4. Основы разработки аппаратной части специальных
микроконтроллеров
4.1. Элементная база и архитектура построения локальных
МК
Браться за разработку, только если ожидается серия в несколько
десятков или сотен экземпляров!!!
Затраты:
на проектирование;
на программирование и отладку программного обеспечения;
на поддержку «жизненного цикла».
I.
Выбор семейства МК
-1. Соответствие функциональным требованиям автоматизируемого
устройства.
-2. Специализация микроконтроллера под автоматизируемое устройство.
-3. Опыт разработки и использования МК, идите проторенной дорогой, но
следите за новинками рынка.
-4. Наличие средств программирования и отладки.
-5. Обеспечение ремонтопригодности изделия, «солидный»
производитель.
Портовая и шинная архитектура построения локальных МК
Пример портовой организации МК
Команды битового процессора для ДК
JB bit, rel ; переход к метке «rel», если бит равен единице
JNB bit, rel ; переход к метке «rel», если бит равен нулю
Команды битового процессора для ДУ
SETB bit ; установка бита
CLR bit ; очистка бита
Регистр ДУ
Шина данных
C1
C2
BQ
INT0
INT1
WR
RD
+5B или 0В
P2.0
P2.1
P2.2
P2.3
P2.4
P2.5
P2.6
P2.7
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
Di0
Di1
Di2
Di3
Di4
Di5
Di6
Di7
STB
OE
А8
А9
А10
А11
А12
А13
А14
А15
Рис. 3.6. Организация внешней шины.
Дешифратор адреса, полная и неполная
дешифрация
WR
к ДША
1
Разрешение
DI0
DI1
DI2
DI3
DI4
DI5
DI6
DI7
STB
RG
DI0
DI1
DI2
DI3
DI4
DI5
DI6
DI7
OE
Рис. 3.12. Регистр для выдачи
сигналов
дискретного
Буфер
ДК управления
К объектам
контроля
R1
P0.0 D0
P0.1 D1
P0.2 D2
P0.3 D3
P0.4 D4
P0.5 D5
P0.6 D6
P0.7 D7
PME
ALE
PME
+5B C3
P1.0 MC
P1.1
P1.2
P1.3
P1.4
P1.5
P1.6
P1.7
RST
BQ2
BQ1
EA
P3.0
P3.1
P3.2
P3.3
P3.4
P3.5
P3.6
P3.7
Шина адресов
RGDI0 А0 Шина
DI1 А1 управления
DI2 А2
DI3 А3 C1, C2 - 30pF
DI4 А4 C3 - 10mkF
DI5 А5
DI6 А6 R1 - 8,2K
DI7 А7
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
К объектам
управления
Пример шинной организации МК
RD
к ДША 1
in BF out
1
1
2
2
3
3
4
4
OE
1
1
2
2
3
3
4
4
OE
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
Рис. 3.13. Буфер для приема
сигналов дискретного контроля
Пример подключения АЦП МАХ166 к адресу: подключить к МК
внешнее ОЗУ на 4 кБ и АЦП MAX-166. Дать пример обращения к
АЦП.
4.2. Обеспечение надежности функционирования МК
Активные и пассивные способы защиты от помех
Основная причина отказов - помехи, проникающие по цепям
питания и по линиям связи с объектом управления.
Пассивные способы – не допустить проникновение помех к ВЯ.
-Раздельное питание МК и периферийных схем.
-Гальваническая развязка линий связи с объектом управления.
- Витые пары на линиях связи, прямые и обратные токи должны
быть равны.
Активные способы защиты – локализовать действие помех.
Супервизорные схемы микроконтроллеров. Функции супервизора
МАХ-691
А. Функции супервизора
1. Мониторинг за напряжением
питания МК.
BATT ON
Vcc
+
4,65В
LOW LINE
+
Vout
&
+
VBATT
1.2. Сброс МК при включении питания.
