Сиротин Э.Е. Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Конспект лекций

Подождите немного. Документ загружается.

рен дополнительный UART (DBGU). Скорость обмена данными по USART

достигает 30 Мбит/с в синхронном режиме и 6.87Мбит/с - в асинхронном.

Интерфейс SPI в микроконтроллерах AT91SAM7S может работать в

двух режимах ведущий (master) и подчиненный (slave), обеспечивая передачу

данных на скоростях до 30 Мбит/с.

Интерфейс SPI снабжен 4-мя линиями выбора устройств (Chip Select),

что позволяет организовать обмен данными в режиме master с 4-мя внешними

устройствами, с каждым из которых микроконтроллер может устанавливать

связь на заданной скорости и осуществлять обмен данными блоками по 8 или

16 бит.

Контроллер USB-интерфейса микроконтроллеров AT91SAM7S содер-

жит интегрированный приемопередатчик, соответствующий спецификации

шины USB 2.0 full-speed. Он имеет буфер FIFO объемом 328 Байт и поддер-

живает организацию четырех каналов передачи данных, два из которых могут

работать в режимах bulk, interrupt и control, а два других - bulk, isochronous и

control.

Для работы интерфейса USB используется единая (с ядром) схема гене-

рации и распределения тактового сигнала, что позволяет использовать один

генератор для ядра и USB.

Помимо выполнения функции обмена данными, интерфейс USB можно

использовать и для питания микроконтроллера (а также всего устройства) с

целью продления времени работы устройства в автономном режиме.

Микроконтроллеры AT91SAM7S содержат 8-канальный аналогово-

цифровой преобразователь (АЦП), который позволяет работать в двух режи-

мах разрешающей способности - 8 и 10 бит. Максимальная частота дискрети-

зации, обеспечиваемая АЦП, достигает 384 тыс. отсчетов в секунду (ksps).

Запуск преобразования осуществляется как программно, так и аппарат-

но внешним сигналом.

По каждому сигналу запуска может выполняться как преобразование

сигнала с одного канала (указанного в регистре ADC_CHER), так и последо-

вательное преобразование сигналов с выбранных (указанных в регистре

ADC_CHER) каналов. Помимо одиночных преобразований также поддержи-

вается режим непрерывного преобразования сигнала с одного или нескольких

каналов.

По окончании каждого преобразования результат может быть считан в

заданном формате.

Все процедуры запуска преобразования и чтения результата преобразо-

вания АЦП могут выполняться без участия ядра микроконтроллера под

управлением контроллера ПДП.

Питание АЦП осуществляется от 3.3-вольтовой линии питания, и в мо-

мент преобразования ток потребления составляет 1мА. Для снижения энерго-

потребления в период между преобразованиями в АЦП предусмотрен режим

энергосбережения (sleep mode), ток потребления АЦП в котором не превыша-

ет 1мкА.

В качестве источника опорного напряжения возможно использовать

внешнего источник, напряжением от 2.6 В до 3.3 В.

Контроллер ШИМ микроконтроллеров AT91SAM7S включает 4 незави-

симых канала для генерации широтно-модулированных сигналов. На каждом

канале можно устанавливать независимые значения частоты, скважности и

полярности сигнала.

Параметры энергопотребления в микроконтроллерах AT91SAM7S ре-

гулируются встроенным контроллером управления питанием (Power

Management Controller, PMC), выполняющем следующие функции:

- распределение тактовой частоты на ядро и периферийные модули;

- управление значениями частот;

- вывод тактовой частоты к внешним блокам (линии PCK).

Главным достоинством контроллера управления питанием является

возможность гибкого управления характеристиками энергопотребления при

различных конфигурациях рабочей частоты ядра и периферии. В качестве

примеров можно привести следующие значения:

32 мА - тактовая частота периферии и ядра 55 МГц, вся периферия

включена;

21 мА - вся периферия остановлена, тактовая частота ядра 55 МГц;

11 мА - ядро остановлено, тактовая частота периферии 55 МГц, вся пе-

риферия включена;

36 мкА - работа от внутреннего RC-генератора на частоте 32 кГц, пери-

ферия остановлена;

2.7 мкА - Работа от внутреннего RC-генератора на частоте 500 Гц (мак-

симальные значения делителей), периферия остановлена.

