Разработка микропроцессорной системы с заданными параметрами

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Факультет автоматики и информационных технологий

Кафедра «Вычислительная техника»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

на тему: РАЗРАБОТКА МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ С ЗАДАННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

по курсу: «Микропроцессорные системы»

Самара 2016

СОДЕРЖАНИЕ

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 ВЫБОР МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ

1.2 ВЫБОР МИКРОСХЕМЫ

1.3 ОПИСАНИЕ МИКРОСХЕМЫ

1.4 ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 РЕАЛИЗАЦИЯ АЦП И ЦАП

2.2 ВЫБОР УВВ

2.3 ОПИСАНИЕ РАЗЪЕМА

2.4 ОПИСАНИЕ СДИ

2.5 СПЕЦИФИКАЦИЯ

2.6 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ МПС

2.7 ПРОГРАММЫ ИНИЦИАЛИЗАЦИИ МОДУЛЕЙ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ПРИЛОЖЕНИЕ

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Разрядность ШД - 8-16 двоичных разрядов

Разрядность ША - пропорционально ёмкости ПЗУ

Емкость ОЗУ - 1,5 КБ

Емкость ПЗУ - 16 КБ

Контроллер прерываний - 2 входов

Число параллельных 8-разрядных портов ввода/вывода - 2 шт

Число 8-разрядных счетчиков-таймеров - 3 шт.

Число последовательных портов - 1 шт.

Число 7-сегментных светодиодных индикаторов - 2 шт

Число подключенных жидкокристаллических индикаторов - 0 шт

Число подключенных реле РГК-15 - 0 шт

Число входов АЦП - 4

Разрядность АЦП - 8 двоичных разрядов.

Диапазон входных напряжений: 0…+5 В.

Быстродействие АЦП - не хуже 60 мкС.

Число выходов ЦАП - 2

Разрядность ЦАП - 8 двоичных разрядов.

Диапазон выходных напряжений - 0…+5 В.

Быстродействие ЦАП - не хуже 40 мкС.

Разработать программы инициализации и подпрограммы обслуживания оборудования.

ВВЕДЕНИЕ

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

Освоение и распространение микропроцессорной техники открыли возможности практической реализации и широкого использования ее в сложных системах. Универсальность и гибкость МП как устройств с программным управлением позволяют широко применять ее в самых различных системах управления для аппаратной реализации функций управления, контроля измерения и обработки данных. Применение МП и микро ЭВМ в системах управления промышленным оборудованием предполагает, в частности, использование их для управления станками, транспортировочными механизмами, сварочными автоматами, прокатными станами, атомными реакторами, производственными линиями, электростанциями, а также создание на их основе робототехнических комплексов, гибких автоматизированных производств, систем контроля и диагностики.

Микропроцессорные средства позволяют создавать разнообразные по функциям устройства управления - от микроконтроллеров несложных приборов до универсальных систем управления в реальном времени.

Современные микропроцессорные средства можно условно разделить на следующие группы:

встраиваемые МП и простейшие микроконтроллеры;

специализированные микроЭВМ;

микроЭВМ общего назначения;

мультипроцессорные системы;

инструментальные средства поддержки микропроцессорных систем.

Встраиваемые в приборы и аппаратуру МП и простейшие микроконтроллеры жестко запрограммированы на реализацию узкоспециализированных задач.

Программное обеспечение проходит отладку на специальных стендах или универсальных ЭВМ, затем записывается в ППЗУ и редко изменяется в процессе эксплуатации.

Встраиваемые средства используют и простейшие внешние устройства - тумблеры, клавишные переключатели, индикаторы.

Специализированные микроЭВМ (8-разрядные) обычно представляют собой программируемые микроконтроллеры, ориентированные на решение разнообразных задач в системах управления, регулирования и контроля. Программируемые микроконтроллеры заменяют классические аналоговые регуляторы. Эти микроконтроллеры, способные программно перестраиваться на реализацию различных законов управления, обеспечивают повышение точности, надежности, производительности и снижение стоимости систем управления.

