Микроконтроллерные вычислители
Основная задача любого электронного устройства – обработка информации, которую несут в себе электрические сигналы. В самом общем виде электрические сигналы можно классифицировать следующим образом:
аналоговые – напряжение и токи, непрерывно изменяющиеся во времени; информация содержится в амплитуде, частоте или фазе сигналов;
дискретные – импульсные – скачкообразно изменяющиеся сигналы; информация содержится в амплитуде, частоте или форме импульсов;
Описание и минимизация логических функций
Способы задания логических функций
1) Словесный. В словесной форме выражается взаимосвязь между аргументами функции и ее значениями.
Пример: функция трех аргументов принимает значение "1", когда любые два или более аргументов функции равны "1".
1.3 Тождества и законы алгебры логики
Тождества для логического сложения (функция ИЛИ):
1) Словесный способ. В словесной форме выражается взаимосвязь между аргументами функции и ее значениями.
Пример: функция трех аргументов принимает значение "1", когда любые два или более аргументов функции равны "1".
Карта Карно - это прямоугольная таблица, содержащая 2 клеток, где • -количество аргументов функции. В каждой клетке проставляют значение функции, соответствующее определенному минтерму. Правило расположения аргументов по таблице такое, что конъюнкции, соответствующие соседним клеткам, отличаются только одним аргументом. Пример заполнения карты Карно для функции двух аргументов, показан на рис. 2.1.
В процессе синтеза схемы комбинационного устройства выполняют следующие шаги:
1) по словесному описанию функции составляют таблицу истинности;
Закон склеивания по карте Карно реализуется в том, что на карте прорисовываются прямоугольные контуры, содержащие единицы в строго соседних ячейках.
Логическая функция в минимизированной форме записывается на основе уравнений этих контуров путем исключением тех аргументов, которые изменяются в пределах контура (т. е. входят в соседние клетки в прямом и инверсном виде).
Наиболее простой является реализация функции в базисе (И, ИЛИ, НЕ). Реализация оптимальным набором элементов означает, что можно использовать элементы с любым необходимым количеством входов (до восьми); схема устройства для функции из рассматриваемого примера показана на рис. 2.6.
Технические характеристики ИМС в основном определяются технологией изготовления кристалла. В современной микросхемотехнике используют такие основные технологические группы:
· ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика – элементы обладают хорошим быстродействием, являются стандартом современной микросхемотехники по уровням электрических сигналов;
Серия ИМС – это набор микросхем различного функционального назначения, единых по конструктивному и технологическому исполнению и предназначенных для совместного применения. Принцип обозначения микросхем, принятый для серий отечественного производства, показан на рис. 3.2
Быстродействие – определяется средней задержкой передачи сигнала  задается в  .
Входы цифровых микросхем в соответствии с принципом восприятия сигнала подразделяются на статические и динамические. Для статических входов имеет значение уровень сигнала, а для динамических – момент изменения уровня сигнала (перепад «низкий-высокий» – передний фронт, или «высокий-низкий» – задний фронт или срез импульса). Как правило, динамические входы используют для подачи сигналов синхронизации работы цифровых устройств.
Все элементы в технологической группе транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) выполнены на основе биполярныхтранзисторов (n-p-n)–типа.
Стандартные значения сигналов для ТТЛ составляют:
Элементы КМОП (англ. CMOS) выполнены на комплементарных полевых транзисторах (со структурой Металл - Оксид - Полупроводник).
ИС КМОП очень чувствительны к статическому электричеству при хранении и монтаже. Эти элементы характеризуются следующими параметрами:
1. Входы и выходы элементов могут быть подключены к дискретным элементам (диоды, транзисторы) или другим ИМС. При этом важно соблюдать соответствие уровней и значений сигналов
В целом при работе микросхемы КМОП более устойчивы к статическим и импульсным помехам, чем ТТЛ, за счет большего значения U»™ . 1. При попадании U»™ на вход или выход ИС происходит пробой.
В схеме триггера Шмитта имеется гистерезис переключения шириной около 0,8В, расположенный симметрично относительно порога срабатывания 1,3В (см. рис. 4.4-г). Стрелки на графике обозначают направление изменения входного сигнала триггера Шмитта, которому соответствует данная ветвь характеристики. За счет такого гистерезиса реализуется переключение выхода элемента на строго определенном уровне сигнала даже при плавно изменяющемся входе.