Блок управления тактовыми частотами позволяет также выключать не-

используемую периферию на различные промежутки времени.

Источником тактовой частоты может быть внутренний RC-генератор

либо кварцевый генератор. При работе от внутреннего RC-генератора такто-

вая частота может варьироваться в пределах от 22 до 42 кГц. Для внешнего

высокочастотного генератора может быть использован кварцевый резонатор с

частотой от 3 до 20 МГц.

Для повышения тактовой частоты (вплоть до 220 МГц), контроллер

управления питанием содержит блок ФАПЧ, частота выходного сигнала ко-

торого задается параметрами внешнего фильтра

Одной из важных возможностей контроллера управления питанием яв-

ляется функция автоматического переключения на работу от RC-генератора

как источника тактовой частоты в случае отказа внешнего высокочастотного

тактового генератора. Эта функциональность может быть использована, на-

пример, для сохранения важной информации и извещения о критической си-

туации.

ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА УПРАВЛЕНИЯ И ОБРАБОТКИ

ИНФОРМАЦИИ В МК

Рассмотрим организацию процесса управления и обработки информа-

ции в МК на примере МК серии Intel 8051.

КОДИРОВАНИЕ И ОПИСАНИЕ ОПЕРАЦИЙ

Микропроцессор или процессорное ядро МК может выполнять опреде-

ленный набор действий, комбинируя которые, можно для него составлять раз-

личные программы работы вычислительной системы. Идентификатором опре-

деленного действия микропроцессора является двоичный код необходимой

операции. После ввода такого кода в процессор устройство управления по-

следнего расшифровывает код и обеспечивает выполнение заданной опера-

ции.

Набор кодов и соответствующих им операций, который может быть реа-

лизован данным микропроцессором, называется системой команд микропро-

цессора. Рассмотренные выше МК имеют жесткую систему команд, которая це-

ликом определяется логикой его устройства управления.

Каждая команда из набора команд идентифицирует некоторую операцию,

выполняемую микропроцессором. В общем случае команда должна содер-

жать два вида информации: указание на характер операции и указание на объек-

ты данной операции (операнды). Первая часть команды является кодом операции

(КОП), вторая часть команды является адресной частью.

Использование двоичных кодов для написания команд при программиро-

вании заменяется использованием буквенных кодов - мнемоник, которые гораздо

более понятны человеку и облегчают процесс программирования.

При использовании мнемонических кодов код операции КОП задается

буквенным сочетанием (от двух до четырех букв), которое является сокращением

или аббревиатурой описания операции (на английском языке). Для записи

мнемонических кодов используются заглавные буквы латинского алфавита, на-

пример

MOV - переслать,

ADD - сложить,

SUB - вычесть,

DCR - уменьшить на единицу и т.д.

Для указания числовой информации в команде могут использоваться дво-

ичная, десятичная или шестнадцатеричная системы счисления. Последняя ис-

пользуется наиболее часто.

Любая информация в ЭВМ представляется двоичным кодом. Логи-

ческий нуль напряжением одной величины, логическая единица – другой величи-

ны. ЭВМ работает с кодами определенной разрядности - машинными слова-

ми. Единицей информации, как правило, принят восьмиразрядный код - один

байт информации. Байтом информации можно представить 2

= 256 различных

состояний или десятичные числа от 0 до 255.

Двоичный код может выражать некоторую числовую или логическую

информацию. Двоичными кодами в ЭВМ представляются обрабатываемые

данные, адреса и команды программы.

