Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовой проект

Измеритель амплитуды синусоидального сигнала на базе PIC16F874

1. Техническое задание

Данная курсовая представляет собой разработку прибора для измерения характеристик синусоидального сигнала, а именно амплитуды. Необходимо вычислить измеряемую величину, как среднюю за 16 периодов синусоидального сигнала.

К прибору подключается источник сигнала и после нажатия на кнопку, спустя некоторое время, происходит вывод данных.

Этот микроконтроллер является одним из самых мощных представителей семейства PIC16Схх. Архитектура основана на концепции раздельных шин и областей памяти для данных и для команд (Гарвардская архитектура). Шина данных и память данных (ОЗУ) имеют ширину 8 бит, а программная шина и программная память (ПЗУ) имеют ширину 14 бит.

Такая концепция обеспечивает простую, но мощную систему команд, разработанную так, что битовые, байтовые и регистровые операции выполняются с высокой скоростью, и с перекрытием по времени выборок команд и циклов выполнения 14-битовая ширина программной памяти обеспечивает выборку 14-битовой команды в один цикл. Двухступенчатый конвейер обеспечивает одновременную выборку и исполнение команды. Все команды выполняются за один цикл (200 нс при 20 Мгц), исключая команды переходов. Исполняемая программа может находиться только во встроенном ПЗУ.

Общая архитектура

Контроллер включает в себя (рис. 19):

§ процессор;

§ память программ;

§ память данных (ОЗУ, регистровый файл);

§ многочисленные внешние устройства.

К узлам процессора можно отнести:

§ 8-разрядное АЛУ;

§ 8-разрядный рабочий регистр W (аккумулятор);

§ 8-разрядный регистр флагов STATUS (рис. 20);

§ 13-разрядный программный счетчик PC, по содержимому которого осуществляется доступ в память программ;

§ 8-уровневый стек программного счетчика, предназначенный для хранения только адресов возврата из подпрограмм (прерываний). (Программный доступ в стек не возможен!);

§ регистр команд и блок управления;

§ тактовый генератор;

§ схемы, реализующие режимы пониженного энергопотребленния;

§ и др.

Рис. 1. Общая структура микроконтроллера PIC 16Cxx

Регистр STATUS содержит арифметические флаги АЛУ, состояние контроллера при сбросе и биты выбора банка для памяти данных. STATUS доступен для любой команды так же, как любой другой регистр. Формат регистра (рис. 20) содержит программно и аппаратно устанавливаемые флаги.

Биты TO и PD устанавливаются аппаратно и не могут быть изменены программно. Это следует иметь в виду при выполнении команды с использованием регистра статуса. Например, команда CLRF_STATUS обнулит все биты, кроме битов TO и PD, а затем установит бит Z=1. После выполнения этой команды регистр статуса может и не иметь нулевое значение (из-за битов TO и PD) STATUS=000?? 100. Рекомендуется для изменения регистра статуса использовать только команды побитовой установки BCF, BSF, MOVWF.

Область ОЗУ (память данных) организована как 256 ? 8 бит (рис. 21) и разбита на два банка, каждый по 128 байтов. Переключение банков производится битом RP0 в регистре STATUS. Каждый банк содержит регистры общего назначения и специальные регистры. Банк 0 выбирается, когда бит RP0=0. Каждый банк занимает адресное пространство 7Fh (128 байт). Первые 32 адреса в обоих банках занимают специальные регистры. Адреса 20h - 7Fh (банк 0) и A0h - FFh (банк 1) занимают регистры общего назначения (ячейки ОЗУ).

Среди приведенных на рисунке 21 регистров можно выделить группу «процессорных» - PCL, OPTION, STATUS, FSR, PCLATH; и несколько групп, относящихся к различным «внешним» устройствам и подсистемам. Подсистема прерываний поддерживается регистрами INTCON, PIR1, PIR2, PIE1, PIE2; подсистема параллельного ввода / вывода - регистрами портов PORT A, PORT B, PORT C, PORT D, PORT E и регистрами направлений TRIS A, TRIS B, TRIS C, TRIS D, TRIS E.

