Разработка микропроцессорного устройства для подсчета импульсов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Развитие микроэлектроники и широкое применение ее изделий в промышленном производстве, в устройствах и системах управления самыми разнообразными объектами и процессами является в настоящее время одним из основных направлений научно-технического прогресса.

В классической микропроцессорной системе используются отдельная микросхема процессора, отдельные микросхемы памяти и отдельные порты ввода вывода. Стремительное развитие микропроцессорной техники требует всё большей и большей степени интеграции микросхем.

Именно поэтому были разработаны микросхемы, которые объединяют в себе сразу все элементы микропроцессорной системы. Такие микропроцессоры называются микроконтроллерами.

Микроконтроллер - это микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Использование одной микросхемы, вместо целого набора, как в случае обычных процессоров, применяемых в персональных компьютерах, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость устройств, построенных на базе микроконтроллеров.

Использование микроконтроллеров в изделиях производственного и культурно-бытового назначения приводит к повышению технико-экономических показателей изделий (стоимости, надёжности, потребляемой мощности, габаритных размеров), позволяет многократно сократить сроки разработки и отодвинуть сроки морального старения изделий. Так же придаёт им принципиально новые потребительские качества, такие как расширенные функциональные возможности, модифицируемость, адаптивность и т.д. За последние годы в микроэлектронике бурное развитие получило направление, связанное с выпуском однокристальных микроконтроллеров, которые предназначены для «интеллектуализации» оборудования различного назначения.

К настоящему времени более двух третей мирового рынка микропроцессорных средств составляют именно однокристальные микроконтроллеры.

Достаточно широкое распространение имеют микроконтроллеры фирмы Motorola, которые располагают большими функциональными возможностями.

В данной курсовой работе мы рассмотрим один из микроконтроллеров серии - MC 68HC908GP32 компанииMotorola.

Задание. Разработать устройство для подсчёта числа импульсов, поступающих на вход микроконтроллера за данный промежуток времени t=300 мкс. Информацию о количестве импульсов (до 255) вывести на цифровой индикатор. Запуск производится нажатием кнопок «Пуск» и «Счёт».



1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Цифровая индикация в микропроцессорных системах

Для отображения цифровой информации в системах на базе микроконтроллеров используются светодиодные семисегментные индикаторы. Они просты в управлении, имеют высокую яркость, широкий диапазон рабочих температур и низкую стоимость. К недостаткам светодиодных индикаторов относятся - высокое энергопотребление, отсутствие управляющего контроллера и скудные возможности по выводу буквенной информации.

Светодиодный семисегментный индикатор представляет собой группу светодиодов расположенных в определенном порядке и объединенных конструктивно. Зажигая одновременно несколько светодиодов можно формировать на индикаторе символы цифр.

Индикаторы различаются:

1. По типу соединения светодиодов - общий анод, общий катод;

2. По количеству отображаемых разрядов - одноразрядные, двух разрядные и т.д.;

3. По цвету - красные, зеленые, желтые и т.д.

Рисунок 1.1 Семисегментный индикатор



1.2 Методы цифровой индикации

Семисегментным индикатором можно управлять статически или динамически.

При статической индикации сегменты зажигаются один раз и переключаются только при изменении цифры. Программный интерфейс статической индикации так же выполнен достаточно удобно: не нужно постоянно вызывать из программы функции или подпрограммы, отвечающие за динамическую индикацию. Необходимо только при изменении данных повторно вывести их на дисплей.

Но возникает проблема: для этого требуется большое количество выводов микроконтроллера. К примеру, если у нас 4 цифры, то нужно 8х4=32 вывода. Поэтому для реализации статической индикации необходимо использовать сдвиговые регистры или расширители портов.

Расширители портов, как правило, подключаются к микроконтроллеру через SPI/I2C и представляют собой полноценный порт ввода-вывода, который можно настроить на вход или выход и перевести в высокоомное состояние (это когда вывод как-бы ни к чему не подключен).

Преимущества, в сравнении с динамической индикацией:

- Постоянная яркость индикации на любой частоте;

- Переключение только при изменении цифры;

- Легче в программировании, так как не нужно постоянно вызывать из программы функции или подпрограммы, отвечающие за динамическую индикацию.

