Управляющие системы на микроконтроллерах.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение. Управляющие системы на микроконтроллерах ………………. 5

1 Характеристики микроконтроллеров семейства AVR … ……………… 9

1.1 Особенности микроконтроллеров ………………………………………… 9

1.2 Характеристики микроконтроллера Atmega16 ………………………… 11

1.3 Условное графическое обозначение микроконтроллера ……………….. 13

2 Архитектура микроконтроллера ………………………………………….. 14

2.1 Структура микроконтроллера …………………………………………… 14

2.2 Организация программной памяти ……………………………………… 14

2.3 Организация памяти данных ………………………………………………. 17

2.4 Арифметико-логическое устройство и регистр состояния процессора … 21

2.5 Методы адресации. Форматы команд …………………………………… 22

2.6 Система команд …………………………………………………………… 27

2.6.1 Команды передачи данных (пересылки) ……………………………………. 28

2.6.2 Команды передачи управления …………………………………………. 30

2.6.3 Команды арифметики и логики (вычислительные) ……………………. 33

2.6.4 Команды сдвигов и операций с битами …………………………………. 35

2.7 Функционирование конвейера …………………………………………… 37

3 Встроенные устройства ……………………………………………………. 40

3.1 Параллельные порты ввода/вывода ……………………………………… 40

3.2Подсистема прерываний микроконтроллера ……………………………. 44

3.3 Таймеры/счетчики ………………………………………………………… 50

3.3.1 Общие сведения …………………………………………………… 50

3.3.2 Таймер/счетчик Т0 ……………………………………………………. 51

3.3.3 Таймер/счетчик Т1……………………………………………………. 55

3.3.4 Сторожевой таймер (Watchdog Timer)………………………………. 64

3.4 Последовательные интерфейсы -SPI и UART ……………………………….. 66

3.4.1 Последовательный периферийный интерфейс - SPI ………………… 66

3.4.2 UART - универсальный последовательный порт …………………… 70

3.5 Аналоговый компаратор и АЦП ………………………………………. 79

3.5.1 Аналоговый компаратор …………………………………………….. 79

3.5.2 Аналого-цифровой преобразователь ………………………………… 81

3.6 Энергонезависимая память данных ……………………………………… 88

4 Понятия о языках программирования микроконтроллеров …… ……… 92

4.1 Язык Ассемблер…………………………………………………………….. 92

4.2 Язык СИ……….…………………………………………………………….. 95

4.2.1 Типы данных, объявление данных……………………………………… 95

4.2.2 Операторы ……………………………………………………………….. 97

4.2.3 Функции …………………………………………………………………... 97

4.2.4 Оператор if – else …………………………………………………………. 99

4.2.5 Оператор switsh …………………………………………………………… 101

4.2.6 Операторы циклов …………………………………………………………103

4.2.7 Указатели ………………………………………………………………….. 105

4.2.8 Директивы препроцессора ……………………………………………….. 106

5 Взаимодействие микроконтроллера с объектом управления …………… 108

5.1 Формирование временных интервалов (задержек) …………………… 108

5.1.1 Программный способ формирования временных интервалов ……. 108

5.1.2 Формирование временных интервалов с использованием таймера/счетчика …………………………………………………………………. 111

5.2 Генерация импульсных сигналов управления с использованием программных задержек …………………………………………………………… 113

5.2.1 Генерация последовательности импульсов с использованием программных задержек ……………………………………………………………113

5.2.2 Генерация пакета импульсов …………………………………………114

5.2.3 Генератор заданного числа пакетов импульсов …………………… 115

5.3 Формирование импульсных сигналов управления с использованием таймеров микроконтроллера ……………………………………………………… 117

5.4 Ожидание внешних событий ……………………………………………. 120

5.5 Обработка динамического дисплея ……………………………………… 121

5.6 Особенности схемы дисплея в учебной системе управления ……….. 124

5.7 Часы ……………………………………………………………………….. 126

5.8 Измерение временных параметров импульсов ………………………. 128 5.9 Обработка клавиатуры ………………………………………………….. 130

ВВЕДЕНИЕ.

УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ НА МИКРОКОНТРОЛЛЕРАХ.

Микропроцессорная система (МПС) - система обработки данных, контроля и управления, построенная на базе одного или нескольких микропроцессоров (МП). МПС построены по программно-аппаратному принципу и представляют собой аппаратно-программный комплекс.

