Разработка архитектуры, принципиальной схемы и конструкции специализированного микроконтроллера (стр. 1 из 4)
Введение
Микропроцессорные интегральные схемы (МП ИС) и микро-ЭВМ, построенные на их основе, явились следствием бурного развития микроэлектроники, позволившего в одном кристалле полупроводника размещать сложные вычислительные структуры, содержащие десятки тысяч транзисторов. Изготовление больших интегральных схем (БИС) сопряжено с трудоемкой работой по разработке схем, фотошаблонов и подготовкой производства и служб контроля технологических параметров и характеристик БИС. Снижение себестоимости БИС возможно лишь при максимальной автоматизации этапов, предшествующих их изготовлению, и массовости производства.
Массовое производство БИС предполагает широкий спрос потребителя, а следовательно, возможность ее использования для большого круга решаемых задач. Микропроцессорные БИС (МП БИС) представляют тот класс интегральных схем, который сочетает в себе высокую степень интеграции, обеспечивающую огромные функциональные возможности, с большой универсальностью по применению.
Целями курсового проекта являются:
- изучение методики проектирования микропроцессорных систем от технического задания до рабочих чертежей;
- углубление знаний полученных в теоретических курсах;
- получение навыков внедрения теоретических знаний в практические применения.
Основной задачей курсового проекта является разработка архитектуры, принципиальной схемы и конструкции специализированного микроконтроллера, выполняющего функции, определенные заданием, на базе заданных технических средств.
Исходные данные для проекта
1. Базовый восьмиразрядный микроконтроллер.
2. Оперативные периферийные устройства: индикаторы семисегментные (10 знакомест), клавиатура (16 клавиш), внешние прерывания (3 линии).
3. Внешние устройства: входное АЦП (7 каналов, 12 разрядное,
В);выходное ЦАП (1 канала, 10 разрядное,
В).4. Интерфейс для связи с дополнительными внешними устройствами
.5. Схема сопряжения с фотоимпульсным датчиком углового положения ФИ.
1 Описание функциональной схемы
На рисунке 1 представлена функциональная схема микроконтроллера с внешними устройствами.
Рисунок 1 – Схема электрическая функциональная микроЭВМ
Микропроцессорная система включает в себя:
1. Микроконтроллер AT89C5131A-L
2. Контроллер клавиатуры и индикации КР580ВВ79.
3. 1-канальный10-разрядный цифро-аналоговый преобразователь с интерфейсом SPIMAX503
4. 8-канальный 14-разрядный аналого-цифровой преобразователь с интерфейсом SPIAD7949.
5. Схема сопряжения с фотоимпульсным датчиком.
AT89C5131A-L– высокопроизводительная версия 8-разрядного однокристального микроконтроллера 80C51 с флэш-памятью и функциями полноскоростной USB-связи.
Микроконтроллер имеет:
- высокопроизводительное микропроцессорное ядро C51 совместимое со стандартом 8051.
-аппаратно реализованные последовательные интерфейсы I2С, SPI и интерфейс USB
- 34 цифровых входа/выхода
- две линии внешних прерываний.
Микроконтроллер имеет встроенную схему слежения за напряжением питания, сторожевой таймер, тактовый генератор и представляет собой функционально законченную систему на одном кристалле. Все аналоговые и цифровые периферийные модули могут включаться/отключаться и настраиваться программой пользователя.
Контроллер клавиатуры-дисплея (ККД) КР580ВД79 обеспечивает обслуживание клавиатуры (сканирование клавиатуры, и выдача сигнала процессору, при нажатии клавиши) и обслуживание индикаторов (обеспечивается подключение 10 семисегментных индикаторов и регенерацию изображения в динамическом режиме).
В качестве индикатора используется 10 семисегментных индикаторов АЛС348А. Подключается к МК через контроллер клавиатуры/дисплея.
Клавиатура 2×8 (16 клавиш) подключается к МК также через контроллер клавиатуры/дисплея.
Для связи с внешними используется встроенный последовательный интерфейс I2С.
Для обеспечения подключения 12-разрядного ЦАП MCP4921 и 14-разрядного АЦП AD7949 используется встроенный в микроконтроллер последовательный SPI интерфейс.
Для организации трёх клавиш прерывания и прерываний от внешних устройств используется логическая схема расширения прерываний, которая подаёт сигнал прерывания на вход порта Р3.1 и Р3.2 при нажатии одной из клавиш прерывания.
2 Разработка принципиальной схемы
В полную принципиальную схему контроллера, кроме описанного выше блока процессора, входят ЦАП, АЦП, клавиатура, индикаторы.
2.1 Описание микроконтроллера
AT89C5131A-L содержит следующие компоненты: 32 кбайт флэш-памяти с поддержкой внутрисистемного программирования через интерфейс USB, 3 кбайт флэш-памяти для загрузочной программы, 1 кбайт ЭСППЗУ для хранения данных, 256 байт ОЗУ, встроенное ОЗУ расширения (ERAM) 1024 байт, встроенная схема контроля питания (сброс при подаче питания/определение снижения напряжения питания), полноскоростной модуль USB, совместимый с требованиями USB1.1 и USB 2.0, 34 линий ввода-вывода общего назначения, байт-ориентированный 2-проводной последовательный интерфейс TWI, последовательный порт SPI (режим ведущий/подчиненный), режимы холостого хода и снижения мощности, расширенный диапазон напряжения питания: 2.7-5.5В.
AT89C5131A-Lподдерживает два программно-управляемых режима со сниженной активностью, позволяющие снизить уровень потребления. В режиме холостого хода прекращает работу ЦПУ, а таймеры, последовательные порты и система прерываний продолжают функционировать. В режиме снижения мощности сберегается содержимое ОЗУ и останавливается синхронизация периферийных устройств, а возобновление работы микроконтроллера возможно при возникновении событий USB или внешних прерываний.
Микроконтроллер выпускается по технологии высокоплотной энергонезависимой памяти компании Atmel. Механизм программирования встроенной флэш-памяти позволяет перепрограммировать ее внутрисистемно через последовательный интерфейс SPI с помощью обычного программатора энергонезависимой памяти или с помощью встроенной загрузочной программы, выполняемой ядром AVR. Загрузочная программа может использовать любой интерфейс для загрузки программного кода во флэш-память. За счет разделения флэш-памяти на загрузочный сектор и сектор прикладной программы поддерживается действительная возможность чтения во время записи, когда загрузочный код продолжает исполняться и выполняется обновление сектора прикладной программы.
2.2 Организация памяти
В состав памяти входит ОЗУ объемом 256 байт. К младшим 128 байтам можно получить доступ при прямой или косвенной адресации. Старшие 128 байт имеют двойную конфигурацию. В режиме косвенной адресации осуществляется доступ к старшим 128 байтам ОЗУ общего назначения, а в режиме прямой адресации осуществляется доступ к 128 байтам адресного пространства регистров специального назначения (SFR).
При обращении к памяти по адресу выше адреса 7Fh, процессор определяет доступ к старшим 128 байтам RAM данных или к регистрам SFR способом адресации.
Память программ МК состоит из 32 Кбайт Flash-памяти. Эта память может перепрограммироваться внутрисистемно, не требуя при этом специального внешнего напряжения программирования, а используя стандартное напряжение VDD.
Согласно сказанного выше область хранения данных используемых при работе ЦМК удобно расположить в адресах 30h…7Fh, где возможна прямая адресация регистров, в случае нехватки места можно задействовать регистры косвенной адресации 80h…FFh.
2.3 Формирование сигнала сброс
МК AT89C5131A-Lсодержат схему слежения за напряжением питания. При включении питания схема контроля питания немедленно осуществляет сброс, которая удерживает МК в состоянии сброса, пока напряжение питания VDD не превысит в процессе включения уровень VRST, в соответствии с временной диаграммой представленной на рисунке. При этом запускается внутренний счетчик для задержки. В течение таймаута схемы слежения за напряжением питания на выводе /RST удерживается низкий логический уровень, что позволяет напряжению питания стабилизироваться.
2.4 ЦАП
MCP4921 – экономичные 12-разрядные цифро-аналоговые преобразователи с возможностью изменения коэффициента передачи выходного буфера и SPI-интерфейсом. Преобразователи обеспечивают высокую точность и малый уровень шумов во всем расширенном диапазоне температур. Данный тип преобразователя может быть использован в телевизионных и радиолокационных системах, системах сбора и обработки данных в реальном масштабе времени, измерительной аппаратуре и др. Конструктивно она выполнена в корпусе типа DIP-8.
Напряжение питания: AVDD=5В, DVDD=5В.
Выходное напряжение: Vout=0…5В;
Разрядность: 12 бит;
Диапазон выходного напряжения соответствует заданным требованиям.
ЦАП сопрягается с МК по интерфейсу SPI в 4-х проводном режим работы. Обращение к ЦАП производится сигналом микроконтроллера с P1.1/SS на вывод выборки микросхемы CS. При этом МК является ведущим устройством, а ЦАП – ведомым.
Сигнал MOSI (master-out, slave-in - «выход ведущего, вход ведомого») является выходом данных ведущего устройства и входом данных ведомых устройств. Он используется для последовательной передачи данных от ведущего к ведомому. Данные передаются старшими значащими разрядами вперед. При работе в ведущем режиме значение сигнала MOSI определяется старшим значащим разрядом сдвигового регистра как в 3-х проводном, так и в 4-х проводном режимах.