Последовательность действий ЭВМ определяется программой, для на-

писания которой используются различные языки, подразделяющиеся на ма-

шинно-ориентированные и алгоритмические. Из алгоритмических языков

широко известны БЕЙСИК, ФОРТРАН, СИ, АДА. Машинно-ориентирован-

ным языком является АССЕМБЛЕР. В операторах машинно-ориентирован-

ного языка учитываются особенности той ЭВМ, для которой он предназначен.

Таким образом, языки АССЕМБЛЕРА для разных ЭВМ различны, хотя эти раз-

личия в большинстве случаев невелики.

Программа на языке АССЕМБЛЕРА состоит из отдельных команд, опре-

деляющих содержание шагов программы. Естественным для ЭВМ является

представление команд программ в виде двоичных кодов. Программа, напи-

санная в виде последовательности двоичных кодов команд, называется объектной.

Недостаток ее - сложность написания и контроля ввиду трудности восприятия

человеком длинных двоичных кодов.

Язык АССЕМБЛЕРА позволяет написать программу с использованием

буквенных аббревиатур для обозначения выполняемых операций. Буквенные

коды команд называют также мнемоническими. Программа, написанная с по-

мощью мнемонических кодов, называется исходной, не может быть непосред-

ственно введена в память ЭВМ и должна быть преобразована в двоичные коды,

то есть в объектную программу. Это преобразование может быть выполнено че-

ловеком с использованием таблиц соответствия мнемокодов и двоичных ко-

дов. Однако чаще такое преобразование выполняется с использованием ЭВМ и

специальной программы – транслятора. Программа-транслятор для преобразо-

вания исходных программ, написанных на языке АССЕМБЛЕРА, в объектную

программу называется АССЕМБЛЕРОМ. Система команд микропроцессора

включает следующие основные группы:

а) команды пересылок данных между регистрами, между регистрами и

памятью, между регистрами и портами ввода-вывода;

б) команды арифметических операций над данными;

в) команды логических операций над данными;

г) команды передачи управления или перехода;

д) специальные команды.

Команда, написанная на языке АССЕМБЛЕРА, может быть разделена

на четыре части:

МЕТКА | ОПЕРАЦИЯ | ОПЕРАНД | КОММЕНТАРИЙ

Назначение частей команды:

Метка служит для выделения данной команды в последовательности ко-

манд (например, с целью последующего обращения к ней) и представляет собой

набор некоторых символов, образующих имя команды.

Операция описывает характер выполняемой микроЭВМ операции и вы-

ражается некоторым мнемокодом (кодом операции КОП), например: ADD -

сложить, SUB- вычесть и т.д.

Операнд – данные, представляющие собой объект операции, реализуемой

ЭВМ в ходе выполнения программы. Операнд может непосредственно со-

держать данные для выполняемой операции или указывать местонахождение

данных (содержать адрес данных).

Комментарий – словесное пояснение выполняемой операции для уп-

рощения пользования программой человеком. ЭВМ комментарий не обраба-

тывается.

Ниже приведен фрагмент программы управления движениями руки ма-

нипулятора, составленной на АССЕМБЛЕРЕ 8-разрядного микропроцессора

КР580ВМ80А [1].

МЕТКА

КОП

ОПЕРАНД

КОММЕНТАРИИ

LXI

Н,0400Н

Адрес РГУ в регистровую пару HL

MVI

М,8ВН

Управляющее слово в РГУ

BEGIN:

LXI

Н,0403Н

Адрес канала А в регистровую пару HL

MVI

М,00Н

Выключения распределителей К1 и К2

LXI

Н,0402Н

Адрес канала SB в регистровую пару HL

LOOP1:

CALL

ONESEC

Вызов подпрограммы задержки времени

MOV

A,M

Ввод кода состояния привода

XRJ

05H

Проверка исходного состояния датчиков

JNZ

LOOP1

Ожидание исходного состояния привода

LXI

H,0403H

Адрес канала А в регистровую пару HL

MVI

M,01H

Включение распределителя К1

LXI

H,0402H

Адрес канала В в регистровую пару

LOOP2:

