Микропроцессорная система управления

 

 

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации
ГОУ ВПО
Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина
Кафедра электроники и микропроцессорных систем
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к курсовому проекту  на тему:  «Микропроцессорная  система управления»
Выполнил		студент гр. 4-35 Полханов А.С.
Проверил		Софронов С.В., Копылова Л.Г.

 

 

 

Иваново 2010

 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение …………………………………………………………………………………..……...3

    _{1. Описание функциональной  схемы……………………………………….……….……....4}

    _{2. Разработка принципиальной схемы}

            _{2.1. Описание микроконтроллера……………………………………………..………..5}

2.2. Интерфейс RS-485……………………………………………………..…...…..…...8

2.3. Цифро-аналоговый преобразователь…………………………………….……….11

2.4. Аналого-цифровой преобразователь………………………………….………….13

2.5. Разработка клавиатуры….………………………………………………………...15

2.6. Индикация…………………………………………………………………..……...16

2.7. Схема ФИД……………………………………..…………………………………..18

  3. Расчет блока питания ………………………………………………………………………21

  4. Программа вывода на ЦАП…………..……………………………………………………25

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

Список используемых источников ……………………………………………………..….….28

Приложения:

Приложение 1 – Схема электрическая принципиальная

            Приложение 2 – Спецификация

 

Введение

 

Сегодня в мире ежедневно успешно  проектируется и используется огромное количество различных электронных  устройств и систем. Современная  жизнь немыслима без компьютеров, а сам факт, что сейчас на экранах  мониторов вы читаете эту статью, стал возможен только благодаря сети Интернет и возможностям современной  науки и электронной техники. Однако многие устройства человек использует чаще компьютеров. Без этих устройств  уже нельзя вообразить нашу повседневную жизнь, такой, как мы привыкли ее видеть. Это встроенные приборы, управляемые  различными микроконтроллерами. К примеру, банкомат построен на базе несложного терминала, который имеет сетевое  подключение, и интерфейсные модули для дисплея, клавиатуры, устройству выдачи купюр и так далее. Всем знакомые электронные часы, управляются  микросхемой, отсчитывающей отрезки  времени в микросекундах и  отображающей на экране текущее время. А сотовый телефон и вовсе  имеет собственную операционную систему, со своими файлами, директориями и подпрограммами.

Первой компьютерной системой на кристалле специально созданной для управления – микроконтроллером, была микросхема Intel 8048 выпущенная в 1975 году. Эта микросхема до сих пор применяется в миллиардах клавиатур для персонального ПК. Примерно 55% всех МК продаваемых в мире являются 8-битными. Обычный дом, скорее всего, оснащен дюжиной микроконтроллеров, в отличие от традиционных компьютеров. Современный автомобиль имеет более 30 микроконтроллеров. Микроконтроллеры также можно найти в стиральных машинах, телефонах, телевизорах и магнитофонах, микроволновых печах и кухонных плитах. Даже современные электронные счетчики электроэнергии имеют микроконтроллеры. И на сегодня они доступны и удобны для применения в радиолюбительской практике, даже без специальной подготовки и образования.

В данном курсовом проекте мы реализуем  микропроцессорное устройство управления, основой которого является современный 8-разрядный микроконтроллер, способный  принимать, обрабатывать и отдавать команды периферийной части согласно записанной в него программе.

 

 

 

 

 

 

1. Функциональная схема

На  рис.1.1 представлена функциональная схема, отражающая взаимодействие всех элементов  реализуемого устройства.

 

Рис. 1.1. Функциональная схема устройства

 

Микропроцессорная система.

• Микроконтроллер PIC18F8680 со встроенными модулями EUSART, SPI.
• 3-канальный 12-разрядный АЦП MAX1247 с SPI-интерфейсом.
• 1-канальный 10-разрядный ЦАП AD561.
• Клавиатура 20 клавиш (матрица 5*4)
• LCD-индикатор ACM-1602
• Схема сопряжения в фотоимпульсным датчиком углового положения ФИ2.

Ввод  данных в устройство:

• Аналоговые сигналы (3 канала) – через АЦП.
• Числовые данные и управление функциями – через клавиатуру.
• Цифровая информация с внешних цифровых источников через интерфейс RS-485.
• Фотоимпульсный датчик.

