Часть2 (Рябов В.Т. - Комплексная разработка механических, электронных и программных компонентов ТО)

УДК 621.01:621.38:681.3.06В.Т. РябовКОМПЛЕКСНАЯ РАЗРАБОТКА МЕХАНИЧЕСКИХ,ЭЛЕКТРОННЫХ И ПРОГРАММНЫХ КОМПОНЕНТОВТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯЧасть 2. Устройство и программирование однокристальныхмикроконтроллеров».Учебное пособие по курсу «Системы автоматического управления технологическим оборудованием» для студентов специальностей «Оборудование электронной техники», «Электроника и наноэлектроника» и«Наноинженерия»Факультет «Машиностроительные технологии»Кафедра МТ-11 «Электронные технологии в машиностроении»2Рябов Владимир Тимофеевич – доцент кафедры МТ-11 «Электронные технологии в машиностроении».Во второй части учебного пособия изучается устройство и программирование однокристальных микроконтроллеров. Изложение ведется на примере широко распространенного восьмиразрядного микроконтроллера семейства MCS-51, но заложенный подход иполученные знания и умения позволят самостоятельно освоить и микроконтроллеры других семейств.

При изложении предполагается освоение первой части учебного пособия«Функции, структура и элементная база систем автоматического управления», в которой заложены основы единого подхода к проектированию механических, электронных ипрограммных компонентов технологического оборудования и постановки четких технических заданий и технических предложений на них на начальных этапах проектирования.Книга может быть полезна и студентам других машиностроительных специальностей.3КОМПЛЕКСНАЯ РАЗРАБОТКА МЕХАНИЧЕСКИХ,ЭЛЕКТРОННЫХ И ПРОГРАММНЫХ КОМПОНЕНТОВТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯЧасть 2. Устройство и программирование однокристальныхмикроконтроллеров».Гл.

3. ОДНОКРИСТАЛЬНЫЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ В САУ3.1. Микропроцессоры и микроконтроллеры3.2. Микроконтроллеры семейства MCS51Общие характеристики и назначение выводовОрганизация памяти микроконтроллераТаймеры-счетчики МКПриемо-передатчикСистема прерываний микроконтроллераСистема команд МКГл.4. ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ АППАРАТНОЙ ЧАСТИЛОКАЛЬНЫХ МК4.1. Элементная база и архитектура построения локальных МКВыбор семейства и типа микроконтроллераПортовая и шинная архитектура построения локальных МК4.2. Обеспечение надежности функционирования МКАктивные и пассивные способы защиты от помехСупервизорные схемы микроконтроллеров. Функциисупервизора МАХ-6914.3. Расчет и проектирование средств сопряжения с объектомВыбор и расчет средств реализации дискретного контроляВыбор и расчет средств реализации дискретного управленияПроектирование линий аналогового контроля и управленияГл.5.

ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ПРОГРАММНОГООБЕСПЕЧЕНИЯ5.1. Основы разработки и отладки программного обеспечения5.2. Диспетчер процессов для МК семейства MCS-51.Функции диспетчера процессов.Распределение переменных в памяти МКРазработка текста программы5.3. Пример разработки программного обеспечения.Аппаратное построение контроллера дляуправления шаговым двигателем.Разработка текста программного обеспечения,выполняемого под управлением диспетчера процессовПРИЛОЖЕНИЕ 1. Система команд микроконтроллеровсемейства MCS-51441010141821242630303133333437383942465151515459596166ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Текст программного обеспечения контроллераШД, выполняемого под управлением диспетчерапроцессов71Список литературы754Гл.

3. ОДНОКРИСТАЛЬНЫЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫВ САУ3.1. Микропроцессоры и микроконтроллерыОднокристальные микроконтроллеры явились естественной эволюцией микропроцессоров применительно к нуждам систем автоматического управления. В отличие от типовогомикропроцессора, ориентированного на решение общих вычислительных задач, на обработку чисел с плавающей запятой, вынужденных обрабатывать огромные массивы информациии т.п., микроконтроллер ориентирован на выполнение задач управления, где, как правило,переменных не столь же много, но обработку информации нужно вести строго привязано ковремени.1.

Микроконтроллер должен иметь развитые средства работы в «жестком» реальномвремени. Должен иметь встроенную развитую таймерную систему.2. Микроконтроллер должен быть ориентирован на квазипараллельную обработкуинформации, иметь средства параллельно (или квазипараллельно) решать ряд относительнопростых задач. Например, для управления перемещением по двум координатам, микроконтроллер должен параллельно вести два процесса:− измерить перемещение по координате;− сравнить его с требуемым;− по рассогласованию рассчитать требуемое значение управляющего сигнала на приводподачи;− выдать этот сигнал на объект управления;− ждать период квантования до следующего запуска кванта управления координатой.Период квантования зависит от характеристик управляемого процесса.