Особенность устройств комбинационного типа в том, что они выполнены как последовательность логических элементов (ЛЭ) без обратных связей, т.е. реализуют логические функции, которые зависят только от текущих значений входных сигналов. К устройствам данного типа относятся: мультиплексоры, обозначаемые на схемах как МХ (или MS); демультиплексоры – DMX; дешифраторы – DC (декодеры); шифраторы – CD (кодеры); сумматоры – SM; арифметико-логические устройства - ALU (АЛУ).
Кроме цифровых мультиплексоров, в устройствах ввода и преобразования данных используются аналоговые коммутаторы и аналоговые ключи (обычно их обозначают АМХ). В этом случае информационные входы  и выход  являются линиями передачи аналоговых сигналов, а управление является цифровым. По адресным входам указывается номер входа так же, как и для обычных цифровых мультиплексоров. Область применения аналоговых мультиплексоров – это многоканальные системы аналого-цифрового преобразования.
Шифраторы выполняют преобразование входного  -разрядного унитарного кода в выходной  -разрядный двоичный код, причем  .
Унитарным называется -разрядный двоичный код, в котором активное значение присутствует строго только в одном разряде (или все разряды имеют пассивное значение). Типовое обозначение шифратора на принципиальных схемах – CD.
Полным дешифратором называется комбинационная схема, которая имеет n входов и  выходов, причем уравнение для каждого выхода представляет собой уникальный минтерм (полную конъюнкцию аргументов  ). Каждому набору значений аргументов (т.е. входных сигналов) соответствует активный уровень только на одном выходесхемы дешифратора.
Возможны два варианта реализации дешифраторов: с активной «1» на выходе и с активным «0». Дешифратор с активной «1» реализует на своих выходах прямой унитарный код, а дешифратор с активным «0» - инверсный унитарный код. Обобщенная таблица истинности дешифратора с организацией  с учетом двух вариантов реализации показана на рис
Дешифраторы в интегральном исполнении, как правило, имеют дополнительный управляющий вход  , по которому выполняется разрешение работы устройства. Таким образом, при подаче  микросхема будет работать как дешифратор в соответствии с таблицей истинности, а при подаче  на всех выходах дешифратора будут присутствовать неактивные уровни сигналов.
Пример дешифратора в интегральном исполнении – микросхемы типа К155ИДЗ с организацией (4´16) с инверсными выходами показан на рис. 6.3.
Сумматор – комбинационное устройство, построенное на логических элементах и предназначенное для арифметического сложения двоичных чисел (двух  -разрядных двоичных кодов). На электрических схемах сумматор обозначается как SM.
Особенность арифметического сложения состоит в том, что учитывается перенос из младшего разряда при суммировании текущего разряда, и формируется перенос в следующий разряд суммы (см. рис. 7.1) – в отличие от логического сложения, при котором перенос не формируется.
На основе одноразрядных полусумматора и полных сумматоров можно построить  -разрядный полный сумматор путем последовательного соединения схем сумматоров по линиям передачи сигнала переноса (рис. 7.5).
Триггеры – это логические устройства с памятью. Их выходные сигналы зависят не только от текущих значений входных сигналов, но и от состояния триггера в предыдущий момент времени. Такие устройства относятся к группе
последовательностных устройств. Обобщенная структура триггера показана на рис. 8.1:
Простейший RS-триггер
Схема простейшего RS-триггера может быть выполнена в двух вариантах:
Тактируемый уровнем D-триггер (триггер данных)
D-триггер – базовый элемент для хранения битовых данных. Этот триггер имеет один информационный вход D и тактовый вход С. Сигнал с входа D будет записан в триггер и появится на выходе Q только при наличии активного уровня сигнала на тактовом входе С (рис.8.6).
Основное достоинство D-триггера по сравнению с RS-триггером в том, что он более удобен для записи и хранения цифровых данных за счет единственного информационного входа, через который может быть установлен в “1” или “0”.
Счетные триггеры (или Т-триггеры) реализованы только в виде схем, тактируемых срезом синхроимпульса. В триггерах этого типа имеется только один вход – счетный тактирующий вход Т (рис. 8.9).
