературы

Приложение

Введение

Научно-технический прогресс позволил выйти на качественно новый уровень в области проектирования интеллектуальных систем автоматики.

Использование передовых технологий позволяет сделать микропроцессоры, быстродействие которых достигает нескольких миллионов операций в секунду.

Автоматизация производства на основе микроэлектронной техники для развития и совершенствования существующих и создающихся технологических производств, является одним из важных и актуальных направлений производства.

Основной, определяющей целью регулирования и управления оборудованием, технологическими и производственными процессами с помощью АСУ ТП, АСР является повышение производительности труда, улучшение качества продукции и использования материально-сырьевых и топливно-энергетических ресурсов.

Дальнейшее совершенствование АСУ ТП, АСР связано с повышением их экономической эффективности путем индустриального создания автоматизированных технологических комплексов с автоматизированными системами.

Сейчас трудно найти техническую отрасль, где бы для решения тех или иных вопросов не использовались микроконтроллеры.

Компьютерные технологии позволяют внедрять в жизнь системы централизации, автоблокировки, диспетчерской централизации и другие, возможности которых значительно расширяются.

1. Программистская модель процессора и описание системы команд

11

0

A

Рисунок 1. Формат регистра-аккумулятора.

Двенадцати битный регистр общего предназначения А - это аккумулятор, предназначен для приема, хранения данных из памяти данных либо портов ввода и последующей их записи в память данных и порты вывода. В ЦПЭ аккумулятор находится в РЗУ по адресу 10100.

11

0

R

Рисунок 2. Формат РОН.

Двенадцати битный регистр общего назначения R,. и регистр находится в РЗУ по адресу 00101.

11

0

PC

Рисунок 3. Формат регистра PC.

Двенадцати битный программный счетчик, предназначен для хранения адреса следующей команды в памяти ПО.

Программное изменение регистра вероятно только с помощью команд перехода. В ЦПЭ регистр находится в РЗУ по адресу 10110.

11

0

LR

Рисунок 4. Формат регистра адреса возврата.

Двенадцати -битный регистр адреса возврата, предназначен для хранения значения программного счетчика, содержащего адрес следующей команды основной программы, при выполнении процедуры обработки прерывания.

Не считается программно доступным регистром, и находится в РЗУ по адресу 10111.

15			12	10		7							0
КОП	-	data

Рисунок 5. Команды с непосредственным операндом.

15			12	10		7							0
КОП	-	addr

Рисунок 6. Команды с адресной частью.

15			12	10		7							0
КОП	-	-

Рисунок 7. Короткие команды.

Расположение памяти программ, памяти данных, портов ввода и вывода в адресном пространстве ПЛК можно распределить в следующих таблицах 1,2.

Таблица 1 - Расположение памяти данных

Таблица 2 - Расположение памяти программ, портов ввода и вывода в адресном пространстве ПЛК

2. Структурная схема ПЛК

Рисунок 8. Укрупненная структурная схема ПЛК.

Структурно ПЛК состоит из следующих частей:

центральная микросхема (микроконтроллер, либо микросхема FPGA), с необходимой обвязкой;

подсистема часов реального времени;

энергонезависимую память;

интерфейсы последовательного ввода-вывода (RS-485, RS-232, Ethernet)

схемы защиты и преобразования напряжений на входах и выходах ПЛК.

Обычно вход либо выход ПЛК нельзя сразу же подключить к соответствующему выходу центральной микросхемы. Эти выходы характеризуются низкими уровнями напряжений, обычно от 3,3 до 5 вольт. Входы и выходы ПЛК обычно должны работать с напряжениями 24 В постоянного либо 220 В переменного тока. Поэтому между выходом ПЛК и выходом микросхемы необходимо предусматривать усилительные и защитные элементы.

3. Описание блоков, входящих в состав ПЛК

3.1 АЛУ

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) считается одним из основных узлов вычислительной системы (в том числе микропроцессорной).

В качестве АЛУ используется 16-разрядный центральный процессорный элемент К155РЕ3 с двунаправленной шиной обмена информацией.

