Ерохин И.И. Конспект лекций по дисциплине Микропроцессорная техника

Подождите немного. Документ загружается.

жение питания БАЦП). Тогда дополнительный ток подпитки искробезопасной

цепи датчика АД составит:

I доп

Umax / R з = 15 · 10

= 0,0005

А = 0,5 мА

Это вызовет снижение К и.н на величину, значение которого определяется

Ки = I в / I р (13.1),

где I в – воспламеняющий ток цепи, I в = К и.н х I АД.н = 2,5 х 20 = 50мА,

I р – рабочий ток, принимаем I р

= I АД.н = 20 mA, тогда I*р = I р + I доп =

20 + 0,5 = 20,5 mA.

Подставив в формулу 13.1. полученное значение I*р, получим значение К и =

2,44. Это незначительное снижение К и электрической цепи датчика от К и.н =

2,5 не приведет к потере требуемой искробезопасности цепи датчика, так как

реальные значения К и электрических цепей датчиков больше значений К и.н;

к тому же все полученные значения параметров искробезопасности электри-

ческой цепи расчетные. Поэтому, в соответствии требований ГОСТ 22782.5 - 78,

любое разрабатываемое электроизделие для подземных условий эксплуатации

угольных шахт, с искробезопасными электрическими цепями, подлежит обяза-

тельному стендовому испытанию на искробезопасность электрических цепей

в МакНИИ.

Литература

1. Микропроцессоры. В 3 кн. Кн.2. Средства сопряжения; Под редак-

цией Л. Н. Преснухина. - Мн.: Высшая школа, 1987.

2. Микропроцессорные структуры. Инженерные решения. - М.: Радио и

связь, 1990.

3. ГОСТ 22782.5-78. Искробезопасные цепи.

 ЛЕКЦИЯ 14

МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ PIC 17CXXX, AT 90SXXXX

1. Основные положения

Архитектура основана на концепции раздельных шин и областей памяти для

данных и для команд (двухшинная Гарвардская архитектура). Шина данных и па-

мять данных (ОЗУ) – имеют разрядность 8 бит, а программная шина и програм-

мная память (ПЗУ) имеют разрядность 14 бит. Такая концепция обеспечивает

простую, но мощную систему команд, разработанную так, что битовые, байтовые

и регистровые операции работают с высокой скоростью и с перекрытием по вре-

мени выборок команд и циклов выполнения. 14-разрядная ширина программной

памяти обеспечивает выборку 14-битовой команды в один цикл. Двухступенча-

тый конвейер обеспечивает одновременную выборку и исполнение команды.

Гарвардская архитектура и большая разрядность команды позволяют сделать код

команды более компактным, что существенно повышает скорость выполнения

программы. Команды выполняются за один цикл, исключая команды переходов.

PIC ОТР или АТ ОТР это однократно программируемые пользователем

микроконтроллеры, предназначенные для полностью оттестированных и закон-

ченных изделий, в которых коды программы и данные не будут изменятся.

Эти микроконтроллеры выпускаются в пластмассовых корпусах с предвари-

тельно заданным типом тактового генератора – кварцевым или RC. Для отладки

программ и макетирования, а также для изделий, программы которых могут

меняться, либо содержать переменные части (таблицы, параметры калибровки,

и т. д.), выпускаются микроконтроллеры PIC и АТ с электрически стираемой и

перепрограммируемой памятью программ и данных (FlashPROM и EEPROM).

Сторожевой таймер WDT – предусмотрен в микроконтроллерах PIC и АТ

для предотвращения последствий от сбоя выполняемой программы. Идея

использования этого таймера состоит в регулярном его сбрасывании под

управлением программы или внешнего воздействия до того, как закончится

его выдержка времени (16 – 6000 мс) и не произойдёт сброс МП. Если про-

грамма выполняется нормально, то команда сброса сторожевого таймера

CLRWDT должна регулярно выполнятся, тем самым не вызывая сброса МП.

Если же МП вышел за пределы, или зациклился на каком, либо участке про-

граммы, то команда сброса таймера не будет выполнена в течение заданного

времени, что вызовет прерывание от WDT и полный сброс МП контроллера.

Генератор тактовых импульсов микроконтроллеров PIC и АТ может

программно устанавливаться на один из четырёх режимов работы:

 ХТ – кварцевый резонатор;

 HS – высокочастотный кварцевый резонатор;

 LP – микропотребляющий кварцевый резонатор;

 RC – RC цепочка.

Кварцевый резонатор подключается к выводам OSC1 (XTAL1), OSC2 (XTAL2) МК.

