Розробка контролера багатоканального вимірювального приладу

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Одеський національний політехнічний університет

Інститут комп'ютерних систем

Кафедра інформаційних систем

КУРСОВА РОБОТА

з дисципліни “ Мікроконтролери в ІУС ”

Тема “ Розробка контролера багатоканального вимірювального приладу ”

Одеса 2012

ЗАВДАННЯ

на курсовий проект з дисципліни

“Мікроконтролери в ІУС”

студенту Яковлева Дмита Борисовича групи АІ-091

. Тема проекту

“Розробка контролера багатоканального вимірювального приладу”.

2. Вихідні дані до проекту

Кількість вимірювальних аналогових каналів           12

Діапазон напруг аналогових сигналів                        -5...+5В.

Максимальна частота вхідного сигналу                     50Гц.

Розрядність АЦП                                                          12 біт;

Кількість вимірювальних цифрових каналів 4

Розрядність цифрових даних 8біт;

Тип прийому цифрових сигналів асинхронний

Максимальна частота надходження

цифрових сигналів 2 Гц

Тип коду для представлення цифрових сигналів додатков, паралельний

Кількість каналів з імпульсними сигналами 2

Тривалість імпульсів не менше, мс 3

Максимальна частота надходження імпульсів, Гц 300

Період виконання вимірювань                                    2с.

Тип мікропроцесора                                                     1816ВЕ51.

Тип інтерфейсу для обміну інформацією з ПЕОМ    послідовний

3. Зміст розрахунково - пояснювальної записки

завдання; зміст; вступ; розробка структурної схеми контролера; розробка тимчасової діаграми обробка та передачі сигналів; розробка принципової схем контролера; розробка алгоритму функціонування контролера; розробка програми реалізації алгоритму роботи приладу; висновки; список літератури.

. Перелік графічного матеріалу

.         Мікроконтролер. Схема структурна.

.         Мікроконтролер. Схема функціональна.

.         Мікроконтролер. Схема електрична принципова.

.         Схема алгоритму функціонування мікроконтролера.

Дата видачі завдання_______________________________

Дата захисту проекту_______________________________

Керівник ________________________________

Завдання прийняв до виконання._____________________

АНОТАЦІЯ

Метою цього курсового проекту є закріплення основних теоретичних та практичних положень дисципліни «Мікроконтролери в ІУС» та розробити контролер багатоканального вимірювального приладу.

АННОТАЦИЯ

Целью этого курсового проекта является закрепление основных теоретических и практических положений дисциплины «Микроконтроллеры в ИУС» и разработать контролер многоканального измерительного прибора.

ANNOTATION

The purpose of this academic year project is fastening of the basic theoretical and practical positions of discipline «Microcontrollers in ICS » and to develop the controler of the multichannel measuring device».

ЗМІСТ

Вступ

1. Огляд літератури

.1 Архітектура мікроконтролерів MCS-51

.2 Блок керування та синхронізації

. Основний роздiл

.1 Розробка структурної схеми контролера

.2 Розробка принципової схеми контролера

.2.1 Вибiр АЦП

2.2.2 Вибір комутатора-мультиплексора

2.2.3 Вибір інтерфейсних схем

2.2.4 Таблиця закріплення бітів портів

2.2.5 Джерело опорної напруги AD581

2.2.6 RS-тригер КР1533ТР2

2.2.7 Мікроконтролер 8051AH

2.2.8 Таблиця розподілу оперативної памяті

2.3 Розробка алгоритму функціонування контролера

3. Розрахункова частина

Висновки

Список літератури

контролер блок керування мультиплексор

Вступ

Розвиток мікроелектроніки і широке вживання її виробів в промисловому виробництві, в пристроях і системах управління найрізноманітнішими об'єктами і процесами є в даний час одним з основних напрямів науково-технічного прогресу. Знання архітектури, структури і функціональних можливостей сучасних мікроконтролерів є абсолютно необхідним для кожного фахівця у області радіоелектроніки, автоматики, обчислювальної і вимірювальної техніки.

Широке застосування мікроконтролерів в побутовій техніці, автомобільному і інших видах транспорту, контрольно-вимірювальних приладах для паливно-енергетичного комплексу і багатьох інших видів електронної апаратури ще більш збільшує круг інженерно-технічних працівників, пов'язаних з їх використанням.

Мікроконтролери є ефективним засобом автоматизації всіляких об'єктів і процесів. Все це визначає необхідність вивчення мікропроцесорних систем, тому у даній курсовій роботі по дисципліні «Мікроконтролери в ІУС» ми будемо закріпляти теоретичні знання та практичні навички щодо побудови мікроконтролерів, наша мета розробити контролер багатоканального вимірювального приладу.

1. ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ

Мікроконтролер (MCU) - мікросхема, призначена для керування електронними <#"669923.files/image001.gif">

Рис. АЦП AD7874

Перша операція читання з AD7874 після перетворення завжди звертається до даних з регістру даних 1 (тобто перетворення в результаті Vin1 вхід). INT скидається високою по задньому фронту РД під час цієї першої операції читання. Друге читання завжди звертається до даних з регістру даних 2 і так далі. Адреса покажчик скидається, щоб вказати на регістр даних 1 по фронту CONVST. Операція читання на AD7874 не повинна бути зроблена під час перетворення. Тимчасові діаграми для AD7874 перетворення послідовності показаний на малюнку.

Рис. Временная диаграмма AD7874

2.2.2 Вибір комутатора-мультиплексора

В моїй принциповій схемі є 8 мультиплексорів такого типу, як КРП1533КП15 восьмивходовий селектор - мультиплексор з трьома стійкими станами.

Мікросхема КРП1533КП15 містить повні двійкові дешифратор для вибору одного з восьми джерел даних, а також два доповнюють виходу з трьома станами. Наявність виходів з трьома станами дозволяє застосовувати мікросхему в системах з шинної організацією обміну данних. Додати ходу встановлюються в високоімпедансний стан при високому рівні напруги на вході управління EZ (рис)

Рис. КРП1533КП15 восьмивходовий селектор-мультиплексор

.2.3 Вибір інтерфейсних схем

В моїй принципіальній схемі існує такий RS-триггер, як КРП1533ТР2. Чотири RS триггера(рис).

Функціональність:тригер.

Номінальна напруга живлення:5

Вихідна напруга низького рівня: 0.5

Вихідна напруга високого рівня: 2.5

Струм споживання, мА:27

Рис - RS триггер.

Всі мікроконтролери типу MCS-51 мають вбудованний генератор, який використовується, якщо необхідно, як джерело тактових імпульсів для ЦП. Для цього до виводів XTAL1 i XTAL2 необхідно підключити або кварцовий, або керамічний резонатор з частотою, що знаходиться в межах робочого діапазону для конкретного кристалу, а також 2 конденсатора, підключені до земляної шини(рис) номіналом в 50pF+\- 10%. У більшості випадків частота тактового генератора може перебувати в межах від 3.5 до 12 МГц. В окремих кристалів частота тактового генератора може доходити до 24МГц.

У режимі програмування та верифікації внутрішньої памяті програм тактова частота повинна бути в межах від 4 до 6 МГц. Внутрішній тактовий генератор необхідний для синхронізації послідовності станів ЦП утворюють машинний цикл MCS-51, а також правильної роботи всіх внутрішніх засувок і вихідних буферів портів.

Рис. Використання внутрішнього тактового генератора

.2.4 Таблиця закріплення бітів портів

Таблиця закріплення бітів портів Р0(див. табл. 1.1), портів Р1(див. табл. 1.2), портів Р2(див. табл. 1.3), портів Р3(див. табл. 1.4).

Таблиця 1.1 Порт Р0

Таблиця 1.2 Порт Р1

Таблиця 1.3 Порт Р2

121

P2.0

FL1

128

P2.1

(Сбр. FL2) R2

123

P2.2

FL2

129

P2.3

(Сбр. FL3) R3

125

P2.4

FL3

130

P2.5

(Сбр. FL4) R4

127

P2.6

FL4

131

P2.7

Таблиця 1.4 Порт Р3

Таблиця закріплення бітів портів цифрових сигналів(див. Табл. 1.5).

Таблиця 1.5 Закріплення бітів портів цифрових каналів.

Виходи селектора-мультиплексора КРП1533КП15 8-1 знаходиться в порту Р0(див. табл. 1.6).

Таблиця 1.6 Виходи селектора-мультиплексорів.

Таблиця закріплення бітів RS триггера(див табл. 1.7).

Таблиця 1.7 Закріплення бітів RS триггера

2.2.5 Джерело опорної напруги AD581

Особливості:

-    Висока точність лазерної підгонки;

-        10,00±5мВ(L i U моделей);

-        5 ppm/3 максимум, 0 С до 70С (L-модель);

-        10 ppm/3 максимум, 0,55 С до +125С (U-модель);

-        Хороша тривала стабільність;

-        25 ppm/1000hrs (некумулятивною);

-        Низький струм спокою: 1,0мА;

-        Можливість виведення 10 мА.