Назначением этого устройства считается формирование результата арифметических и логических операций над операндами, подающимися на его вход.

Операндами выступают 12-битные числа, поэтому старшие 4 разрядов ЦПЭ не используются: при выдаче данных процессором выводы находятся в 3-м состоянии, а при приеме данных на них подается логический 0 для получения корректных логических признаков при выполнении логических и арифметических операций.

В микропроцессорах АЛУ используется для вычисления результата выполнения арифметической либо логической команды. При этом операндами могут являться как значения регистров процессора, так и содержимое внешней памяти, внешнего устройства, либо даже непосредственное значение. Поскольку АЛУ, как правило, способно выполнять несколько операций, выбор между ними выполняется на основе анализа кода выполняемой команды.

3.2 Устройство управления

Устройство управления процессора состоит из следующих блоков:

Блок микропрограммного управления

Память микрокоманд

Регистр адреса микрокоманд

Регистр кода операции

Мультиплексор логических условий

Регистр информационный микрокоманд

При выполнении программы УУ на входе получает очередную инструкцию либо команду программы, которое поступает в регистр команд. Структурно регистр команд состоит из двух частей: в одной части хранится код операции (КОП), в другой части расположены адреса операндов, участвующих в управлении. Код операции поступает в дешифратор операции, который запускает подпрограмму из ПЗУ микропрограмм. Суть микропрограмм заключается в последовательном выставлении комбинаций сигналов управления на линии управления.

При выполнение микропрограммы также учитывается состояние регистра признаков результата выполнения предыдущей команды (регистра флагов), состояние управляющих входов (например, сигналов готовности периферийных устройств, линий аппаратных прерываний) и на выход УУ выдает последовательности импульсов управления (межрегистровыми пересылками, адресацией и сигналами пересылок данных практически между всеми блоками компьютера -- арифметико-логическим устройством (АЛУ), подсистемой ввода/вывода, оперативной памятью и др.).

Почти всегда для исполнения команды/инструкции УУ выдает последовательность несколько управляющих импульсов либо их комбинаций в определяемой кодом команды/инструкции последовательности. После завершения выдачи всех импульсов управления для исполнения текущей команды УУ считывает код следующей команды и т. д.

3.3 Блок прерывания

Представляет собой электронное устройство, иногда выполненное как часть самого процессора либо же сложных микросхем его обрамления, входы которого присоединены электрически к соответствующим выходам различных устройств.

Блок прерывания состоит из D-триггера, на вход которого приходит сигнал запроса на прерывание от объекта.

Номер входа контроллера прерываний обозначается «IRQ». Следует отличать этот номер от приоритета прерывания, а также от номера входа в таблицу векторов прерываний (INT). Так, например, в IBM PC в реальном режиме работы (в этом режиме работает MS-DOS) процессора прерывание от стандартной клавиатуры использует IRQ 1 и INT 9.

3.4 Устройство сопряжения с памятью

Это устройство содержит в себе регистр-защелку адреса (РгА), шинный формирователь (ШФ) и логические вентили, требуемые с целью их правильного функционирования. В период единичного сигнала синхроимпульса РгА не берет на себя данные с шины, а ШФ гарантирует направление передачи данных с ПП, ПД либо портов ввода в ЦПЭ.

В период нулевого сигнала синхроимпульса сведения с шины ЦПЭ способен восприниматься в РгА при отдельном смысле надлежащего сигнала с ПМК, при данном ШФ обязан быть блокирован, для того чтобы никак не сделать запись в РгА сведения, установленные с памяти.

В микрокомандах записи в память либо заключения в порт значение сигнала W/R с ПМК делается одинаковым 0, то что дает возможность ШФ продлить передачу информации в 2-ой середине такта, но ранее в направленности с ЦПЭ к ПД либо портам вывода. В других микрокомандах роль данного сигнала точно также 1, таким образом, в период никакого значимости синхроимпульса ШФ блокируется и никак не впускает данные в шину данных. Комбинация индивидуального значения сигнала способа в РгА и нулевого значения сигнала W/R в микрокомандах недопустима.