Схема сброса – внутренняя, автоматически по вкл. питания (вход MCLR через

резистор подключается к +5 В), при этом счётчик команд устанавливает адрес

0000h. Аппаратный сброс (перезапуск МК) осуществляется кратковременной

подачей сигнала с уровнем «0» на вход MCLR.

Защита кодов программы. Программные коды, которые записаны в

кристалл, могут быть защищены от считывания при помощи установки бита

защиты (CP – бит секретности) в слове конфигурации в ноль. При этом содер-

жимое памяти программ и данных не может быть прочитано, а также и

изменено. Если защита установлена, то бит CP можно стереть только вместе

с содержимым памяти программ и данных.

Энергосберегающие режимы работы. В микроконтроллерах PIC и АТ

предусмотрены два основных режима – режим холостого хода (IM) и режим

пониженного энергопотребления (PDM), а также режим подавления помех

при работе АЦП (ANRM). Переход в энергосберегающий режим происходит

при выполнении команды с мнемокодом SLEEP. Выход из энергосберегаю-

щего режима происходит при поступлении разрешенного запроса прерывания

или перезапуске микроконтроллера. В режиме подавления помех работе АЦП

(ANRM) микропроцессор также остановлен, как и в режимах IM и PDM.

Работают только АЦП, блок прерываний и сторожевой таймер. Выход из ре-

жима ANRM происходит по запросу прерывания от внешнего источника при

наличии запроса прерывания от АЦП или при перезапуске микроконтроллера.

Параметры напряжения, тока питания и температур.

Допустимое напряжение питания – Vdd (Vсс) = 2,7 … 6,0 В, в режиме

SLEEP можно снижать до 2,0 – 3,0 В.

Диапазон рабочих температур – коммерческий от 0 до +70С; промыш-

ленный –40...+70С; автомобильный –40...+125С.

Ток питания:

2 – 6,4 мА в рабочем режиме для Vсс (Vdd) = 5В и Fт = 4МГц;

80 мА для одного порта РХ (суммарно-допустимый);

0,5 – 1,6 мА для SLEEP режима (холостого хода) при Vcc = 2В.

Частота тактового генератора: 0 – 33МГц для PIC и 0 – 8 МГц для АТ.

Микроконтроллеры PIC и АТ подходят для широкого спектра приложений

от высокоскоростного управления электрическими двигателями до автомати-

зированных систем управления технологическими процессами. Встроенный

автомат последовательного программирования памяти

EPROM/ЕEPROM/Flash- РROM (интерфейс SPI или I

С) кристалла позволяет

легко подстраивать про- грамму и данные под конкретные требования даже

после завершения ассем-блирования и тестирования. Эта возможность может

быть использована как для тиражирования, так и для записи новых данных

уже после окончатель- ного тестирования.

Низкая цена, экономичность, быстродействие, простота и гибкость ввода/

вывода способствует широкому применению микроконтроллеров (МК) PIС и

АТ в микропроцессорных устройствах и системах автоматизированного управ-

ления.

2. Микроконтроллеры PIC17C756, PIC17C752

Микроконтроллеры семейства PIC фирмы Microchip представляют собой

8-разрядную однокристальную микро-ЭВМ с сокращённой системой команд

(RISC) – 58 команд. Изготавливаются МК по КМОП (CMOS) технологии. Микро-

контроллер PIC17C756/752 имеет: внутреннюю программную память EPROM

(ППЗУ) – 16K x 16 / 8К х 16 бит; 8-разрядную память данных SRAM (ОЗУ ста-

тического типа для хранения данных) – 902 х 8 / 454 х 8 бит и 32 х 8 бит

регистров общего назначения. В МК предусмотрена возможность подключения

внешней памяти программ (ERAM) или дополнительных контроллеров перифе-

рийных устройств (системная шина внешней памяти – System Bus Interface).

Полная адресуемая память программ МК составляет 64К х 16 бит. Структурная

схема микроконтроллера PIC17C756/752 приведена на рис.14.1. Все команды

микроконтроллера состоят из одного машинного слова (14 бит) и исполня-

ется команда за один цикл (120 нс при тактовой частоте 33 МГц, один цикл

состоит из четырёх периодов тактовой частоты МК – Fт), кроме команд пере-

хода, которые выполняются за два цикла (240 нс). Микроконтроллер имеет муль-

тивектор прерываний и шестнадцатиуровневый (16 х 16 бит) аппаратный стек.

