Завдання на курсову роботу
Розробити мікропроцесорну систему (МПС) управління та керування об’єктом на базі одно кристального RISK AVR-мікроконтролера (МК) ATMega1281V-8AU .
МПС складатиметься з наступних елементів:
- Система аналогового вводу інформації;
- Система аналогового виводу інформації;
- Система дискретного вводу інформації;
- Система дискретного виводу інформації.
Крім того МПС має в своєму складі елементи, що представлені в таблиці 1.1
Таблиця 1.1 – Елементи МПС
| Елемент | Значення |
| Зовнішня напруга живлення: | Надають |
| Тактова частота МК | 4 МГц |
| Організація виводу даних на рідинно-кристалічний модуль (РКМ) | 4х20 |
| Організація клавіатури | 4х4 |
| Інтерфейс спряження з ПЕОМ | RS232 |
| Ємність зовнішнього оперативного запам’ятовуючого пристрою (ОЗП) | 8кБ |
Параметри системи аналогового вводу представлені у таблиці 1.2
Таблиця 1.2 – Параметри системи аналогового вводу
| Параметр | Значення |
| Динамічний діапазон сигналу від датчиків | 0 - 5 В; |
| Несиметричні входи MUX | ADC7, 0 |
| Диференційні входи MUX | ADC7-1 |
| Джерело опорної напруги | VCC=5 |
| Продовження таблиці 1.2 | |
| Параметр | Значення |
| Режим роботи АЦП | одиночний |
| Кількість опитування датчиків за 1 с | 150 |
Параметри системи аналогового виводу представлені у таблиці 1.3
Таблиця 1.3 – Параметри система аналогового виводу
| Параметр | Значення |
| Розрядність вихідного ШІМ | 10 |
| Режим роботи ШІМ | PhasecorrectPWM |
| Подавлення гармонік фільтром | 40 дБ/дек |
Параметри систем дискретного вводу - виводу представлені у таблиці 1.4
Таблиця 1.4 – Параметри систем дискретного вводу - виводу
| Параметр | Значення |
| Кількість дискретних входів | 4 |
| Кількість дискретних виходів | 3 |
| Наявність гальванічного розв’язку сигналів | Є |
Вступ
Винахід мікропроцесора розв’язав суперечність між високим ступенем інтеграції, що забезпечує напівпровідникова мікротехнологія, та великим числом різноманітних великих інтегральних схем, що потрібні для створення достатньо широкого класу обчислювальної техніки. Мікропроцесор змінив характер проектування цифрових пристроїв. Замість розробки схем при використанні мікропроцесорів складаються програми. Це прискорює проектування, забезпечується легкість внесення змін у роботу функціонального пристрою, що здійснюється шляхом заміни програми, яка зберігається в ЗП, новою програмою.
Мікроконтро043Bером називається програмований мікропроцесор, який має вбудовані оперативний запам’ятовуючий пристрій, постійний запам’ятовуючий пристрій (ПЗП), порти введення та виведення інформації та може бути запрограмований для виконання різних операцій.
Мікропроцесорна система являє собою цифрову систему вводу, обробки та виводу інформації, що містить у своєму складі мікроконтролер, модуль запам’ятовуючих пристроїв, пристрої аналогового та цифрового вводу-виводу, блок спряження із ПЕОМ та інші пристрої, що забезпечують роботу того чи іншого модулю.
1 Розробка структурної схеми МПС
В данній курсовій работі розробляється система управління та керування об’єктом на базі одно кристального RISK AVR-мікроконтролера (МК) ATMega1281V-8AU , що складається з:
- Системи аналогового вводу інформації;
- Системи аналогового виводу інформації;
- Системи дискретного вводу інформації;
- Системи дискретного виводу інформації;
- Клавіатура;
- Індикація;
- Зовнішній ОЗП;
Система аналогового вводу інформації призначена для прийому даних від зовнішніх джерел сигналів, корегування їх рівня для подальшої можливості перетворення у форму, що використовується у цифровій техніці. Для корегування рівня сигналів звичайно використовуються дільники або підсилювачі.
Система аналогового виводу інформації призначена для перетворення даних з цифрового представлення у аналоговий сигнал, з подальшим активним фільтруванням сигналу, забезпечуючи тим самим точність перетворення.
Системи дискретного вводу та виводу інформації являють собою системи прийому та видачі сигналів дискретної форми сигналу, тобто цифрові сигнали. Для підвищення точності сигналів та уникнення неоднозначності у інтерпретації даних необхідно ввести у склад обох систем гальванічні розв’язки сигналів.
Структурна схема МПС управління та керування об’єктом представлена у додатку А.
2 Розробка функціональної схеми МПС
На базі структурної схеми, що представлена у попередньому розділі, була розроблена функціональна схема МПС управління та керування об’єктом.
На даній схемі представлені більш детально всі вказані у завданні елементи системи.
Для узгодження максимальної вхідної напруги від датчиків, що підключені до несиметричних входів АЦП, з максимальною напругою, що він може обробити, використовуємо дільник напруги та аналоговий буферний повторювач.
При підключенні сигналів від датчиків до диференційних входів АЦП використовуватись буде пряме безпосереднє підключення.