Недостатки, в сравнении с динамической индикацией:

- Необходимо большое количество выводов микроконтроллера;

- Необходимо использовать сдвиговые регистры или расширители портов;



Рисунок 1.2 Статическая индикация

При динамической индикации сегменты зажигаются по очереди. А за счет инерции глаза кажется, что индикатор горит постоянно. Из ее основных плюсов является то, что требуется гораздо меньше внешних элементов. Основной минус - постоянно требуется внимание процессора. Частота смены сегментов выбирается обычно не ниже 50Гц. Лучше использовать частоты не кратные 50, иначе при искусственном освещении может появиться мерцание. Частота прерываний считается как произведение «количества разрядов» на «частоту обновления». Так для 8 разрядов с частотой 60Гц нужно вызывать прерывание с F=8х60=480Гц.

Есть два вида такой индикации: поразрядная и посегментная. Первая наиболее известна и популярна, вторая лучше подходит, когда необходимо большое количество разрядов (больше 10).

Поразрядная динамическая индикация. Самый известный и популярный вид индикации. Ее смысл в том, что в каждый момент времени горит только один разряд.

Для небольшого количества разрядов поразрядная индикация наиболее проста и вполне годна для применения, но когда количество разрядов становится слишком большим, ее использование становится не лучшим решением, так как с увеличением количества разрядов увеличивается время, пока индикатор не горит, а соответственно его яркость становится существенно ниже.

Посегментная динамическая индикация. Ее главное отличие от поразрядной индикации является в том, что в ней перебираются не разряды, а сегменты индикатора. В результате частота загорания каждого сегмента не зависит от количества разрядов.

Алгоритм работы подпрограммы состоит в том, что идет перебор всех байтов в буфере и если в данной позиции текущий сегмент не должен гореть, то в регистр записывается «1». Единица пишется, так как активный уровень у общего вывода индикатора - «0». После перебора всего буфера в выходы защелок фиксируется новое состояние и зажигается новый сегмент.

Семисегментным индикатором можно управлять статически или динамически.

При статическом управлении разряды индикатора подключены к микроконтроллеру независимо друг от друга и информация на них выводится постоянно. Этот способ управления проще динамического, но без использования дополнительных элементов, как-то сдвиговые регистры, подключить многоразрядный семисегментный индикатор к микроконтроллеру будет проблематично, поскольку может не хватить выводов.

Динамическое управление (динамическая индикация) подразумевает поочередное зажигание разрядов индикатора с частотой, не воспринимаемой человеческим глазом. Схема подключения индикатора в этом случае на порядок экономичнее благодаря тому, что одинаковые сегменты разрядов индикатора объединены.

микроконтроллер цифровой индикация импульс



2. РАЗРАБОТКА МИКРОКОНТРОЛЛЕРНОГО УСТРОЙСТВА

2.1 Описание принципиальной электрической схемы

В схеме используется микроконтроллер семейства 68HC08/908 фирмы Motorola. Содержит процессорное ядро CPU, Flash-память емкостью от 128 Байт до 2 кБайт. Микроконтроллер работает при напряжении питания 5В, обеспечивая максимальную тактовую частоту 8 МГц. Для этого на все входы VDD необходимо подать напряжени 5В, а все входы VSS посадить на землю. Также микроконтроллер имеет 16-разрядный таймер и содержит 8-10-разрядный АЦП.

Работа микроконтроллера задается внешний кварцевым резонатором Z1, который обеспечивает умножение частоты в сотни раз, что позволяет подключать в качестве частотно-задающего элемента дешевые и стабильные кварцевые кристаллы с резонансной частотой Fq = 32,768 кГц. В паре с этим резонатором Z1 работают конденсаторы C2 и C3 емкостью 3 пФ. Подключается внешний резонатор к выводам OSC1 и OSC2 микроконтроллера.

Вывод CGMXFC используется для подключения внешнего фильтра, так как применяется внешний кварцевый генератор на частоте 32,768 кГц. Состоит внешний фильтр из резистора R2 номиналом 10 кОМ и пары конденсаторов С4 и С5 емкостью 3 пФ.

Схема RST состоит из конденсатора С6 емкостью 3 пФ, который при включении схемы разряжен и напряжение на RST ближе к нулю - микроконтроллер не запускается, так как для него непрерывный сброс. Но со временем через резистор R3 номиналом 10 кОМ, конденсатор С6 зарядится и напряжение на RST достигнет логической «1» - микроконтроллер запустится. Кнопка S1 позволяет принудительно сделать сброс при необходимости.

Данное устройство, работающее на ранее описанных элементах, осуществляет выполнения опроса сигнала. Опрос устройства начинается при помощи нажатия кнопок S2 - «пуск», остановка устройства кнопкой S3 -«нуль».

