Сборка лекции

Электроника и МП техника. Часть 3.

Литература:

1. Mикpoкoмпьютepныe мeдицинcкиe cиcтeмы. Пoд peд. У.Toмпкинca и Дж.Уэбcтepa. M.:-Mиp,1983.

2. Микрокомпьютеры в физиологии. Под ред. П.Фрейзера. М.:-Мир 1990.

3. AVR RISC Microcontroller Data Book. Atmel Corp. 1999.

4. Кривченко И. В. Микроконтроллеры общего назначения для встраиваемых приложений производства Atmel Corp. // Электронные компоненты. 2002. N5.

5. Гребнев В. В. Микроконтроллеры семейства AVR фирмы Atmel. М.: ИП Радиософт. 2002.

6. Кривченко И. В. AVR-микроконтроллеры: очередной этап на пути развития // Компоненты и Технологии. 2002. N3.

7. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы ATMEL. – М.: Издательский дом "Додэка-XXI", 2004. – 560 с.

8. http://www.atmel.ru, http://www.atmel.com.

Лекция 1. Введение в курс. 05.09.2006.

Микропроцессор – программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки.

Данная микросхема на кристалле, площадью чуть более 25 мм² содержала 2300 транзисторов, выполняла 60 тысяч операций в секунду, стоила 200 долларов и была сравнима с большой ЭВМ.

Термин "микроконтроллер" обычно означает отдельную микросхему, содержащую процессорное ядро и все необходимые периферийные устройства на одном кристалле для того, чтобы реализовать специализированный микрокомпьютер для задач контроля / управления.

МК (микроЭВМ, микрокомпьютер) - это программно управляемое устройство, конструктивно выполненное в виде одной интегральной схемы, включающее в себя всё необходимое для реализации системы ввода, вывода и обработки информации в минимальной конфигурации.

В состав современного МК входят:

• процессор,

• память команд и данных,

• программируемые каналы ввода -вывода информации (послед. и ║ порты ввода-вывода),

• ГТИ (генераторы тактовых импульсов),

• устройства ШИМ (широтно-импульсные модуляторы),

• АЦП,

• ЦАП,

• программируемые таймер-счетчики,

• схема прерываний.

Разрядность моделей:

Рис. 1. Мировой рынок микроконтроллеров.

Flash EEPROM <сокр. от Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory> -
программируемое ПЗУ с групповым (параллельным) электрическим стиранием, флэш-ППЗУ, флэш-память.

К элементам EPROM с электрическим стиранием информации относятся, например, микросхемы флэш-памяти (flash). От обычных EPROM они отличаются высокой скоростью доступа и быстрым стиранием записанной информации. Данный тип памяти сегодня широко используется для хранения BIOS и другой постоянной информации.

Доля микроконтроллеров с Flash-памятью неуклонно растёт. На данном этапе лидером является фирма Atmel.

Особенности Flash:

1. Многократное стирание-записывание.

2. Возможность перезаписи, не вынимая из готовой цепи (осуществляется через готовый разъём).

Рис. 2. Рынок 8-разрядных микроконтроллеров.

УОИ – устройство отображения информации,

АЦП – аналого –цифровой преобразователь,

УВВ – устройство ввода-вывода информации,

МПУ – микропроцессорное устройство.

- система с обратной связью.

* На схеме представлены не все функциональные части, а только (например, нет фильтров).

С первичных датчиков снимается преобразованный сигнал.

На выходе АЦП получаем двоичный код сигнала.

Само преобразование включает в себя 3 этапа:

1. Дискретизация.

2. Квантование.

3. Кодирование.

В процессе дискретизации из непрерывного сигнала берутся отсчёты, или мгновенные значения, которые следуют через определённые интервалы времени, называемые тактовыми интервалами.

Т.е. из непрерывного сигнала получаем дискретные значения.

Величина тактового интервала ограничена:

С одной стороны (верхней) максимальной частотой преобразуемого сигнала,

с другой (нижней) – частотой работы реального устройства (АЦП).

*см. теорему Котельникова.

На этапе квантования создаётся сетка уровней квантования, отстоящих друг от друга на величину, называемую шагом квантования.

Шаг квантования определяется max значением входного сигнала и разрядностью АЦП.