Система аналогового виводу інформації складається з ШІМ, побудованого на базі таймера/ лічильника Т1, та фільтру низьких частот Батерворта другого порядку.
Дискретні входи та виходи оснащені гальванічним розв’язком сигналу на основі оптрону, що дозволяє виключити вирівнюючи струми та привести у відповідність номінали рівнів логічної одиниці та нуля, тим самим зменшити взаємний вплив окремих пристроїв, що мають різне енергопостачання.
МК має двонаправлену мультиплексовану шину адреси/ даних, й для коректної роботи ОЗП необхідно додатково під’єднати буферний регістр адреси, на який підключатимуться молодші розряди адреси.
Функціональна схема МПС представлена у графічній частині курсової роботи.
3 Розробка принципової схеми МПС
3.1 МК та його система тактування
В даній курсовій роботі розробляється система управління та керування об’єктом на базі одно кристального RISK AVR-МК ATMega1281V-8AU.
ATmega1281V - малопотужний 8-розрядний. КМОП МК, виконаний на основі AVR-ядра з RISC-архітектурою. За рахунок виконання більшості інструкцій за один машинний цикл досягає продуктивності 1 млн. операцій за секунду при тактовій частоті 1 МГц.
AVR ядро об’єднує великий набір інструкцій із 32 робочими регістрами загального призначення. Всі 32 регістра безпосередньо підключені до арифметико-логічного пристрою, що дозволяє вказати два регістри у одній інструкції та виконати її за один цикл. Дана архітектура володіє більшою ефективністю коду й у 10 разів більшою продуктивністю в порівнянні із CISC мікроконтролерами.
Окрім цього до складу МК входять наступні елементи:
Енергонезалежні пам’яті програм і даних:
- флеш- пам’ять розміром 128 кбайт із можливістю перезапису до 10 тыс. разів.
- Опціональний загрузочний сектор з роздільними бітами захисту.
- Можливість самопрограмування програмою у загрузочному секторі
- Підтримка читання під час запису
- 4 кбайт ЭСППЗУ з можливістю перезапису до 100 тыс. разів
- 8 кбайт внутрішнього статичного ОЗП
- Зовнішній адресний простір ємністю до 64 кбайт
- Програмований захист коду програми
Інтерфейс JTAG (сумісний із стандартом IEEE 1149.1)
Відмінні властивості периферійних пристроїв
- Два 8-разр. таймера-лічильника з окремим попереднім дільником та режимом порівняння
- Чотири 16-разр. таймера-лічильника з окремим попереднім дільником, режимами порівняння та захвату
- Лічильник реального часу з окремим генератором
- Чотири 8-разр. ШІМ-канали
- Шість ШІМ-каналів із програмованою розрядністю від 2 до 16 розрядів
- Модулятор виходу порівняння
- 8-канальный 10-розр. АЦП
- 2 програмованих послідовних УСАПП
- Ведущий/подчиненний послідовний інтерфейс SPI
- 2-пров. послідовний інтерфейс для побайтної передачі
- Програмований сторожовий таймер зі окремим вбудованим генератором
- Вбудований аналоговий компаратор
- Переривання й поновлення роботи по зміні стану виводів
Спеціальні особливості МК
- Сброс при подачі живлення
- Вбудований калібрований генератор
- Внутрішні та зовнішні джерела преривання
- Шість економічних режимів: холостий хід (Idle), зменшення шумів АЦП (ADC Noise Reduction), економічний (Power-save), понижена потужність (Power-down), черговий (Standby) та розширений черговий (Extended Standby)
Температурний діапазон: -40°C…+85°C
Градації по швидкодії:
0 - 4 МГц при 1.8 - 5.5В,
0 - 8 МГц при 2.7 - 5.5В
Тактування МК відбувається за допомогою кварцевого резонатору, що генерує частоту 4Мгц.
3.2 Cистеми живлення МПС
Згідно із завдання на курсову роботу живлення МПСпотребуенаступні значення постійної напруги які нам надаються:
- 5 В для живлення мікросхем;
- 2 В для живлення МК;
- 5 В для використання в якості опорної напруги АЦП.
3.3 Розробка блоку зовнішнього ОЗП
Запам’ятовуючі пристрої мікропроцесорних систем призначені для зберігання програм та даних. Основними характеристиками ЗП є їх розрядність, кількість комірок пам’яті, об’єм, організація, швидкодія та потужність споживання.
В даній МПС є два різновиди пам’яті: зовнішня та внутрішня. Внутрішня – це пам'ять, що розташована безпосередньо у МК, а зовнішня – це мікросхема статичної ОЗП необхідного об’єму.
Так як МК має двонаправлену мультиплексовану шину адреси/ даних, для коректної роботи ОЗП необхідно додатково під єднати буферний регістр адреси, на який підключатимуться молодші розряди адреси.
Згідно варіанта завдання на курсову роботу необхідно підєднати зовнішній ОЗП ємністю 8кБ. Для цього була обрана мікросхема пам’яті НМ6564 з організацією 8к х 8, а також буферний регістр адреси – 74НСТ573N.