Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный университет путей сообщения

Кафедра «Автоматика и системы управления»

Пояснительная записка к курсовой работе

по дисциплине «Микроконтроллеры и микропроцессоры в системах управления»

Микропроцессорная система на основе микропроцессорного контроллера

Студентка С.О. Тимофеева

Омск 2016

Реферат

RS-232 (Recommended Standard 232) - стандарт описывающий интерфейс для последовательной двунаправленной передачи данных между терминалом (DTE, Data Terminal Equipment) и конечным устройством (DCE, Data Circuit-Terminating Equipment ). Информация передается по проводам цифровым сигналом с двумя уровнями напряжения. Логическому "0" соответствует положительное напряжение, а логической "1" отрицательное. Асинхронная передача данных осуществляется с фиксированной скоростью при самосинхронизации фронтом стартового бита.

В ходе курсовой работы использовались: AvrStudio 4, Microsoft Office 2010.

Содержание

• Введение
• 1. Структура информационной системы
• 1.1 Архитектура микропроцессорного ядра AVR-микроконтроллеров
• 1.2 Обзор AVR Studio 4
• 2. Разработка структурной схемы МП системы
• 2.1 ATtiny2313 микроконтроллер
• 2.2 Характеристики
• 2.3 Интерфейс RS-232
• 3. Разработка принципиальной схемы МП системы
• 4. Разработка ГСА и управляющей программы МП системы
• Заключение
• Библиографический список
• Приложение
• Введение

Микроконтроллер - это такая микросхема, которая представляет собой мини-компьютер, предназначенный для выполнения различных функций. Данная микросхема работает в соответствии с заложенной в нее программой, которую создает программист. Основные качества: малые габариты; высокая производительность, надежность и способность адаптироваться к выполнению самых различных задач.

Микроконтроллер помимо центрального процессора (ЦП), содержит память и многочисленные устройства ввода/вывода: аналого-цифровые преобразователи, последовательные и параллельные каналы передачи информации, таймеры реального времени, широтно-импульсные модуляторы (ШИМ), генераторы программируемых импульсов и т.д. Основное назначение микроконтроллера - использование в системах автоматического управления, встроенных в самые различные устройства: кредитные карточки, фотоаппараты, сотовые телефоны, музыкальные центры, телевизоры, видеомагнитофоны и видеокамеры, стиральные машины, микроволновые печи, системы охранной сигнализации, системы зажигания бензиновых двигателей, электроприводы локомотивов, ядерные реакторы и многое другое. Встраиваемые системы управления стали настолько массовым явлением, что фактически сформировалась новая отрасль экономики, получившая название Embedded Systems (встраиваемые системы).

1. Структура информационной системы

1.1 Архитектура микропроцессорного ядра AVR-микроконтроллеров

Архитектура AVR была оптимизирована так, чтобы соединить достоинства Гарвардской и Принстонской (Фон Неймана) архитектуры для достижения очень быстрого и эффективного выполнения программ. Такая организация обеспечивает высокую эффективность процессора при обработке данных.

Основной идеей всех RISC (Reduced Instruction Set Computer), как известно, является увеличение быстродействия за счет сокращения количества операций обмена с памятью программ. Для этого каждую команду стремятся уместить в одну ячейку памяти программ. При ограниченной разрядности ячейки памяти это неизбежно приводит к сокращению набора команд микропроцессора.

У AVR-микроконтроллеров в соответствии с этим принципом практически все команды (исключая те, у которых одним из операндов является 16-разрядный адрес) также упакованы в одну ячейку памяти программ. Но сделать это удалось не за счет сокращения количества команд процессора, а путем расширения ячейки памяти программ до 16 разрядов. Такое решение является причиной богатства системы команд AVR по сравнению с другими RISC- микроконтроллерами.

Организация памяти AVR выполнена по схеме Гарвардского типа, в которой разделены не только адресные пространства памяти программ и памяти данных, но также и шины доступа к ним. Для более углубленного понимания архитектуры приведем две схемы (рисунки 1.1 и 1.2).

Вся программная память AVR-микроконтроллеров выполнена по технологии FLASH и размещена на кристалле. Она представляет собой последовательность 16-разрядных ячеек и имеет емкость от 512 слов до 64K слов в зависимости от типа кристалла.



Рисунок 1.1 - Архитектура AVR-микроконтроллеров

Рисунок 1.2 - Структурная схема архитектуры процессора семейства AVR

Разделение шин доступа к FLASH памяти и SRAM памяти дает возможность иметь шины данных для памяти данных и памяти программ различной разрядности, а также использовать технологию конвейеризации. Конвейеризация заключается в том, что во время исполнения текущей команды программный код следующей уже выбирается из памяти и дешифрируется.

В случае использования конвейера приведенную длительность машинного цикла можно сократить. Например, у PIC-микроконтроллеров фирмы Microchip за счет использования конвейера удалось уменьшить длительность машинного цикла до 4 периодов кварцевого резонатора. Длительность же машинного цикла AVR составляет один период кварцевого резонатора. Таким образом, AVR способны обеспечить заданную производительность при более низкой тактовой частоте.

Именно эта особенность архитектуры и позволяет AVR-микроконтроллерам иметь наилучшее соотношение энергопотребление/производительность, так как потребление КМОП микросхем, как известно, определяется их рабочей частотой.

1.2 Обзор AVR Studio 4

Фирма Atmel, разработчик микроконтроллеров AVR, разработала для своей продукции специализированную среду под названием «AVR Studio» предназначенная для программирования, отладки, трансляции и прошивки в памяти. Инсталляционный пакет этой инструментальной программы можно свободно скачать с сайта фирмы.

Программная среда «AVR Studio» - это мощный современный программный продукт, позволяющий производить все этапы разработки программ для любых микроконтроллеров серии AVR. Пакет включает в себя специализированный текстовый редактор для написания программ, мощный программный отладчик.



Рисунок 1.3 - Стартовое окно AVR Studio

AVR Studio 4 обеспечивает полный набор функций, включая поддержку запуска отладчика, в том числе контроль источника и на уровне инструкций активизации и точек останова; регистров, памяти и I / O мнения и целевой настройки и управления, а также полную поддержку в области программирования автономный программистов.

Рисунок 1.4 - Avr Studio

2. Разработка структурной схемы МП системы

2.1 ATtiny2313 микроконтроллер

ATtiny2313 - низко потребляющий 8 битный КМОП микроконтроллер с AVR RISC архитектурой. Выполняя команды за один цикл, ATtiny2313 достигает производительности 1 MIPS при частоте задающего генератора 1 МГц, что позволяет разработчику оптимизировать отношение потребления к производительности.

AVR ядро объединяет большую систему команд и 32 рабочих регистра общего назначения. Все 32 регистра непосредственно связаны с арифметико-логическим устройством (АЛУ), что позволяет получить доступ к двум независимым регистрам при выполнении одной команды. В результате эта архитектура позволяет обеспечить в десятки раз большую производительность, чем стандартная CISC архитектура.

ATtiny2313 имеет следующие характеристики: 2 КБ программируемой в системе Flash память программы, 128 байтную EEPROM память данных, 128 байтное SRAM (статическое ОЗУ), 18 линий ввода - вывода общего применения, 32 рабочих регистра общего назначения, однопроводный интерфейс для встроенного отладчика, два гибких таймера/счетчика со схемами сравнения, внутренние и внешние источники прерывания, последовательный программируемый USART, универсальный последовательный интерфейс с детектором стартового условия, программируемый сторожевой таймер со встроенным генератором и три программно-инициализируемых режима пониженного потребления.