Управление
выходом
СЕ
CE ON
CE out
RESET
Генератор
сброса
OSC IN
RESET
Таймер
RESET и WD
OSC SEL
WDI
PFI
+
+
1,25В
Детектор
сигнала WDI
1.1. Подключение резервной батарей,
если основное питание
падает ниже резервного.
Таймер WD
WDO
PFO
GND
Рис. 3.22. Функциональная схема супервизора
1.3. Сброс МК, если питание ниже 4.65В.
1.4. Блокировка линий выбора кристалла
памяти данных СЕ, если питание
ниже 4.65В.
1.5. Выдача предупреждающего прерывания в начальной фазе снижения
напряжения питания.
2. Защита от программных сбоев
микроконтроллера.
Б. Назначение выводов супервизора и работа схемы
Функция 1.1. Подключение резервной
батареи, если основное питание ниже
LOW LINE резервного.
Функция 1.2, 1.3. Сброс МК при
включении питания. Сброс МК,
Vout
если питание ниже 4.65В.
BATT ON
Vcc
+
4,65В
+
&
+
VBATT
Управление
выходом
СЕ
CE ON
CE out
RESET
Генератор
сброса
OSC IN
OSC SEL
Таймер
RESET и WD
WDI
PFI
Детектор
сигнала WDI
+
+
1,25В
RESET
Функция 1.4. Блокировка линий
выбора кристалла памяти данных СЕ,
если питание ниже 4.65В. Поддержка
работы энергонезависимого ОЗУ
Функция 1.5. Выдача предупреждающего прерывания в начальной фазе
снижения напряжения питания.
Vcc,
B
Vcc
Таймер WD
WDO
R1
5,0
PFO
R2 PFI
4,80
4,65
GND
Рис. 3.22. Функциональная схема супервизора
R3
а)
б)
tS
t
tR
Рис. 3.23. Подача предупредительного прерывания
BATT ON
Vcc
+
4,65В
LOW LINE
+
Vout
&
+
VBATT
Управление
выходом
СЕ
CE ON
CE out
RESET
Генератор
сброса
OSC IN
RESET
Таймер
RESET и WD
OSC SEL
WDI
PFI
+
+
1,25В
Детектор
сигнала WDI
Таймер WD
WDO
PFO
GND
Рис. 3.22. Функциональная схема супервизора
Функция 2. Защита от
программных сбоев.
4.3. Расчет и проектирование средств сопряжения с объектом
Выбор и расчет средств реализации дискретного контроля
Исполнение выходов датчиков дискретного контроля:
а) выход типа «сухой контакт»;
б) выход «НО-НЗ сухой контакт»;
в) выход «открытый коллектор n-p-n;
г) выход «открытый коллектор p-n-p;
д) выход «открытый коллектор – открытый эмиттер
оптопары;
Подавление дребезга контактов датчиков ДК:
Программное подавление дребезга: а), в).
Аппаратное подавление дребезга: б) использование RS-триггера.
Подключение активных датчиков ДК с различным выходом:
а) выход «открытый
коллектор n-p-n;
б) выход «открытый
коллектор p-n-p».
U d U кэ U сд 24 - 0,5 - 1,6
R1
2,2 кОм
I сд
0,01
Выбор и расчет средств реализации дискретного управления
Аппаратная организация выдачи ДУ.
R2
U U кэ U сд 24 - 0,5 - 1,6
R1 d
2,2 кОм
I сд
0,01
R2 =50 кОм
U U кэ U б 24 - 0,5 - 0,6
R3 н
1,2 кОм
Iл
0,02
Пример аппаратной организации ДУ с релейным триггером.
ОСОБЕННОСТИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ МК:
1. Поддержка операционной системы в программировании и выполнении
программы
2. Работа программы в «жестком» реальном времени
3. Возможность ошибок на «логическом» и на «физическом» уровне
Языки программирования: ассемблер, С
Способы отладки ПО
1. «Жги – ломай»
2. Эмуляция РПЗУ
3. Программный эмулятор
4. Отладочный микропроцессорный комплект или прототип
5. Аппаратно-программный эмулятор
Константы
1. Структура организации программного
обеспечения
САУ
Энергонезависимое
ОЗУ
Программное обеспечение бывает:
переменные
- с жесткой структуройСохраняемые
– резидентное;
- с гибкой структурой – загружаемое.
Программное обеспечение САУ
С жесткой структурой (резидентное)
С гибкой структурой (загружаемое)
Структура на физическом уровне
РПЗУ
Управляющие коды
Константы
Энергонезависимое ОЗУ
Сохраняемые переменные
ОЗУ
Переменные
Структура на логическом уровне
Базовая система
ввода-вывода
Базовая операционная
ОЗУ
Переменные
Структура на логическом уровне
Базовая система
ввода-вывода
Базовая операционная
система
Процессы пользователя
2. Последовательный процесс – основная структурная
единица программного обеспечения САУ
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Функция определяет цель некоторых действий
Событие – это момент фиксации чего-либо важного для нас.
два события не могут происходить одновременно
События: результат действий либо инициатор действий.
Процесс - это совокупность событий и действий, объединенных общей
природой и причинно-следственными связями, направленных на
достижения поставленной цели
Последовательный процесс или поток (нить - thread) – это
последовательность связанных событий и действий.
Каждое событие является
следствием предыдущих
Событие
действий и инициатором
последующих
События:
Программное
Внешнее
- локальные, имеющие
значение только для
данного потока,
- системные результат
действий, либо иниЛокальное
Системное
циатор действий в
других потоках.
Квант - отрезок потока между двумя системными событиями.
{пример кванта процесса нагрева}
Var T, Tmax,dT,Tf,Up,Tint,Tdif: real; {T, Tmax Заданная, максимальная и }
{приращение температуры, Tf -фактическая температура, }
{Up - управление, Tint, Tdif - постоянные времени. }
Temp, Nagr : Channel
{Аппаратные переменные, связанные }
{с датчиком температуры и регулятором напряжения.}
Process NAGREV;
begin
If (T
begin
{ меньше максимальной,}
T:=T+dT;
{рассчитать заданную температуру,}
Tf:=control(Тemp);
{измерить фактическую по каналу,}
Up:=PID(TF, Tint, Tdif);
{рассчитать управление по ПИД- закону}
regulir(Up,nagr);
{и выдать значение по каналу nagr.}
nagr.}
wait(20,1)
{передать управление диспетчеру процессов}
end
{ с указанием (Ждать 20 секунд с приоритетом 1)}
else
{ иначе, если Tmax достигнута,}
begin
Start(SQUEEZING, 0); {запустить процесс сжатия с приоритетом 0, }
Start(STAB_T, 3);
{процесс стабилизации температуры и }
Stop;
{окончить
{окончить процесс нагрева}
end.
end.
Критерий начала процесса (кванта)
Критерий окончания процесса (кванта)
Режим проведения
• Управляемая переменная характеризует качество ведения процесса.
• Управляющая переменная определяет степень воздействия на обект.
АУ или ДУ
• Контролируемая переменная характеризует состояние процесса.
АК или ДК
Диспетчер
Синхрокванты – критерий начала
процессов
– время после программного соВнешнее
бытия.
событие Экстраквант
Экстракванты – критерий начала
– внешнее событие,
запускаются
вне очереди.
Коэффициент загрузки процессора
квантом: отношение длительности
выполнения кванта к периоду его
перезапуска
k h .
На исполнение
Оператор
программы
Синхроквант
Квант
Внешнее
событие
Интерквант
Очередь квантов
Интеркванты - критерий начала
– внешнее событие.
