Разработка микропроцессорной системы для управления объектом (стр. 1 )

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ФАКУЛЬТЕТ АВТОМАТИКИ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Кафедра ВМСС

РАЗРАБОТКА МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ОБЪЕКТОМ

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «Проектирование микропроцессорных систем»

Группа: А-7-10

Выполнила:

Проверил:

Оценка

Москва

2013

Содержание

Введение.........................................................................................................................4

1. Разработка аппаратных средств ……………………………..…….….....6

1.1. Разработка структурной схемы МПС …….…………..……….….........6

1.2. Составление карты распределения адресного пространства...............8

1.3. Разработка микропроцессорного модуля MPM ….…………………..12

1.4. Разработка модуля памяти ROM …..………………………………….21

1.5. Разработка модуля памяти NVRAM…………………………………...23

1.6. Разработка модуля аналогового ввода-вывода AIOU……….….........25

1.7. Разработка модуля индикации INDС………………………………….30

1.8. Разработка модуля управления CPAN………………………………...39

1.9. Расчет электрического сопряжения по цепям адреса………….…….46

1.10. Расчет потребляемой мощности……………………………….…..….50

1.11. Расчет аппаратных затрат……………………………………..……….64

1.12. Расчет номиналов конденсаторов повышения помехоустойчивости…………………………………………………...65

2. Разработка программных средств……………………………………...66

2.1. Схема алгоритма управления объектом……………………..……......66

2.2. Инициализация МПС…………………………………………………..67

2.3. Логическая обработка сигналов Х1, Х2, Х3, Х4 и формирование управляющего сигнала Y1……….……………………..………….....…67

2.4. Ввод напряжений Х5, Х6 и формирование сигналов Y2, Y3.................68

2.5. Ввод напряжения Х7 и формирование сигнала Y4………………....…68

2.6. Обработка сигналов прерывания……………………………………....69

2.7. Оценка времени работы программного модуля……………….….…..70

Заключение…………………………………………………………………….….…..71

Список используемой литературы………………………………….……….………72

Задание на курсовую работу…………………………….…...…..74

МПС. Схема электрическая структурная……………………......78

МПС. Схема электрическая принципиальная……….…….....…80

МПС. Перечень элементов………………………………...….…..82

Основные параметры микроконтроллера AT89S8252……......…85

Основные параметры микросхемы памяти M2764-2F1………..90

Основные параметры микросхемы памяти DS1225AB...………92

Основные параметры микросхемы АЦП MAX151…..…..…..…96

Основные параметры мультиплексора MAX309……….……...101

Основные параметры источника опорного напряжения REF198………………………………………………………….….....105

Основные параметры микросхемы ЦАП AD5311………….....107

Листинг программы……………………………………………..111

ВВЕДЕНИЕ

Целью курсового проектирования является приобретение навыков разработки микропроцессорных систем (МПС) на примере проектирования микропроцессорной системы для управления объектом (рис. 1).

МПС принимает информацию об объекте управления от аналоговых датчиков (сигналы X5, X6, X7) и цифровых датчиков (сигналы X1, X2, X3, X4), вырабатывает управляющие воздействия (двоичные сигналы Y1, Y2, Y3 и аналоговый – Y4) в соответствии с заданным алгоритмом управления и подает их на исполнительные механизмы. В МПС поступают также сигналы прерывания INT1 от датчика аварийной ситуации, INT2 от датчика напряжения питания в случае отказа источника, INT3 от оператора в случае нажатия одной из командных клавиш: ПУСК, МЕНЮ, ВВОД.

INT1, INT2, INT3

Рис. 1. Взаимодействие МПС и ОУ

В Приложении А приводится «Задание на курсовую работу». В данном курсовом проекте разрабатываются структурная и принципиальная электрические схемы МПС и программы, обеспечивающие выполнение заданного алгоритма управления. В Приложении Б представлена «Микропроцессорная система. Схема электрическая структурная», в Приложении В - «Микропроцессорная система. Схема электрическая принципиальная», а в Приложении Г – «Микропроцессорная система. Перечень элементов».

В качестве основы для построения МПС используется микроконтроллер AT89S8252 семейства MCS-51 фирмы Intel.

Для построения схем управления будут использоваться ИМС серии КР1554.

Основная информация для разработки микропроцессорной системы на базе MCS-51 был почерпнута из источника [ 1 ].

Структурная схема МПС приведена на рис. 2.

МПС на основе данного микроконтроллера состоит из следующих модулей:

1. MPM – микропроцессорный модуль является центральным блоком системы и включает в себя ОЭВМ AT89S8252. MPM формирует 16 разрядов адреса, которые подаются на шину адреса BA, управляющие сигналы PSEN, RAMCS, ADCCS, DACCS и другие сигналы выбора микросхем микропроцессорной системы, идущие на шину управления ВС, а также 8 разрядов данных для других модулей, которые подаются на шину данных BD. MPM обеспечивает обработку данных, поступающих от других модулей, внешних двоичных сигналов Х1, ..., Х4, также на этот модуль поступают сигналы прерываний INT1, INT2, INT3. Выходными сигналами модуля являются сигналы Y1, Y2, Y3.

2. ROM – внешнее (относительно микроконтроллера) ПЗУ. Совместно с внутренним ПЗУ реализует функцию памяти программ. Емкость внешнего ПЗУ выбирается таким образом, чтобы вся память программ обеспечивала запас в 10-20 раз для учета возможных изменений алгоритмов управления. Входными являются адресные и управляющие сигналы; выходными — сигналы данных.