В режиме Idle останавливается ядро, но ОЗУ, таймеры/счетчики и система прерываний продолжают функционировать. В режиме Power-down регистры сохраняют свое значение, но генератор останавливается, блокируя все функции прибора до следующего прерывания или аппаратного сброса. В Standby режиме задающий генератор работает, в то время как остальная часть прибора бездействует. Это позволяет очень быстро запустить микропроцессор, сохраняя при этом в режиме бездействия мощность.

Рисунок 2.1 - Блок- схема ATtiny2313

Прибор изготовлен по высокоплотной энергонезависимой технологии изготовления памяти компании Atmel. Встроенная ISP Flash позволяет перепрограммировать память программы в системе через последовательный SPI интерфейс или обычным программатором энергонезависимой памяти. Объединив в одном кристалле 8-битное RISC ядро с само программирующейся в системе Flash памятью, ATtiny2313 стал мощным микроконтроллером, который дает большую гибкость разработчика микропроцессорных систем.

ATtiny2313 поддерживается различными программными средствами и интегрированными средствами разработки, такими как компиляторы C, макроассемблеры, программные отладчики/симуляторы, внутрисхемные эмуляторы и ознакомительные наборы.

Рисунок 2.2 - Расположение выводов ATtiny2313

2.2 Характеристики

- AVR RISC архитектура;

- AVR - высококачественная и низкопотребляющая RISC архитектура 120 команд, большинство которых выполняется за один тактовый цикл, 32 8 битных рабочих регистра общего применения, полностью статическая архитектура;

- ОЗУ и энергонезависимая память программ и данных, 2 КБ самопрограммируемой в системе Flash памяти программы, способной выдержать 10 000 циклов записи/стирания, 128 байт программируемой в системе EEPROM памяти данных, способной выдержать 100 000 циклов записи/стирания, 128 байт встроенной SRAM памяти (статическое ОЗУ), программируемая защита от считывания Flash памяти программы и EEPROM памяти данных.

Характеристики периферии:

- один 8-разрядный таймер/счетчик с отдельным предделителем;

- один 16-разрядный таймер/счетчик с отдельным предделителем, схемой сравнения, схемой захвата и двумя каналами ШИМ;

- встроенный аналоговый компаратор;

- программируемый сторожевой таймер со встроенным генератором USI - универсальный последовательный интерфейс;

- полнодуплексный UART.

Специальные характеристики микроконтроллера:

- встроенный отладчик debugWIRE;

- внутрисистемное программирование через SPI порт;

- внешние и внутренние источники прерывания;

- режимы пониженного потребления Idle, Power-down и Standby;

- усовершенствованная схема формирования сброса при включении;

- программируемая схема обнаружения кратковременных пропаданий питания;

- встроенный откалиброванный генератор;

- порты ввода-вывода и корпусное исполнение;

- 18 программируемых линий ввода-вывода;

- 20 выводной PDIP, 20 выводной SOIC и 32 контактный MLF корпуса.

Диапазон напряжения питания от 1.8 до 5.5 В. Рабочая частота 0 - 16 МГц. Потребление в активном режиме 300 мкА при частоте 1 МГц и напряжении питания 1.8 В, 20 мкА при частоте 32 кГц и напряжении питания 1.8 В. В режиме пониженного потребления - 0.5 мкА при напряжении питания 1.8 В.

2.3 Интерфейс RS-232

Интерфейс RS-232 был разработан для простого применения, однозначно определяемого по его названию: «Интерфейс между терминальным оборудованием и связным оборудованием с обменом по последовательному двоичному коду».

Чаще всего используется в промышленном и узкоспециальном оборудовании, встраиваемых устройствах. Иногда присутствует на современных персональных компьютерах.

Рисунок 3 - Разъём DB-9, часто используемый для передачи по протоколу RS-232

По структуре это обычный асинхронный последовательный протокол, то есть передающая сторона по очереди выдает в линию 0 и 1, а принимающая отслеживает их и запоминает.

Данные передаются пакетами по одному байту (8 бит). Вначале передаётся стартовый бит, противоположной полярности состоянию незанятой (idle) линии, после чего передаётся непосредственно кадр полезной информации, от 5 до 8-ми бит. Увидев стартовый бит, приемник выжидает интервал T1 и считывает первый бит, потом через интервалы T2 считывает остальные информационные биты. Последний бит - стоповый бит (состояние незанятой линии), говорящий о том, что передача завершена. Возможно 1, 1.5, 2 стоповых бита. В конце байта, перед стоп битом, может передаваться бит четности (parity bit) для контроля качества передачи. Он позволяет выявить ошибку в нечетное число бит (используется, так как наиболее вероятна ошибка в 1 бит).

Мы будем использовать 3-проводной минимальный интерфейс.

Рисунок 4 - 3-проводной минимальный интерфейс

Назначение контактов: 1 Carrier Detect (CD) Наличие несущей частоты; 2 Received Data (RD) Принимаемые данные; 3 Transmitted Data (TD) Передаваемые данные; 4 Data Terminal Ready (DTR) Готовность ООД; 5 - Signal Ground Общий; 6 Data Set Ready (DSR) Готовность ОПД; 7 Request To Send (RTS) Запрос на передачу; 8 Clear To Send (CTS) Готов передавать; 9 Ring Indicator (RI) Наличие сигнала вызова.

Рассмотрим сначала DSR сигнал (конт.6). Этот вход сигнала готовности от аппаратуры передачи данных. В схеме соединений вход замкнут на выход DTR (конт.4). Это означает, что программа не видит сигнала готовности другого устройства, хотя он есть. Аналогично устанавливается сигнал на входе CD (конт.1). Тогда при проверке сигнала DSR для контроля возможности соединения будет установлен выходной сигнал DTR. Это соответствует 99% коммуникационного программного обеспечения. Под этим подразумевается, что 99% программного обеспечения с этим нуль-модемным кабелем примут проверку сигнала DSR.

Аналогичный трюк применяется для входного сигнала CTS. В оригинале сигнал RTS (конт.7) устанавливается и затем проверяется CTS (конт.8). Соединение этих контактов приводит к невозможности зависания программ по причине отсутствия ответа на запрос RTS.

3. Разработка принципиальной схемы МП системы

Далее рассмотрим работу протокола RS - 232. RS-232 - это протокол последовательного обмена. По нему информация передается последовательно (бит за битом) в персональный компьютер и из компьютера. Сам стандарт описывает два логических уровня:

- напряжение от -25 вольт до -3 вольт передаёт логическую единицу (1)

- напряжение от +3 вольт до +25 вольт передаёт логический ноль (0).

Разнополярное напряжение делает работу линии связи более устойчивой к внешним помехам (наводкам напряжения) и влиянию ёмкости линии передачи, нежели простая передача данных TTL уровня.

Отметим, что интервал напряжений от -3 вольт до +3 вольт получается неопределённым. Однако на практике это обычно не так. В большинстве случаев напряжение выше +2.5 вольт интерпретируется, как логический ноль, а всё, что ниже его - как логическая единица. RS -232 - асинхронный протокол. Это означает, что тактовые импульсы не разделены с данными. Поэтому обе стороны должны знать скорость обмена данными (baud-rate). Стандарт RS - 232 описывает аппаратный механизм «рукопожатия» (handshaking), используя несколько линий передачи данных. Мы воспользуемся тремя самыми важными:

- RxD - приём данных (пин порта 2);

- TxD - передача данных (пин порта 3);

- GND - земля (пин порта 5).

Под портом имеется в виду стандартный разъём DB9-M (папа) на компьютере. Следует отметить, что в настоящее время данные порты уходят в прошлое. Их сменили порты USB. Но в связи с тем, что на RS-232 существует и выпускается ещё множество изделий, вы легко можете приобрести переходник USB - RS-232.