Параметри мікросхеми AD581 представлені в таблиці 2.4.

Таблиця 2.4 Абсолютне максимальне навантаження

.2.6 RS-тригер КР1533ТР

Мікросхема КР1533ТР2 представляє собою 2 RS-тригер. Основний режим роботи мікросхеми - режим зберігання, при цьому на входах R та S- високий рівень напруги. При подачі негативного імпульсу напруги на входи R або S на виході відповідного тригера встановлюється високий або низький рівень При нормальній роботі на входах R та S не може бути низького рівня напруги одночасно, так як при поверненні до режиму зберігання стан на виході не визначений.

2.2.7 Мікроконтролер 8051AH

Мікроконтролер 8051AH є базовою конфігурацією сімейства мікроконтролерів MCS-51.

Внутрішня структура мікроконтролера 8051AH включає наступний набір функціональних модулів: 8-розрядний арифметико-логічний пристрій (АЛП) з апаратною реалізацією операцій типу множення; внутрішня пам'ять програм 4Кбайт; внутрішня пам'ять даних (без урахуванням регістрів спеціальних функцій) 128 байт; чотири універсальних програмованих паралельних 8-розрядних порти вводу/виводу з можливістю реалізації визначених альтернативних функцій; два 16-розрядних програмованих лічильники-таймери; дуплексний послідовний порт.

Зовнішній вигляд мікросхеми 8051АН (аналог К1816ВЕ51) представлений на рисунку 2.5.

Малюнок 2.5 - Мікросхема 8051 АН і функції виводів

Функції виводів мікросхеми 8051АН наступні. 0. Двонаправлений 8-розрядний паралельний порт вводу-виводу з можливістю установки у високоімпедансний стан. При роботі як виходи кожна лінія забезпечує здатність, навантаження, рівну 8 входам малопотужної серії LS TTL. При зверненні мікроконтролера до зовнішньої пам'яті програм або даних порт працює в режимі мультиплексування молодшого байта адреси і 8-розрядної шини даних. При записі в розряд регістра порту РО логічної «1» відповідної лінії порту переходить в режим високоімпедансного входу. Для роботи в режимі порту вводу-виводу необхідне зовнішнє підтягання кожної лінії порту до рівня логічної «1». 1. Двонаправлений 8-разрядіий паралельний порт вводу-виводу. При роботі як виходи кожна лінія забезпечує здатність, навантаження, рівну 4 входам малопотужної серії LS TTL. При записі в розряд регістра порту Р1 логічної «1» відповідна лінія порту переходить в режим високоімпедансного входу із слабким підтяганням сигналу до рівня логічної «1». 2. Двонаправлений 8-розрядний паралельний порт вводу-виводу. При роботі як виходи кожна лінія забезпечує здатність, навантаження, рівну 4 входам малопотужної серії LS TTL. При записі в розряд регістра порту Р2 логічної «1» відповідна лінія порту переходе в режим високоімпедансного входу із слабким підтяганням сигналу до рівня логічної «1». При зверненні мікроконтролера до зовнішньої пам'яті програм або даних з використанням 16-розрядної адреси (команди MOVX @DPTR) через порт Р2 видається старший байт адреси. При зверненні мікроконтролера до зовнішньої пам'яті даних з використанням 8-розрядної адреси (команди MOVX @Ri) на виведення порту Р2 видається вміст регістра спеціальних функцій Р2. 3. Двонаправлений 8-розрядний паралельний порт вводу-виводу. При роботі як виходи кожна лінія забезпечує здатність, навантаження, рівну 4 входам малопотужної серії LS TTL. При записі в розряд регістра порту РЗ логічної «1» відповідна лінія порту переходе в режим високоімпедансного входу із слабким підтяганням сигналу до рівня логічної «1».