3. NVRAM – энергонезависимое ОЗУ, предназначено для хранения информации о состоянии системы в случае отказа основного источника питания, а также для дополнительной памяти данных. Входными являются сигналы адреса, данных и управления; выходными – сигналы данных.

4. AIOU – модуль интерфейсных устройств аналогового ввода-вывода предназначен для преобразования посредством АЦП входных аналоговых сигналов X5, X6, X7 в цифровые и посредством ЦАП выходного цифрового сигнала Y4 в аналоговую форму. Цифровой эквивалент соответствующего сигнала

Рис. 2. Схема электрическая структурная микропроцессорной системы (МПС)

передается на шину данных МПС по сигналу чтения RD. Входными являются сигналы X5, X6, X7, а также сигналы адреса, данных и управления; выходными - сигналы данных, управления и управляющий объектом аналоговый сигнал Y4.

5. CPAN – пульт управления, включающий клавиатуру и схемы управления ею. Входными сигналами являются сигналы адреса и управления. Выходными сигналами являются сигналы управления и данных. Так же с пульта управления оператором формируется нажатием командной клавиши ПУСК сигнал прерывания INT3, который является выходным сигналом данного модуля.

6. INDC – модуль, содержащий светодиодные индикаторы для отображения значений Х1, ..., Х4, сегментные светодиодные индикаторы для отображения в десятичной системе счисления Q4 и звуковой узел аварийной сигнализации с частотой 500 Гц. Входными являются сигналы управления, данных, внешние двоичные сигналы Х1, ..., Х4 и сигнал аварийной сигнализации ALARM, формируемый внутренним таймером модуля MPM.

Память программ и память данных микроконтроллеров MSC51 разделена. Используемый в проекте микроконтроллер AT89S8252, информация о котором была почерпнута из официальной документации с сайта [ 2 ] (необходимая информация о микроконтроллере, используемая в данном проекте, представлена в Приложении Д «Основные параметры используемой микросхемы АТ89S8252»), содержит внутреннюю память программ ёмкостью 8 Кбайт (репрограммируемая загружаемая Flash-память) и память данных емкостью 256 байт (ОЗУ). 8 Кбайт Flash будет достаточно для размещения всего программного обеспечения, но с учётом запаса (в 10-20 раз по заданию) необходимо подключить внешнюю память программ. Микроконтроллер АТ89S53 имеет возможность адресации внешней памяти объемом до 64 Кбайт ПЗУ программ и 64 Кбайт ОЗУ данных. Емкость внешнего ПЗУ выбирается 8 Кбайт, считая, что код программы, разработанной в проекте составит 1-2 Кбайта. При обращении к внешней памяти программ формируется активный низкий уровень сигнала , с помощью которого происходит выбор микросхемы ПЗУ. Для адресации внешнего ПЗУ потребуется 13 адресных линий.

Таким образом, диапазон адресов памяти программ будет таким: 0000Н - 1FFFН для внутренней памяти программ и 2000Н – 3FFFH для внешней памяти программ. По сигналу RESET микропроцессор переходит на команду по адресу 0000Н, и эта команда должна осуществлять переход на модуль начальной инициализации. Распределение адресов памяти программ представлено на рис. 3.

Рис. 3. Распределение адресов памяти программ

Как отмечалось выше, в микроконтроллере AT89S8252 имеется внутренняя память данных объемом 256 байтов. ОЗУ располагается в памяти по адресам 00H – 0FFH, а регистры специальных функций имеют такие же адреса, как и верхние 128 байтов ОЗУ: 80H – 0FFH. Адреса одинаковые, но физически ОЗУ и регистры специальных функций занимают разные пространства. Внутренняя память данных используется также для организации стека. Стек может располагаться в памяти по адресам 80H – 0FFH. Вся внутренняя память данных отводится под переменные управляющей программы. В принципе, для нашей МПС этой памяти вполне достаточно, но если учесть необходимость запаса, то нужно поставить ещё и внешний модуль ОЗУ. Это внешнее ОЗУ является энергонезависимым (NVRAM). Обращение к внешнему и внутреннему модулям ОЗУ осуществляется по разным командам (mov и movx соответственно), поэтому допускается перекрытие их адресов. Емкость внешнего ОЗУ 8 Кбайт, поэтому для ее адресации используется 13 адресных линий. Распределение адресов памяти данных представлено на рис. 4.

Рис. 4. Распределение адресов памяти данных

Остальное адресное пространство останется в резерве или будет использовано для адресации внешних периферийных устройств, так как по заданию все внешние и интерфейсные устройства отображаются на память. Для разделения памяти между внешними устройствами и внешним ОЗУ используется старший разряд адреса BA15. Для обращения к энергонезависимой памяти NVRAM BA15 = ”0”, для адресации внешних устройств BA15 = ”1”. Сигналы выборки устройств будут дешифроваться из трех разрядов адреса BA12, BA13 и BA14. Карта адресного пространства отображения внешних устройств представлена в табл. 1.

Таблица 1

Карта адресного пространства памяти данных МПС

BA15	BA14	BA13	BA12	Устройство	Используемый диапазон адресов
0	Х	Х	Х	NVRAM	0000H-1FFFH
Внешние интерфейсные устройства
1	0	0	0		Выбор АЦП	8000H – 8300Н
1	0	0	1		Управление сегментными индикаторами	9000H – 9700H
1	0	1	0		Схема опроса клавиатуры	А000H – А300H
1	1	0	0		Формирователь аналогового ввода	В000Н
1	1	0	1		Регистр аналогового ввода	С000H
1	1	1	0		Таймер-счетчик	D000H - D300H

Адресное пространство устройств распределено следующим образом: