39

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовой проект

на тему

Проектирование микроконтроллера на микропроцессоре 8086

ВВЕДЕНИЕ

Научно-технический прогресс, определяющий мощный подъем общественного производства, в значительной степени обусловлен широким внедрением достижений электроники во все отрасли хозяйства. Прогресс в области вычислительной техники и радиоэлектроники связан с достижениями микроэлектроники в создании схем малой, средней, большой и сверхбольшой степени интеграции. Появление микропроцессорных БИС позволило из-за их дешевизны, малых габаритов, массы, мощности потребления и свойства программируемости функций решить проблему разработки малого числа БИС для большого числа применений, внедрить вычислительную технику в те области, в которых она ранее не использовалась.

Необходимость выполнения сложных функций управления привела к созданию микроконтроллеров - управляющих устройств, выполненных на одном или нескольких кристаллах. Микроконтроллеры выполняют функции логического анализа и управления (поэтому за счет исключения арифметических операций можно уменьшить их аппаратную сложность и развить функции логического управления).

Использование БИС микропроцессора вместе с БИС полупроводниковой памяти, БИС управления вводом-выводом позволило в принципиально новой системе обработки данных и управления - микроЭВМ - получить преимущества, характерные для отдельных БИС: высокие производительность и надежность, низкую стоимость, малые мощность потребления и габариты и большую устойчивость к неблагоприятным климатическим и механическим воздействиям.

Задачей данного курсового проекта является изучение принципов проектирования систем микропроцессорного управления промышленными процессами. В результате выполнения проекта, мы должны спроектировать микроконтроллер на микропроцессорном управлении для организации автоматического управления промышленным процессом. Сама автоматизация в рамках курсового проекта заключается в отслеживании изменения одного параметра промышленного процесса и выполнении некоторых действий в ответ на это изменение.

Так как мы проектируем программно управляемое устройство, то, естественно, процесс проектирования включает в себя не только разработку аппаратной части устройства управления, но и разработку программного обеспечения для него, которое в целях минимизации используемых ресурсов и достижения максимальной эффективности должно быть реализовано на языка ассемблера.

1. ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

1.1 Анализ исходных данных

Итак, перед нами поставлена задача автоматизации отслеживания изменения веса некоего оборудования. Поэтому, на вход проектируемого микроконтроллера через параллельный интерфейс в цифровом виде будет подаваться информация о текущей величине веса оборудования. Известно, что вес оборудования не может быть большим 100 кг., и ясно, что отрицательным он быть так же не может. Поэтому делаем следующий вывод: диапазон изменения веса: от 0 до 100 кг. Так же известно, что контроль за весом должен производиться с точностью до десятых долей - следовательно, вес представлен вещественным числом.

Исходя из всего вышесказанного, выберем формат входных данных.

Так как целая часть величины веса изменяется в диапазоне [0..100] кг, то для её представления достаточно семи бит.

Так как точность контроля - до десятых долей, то для представления дробной части достаточно четырех бит.

Для удобства обработки выберем следующий формат слова входных данных (рис. 1.1): в старшем байте слова передается целая часть текущей величины веса, а в младшей - дробная часть.

Рис. 1.1. Формат входных данных

Биты 15, 7-4 не используются (см. рис. 1.1.). При считывании их просто необходимо обнулить. Алгоритм обработки входной информации должен быть следующий: обеспечение постоянного отображения на индикационном устройстве пикового значения веса и направление его изменения. Отсюда следует, что на устройстве вывода - восьмисегментных светодиодных индикаторах - необходимо обеспечить отображение значения последнего локального экстремума функции изменения веса во времени и так же идентификаторы, характеризующие направление изменения веса. В качестве таких идентификаторов используем следующие знаки:

“U” (от англ. Up), если это локальный минимум, т.е. если вес возрастает;

“d” (от англ. Down), если это локальный максимум, т.е. если вес убывает.

Определим количество светодиодных матриц, необходимых для отображения результатов обработки входных данных:

для отображения дробной части величины веса - 1 светодиодная матрица;

для отображения целой части величины веса - 3 светодиодных матриц;

для отображения идентификатора направления изменения веса - 1 светодиодная матрица.

Всего необходимо для отображения результатов: 5 светодиодных матриц.

Подведем итоги:

входные данные в цифровом виде поступают через параллельный порт как 16-разрядное слово;

результат обработки (выходные данные) поступают на устройства индикации. Количество необходимых восьмисегментных светодиодных матриц: 5 штук.

1.2 Выбор и обоснование структуры микроконтроллера

При анализе исходных данных в предыдущем пункте был выяснен формат входных и выходных данных. Здесь мы обнаружили, что входные данные являются 16 -разрядными. Отсюда напрашивается вывод о том, что микроконтроллер необходимо построить на базе такого микропроцессора, который оперировал бы 16 - разрядными данными (хотя, в принципе, можно использовать и 8-разрядный микропроцессор, но аппаратная реализация микроконтроллера в этом случае будет несколько сложнее). Основным претендентом на место такого микропроцессора является центральный процессор К1810ВМ86 из микропроцессорного комплекта К1810.

Микросхема К1810ВМ86 представляет собой однокристальный 16-битовый микропроцессор, выполненный по n-МДП технологии. Кристалл микросхемы имеет довольно компактные геометрические размеры (5,5 * 5,5 мм), при которых содержит около 29 000 транзисторов и потребляет 1,7 Вт от источника питания +5 В. Схема выпускается в 40-выводном корпусе.

Микропроцессор К1810ВМ86 содержит 14 16-битовых внутренних регистров и образует 16-битовую шину данных для связи с внешней памятью и портами ввода-вывода. Шина адреса имеет 20 линий, что позволяет непосредственно адресоваться к памяти емкостью до 1Мбайт. Для сокращения необходимого числа выводов БИС младшие 16 адресных линий мультиплексированы во времени с линиями данных и составляют единую шину адреса/данных. Четыре старшие адресные линии аналогично мультиплексированы с линиями состояния. Чтобы сигналы этих линий можно было использовать в системе, их обязательно разделяют с помощью внешних схем, т.е. осуществляют демультиплексирование шин.

При выполнении операций ввода-вывода используются 8- или 16-битовые адреса, так что кроме доступа к основной памяти, микропроцессор может обращаться к портам, суммарная емкость памяти которых составляет 64Кбайт.

Кроме того, наличие большого числа схем различной степени интеграции в микропроцессорном комплекте К1810 упрощает разработку микропроцессорных систем. Существенное значение имеет возможность использования совместимых с комплектом К1810 программируемых БИС серии К580.

Таким образом, выбрав в качестве центрального процессора микросхему К1810ВМ86, можно определенно сказать, что в качестве элементной базы для построения блоков микроконтроллера будут преимущественно использоваться микросхемы комплектов К1810 и К580.

Очевидно, что кроме микропроцессора, реализующего определенный алгоритм обработки входных данных, микроконтроллер должен иметь сам блок приема входных данных, блок памяти для хранения кода программы и блок индикации. Поэтому, структуру микроконтроллера можно представить как совокупность четырех взаимосвязанных блоков:

блок памяти, служащий для хранения кода программы, задающий алгоритм обработки входных данных;

блок ввода, который предназначен для приема входных данных из внешней среды и передачи их для обработки в блок центрального процессора;

блок индикации, предназначенный для отображения на индикаторах пикового значения веса и направления его изменения. Данные в этот блок передаются из блока центрального процессора после определения им этого пикового значения;

блок центрального процессора, построенный на базе описанной выше микросхемы К1810ВМ86 и предназначенный для реализации алгоритма обработки, хранящегося в блоке памяти, над входными данными, получаемыми из блока ввода.

Блок центрального процессора является ядром системы и связан с остальными блоками шиной управления (ШУ), шиной данных (ШД) и шиной адреса (ША).

Таким образом, структурная схема микроконтроллера может быть представлена как совокупность функциональных блоков (рис. 1.2.), соединенных между собой в соответствии с требованиями интерфейсов. В приведенной схеме обработку информации осуществляет микропроцессор. Обмен информацией между микропроцессором и остальными блоками микроконтроллера осуществляется по трем шинам: адресной, данных и управления.

Шина адреса служит для передачи кода адреса, по которому проводится обращение к устройствам памяти и ввода-вывода. Обрабатываемая информация и результаты обработки передаются по шине данных. Шина управления передает управляющие сигналы на все блоки микроконтроллера, настраивая на нужный режим устройства, участвующие в выполняемой команде.

Схема электрическая структурная микроконтроллера приведена в приложении 1.

Рис. 1.2. Микроконтроллер. Схема электрическая структурная

1.3 Обобщенный алгоритм функционирования

По включению питания происходит следующая последовательность действий:

запуск программы управлением микроконтроллером из блока памяти;

начальная инициализация структур данных и инициализация устройств, входящих в состав микроконтроллера;

считывание слова входных данных из блока ввода;

обработка считанных данных блоком центрального процессора с целью обнаружения локального экстремума функции веса;

если локальный экстремум не найден, то переходим на шаг (3), иначе - (6);

преобразуем экстремальное значение веса в формат данных блока индикации и посылаем в блок индикации;

переходим на шаг (3).

Алгоритм повторяется до выключения питания микроконтроллера.

2. СТРУКТУРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

2.1 Разработка алгоритма программного обеспечения

Просматривая предыдущий раздел, в особенности п.1.3., нетрудно определить, что алгоритм обработки входной информации достаточно прост: необходимо всего лишь отловить экстремум функции изменения веса и вывести его на индикаторы с обозначением текущего направления изменения веса.

Для определения экстремума нам необходимо постоянно хранить два значения веса: предыдущее и текущее. Их хранение необходимо для проведения анализа изменения величины веса. К тому же, факт прохождения экстремума выявляется только после считывания значения веса следующего за экстремальным, поэтому в блок индикации посылается именно предыдущее значение величины веса, а не текущее.

Для определения момента прохождения экстремума в рассмотрение вводится специальный флаг - флаг направления изменения веса. Данный флаг является бинарным. Соответствие между значением флага направления и направлением изменения веса приведено в табл.2.1.

Таблица 2.1

Значение флага направления	Характер изменения веса
0	Величина веса уменьшается
1	Величина веса увеличивается

Начальная инициализация флага направления происходит на начальной стадии работы программного обеспечения путем двукратного считывания данных из блока ввода. При первом считывании так же инициализируется значение переменной “предыдущее значение веса”.

При считывании каждого следующего значения веса из блока ввода, анализируется изменение величины веса и по состоянию флага направления делается вывод о том, был ли достигнут локальный экстремум функции веса или нет.

В общих чертах алгоритм программного обеспечения представлен в виде блок-схемы в приложении 2. Здесь рассмотрим более подробно алгоритм функционирования микроконтроллера.

1) После включения питания, работа начинается с инициализации всех блоков микроконтроллера и задания начальных значений всем переменным. Так, здесь задается режим функционирования блока индикации. Для определения начального значения флага направления изменения веса и переменной “предыдущее значение веса” выполняется следующая последовательность шагов: считывается из блока ввода данных информация о величине веса и присваивается переменной “предыдущее значение веса”. Затем, чтобы определить направление изменения веса, нужно знать еще и текущее значение веса, поэтому считываем информацию о величине веса из блока ввода данных снова, и считаем ее текущим значением веса. Для гарантии однозначного определения флага направления, считывание будем производить до тех пор, пока считанная величина не станет больше или меньше предыдущего значения веса. Как только предыдущее и текущее значения веса перестанут быть равными величинами, инициализируется флаг направления согласно таб.2.1, и блок инициализации заканчивается.

2) По значениям переменных “Предыдущее значение веса” и “Текущее значение веса” происходит анализ направления изменения величины веса. Если значения переменных “Предыдущее значение веса” и “Текущее значение веса” равны, т.е. вес не изменился, переходим к шагу (6). Если вес увеличился, переходим к шагу (3). Если вес уменьшился, переходим к шагу (4).

3) Анализируем значение флага направления. Если флаг направления равен нулю, т.е. вес до сих пор уменьшался, то следовательно, предыдущее значение веса является пиковым значением функции изменения веса и поэтому выводим значение переменной “Предыдущее значение веса” и символ “U” на индикаторы и изменяем значение флага направления изменения веса на 1 (т.е. теперь вес возрастает). Переходим к шагу (5)

4) Если при этом флаг направления равен единице, т.е. вес до сих пор увеличивался, то, следовательно, предыдущее значение веса есть пиковое значение функции изменения веса и поэтому выводим на индикаторы значение переменной “Предыдущее значение веса” и символ “d”, обозначающий уменьшение веса. Так же изменяем значение флага направления изменения веса на 0 (вес уменьшается). Переходим к шагу (5).

5) Значению переменной “Предыдущее значение веса” присваиваем значение переменной “Текущее значение веса'.

6) Считываем из блока ввода данных “Текущее значение веса” и переходим на шаг (2).

Завершение работы алгоритма происходит при выключении питания.

2.2 Реализация программного обеспечения на языке ассемблера

Программное обеспечение для микроконтроллера на языке ассемблера можно написать лишь после того, как будут известны структура блоков микроконтроллера, адреса портов ввода-вывода и объем памяти. В свою очередь, объем памяти выбирается согласно размеру программного обеспечения, адреса портов ввода-вывода станут известны только после проектирования блока ввода-вывода. Поэтому этот пункт тесно переплетен со следующим пунктом, в котором и производится проектирование блоков микроконтроллера.

В проектируемом микроконтроллере используется раздельное адресное пространство памяти и портов ввода-вывода.

Из-за специфики работы блока индикации отметим, что в качестве его используется программируемая БИС К580ВВ79. Программное управление БИС осуществляется посредством двух портов ввода-вывода, которые она занимает в адресном пространстве портов ввода вывода микропроцессора. Один из портов является командным, т.е. служит для задания режимов работы БИС, другой порт служит для записи кода отображаемого символа в ОЗУ дисплея БИС. В каждой ячейке ОЗУ дисплея хранится код символа для отображения на одном индикаторе АЛС324Б. На рис. 2.1 изображено соответствие битов кода символа отображаемым сегментам индикатора.

Рис. 2.1. Соответствие разрядов байта кода символа, записываемого в ОЗУ дисплея, сегментам индикатора

В соответствии с рис.2.1 составляем таблицу перекодировки символов для отображения на индикаторах (табл. 2.2.).

Таблица 2.2.

Символ	Код символа
	Двоичный	Шестнадцатеричный
`0'	00111111	3F
`1'	00000110	06
`2'	01011011	5B
`3'	01001111	4F
`4'	01100110	66
`5'	01101101	6D
`6'	01111101	7D
`7'	00000111	07
`8'	01111111	7F
`9'	01101111	6F
`U'	00111110	3E
`d'	01011110	5E

Старший бит байта кода символа (см. рис. 2.1) отвечает за свечение десятичной точки. Поэтому, после перекодировки первого символа, выводимого после дробной части, взводим старший бит в коде символа, обеспечивая тем самым индикацию десятичной точки и экономя один индикационный элемент специально для отображения этой десятичной точки.

При выводе информации на дисплей используем левый вывод (задается записью нуля в командный порт БИС). Это простейший формат дисплея, в котором каждая позиция дисплея прямо соответствует адресу ОЗУ дисплея, т.е. адрес 0 в ОЗУ соответствует самому правому символу, адрес 7 - самому левому. Запись кодов символов в ОЗУ дисплея с нулевой ячейки вызывает заполнение дисплея справа налево. Поэтому, сначала выводим на дисплей дробную часть числа, затем в обратном порядке целую часть, причем младшую цифру целой части выводим с десятичной точкой. В самом конце выводим идентификатор направления изменения веса. Из-за особенности аппаратной реализации блоков микроконтроллера (см. п.2.3), адрес порта ввода данных совпадает с адресом порта записи данных в БИС индикации. По включению питания или по получении сигнала “сброс”, микропроцессор передает управление на физический адрес FFFF0h. Отсюда следует, что именно по этому адресу должна находится точка входа в программу управления микроконтроллером. Здесь мы размещаем команду безусловного перехода на саму программу. Адрес входа относительно модуля памяти - 1F0h. Поэтому с помощью директивы ORG размещаем по адресу 1F0h команду передачи управления на тело программы.

В процессе функционирования, программное обеспечение использует следующие регистры и константы:

Константа FiguresTable - задает начало таблицы перекодировки символов для вывода на дисплей. Содержит коды символов `0' - `9';

Регистр AX - используется для считывания данных из порта ввода, вывода данных в порт и при проведении арифметических операций;

Регистр BX - содержит величину смещения таблицы перекодировки FiguresTable;

Регистр CX - используется для организации циклов;

Регистр DX - используется для хранения адресов портов ввода-вывода;

Регистр BP - используется для хранения предыдущего значения веса;

Регистр SI - используется для сохранения текущего значения веса;

Регистр DI - выполняет функцию флага направления изменения веса

Программное обеспечение реализовано в формате COM - файла. Листинг программного обеспечения приведен в приложении 3.

Размещение кода программного обеспечения относительно начала модуля памяти приведено на рис. 2.2.

00000100: 8C C8 8E D8 BB 9D 01 BA 02 00 B0 D3 EE 32 C0 EE

00000110: BA 00 00 ED 25 0F 7F 8B E8 ED 25 0F 7F 3B C5 74

00000120: F8 77 04 33 FF EB 03 BF 01 00 8B F0 3B C5 74 15

00000130: 77 08 85 FF 74 0D 33 FF EB 07 85 FF 75 05 BF 01

00000140: 00 EB 08 8B EE BA 00 00 ED EB DF BA 02 00 B0 90

00000150: EE BA 00 00 32 C0 B9 05 00 EE E2 FD BA 02 00 B0

00000160: 90 EE BA 00 00 8B C5 D7 EE 80 FC 64 75 0B B0 BF

00000170: EE B0 3F EE B0 06 EE EB 12 32 C0 86 C4 B1 0A F6

00000180: F1 86 E0 0C 80 D7 EE 8A C4 D7 EE 85 FF 74 05 B0

00000190: 3E EE EB AF B0 5E EE EB AA 00 01 E0 FF 3F 06 5B

000001A0: 4F 66 6D 7D 07 7F 6F 00 00 00 00 00 00 00 00 00

000001B0: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00

000001C0: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00

000001D0: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00

000001E0: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00

000001F0: FF 2E 99 01

Рис. 2.2.

