Ерохин И.И. Конспект лекций по дисциплине Микропроцессорная техника

Подождите немного. Документ загружается.

P1.0 – P1.7

P2.0 – P2.7

DB.0 – DB.7

РПД

ОЗУ

данных

64 х 8

(RAM)

РПП

СППЗУ

программ

1 кб х 8

(EPROM)

Дешифратор

Таймер-

счётчик

ДЕшифратор

Мульти-

плексор

СК 0-7СК 8-11

РА (RAR)

Логика

переходов

Регистр

признако

ССП (PSW)

Десятичный

корректор

Регистр Т1

Регистр Т2

АККУМУ-

ЛЯТОР

ПОРТ 1

ПОРТ 2

ПОРТ BUS

РК

Дешиф-

ратор

Синхрониз.

Старт

Чтение

Запись

Управление

внешней

памятью

Строб адре-

са внешней

памяти

Прерыван.

Тест

Строб

внешней

памяти

Програм-

мирование

Х1 (XTAL1)

Х2 (XTAL2)

СБР (RESET)

ШАГ (SS)

ЧТ (RD)

ЗП (WR)

ОРПП (ЕА)

САВП (ALE)

ЗПР (INT)

Т0

Т1

РВПП (PSEN)

ПРОГ. (PROG)

используется при тестировании прикладной программы и отладке МК;

АЛУ

Рис. 12.1. Структурная схема МК К1816ВЕ48

Порт 1 (Р1) – 8-разрядный квазидвунаправленный порт ввода-вывода инфор-

мации, каждый разр. порта может быть запрограммирован на ввод или на вывод.

Порт 2 (Р2) – 8-разрядный квазидвунаправленный порт ввода-вывода инфор-

мации, каждый разряд порта может быть запрограммирован на ввод или вывод;

биты Р2 0-3 во время чтения из внешней памяти программ содержат старшие

четыре разряда счетчика команд СК 8 - 11;

Порт BUS (DB) – 8-разрядный двунаправленный порт ввода-вывода инфор-

мации; может быть отключен от нагрузки; может выполнять прием и выдачу

байтов синхронно с сигналами ЧТ и ЗП; при обращении к внешнему ППЗУ

программ содержит 8 младших разрядов счетчика команд и по сигналу РВПП

принимает выбранную команду; при обращении к внешнему ОЗУ данных (ВПД)

содержит младшие 8 разрядов адреса синхронно с сигналом САВП, и байт

данных синхронно с сигналами ЧТ или 3П.

1.1. АРИФМЕТИЧЕСКО-ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО

В состав арифметическо-логического устройства (АЛУ) входят следующие

блоки: комбинационная схема обработки байт, регистр временного хранения

операнда Т, регистр-аккумулятор А, схема десятичного корректора и схема

формирования признаков, часть из которых фиксируется в регистре слова

состояния программы (ССП) и используется логической схемой управления-

переходами по программе.

Аккумулятор является двухтактным регистром, так как он используется в

качестве регистра операнда и регистра результата. Динамический регистр Т

программно недоступен – служит для временного хранения второго операнда

при выполнении двух операндных команд;

Комбинационная схема АЛУ может выполнять следующие операции: сложе-

ние байта с переносом или без него; логические операции И, ИЛИ и исклю-

чающее ИЛИ; инкремент; декремент байта; инверсию бита; циклический сдвиг

влево, вправо (через или минуя признак переноса); обмен тетрад в байте;

десятичную коррекцию содержимого аккумулятора.

При выполнении операций обработки данных в АЛУ формируются приз-

наки, часть которых не фиксируется в триггерах, а формируется в комбина-

ционной схеме. К таким признакам относятся, признак нулевого содержимого

аккумулятора и признаки наличия единицы в селектируемом разряде аккуму-

лятора. Логика условных переходов по указанным признакам позволяет

выполнять команды передачи управления (JZ, JNZ, JBO – JB7).

Флаг переноса (переполнения) и вспомогательного переноса (перенос из

младшей тетрады в старшую) фиксируются в триггерах, входящих в состав

регистра слова состояния программы (ССП).. Формат ССП показан на рис. 12.2.

Кроме перечисленных признаков, при условных переходах, МК оперирует

флагами FO и F1, функциональное назначение которых определяется разработ-

чиком, флагом переполнения таймера TF, сигналами на входах ТО и Т1.

