Устройство микроконтроллера ATmega 128

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

микроконтроллер подключение двигатель

На сегодняшний день микропроцессорные технологии внедряются очень глубоко в самые различные автоматические и полуавтоматические системы. Существует ряд преимуществ, получаемых при использовании цифровых технологий в управлении системами, по сравнению с иными технологиями. В первую очередь это возможность гибкого и сложного управления объектами. Один микроконтроллер способен заменить огромное количество альтернативных средств достижения поставленной цели в управлении. Примером гибкого управления системой вполне может быть управление двигателем постоянного тока.

Целью данной курсовой работы является ознакомление с устройством микроконтроллера ATmega 128 и получение навыков разработки управляющих устройств. А так же укрепление знания в области программной части микроконтроллера и его программирования.

В данной курсовой работе разработано устройство управления двигателем постоянного тока, рассматривается организация и функционирование микроконтроллера.

Содержание задания

В данной курсовой работе было спроектировано устройство управления двигателем постоянного тока содержащее:

Микроконтроллер Атmega128 (Atmel)

4 отдельных кнопоки на два положения

3 светодиода

Семисегментный индикатор (4 знакоместа)

Объектом управления является двигатель постоянного тока. Исследуемый режим работы - динамическое торможение до полной остановки.

1. Описание элементов системы и объекта управления

Двигатель постоянного тока приводится в движения за счёт взаимодействия магнитных полей неподвижной (обмотка возбуждения) и подвижной (якорь) частей. На обмотку возбуждения и якорь подается постоянный электрический ток. В зависимости от схемы подключения различают подключение с независимым, последовательным и параллельным возбуждением. Для запуска двигателя подают напряжение на обмотку возбуждения и на якорь (замкнуть ключи К1 и К2). К двигателю подключен тахогенератор напряжение на выходе которого (V1) зависит от скорости вращения двигателя.

В устройстве преобразования сигналов аналоговые сигналы к1, к2, к3, V1 преобразовываются в цифровые к11, к22, к33, V11.

Схема подключения двигателя постоянного тока с независимым возбуждением приведена на рис. 1.

Рисунок 1. Схема подключения двигателя

Описание микроконтроллера ATmega 128

К числу особенностей микроконтроллера относятся

FLASH-память программ объемом 128 Кбайт (число циклов стирания/записи не менее 1000);

оперативная память (статическое ОЗУ) объемом 4 Кбайт

память данных на основе ЭСППЗУ (EEPROM) объемом 4 Кбайт (число циклов стирания/записи не менее 100000);

возможность защиты от чтения и модификации памяти программ и данных;

возможность программирования непосредственно в системе через последовательные интерфейсы SPI и JTAG;

возможность самопрограммирования;

возможность внутрисхемной отладки в соответствии со стандартом IEEE 1149.1 (JTAG);

различные способы синхронизации: встроенный RC-генератор с внутренней или внешней времязадающей RC-цепочкой или с внешним резонатором; внешний сигнал синхронизации;

наличие нескольких режимов пониженного энергопотребления;

наличие детектора снижения напряжения питания

возможность программного снижения частоты тактового генератора.

Характеристики процессора

полностью статическая архитектура; минимальная тактовая частота равна нулю;

АЛУ подключено непосредственно к регистрам общего назначения;

большинство команд выполняется за один машинный цикл;

многоуровневая система прерываний; поддержка очереди прерываний;

наличие программного стека;

наличие аппаратного умножителя.

2. Характеристики подсистемы ввода/вывода

программное конфигурирование и выбор портов ввода/вывода;

выводы могут быть запрограммированы как входные или как выходные независимо друг от друга;

входные буферы с триггером Шмидта на всех выводах

возможность подключения ко всем входам внутренних подтягивающих резисторов;

Периферийные устройства

8-разрядные таймеры/счетчики (таймеры Т0 и Т2)

16-разрядные таймеры/счетчики (таймеры Т1 и Т3)

сторожевой таймер WDT

генераторы сигнала с ШИМ разрядностью 8 бит (один из режимов работы 8-разрядных таймеров/счетчиков Т0 и Т2)

одно-, двух- и трехканальные генераторы сигнала с ШИМ регулируемой разрядности (один из режимов работы 16-разрядных таймеров/счетчиков Т1 и Т3)

аналоговый компаратор

многоканальный 10-разрядный АЦП, как с несимметричными, так и с дифференциальными входами

полнодуплексный универсальный синхронный/асинхронный приемопередатчик (USART)

последовательный синхронный интерфейс SPI

последовательный двухпроводный интерфейс TWI

3. Архитектура ядра

Ядро микроконтроллера выполнено по усовершенствованной RISC-архитектуре. Арифметико-логическое устройство, выполняющее все вычисления, подключено непосредственно к 32 регистрам общего назначения. Благодаря этому АЛУ выполняет одну операцию за один машинный цикл. Практически каждая из команд (за исключением команд, у которых одним из операндов является 16-разрядный адрес) занимает одну ячейку памяти программ.

Для повышения быстродействия в ядре используется технология конвейеризации. Конвейеризация заключается в том, что во время исполнения текущей команды производится выборка из памяти и дешифрация кода следующей команды. На рис. 2 изображен корпус микроконтроллера ATmega128.

Рисунок 2. Расположение выводов микроконтроллера Atmega128

Port A (PA7..PA0), Port B (PB7..PB0), Port C (PC7..PC0), Port D(PD7..PD0). 8-разрядные двунаправленные порты со встроенными нагрузочными резисторами. Выходные буферы обеспечивают ток 20 мА.

RESET. Вход сброса. Для выполнения сброса необходимо удерживать низкий уровень на входе более 50 нс.

XTAL1, XTAL2. Вход и выход инвертирующего усилителя генератора тактовой частоты.