При нажатии кнопки S2 - «пуск» на вход порта PTC 5 подается логический «1» и генератор импульсов Gen1, подключаемый к порту PTD6, формирует на входе импульсы прямоугольной формы.

После тридцатого обнаружения сигнала логического «0» на дисплее цифрового индикатора семисегментного элемента отображается информация количества опроса сигнала. Семисегментные элементы 7Seg1,7Seg2 и 7Seg3 подключаются к микроконтроллеру при помощи дешифратора DD2 к портам от PTА7 до PTА3. Индикация разрядами осуществляется динамическим путем при помощи транзисторных ключей, подключенных по схеме с общим анодом. Для этого выставляется логический «0» на выходе порта PTA7 для первого разряда, затем подается логический уровень на управляемый транзистор первого разряда. Так же осуществляется индикация портов от PTA6 до PTA4, соответственно. Такая операция происходит по кругу.

После того как информация выведется на дисплее цифрового индикатора, устройство выдаст звуковой сигнал и включится зеленый светодиод.

Звуковой индикатор подключается к порту микроконтроллера PTD7. Светодиод VD1 подключается к порту PTC6, работающий в паре с резистором R4, номиналом 0,16 кОМ. Резистор R4 определяется по формуле

R= ,

где - напряжение питания равное 5В, - прямое напряжение светодиода равное 2,5В, I- ток светодиода равный 15мА. Сделав расчет R= кОМ.

Затем при нажатии кнопки S3-«нуль»на вход порта PTC7 подается логический «1»происходит отжатие кнопки S2-«пуск», на вход схемы подается логическая «1», происходит размыкание схемы, работа устройства прекращается.

2.2 Выбор и обоснование элементной базы

В состав схемы входит:

- DD1 Микроконтроллер MC68CHC908GP32. Это микроконтроллер семейства 68HC08/908 фирмы Motorola. Микроконтроллер 68HC08/908 принадлежит к семейству интегральных схем HC, выпускаемых компанией Motorola по технологии «hight-speed CMOS». CMOS, или в русскоязычной терминологии КМОП, - это технология производства цифровых интегральных схем на основе комплементарных полевых транзисторов со структурой «Металл - Окисел - Полупроводник».

Технические характеристики:

- Процессорное ядро CPU08;

- Flash-память емкостью до 128 Кбайт;

- ОЗУ данных емкостью от 128 байт до 2 Кбайт;

- ЭСППЗУ емкостью 512 байт или 1 Кбайт.

- Напряжение питания 5,0 В;

- Максимальная тактовая частота 8 МГц.

Электрические и динамические характеристики:

- Минимальное выходное напряжение логической «1» 4,2 B;

- Максимально выходное напряжение логического «0» 0,4 B;

- Максимальный выходной ток логической «1» - 0,8 мА;

- Максимальный выходной ток логического «0» 1,6 мА;

- Минимальное входное напряжение логической «1» 13,5 В;

- Максимальное входное напряжение логического «0» 1,0 B;

- Максимальный входной ток логической «1» 10 мкА;

- Gen1 Генератор импульсов АКИП-3303.

Технические характеристики:

- Используется технология прямого цифрового синтеза;

- Высокая точность установки временных параметров 5Ч10-5;

- Режим одиночных и парных импульсов, регулируемая задержка между основным и синхроимпульсом;

- Диапазон частот от 0,1 мГц до 50 МГц;

- Регулировка смещения (± 5 В); Вход внешней опорной частоты;

- Индикатор ЖКИ 5,7 дюймов.

- DD2 Дешифратор К514ИД2.

Микросхемы представляют собой дешифратор для семисегментного полупроводникового цифрового индикатора с разъединенными катодами сегментов. Предназначен для работы в электронной аппаратуре в качестве дешифратора логических сигналов из двоичного кода 8-4-2-1 в семисегментный код для питания цифровых полупроводниковых индикаторов. Содержат 124 интегральных элементов.

Электрические параметры:

- Номинальное напряжение питания 5 В;

- Выходное напряжение низкого уровня при Uвх1=2 В:

Uвх0=0,8 В; Iвых=20 мА ? 0,4 В;

- Ток потребления ? 50 мА;

- Выходной ток высокого уровня при Uвх1=2 В:

Uвх0=0,8 В; Uвых=10 В? 250 мкА;

- Входной ток низкого уровня при Uвх0=0,4 В ?|-1,6| мА;

- Входной ток высокого уровня при Uвх1=2,4 В ?0,07 мА.