Приём и передача данных происходят с помощью UART - Universal Asynchronous Rceiver Transmitter (универсальный асинхронный приёмо-передатчик). В персональном компьютере - это чип, находящийся под управлением центрального процессора. В микроконтроллерах AVR - это небольшая часть кристалла. UART при приёме данных опрашивает пин входа и определяет присланную информацию (0 или 1) и, когда приём байта завершён, может сгенерировать прерывание для считывания байта из входного буфера. При передаче UART считывает байт из входного буфера и отсылает биты с определённой задержкой в соответствии со скоростью обмена. Если входной буфер пуст, UART также может сгенерировать прерывание, сообщив программе, что можно отправлять следующий байт.

Командами на прерывание являются:

- Urxc по окончании приёма;

- Utxc по окончании передачи.

В UART MCS-51 используются логические уровни 0 и 5 вольт (TTL), поэтому для согласования со стандартом RS - 232 необходимо использовать преобразователь (конвертор) уровней типа MAX3232 (MAX232), который преобразует уровни напряжения до нужного и инвертирует их.

В качестве примера приведём схему, представленную на рисунке 4.1. Она состоит лишь из микроконтроллера, преобразователя уровней, разъёма DB-9F и ЖК индикатора типа MT-16S2H (фирма - изготовитель МЭЛТ).

Рисунок 5 - Схема подключения RS-232 к микроконтроллеру

Как показано на рисунке 4.1, RS-232 подключен к микроконтроллеру при помощи контактов RxD, TxD и контакта GND, который является заземлителем.

Запись в RS-232 осуществляется, как при использовании команды Print, например:

Dim Name as String*12

Dim Age as Integer

Name = “Hello”

Age=40

Print “Name:”;Name;”Age:”;Age

Это выведет на терминал: “Name: Hello Age: 40”. Нестроковые переменные будут отформатированы перед выводом.

Пример чтения из RS-232: Input “Name:”, Name.

Нужно обратить внимание на то, что в качестве разделителя Input использует запятую (,), а Lcd и Print точку с запятой (;).

4. Разработка ГСА и управляющей программы МП системы

Блок - схема программы для проверки работы RS-232 “UART1” представлена на Рисунке 4.1. Она состоит из цикла, в котором происходит чтение микроконтроллером двух чисел из RS-232, их суммирование и запись суммы в RS-232.

Рисунок 4.1 - Блок-схема программы UART1

Результаты симуляции программы из приложения Б приведены на Рисунке 4.2.



Рисунок 4.2 - Результат симуляции программы

Заключение

В ходе выполнения курсовой работы была изучена разработка микропроцессорной системы на основе микропроцессорного контроллера (МПК), а так же подключение интерфейса RS-232 к МПК (ОК ЭВМ). Произведено описание алгоритмов и структуры программы.

Библиографический список

1. Архитектура микроконтроллеров

2. Рынок мировой электроники

3. Avrstudio

4. СТП ОмГУПС-1.2-2005. Работы студенческие учебные и выпускные квалификационные: общие требования и правила оформления текстовых документов. - Омский Государственный Университет Путей Сообщения, Омск, 2005. 28с.

Приложение А

Схема подключения RS-232 к микроконтроллеру

микропроцессорный микроконтроллер интерфейс программа

Приложение Б

Листинг программы

$Regfile = "attiny2313a.dat"

$Crystal = 4000000

$hwstack = 40

$swstack = 16

$framesize = 32

config Pind.6 = Output 'конфигурирование выводов PD6

dim Firstnumber as Integer 'объявление переменных

dim Secondnumber as Integer

dim Sum as Integer

do

Set PORTD.6 'включить PD6

Firstnumber = 0

Secondnumber = 0

Input "Enter first number:" , Firstnumber' чтение из RS-232 первого числа

Input "Enter second number:" , Secondnumber 'чтение из RS-232 второго числа

Sum = Firstnumber + Secondnumber 'определение суммы двух чисел

Print "Sum:" ; Sum `запись суммы в терминал компьютера

Reset PORTD.6 'выключение PD6

Loop

End 'завершение программы

Размещено на Allbest.ru

...