Периферия микроконтроллеров PIC17C756/752 включает:

1. 50 линий двунаправленного ввода/вывода (параллельных портов – А, В,

С, D, Е, F, G) с индивидуальным управлением. Высокая нагрузочная способность

(35 мА макс. втекающий ток, 20 мА макс. вытекающий ток) линий портов упро-

щает внешние драйверы и, тем самым, уменьшается общая стоимость системы;

2. Четыре таймер/счётчика – один 16-битный – TMR0 с предварительным 8-

битным программируемым делителем (24-битный таймер), два 8-битных TMR1,

TMR2 и один 16-битный – TMR3. Основным элементом таймер/счётчика явля-

ется базовый суммирующий счётчик, при переполнении которого формируется

запрос на прерывание ТMRХ. TMR может выполнять дополнительные функции:

Функция захвата (capture) заключается в запоминании кода, форми-

мируемого в счётчике, в специальном регистре захвата при изменении значе-

ния определяемого внешним (САР1 . . . САР4) или внутренним сигналом. При

этом формируется запрос на прерывание TMRX;

Функция счёта реального времени (RTC) реализуется путём привязки

параметров процессов в таймере/счётчике к единице измерения реального вре-

мени – секунде, при использовании дополнительного внугринего генератора с

внешним кварцевым резонатором, частотой 32768 кГц (кварц для часов – OSC3);

3. WDT – сторожевой таймер предназначен для ликвидации сбоя при

выполнении программы, путём перезапуска МК при обнаружении сбоя;

4. PWM – три программируемых широтно-импульсных модулятора (ШИМ),

предназначенных для формирования на соответствующем выходе МК импульс-

ной последовательности с заданными периодами повторения и длитель-

ностью импульсов (макс. частота импульсов: 8-бит = 130кГц, 10-бит = 32кГц);

5. Два USART (УСАПП) – последовательный универсальный синхроно-асин-

хронный приёмник/передатчик;

Рис. 14.1 – Структурная схема микроконтроллера PIC17C756/752

6. SSP – синхронный последовательный порт, обеспечивающий два интер-

фейсных режима работы:

3-wire SPI – последовательный трёхпроводный порт ввода/вывода,

предназначен для обмена данными с другими устройствами, имеющими порт

SPI. Микроконтроллер, инициирующий обмен и вырабатывающий тактовый

сигнал является ведущим (master), а МК выполняющий обмен при поступ-

лении тактового сигнала, является ведомым (slave). Максимальная скорость

передачи (в битах в секунду – бод) равна 1/4 частоты тактового сигнала МК.

К одному ведущему МК может быть подключено несколько ведомых. Функции

ведущего и ведомого микроконтроллера могут меняться в процессе работы;

 I

C (TWSI) – последовательный двухпроводный порт ввода/вывода,

предназначен для обмена байтами данных с другими МК по двухпроводной

шине I

C. К шине могут подключаться до 127 устройств (МК). Ведущий МК

посылает по шине сигнал начала обмена и занимает шину, затем посылает

адресный байт (выбор одного из ведущих устройств) и задание направления

обмена, после этого принимает или передаёт байты данных и посылает сигнал

окончания обмена. Ведомое устройство, опознав свой адрес, в зависимости от

заданного направления обмена принимает или передаёт данные. Устройство,

принимающее байты данных, после приёма каждого байта посылает по шине

сигнал подтверждения приёма. Адресный байт может содержать общий адрес

для передачи данных одновременно во все ведомые устройства. Максимальная

скорость обмена до 400 000 бит/с и задаётся ведущим устройством. Порт I

также используется при последовательном программировании памяти МК;

7. ADC – 10-разрядный 12-канальный аналого-цифровой преобразователь с

временем преобразования равном 120 нс. Погрешности АЦП – δ п.ш ≤ 4 МЗР,

δ л ≤ 1 МЗР, δ л.д ≤ 1 МЗР;

8. Блок прерываний (IU) организует переход к подпрограммам обработки

прерываний при поступлении запроса прерывания, если прерывание по данному

запросу разрешено, и он имеет более высокий приоритет, чем другие запросы

поступившие одновременно с ним. Приоритетность запросов заданна аппаратно.

Запросы на прерывания поступают из внешних источников (RESET, INT,

ТОСК1, прерывание от изменения сигналов порта РВ?) и источников распо-

ложенных во внутренних устройствах МК (ТMR, USARTRXC, USARTUDRE,

USARTTXC, ADC).

Микроконтроллеры PIC17C756/752 имеет внутреннюю программную па-

мять EPROM (ППЗУ – однократно программируемую, то есть PIC17C756/752 –

ОТР). Для отладки программ и макетирования, а также для изделий, про-

граммы которых могут изменяться, выпускаются МК PIC16FХХХ,

PIC18FХХХ с электрически стираемой и перепрограммируемой FlashPROM

и EEPROM (РППЗУ) памятью программ и данных.