ПРОЦЕСС "B"
ПРОЦЕСС "A"
критерий начала
КВАНТ
от других
потоков, процессов
Событие
локальное
потоки
Структура понятий об
организации пользовательского программного
обеспечения САУ
ФУНКЦИЯ "1"
системное
синхроквант
интерквант
экстраквант
Действие
Событие
Действие
Событие
Действие
Событие
к другим
потокам,
процессам
Действие
физически защищенная память
Ядро или базовая операционная система, является основой ПО.
- программа тестирования микроконтроллера;
- утилиты двойной арифметики;
- утилиты арифметики с плавающей запятой;
- утилиты проверки целостности управляющей программы;
- утилиты настройки приемопередатчика на стандартные протоколы
обмена и утилиты реализации обмена;
- диспетчер процессов или квантов в «жестком» реальном времени;
- утилиты расчета управляющих воздействий по типовым законам
управления и т.п.
Программа пользователя, как набор процедур, запускаемых
под управлением Ядра.
Программа простого диспетчера процессов для MCS-51
1. Гибкий программный интерфейс для управления очередностью
запуска процессов
2. Занимать минимальный объем резидентного ОЗУ, не ограничивать
пользователя в использовании регистров общего назначения и
других ресурсов микроконтроллера;
3. Минимально загружать процессор диспетчированием.
Диспетчер предназначен для управления синхроквантами, рядом
интерквантов, перезапускаемых внешними событиями и
экстраквантами, запускаемыми от двух входов прерываний.
ЗАПУСК СИНХРОКВАНТОВ
Отсчет времени:
- короткие «тики» с длительностью, определяемой пользователем
(от долей миллисекунды до нескольких десятков миллисекунд);
- длинные «тики», длительность которых в 256 раз больше.
OSC
C/T0
/12
TL0
8бит
T0
Gate0
1
TR0
TH0
8бит
TF0
&
1
INT0
Бит №
Рис. 3.16. Работа нулевого таймера в режиме 1.
7
6
5
4
3
2
1
0
Р-р TMOD
Gate1
C/T1
M1.1
M0.1
Gate0
C/T0
M1.0
M0.0
Значения
0 или1
0 или1
0 или1
0 или1
0
0
0
1
TF1
TR1
TF0
TR0
IE1
IT1
IE0
IT0
Флаг Т/С1
0 или1
1
Флаг
Вид
Флаг
Вид
Р-р TCON
Значения
Флаг
Т/С0
НАСТРОЙКА ТАЙМЕРА
Таймер ведет счет в 16-и разрядном регистре до переполнения
002E 7524FC
0031 752582
0034 85248C
0037 85258A
003A 758911
003D 758810
0040 75A882
MOV
MOV
MOV
MOV
MOV
MOV
MOV
24,#FCh
25,#79h
TH0,24h
TL0,25h
TMOD,#11h
TCON,#10h
IE,#82h
;настройка Т/С0, установка начальных
;значений регистров для счета в 1 мс
;перенос начальных значений
;в регистры Т/С0
;задание режимов Т/С0
;задание режимов Т/С0
;разрешение прерываний от Т/С0
Бит №
7
6
5
4
3
2
1
0
Р-р IE
EA
--
--
ES
ET1
EX1
ET0
EX0
1
--
--
0 или1
0 или1
0 или1
1
0 или1
Значения
Таймер по прерываниям ведет задержку для синхроквантов в
больших и малых «тиках» и устанавливает флаги квантов, когда
задержка окончится.
ПЕРЕМЕННЫЕ ОКРУЖЕНИЯ СИНХРОКВАНТА
1. ЗАДЕРЖКА КВАНТА
1-ый банк регистров – таймерный. Банк задержек квантов.
Каждая задержка устанавливается пользователем и затем
уменьшается с каждым тиком таймера в ПП обработки его
прерываний.
08h (R0) – задержка времени кванта PR0 (wait0).
09h (R1) – задержка времени кванта PR1 (wait1).