Вывод данных из устройства:

• Аналоговый сигнал управления (1 канал) – через ЦАП.
• Цифровая и буквенная информация – через дисплей.
• Данные о текущем состоянии устройства и цифровые данные для внешних цифровых устройств – через интерфейс RS-485.

 

2. Описание принципиальной схемы

Описание основных блоков устройства и обоснование выбора элементной базы, а также общее описание функционирования.

 

2.1. Микроконтроллер PIC18F8680

PIC18F8680 – 8-разрядный микроконтроллер с RISC-архитектурой фирмы Microchip. Он служит основой системы. Наличие в задании требования реализации интерфейса  SPI и RS-485 привело к решению применить микроконтроллер со встроенными модулями этих интерфейсов. Выбор архитектуры PIC вызван предыдущим опытом работы с процессорами данного типа, богатым функциональным оснащением и высоким быстродействием кристалла при умеренной цене. На рисунке 2.1.1 приведена функциональная схема.

Основные  особенности микроконтроллера:

1. 8-разрядная RISC архитектура: 35 команд (большинство выполняется за 1 м.ц.), производительность до 10 миллионов операций в секунду при тактовой частоте 40 МГц;
2. 64 кБайт FLASH-памяти программ, программируемой внутрисхемно;
3. 4 кБайт энергонезависимой памяти данных;
4. 1 кБайт встроенной статической оперативной памяти;
5. 2 16-разрядных и 2 8-разрядных таймера-счетчика
6. Модули EUSART и SPI;
7. 16-канальный 10-разрядный АЦП;
8. программируемый сторожевой таймер;
9. встроенный генератор сигнала сброса при включении питания и по снижению уровня напряжения питания;

 

.

Рис. 2.1.1. Функциональная схема.

Микроконтроллеры семейства PIC имеют  эффективную систему команд, состоящую  всего из 35 инструкций. Все инструкции выполняются за один цикл, за исключением  условных переходов и команд, изменяющих программный счетчик, которые выполняются  за 2 цикла. Один цикл выполнения инструкции состоит из 4 периодов тактовой частоты. Таким образом, учитывая то, что рабочая  частота контроллера составляет 0 Гц ... 20 МГц, минимальное время выполнения инструкции равняется 200 нс. Каждая инструкция состоит из 14 бит, делящихся на код операции и операнд (возможна манипуляция с регистрами, ячейками памяти и непосредственными данными).

Высокая скорость выполнения команд в PIC достигается за счет использования  двухшинной Гарвардской архитектуры  вместо традиционной одношинной Фон-Hеймановской. Гарвардская архитектура основывается на наборе регистров с разделенными шинами и адресным пространством для команд и для данных. Набор регистров означает, что все программные объекты, такие как порты ввода/вывода, ячейки памяти и таймер, представляют собой физически реализованные аппаратные регистры.

На  рис.2.1.2 представлена карта памяти данного микроконтроллера.

Рис.2.1.2. Карта памяти

Программирование контроллера  осуществляется любым программатором, совместимым с процессорами PIC, через стандартизованный разъем.

Тактирование МК будет осуществляться от внутреннего RC-генератора с частотой 4 МГц При этом на выводе RA6 получим тактовый сигнал с частотой в 4 раза меньшей, чем частота RC-генератора. Этот вывод будет задействован для синхронизации внешней логики.

 

 

2.2. Интерфейс RS-485

Интерфейс RS-485 (другое название - EIA/TIA-485) - один из наиболее распространенных стандартов физического уровня связи. Физический уровень - это канал связи и  способ передачи сигнала (1 уровень  модели взаимосвязи открытых систем OSI).

Сеть, построенная на интерфейсе RS-485, представляет собой приемопередатчики, соединенные при помощи витой  пары - двух скрученных проводов. В основе интерфейса RS-485 лежит принцип дифференциальной (балансной) передачи данных. Суть его  заключается в передаче одного сигнала  по двум проводам. Причем по одному проводу (условно A) идет оригинальный сигнал, а  по другому (условно B) - его инверсная  копия. Другими словами, если на одном  проводе "1", то на другом "0" и  наоборот. Таким образом, между двумя  проводами витой пары всегда есть разность потенциалов: при "1" она  положительна, при "0" – отрицательна (рис.2.2.1).

Рис.2.2.1. Принцип передачи сигнала.