Программистом могут быть также использованы флаги рабочего банка регистров

BS и выбранного блока внешней памяти программ MB. Кроме того, после

окончания каждого машинного цикла опрашивается еще один признак (флаг),

а именно признак разрешения /запрета прерываний EI.

С АС F0 BS 1 S 0 – 2

Признак переноса (А)

Признак вспомогательного переноса

Признак пользователя

Селектор банка регистров

Не используется

Указатель стека

Рис. 12. 2. Формат слова состояния программы

1. 2. ПАМЯТЬ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА

Память программ

Память программ и память данных в МК 1816 физически и логически

разделена. Память программ реализована в резедентном СППЗУ (РПП - EPROM)

емкостью 1 Кбайт. Максимальное адресное пространство, отводимое для

программ, составляет 4 Кбайт (3 Кбайта внешней памяти программ). Счетчик

команд (СК) содержит 12 разрядов, но инкрементируются в процессе счёта

только младшие 11 разрядов. Поэтому счетчик команд из предельного состояния

7FFH (если только по этому адресу не расположена команда передачи

управления) перейдет в состояние 000Н. Состояние старшего разряда счетчика

команд может быть изменено специальными командами (SEL MBO, SEL MB1).

Подобный режим работы СК позволяет создать два блока памяти емкостью по 2

Кбайт каждый. Карта адресов памяти программ показана на рис. 12.3 б).

В резидентной памяти программ имеются три специализированных

адреса:

 адрес 0, к которому передается управление сразу после окончания сигнала

системного сброса – СБРОС; по этому адресу должна находиться команда

безусловного перехода к началу прикладной программы;

 адрес 3, по которому расположен вектор прерывания от внешнего источ-

ника;

 адрес 7, по которому расположен вектор прерывания от таймера или

начальная команда подпрограммы обслуживания прерывания по признаку

переполнения таймера /счетчика событий.

Память программ разделена не только на блоки объемом по 2 Кбайт, но и на

страницы по 256 байт в каждой. В командах условного перехода задается 8-

битный адрес передачи управления в пределах текущей страницы. Команда

вызова подпрограмм модифицирует 11 разрядов счетчика команд обеспечивая

межстраничные переходы в пределах выбранного блока памяти программ.

Так как СППЗУ (памяти программ) используется не только для хранения

команд, но и констант, то в МК1816 применяются два способа адресации пос-

тоянной памяти для чтения неизменяемых данных: непосредственная адресация,

при которой второй байт двухбайтной команды представляет собой операнд;

косвенная адресация, при которой содержимое аккумулятора используется в

качестве указателя данных в текущей странице или в странице 3 памяти

программ.

В расширенной МК-системе, работающей с внешней памятью программ,

возникает проблема размещения подпрограмм в двух блоках памяти. Проблема

эта связана с тем, что МК не имеет средств считывания и анализа признака МВ

соответствующего содержимому старшего разряда счегчика команд СК11. Поэ-

тому необходимо следить за тем, чтобы подпрограммы, взаимно вызывающие

друг друга, располагались в пределах одного блока памяти. В противном случае

возникает необходимость модификации признака MB в вызываемой подпро-

грамме – восстановление его при возврате в вызывающую подпрограмму.

Память данных

Резидентная память данных (РПД) емкостью 64 байта имеет в своем

составе два банка рабочих регистров 0 - 7 и 24 - 31 по восемь регистров в

каждом. Карта памяти РПД приведена на рис. 12.3 б).

Банк 1 (СК11=1) 32

Банк 0 (СК11=0) 31

а) б)

Рис.12. 3. Карта памяти; а) адресов памяти программ (ППЗУ), б) адресов

резидентной памяти данных (РПД)

Выбор одного из двух банков регистров выполняется по команде SEL RB.

Рабочие регистры доступны командам с прямой адрисацией а все ячейки ОЗУ

доступны командам с косвенной адресацией. В качестве регистров косвенного

адреса используются регистры R0, R1 и R0*, R1* (рис. 12.3 б).