Подсистема контроля времени включает регистры таймеров и регистры управления ими: TMR0, TMR1L, TMR1H, T1CON, TMR2, T2CON, а также регистры, относящиеся к двум каналам CCP - Capture\Compare\PWM (захват \ сравнение \ ШИМ): CCPR1L, CCPR1H, CCP1CON, CCPR2L, CCPR2H, CCP2CON.

Подсистема последовательного ввода / вывода представлена регистрами асинхронного приемопередатчика: TXREG, RCREG, TXSTA, RCSTA, SPBRG и синхронного последовательного порта: SSPBUF, SSPCON, SSPADD, SSPSTAT.

Наконец, аналого-цифровой преобразователь использует регистры ADRES, ADCON 0, ADCON 1.

Память программ в PIC16C не пересекается с памятью данных (Гарвардская архитектура) и имеет собственную разрядную шину в 14 бит. Адресация памяти программ осуществляется только по содержимому программного счетчика. Расширение памяти программ за пределами кристалла в PIC16Cхх не предусмотрена.

Программный счетчик имеет разрядность 13 бит и способен адресовать 8К 14 бит объема программной памяти. Однако физически на кристалле имеется только 4К 14 памяти (адреса 0000h-0FFFh). При обращение к адресам выше 0FFFh фактически обращение производится к тем же четырем килобайтам. Вектор сброса находится по адресу 0000h, вектор прерывания находится по адресу 0004h.

Формирование содержимого РС

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Формирование содержимого РС

Младший байт программного счетчика (PCL) доступен для чтения и записи и находится в регистре 02h. Старший байт программного счетчика (PCH) не может быть прямым образом прочитан или записан. Он формируется через PCLATH регистр, адрес которого 0Ah или 8AH. В зависимости от того, загружается ли в программный счетчик новое значение во время выполнения команд CALL, GOTO или в младший байт программного счетчика (PCL) производится запись, - старшие биты программного счетчика загружаются из PCLATH разными способами (рис. 22)

Кристалл PIC16C74 имеет восьмиуровневый аппаратный стек разрядностью 13 бит, предназначенный для хранения только адресов возврата. Область стека не принадлежит ни к программной области, ни к области данных, а указатель стека пользователю недоступен. Текущее значение программного счетчика посылается в стек, когда выполняется команда CALL или производится обработка прерывания. При выполнении процедуры возврата из подпрограммы (команды RETLW, RETFIE или RETURN) в программный счетчик выгружается содержимое стека. Регистр PCLATH (0Ah) не изменяется при операциях со стеком.

Форматы команд и способы адресации

Все команды контроллера имеют одинаковую длину - 14 бит (одно командное слово) и с точки зрения форматов делятся на три разновидности (рис. 23):

§ байт-ориентированные;

§ бит - ориентированные;

§ команды с константами (8- или 11-битными).

Форматы этих команд (рис. 23), при этом приняты следующие обозначения:

СОР - поле кода операции;

f - поле адреса памяти данных;

d - указатель регистра-приемника;

b - номер бита в адресуемом f регистре;

k - 8-битная константа - непосредственный операнд;

Addr - адрес перехода или вызова (для команд GOTO, CALL).

Для доступа к регистрам ОЗУ используется прямая или косвенная адресация. В семействе PIC16C для разных моделей предусматриваются единые принципы адресации с учетом возможного роста объема внутреннего ОЗУ. Поэтому адрес ячейки ОЗУ формируется как 9-битовый, причем при прямой адресации семь младших бит адреса берутся из поля адреса команды, а два старших - разряды PR1.PR0 регистра STATUS.

Для организации косвенной адресации необходимо в поле f команды поместить код 000 0000. В этом случае память адресуется через регистр FSR (04h), причем содержимое регистра FSR рассматривается как восемь младших разрядов адреса, а старший (девятый) бит - разряд IRP регистра STATUS.

Любая команда, которая использует f0 (адрес 00) в качестве регистра, фактически обращается к указателю, который хранится в FSR (04h). Чтение косвенным образом самого регистра f0 даст результат 00h. Запись в регистр f0 косвенным образом будет выглядеть как NOP, но биты статуса могут быть изменены.