0Ah (R2) – задержка времени кванта PR2 (wait2).
0Bh (R3) – задержка времени кванта PR3 (wait3).
0Ch (R4) – задержка времени кванта PR4 (wait4).
0Dh (R5) – задержка времени кванта PR5 (wait5).
0Eh (R6) – задержка времени кванта PR6 (wait6).
0Fh (R7) – задержка времени кванта PR7 (wait7).
2. СТАТУС КВАНТА
Ячейка 20h является регистром статусов квантов. Статусы
управляются пользователем. Позволяют активизировать процесс, если
он нужен.
№ бита
7
6
5
4
3
2
1
0
Адрес бита
7
6
5
4
3
2
1
0
Значение
SPR7
SPR6
SPR5 SPR4
SPR3
SPR2
SPR1
SPR0
3. ФЛАГ КВАНТА
Ячейка 21h является регистром флагов квантов. Флаги
устанавливаются таймером, когда задержка процесса (кванта) будет
окончена.
№ бита
7
6
5
4
3
2
1
0
Адрес бита
0Fh
0Eh
0Dh
0Ch
0Bh
0Ah
9
8
Значение
FPR7
FPR6
FPR5
FPR4 FPR3
FPR2
FPR1
FPR0
4. РАЗРЯДНОСТЬ ЗАДЕРЖКИ КВАНТА
Ячейка 22h является регистром разрядности задержек
квантов.
Если соответствующий бит ячейки установлен в:
-0, отсчет времени идет в малых «тиках»;
- 1, отсчет времени идет в больших «тиках».
№ бита
7
6
5
4
3
2
1
Адрес бита
17h
Значение
RPR7
16h
RPR6
15h
RPR5
14h
13h
12h
RPR4
RPR3
RPR2
0
11h
10h
RPR1
RPR0
Ячейка 23h является счетным регистром малых «тиков». При ее переполнении «тик» считается большим.
5. НАСТРОЙКА ДЛИТЕЛЬНОСТИ «МАЛОГО ТИКА»
24h – старший регистр настройки «тика».
Содержит начальное значение старшего байта TH0 таймера счетчика
Т/С0.
25h – младший регистр настройки «тика».
Содержит начальное значение младшего байта TL0 таймера счетчика
Т/С0.
6. УПРАВЛЕНИЕ ОЧЕРЕДЬЮ КВАНТОВ
№ бита
7
6
5
4
3
2
1
0
Адрес бита
37h
36h
35h
34h
33h
32h
31h
30h
Значение
--
--
--
--
--
--
--
0 или 1*
*
•0 – приоритетная очередь квантов (процессов);
• 1 - круговая очередь квантов (процессов).
ПОДПРОГРАММА ОБРАБОТКИ ПРЕРЫВАНИЙ ТАЙМЕРА
ORG 0D0h
CLR EA
PUSH PSW
PUSH ACC
SETB RS0
MOV TH0,24
MOV TL0,25
DJNZ 23,FL0
;-----macro_tick-------------DJNZ R0,FH1
SETB 21h.0h
FH1:
DJNZ R1,FH2
SETB 21h.1h
;----------------------------------;-------micro_tick------------FL0:
JB 22h.0h,FL1
DJNZ R0,FL1
SETB 21h.0h
FL1:
JB 22h.1h,FL2
DJNZ R1,FL2
SETB 21h.1h
;запретить прерывания
;сохранить слово состояния процессора
;сохранить аккумулятор процессора в стеке
;установить первый банк регистров В1
;восстановить начальное состояние
;регистров Т/С0
;декремент ячейки 23 и, если не 0 – в метку FL0:
;декремент задержки нулевого кванта, не ноль в FH1:
;иначе установить флаг нулевого кванта
так по всем квантам-------------------------;если задержка большой разрядности, к следующему
;иначе декремент задержки кванта, не ноль в FH1:
;иначе установить флаг нулевого кванта
;----------------------------------- так по всем квантам-------------------------FL7:
JB 22h.7h,ENDTM
DJNZ R7,ENDTM
SETB 21h.7h
;----end_mickro_tick----------ENDTM: POP ACC
POP PSW
SETB EA
RETI
ПУЛЬТОВАЯ ПЕТЛЯ: ВЕДЕНИЕ ОЧЕРЕДИ КВАНТОВ
CLR A
MOV 20h,A
MOV 21h,A
MOV 26h,A
LCALL 0162h
