Разработка автоматического измерителя АЧХ на четырех микроконтроллерах (стр. 1 )

Министерство образования Республики Коми

Коми республиканский лицей при Сыктывкарском государственном университете

Разработка автоматического измерителя АЧХ на четырех микроконтроллерах

Выполнил: Данильченко Кирилл

Научный руководитель:

Сыктывкар 2013

стр.

Содержание

Введение…………………………………………………………….…….3

1.  История появления микроконтроллеров………..……………………....5

2.  Ядро AVR

2.1 Краткое описание …………………………………...……………......6

2.2 История микроконтроллеров AVR ….………………………………7

2.3 Устройство ввода/вывода МК ……………………………………….8

2.4 Семейства микроконтроллеров AVR ………………………….…….9

3.  Ядро PIC

3.1 8-битные микроконтроллеры ………………………………………10

3.2 16-битные микроконтроллеры ……………………………………..12

3.3 32-битные микроконтроллеры ……………………………………..13

4.  Функции SPI …………………..…………………………………………14

5.  LCD – функции ………………………………………………………….18

6.  Схема прибора ……………..………………………………………...….24

7.  Принцип действия прибора и методы решения……………………….25

Заключение ………………..…………………………….........................27

Список литература …………..……………………………………...…..28

Приложения ………………………………………………………..…....30

Введение

Микроконтроллер (англ. Micro Controller Unit, MCU) — микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает на одном кристалле функции процессора и периферийных устройств, содержит ОЗУ или ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи.

Частотная характеристика УНЧ (АЧХ) – зависимость напряжения на выходе усилителя от частоты при условии, что на всех частотах на вход усилителя подаётся одинаковое напряжение.

Тема исследования очень актуальна, поэтому было решено создать проект измерителя амплитудно частотной характеристики усилителя низких частот.

Для этого будет необходимо разработать: принципиальную схему прибора по новому принципу действия, программное обеспечение четырех для микроконтроллеров, ввести дополнительные подключения к компьютеру.

Гипотеза: Возможно разработать автоматический измеритель амплитудно-частотной характеристики, превосходящий по всем техническим характеристикам предшественников.

Цель исследования: разработать автоматический измеритель АЧХ на микроконтроллерах AVR и PIC по новому принципу работы.

В данном исследовании поставлены задачи:

1) Изучить структурные схемы микроконтроллеров PIC, AVR и ARM.

2) Изучить программирование данных микроконтроллеров на языках: ассемблер, Basic и C++.

3) Разработать принципиальную электрическую схему более скоростного автоматического измерителя АЧХ.

4) Создать программное обеспечение для четырёх микроконтроллеров.

5)Сравнить АИАЧХ по-стандартному и усовершенствованному принципу работы.

Неполный список периферии, которая может присутствовать в микроконтроллерах, включает в себя:

-универсальные цифровые порты, которые можно настраивать как на ввод, так и на вывод;

-различные интерфейсы ввода-вывода, такие как UART, I²C, SPI, CAN, USB, IEEE 1394, Ethernet;

-аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;

-компараторы;

-широтно-импульсные модуляторы;

-таймеры;

-контроллеры бесколлекторных двигателей;

-контроллеры дисплеев и клавиатур;

-радиочастотные приемники и передатчики;

-массивы встроенной флеш-памяти;

-встроенный тактовый генератор и сторожевой таймер;

Использование в современном микроконтроллере достаточного мощного вычислительного устройства с широкими возможностями, построенного на одной микросхеме вместо целого набора, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость построенных на его базе устройств. Используются в управлении различными устройствами и их отдельными блоками:

- в вычислительной технике: материнские платы, контроллеры дисководов жестких и гибких дисков, CD и DVD;

-электронике и разнообразных устройствах бытовой техники, в которой используется электронные системы управления — стиральных машинах, микроволновых печах, посудомоечных машинах, телефонах и современных приборах;

В промышленности:

-устройств промышленной автоматики — от программируемого реле и встраиваемых систем до ПЛК,

-систем управления станками

1. История появления микроконтроллеров

С появлением однокристальных микро-ЭВМ связывают начало эры массового применения компьютерной автоматизации в области управления. По-видимому, это обстоятельство и определило термин «контроллер» (англ. controller — регулятор, управляющее устройство).

В связи со спадом отечественного производства и возросшим импортом техники, в том числе вычислительной, термин «микроконтроллер» (МК) вытеснил из употребления ранее использовавшийся термин «однокристальная микро-ЭВМ».

Первый патент на однокристальную микро-ЭВМ был выдан в 1971 году инженерам М. Кочрену и Г. Буну, сотрудникам американской Texas Instruments. Именно они предложили на одном кристалле разместить не только процессор, но и память с устройствами ввода-вывода.