В PIC16C74 объем ОЗУ составляет 256 байт и, следовательно, требуется

8-разрядный адрес. Поэтому биты IRP и RP1 для формирования адреса не используются. Их можно, но не рекомендуется, использовать как биты общего назначения.

При непосредственной адресации первый операнд двухместных операций извлекается из младшего байта командного слова, второй операнд и результат - всегда в регистре W.

Система операций

Система команд семейства PIC16xx приведена в приложении 2.1. Традиционно разделим команды на классы пересылочных, арифметико-логических, передачи управления и системных. При рассмотрении команд будем подразумевать под «регистром f» ячейку ОЗУ, адресуемую (прямо или косвенно) полем f команды.

Класс пересылки и загрузки включает команды сброса регистра f или W, загрузку W константой, обмен тетрадами в регистре f, пересылку содержимого W в регистр f и пересылку регистра f в регистр-приемник, каковым может быть регистр W (при d = 0) или регистр f (при d = 1). В последнем случае осуществляется как-бы пересылка регистра «самого в себя», но при этом по содержимому регистра f формируется значение флага Z, так что эту разновидность команды пересылки можно рассматривать как команду проверки.

В этом же классе присутствуют две команды - TRIS f и OPTION, сохранившиеся, очевидно, от более ранних семейств контроллеров. Разработчикам не рекомендуется использовать их в своих программах, а функции загрузки этих регистров можно реализовать с помощью команды MOVWF f.

В классе арифметико-логических и специальных команд присутствуют двухместные операции: сложение, вычитание, конъюнкция, дизъюнкция, неравнозначность, причем в качестве первого операнда может выступать регистр f или константа k, а в качестве второго - всегда регистр W. Результат операции с участием регистра f размещается, в зависимости от значения бита d команды, в регистре W или f, с участием константы - только в W.

Одноместные операции правого и левого сдвигов через флаг переноса С, инкремента, декремента, инверсии могут выполняться над любым регистром, адресуемым полем f, причем результат этих операций можно разместить как в регистре f, так и в W.

Две битовые команды позволяют установить или сбросить любой бит регистра f.

Класс команд передачи управления включает безусловные переход и вызов подпрограммы по прямому адресу, три разновидности команды безусловного возврата из подпрограммы и четыре команды условных пропусков следующей команды.

Две из последних обеспечивают условные переходы, позволяя пропустить следующую команду, если установлен (или сброшен) любой указанный бит b любого регистра f. В системе команд отсутствуют традиционные переходы по значениям флагов, однако следует помнить, что регистр STATUS, в котором хранятся флаги, можно задать как регистр f.

Две другие команды пропусков обеспечивают организацию циклов, осуществляя модификацию (инкремент или декремент) регистра f и пропуск следующей команды, если результат окажется равным нулю. При этом результат модификации может быть занесен как тот же регистр f, так и в регистр W.

Класс системных представлен тремя командами: традиционной пустой операцией, командой сброса сторожевого таймера, которая обнуляет сторожевой таймер и его предделитель и устанавливает флаги TO и PD в регистре STATUS, и наконец, команда перевода контроллера в режим пониженного энергопотребления («спящий» режим).

Порты ввода / вывода

На кристалле PIC16C74 предусмотрено пять портов параллельного обмена с побитовой индивидуальной настройкой на вход или на выход. Выводы кристалла, линии портов используются одновременно и для подключения к АЦП, к внешнему прерыванию и другим встроенным узлам кристалла. Альтернативные переключения осуществляются через управляющие регистры. В таблице 4 приведено назначение выводов кристалла.

Порт А

Порт А - это порт разрядностью 6 бит, соответствующие выводы кристалла RA [5:0]. Выводы RA [3:0], RA5 двунаправленные. Линия RA4 - особая. Она имеет выход с открытым коллектором и вход триггера Шмитта. Адрес регистра порта А - 05h. Относящийся к порту А управляющий регистр TRISA расположен по адресу 85h. Если бит управляющего TRISA регистра имеет значение единица, то соответствующий вывод порта A запрограммирован на ввод. Ноль переключает вывод порта A на вывод и одновременно выводит на него содержимое соответствующего бита регистра защелки. Выводы RA [3:0] могут быть также использованы как каналы аналоговых входов AN3 - AN0. Чтобы настроить линии RA как дискретные (то есть порт) или как вход АЦП, надо установить два бита в управляющем регистре ADCON1 (9Fh). Когда выводы определены как аналоговые входы, значение соответствующих разрядов регистра TRISA игнорируется. После сброса при включении выводы RA [3:0], RA[5] конфигурируются как аналоговые входы. Вывод RA4 может быть использован как вход внешнего тактового сигнала для TMR0.