Именно этой разностью потенциалов  и передается сигнал. Такой способ передачи обеспечивает высокую устойчивость к синфазной помехе. Синфазной  называют помеху, действующую на оба  провода линии одинаково. К примеру, электромагнитная волна, проходя через  участок линии связи, наводит  в обоих проводах потенциал. Если сигнал передается потенциалом в  одном проводе относительно общего, как в RS-232, то наводка на этот провод может исказить сигнал относительно хорошо поглощающего наводки общего ("земли"). Кроме того, на сопротивлении  длинного общего провода будет падать разность потенциалов земель - дополнительный источник искажений. А при дифференциальной передаче искажения не происходит. В самом деле, если два провода  пролегают близко друг к другу, да еще перевиты, то наводка на оба  провода одинакова. Потенциал в  обоих одинаково нагруженных  проводах изменяется одинаково, при  этом информативная разность потенциалов  остается без изменений. Аппаратная реализация интерфейса - микросхемы приемопередатчиков с дифференциальными входами/выходами (к линии) и цифровыми портами.

RS-485 - полудуплексный интерфейс.  Прием и передача идут по  одной паре проводов с разделением  по времени. В сети может  быть много передатчиков, так  как они могут отключаются в режиме приема.

Цифровой выход приемника (RO) подключается к порту приемника (RX). Цифровой вход передатчика (DI) к порту передатчика (TX). Поскольку на дифференциальной стороне приемник и передатчик соединены, то во время приема нужно отключать  передатчик, а во время передачи - приемник. Для этого служат управляющие  входы - разрешение приемника (RE) и разрешения передатчика (DE). Так как вход RE инверсный, то его можно соединить с DE и  переключать приемник и передатчик одним сигналом с любого порта  контроллера. При уровне "0" - работа на прием, при "1" - на передачу. Драйвер подключается согласно рис.2.2.2

Рис.2.2.2. Включение драйвера.

Приемник, получая на дифференциальных входах (AB) разность потенциалов (UAB) переводит  их в цифровой сигнал на выходе RO. Чувствительность приемника может быть разной, но гарантированный пороговый диапазон распознавания сигнала производители  микросхем приемопередатчиков пишут  в документации. Обычно эти пороги составляют ± 200 мВ. То есть, когда UAB > +200 мВ - приемник определяет "1", когда UAB < -200 мВ - приемник определяет "0". Если разность потенциалов в линии  настолько мала, что не выходит  за пороговые значения - правильное распознавание сигнала не гарантируется. Кроме того, в линии могут быть и не синфазные помехи, которые  исказят столь слабый сигнал.

Все устройства подключаются к одной  витой паре одинаково: прямые выходы (A) к одному проводу, инверсные (B) - к  другому.

Входное сопротивление приемника  со стороны линии (RAB) обычно составляет 12 КОм. Так как мощность передатчика  не беспредельна, это создает ограничение  на количество приемников, подключенных к линии. Согласно спецификации RS-485 c учетом согласующих резисторов передатчик может вести до 32 приемников. Однако есть ряд микросхем с повышенным входным сопротивлением, что позволяет подключить к линии значительно больше 32 устройств.

Максимальная скорость связи по спецификации RS-485 может достигать 10 Мбод/сек. Максимальное расстояние - 1200 м. Если необходимо организовать связь на расстоянии большем 1200 м или подключить больше устройств, чем допускает нагрузочная способность передатчика - применяют специальные повторители (репитеры).

Согласование  и конфигурация линии связи

При больших расстояниях между  устройствами, связанными по витой  паре и высоких скоростях передачи начинают проявляться так называемые эффекты длинных линий. Причина  этому - конечность скорости распространения  электромагнитных волн в проводниках. Скорость эта существенно меньше скорости света в вакууме и  составляет немногим больше 200 мм/нс. Электрический  сигнал имеет также свойство отражаться от открытых концов линии передачи и ее ответвлений. Грубая аналогия - желоб, наполненный водой. Волна, созданная  в одном конце, идет по желобу и, отразившись  от стенки в конце, идет обратно, отражается опять и так далее, пока не затухнет. Для коротких линий и малых  скоростей передачи этот процесс  происходит так быстро, что остается незамеченным. Однако, время реакции  приемников - десятки/сотни нс. В  таком масштабе времени несколько  десятков метров электрический сигнал проходит отнюдь не мгновенно. И если расстояние достаточно большое, фронт  сигнала, отразившийся в конце линии  и вернувшийся обратно, может  исказить текущий или следующий  сигнал. В таких случаях нужно  каким-то образом подавлять эффект отражения.