Порт 3 має альтернативні функції (рис. 2.6):

Малюнок 2.6 - Альтернативні функції виводів Port 3

RST - Вхід ініціалізації. Високий рівень на цьому вході під час двох машинних тактів запускає процес ініціалізації мікроконтролера.- Активне значення сигналу на цьому виході дозволяє фіксацію молодшого байта адреси при звертаннях до зовнішньої пам'яті. У мікроконтролерів типу 8751 із внутрішньою пам'яттю програм цей вивід має альтернативну функцію . При програмуванні внутрішньої пам'яті на нього подається стробуючий сигнал.- Активне значення сигналу на цьому виході дозволяє читання з зовнішньої пам'яті програм. Сигнал на цьому вході переключає джерело коду при звертанні до молодших 4 Кбайт пам'яті програм. При ЕА=0 і діапазоні адрес 0000H..FFFFH мікроконтролер 8051 виконує цикл звертання до зовнішньої пам'яті програм, при ЕА=1 звертання по одному з цих адрес приводить до читання коду з внутрішньої пам'яті. У мікроконтролерів типу 8751 з внутрішньою пам'яттю програм цей вивід має альтернативну функцію.- При програмуванні внутрішньої пам'яті на нього подається напруга програмування.- Вхід підсилювача, що інвертує, для синхрогенератора.- Вихід підсилювача, що інвертує, для синхрогенератора.- Земля (спільний ).- Напруга живлення +5 В.

2.2.8 Таблиця розподілу оперативної памяті

Таблиця розподілу оперативної памяті(див. табл. 2.1).

Таблиця 2.1 Розподіл оперативної памяті

2.3 Розробка алгоритму функціонування контролера

Алгоритм функціонування - це сукупність правил, що ведуть до правильного виконання технічного процесу в якому-небудь пристрої або в сукупності пристроїв (системі).

Алгоритм функціонування контролера складається з алгоритму основної програми, що втілює:

І етап - початкова установка, тобто установка всіх необхідних лічильників, бітів, констант.

ІІ етап - організація таймеру в 2 мс, впродовж цього інтервалу ми будемо обробляти та передавати дані.

ІІІ етап - перехід до програми обробки переривань. При виконанні цього блоку виконується необхідна обробка аналогових, цифрових, імпульсних сигналів, також задається часовий інтервал та зорганізується передача даних по ПЕОМ,

Алгоритм роботи контролера представлений в додатку 5.

3. РОЗРАХУНКОВА ЧАСТИНА

Потужність споживання мікроконтролеру розраховується як сума потужностей споживання його складових мікросхем.

(Мікроконтр.)=3(АЦП) + 8(Мультипл.) +(Мікропроц.)+

+4(Тригера)

Для всіх мікросхем:

U= +5 В

(АЦП)=150мВт

 (Мультипл.)=  (А)

Підставимо значення:

(Мультипл.)= =50 (мВт)

(Мікропроц.)=20 (Вт)

 (Тригера)=  (А)

Підставимо значення:

(Тригера)= (мВт)

Таким чином:

(Мікроконтр.)=3*150+8*50+20000+4*25.25=20.95 (Вт)

ВИСНОВКИ

У курсовому проекті був розроблений контролер багатоканального вимірювального приладу. У ході розробки пристрою я навчився робити структурну, функціональну та електричну принципову схеми контролерів. Програма написана на мові програмування Асемблер з використанням команд процесора 1816ВЕ51.

У ході розробки пристрою було синтезовано різні схеми, такі як: структурна, функціональна. Також була розроблена електрична принципова схема та розроблена програма для мікроконтролера. Вона написана за допомогою багатьох мовних описань та блок схеми алгоритму.

В ході виконання курсового проекту були систематизовані, розширені та закріплені теоретичні знання з дисципліни «Мікроконтролери в ІУС». Я дізналася багато нового та закріпила свої знання на практиці. Гадаю, що практика потрібна кожному.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. <http://ua-referat.com/Архітектура_мікрокотролерів> - інформація про мікроконтролери.

. <http://topreferats.ru/comp/6753.html> - інформація для вступу.

. <http://www.analog.com/ -> вибір елементної бази.

4. Конспект лекцій з дисципліни ”Однокристальні ЕОМ та сигнальні процесори”та „Мікропроцесори в інформаційно-управляючих системах” для студентів спеціальностей 8.080401, 8.080403. / Укладачі: С.Г.Антощук, А.О.Ніколенко. Одеса: ОНПУ, 2007. - 46 с.

. Методичні вказівки до лабораторних та практичних робіт з дисциплін «Мікропроцесори в ІУС» для студентів напряму підготовки - 6.050101 - «КОМП’ЮТЕРНІ НАУКИ» / Укл.: С.Г. Антощук, А.О. Ніколенко, М.В. Ядрова. - Одеса: ОНПУ, 2009. - 51 с.

6. Методичні вказівки до курсового проектування з дисципліни “Однокриштальні ЕОМ та сигнальні процесори”. Для студентів спеціальності 8.080401 /Укл.: С.Г.Антощук, А.О.Ніколенко, М.В.Ядрова - Одеса: Наука і техніка, 2004. - 35с.