CALL

ONESEC

Вызов подпрограммы задержки времени

Программа начнет работать после включения системы управления и по-

дачи на процессорный модуль сигналов «Сброс» и «Готовность». Работа про-

граммы будет продолжаться до выключения системы или до снятия сигнала го-

товности, после чего микропроцессор перейдет в состояние ожидания. Режим

работы адаптера ввода-вывода (КР580ВВ55) задается программным путем за-

сылкой в его регистр управления РГУ кода 8ВН, что соответствует режиму 0,

программированию канала А на вывод и каналов В и С на ввод данных. Для

ввода-вывода использованы команды обращения к памяти, что обусловлено вы-

бранным способом адресации портов ввода-вывода. Приведенную программу

следует рассматривать как один из наиболее простых вариантов.

ОРГАНИЗАЦИЯ ВВОДА/ВЫВОДА В МП И МК

Для ввода данных в микропроцессор и вывода результатов обработки ин-

формации используются модули ввода-вывода. Основой модуля ввода-вывода

является регистр, разрядность которого соответствует разрядности шины данных.

Такой регистр называют портом. Если входы регистра подключены к линиям

шины данных, а выходы – к внешнему устройству, тогда регистр служит для

вывода данных и называется портом вывода. Для ввода информации исполь-

зуются порты ввода.

В каждый момент времени обмен данными возможен только с одним пор-

том ввода или вывода. Для выбора нужного порта служит селектор портов, кото-

рый в соответствии с кодом адреса, поступившего по адресной шине, выбирает

нужный порт и подключает его к шине данных. Естественно, что каждый порт

должен иметь свой адрес в виде двоичного кода адреса. Поскольку портов ввода-

вывода обычно меньше, чем ячеек памяти, то используются адреса меньшей раз-

рядности, что несколько упрощает программирование и сокращает объем про-

граммы микропроцессора. Для 8-разрядного микропроцессора применяется адрес

портов длиной в один байт, что позволяет адресовать 2

= 256 портов ввода-

вывода.

Модули ввода-вывода подключаются к микропроцессору с помощью

системных шин. Схема соединения портов ввода-вывода с микропроцессором

показана на рис. 3.25. В рассматриваемом примере модуль ввода-вывода со-

держит два порта ввода и один порт вывода. При вводе информации двоичный

код данных от внешнего устройства должен поступить в регистр порта ввода и

временно в нем храниться.

Рисунок 4.1. Порты ввода-вывода

Микропроцессор при исполнении команды ввода данных от внешнего уст-

ройства выдает на шине адреса код нужного порта ввода, селектор устройства вво-

Шина данных

Селектор УВВ

Шина адреса

Порт вывода

Порт ввода

Входы

Выход

Шина управления

да-вывода УВВ подключает этот порт к шине данных. По сигналу чтения "R", пе-

редаваемому микропроцессором по соответствующей линии шины управления,

происходит передача кода данных с выходов регистра порта ввода на линии ши-

ны данных и далее в микропроцессор. Вывод данных производится аналогично че-

рез порт вывода с использованием сигнала управления "W". Обращение микро-

процессора к портам ввода-вывода осуществляется по определенным командам,

входящим в систему команд микропроцессора.

ПРОГРАММИРОВАНИЕ ПРОЦЕДУР ВВОДА-ВЫВОДА ДАН-

НЫХ

Для реализации портов ввода-вывода предназначен широкий ассорти-

мент специальных микросхем различных серий. В качестве примера рассмотрим

программируемый параллельный адаптер Intel 80C55, предназначенный для реа-

лизации 8-разрядных портов ввода-вывода.

Структурная схема адаптера Intel 80C55 приведена на рис. 3.26. Под-

ключение периферийного оборудования производится через три двунаправлен-

ных 8-битных канала (порта) А, В и С Через буфер данных адаптер подклю-

чается к шине данных микропроцессора. Канал С состоит из двух четырех-

разрядных подканалов. Выбор канала осуществляется заданием адреса на лини-

ях А0 и А1: 00-канал A, 01 -канал В, 10-канал С, 11 - регистр управления (РГУ).