В 1976 году американская фирма Intel выпускает микроконтроллер i8048. В 1978 году фирма Motorola выпустила свой первый микроконтроллер MC6801, совместимый по системе команд с выпущенным ранее микропроцессором MC6800. Через 4 года, в 1980 году, Intel выпускает следующий микроконтроллер: i8051. Удачный набор периферийных устройств, возможность гибкого выбора внешней или внутренней программной памяти и приемлемая цена обеспечили этому микроконтроллеру успех на рынке. С точки зрения технологии микроконтроллер i8051 являлся для своего времени очень сложным изделием — в кристалле было использовано 128 тыс. транзисторов, что в 4 раза превышало количество транзисторов в 16-разрядном микропроцессоре i8086.

На сегодняшний день существует более 200 модификаций микроконтроллеров, совместимых с i8051, выпускаемых двумя десятками компаний, и большое количество микроконтроллеров других типов. Популярностью у разработчиков пользуются 8-битные микроконтроллеры PIC фирмы Microchip Technology и AVR фирмы Atmel, 16-битные MSP430 фирмы TI, а также 32-битные микроконтроллеры, архитектуры ARM, которую разрабатывает фирма ARM Limited и продаёт лицензии другим фирмам для их производства. Несмотря на популярность в России микроконтроллеров упомянутых выше, по данным Gartner Grup от 2009 года мировой рейтинг по объёму продаж выглядит иначе: первое место с большим отрывом занимает Renesas Electronics на втором Freescale, на третьем Samsung, затем идут Microchip и TI, далее все остальные[25].

2. Ядро AVR

2.1.Краткое описание :

AVR — семейство восьмибитных микроконтроллеров фирмы Atmel. Год разработки — 1996.

Микроконтроллеры AVR имеют гарвардскую архитектуру (программа и данные находятся в разных адресных пространствах) и систему команд, близкую к идеологии RISC. Процессор AVR имеет 32 8-битных регистра общего назначения, объединённых в регистровый файл.

Система команд микроконтроллеров AVR весьма развита и насчитывает в различных моделях от 90 до 133 различных инструкций.

Большинство команд занимает только 1 ячейку памяти (16 бит).

Большинство команд выполняется за 1 такт.

Всё множество команд микроконтроллеров AVR можно разбить на несколько групп:

1)  команды логических операций;

2)  команды арифметических операций и команды сдвига;

3)  команды операции с битами;

4)  команды пересылки данных;

5)  команды передачи управления;

6)  команды управления системой.

Управление периферийными устройствами осуществляется через адресное пространство данных. Для удобства существуют «сокращённые команды» IN/OUT[26].

2.2.История микроконтроллеров AVR :

Идея разработки нового RISC-ядра принадлежит двум студентам Norwegian University of Science and Technology (NTNU) из норвежского города Тронхейма (Trondheim) — Альфу Богену (Alf-Egil Bogen) и Вегарду Воллену (Vegard Wollen). В 1995 году Боген и Воллен решили предложить американской корпорации Atmel, которая была известна своими чипами с Flash-памятью, выпускать новый 8-битный RISC-микроконтроллер и снабдить его Flash-памятью для программ на одном кристалле с вычислительным ядром.

Идея была одобрена Atmel Corp., и было принято решение незамедлительно инвестировать в данную разработку. В конце 1996 года был выпущен опытный микроконтроллер AT90S1200, а во второй половине 1997-го корпорация Atmel приступила к серийному производству нового семейства микроконтроллеров, к их рекламной и технической поддержке.

Новое ядро было запатентовано и получило название AVR. Существует несколько трактовок данной аббревиатуры. Кто-то утверждает, что это Advanced Virtual RISC, другие полагают, что не обошлось здесь без Alf Egil Bogen Vegard Wollan RISC[23].

2.3.Устройства ввода/вывода МК :

МК AVR имеют развитую периферию:

1)  Многофункциональные, двунаправленные GPIO порты ввода/вывода со встроенными подтягивающими резисторами. Конфигурация портов в/в задаётся программно.

2)  В качестве источника тактовых импульсов может быть выбран:

2.1)  кварцевый резонатор;

2.2)  внешний тактовый сигнал;

2.3)  внутренний RC-генератор (частота 1, 2, 4, 8 МГц).

3)  Внутренняя Флеш-память команд до 256 KБ (не менее 10 000 циклов перезаписи).

4)  Отладка программ осуществляется с помощью интерфейсов JTAG или debugWIRE:

4.1)  сигналы JTAG (TMS, TDI, TDO, и TCK) мультиплексированы на порт ввода/вывода. Режим работы — JTAG или порт — задаётся соответствующим битом в регистре fuses. МК AVR поставляются с включённым интерфейсом JTAG.

5)  Внутреннее EEPROM данных до 4 КБ (100 000 циклов).

6)  Внутренняя SRAM до 8 KБ время доступа 1 такт.

7)  Внешняя память объёмом до 64 КБ (Mega8515 и Mega162).

8)  Таймеры c разрядностью 8, 16 бит.

9)  ШИМ-модулятор (PWM) 8-, 9-, 10-, 16-битный.

10)  Аналоговые компараторы.

11)  АЦП (ADC) с дифференциальными входами, разрядность 10 бит (12 для XMEGA AVR):