2.3 Проектирование структуры блоков микроконтроллера

Как уже отмечалось в разделе 1, по функциональным признакам микроконтроллер можно разбить на 4 части: блок центрального процессора, блок памяти, блок ввода и блок индикации. Все блоки взаимосвязаны между собой и выбор структуры одного блока оказывает влияние на проектирование других.

По моему мнению, проектирование следует начать с проектирования блока памяти, т.к. при создании именно этого блока решается, какую разрядность шины адреса нам следует выбрать.

2.3.1 Проектирование структуры блока памяти

Анализируя размер программного обеспечения и специфику его функционирования, приходим к следующим выводам:

Для хранения кода программы и констант необходим объем постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) не меньший 180 байт.

При функционировании, программа, для хранения переменных данных, обходится только регистрами микропроцессора. Следовательно, необходимость включения в блок памяти ОЗУ отсутствует.

Таким образом, блок памяти микроконтроллера должен включать в себя только ПЗУ.

В качестве микросхемы ПЗУ выбираем микросхему КР556РТ11. Эта микросхема выполнена на основе транзисторно-транзисторной логики и представляет собой постоянное запоминающее устройство емкостью 1024 бит для хранения и считывания информации в объеме 256 четырехразрядных слов. БИС по входам и выходам совместима с ТТЛ - схемами и имеет тристабильные выходы. Условное графическое изображение (УГО) БИС КР556РТ11 представлено на рис. 2.3.

Данная БИС представляет собой ПЗУ наименьшего объема из всех найденных микросхем. Для реализации 16-разрядной памяти используем 4 БИС КР556РТ11. Таким образом, получаем ПЗУ объемом в 512 байт. Этого более чем достаточно для хранения кода программы.

Адресные линии А7 - А0 всех четырех БИС подключаем к линиям адреса А8 - А1 шины адреса системного интерфейса микроконтроллера (см. рис. 2.4).

Входы CS1 и CS2 БИС используются для выборки кристалла. Выборка происходит при подаче низкого потенциала на эти оба входа. Поэтому, входы CS2 всех 4 микросхем заземляем, а входы CS1 подключаем к управляющей линии MEMR блока процессора (см. рис. 2.4).

Выходы DO4 - DO1 БИС подключаются к шине данных системного интерфейса микроконтроллера (см. рис. 2.4).

39

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.3. УГО БИС КР556РТ11

При чтении из ПЗУ, на шину данных в любом случае будет подаваться 16-разрядное слово, из которого процессор по необходимости выберет требуемый байт и поместит его в регистр, указанный в команде. Поэтому сигналы BHE и А0 на блок памяти не подаются.

Таким образом, в системе будет установлено ПЗУ объемом 512 байт, физически реализованное в виде 4 четырехразрядных модулей памяти. Эти 4 модуля представляют 1 логический модуль памяти объемом 256*16. Для адресации 16-битных ячеек внутри модуля необходимо 8 адресных цепей: А8 - А1.

Функциональная схема блока памяти представлена на рис. 2.4.

Составим карту распределения адресного пространства микропроцессора (рис. 2.5). При этом нужно учесть, что для адресации ячеек памяти используется только 9 младших адресных разрядов. Значения остальных адресных разрядов игнорируются. Из этого следует, что наш модуль будет “размазан” по всему адресному пространству микропроцессора. Дублирование адресов будет происходить через каждые 512 байт (см. рис. 2.5).

Рис. 2.4. Функциональная схема блока памяти

Рис. 2.5. Карта распределения адресного пространства микропроцессора

Теперь рассмотрим процесс функционирования блока памяти микроконтроллера.

Известно, что каждый цикл шины содержит 4 обязательные такта Т1 - Т4. В такте Т1 выдается адрес на совмещенную шину адреса/данных, в такте Т2 происходит коммутация направления передачи, в тактах Т3 и Т4 - передача данных. Если в системе имеются запоминающие или внешние устройства, которые не могут передавать информацию с максимальной пропускной способностью шины, то вводится необходимое количество тактов ожидания TW между тактами Т3 и Т4. В выбранных микросхемах памяти цикл считывания происходит за 120 нс, что меньше продолжительности тактов Т3 и Т4 микропроцессора (400 нс), откуда следует, что нет необходимости во введении тактов ожидания.

Функционирование блока памяти микроконтроллера иллюстрируется логическими диаграммами, приведенными на рисунке 2.6.

Рис. 2.6. Логические диаграммы сигналов при чтении данных из ПЗУ

В такте Т1 блок процессора выставляет на линиях А8 - А1 шины адреса системного интерфейса микроконтроллера адрес запоминающей ячейки, который защелкивается там в такте Т2 по спаду сигнала ALE. В тактах Т2 - Т4 вырабатывается сигнал MEMR=0 (схема формирования приведена на рис. 2.18), который указывает блоку памяти на необходимость выдачи данных на линии D15 - D0 шины данных системного интерфейса микроконтроллера. В выбранных микросхемах памяти время выборки после разрешения t_CS = 45 нс, следовательно, данные из памяти появятся на шине данных системного интерфейса микроконтроллера только через 45 нс (см. рис. 2.6). После выполнения чтения и установления сигнала MEMR=1 цикл чтения заканчивается следующим образом: линии шины данных переводятся в третье состояние, адрес прочтенной ячейки остается на линиях шины адреса до защелкивания на них нового значения.

2.3.2 Проектирование структуры блока ввода данных

Блок ввода данных предназначен для приема 16-разрядных данных о текущем значении веса из внешней среды. Считается, что данные на вход устройства ввода подаются непрерывным потоком. Функционирование устройства ввода заключается в постоянном считывании данных, поступающих на его вход, без обмена управляющими сигналами (например, готовность данных, подтверждение чтения) с внешней средой. Исходя из этого, приходим к заключению, что в качестве устройства ввода можно использовать простое 16-разрядное буферное устройство.

Так как мы решили строить систему на базе микропроцессора К1810ВМ86, то целесообразно для построения остальных блоков микроконтроллера использовать микросхемы из комплекта К1810 или из совместимых с ним комплектов. Исходя из этих соображений, в качестве элементной базы для построения устройства ввода данных выбираем БИС КР580ВА86 комплекта К580, полностью совместимые с БИС микропроцессорного комплекта К1810.