Предельно допустимые режимы эксплуатации:

- Напряжение питания 5,25 В;

- Максимальное напряжение на каждом выходе 10 В;

- Максимальный выходной ток на каждом выходе 20,5 мА;

- Температура окружающей среды от -10 до +85 °C;

- LS1 Звуковой индикатор ABT-407-RC.

Технические характеристики:

- Минимальное Напряжение Питания 1 В;

- Максимальное Напряжение Питания 3 В;

- Выходной Уровень Звука 70 дБ;

- Функция Датчика: Сирена;

- Ток 15 мА;

- Резонансная Частота 2.048 кГц;

- Активное сопротивление 42+6ОМ;

- Реактивное сопротивление 120 ОМ.

- Z1 Кварцевого резонатора KX-327L.



Отличительные особенности:

- Малые габариты;

- Расширенный диапазон рабочих температур.

Технические параметры:

- Номинальная частота 32,768 кГц;

- Рабочая температура от -20 до +70°С;

- Шунтирующая емкость СО 0,8 пФ;

- Динамическое сопротивление 65 кОм;

- Рассеиваемая мощность 0,01 мВт;

- Размеры: длина 7,0 мм; ширина 1,5 мм;

- Площадь на плате 10,5 мм².

- С1-С6 Конденсаторы К53-16-1.

Конденсаторы оксидно-полупроводниковые компаундированные в корпусе из полиэтилентерефталатной пленки с однонаправленными выводами.



Технические характеристики:

- Номинальное напряжение от 1,6 до 50В;

- Номинальная емкость от 0,01 до 15 мкФ;

- Тангенс угла потерь max 12%;

- Интервал рабочих температур от -60 до +125°С.

- S1-S3 Переключатели ПКН105-5В.

Переключатели кнопочные ПКН105-5В предназначены для работы в электрических цепях постоянного и переменного тока.

ПКН105-5В - две контактные группы, цвет кнопки красный.

Технические характеристики:

- Усилие переключения приводного элемента не более 7,84 Н;

- Полный ход приводного элемента от 1 до 2 мм;

- Сопротивление электрического контакта - не более 0,05 Ом;

- Сопротивление изоляции - не менее 1000 МОМ;

- Электрическая прочность изоляции - 750 В;

- Температура окружающей среды - от -60 °С до +85 °С.

- R1-R8 Резисторы МЛТ-0,125.

Резисторы с металлодиэлектрическим проводящим слоем предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока в качестве элементов навесного монтажа. Резисторы относятся к неизолированным.

Технические характеристики:

- Размеры резистора 0,125 мм;

- Предельное рабочее напряжение 200 В;

- Максимальная рассеиваемая мощность 0,125 Вт;

- Масса резистора 0,15 г;

- Уровень собственных шумов 5 мкВ;

- Минимальная наработка 25000 ч;

- Диапазон номинальных сопротивлений от 8,2 Ом до 3 МОМ;

- Температура окружающей среды от -60 до +70 °С;

- VD1 Светодиод L-132XGD.



Технические характеристики:

- Цвет свечения зеленый;

- Длина волны 568 нм;

- Минимальная сила света Iv мин. 8 мКд;

- Максимальная сила света Iv макс.15 мКд;

- Цвет линзы: зеленый матовый;

- Форма линзы: круглая;

- Размер линзы 3 мм;

- Максимальное прямое напряжение 2,5 В;

- Максимальное обратное напряжение 5 В;

- Максимальный импульсный прямой ток 30 мА;

- Рабочая температура от -40 до +85°С.

- 7Seg1-7Seg3 Семисегментные элементы АЛС 320 А.

Семисегментный индикатор предназначен для отображения цифровой информации.

Технические характеристики:

- Цвет свечения: красный;

- Длина волны 655 нм;

- Минимальная сила света Iv мин. 0,4 мКд;

- Максимальная сила света Iv макс. 0,65 мКд;

- При токе Iпр. 10 мА: количество сегментов 7; количество разрядов 1; схема включения: общий анод;

- Высота знака 5 мм;

- Максимальное прямое напряжение 2 В;

- Максимальное обратное напряжение 2 В;

- Максимальный прямой ток12 мА;

- Максимальный импульсный прямой ток 60 мА;

- Рабочая температура от -60 до +70 °С.