Ячейки ОЗУ с адресами 8-23 адресуются указателем стека из ССП и могут

быть использованы в качестве 8-уровневого стека (см. рис. 12.1). В том случае,

если уровень вложенности подпрограмм меньше 8, то не задействованные

в стеке регистры могут использоваться как ячейки ОЗУ. При переполнении

стека, регистр указатель стека, построенный на основе 3-разрядного счетчика,

переходит из состояния 7 в состояние 0. Малая емкость стека ограничивает

число возможных внешних источников прерывания в МК-системе. МК 1816

не имеет команд загрузки байта в стек или его извлечения из стека, и в

нём фиксируется только содержимое СК и старшая тетрада ССП (признаки).

В силу этого программисту необходимо следить за тем, чтобы вложенные

А д р е с у е м о е п р о с т р а н с т в о

ОЗУ

(32 х 8)

БАНК

РЕГИСТРОВ 1

(8 х 8)

R1*

R0*

8-УРОВНЕВЫЙ

СТЕК

ИЛИ

ОЗУ

(16 х 8)

БАНК

РЕГИСТРОВ 0

(8 х 8)

Прямо адресуемые

регистры Банка 1

Прямо адресуемые

регистры Банка 0

Косвенно адресуемые ячейки через регистры банков 0 и 1

Вектор прерывания

от таймера

Указатель запуска

программы - Сброс

Вектор внешнего

прерывания

4095

2048

2047

1024

1023

0007

0006

0005

0004

0003

0002

0001

0000

РПП (ППЗУ) на кристалле

подпрограммы не использовали одноименные ячейки ОЗУ в качестве рабочих

регистров.

Практически все команды с обращением к ОЗУ оперируют с одним байтом.

Однако по командам вызова и возврата осуществляется доступ к двухбайтным

словам. В памяти двухбайтовые слова хранятся так, что старший байт слова

распо- лагается в ячейке с большим адресом.

В расширенных МК-системах, где используется внешнее ОЗУ, через регис-

тры косвенного адреса R0 и R1 возможен доступ к внешней памяти.

1.3. ОРГАНИЗАЦИЯ ВВОДА-ВЫВОДА ИНФОРМАЦИИ

Для связи МК 1816 с объектом управления, для ввода и вывода информации

используются 27 линий. Эти линии сгруппированы в 3 порта по 8 линий в

каждом и могут быть использованы для вывода, ввода или для ввода-вывода

через двунаправленные линии. Кроме портов ввода-вывода имеются 3 входные

линии: линия ЗПР используется для ввода в МК сигнала запроса прерывания от

внешнего источника; линия ТО предназначена для ввода тестирующего сигнала

от двоичного датчика объекта управления, кроме того, под управлением про-

граммы (ENTO CLC) по этой линии из МК может выдаваться сигнал синхро-

низации; линия Т1 используется для ввода тестирующего сигнала или в качестве

входа счетчика событий (по команде STRT CNT).

Порты ввода-вывода Р1 и Р2. Каждая линия портов Р1 и Р2 может быть

программным путем настроена на ввод/вывод или на работу с двунаправленной

линией передачи.

Специальная схемотехника цепей вывода портов Р1 и Р2, которая получила

название квазидвунаправленной структуры, позволяет выполнять ввод/вывод и

двунаправленные передачи, несмотря на то, что выходы схем вывода статически

заперты. Каждый контакт ввода-вывода портов Р1 и Р2 является выходом с

открытым стоком и входом с высоким импедансом, соответствующим по

логическому уровню сигналу 1. Линия ввода-вывода постоянно подключена к

источнику электропитания +5 В через резистор сопротивления 50 КОм, обес-

печивая для единичной стандартной ТТЛ-нагрузки достаточный входной ток,

соответствующий логической I. В то же время потенциал в линии может быть

приближен к потенциалу земли (уровень 0) нулевым сигналом на выходе стан-

дартной ТТЛ-схемы. Именно это обстоятельство и позволяет использовать

статически запертую схему вывода как для ввода, так и для вывода данных.

Сигнал системного сброса «СБРОС» автоматически записывает во все линии

портов Р1 и Р2 логический уровень 1.