Восьмиразрядные шинные формирователи КР580ВА86 (рис.2.7) применяются как буферные устройства шины данных в микропроцессорных системах.

Выводы А7 - А0 - вход/выход линий данных. Назначение определяется уровнем напряжения на входе Т.

Выводы В7 - В0 - вход/выход линий данных. Назначение определяется уровнем напряжения на входе Т.

Вывод Т - входной сигнал управления направлением передачи. При Т=0 осуществляется передача от В к А (режим ВА), при Т=1 - от А к В.

Вывод ОЕ - входной сигнал разрешения передачи.

Рис. 2.7. УГО шинного формирователя КР580ВА86

Для организации устройства приема 16-разрядных данных используем два вышеназванных шинных формирователя, объединенные физически по управляющим входам Т и ОЕ. Функциональная схема блока ввода данных в микроконтроллер приведена на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Функциональная схема блока ввода

Управляющие входы ОЕ шинных формирователей (см. рис. 2.8) подключаются к управляющему выходу блока процессора IOR.

Управляющий вход Т заземляется, чем обеспечивается передача данных от выводов В к А.

Выводы В7 - В0 используются как входы данных, поступающих из внешней среды в микроконтроллер. На входы В7 - В0 шинного формирователя BD1 подается младший байт слова входных данных: DI7 - DI0, на эти же входы формирователя BD2 - старший байт: DI15 - DI8.

Выводы А7 - А0 обоих шинных формирователей подключаются к шине данных системного интерфейса микроконтроллера.

При подаче напряжения низкого уровня на входы ОЕ шинных формирователей, происходит передача 16-разрядного входного слова на шину данных системного интерфейса микроконтроллера.

Функционирование блока ввода данных иллюстрируется логическими диаграммами, приведенными на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Логические диаграммы сигналов при вводе данных из внешнего устройства

В тактах Т2 - Т4 блоком процессора вырабатывается управляющий сигнал IOR=0, который указывает блоку ввода на необходимость выдачи данных из внешнего устройства на линии D15 - D0 шины данных системного интерфейса микроконтроллера. Время задержки шинного формирователя КР580ВА86 достаточно мало - менее 35 нс, продолжительность цикла чтения так же достаточно мала. Поэтому данные на шину данных микроконтроллера поступят через 35 нс после спада сигнала IOR. Как видно из рис. 2.9, при функционировании блока ввода вообще не используется шина адреса системного интерфейса микроконтроллера.

2.3.3 Проектирование структуры блока индикации

Блок индикации предназначен для отображения пикового значения веса и направления его изменения на светодиодных матрицах. Этот блок построим на базе БИС контроллера клавиатуры и индикации КР580ВВ79. БИС микропроцессорного комплекта К580 полностью совместимы с БИС комплекта К1810. УГО БИС КР580ВВ79 приведено на рис.2.10.

Рис. 2.10. УГО БИС КР580ВВ79

Итак, БИС КР580ВВ79 представляет собой однокристальное программируемое интерфейсное устройство, предназначенное для ввода информации с клавиатуры и вывода информации на дисплей в системах, построенных на основе 8- и 16- разрядных микропроцессорах.

В качестве дисплея используем линейку из 5 восьмисегментных светодиодных матриц типа АЛС324Б с общим анодом (рис.2.11). Матрица имеет 8 входов для управления индикацией каждого сегмента и 1 вход для подачи питающего напряжения. Соответствующие входы управления сегментами матриц объединены между собой и образуют 8 - разрядную магистраль кода символа. Для вывода символа, например, в матрицу 2, необходимо установить на магистрали код отображаемого символа и подать питающее напряжение на анод 2-й матрицы.

Рис. 2.11. Структура линейки индикации

БИС КР580ВВ79 (см. рис. 2.10) состоит из двух функционально-независимых частей: клавиатурной и дисплейной. В проектируемой системе используется лишь дисплейная часть контроллера КР580ВВ79. Дисплейная часть БИС обеспечивает сканированный интерфейс с 5-символьным алфавитно-цифровым дисплеем. Для хранения информации, подлежащей отображению, внутри БИС имеется ОЗУ дисплея объемом 16 байт.

Входные сигналы БИС КР580ВВ79 CS, A0, WR, RD (см. рис. 2.10) используются для управления обменом информацией между микропроцессором и внутренними регистрами и буферами БИС. Обмен возможен при наличии уровня лог. 0 на входе CS. Характер информации, передаваемой в БИС, определяется значением уровня сигнала А0. При А0 = лог.0 входная и выходная информация является данными. При А0 = лог.1 входная информация является командой, а выходная - словом состояния. Сигналы WR и RD задают направление пересылки данных. Программирование режимов работы БИС и запись информации в ОЗУ дисплея осуществляются по двунаправленной шине данных D7 - D0, которая соединяет внутреннюю шину данных БИС с шиной данных системного интерфейса микроконтроллера.

Функциональная схема блока индикации представлена на рис. 2.12.

Так как в нашем случае БИС служит только для вывода информации, то, соответственно, производиться в неё будет только запись. Поэтому на управляющий вход RD постоянно подаем высокий уровень напряжения, а вход WR заземляем (см. рис.2.12).

Вход CS БИС соединяем с выходом IOW блока центрального процессора. При произведении цикла записи во внешнее устройство, на выходе IOW формируется сигнал уровня лог.0 и происходит выборка БИС КР580ВВ79 и запись команды/данных в неё.

Управление адресным входом А0 БИС осуществляем посредством линии А1 шины адреса системного интерфейса микроконтроллера.

Вход RESET соединяем с одноименным выходом генератора тактовых импульсов К1810ГФ84 блока центрального процессора. При передаче сигнала уровня лог. 1 на этот вход происходит аппаратный сброс БИС КР580ВВ79.

Вход CLK подключаем к выходу PCLK блока центрального процессора.

Счетчик сканирования БИС КР580ВВ79 вырабатывает сигналы сканирования индикаторов дисплея (SL3 - SL0) и может работать в двух режимах. В данной системе используется режим 1 - режим сканированного кодирования.