Микро ЭВМ общего назначения (микроЭВМ фирм Intel, Zilog, Hewlett-Packard, Motorola, DEC) строятся на основе 16-разрядных МП. Многие из этих микроЭВМ имеют похожую архитектуру. В последние годы начат выпуск 32-разрядных микроЭВМ - по функциональным возможностям и производительности они приближаются к мини- и большим ЭВМ, на 16- и 32-разрядных МП строят современные персональные ЭВМ (ПЭВМ).

Мультимикропроцессорные системы (ММПС) делятся на распределенные и сосредоточенные (централизованные).

Рассредоточенные по всему объекту управления МП и микроЭВМ, связь между которыми осуществляется по специальным линиям связи, обеспечивают высокую производительность систем. В сосредоточенных системах МП, расположенных в одном блоке или стойке, используют одну общую операционную систему.

К группе специальных аппаратных средств можно отнести функциональные расширители, служащие для увеличения функциональных возможностей и производительности микропроцессоров. Функциональные расширители выполняют специфические операции и программы, разгружая центральный процессор от узкоспециализированных задач.

К функциональным расширителям, в частности, относят арифметические расширители, выполняющие операции с плавающей запятой, вычисление элементарных функций и т.д.

Функциональные расширители делятся на две группы: ведомые (подчиненные) и сопроцессоры.

Ведомые функциональные расширители работают под управлением центрального процессора.

Сопроцессоры работают параллельно с центральным процессором по одной программе. Они выбирают из программы только свои команды и исполняют их.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 ВЫБОР МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ

Система на чипе - это электронная схема, выполняющая функции целого устройства и размещенная на одной интегральной схеме. В англоязычной литературе она называется System-on-a-Chip или сокращённо SoC.

На сегодняшний день все ведущие производители электронных компонентов выпускают разнообразные модели System-on-a-Chip. Основные конкуренты на рынке производителей систем на чипе Qualcomm, Texas Instruments, Nordic Semiconductor и Cypress Semiconductor.

Основываясь на поставленных в техническом задании требованиях была выбрана система от Cypress Semiconductor PSOC-1.

В чипах PSoC встроены массивы аналоговых и цифровых блоков, на порядок более функциональных, чем фиксированная периферия. Такие стандартные элементы микроконтроллеров как АЦП, ЦАПы, таймеры, счетчики, ШИМы, UART легко реализуются в PSoC.

1.2 ВЫБОР МИКРОСХЕМЫ

Микросхемы PSoC Cypress впервые появились в 2001 году. Фактически это был прорыв в развитии микроконтроллеров, значительно упростивший процесс разработки электронных систем. На сегодняшний день выпускается несколько серий PSoC микроконтроллеров:

CY8C21xxx

CY8C22xxx

CY8C24xxx

CY8C27xxx

CY8C29xxx

Все микросхемы построены на базе восьмиразрядного ядра М8С гарвардской архитектуры с тактовой частотой 24МГц и производительностью 4MIPS. Система команд достаточно проста в освоении и характеризуется высокой плотностью кода. Встроенные RC генераторы на 24 МГц и 32КГц позволяют приложениям некритичным к высокой стабильности частоты обойтись без внешнего кварца.

В таблице 1 представлен сравнительный анализ микросхем PSOC-1.

Таблица 1.

Микросхема	Контакты в/в	Аналоговые блоки	Цифровые блоки	ПЗУ (Flash)	Кол-во выводов	ОЗУ
CY8C27243	16	12:4-CT 8-SC	4-basic 4-comms	16Кб	20	256 байт
CY8C27443	24	12:4-CT 8-SC	4-basic 4-comms	16Кб	28	256 байт
CY8C29466	24	12:4-CT 8-SC	8-basic 8-comms	32Кб	28	2Кб
CY8C29566	40	12:4-CT 8-SC	8-basic 8-comms	32Кб	44	2Кб
CY8C29866	64	12:4-CT 8-SC	8-basic 8-comms	32Кб	100	2Кб

В соответствии с поставленными в ТЗ требованиями микросхемы CY8C27243, CY8C27443 и CY8C29466 являются недостаточными, а микросхема CY8C29866 - избыточная.

