Разработка микропроцессорной системы управления объектом

Разработка микропроцессорной системы управления объектом

СОДЕРЖАНИЕ

1. Техническое задание

1.1 Общие сведения

.2 Выполняемые функции

.3 Подфункции взаимодействия с объектами управления

.4 Подфункция обработки аппаратных прерываний

.5 Элементная база

.6 Критерии разработки

.7 Результаты разработки

2. Структурная схема микропроцессорной системы

. Структурная схема микропроцессора

. Структурная схема блока памяти

. Схема работы микропроцессорной системы

. Карта распределения адресного пространства

. Оценка микропроцессорной системы по аппаратным затратам

Заключение

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

1.1 Общие сведения

Микропроцессорная система (далее МПС) предназначена для управления некоторыми объектами.

Рисунок 1 - Структурная схема связи МПС с внешними объектами.

Согласно рисунку 1 микропроцессорная система принимает информацию {Х} об объекте управления от аналоговых и цифровых датчиков (Д), вырабатывает управляющее воздействие {Y} в соответствии с законом управления и подает их исполнительные механизмы. Законы управления реализуется в микропроцессор системе, состоящей из микроконтроллера- управляющей микроЭВМ и пульта управления. С помощью пульта управления пользователь получает возможность управлять работой МПС: запускать ее и останавливать, выдавать значение некоторых установок (констант) и т.п.

В проекте необходимо разработать структурную схему микропроцессорной системы и схему работы МПС, устройства связи с датчиком и исполнительными механизмами, и программы, обеспечивающие выполнение заданного алгоритма и алгоритма обмена, осуществляется оценка характеристик МПС.

Критерием проектирования является минимизация аппаратных затрат, выраженных в числе условных корпусов.

микропроцессорный аппаратный память датчик

1.2 Выполняемые функции

В разрабатываемой микропроцессорной системе реализуется функция, состоящая из нескольких подфункций, объединенных в следующие группы:

подфункции взаимодействия с объектом управления (прием и обработка данных с датчиков и передача результата на исполнительный механизм).

подфункции взаимодействия с пультом управления (прием запроса на пульт управления и выдача на индикатор значения).

1.3 Подфункции взаимодействия с объектами управления

На рисунке 2 приведён алгоритм взаимодействия с объектами управления.

Блок 1 выполняет начальную установку системы и засылку в выходные каналы начальных значений управляющих воздействий и т.д.

Блок 2 реализует задачу логического управления: принимает информацию от двоичных датчиков , вычисляет значение булевой функции ) в соответствии с заданным выражением и выдает это значение в качестве управляющего сигнала по соответствующему выходному каналу на исполнительный механизм. При единичном значении функции МПС вырабатывает выходной сигнал у =1 длительностью 10 мкс.

Рисунок 2 - Алгоритм взаимодействия с объектами управления.

Блок 3 обеспечивает приём информации с аналоговых датчиков ,её преобразование в цифровую форму, вычисление значений управляющих воздействий , и выдачу их на исполнительные механизмы. При этом  являются двоичными сигналами, а  12-разрядным кодом, преобразуемым в аналоговый сигнал . Сигналы с аналоговых датчиков  преобразуются в цифровую форму в аналого-цифровом преобразователе. С выхода аналого-цифрового преобразователя 12-разрядные коды, представляющие целые без знака числа, поступают на обработку. Величина К - 12-разрядный код, поступающий с клавиатуры пульта управления (уставка). Разрядность кода п определяется разрядностью заданного аналого-цифрового преобразователя. Полученное значение функции  сравнивается с константой Q,хранящейся в ПЗУ. В зависимости от результатов сравнения МПС вырабатывает двоичные управляющие воздействия  или  длительностью 120 мкс или 140 мкс соответственно. Управляющее воздействие формируется в виде аналогового сигнала  с цифро-аналогового преобразователя и поступает на импульсный элемент, на вход цифро-аналогового преобразователя микроконтроллер выдает цифровой код, разрядность которого определяется разрядностью заданного цифро-аналогового преобразователя. Значение  определяется по формуле:

= а

где а - 12-разрядный коэффициент, хранящийся в постоянном запоминающем устройстве МПС;  - 12-разрядный код, поступающий с выхода аналого-цифрового преобразователя.

Блок 4 обеспечивает циклический режим управления или остановка МПС в соответствии с командой, поступающей от оператора с пульта управления.