Рис. 2.12. Функциональная схема блока индикации

В этом режиме счетчик сканирования БИС КР580ВВ79 обеспечивает выдачу на выходы SL3 - SL0 двоичного кода 4 младших разрядов счетчика синхронизации, который необходимо дешифрировать внешним дешифратором для получения сигналов сканирования матриц дисплея. Так как дисплей в микроконтроллере состоит из 5 индикаторов АЛС324Б, то для их последовательного выбора с использованием дешифратора достаточно использовать три младшие линии SL2 - SL0 (см. рис. 2.12).

В качестве внешнего дешифратора используем микросхему К555ИД7. Эта микросхема, УГО которой приведено на рис. 2.13, представляет собой двоично-десятичный дешифратор-демультиплексор, преобразующий трехразрядный код А0 - А2 в напряжение низкого уровня, появляющееся на одном из восьми выходов 0 - 7. Дешифрация происходит тогда, когда на входах Е1 и Е2 действует напряжение низкого уровня, а на входе Е3 - высокого. Иначе - на всех выходах будет напряжение высокого уровня. Поэтому, для обеспечения непрерывной дешифрации, входы Е1 и Е2 микросхемы К555ИД7 заземляем, а на вход Е3 подаем напряжение высокого уровня (см. рис. 2.12).

Рис. 2.13. УГО БИС К555ИД7

В момент сканирования матриц дисплея сигналами SL3 - SL0 на выходах DA3 - DA0 и DB3 - DB0 БИС КР580ВВ79 (см. рис. 2.12) появляются данные, определяющие отображаемый символ на сканируемом индикаторе. То есть, другими словами, эти выходы образуют магистраль кода символов (см. рис. 2.11).

Так как нагрузочная способность выходов DA3 - DA0 и DB3 - DB0 довольно мала, то подключение к ним индикационной линейки осуществляем через шинный формирователь КР580ВА87. УГО и назначение выводов этой микросхемы такие же, как и у КР580ВА86 (см. рис. 2.7), только ВА86 не инвертирует данные, а ВА87 инвертирует.

Функционирование блока индикации иллюстрируется логическими диаграммами, приведенными на рис. 2 14.



Рис. 2.14. Логические диаграммы сигналов при выводе данных в блок индикации

В такте Т1 процессор формирует адрес порта вывода информации (командная или данные), который в такте Т2 по спаду сигнала ALE защелкивается на шине адреса системного интерфейса микроконтроллера. В тактах Т2 - Т4 блоком центрального процессора вырабатывается управляющий сигнал IOW=0, указывающий блоку индикации на необходимость приема информации. Сразу же после формирования адреса порта вывода в такте Т2, на линиях D7…D0 шины данных системного интерфейса микроконтроллера появляются данные, предназначенные для записи в блок. Данные остаются действительны до середины такта Т4 и сопровождаются сигналом IOW=0, который используется в качестве строба для записи данных в устройство. После установления IOW=1 такт Т4 заканчивается как и в цикле чтения.

Следует отметить, что в цикле чтения сигнал IOW становиться активным раньше и имеет большую длительность, чем IOR и MEMR в цикле чтения.

2.3.4 Программное управление устройствами ввода - вывода

Сопряженные регистры КР580ВА86, образующие устройство ввода данных, занимают в адресном пространстве ввода-вывода микропроцессора 1 порт ввода-вывода. Причем, как видно из рис. 2.8, регистры никак не связаны с линиями адреса шины данных системного интерфейса микроконтроллера и выбираются только при помощи управляющего сигнала блока центрального процессора IOR, т.е. при наличии факта чтения данных из внешнего устройства (команда микропроцессора IN). Отсюда следует, что порт ввода может иметь любой из 65536 возможных, адрес.

БИС КР580ВВ79, на базе которой построен блок индикации, занимает в адресном пространстве ввода-вывода микропроцессора 2 порта вывода. БИС сопрягается с младшим байтом шины данных системного интерфейса микроконтроллера (см. рис. 2.12). Управление адресным входом А0 осуществляется по линии А1 шины адреса системного интерфейса микроконтроллера.

Выборка кристалла осуществляется при одном наличии факта записи данных во внешнее устройство (команда микропроцессора OUT ). Отсюда следует, что на адреса портов вывода накладывается только одно условие: бит D1 адреса командного порта равен 1, адреса порта вывода данных равен 0.

Основываясь на выше сказанном, выбираем следующие адреса портов ввода-вывода (табл.2.3).

Таблица 2.3.

Управляющие выходы блока центрального процессора	Линия А1 шины адреса системного интерфейса микроконтроллера	Действие	Адрес порта
IOR	IOW
0	1		Происходит чтение данных из блока ввода	0000h
1	0	0	Происходит запись данных в БИС КР580ВВ79	0000h
1	0	1	Происходит запись команды в БИС КР580ВВ79	0002h

2.3.5 Проектирование структуры блока центрального процессора

В однопроцессорных микроЭВМ и микроконтроллерах микропроцессор К1810ВМ86 обычно работает в минимальном режиме (вход MN/MX = 1).

В первую очередь, к микропроцессору подключается генератор тактовых импульсов КР1810ГФ84 (рис.2.15). Он предназначен для управления центральным процессором К1810ВМ86 и периферийными устройствами, а так же для синхронизации сигналов READY с тактовыми сигналами центрального процессора. Генератор тактовых импульсов включает в себя схемы формирования тактовых импульсов (CLK, PCLK), сигнала сброса (RESET) и сигнала готовности (READY).

Рис. 2.15. УГО БИС КР1810ГФ84

Сигналы CLK, PCLK могут формироваться из колебаний основной частоты кварцевого резонатора, подключаемого к входам Х1, Х2 (см. рис. 2.15), или третьей гармоники кварцевого резонатора, выделяемой LC-фильтром или от внешнего генератора.

Вход F/C предназначен для выбора режима функционирования генератора КР1810ГФ84. Заземляя этот вход, мы обеспечиваем формирование тактовых импульсов от внутреннего генератора.

Ко входу RES тактового генератора подключается RC-цепь, обеспечивающая формирование сигнала сброса.