Любая микропроцессорная система содержит три основных части: МП, память для хранения данных и программ и устройства ввода-вывода (УВВ) со средствами обмена информацией с памятью и МП. МикроЭВМ или персональный компьютер представляют собой МПС общего применения.

Микропроцессор - программно-управляемое цифровое устройство для обработки цифровой информации и управления процессом обработки. Понятие «обработка данных» включает в себя выполнение простых арифметических и логических операций над данными: сложения, вычитания, дизъюнкцию, конъюнкцию, инверсию, сумму по модулю два, возможно умножение и деление. Большую группу операций составляют операции пересылок. Каждой операции соответствует команда в виде двоичного (машинного) кода, размещаемая в памяти. Совокупность команд, объединенных некоторой связью, представляет собой программу. Упрощенное функционирование микро-ЭВМ состоит в последовательном считывании команд из памяти в МП и их исполнении.

Данные могут размещаться в регистрах МП, памяти или в УВВ. Результаты операций размещаются в МП, памяти или передаются в УВВ.

К УВВ относятся: клавиатура, дисплей, принтер, внешняя (дисковая) память, датчики и исполнительные устройства (реле, двигатели и др.).

Классификация микропроцессоров представлена тремя основными группами: микропроцессоры общего применения, сигнальные процессоры и микроконтроллеры (МК).

Микропроцессоры первой группы ориентированы на обработку больших информационных объемов в системах автоматизированного сбора и обработки информации (АСОИ). На базе микропроцессоров общего применения построены персональные компьютеры, имеющие высокое быстродействие, большую емкость памяти, систему команд, ориентированную на высокоскоростную обработку данных, средства организации связи с «внешним миром», в том числе, средства объединения в вычислительные сети.

Сигнальные процессоры или процессоры цифровой обработки сигналов оптимизированы для цифровой обработки сигналов и других операций в области высокоскоростной обработки цифровых данных в реальном времени. Сигнальные процессоры используются в цифровых системах связи (в том числе и системах мобильной связи), телевидении, качественных системах звуковоспроизведения, измерительной технике и др..

Микроконтроллеры и построенные на их базе МПС используются в регулирующих и управляющих системах. Структурная организация, система команд и аппаратно-программные средства ввода/вывода МК оптимизированы для решения задач управления и регулирования в реальном времени. В состав управляющей системы на микроконтроллере, кроме собственно объекта управления, входят следующие основные компоненты: датчики, микроконтроллер и исполнительные устройства. Функции датчиков: преобразование неэлектрических параметров, определяющих состояние объекта (температура, давление, влажность, частота вращения и др.) в электрические сигналы, чаще всего в напряжение. По своей природе датчики могут быть импульсными и аналоговыми, соответствующие сигналы также могут быть импульсными и аналоговыми. В последнем случае для преобразования аналогового значения сигнала датчика в цифровой вид применяются аналого-цифровые преобразователи. При работе объекта значения параметров могут изменяться, а, следовательно, могут изменяться и параметры сигналов, формируемых датчиками (частота, длительность импульсов, период, фазовый сдвиг, величина напряжения). Численные амплитудные значения параметров сигналов, формируемых датчиками, обычно не соответствуют входным параметрам микроконтроллера, поэтому между датчиками и микроконтроллером включают согласующие устройства (усилители, делители и др.) и, при необходимости, устройства гальванической развязки.

Микроконтроллером выполняются три основные функции:

- измерение значений параметров сигналов, поступающих от датчиков;

- обработка данных;

- формирование сигналов управления для работы исполнительных устройств.

Простейшая обработка данных заключается в сравнении значений сигналов, поступающих от датчиков, с заданными значениями.

В качестве исполнительных устройств используются электродвигатели, электромагниты, механизмы электродинамического типа и др. Сигналы управления, формируемые микроконтроллером, могут быть аналоговыми и импульсными с соответствующими значениями временных и энергетических (напряжение, ток, мощность) параметров. Нагрузочная способность выводов микроконтроллера незначительна, поэтому между ним и исполнительными устройствами включают согласующие устройства выхода (усилители, ключевые устройства и др.). Кроме того, между микроконтроллером и исполнительными устройствами часто требуется гальваническая развязка. В качестве развязывающих устройств могут использоваться трансформаторы, оптоэлектронные приборы, усилители и др..