Например, при max значении входного сигнала 1В и

разрядности АЦП 10В

шаг квантования ≈ 1мВ.

Период квантования определяется частотой самых быстрых сигналов.

При кодировании мгновенные значения или отсчёты заменяются значениями ближайших к ним уровней квантования.

На этапе кодирования происходит замена значений отсчётов в двоичном представлении этих отсчётов.

Схема АЦП11 13 ПВ1:

Разрядность 10.

Max значение однополярного преобразуемого сигнала 10В.

Время преобразования 50мкс.

Добавлено: 12.09.2006

Преобразование начинается подачей высокого уровня сигнала на вход гашение преобразования. Такой уровень сигнала обнуляет все разряды регистра последовательных приближений.

Подачей низкого уровня сигнала на этот вход последовательно заполняются все 10 разрядов регистра последовательных приближений, начиная со старшего.

Полученный в регистре двоичный код преобразуется ЦАП в уровень сигнала, который сравнивается с входным аналоговым сигналом.

Если в результате сравнения входной аналоговый сигнал превышает сигнал на выходе ЦАП, то компаратор вырабатывает сигнал, который сохраняет единицу в старшем разряде.

В противном случае 1 → 0.

Т.о. происходит заполнение всех 10 разрядов регистра последовательных приближений.

Через заданное время (30 мкс для АЦП11 13 ПВ1) на выходе готовность АЦП появляется низкий уровень, который информирует внешние устройства о готовности преобразователя к выдаче данных, которые записаны в выходном буфере.

Далее процесс повторяется для следующего отсчета.

Предположим на входе 7В.

Максимальное значение напряжения 10В.

На выходе ЦАП будет 512*шаг квантования [В] → ≈5В

5В сравниваем с 7В, в старший разряд записываем 1.

256*шаг квантования [В]…

Записываем соответствующую цифру в следующий разряд.

Лекция 2. 12.09.2006.

На базе современных микроконтроллеров создаются узлы различных изделий медицинской техники.

На сегодняшний день микроконтроллеры используются в реанимационной технике и аппаратах интенсивной терапии. Это техника для мониторирования жизненно-важных функций организма, а также для управления искусственными системами жизнеобеспечения.

В медицине катастроф, в военной и космической медицине это многопрофильные мобильные системы.

В физиотерапии это системы управления и формирования параметров физиотерапевтического воздействия.

Помимо этого микроконтроллерная техника применяется в:

• фармакологии,

• хирургии и трансплантологии,

• телемедицине…

В целом хотя бы для сервисных функций любая использующаяся медицинская техника имеет встроенный микроконтроллер.

Еще раз поговорим о Flash:

Flash EEPROM <сокр. от Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory> -
программируемое ПЗУ с групповым (параллельным) электрическим стиранием, флэш-ППЗУ, флэш-память.

К элементам EPROM с электрическим стиранием информации относятся, например, микросхемы флэш-памяти (flash). От обычных EPROM они отличаются высокой скоростью доступа и быстрым стиранием записанной информации. Данный тип памяти сегодня широко используется для хранения BIOS и другой постоянной информации.

Risk-архитектура широко используется во многих современных МП и МК, выпускаемых различными компаниями. Первые RISK-процессоры разработаны в Стендфордском и Колифорнийском университетах США в начале 80-х годов. Выполняли относительно небольшой набор команд: 50-100 вместо 100-200 выполняемых обычными CISC (компьютер со сложным набором команд) процессорами. Эта особенность определила название данного класса процессоров RISK (компьютер с сокращённым набором команд). Однако в последующих разработках RISK-процессоров набор команд значительно расширен, включая команды обработки чисел с плавающей точкой. (Дописать)

Особенности современных RISK-процессоров:

• Расширенный объем регистровой памяти: от 32 до нескольких сотен регистров общего назначения, входящих в состав МП.

• Использование в командах обработки данных только регистровой адресации (обращение к памяти используется в командах загрузки и сохранения содержимого регистров, а также в командах управления программой).

• Отказ от аппаратной реализации сложных способов адресации.

• Фиксированных формат команд вместо переменного формата, характерного для CISC-процессоров.

Основные технические характеристики:

UART -universal asynchronous receiver-transmitter