org 4fh ;--------------пультовая петля--------------------------------;----------------------нулевой квант----------------------------PR0:
JNB 21h.0h,PR1
;если нет статуса кванта, идти к следующему
JNB 20h.0h,PR1
;если нет флага кванта, идти к следующему
CLR 21h.0h
;иначе, очистить флаг кванта
LCALL 149h
;запустить квант на исполнение
JNB 26h.0h,PR0
;если очередь приоритетная, идти в начало петли
PR1:
JNB 21h.1h,PR2
JNB 20h.1h,PR2
CLR 21h.1h
LCALL 014Ch
JNB 26h.0h,PR0
;----------------------так по всем квантам---------------------------------
PR7:
JNB 21h.7h,PR0
JNB 20h.7h,PR0
CLR 21h.7h
LCALL 015Eh
JNB 26h.0h,PR0
SJMP PR0
;--------------------USER PROGRAMM MEMORY---------------------;------------------------user vectors-------------------------ORG 149h
;-------name thread0----------;
LJMP NAME0
ORG 14Ch
;-------name thread1----------;
LJMP NAME1
ORG 14Fh
;-------name thread2----------;
LJMP NANE2
ORG 152h
;-------name thread3----------;
LJMP NAME3
ORG 155h
;-------name thread4----------;
LJMP NAME4
ORG 158h
;-------name thread5----------;
LJMP NAME5
ORG 15Bh
;-------name thread6----------;
LJMP NAME6
ORG 15Eh
;-------name thread7----------;
LJMP NAME7
ORG 162h
;-------name user-start programm
;
LJMP START
;----------------------USER PROGRAMM---------------------------;------------------user start programm-------------------------;START:
;-----------------------user quants--------------------------;
;---------------------------------------------END
Схема организации работы диспетчера
Написание и трансляция программы:
За основу берется файл Disp09.asm. Составляется стартовая программа
пользователя и кванты пользователя.
Типовые команды управления квантами:
Старт – установить статус кванта;
Стоп – очистить статус кванта;
Ждать(задержка) – записать в регистр задержки кванта требуемое значение.
;--------------------USER PROGRAMM MEMORY----------------------------------;------------------------user vectors-----------------------------------------------ORG 149h
;-------name thread0----------------------LJMP TIKTAK
;-----здесь ничего не меняем, далее вписываем вектор стартовой части--ORG 162h
;-------name user-start programm
LJMP START
;----------------------USER PROGRAMM---------------------------;------------------user start programm-------------------------START: MOV DPTR,#0
CLR 22h.0h
SETB 20h.0h
MOV 8, #0Ah
RET
;-----------------------user quants--------------------------TIKTAK: INC DPTR
MOV 08H,#0Ah
RET
;---------------------------------------------END
Трансляция программы:
О файле «Трансляция.doc»
На диске С: создаем директорию с файлами:
C:WORK
A8051.EXE, ASM.DOC – кросскомпилятор и подробное описание к нему;
XLINK.EXE, XLINK.DOC – кросслинковщик с описанием;
Disp09.asm – текст диспетчера квантов на ассемблере А8051.
Запуск ассемблера a8051.exe
a8051
Типовое использование: a8051 dv.asm dv.ist dv.obj
Запуск линковщика xlink
xiink
Пример для лаб. работы: xiink dv.obj -c8051 -o dv.obj -i dviink.ist