4. Разработка электрической принципиальной схемы и перечня элементов

Основные узлы принципиальной схемы взаимодействуют между собой следующим образом. Контроллеры связи, выполняют функцию программного кода (принята от ЭВМ команда будет передана объектном контроллеру, если в течение определенного времени (периода кода) в адрес этого МК-СВ поступили одинаковые команды не менее чем от двух ЭВМ зависимостей из трех) считаются промежуточным звеном между линией связи и СPU, они обеспечивают передачу команд от ЭВМ зависимостей к CPU, и передачу контрольной информации от CPU к серверам.

На выводы VCC1 и VCC2 трансивером ISO1050 подается питание +5 В от различных гальванически развязанных источников, относительно земли, GNG1 и GNG2. Выводы CANH и CANL в принципе и формируют шину в которой создается дифференциальная разница напряжений. А с противоположной стороны на выводах RXD и TXD посчитается уже просто высокий либо низкий потенциал, соответствующий логической «1» и логическому «0», так как только такой «язык» понимает CPU. преобразования сan протокола в другой, запроектирован в микроконтроллере (SPI) выполняет контроллер сan, который реализован автономно вне CPU.

На выводах TXCAN, RXCAN реализуется CAN протокол, а сигналы выводов CS, SO, SI и SCK обеспечивают реализацию протокола SPI. Передача происходит в полнодуплексном режиме. Учитывая, что к одному процессора подключаются две линии связи, соответственно, и две микросхемы MCP2515, то решением проблемы станет использование входа CS в каждом CAN контроллере. То есть выдача низкого потенциала на этот вход активирует обмен данными между главным и подчиненным узлами. Таким образом устраняются коллизии при приеме данных от серверов.

Принятые данные от серверов через контроллеры связи передаются в CPU1 и CPU2, которые выполняют все логические операции (прием, анализ и выполнение команд, формирование сообщений о состоянии МК-СВ), управления индикацией, обработку сигналов от схемы контроля исправности ламп, контроль напряжения в силовой цепи объектных контроллеров АСУТП ЖБИ, формирования и управления передачей диагностических сообщений о состоянии МК-СВ. процессор логический контроллер электрический

В цепь питания статора включаем автоматический выключатель QF1 (обеспечит защиту от токов аварийных режимов), силовой трехполюсный контактор KM1 с одним дополнительным нормально замкнутым контактом (обеспечит коммутацию статорной обмотки с трехфазной сетью).

В цепь ротора включаем пусковые резисторы R1.1…R1.3. Для шунтирования сопротивлений устанавливаем контактор ускорения KM5.

В цепь динамического торможения включаем согласующий трансформатор напряжения TV, мостовой выпрямитель, собранный на базе диодов VD1…VD4. Для коммутации статорной цепи с тормозным выпрямителем устанавливаем контактор КМ4.

Систему управления реализуем на базе микроконтроллера Atmel ATmega 128L (DD1). К порту PD0 подключаем кнопку SB1«Стоп». Кнопку SB2«Пуск» подключаем к порту PD1 (INT1). Данный порт поддерживает внешние прерывания по INT1, что оговорено в задании. Дополнительные нормально открытые контакты контакторов KM1, KM4, KM5 соответственно подключаем к портам PD2…PD4. Один из зажимов каждого контакта соединяем с общей точкой питания - корпусом. Резисторы R2…R6 одним из выводов подключаем параллельно портам PD0…PD4. Другой вывод рассматриваемых резисторов подключаем к потенциалу +5V.

В качестве источника тактового сигнала используем кварцевый резонатор ZQ1, подключенный к портам микроконтроллера XTAL1, XTAL2. В цепь резонатора включаем конденсаторы С1 и С2, один из зажимов которых соединяем с общей точкой - корпусом.