В качестве примера приведена схема линии порта RA (рис. 31).

Схема выводов 0 - 3, 5 порта А

микроконтроллер архитектура синусоидальный

Порт В

Порт В-это двунаправленный порт разрядностью 8 бит (адрес регистра 06h). Относящийся к порту В управляющий регистр TRISB расположен по адресу 86h. Если бит управляющего TRISB регистра равен единице, то соответствующая линия будет устанавливаться на вход. Ноль переключает линию на выход и одновременно выводит на нее содержимое соответствующего регистра защелки. У каждого вывода порта В имеется небольшая активная нагрузка (около 100 мкА) на линию питания. Она автоматически отключается, если этот вывод запрограммирован как выход. Более того, управляющий бит RBPU OPTION[7] может отключить (при RBPU=1) все нагрузки. Сброс при включении питания также отключает все нагрузки. Четыре линии порта В (RB [7:4]) формируют запрос на прерывание при изменении значения сигнала на любой из них (только как входы). Если эти выводы настроены на вход, то они опрашиваются и защелкиваются в такте чтения Q1. Процессор может не обнаружить короткие импульсы на входе, их длительность должна быть более двух машинных циклов.

Новая величина входного сигнала сравнивается со старой в каждом машинном цикле. При несовпадении значения сигнала на выводе и в защелке линий RB4, RB5, RB6, RB7 генерируется запрос на прерывание RBIF (INTCON[0]). Любая линия, настроенная как выход, не участвует в этом сравнении. Прерывание может вывести кристалл из режима SLEEP. В подпрограмме обработки прерывания следует сбросить запрос прерывания одним из следующих способов:

1. Запретить прерывания при помощи обнуления бита RBIE INTCON[3].

2. Прочитать порт В. Это завершит состояние сравнения. Затем сбросить бит RBIF.

Прерывание по фронтам на RB и программно устанавливаемые внутренние активные нагрузки на этих четырех линиях могут обеспечить простой интерфейс, например для клавиатуры, с выходом из режима SLEEP по нажатию клавиш. Вывод RB0 совмещен со входом внешнего прерывания INT.

Порт С

Порт C - это двунаправленный порт разрядностью восемь бит (адрес регистра 07h). Относящийся к порту C управляющий регистр TRISC расположен по адресу 87h. Если бит управляющего TRISC регистра равен единице, то соответствующая линия будет устанавливаться на вход. Ноль переключает линию на выход и одновременно выводит на нее содержимое соответствующего регистра защелки. Пример инициализации порта С:

Альтернативные функции выводов порта С приведены выше в таблице.

Порт D

Порт D - это двунаправленный порт разрядностью восемь бит (адрес регистра 08h). Относящийся к порту D управляющий регистр TRISD расположен по адресу 88h. Если бит управляющего TRISD регистра равен единице, то соответствующая линия будет устанавливаться на вход. В этой конфигурации на входах используются триггеры Шмитта. Ноль переключает линию на выход и одновременно выводит на нее содержимое соответствующего регистра защелки. Порт D может быть сконфигурирован как параллельная шина для подключения кристалла в качестве сопроцессора. Для этого нужно установить бит PSPMODE в слове управления TRISE[4].В этом режиме входы будут иметь уровни ТТЛ.

Порт Е

Порт E имеет три линии (RE0, RE1, RE2), которые могут быть настроены как линии ввода / вывода (адрес регистра 09h). Относящийся к порту E управляющий регистр TRISE (рис. 32) расположен по адресу 89h (состояние по сбросу -0000 0111B). Когда линии портов настроены на ввод, то используются триггеры Шмитта. Если установлен бит PSPMODE в управляющем слове TRISE[4], то порт Е может быть использован для контроля микропроцессорной шины. В этом режиме пользователь должен проследить, чтобы биты TRISE [2:0] были установлены в единицы (т.е. соответствующие выводы сконфигурированы как цифровые входы). В этом режиме входы будут иметь уровни ТТЛ. Альтернативные функции выводов порта E сведены в таблицу.