Квазидвунаправленная структура портов Р1 и Р2 для программиста МК 1816

специфична тем, что в процессе ввода информации выполняется логическая

операция над вводимыми данными и текущими (предыдущими) данными. Для

того, чтобы осуществить ввод, программист должен следить за тем, чтобы в со-

ответствующих линиях перед вводом было значение 1. Квазидвунаправленные

буферные схемы портов Р1 и Р2, и команды логических операций ANL и ORL

представляют программисту эффективное средство маскирования для обработки

однобитовых входов и выходов в МК.

В системе команд МК есть команды, которые позволяют выполнять запись

нулей и единиц в любой разряд или группу разрядов порта. Но так как в этих

командах маска задается непосредственным операндом, то необходимо знать

распределение сбрасываемых и устанавливаемых линий на этапе разработки

исходной программы. В том случае, если маска вычисляется программой и

заранее не известна, то в ОЗУ необходимо иметь копию состояния порта вывода.

Эта копия по командам логических операций соединяется с вычисляемой маской

в аккумуляторе и затем загружается в порт. Необходимость этой процедуры

вызвана тем, что квазинаправленная структура не позволяет выполнить операцию

чтения состояний портов Р1 и Р2, зафиксированных по последней команде

вывода.

Порт ввода-вывода BUS. Порт BUS представляет собой двунаправленный

буфер с тремя состояниями и предназначен для побайтного ввода, вывода или

ввода-вывода информации.

Если порт BUS используется для двунаправленной передачи, то обмен

информацией через него выполняется по командам MOVX. При выводе байта

генерируется стробирующий сигнал ЗП, а выводимый байт фиксируется в

буферном регистре. При вводе байта генерируется стробирующий сигнал ЧТ,

но вводимый байт в буферном регистре не фиксируется, В отсутствие передач

порт BUS по выходам находится в высокоимпедансном состоянии.

Если порт BUS используется как однонаправленный, то вывод через него

выполняется по команде OUTL, а ввод – по команде INS.

Вводимые и выводимые через порт BUS байты можно маскировать с помощью

команд AND и OR, что позволяет выделять и обрабатывать в байте отдельный

бит или группу бит. Для этого предварительно по команде OUTL BUS, A в порт

BUS из аккумулятора должна быть загружена маска.

В МК-системах простой конфигурации, когда порт BUS не используется в

качестве порта-расширителя системы, обмен выполняется по командам INS,

OUTL и MOVX. Возможно попеременное использование команд OUTL и MOVX.

Однако при этом необходимо помнить, что выводимый по команде OUTL байт

фиксируется в буферном регистре порта BUS, а команда MOVX уничтожает

содержимое буферного регистра порта.

В МК-системах, имеющих внешнюю память программ, порт BUS используется

для выдачи адреса внешней памяти и для приема команды из внешней памяти

программ. В таких системах использование команды OUTL BUS недопустимо,

так как фиксация в буферном регистре порта BUS выводимого байта явится

причиной неправильной выборки следующей команды.

В командах ввода-вывода информации, имя порта, через который осущес-

твляется передача, содержится в коде команды. Следовательно (из-за невоз-

можности динамического определения имени порта в каком-либо рабочем реги-

стре), отсутствует возможность использования одной программы управления

идентичными устройствами, подключенными к разным портам, Это вынуждает

программиста загружать в память программ две или более по существу (но не

по кодам) одинаковых программ управления однотипными устройствами.

Однако динамический выбор идентичных устройств, а следовательно и

использование одной параметризируемой подпрограммы управления этими

устройствами, возможны в том случае, если обращение к внешним портам

ввода-вывода выполнять по командам обращения к внешней памяти MOVX.

1.4. УПРАВЛЕНИЕ РАБОТОЙ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА

Устройство управления МК совместно с логической схемой переходов в

каждом цикле, команды формируют последовательность сигналов, управляющих

функциями всех блоков МК и системой их взаимосвязи.

Синхронизация микроконтроллера. Опорную частоту синхронизации

определяет кварцевый осциллятор, подключаемый к входам XI и Х2 (диапазон

частот от 1 до 6 МГц). На вход XI может подаваться сигнал от источника

внешней синхронизации. В схему синхронизации МК входят два счетчика с

модулями пересчета 3 и 10. Первый используется для формирования сигнала

системной синхронизации, который может передаваться на вывод ТО по команде

ENTO CLK. Этот же сигнал поступает на счетчик машинных циклов, на выходе

которого через каждые пять сигналов синхронизации МК формируется сигнал

САВП, идентифицирующий каждый машинный цикл и используемый в расши-

ренных МК-системах для стробирования адреса внешней памяти.