Альтернативные функции разрядов портов МК приведены на рис. 14.1,

выбор выполняемой функции разрядом порта определяется типом команды.

Альтернативные функции разрядов портов МК:

INT – вход внешнего сигнала запроса прерывания;

TOCKI – вход сигнала запроса прерывания;

SS – сигнал переключения порта SPI, при SS = «1» порт в режиме ведущего,

а при при SS = «0» порт в режиме ведомого;

SCL, SDA – вход/выход сигналов последовательного интерфейса I

SDI, SDO, SCK – вход/выход сигналов последовательного интерфейса SPI;

Rx1, Rx2, Tx1, Tx2 – вход/выход сигналов интерфейсов RS-232С;

DT1, DT2, CK1, CK2 – вход/выход сигналов УСАПП – готовности принимать

или передавать информацию;

CAP1 . . . CAP4 – вход сигналов захвата;

PWM1. . . PWM3 – выход сигналов широтно-импульсных модуляторов (ШИМ);

TCLK1 . . . TCLK3 – вход внешней тактовой частоты таймеров;

AD0 . . . AD15 – выход внешней адресной шины и шины данных, предназна-

наченных для подключения внешней памяти программ (ERAM);

ALE – выход сигнала стробирования чтения/записи внешней памяти (ERAM);

OE, WR – выход сигналов чтения и записи внешней памяти (ERAM);

AN0 . . . AN11 – входы аналоговых сигналов АЦП;

VREF-, VREF+ – вход внешнего источника опорного напряжения АЦП.

Выводы Vcc и GND предназначены для подключения источника питания МК.

Разработка ППО на базе МК PIC16FХХХ, PIC17СХХХ, PIC18FХХХ поддер-

живается ассемблером, программным симулятором, внутрисхемным эмулятором

(только фирмы Microchip – интегрированная среда разработки приложений –

MPLAB) и программатором (PROPIC или Pony PROG).

3. Микроконтроллер АТmega8535

Микроконтроллеры корпорации Atmel хорошо известны как на мировом,

так и на украинском рынке и являются одним из признанных компонентов

МП устройств автоматизации. Это 8-разрядные высокопроизводительные RISC

МК общего назначения, объеденённых общей маркой AVR – АТ90, АТmega. и

АТtiny Они являются мощным инструментом для создания современных конт-

роллеров автоматизации технологических процессов и объектов горных пред-

приятий. В настоящий момент, соотношение «цена – производительность –

энергопотребление» для AVR является одним из лучших на мировом рынке.

Структурная схема микроконтроллера АТ90S8535 приведена на рис. 14.2.

Технические характеристики

• Количество выводов в корпусе микроконтроллера …………………. 40

• Тип корпуса ………………………………………………. PDIP, PLCC, TQFP

• Число команд в системе команд …………………………………….…118

• Максимальное значение тактовой частоты (Fт.макс), МГц…………. 8

• Количество регистров общего назначения …………………………… 32 х 8

• Ток питания (при Vcc = 3 B, Fт = 4 МГц и Т = 25°С), мА …………. 6,4

• Ёмкость внутренний FlashPROM программ, Кбайт………………… 4/8

• Ёмкость внутренний EEPROM (РППЗУ) памяти данных, байт …256/512

• Ёмкость внутренний SRAM (ОЗУ), байт ………………………...…256/512

• Количество циклов программирования FlashPROM/EEPROM…. 1000/100 000

• Тип последовательного порта для программирования памяти

программ FlashPROM и чтения/записи памяти данных EEPROM……. SPI

Периферийные устройства

• Количество портов и программируемых дискретных вводов/выводов...4/32

• Число каналов и разрядность АЦП (ADC0…ADC7), бит…………... 8/10

• Тип программируемого последовательного порта (RXD, TXD)….… (UART)

• Количество 8-разрядных таймер/счётчиков типа А (Т/С0) и В (Т/С2).… 1 + 1

• Количество 16-разрядных таймер/счётчиков типа Е (Т/С1)………….. 1

• Программируемый сторожевой таймер (WDT)……………………..….. 1

• Число вводов аналого-цифрового компаратора (АС – AIN0, AIN1).... ...2

• Количество широтно-импульсных модуляторов (PWM) ……………… 3

• Число внешних прерываний (RESET, INT0, INT1)………………………3

Специальные функции

• Схема сброса – внутренняя, автоматически по вкл. питания

• Функция счёта реального времени (RTC)

• Время программируемой задержки WDT , мс…….….15 – 1900 (47 – 6000)

• Число внутренних прерываний (T/C0 COMP, T/C0 OVF, T/C1 COMPA,

T/C1 COMPB, T/C1 CAPT, T/C1 OVF, T/C2 COMP, T/C2 OVF, SPI STC,

UART RXC, UART UDRE, UART TXC, ADC CC, EE RDY, ANA COMP)....14

• Типы режимов SLEEP – режим холостого хода (IM), режим пониженного

энергопотребления (PDM), режим энергосохранения (PSM)

Оперативное напряжение питания

• Vcc = 4 – 6 В для АТmega8535S и Vcc = 2,7 – 6 В для АТmega8535L.