Выбранная микросхема - CY8C29566.

1.3 ОПИСАНИЕ МИКРОСХЕМЫ

Семейство PSoC CY8C29566 содержит до 8 портов ввода-вывода, которые подключаются к глобальным цифровым и аналоговым внутренним цепям, обеспечивая доступ к 16 цифровым блокам и 12 аналоговым блокам.

Характеристики:

Процессор с гарвардской архитектурой

- Быстродействие процессора M8C до 24 МГц

- Умножающее устройство 8x8, 32-разр. накопитель

- Малая потребляемая мощность при высоком быстродействии

- Рабочее напряжение 3.0В…5.25В

- Рабочее напряжение от 1.0В при использовании встроенного импульсного преобразователя

- Промышленный температурный диапазон: -40°C…+85°C

Периферийные устройства (блоки PSoC)

- 12 аналоговых блоков PSoC с полным размахом напряжения (rail-to-rail), которые содержат:

- АЦП с разрешением до 14 разр.

- ЦАП с разрешением до 9 разр.

- Усилители с программируемым усилителем

- 16 цифровых блоков PSoC

Прецизионная программируемая синхронизация

- Внутренний генератор ±2,5% 24/48 МГц

- 24/48 МГц с опциональным кварцевым резонатором 32,768 кГц

- Опциональный внешний генератор частотой до 24 МГц

- Внутренний генератор для сторожевого таймера и таймера режима сна



Расположение выводов CY8C29566 в 44-выв. корпусе

1.4 ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

микропроцессорный микросхема модуль оборудование

Проектируемая микропроцессорная система реализована на базе программируемой системы на кристалле CY8C29566-24AXI.

ОЗУ - оперативное запоминающее устройство - в PSoC-1 (CY8C29566-24AXI) предусмотрено 2КБ ОП, что удовлетворяет условиям ТЗ.

ПЗУ - постоянное запоминающее устройство - в PSoC-1 (CY8C29566-24AXI) предусмотрено 32КБ flash памяти, что удовлетворяет условиям ТЗ.

Устройства последовательного порта реализовано с помощью интерфейса UART.

Так же выбранное устройство PSoC-1(CY8C29566-24AXI) имеет в наличии 4 8-ми разрядных порта ввода\вывода. Которые используются для подключения семи сегментных индикаторов, а также для аналогового ввода-вывода (АЦП и ЦАП).

В таблице 2 представлены нестандартные сокращения, используемые на структурной схеме:

Таблица 2. Сокращения и обозначения

Обозначение	Описание
UART	Универсальный асинхронный приемопередатчик
P	Порт параллельного ввода/вывода
СЧ 8	8 разрядный счетчик-таймер
У	Усилитель



Структурная схема МПС

2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 РЕАЛИЗАЦИЯ АЦП И ЦАП

Для реализации 4-х 8-и битных АЦП используются стандартный модуль АЦП TriADC и модуль АЦП DelSig8. Модуль АЦП TriADC трехвходовый АЦП с разрядностью от 7 до 13 бит и скоростью от 4 до 10000 выборок в секунду. Модуль АЦП DELSIG8 8-битный дельта-сигма АЦП до 32000 выборок в секунду [3].

4 АЦП подключаются через блоки усилителя PGA GAIN с коэффициентом усиления 1 к 0,1, 3 и 4 входам 0-го параллельного порта ввода вывода.