Системный сброс. В обслуживаемых МК-системах для инициализации

используется кнопка сброса, которая заземляет соответствующий вход МК

после подачи электропитапня. В необслуживаемых МК-системах на вход

СБРОС МК подсоединяется конденсатор емкостью 1 мкф, что обеспечивает

подачу сигнала, близкого к потенциалу земли, длительностью не менее 50 мс,

после того, как напряжение электропитания установится после включения.

Сигнал СБРОС производит следующие действия: сбрасывает счетчик команд

и указатель стека, устанавливает порт BUS в высокоимпедансное состояние,

а порты Р1 и Р2 – на режим ввода; выбирает банк регистров 0 и блок

памяти 0; запрещает прерывания; останавливает таймер на выдачу синхросигнала

на вывод ТО; сбрасывает признак переполнения таймера FT и признаки

пользователя FO a Fl.

ЛИТЕРАТУРА

1. В. В. Сташин и др. Проектирование цифровых устройств на однокрис-

тальных микроконтроллерах.- М.: Энергоатомиздат, 1990.

 ЛЕКЦИЯ 13

УСТРОЙСТВА СОПРЯЖЕНИЯ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ С

ОБЪЕКТОМ АВТОМАТИЗАЦИИ

1. Общие положения

Электрические сигналы по информационным параметрам делят на аналого-

вые (непрерывные) и дискретные, принимающие конечное множество значений.

Одним из многих правил, регламентирующих организацию сопряжения,

являются мероприятия направленные на передачу на расстояние электрических

сигналов. В рамках эти правил для двоичных сигналов (дискретных) устанав-

ливают: потенциалы высокого и низкого уровней, коэффициенты нагрузки входа

и выхода, динамические параметры, допустимые расстояния передачи. Для

аналоговых сигналов – диапазон напряжений, полные сопротивления цепей и

допустимое время установления сигналов. Дополнительно для угольных шахт

(подземных выработок) определяют коэффициент искробезопасности электри-

ческих цепей этих сигналов.

Совокупность линейных, коммутирующих и других технических средств,

обеспечивающих прием-передачу сигналов (объект  МПУ), образуют

устройство связи (сопряжения) с объектом (УСО) или канал передачи. Элек-

трические цепи, обеспечивающие передачу сигналов между двумя оконечными

формирователями, образуют линию связи – линейные средства сопряжения (про-

вода, кабели с витыми парами проводов, высокочастотные коаксиальные кабе-

ли). Выбор тех или иных линейных средств определяется длиной линии

связи, параметрами передаваемого сигнала, наличием помех различного вида.

Если устройства системы автоматизации разнесены на значительные рас-

стояния, например на 500 м, то трудно рассчитывать на то, что их «земли»

всегда имеют один и тот же потенциал. Поэтому уравнивающие токи по

«земляным» проводам создают импульсные помехи за счет их индуктивности

/2, стр.122-126/. Эти помехи поступают на входы микроконтроллера и могут

вызвать ложную информацию. Использование линий типа «дифференциальная

пара» / 2, §4.4 / позволяет подавлять лишь синфазные помехи и поэтому не всегда

дает положительные результаты. Поэтому для значительного повышения помехо-

устойчивости канала связи целесообразней применять оптронную развязку

(оптический изолятор), которая исключает уравнительные токи по общим

проводникам. На рис. 13.1 показаны схемы односторонних оптронных развязок

между двумя удаленными друг от друга устройствами – МПУ и объектом

автоматизации (датчиками и исполнительными устройствами автоматизации).