В соответствии с выполняемыми функциями, микроконтроллер как минимум, имеет в своем составе обработчик данных по заданной программе и устройства для измерения параметров сигналов и формирования управляющих сигналов. Микроконтроллер представляет собой однокристальную микро-ЭВМ со всеми основными ее атрибутами: процессор, память, порты ввода-вывода, система прерываний и с интегрированными периферийными средствами поддержки реального времени и реализации функций измерения и формирования сигналов (таймеры, генераторы сигналов, АЦП, ЦАП, компараторы и др.).

В микроконтроллерах используется Гарвардская архитектура построения памяти, т.е. раздельные память программ и память данных.

Универсальность, гибкость, высокая надежность и относительная дешевизна МПС на микроконтроллерах позволяют широко применять их в самых различных системах для реализации функций управления, контроля измерения и обработки данных. Управляющие МПС используются для управления станками, механизмами, сварочными аппаратами, производственными линиями, электростанциями. На их основе создаются автоматизированные производства и системы распределенного управления в реальном времени.

Микроконтроллеры могут встраиваться в приборы и аппаратуру, и запрограммированы на реализацию программ управления, регулирования и контроля. В системах автоматического регулирования применение МК позволяет программно перенастраиваться на реализацию заданных законов регулирования. Это, в свою очередь, обеспечивает повышение точности, надежности, гибкости, производительности и снижение стоимости. МК позволяют выполнять ряд дополнительных системных функций: обнаружение ошибок, контроль предельных значений параметров, оперативное отображение состояния системы и т. п.

Основными разработчиками и поставщиками на рынок МК являются фирмы MOTOROLLA, ATMEL, MICROCHIP, ANALOG DEVICES и др.. Ежегодный выпуск микроконтроллеров составляет более 2 млрд. Номенклатура контроллеров составляет несколько сотен и классифицирована по семействам. Каждый микроконтроллер ориентирован на выполнение определенных функций управления. Выбор микроконтроллера для конкретного применения производится по показателю «функциональность - цена – качество».

Широкий круг задач управления может быть решен с использованием 8-разрядных микроконтроллеров с архитектурой MCS-51. Разработанная в 1980 году архитектура MCS-51 получила в последнее время новый импульс развития с появлением модернизированных микроконтроллеров. Современные микроконтроллеры этой архитектуры имеют FLASH-память программ, энергонезависимую память данных, более мощные подсистемы прерываний и таймеров, ЦАП и АЦП, повышенную тактовую частоту. Для многих приложений микроконтроллеры этой архитектуры имеют наилучший показатель «цена – качество».

Семейство 8-битных микроконтроллеров AVR фирмы ATMEL имеют RISC-архитектуру с раздельными шинами данных памяти команд и памяти данных, память команд достаточно большой емкости FLASH-типа с 16-битной организацией и различными режимами программирования, одноуровневый конвейер, энергонезависимую память данных EEPROM, систему многорежимных таймеров с режимами формирования ШИМ на аппаратном уровне, многоканальный 10-разрядный АЦП. Микроконтроллеры AТмega имеют встроенные ресурсы отладки программного обеспечения. Эти особенности сделали микроконтроллеры семейства AVR популярными на мировом рынке.

Для решения более сложных задач управления мощность 8–битных микроконтроллеров недостаточна. Компаниями предлагаются 16-ти и 32-разрядные микроконтроллеры, имеющие значительные объемы памяти, мощные систему команд и периферию, высокое быстродействие. Архитектурой некоторых микроконтроллеров поддерживается выполнение арифметических операций с плавающей точкой, цифровая обработка сигналов, параллельное (одновременное) выполнение функций управления и обработки данных.

Контрольные вопросы

1. Определение микропроцессорной системы.

2. Основные части микропроцессорной системы.

3. Определение микропроцессора.

4. Раскрыть понятие обработки данных.

5. Определение программы.

6. В чем состоит упрощенное функционирование микроЭВМ?

7. Где могут размещаться данные (операнды и результаты операций)?

8. Общая классификация микропроцессоров.

9. Особенности микропроцессоров общего применения и персональных компьютеров.

10. Основные функции сигнальных процессоров и области их применения.

11. Область применения микроконтроллеров.

12. Основные части системы управления на микроконтроллере.

13. Функции датчиков.

14. Основные функции микроконтроллеров.

15. Основные части микроконтроллера.

16. Что представляет собой микроконтроллер?

Дата добавления: 2015-07-20