В качестве портов вывода используем порты PB. Порту PB0 подключаем логический элемент DD2 («И-НЕ»), выход которого соединяем с катушкой промежуточного реле KL1 (включение линейного контактора КМ1). По аналогии подключаем элементы DD3, DD4 к портам PB1, PB2.Выход элемента DD3 соединяем катушкой реле KL4 (включение контактора динамического торможения KM4), а выход DD4 с катушкой KL5 (включение контактора ускорения KM5). Соединяем один из зажимов каждой катушки в общую точку и подключаем к потенциалу +5V источника питания. Для защиты логических элементов DD2…DD4 от коммутационных перенапряженийпараллельно каждой катушке промежуточных реле защитный элемент - диод (VD5…VD7).

Для коммутации катушек силовых контакторов предусматриваем в схеме цепь управления =24 В. В данную цепь включаем катушку линейного контактора KM1, катушку контактора динамического торможения KM4, катушку KM5 контактора ускорения. Коммутация вышеуказанных катушек осуществляем посредством нормально открытых контактов промежуточных реле KL1, KL4, KL5.

В соответствии с условиями задания схемой предусматриваем в схеме контроль скорости привода при торможении. Реализуем его на базе тахогенератора BR, зажимы которого подключены к подстрочному резистору (потенциометру) RP. Аналоговый сигнал снимаемый с зажима потенциометра подаем на вход микроконтроллера PF1 (канал аналогового ввода 1).

Вывод опорного напряжения цепи опорного напряжения AREF соединяем с выводом AVcc и обеспечиваем питание опорным напряжением от источника аналогового питания AVCC, то есть .

5. Разработка блок-схем и кодирование микропрограмм машинного цикла

Блок-схема рабочего цикла ПЛК

Рисунок 9. Блок-схема рабочего цикла ПЛК.

Формат микрокоманды

38	37	36	35	20	19	18	16	15	12	11	0
W/R	ША	СбТПР	I[15-0]ЦПЭ	ПрКОП	№ЛУ	I[3-0]БМУ	D[11-0]БМУ

Рисунок 10. Формат микрокоманды.

Микропрограммы машинного цикла

Таблица 3 - Микропрограммы машинного цикла

6. Временные параметры устройства

Таблица 4 - Оценка длительности выполнения команд

Временные диаграммы работы устройства

Рисунок 11. Диаграмма выполнения команды MOV A, M.



Рисунок 12. Диаграмма выполнения команды MOV М, А.

7. Разработка программного обеспечения

include "m128def.inc"

.def temp=r23;

.def vds=r17;

.equ KM1b=pd2; Блок-контакт контактора КМ1

.equ KM4b=pd3; Блок-контакт контактора КМ4 (контактор динамического торможения)

.equ KM5b=pd4; Блок-контакт контактора КМ5 (контактор ускорения)

.equ SB1b=pd0; Кнопка SB1 "Стоп"

.equ KL1=$01; Включение KL1

.equ KL2=$05; Включение KL1, KL5

.equ KL4=$02; Включение KL4

.cseg

.org $000

rjmp start; Переход к подпрограмме «Старт»

.org $0004; Вектор прерывания от INT1("Пуск")

rjmp INT1_P; Переход к подпрограмме прерывания от кнопки «Пуск»

.org $001E; Вектор прерывания от таймера Т0 по совпадению

rjmp OC0_T; Переход к подпрограмме прерывания от таймера Т0

reti

start: ldi temp, low (RAMEND); Инициализация стека

out SPL, temp;

ldi temp, high (RAMEND);

out SPH, temp;

ldi temp, $FF; Настройка порта В на вывод

out DDRB, temp;

out DDRD, temp;

out PORTD,temp;

ldi temp, $00; Настройка портов D и F на ввод

out DDRD, temp;

sts DDRF, temp;

ldi temp, 0b00001000; Настройка прерываний от внешних источников - INT1

sts EICRA, temp; по спадающему фронту

ldi temp, 0b00000010;

out EIMSK, temp; Разрешить прерывания от внешних источников - INT1

ldi temp, 234; Загрузка в регистр сравнения счетчика Т0 числа 234,

out OCR0, temp; соответствующего выдержки за один цикл работы - 0,03 сек.