Рис. 2.16. УГО микропроцессора К1810ВМ86

Входной сигнал READY микропроцессора К1810ВМ86 (рис. 2.16) используется для подтверждения готовности к обмену. Высокий уровень сигнала указывает на наличие данных на шине данных. Схема формирования этого сигнала в генераторе тактовых импульсов КР580ГФ84 имеет две пары идентичных сигналов RDY1, AEN1 и RDY2, AEN2, объединенных схемой ИЛИ. Так как в системе отсутствует необходимость в тактах ожидания, то необходимо обеспечить постоянное формирование сигнала READY. Для этого, входы генератора тактовых импульсов RDY1, AEN1, AEN2 заземляются, а на вход RDY2 подается высокий потенциал (см. рис. 2.18).

Таким образом, входы центрального процессора CLK, READY, RESET подключаются к выходам генератора тактовых импульсов CLK, READY, RESET соответственно (см. рис. 2.18).

При разработке блока центрального процессора возникают следующие задачи:

разделения (демультиплексирования) шины адреса/данных;

буферирования шин адреса и шин данных;

формирования системных управляющих сигналов для блоков памяти и внешних устройств.

Первая задача решается с помощью микросхем КР580ИР82, выполняющих роль адресной защелки.

При проектировании блока памяти выяснено, что для адресации памяти используется 8 адресных цепей шины адреса, а для адресации портов ввода-вывода используется только одна адресная линия А1. Так же, из результатов проектирования блоков микроконтроллера известно, что чтение данных из памяти и порта ввода производится исключительно словами, поэтому сигналы BHE и А0 для доступа к устройствам вообще не используются и их можно не запоминать. Исходя из этих рассуждений, приходим к выводу, что нам достаточно обеспечить запоминание только 8 разрядов адреса: А8 - А1. Разрядность шины адреса, таким образом, равняется 8 бит и, поэтому, для формирования шины адреса достаточно использовать только один регистр-защелку адреса КР580ИР82.

Восьмиразрядный буферный регистр КР580ИР82 (рис. 2.17) используется для организации запоминающих буферов, адресных защелок, портов ввода-вывода, мультиплексоров и т.д.



Рис. 2.17. УГО регистра-защелки КР580ИР82

Линии входных данных DI7 - DI0 регистра подключаем к выходам микропроцессора AD8 - AD1 соответственно (см. рис. 2.18).

Выходы регистра DO7 - DO0 образуют шину адреса системного интерфейса микроконтроллера A8 - A1 соответственно (см. рис. 2.18).

При сигнале высокого уровня на входе STB регистра состояние входных линий DI7 - DI0 передается на выходные DO7 - DO0. Запоминание (защелкивание) осуществляется по срезу сигнала STB. Поэтому, вход STB регистра подключаем к выходу микропроцессора ALE (см. рис. 2.18).

Сигнал ОЕ управляет выходными буферами. При ОЕ=0 буфер отпирается, при ОЕ=1 устанавливается в z-состояние. Так как в микроконтроллере устройства прямого доступа к памяти не используются, то необходимо, чтобы выходные буфера были всегда открыты. Это обеспечивается заземлением входа OE регистра (см. рис. 2.18).

Вторая задача решается с помощью двунаправленных 8-битовых шинных формирователей К580ВА86 (см. рис. 2.7), которые усиливают сигналы системной шины данных.

Для буферирования 16-разрядной шины данных используются два шинных формирователя К580ВА86, входы ОЕ которых подключены к выходу DEN центрального процессора К1810ВМ86, а входы Т - к выходу DT/R центрального процессора. ретья задача может быть решена с помощью комбинационных логических схем, которые формируют требуемые управляющие сигналы на основе сигналов RD, WR, M/IO, вырабатываемых микропроцессором. Так как используется адресное пространство ввода-вывода, изолированное от пространства памяти, то формируем следующие управляющие сигналы:

MEMR - чтение из ПЗУ. Низкий уровень сигнала указывает на выполнение цикла чтения из ПЗУ.

IOR - чтение из внешнего устройства. Низкий уровень сигнала указывает на выполнение цикла чтения из внешнего устройства (из блока ввода).

IOW - запись во внешнее устройство. Низкий уровень сигнала указывает на выполнение цикла записи в блок индикации.

Совокупность указанных сигналов формирует шину управления системного интерфейса микроконтроллера.

Роль формирователей сигналов выступают элементы ИЛИ и элементы НЕ (см. рис. 2.18), в качестве которых выбраны микросхемы К555ЛЛ1 и К555ЛН1. К тому же, нужно отметить, что указанные логические элементы не только формируют управляющие сигналы, но и являются их усилителями.

Рис. 2.18 Функциональная схема блока центрального процессора

3. СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Основная часть схемотехнического проектирования уже выполнена при разработке функциональных схем блоков микроконтроллера в предыдущем разделе. Так, уже выбрана элементная база для построения блоков микроконтроллера и показано их соединение между собой, отмечены особенности работы всех блоков. Поэтому, в данном разделе отметим наиболее специфические особенности построения системы.

В таблице 3.1. по результатам п.2.3. приведен перечень всех интегральных схем, входящих в состав микроконтроллера.

Таблица 3.1.

Тип БИС	Назначение	Технология
К1810ВМ86	Центральный процессор	n-МДП
К1810ГФ84	Генератор тактовых сигналов	ТТЛШ
К580ВВ79	Контроллер клавиатуры и индикации	ТТЛШ
К580ИР82	Регистр-защелка	ТТЛШ
К580ВА86 /87	Шинный формирователь	ТТЛШ
К555ИД7	Двоично-десятичный дешифратор	ТТЛ
К555ЛЛ1	Логический элемент ИЛИ	ТТЛ
К555ЛН1	Логический элемент НЕ	ТТЛ
КР556РЕ11	Перепрограммируемое ПЗУ	ТТЛШ

Из табл. 3.1. видно, что все используемые БИС изготовлены по технологиям, совместимым с ТТЛ и, следовательно, все они имеют одинаковые электрические характеристики:

Входное напряжение логической единицы U_IH , В >= 2.0

Входное напряжение логического нуля U_IL , В <= 0.8

Выходное напряжение логической единицы U_OH , В >= 2.4

Выходное напряжение логического нуля U_OL , В <= 0.45

Этот факт говорит о том, что сопряжение схем можно производить непосредственно, без применения схем согласования, т.е. входы одной БИС подсоединять к выходам другой.