Анализ схемы показывает, что датчиком в случае использования ЧИМ может бать только устройство с переменным сопротивлением (датчик потенциометрического или резистивного типа). Таким образом, датчик является частью функционального преобразователя в рамках измерительного канала
Задача простого подсчета внешних импульсов. Её решают путем подачи таких импульсов на внешний счетный вход таймеров Т0, Т1 или Т2. При этом выбранный таймер нужно настроить на режим подсчета внешних импульсов. Як правило, таймер используют в 16-битовой конфигурации. Например, при использовании таймера Т0 нужно записать в регистр управления таймерами TMOD число 00000101b.
Измерение периода следования импульсов – один из способов определения их частоты. Такой подход применяют, когда частота импульсов невелика, т.е. для непосредственного измерения частоты путем подсчета импульсов нужен значительный интервал времени (несколько секунд). Принцип измерения периода внешних импульсов ТИ состоит в подсчете синхронных импульсов от эталонного генератора (например, ГТИ МК)
Второй способ измерения периода внешних импульсов базируется на том, что в микроконтроллерах 80х52 есть возможность автоматической фиксации текущего состояния таймера Т2. При этом входные импульсы, период которых измеряется, нужно подавать на вход T2EX (линия Р1.1). По срезу сигнала на этом входе происходит копирование текущего состояния таймера Т2 в регистры RCAP2H, RCAP2L. После каждого копирования таймер нужно обнулить.
Существуют несколько способов ввода аналоговых сигналов в цифровую систему, альтернативных аналого-цифровому преобразованию. Одним из них является формирование широтно-модулированных импульсов по аналоговому сигналу и измерение их длительности микропроцессорным устройством.
Варианты программной реализации измерения ширины импульсов
При выборе принципов измерения длительности ШМ-импульсов имеет смысл учитывать такие факторы:
– возможность приема ШМ-импульсов аппаратными средствами микроконтроллера (прерывания, таймеры);
– минимизация программных действий по обработке ШМ-импульсов.
В микроконтроллерах семейства MCS-51 имеется возможность управлять запуском таймера с помощью уровня внешнего сигнала, подаваемого на вход INTx. Эта возможность активна при установке бита GATE=1 в регистре TMOD. При этом таймер следует включить программно один раз в блоке инициализации, а текущие запуски и остановы будут происходить в соответствии с фазой входного ШМ-импульса
Для управления исполнительными устройствами, особенно двигателями постоянного тока, широко используются ШМ-сигналы. Формировать такие сигналы можно аппаратными средствами:
· построением внешних схем ШМ-генераторов на основе двоичного кода;
· использованием аппаратных ШМ-генераторов в составе МК; например,
в МК AVR для этого используются таймеры и цифровые компараторы.
Несмотря на то, что в микроконтроллерах семейства MCS-51 отсутствуют встроенные аппаратные ШИМ-генераторы, сформировать ШМ-сигнал на выводе МК достаточно просто. Для этих целей удобно использовать таймер в режиме автоперезагрузки стартового числа. Используемая разрядность таймера NT соответствует разрядности счетчика NC
Для получения выходных аналоговых сигналов на основе широтно-модулированных импульсов применяют сглаживание на основе активного фильтра. Этот подход можно использовать как для МК со встроенными ШИМ, так и в случае, когда выходной ШМ-сигнал формируется программно.
Принципы использования АЦП с последовательным интерфейсом
По типу цифрового интерфейса АЦП можно классифицировать на параллельные и последовательные.
Как правило, АЦП с разрядностью 6…16 бит бывают параллельными и последовательными, а преобразователи с разрядностью более 16 – только последовательными.
Последовательный интерфейс микросхемы АЦП ADS1210 может работать в двух основных режимах:
1) режим ведомого устройства;
2) режим ведущего устройства (в данной лекции не рассматривается
Обзор семейства микроконтроллеров AVR
Микроконтроллеры семейства AVR являются одним из популярных современных средств для построения управляющих вычислителей. Семейство AVR разработано и выпускается фирмой Atmel Corp.
Компания ATMEL Corp. – один из мировых лидеров в производстве широкого спектра микросхем энергонезависимой памяти, FLASH-микроконтроллеров и микросхем программируемой логики. Первые МК AVR появились в 1997 году.