При управлении перемещением при фиксированном шаге, этот период будет определять скорость подачи. При управлении «медленными» процессами, например, нагревом период перезапускакванта управления может составлять несколько десятков секунд.Во время ожидания следующего перезапуска микроконтроллер совсем не простаивает. Его диспетчер задач проверяет, не подошло ли время выполнения какого либо другогокванта, например, регулировки давления. Аналогичный квант регулирования давления выполняется и снова передает управление диспетчеру и т.д.

Это, так называемая, «добровольная многозадачность», когда каждый квант сам передает управление диспетчеру задач. Возможна «исключающая многозадачность», когда диспетчер задач сам отводит кванты временина выполнение каждого из процессов. Мы пока не будем обсуждать, что лучше и что хуже,отметим только, что хороший микроконтроллер должен уметь реализовать оба этих методаквазипараллельного ведения процессов. Процессы, точнее участки их непрерывного исполнения, переключаемые во времени будем называть синхроквантами.3. Микроконтроллер должен постоянно следить за состоянием объекта. Его диспетчерзадач, при возникновении на объекте некоторых ситуаций (например, координатный столикдошел до упора и т.п.) должен либо сразу запускать программу реакции на эту ситуацию (остановить или реверсировать двигатель), либо ставить соответствующий процесс в очередь наобработку, если задержка в несколько миллисекунд некритична.

Процессы (точнее их кванты) с запуском по состоянию объекта будем называть интерквантами (если допустима задержка) или экстраквантами, если задержка недопустима. Для реализации интер и экстраквантов микроконтроллер должен быть оснащен простой и развитой системой прерываний.4. Микроконтроллер должен полностью интегрировать в себе на одном «чипе» всевычислительное ядро и элементы устройства связи с объектом (тактовый генератор, памятьпрограмм и данных, разбитую на ряд зон так, чтобы он после перезапуска должен в кратчайшие сроки продолжить управление. Причем должен иметь простые средства расширенияи подключения дополнительных устройств.55. Микроконтроллер должен иметь удобные средства обработки не только машинныхслов, но и отдельных битов. Микропроцессор ориентирован на обработку машинных слов,причем, чем длиннее слово, тем производительнее будет микропроцессор.

Каждый бит машинного слова микроконтроллера способен включить или выключить двигатель или клапан.Нужно иметь развитые средства для контроля и изменения отдельных битов машинного слова микроконтроллера, не изменяя остальные.6. Простые средства подключения объекта управления. Микроконтроллер должен иметьна кристалле если не завершенное устройство связи с объектом управления, к которому можнонепосредственно подключить линии связи, то, хотя бы универсальные порты для формированиятаких линий, по которым можно легко проводить дискретное управление ДУ (включить – выключить) и дискретные контроль ДК (включено?), аналоговое управление АУ и аналоговыйконтроль АК. Хотя аналоговое управление все более выходит из употребления и обосновано заменено широтно или фазоимпульсным управлением по линиям ДУ.7.

Повышенные требования к надежности работы микроконтроллера. Конечно, никому не нужен и ненадежный микропроцессор, но с «подвисанием» офисного компьютера ещеможно смириться, совсем другая история, если подвиснет микроконтроллер, управляющийэлементом ядерного реактора. Микроконтроллер должен иметь средства аппаратной и программной защиты от сбоев и средства быстрого перезапуска, так, чтобы объект управлениядаже не понял, что, чуть было, не потерял голову.8. Микропроцессор может быть с совмещенной памятью программ и данных, когдауправляющие коды программы и операнды, с которыми совершаются действия, находятся вобщей памяти. Такую архитектуру называют фон-Неймановской.

Либо управляющие коды иоперанды хранятся в разных зонах памяти – памяти программ и памяти данных. Такую архитектуру называют Гарвардской. Ясно, что для микроконтроллеров удобнее Гарвардская организация, поскольку программное обеспечение должно оставаться неизменным и управляющую программу можно разместить в РПЗУ, а переменные операнды – ОЗУ. После включения микроконтроллер сразу будет готов к работе.Составим себе типовой портрет некоторого обобщенного микропроцессора. Микропроцессор – устройство, способное к программно управляемой обработке информации.Микропроцессор – это последовательностная схема, реакция которой на входные воздействия, помимо значений этих воздействий зависит еще и от состояния схемы.