Регистр управления входит в состав устройства управления, и в него заносится

код команды, определяющий функции адаптера.

Рисунок 4.2. Программируемый параллельный адаптер.

Для управления адаптером используются входы: CS - выбор устройства

(кристалла); RD - разрешение выдачи информации в шину данных; WR - раз-

решение приема информации из шины данных; RS - сброс устройства в ис-

ходное состояние, при этом регистр управления обнуляется, а все три канала

переводятся в режим ввода.

Канал А может работать в одном из трех режимов: 0,1 и 2. В режиме 0

ввод информации производится непрерывно, и входной регистр канала из-

Буфер регистра данных

Устройство управления

Канал А

Канал C

Канал B

…

Внутренняя шина

меняет свое состояние в соответствии с изменением данных на входе канала. Ввод

информации в режимах 1 и 2 на входной регистр канала осуществляется

только в течение действия внешнего сигнала управления приемом. Вывод

информации в режимах 0 и 1 производится непрерывно, а в режиме 2 - только

в течение действия внешнего сигнала управления.

Каналы В и С могут работать в режимах 0 и 1. В режиме 0 информация пе-

редается непрерывно, а в режиме 1 - только в течение действия внешнего сигна-

ла управления приемом.

Режим работы адаптера задается путем его программирования. Про-

граммирование адаптера заключается в записи управлявшего 8-битного слова (дво-

ичного кода) в РГУ. Формат этого слова (т.е. двоичный код) определяет режим

работы и приводится в справочных данных на микросхему. Загрузка РГУ осущест-

вляется через шину данных при подаче на входы управления адаптера сигналов

управления. Входы адаптера ЧТ, ЗП и R подключаются к шине управления, а

входы АО, А1 и ВУ - к адресной шине. Для адресации требуемого канала

(порта) в данном случае используются три бита адреса.

В качестве примера рассмотрим схемную реализацию ввода-вывода

аналоговых сигналов в микропроцессор с использованием адаптера Intel

80C55 (рис. 4.3).

Рисунок 4.3. Ввод-вывод аналоговых сигналов.

Для преобразования аналогового сигнала в двоичный код используется

аналого-цифровой преобразователь (АЦП), а для обратного преобразования

(при выводе) - цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). Функции АЦП и

ЦАП выполняет БИС К572ПВ1, являющаяся многофункциональным 12-

разрядным АЦП с микропроцессорной организацией ввода-вывода. Эта БИС

может работать как в режиме АЦП, так и в режиме ЦАП, преобразуя входной ток

до 1 мкА в 12-разрядный двоичный код или 12-разрядный двоичный код в на-

пряжение 10 В с дискретностью 10 мВ.

На рис. 4.3 одна БИС К572ПВ1 используется в качестве ЦАП для вывода

ШД

ША

ШУ

К микропроцессору

Выход

Вход

К572ПВ1

ЦАП

АЦП

информации, а вторая - в качестве АЦП для ввода информации. Управление

преобразователями осуществляется через канал С адаптера (задействованы ли-

нии С0, С1, С2 и С4, С5, С6). Цифровые данные в ЦАП передаются через порт А

и принимаются от АЦП через порт В. Запуск преобразователя производится по-

дачей разрешающего сигнала от микропроцессора на вход управления WR.

После прихода с выхода преобразователя сигнала готовности "конец пре-

образования" микропроцессор считывает (при работе преобразователя в ре-

жиме АЦП) восемь младших разрядов двоичного кода подачей сигнала "чтение"

на вход управления LB (младшие разряды). Затем считываются оставшиеся

четыре разряда кода подачей сигнала "чтение" на вход управления MB (старшие

разряды). Командой "чтение MB" одновременно осуществляется очередной за-

пуск АЦП.