Для уменьшения помех АЦП, вызываемых работой процессора, предусмот-

рена возможность выполнения преобразования с переводом процессора в

режим холостого хода.

Микроконтроллеры АTmega 163 и АTmega 16 совместимы с МК АТ90S/L8535

и являются усовершенствованной моделью этого МК. Отличительные особен-

ности МК АTmega 163 и АTmega 16 от МК АТ90S/L8535 приведены в табл. 14.1.

Таблица 14.1. Характеристики микроконтроллеров семейства AVR

Тип

МК

Flash

(байт)

SRAM

(байт)

EEPROM

(байт)

ERAM

(байт)

I/O

Алтер.

функц

SPI UART

TWSI

T/C ADC AC PHM

(IR)

АТ90Х1200

АТ90Х2323

АТ90Х2343

АТ90Х4433

АТmega2313

АТmega8515

АТmega8535

АTtiny 12

АTtiny 15

АTtiny 28

АTmega 16

АTmega 163

АTmega 103

1К

2К

4К

2К

8К

4/8К

1К

2К

16К

128К

128

512

1024

4000

128

256

128

512

4000

Рис.14.2 – Структурная схема микроконтроллера АТmega8535

Программирование микроконтроллера

Программирование микроконтроллера заключается в записи:

- кодов команд и констант в FlashPROM (память программ);

- кодов исходных данных в EEPROM (память данных);

- требуемых значений установочных битов и битов защиты (секретности).

В исходном состоянии МК во всех ячейках FlashPROM записан код $FFFF,

а во всех ячейках EEPROM – код $FF. Кроме того, в трёх специальных ячейках

памяти записаны сигнатурные байты, определяющие тип микроконтроллера.

Коды, записанные в FlashPROM, EEPROM, и сигнатурные байты, установочные

биты, биты защиты могут быть прочитаны, для контроля правильности. В микро-

контроллерах семейства AVR имеются два бита защиты – LB1 (защита от

записи при LB1 = «0») и LB2 (защита от чтения при LB2 = «0»).

В микроконтроллере АТmega8535 реализуется последовательное программиро-

вание без использования дополнительного источника питания – LVSP, при этом

вывод RESET соединён с шиной GND. Для ввода/вывода байта при программи-

ровании используются три вывода – MOSI, MISO и SCK (интерфейс – порт

SPI).

После завершения программирования размыкается соединение вывода

RESET с шиной GND, и микроконтроллер переходит к выполнению записан-

ной программы, начиная с команды, записанной по адресу $0000.

Разработка ППО на базе МК семейства AVR поддерживается интегрирова-

нной средой разработки приложений AVR Studiо. AVR Studio содержит: трансля-

тор языка ассемблера (AVR macroassembler); отладчик (Debuger); программное

обеспечение верхнего уровня для поддержки внутрисхемного программирования

(ISP). Отладчик AVR Studio поддерживает все типы МК AVR и имеет два режима

работы: режим программной симуляции и режим управления различными типами

внутрисхемных эмуляторов. Отладочная среда поддерживает выполнение про-

грамм как в виде ассемблерного текста, так и исходного текста языка С.

AVR Studio – последняя версия всегда доступна на сайте фирмы Atmel.

Аппаратные средства поддержки разработок

Для аппаратной поддержки разработок, Atmel предлагает следующие устрой-

ства: 1. Стартовый набор – для практической разработки приложений. На пла-

тах этого набора установлены все необходимые для работы элементы. Из всех

наборов наиболее универсальным является STK500. В некоторых случаях эти

наборы могут использоваться как готовые блоки проектируемой аппаратуры;

Внутрисхемные программаторы. Программирование МК семейства AVR

производится с использованием последовательного синхронного интерфейса SPI,

что позволяет применять простые программаторы, называемые внутрисхемными.

Программатор АТ90ISP реализован на МК АТ90S1200 с первой версией про-

шивки. Вторая версия прошивки поддерживает более широкую номенклатуру