Схема с активным приёмником (рис 13.1.а) и с активным передатчиком

(рис. 13.1.б) содержат приемные оптроны VD1, VD3 и передающие дискретные

датчики. При замыкании контакта датчика ДK, включается светодиод оптрона

VD1, в результате чего транзистор этого оптрона насыщается, и на входе ППА

(порт PВ1) микроконтролера сигнал равен нулю, а при размыкании контактов

Рисунок 13.1 – Схема оптронных развязок: а) с контактным датчиком

(дискретным); б) с бесконтактным датчиком (дискретным); в) с управ-

ляющим устройством объекта (МП – магнитным пускателем)

равен «1». Резисторы R2, R4, R5 служат для ограничения тока через светодиод

оптрона (I доп.опт » 22 mA). Источник U2 искробезопасный и изолирован от

источника питания микроконтроллера U1. При таком включении канал связи

также искробезопасный, но при условии, что все дополнительно подключенные

к источнику (U2) реактивные элементы (L, C) не превышают значений допус-

тимых параметров. Отличие схемы 13.1, б) от 13.1, а) заключается в том, что

датчик ДБ бесконтактный и его выходной сигнал, в стандарте ГСП, при выход-

ном токе датчика равном 20 mA, равен «1», а при I вых  4 mA он равен

«0».

Диоды VD2, VD4 служат для защиты светодиодов оптрона от обратного

напряжения (пробоя от импульсных помех).

Схема оптронной развязки дискретных управляющих (выходных) сигналов

показана на рис 13.1, в). При появлении на выходе ППА (PА0) микроконт-

роллера сигнала равного «1» переключается логический элемент Д1 (НЕ), тогда

выходной ток от источника U1 «+» (питание МПУ) поступает через R5,

светодиод оптрона VD5, открытый выходной транзистор D1, корпус (земля -

U1 « – »). Светодиод включает тиристор (управляемый диод) оптрона. Тиристор

оптрона VD5 подключен параллельно реле РП магнитного пускателя (ПВИ), это

равносильно подключению диода в схему реле РП, то есть произойдёт вклю-

чение магнитного пускателя. При выключении светодиода оптрона VD5 (сигнал с

МПУ равен 0), тиристор закроется, но при нулевом значении тока в его цепи, так

как питание схемы РП (ПВИ) производится пульсирующим постоянным током.

+ U2 –

VD3 АОТ128

ДК

ДБ

РП

МП (ПВИ)

УСО

Объект

Линии связи

U1 +

+ U1 –

VD1 АОТ128

VD4

VD5 АОУ103

D1 К555ЛН1

VD2

а)

б)

в)

От ППА

МПУ

Произойдет выключение реле РП и схема перейдет в исходное состояние. Цепь

дистанционного управления магнитным пускателем ПВИ искробезопасная, а

значение дополнительно подключенных реактивных элементов этой цепи

(оптрон – L, C) весьма незначительны, то их влиянием на параметры искробе-

зопасности этой цепи можно пренебречь.

В соответствии с требованиями ГОСТ 22782.5-78 «Искробезопасные цепи»,

допустимое напряжение между входом и выходом оптронной развязки

должно быть – U доп.вх/вых ³ 500В.

На рис. 13.2 показана схема сопряжения блока АЦП (БАЦП) микрокон-

троллера с аналоговыми датчиками (АД1,...,АД8) объекта автоматизации, обеспе-

чивающая требуемый коэффициент искробезопасности (К и) линий связи.

Сигнал от датчика АД (К и.н = 2,5) поступает на вход БАЦП – резистор R п1.

Резистор R п1 обеспечивает преобразование токового сигнала (стандарт ГСП)

в сигнал напряжения (U вх.Ацп.н = I АД.н х R п1), тогда

R п1 = U вх.Ацп.н

: I АД.н

АКН – аналоговый коммутатор напряжения на 8-м входных сигналов.

Для того чтобы исключить влияние источников питания БАЦП на искро-

безопасные цепи датчиков АД, сопротивление R з следует принимать как можно

большим. Но значительная величина R з приведет к возникновению недопус-

тимых погрешностей преобразования (АЦП) сигнала от датчика. Поэтому для

возможности достижения оптимального значения R з, в схеме БАЦП преду-

смотрен эмиттерный повторитель ЭП.

Применение ЭП позволяет установить в схему развязки значительную вели-

чину сопротивления R з = 5 – 20 кОм, и при этом избавиться от вносимых им

Рисунок 13.2 - Схема сопряжения АЦП с аналоговыми

датчиками объекта автоматизации

дополнительных погрешностей. При повреждении элементов БАЦП, максималь-

но возможное напряжение (U max) на R з не будет превышать 15В (напря-

АД 1

АД 8

R з.1

УСО Линии связи

Объект

R п16

R з.8

к МПУ

R п9

ЭП

•

АЦП

АКН