- VT1 - VT3 Транзисторы КТ361Б.

Технические характеристики:

- Структура p-n-p;

- Максимально допустимое (импульсное) напряжение коллектор-база 20 В;

- Максимально допустимое (импульсное) напряжение коллектор-эмиттер 20 В;

- Максимально допустимый постоянный(импульсный) ток коллектора 100 мА;

- Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора без теплоотвода (с теплоотводом) 0.15 Вт;

- Статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером 50-350;

- Обратный ток коллектора <=1 мкА;

- Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером =>250 МГц.



2.3 Блок схема устройства



В приведенной блок-схеме вначале цикла (проверка портов PTC5=0 и PTC6=0) перебираются элементы необработанной части массива. Если все элементы обработаны и PTC6 = 0, то алгоритм завершает работу, в противном случае, если PTC5 = 0, то выполняется поиск Nпозиций «логического нуля» для вывода N на дисплей, включения VD1 и включения звукового индикатора. Искомая позиция будет проводить счет в результате выполнения внутреннего цикла, осуществляющем подсчет элементов до тех пор, пока не будет найдено N обнаружений «логического нуля».

В качестве управляющей программы микропроцессорного устройства выбрана интегрированная среда Win IDE ICS08 для разработки и отладки программного обеспечения на языке ассемблера.

Интегрированная среда разработки прикладного программного обеспечения для встраиваемых микропроцессорных систем Win IDE ICS08 входит в комплект внутрисхемных симуляторов ICS08xx фирмы PemicroInc. Особенность пакета состоит в том, что он жестко не привязан к аппаратной платформе и является свободно распространяемым продуктом.

Интегрированная среда разработки Win IDE ICS08 ориентирована на создание законченных прикладных программ для встраиваемых приложений на языке ассемблера. Особенность пакета Win IDE ICS08 заключается в том, что он содержит в себе сразу три типа отладчиков, а также программу для занесения кодов прикладной программы во флэш ПЗУ МК.

Интегрированная среда разработки Win IDE ICS08 включает в себя:

- программу управляющей оболочки;

- редактор текста;

- компилятор с языка ассемблера для МК с процессорным ядром CPU08; - линковщик-загрузчик; - симулятор;

- отладчик в режиме внутрисхемной симуляции (ICS-CircuitSimulator);

- отладчик реального времени (Debugger);

- программатор резидентной флэш-памятки МК (Programmer).



СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Современные микроконтроллеры и микропроцессоры Motorola. Шагурин И.И. Справочник. - М.: Горячая линия - Телеком, 2004. - 952 с.

2. Цифровые устройства и микропроцессорные системы: Учебник для техникумов связи / Б.А. Калабеков. - М.: Горячая линия - Телеком, 2000. - 336 с.: ил.

3. Работа с микроконтроллерами семейства HC(S)08: Учеб. пособие для студентов технических вузов / Х. Крейдл, Г. Куприс, Т.В. Ремизевич и др.; под ред. Д.И. Панфилова. - М.: Изд-во МЭИ, 2005. - 444 с.: ил.

4. Микропроцессоры. Т. 1. Архитектура и проектирование микро-ЭВМ. Организация вычислительных процессов./ Преснухин Л.Н. - М.: Высшая школа, 1986. - 495 с.

5. Микроконтроллеры. Разработка встраиваемых приложений / А.Е. Васильев - СПб.: БХВ - Петербург, 2008. - 304 с.: ил.

6. Архитектура микропроцессорных систем / Б.В. Костров, В.Н. Ручкин. - М.: Изд-во Диалог-МИФИ, 2007. - 304 с.: табл. 14, ил. 147.

7. Микропроцессорные системы: Учеб. пособие для вузов / Е.К. Александров, Р.И. Грушвицкий, М.С. Куприянов и др.; под общ. ред. Д.В. Пузанкова. - СПб.: Политехника, 2002. - 935 с.: ил.

8. Микропроцессорные системы бытовой техники / Б.П. Баев - М.: Легкая промышленность и бытовое обслуживание, 2001. - 464 с.

9. Руководство по микроконтроллерам / М. Предко. - Т.1. - М.: Постмаркет, 2001. - 411 с.

10. Руководство по микроконтроллерам / М. Предко. - Т.1. - М.: Постмаркет, 2001. -- 488 с.

11. Самоучитель по микропроцессорной технике / А.В. Белов. - СПб.: Наука и техника, 2003. - 224 c.

Размещено на Allbest.ru

...