Применение МК AVR в учебном процессе для непосредственного изучения и программирования ограничено следующими причинами:
· более сложная архитектура, чем у МК семейства MCS-51;
· язык ассемблер у МК AVR сложнее из-за многочисленных мнемоник команд, зависящих от формы адресации данных;
Кроме того, практически все линии портов использованы для поддержки периферийных функций (входы таймеров и прерываний, входы многоканального АЦП, выходы ШИМ, интерфейс программирования SPI и др.)
При использовании портов для байтового или битового ввода-вывода данных работа каждого из портов обеспечивается тремя регистрами
Состав исходных данных для проектирования контроллера
Набор параметров, формируемых при анализе технического задания на разработку системы управления (ТЗ на выполнение выпускной работы бакалавра)
сновные этапы проектирования контроллера
в рамках выпускной работы бакалавра
1. Подготовка законов управления к реализации в контроллере.
2. Построение функциональной схемы контроллера.
3. Предварительная разработка структуры программного обеспечения и оценка требуемых вычислительных ресурсов
Критерии выбора микропроцессора
Выбор микропроцессора для проектируемого управляющего вычислителя является наиболее ответственным этапом проектирования МП-системы.
Исходными требованиями для выбора микропроцессора являются:
· классификационная группа микропроцессора – универсальный МП, однокристальный микроконтроллер, сигнальный процессор (см. Модуль 2 – Тема 1); выбор группы проводят исходя из назначения проектируемой системы;
Разработка средств синхронизации процессора – необходима в тех случаях, когда МП не содержит встроенного задающего генератора или когда процессор проектируется для многопроцессорной системы. При этом разрабатывают внешний задающий генератор со схемами формирования сигналов синхронизации МП в соответствии с требованиями, предъявляемыми к его частотным характеристикам. В генераторах для многопроцессорных систем необходимо предусмотреть средства взаимной синхронизации процессоров.
Средства реализации прямого доступа в память – ПДП (DirectMemoryAccess – DMA) реализуют в случаях, если процессе работы системы нужно будет переслать значительные объемы данных между памятью МП-системы и внешним устройством (накопителем данных, видеосистемой, каналом передачи данных и т.п.) по запросу от внешнего устройства.
Выбор варианта построения МК-системы:
1. Минимальная конфигурация:
– набор внутренних периферийных блоков и объемы внутренней памяти МК соответствуют решаемым задачам;
– все необходимые внешние устройства (ввод данных, преобразование, индикация) удается подключить непосредственно к портам МК;
В последние годы при разработке систем управления объектами различного типа и уровня сложности все больше внимания уделяется микроконтроллерной технике. Это связано с ее бурным развитием и широким ассортиментом предлагаемой продукции. Использование микроконтроллеров позволяет конструировать устройства, обладающие такими качествами, как небольшие габариты, относительная дешевизна, простота и надежность, совместимость с персональным компьютером через стандартные интерфейсы.
При выборе МК важно также принять во внимание технологию, с использованием которой изготовлен процессор МК: N-канальный метал-оксид-полупроводник (NMOS) в сравнении с комплементарным MOS высокой степени интеграции (HCMOS). В отличие от ранних NMOS - процессоров, в HCMOS сигналы изменяются от 0 до значения напряжения питания.
Вычислительные возможности управляющих вычислителей определяются не только типом используемых микропроцессоров, но и в значительной степени характеристиками системы памяти.
Исходными данными для оценки требуемого информационного объема ОЗУ являются: количество входных aи выходных b величин, применяемых в алгоритмах
При использовании форматов с плавающей запятой значения погрешностей представления и вычислений будут существенно меньше, чем для формата с фиксированной точкой. Применение формата с плавающей точкой обычно приводит к усложнению алгоритмов обработки, что снижает быстродействие вычислителя и увеличивает загрузку памяти. При использовании высокопроизводительных процессоров и при построении контроллеров на основе РС-подобной архитектуры проблемы нехватки вычислительных ресурсов становятся устраняются.
Запись логических функций для формирования сигналов  разрешения работы микросхем памяти на основании таблицы адресных сигналов. Такая адресная функция представляет собой конъюнкцию полного набора адресных сигналов, по которым производится выбор адресной области. Если, согласно таблице, для конкретной области адресный сигнал определен “1”, то в логическое произведение название линии входит прямым значением, а если определен “0”, то входит инверсным значением.
|