Для реализации 8-и битного ЦАП используется стандартный модуль DAC8, с частотой обновления до 125кГц[3]. ЦАП подключается 5 и 2 входу 0-го параллельного порта ввода вывода.

2.2 ВЫБОР УВВ

Согласно требованиям технического задания, в проектируемой системе используются следующие устройства ввода-вывода:

- параллельный 8-разрядный порт ввода-вывода (2 шт.);

- последовательный порт (1 шт);

- АЦП 8-разрядный (4 шт.);

- ЦАП 8-разрядный (2 шт);

- счетчик-таймер 8-разрядный (3 шт).

Последовательные порты реализованы с использованием протокола UART (Universal asynchronous receiver/transmitter).

В данной МПС используется 8-ти разрядный цифровой счётчик, на вход которого подан тактовый сигнал, со входа встроенного тактового генератора с частотой 24 МГц ±2,5%.

К микропроцессорной системе, посредством параллельных портов, подключены следующие периферийные устройства:

- 2 СДИ.

Для подключения 7-сегментных индикаторов используется встроенный в PSoC-1 модуль LED7SEG задействующий один цифровой конфигурируемый блок. 7-сегментные индикаторы подключены ко всем выходам порта 1 и 2 (определяет какие сегменты активны) и выходу 3 и 4 порта 3 (выбор знакоместа) соответственно. В качестве 7-сегментных индикаторов выбраны 2 модуль АЛС324Б1 фирмы Интеграл, обеспечивающий одно знакоместо, что соответствует требованиям ТЗ.

2.3 ОПИСАНИЕ РАЗЪЕМА

Выбранный разъем должен соответствовать по количеству контактов.

Технические параметры DS1035-15F

Серия dhs

Форма контактов прямые

Способ монтажа пайка на кабель

Количество рядов 3(выс.плотности)

Количество контактов 15

Материал корпуса сталь.покрытая цинком или оловом

Материал изолятора полистирол усиленный стекловолокном

Сопротивление изолятора не менее,МОм 1000

Материал контактов фосфористая бронза

Покрытие контактов олово

Сопротивление контактов не более,Ом 0.1

Предельный ток,А 5

Рабочая температура,°С -55…105

2.4 ОПИСАНИЕ СДИ

Описание использованного модуля СДИ АЛС324Б1

Технические параметры:

Дополнительный символ запятая

Материал gaasp/gap

Цвет свечения красный

Длина волны,нм 660

Минимальная сила света Iv мин.,мКд 0.15

Максимальная сила света Iv макс.,мКд 0.45

При токе Iпр.,мА 20

Количество сегментов 7

Количество разрядов 1

Высота знака,мм 7.5

Максимальное прямое напряжение,В 2.5

Максимальное обратное напряжение,В 5

Максимальный прямой ток ,мА 25

Максимальный импульсный прямой ток ,мА 300

Рабочая температура,С -60…70

Спецификация

Поз. обозначение	Наименование	Кол.	Прим.
	Микросхемы цифровые
DD1	PSOC-1 CY8C29566-24AXI в корпусе TQFP44	1
	Микросхемы аналоговые
DD2, DD3	СДИ модуль АЛС324Б1 фирмы Интеграл	2
	Разъемы
XS1	Разъем DS1035-15F фирмы Ningbo Zhenqin	1
	Резисторы
R1, R2	Резистор Р1-26 R=1кОМ±1%	2
	Транзисторы
VT1, VT2	Транзистор DMB2227A-7	2
Подп	Дата
		Принципиальная схема МПС на базе PSoC-1	Лит.	Лист	Листов
				1	1

2.6 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ МПС

Быстродействие АЦП TriADC описано в документации к модулю[3], и в соответствии с выбранной разрядностью 8-бит, составляет 40мкс, что лучше требуемых по заданию 60 мкс.

Быстродействие АЦП DelSig8 описано в документации к модулю[3], составляет 32000 выборки в секунду или 23мкс, что лучше требуемых по заданию 60 мкс.

Быстродействие данных ЦАП рассчитывается из частоты дискретизации ЦАП (Sample Rate). В документации к модулю[3] сказано, что частота дискретизации равна 125 кГц. Таким образом быстродействие ЦАП = 1/125000 = 8 мкс, что лучше требуемых по заданию 40 мкс.

Таким образом, выбранные ЦАП и АЦП полностью удовлетворяют условиям ТЗ.

Рассчитаем мощность потребления нашей МПС:

Pпотреб = I * U

I = 25мА = 0,025А

Для микросхемы PsoC-1(CY8C29566) Uраб = 3…5,25В

Pпотреб = 5,25 * 0,025 = 0,13125 Вт

Таким образом, Pпотреб = 0,13125 Вт.

2.7 ПРОГРАММЫ ИНИЦИАЛИЗАЦИИ МОДУЛЕЙ

;Инициализация счетчика

call Counter8_1_EnableInt ; включение прерывания счётчика

M8C_EnableGInt ; включение глобальных прерываний

call Counter8_1_Start ; запуск счётчика

call Counter8_2_EnableInt ; включение прерывания счётчика

call Counter8_2_Start ; запуск счётчика

call Counter8_3_EnableInt ; включение прерывания счётчика

call Counter8_3_Start ; запуск счётчика

;Инициализация интерфейса UART

mov A,UART_PARITY_NONE

call UART_1_Start

call Counter8_1_Start

WaitForData: ; ожидание получения данных

call UART_1_bReadRxStatus

and A, UART_RX_COMPLETE

jz .WaitForData

and A, UART_RX_ERROR ; данные получены, проверка на правильность

jz .GetData

mov A, NAK_RESPONSE ; обнаружена ошибка

jmp .TxData

.GetData:

call UART_1_bReadRxData ; считать данные из приемника

.TxData:

call UART_1_SendData ; передать данные

jmp .WaitForData ; перейти к .WaitForData

;Инициализация АЦП

M8C_EnableGInt ; включение глобальных прерываний

mov a, 8 ;установить разрядность 11 Bits

call TRIADC_1_SetResolution

mov a, TRIADC_HIGHPOWER ; установить максимальную мощность

call TRIADC_1_Start ;запуск АЦП

mov A, bPowerSetting

lcall DELSIG8_1_Start ;запуск АЦП

;Инициализация ЦАП

mov A, bPowerSetting ; установить максимальную мощность

lcall DAC8_1_Start ;запуск ЦАП

;Инициализация СДИ

lcall LED7SEG_1_Start ; запуск 7-сегментного индикатора

lcall LED7SEG_2_Start ; запуск 7-сегментного индикатора

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

PSoC-1 очень привлекательны для решений, в которых могут заменить не только микроконтроллер, но и часть или даже всю внешнюю обвязку -- цифровую и аналоговую. Такой подход может позволить удешевить устройство и гарантированно уменьшает его размер. В PSoC-1 имеется несколько полностью оригинальных решений, способных обеспечить возможности конструирования, недоступные при использовании других микроконтроллеров.

Из-за большого количества возможностей кристалла для успешной работы требуется ознакомиться с немалым объемом технической информации. Таким образом, PSoC-1 -- очень интересные кристаллы (можно даже сказать, новая концепция), и разработчикам устройств малой стоимости, использующим 8-разрядные микроконтроллеры, следует обратить на них внимание.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Внутривузовское учебно-методическое пособие по курсам "Микропроцессорные системы", "Аналоговые интерфейсы ЭВМ" для студентов специальности 220100 /Сост. С. М. Крылов. - Самара: Самарский госуд. технич. ун-т, 2008. -69 с.

2. Официальный сайт компании «Cypress» http://www.cypress.com

3. http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/ic/Cypress/PSoC/start.htm

ПРИЛОЖЕНИЕ

Мнемосхема

Размещено на Allbest.ru

...