1.4 Подфункция обработки аппаратных прерываний

Микропроцессорная система обрабатывает запросы на аппаратные прерывания по сигналу отказа источника питания. Прерывания работы МПС при отказе источника питания имеют высший приоритет. МПС при этом вырабатывает сигнал  установки внешних устройств в исходное состояние и передает в последовательный канал связи код символа "!" . Сигнал  представляет собой два прямоугольных импульса длительностью 30 мкс, следующие с интервалом в 30 мкс. После выполнения указанных действий микропроцессор остановить.

1.5 Элементная база

В качестве микропроцессора разрабатываемой системы возможно использовать микросхемы: КП1816ВЕ51, КМ1816ВЕ51. В качестве внешнего ПЗУ должны использоваться микросхемы с организацией 4Kx4 с суммарной емкостью 16 Кбайт. В качестве ОЗУ должны использоваться микросхемы 16Kx2 с суммарной емкостью 32 Кбайт. В качестве аналого-цифрового преобразователя должна использоваться микросхема К1108ПВ2. В качестве цифро-аналогового преобразователя используется микросхема К1108ПА1. Все остальные элементы МПС назначаются самостоятельно.

1.6 Критерии разработки

Для разработки микропроцессорной системы учитываются следующие критерии:

. Аппаратные затраты в числе условных корпусов. За единицу сложности аппаратных затрат принимается один шестнадцати разрядный корпус. Если корпус имеет большое число выводов, то его сложность берется из таблицы 1.

Таблица 1 - Сложность корпуса в зависимости от количества выводов

1.7 Результаты разработки

Результаты содержат:

. Структурную схему микропроцессорной системы, краткое описание, состав и назначение основных элементов системы;

. Блок-схемы заданных алгоритмов и программы их реализации;

. Карту распределения адресного пространства памяти микропроцессорной системы; подпрограммы, данные, стек, константы;

. Описание функциональной схемы микропроцессорной системы;

. Оценки разработанной микропроцессорной системы;

. Структурную схему микропроцессорной системы с указанием на ней всех информационных связей управляющих сигналов;

. Схему работы микропроцессорной системы.

2. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ

На рисунке 3 приведена структурная схема МПС.

Структурная схема МПС содержит следующие блоки:

МК - микроконтроллер К1830ВЕ51 и схема генератора/сброса.

ЮТ - приём последовательного кода от внешней ЭВМ.

TXD - передача последовательного кода на внешнюю ЭВМ.

БПК - блок последовательного канала связи с ЭВМ, содержит два преобразователя уровней Интерфейс осуществляется программным способом;

БП - блок памяти. Содержит регистр-защёлку младшей части адреса, дешифратор адреса памяти данных 4→16, ПЗУ 8К*2, ОЗУ 4К*16, четыре ППА, расширяющих порты ввода-вывода микроконтроллера. Адресное пространство - 80К, ALE - фиксация адреса, р м е - разрешение памяти и программ,  и - стробы чтения и записи в память данных/ППА;

ПУ - пульт управления. Содержит два трёхразрядных индикатора (И1,И2). И2 служит для вывода значения в каждого цикла обработки информации (16 - разрядный код). И1-кода  в случае поступления сигнала Alarm, константы Q при поступлении прерывания от оператора, значение  при нажатии на клавишу "информация".

Два светодиодных регистра для ввода К (4*4) содержит цифровые клавиши On-in, ввод нового значения К(10 разрядов) осуществляется после ввода комбинации З-ч цифр на клавиатуре (например, 1FAh), значение сокращается до10 разрядов.

Клавиша "Сброс", обеспечивающая начальный запуск системы, схема реализует сброс при включении питания.

Клавиши "Прерывание" и "Информация", для организации прерывания пользователя и выдачи информации на индикатор И1 и И2.

Светодиод аварийной индикации, мигающий с частотой 2Гц при сигнале с аварийного датчика, или непрерывное горение при ошибки связи с ЭВМ.

Нажатие на клавиши управления "ввод" с цифровой клавиатуры, поступление сигнала с аварийного датчика вызовет прерывание(Int1, по переходу 1→0).

Обработчик прерывания проанализирует источник и выполнит необходимые действия. Выход из обработчика только после снятия активного сигнала.

Блок ЦАП/АЦП - содержит аналоговый мультиплексор (4 канала -А0-1) , АЦП К1108ПВ1, (Start - запуск, Rdy - признак готовности), ЦАП К1108ПА1.