IBF - входной буфер заполнен;

при IBF = 1 слово получено и должно быть прочитано CPU.

OBF - выходной буфер заполнен;

при OBF = 1 выходной буфер еще удерживает предыдущее слово, иначе выходной буфер уже прочитан.

IBOV - входной буфер переполнен;

при IBOV = 1 запись во входной буфер происходит, когда предыдущее слово еще не прочитано. Бит должен сбрасываться программно.

PSPMODE - выбирает режим для порта D и порта E;

при PSPMODE = 1 порты могут быть использованы как параллельная шина для подключения кристалла в качестве сопроцессора, 0 - двунаправленные линии ввода / вывода.

TRISE [2:0] - биты управления направлением на выводах RE [2:0] соответственно («1» - вход, «0» - выход).

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

Модуль АЦП (рис. 33) содержит восемь аналоговых каналов, мультиплексируемых на одну схему выборки / хранения и далее на АЦП. Опорное напряжение поступает извне через вывод RA3/AIN3/Vref или формируется внутри кристалла из напряжения питания Vdd. (рис. 31). АЦП может проводить преобразование и в режиме SLEEP. Управляющий регистр ADCON1 позволяет сконфигурировать порты ввода / вывода как аналоговые входы или цифровые линии ввода / вывода.

Аналого-цифровое преобразование

Преобразователь использует принцип последовательного приближения; 8-битовый результат преобразования помещается в регистр ADRES (1Eh). Преобразование инициируется установкой управляющего бита (GO/DONE) в регистре ADCON0. До начала преобразования должен быть выбран нужный канал и обеспечено достаточное время для завершения выборки / хранения. Время преобразования есть функция периода генератора. Минимально возможное время преобразования - 20 мкс. В конце преобразования бит GO/DONE обнуляется и выставляется флаг прерывания от АЦП (ADIF). Ошибка преобразования не превышает 1 LSB для Vdd=5.12 В и Vref = Vdd. Разрешение и точность уменьшаются, когда Vref меньше Vdd.

Последовательность действий для проведения АЦП:

1. Конфигурация АЦП модуля:

§ конфигурация аналоговых входов (ADCON1 [2:0]);

§ выбор одного из каналов АЦП (ADCON0 [5:3]);

§ выбор тактов преобразования (ADCON0 [7:6]);

§ разрешение работы АЦП модуля (ADCON0 [0]).

2. Конфигурация прерывания от АЦП (если требуется):

§ обнулить бит ADIF (PIR1 [6]);

§ установить бит ADIE (PIE1 [6]);

§ установить бит GIE (INTCON[7]).

3. Обеспечить необходимое время для заряда конденсатора в схеме выборки / хранения.

4. Пуск преобразования: установить бит GO //DONE (ADCON0 [6]).

5. Ожидание конца преобразования (или…или):

§ бит GO //DONE должен обнулиться;

§ ожидание прерывания после завершения АЦП преобразования.

6. Прочитать ADRES регистр, в котором записан результат преобразования:

§ обнулить ADIF, если требуется.

После завершения аналого-цифрового преобразования вырабатывается сигнал прерывания и устанавливается флаг ADIF в PIR1. Этот флаг должен сбрасываться программой. Бит разрешения / запрещения прерывания устанавливается в PIE1

Подключение аналоговых входов. Пользователь должен установить регистр ADCON1 так, чтобы линии аналоговых сигналов были сконфигурированы как аналоговые входы. Так как линии аналоговых сигналов включены параллельно цифровым выходам, которые имеют диоды защиты, подключенные к Vdd и к Vss в обратном направлении, то входной аналоговый сигнал должен ограничиваться этими значениями. Чтобы избежать повреждений входных цепей, рекомендуется подавать аналоговый сигнал через ограничивающий резистор не менее 500 Ом.