ldi temp, 0b00000010; Разрешить прерывания от таймера Т0 по совпадению

out TIMSK, temp;

sei; Разрешить все прерывания

M1: sbic PIND, KM1b; Проверка включения контактора КМ1

rjmp M1;

ldi r20, $1E; Установка числа прерываний от таймера Т0 - 30 (tп1 = 0,9 сек.)

ldi r19, KL2;

ldi temp, 0b00001111; Настройка таймера Т0 в режим СТС CLK/1024

out TCCR0, temp;

M5: sbic PIND, KM5b; Проверка включения контактора KM5

rjmp M5;

ldi temp, 0b00000000; Остановка работы таймера

out TCCR0, temp;

M9: sbic PIND, SB1b; Проверка нажатия на кнопку SB1 «Стоп»

rjmp M9;

ldi temp, KL4; Включение катушки KL4 - динамическое торможение

out portb, temp;

M4: sbic PIND, KM4b; Проверка включения контактора КМ4

rjmp M4;

M7: ldi temp, 0b01100001; Настройка АЦП (выравнивание влево, вход PF1 (канал

ADC1), Uref=AVcc)

out ADMUX, temp;

ldi temp, 0b11000101; Запуск АЦП (с коэффициентом деления kдел=32)

out ADCSR, temp;

M6: sbis ADCSR, ADIF; Проверка окончания работы АЦП

rjmp M6

in vds, ADCH; Запись результата преобразования АЦП с ДС в регистр данных

cpi vds, $00; Сравнение с 0

brne M7; Если результат ? 0, то переход на М7

ldi temp, $00; Отключение всех промежуточных реле

out portb, temp;

M8: sbis PIND, KM4b; Проверка отключения контактора КМ4

rjmp M8;

rjmp M1;

INT1_P: ldi temp, KL1; Подпрограмма прерывания от кнопки «Пуск»

out portb, temp; Здесь включается реле KL1

reti; Возврат из подпрограммы прерывания от кнопки «Пуск»

OC0_T: dec r20; Подпрограмма прерывания от таймера Т0

brne K; Если результат ? 0, то переход на метку К

ldi temp, KL2; Здесь включаются реле KL1, KL5

K:reti Возврат из подпрограммы прерывания от таймера Т0

Выводы

В ходе выполнения работы разработана МикроЭВМ, которая используется для определения результатов победителей забегов на спринтерские дистанции с точностью до 1 мс, принципиальная электрическая схема системы, включающая силовую часть и цепи управления.

Реализация аппаратной выдержки по времени произведена с помощью встроенного таймера Т1, работающего в режиме CTC с коэффициентом предделителя . Полученная выдержка по времени находится в пределах 2% отклонения, оговоренного заданием.

При разработке программного обеспечения произведено конфигурирование регистров управления таймером, аналого-цифровым преобразователем, прерываниями. Управляющая программа написана на языке Assembler.

Двоичный код пригоден для передачи данных, т.к. эффективность ключа менее пропускной способности канала.

Список литературы

1. Брейдо И.В., Фешин Б.Н. Модульные системы проектирования автоматизированных технологических комплексов // Автоматика, информатика, управление. №1, 2013, с. 74-78.

2. Булгаков А.А. Частотное управление асинхронным двигателем - М.: Энергоиздат, 2002. - 216 c.

3. Вешеневский С. Н. Характеристики двигателей в электроприводе. Издание 6-е, исправленное. -М.: Энергия, 3-изд. 2017.

4. Вешеневский С.Н. Характеристики двигателей в электроприводе. Изд. 6-е, исправленное. М., Энергия, 2016. 432с.

5. Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для электротехнических специальностей втузов. - Л.: Энергия. 2008. -832 с.

6. Гамазин С.И. Внутризаводское электроснабжение: Промышленное электроснабжение. Учебное пособие. Изд-во МЭИ, 2007. -42 с.

Приложение

Схема микроэвм для определения результатов спортивных соревнований.

Размещено на Allbest.ru

...