Рисунок 3 - Структурная схема МПС

3. СТРУТУРНАЯ СХЕМА МИКРОПРОЦЕССОРА

В качестве микроконтроллера, управляющего МПС, выбрали К1830ВЕ51. Микроконтроллер содержит масочно-программируемое в процессе производства кристалла постоянного запоминающего устройства памяти программ ёмкостью 4096 байт. Микросхема является аналогом БИС 80С51ВН семейства MCS-51 фирмы Intel. Микропроцессор тактируется частотой 12 МГц. Схема сброса сделана так, что сигнал сброса вырабатывается по включению питания, и по нажатии клавиши на пульте управления. Назначение выводов микропроцессора представлено в таблице 2.

Контроллер имеет четыре 8-разрядных порта ввода/вывода Р0,P1,Р2, Р3. Порт Р0 в альтернативном режиме может использоваться для выдачи приема сигнала адреса/данных(АД0…АД7), т.е. используется для обмена данными Д0…Д7 или передачи адреса А0…А7 во внешние устройства или внешнюю память. Передача адреса при этом подтверждается отрицательным фронтом на выводе ALE.

Порт Р2 - это восьмиразрядный квазидвунаправленный порт ввода-вывода, т.е. порт вывода информации, который при определённом исполнении может применяться и для входа информации. Например, для ввода информации по линии Р2 изначально в эту линию необходимо выдать «1».

RD,WR - сигнал чтения и записи внешней памяти данных (внешнее ОЗУ). По этим сигналам осуществляется передача данных во внешнюю память через РО.

TXD,RXD - выходной сигнал передатчика и входной сигнал приёмника встроенного последовательного интерфейса микроконтроллера.

PSEN - выходной сигнал чтения информации из внешней памяти программы (внешнее ПЗУ).

XTAL1,XTAL2 - эти выводы являются соответственно входом и выходом инвертирующего усилителя тактового генератора. Служат для подключения к ним кварцевого резонатора Z1, C1, С2 - запускающие ёмкости.

Таблица 2 - Назначение выводов и сигналов микропроцессора

4. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА БЛОКА ПАМЯТИ

Содержит регистр-защёлку младшей части адреса, дешифратор адреса памяти данных 4→16, ПЗУ 8К*2, ОЗУ 4K*16,четыре ППА, расширяющих порты ввода-вывода микроконтроллера. Адресное пространство - 80K, ALE- фиксация адреса, p м е - разрешение памяти и программ, и - стробы чтения и записи в память данных/ППА.

D18 - регистр адреса, запись по стробу ALE.

ПЗУ D34,D35 признаком обращения в ПЗУ служит строб РМЕ, выбор микросхемы ПЗУ происходит по линии A14.

ОЗУ (D19-D33,D36) и ППА(D15-D17) управляются сигналами WR и RD, вырабатываемые микропроцессором, выбор схемы происходит с помощью дешифратора 4→16 (D16), два младших разряда адреса для адресации портов ППА. Внешнее ОЗУ не используется в программе, ПЗУ служит для хранения программ и констант.

5. СХЕМА РАБОТЫ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ

Таблица 3 - Описание схемы работы МПС.

6. КАРТА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ АДРЕСНОГО ПРОСТРАНСТВА

Карта адресов внешней памяти представлена в таблице 4.

Таблица 4 - Карта адресов внешней памяти.

Внешнее ПЗУ программ содержит: начальный переход, таблицу векторов прерываний, таблицу перекодировки для индикаторов, константы Q и А, программу, выполняющую управление МПС. Карта распределения адресного пространства памяти программ представлена в таблице 5.

Таблица 5 - Карта распределения адресного пространства памяти программ.

Внутреннее ОЗУ данных используется для хранения переменных, стека и адресации специальных регистров микропроцессора. Подробное описание переменных и специальных регистров приведено в приложении В.

7. ОЦЕНКА МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ ПО АППАРАТНЫМ ЗАТРАТАМ

Оценка микропроцессорной системы приведена в таблице 6.

Таблица 6 - Оценка МПС по аппаратным затратам

Как видно из таблицы, суммарный коэффициент сложности микропроцессорной системы равен 53,4.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Была разработана микропроцессорная система управления объектом.

Микропроцессорная система принимает информацию об объекте управления от аналоговых и цифровых датчиков, вырабатывает управляющее воздействие в соответствии с законом управления и подает их на исполнительные механизмы. Законы управления реализуется в микропроцессорной системе, состоящей из микроконтроллера-управляющей микро ЭВМ и пульта управления. С помощью пульта управления пользователь получает возможность управлять работой микропроцессорной системы: запускать ее и останавливать, выдавать значение некоторых уставок (констант) и т.п.

В работе разработана структурная схема МПС и схема работы микропроцессорной системы, устройства связи с датчиком и исполнительными механизмами, разработан блок памяти объёмом 80 кб, осуществлена оценка характеристик МПС.