Запуск БИС К572ПВ1 в режиме ЦАП производится по сигналам "WR,

LB и MB". Подача управляющих сигналов в требуемой последовательности

на управляющие входы преобразователей осуществляется путем составления со-

ответствующей программы микропроцессора с использованием команд ввода-

вывода информации через порты А, В и С.

СТАНДАРТНЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СИГ-

НАЛОВ

Для обмена данными между устройствами на микропроцессорах или

микроконтроллерах и стандартными преобразователями сигналов применя-

ются различные интерфейсы обмена данными. Наибольшее распространение

для этих целей получили последовательные интерфейсы передачи данных, в

которых данные передаются в виде последовательности битов в соответствии

с некоторой спецификацией всего по нескольким линиям связи. Такая ситуа-

ция возникла потому, что обычно микропроцессорные устройства управления

и устройства согласования сигналов оказываются разнесены в пространстве

на значительные расстояния. Поэтому использование параллельных интер-

фейсов обмена данными (шин) становится невозможным как с точки зрения

технико-экономических показателей, так и с точки зрения их низкой помехо-

устойчивости.

В настоящее время, наиболее применимыми последовательными ин-

терфейсами в локальных системах управления являются:

1. синхронные интерфейсы: SPI, I

2. асинхронные интерфейсы: RS-232, RS-422, RS-485;

3. интерфейсы сетей передачи данных: Ethernet.

В синхронных интерфейсах передача отдельных битов по линии связи син-

хронизируется для приемного и передающего устройств с помощью сигналов

синхронизации, которые передаются по отдельной линии связи. Благодаря

сигналу синхронизации, оба устройства точно знают, в какой момент времени

состояние линии связи соответствуют состоянию передаваемого бита.

Этот процесс можно представить следующей последовательностью действий:

1. Перед началом передачи очередного бита данных, передающее уст-

ройство либо переводит сигнал синхронизации в неактивное состояние, (если

оно является его задатчиком – режим master), либо ожидает, когда сигнал

синхронизации перейдет в неактивное состояние (если синхронизация осуще-

ствляется другим устройством – режим slave).

2. После снятия сигнала синхронизации, устройство переводит линию

данных в состояние, соответствующее значению передаваемого бита. Напри-

мер, активный уровень на линии соответствует логической единице, а неак-

тивный – логическому нулю.

3. Передающее устройство либо переводит сигнал синхронизации в ак-

тивное состояние, (если оно является его задатчиком), либо не изменяет со-

стояние линии данных до того момента, пока сигнал синхронизации не будет,

(после перевода в активное состояние), переведен снова в неактивное (если

синхронизация осуществляется другим устройством).

4. Приемное устройство, определив момент перехода сигнала синхро-

низации из неактивного в активное состояние, считывает состояние линии

данных, тем самым определяя значение передаваемого бита данных.

5. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет передана вся по-

следовательность битов данных.

Таким образом, для передачи данных с использованием синхронного

последовательного интерфейса требуется как минимум две линии связи.

По способу организации линий связи синхронные интерфейсы делятся

на двухпроводные, трехпроводные, трехпроводные с двунаправленной лини-

ей данных, четырехпроводные (рис. 4.4).

Двухпроводные интерфейсы (рис. 4.4.а) используются для связи между

собой только двух устройств, одно из которых является только передающим,

второе только приемным. Трехпроводные интерфейсы (рис. 4.4.б) используют

для связи одного передающего устройства с несколькими приемниками. В

этом случае выбор необходимого приемного устройства производится сигна-

лом по дополнительной линии выбора устройства. Трехпроводные интерфей-

сы с двунаправленной линией данных (рис. 4.4.в) применяются для органи-

зации полудуплексного режима обмена данными между двумя устройствами,

каждое из которых может выполнять функции и передачи и приема данных. В

этом случае линия данных должна обеспечивать передачу в обоих направле-

ниях, а текущее направление выбирается состоянием дополнительной линии

Чтение/Запись.