При проектировании блока центрального процессора (см. п.2.3.4) отмечалось, что к входу RES генератора тактовых сигналов подключается RC-цепочка, которая формирует сигнал сброса автоматически при включении питания либо с помощью кнопки. Рассмотрим детально структуру этой схемы (рис. 3.1.) и принцип ее работы.

Рис. 3.1. Схема формирования сигнала “Сброс”

Схема состоит из резистора R, конденсатора C и кнопки B.

В момент включения питания конденсатор С разряжен и происходит его зарядка - и пока он не зарядится, на вход RES подается низкий потенциал, формирующий сигнал сброса. Длительность низкого уровня сигнала на входе RES (т.е. длительность переходного процесса) определяется величиной сопротивления R и емкостью конденсатора C. После того, как конденсатор зарядится, ток непосредственно через резистор R идет на вход RES генератора, поддерживая на нем высокий потенциал.

При выполнении сброса при помощи кнопки S (замыкание ключа S), происходит разрядка конденсатора на землю и сама цепь замыкается на землю и ток на вод RES не идет - формируется низкий потенциал и происходит сброс системы. При размыкании ключа S на входе RES высокий потенциал формируется с некоторой задержкой, которую создает процесс зарядки конденсатора.

Таким образом, емкость конденсатора C определяет продолжительность присутствия низкого уровня сигнала на входе RES тактового генератора при включении питания и после размыкания ключа S. Поэтому, емкость конденсатора С и сопротивление резистора R необходимо выбрать такими, чтобы обеспечить такую минимальную продолжительность присутствия низкого уровня напряжения на входе RES, чтобы тактовый генератор успел среагировать на него и сформировать сигнал сброса.

Исходя из этих соображений выбираем:

R= 4.3 кOм;

С=6.8 мкФ.

К входам Х1 и Х2 тактового генератора подключаем цепь, состоящую из соединенных последовательно кварцевого резонатора и конденсатора (см. приложение 4). Конденсатор необходим для того, чтоб гарантировать запуск кварцевого резонатора на основной частоте, а не на высших гармониках. Емкость конденсатора выбираем равной 15пкФ.

На вход RDY2 подаем высокий потенциал. Так как технология изготовления БИС КР1810ГФ84 - ТТЛШ, то этот вход подключаем к источнику питания +5В через токоограничительное сопротивление 2.2кОм.

Вход микропроцессора MN/MX подключаем к источнику питания непосредственно, т.к. технология изготовления (см. табл.3.1) - n-МДП.

Вход RD БИС КР580ВВ79 подключаем к источнику питания через токоограничительное сопротивление 2.2 кОм.

Вход Т шинного формирователя КР580ВА87 в блоке индикации и вход Е3 дешифратора К555ИД7 подключаем к источнику питания так же через токоограничительное сопротивление.

Так как ток потребления линейки индикации достаточно большой, то нельзя непосредственно подключить выходы дешифратора К555ИД7 к аноду индикационной матрицы, как показано на рис.2.12. Подключение реализуем через транзисторный ключ (рис. 3.2.).



Рис. 3.2. Схема подачи питающего напряжения на анод индикационной матрицы

Выходной ток дешифратора К555ИД7 открывает транзистор VT и на анод индикационной матрицы подается питающее напряжение от источника питания.

Выбираем следующие параметры схемы на рис. 3.2:

R1 = 330 Ом;

R2 = 5.6 кОм;

VT - транзистор КТ361В.

Так как при выборке индикационной матрицы на её общий анод подается напряжение +5 В (см. рис.3.2), то во избежание выхода из строя шинного формирователя КР580ВА87, выходы его подключаем к входам индикационных матриц через токоограничительные сопротивления величиной 39 Ом.

Для сглаживания возможных колебаний напряжения от источника питания используем следующую схему (рис. 3.3):

Рис. 3.3. Схема сглаживания колебаний питающего напряжения

Емкость конденсатора С1 выбирается из диапазона 0.01 - 0.1 мкФ на корпус, конденсатора С2 - 1 мкФ на корпус.

Микроконтроллер состоит из 16 БИС, поэтому выбираем следующие емкости:

С1 : реализован в виде каскада из 16 конденсаторов емкости 0.033 мкФ каждый (общая емкость 0.528 мкФ);

С2 ; реализован в виде каскада из 5 конденсаторов емкости 3.3 мкФ каждый (общая емкость (16.5 мкФ).

микроконтроллер алгоритм программный

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе данного курсового проекта был спроектирован микроконтроллер для организации автоматического управления промышленным процессом.

Микроконтроллер отслеживает изменение веса некоего промышленного оборудования и выводит пиковые значения веса и направление его изменения на дисплей для контроля. Информация о величине веса поступает в микроконтроллер в цифровом виде через параллельный интерфейс.

Приведем основные эксплуатационные параметры микроконтроллера:

Напряжение питания, В: +5

Диапазон изменения входных данных, кг: от 0 до 100

Температурный диапазон, С⁰: от -10 до +70

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:

Микропроцессорный комплект К1810: Структура, программирование, применение: Справочная книга / Ю.Н. Казаринов, В.Н. Коноконов, Г.С. Подклетнов, Ф.З. Филлипов; Под ред. Ю.Н. Казаринова. - М.: Высшая школа, 1990. -269с.

Микропроцессоры и микроЭВМ в системах автоматического управления : Справочник / С.Т. Хвощь, Н.Н. Варлинский, Е.А. Попов. Под общ. ред. С.Т. Хвоща. - Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1987. - 640с.

Цифровые интегральные схемы: Справочник / М.И. Богданкевич, И.Н. Граль, В.А. Прохоренко, В.В. Шалимо - Мн.: Беларусь, 1991. - 493с.

Нестеров П.В., Шальгин В.Ф., Горбунов В.Л. и др. Микропроцессоры. В 3 книгах н. 1. Архитектура и проектирование микроЭВМ. Организация вычислительных процессов. Под ред. Л.Н. Преснухина. - Мн.: Высшая школа, 1987. - 412с.

Усатенко С.Т., Казаченко Т.К., Терехова М.В. Выполнение электрических схем по ЕСКД: Справочник. - М.: Издательство стандартов, 1989. - 325с.

Размещено на Allbest.ru

...