WR, RD. Стробы записи и чтения внешней памяти данных.

ALE. Строб разрешения фиксации адреса внешней памяти. Строб ALE используется для фиксации младшего байта адреса с выводов AD0-AD7 в защелке адреса в течение первого цикла обращения. В течение второго цикла обращения выводы AD0-AD7 используются для передачи данных.

AVCC. Напряжение питания аналого-цифрового преобразователя. Вывод подсоединяется к VCC через низкочастотный фильтр.

AREF. Вход опорного напряжения для аналого-цифрового преобразователя. На этот вывод подается напряжение в диапазоне между AGND и AVCC.

AGND. Это вывод должен быть подсоединен к отдельной аналоговой земле, если она есть на плате. В ином случае вывод подсоединяется к общей земле.

PEN. Вывод разрешения программирования через последовательный интерфейс. При удержании сигнала на этом выводе на низком уровне после включения питания, прибор переходит в режим программирования по последовательному каналу.

VСС, GND. Напряжение питания и земля

4. Организация памяти

В микроконтроллере ATmega 128 реализована Гарвардская архитектура, в соответствии с которой разделены не только адресные пространства памяти программ и памяти данных, но также и шины доступа к ним.

Обобщенная карта памяти микроконтроллера приведена на рис. 3.

Память программ предназначена для хранения команд, управляющих функционированием контроллера. Память программ также часто используется для хранения таблиц констант, не меняющихся во время работы программы.

Рисунок 3. Обобщенная карта памяти микроконтроллера

Память программ представляет собой электрически стираемое ППЗУ (FLASH-ПЗУ). В связи с тем, что длина всех команд кратна одному слову (16 бит), память программ имеет 16-разрядную организацию. Логически память программ разделена на две части - область прикладной программы и область загрузчика. В последней может располагаться специальная программа, позволяющая микроконтроллеру самостоятельно управлять загрузкой и выгрузкой прикладных программ.

Для адресации памяти программ используется счетчик команд (PC - Program Counter). Размер счетчика команд составляет 16 разрядов.

По адресу $0000 памяти программ находится вектор сброса. После Инициализации микроконтроллера выполнение программы начинается с этого адреса. Начиная с адреса $0002 памяти программ, располагается таблица векторов прерываний.

Если прерывания в программе не используются либо таблица векторов прерываний располагается в области загрузчика, то программа может начинаться непосредственно с адреса $0001.

Регистр RAMPZ расположен по адресу $3B($5B) в памяти данных.

FLASH-ПЗУ, используемое в микроконтроллере ATmega, рассчитано как минимум на 1000 циклов стирания/записи.

Память данных.

Память данных микроконтроллера разделена на три части: регистровая память оперативная память (статическое ОЗУ) и энергонезависимое ЭСППЗУ (EEPROM).

Регистровая память включает 32 регистра общего назначения, объединенных в файл, и служебные регистры ввода/вывода.

В области регистров ввода/вывода располагаются служебные регистры, а также регистры управления периферийными устройствами, входящими в состав микроконтроллера.

5. Регистры общего назначения

В микропроцессоре ATmega 128 все 32 регистра общего назначения непосредственно доступны АЛУ. Благодаря этому любой регистр общего назначения может использоваться во всех командах и как операнд источник и как операнд приемник. Такое решение (в сочетании с конвейерной обработкой) позволяет АЛУ выполнять одну операцию за один машинный цикл.

Последние шесть регистров общего назначения могут также объединяться в три 16-разрядных регистра X, Y, и Z, используемых в качестве указателей при косвенной адресации памяти данных.

Каждый регистр имеет свой собственный адрес в памяти данных.

Регистры ввода/вывода

Все регистры ввода/вывода можно разделить на две группы - служебные регистры и регистры, относящиеся к конкретным периферийным устройствам.

Размещение в памяти регистров ввода/вывода, используемых в курсовой работе приведено в таблице 1. В скобках указываются соответствующие им адреса ячеек ОЗУ.

Таблица 1 Размещение в памяти регистров ввода/вывода

Прерывания

Прерывание прекращает нормальный ход программы для выполнения приоритетной задачи, определяемой внутренним или внешним событием микроконтроллера.

Таблица векторов прерываний

Младшие адреса памяти программ начиная с адреса $0002 отведены под таблицу прерываний. Каждому прерыванию соответствует адрес в этой таблице, который загружается в счетчик команд при возникновении прерывания. Положение вектора в таблице также определяет приоритет соответствующего прерывания: чем меньше адрес, тем выше приоритет соответствующего прерывания.

Положение таблицы векторов прерываний может быть изменено. Таблица может располагаться не только в начале памяти программ, а также и в начале области загрузчика. Причем перемещение таблицы может быть осуществлено в ходе выполнения программы.

Распределение адресов таблицы векторов прерываний, используемых в курсовой работе, приведено в таблице 2.

Таблица 2. Распределение адресов таблицы векторов прерываний

6. Описание системы индикации

Семисегментный индикатор

Для отображения информации так же используется индикатор

Характеристики индикатора

Длина волны - 640 нм; минимальная сила света - 8 мКд; максимальная сила света - 18 мКд; количество сегментов - 7; количество знакомест -3; высота знака - 10.16 мм; максимальное прямое напряжение - 2.5 В; максимальное обратное напряжение - 5 В; максимальный прямой ток - 30 мА

Кнопки

В системе используется 4 кнопок типа, имеющих следующие характеристики:

Фиксации нет; сопротивление изолятора - не менее 100 Мом; сопротивление контактов - не более 0.05 Ом; рабочее напряжение - 30 В; предельное напряжение - 250В переменного тока в течение 1 мин; рабочий ток 0.1 А

Размещено на Allbest.ru