Проектирование микропроцессорных систем

При конструировании  аппаратуры всегда может быть найден окончательный вариант, который  наиболее экономично и эффективно реализует  необходимые функциональные требования. Программа же, написанная для решения  определенной задачи, обычно может  иметь несколько вариантов, которые  мало отличается по функционированию.

Одним из следствий большей гибкости, обеспечиваемой аппаратно-программными микропроцессорными системами, является то, что задачи, которые в дальнейшем могут модифицироваться, обычно реализуются программными средствами. Изменяя в программе те или  иные части (программные модули), можно  легко добиться требуемой модификации, в то время когда подсоединение  дополнительных компонентов к монтажной  плате для модификации аппаратного  обеспечения может оказаться  чрезвычайно сложным делом.

Проектирование  программного обеспечения МПС включает в себя следующие этапы:

• анализ требований к программному обеспечению;
• формализация задач и выполняемых функций, куда входит определение входов и выходов алгоритмических и программных блоков, конкретных процессов обработки, формулирование и учет системных ограничений (эксплуатационных, временных, объемных, точностных и др.);
• проектирование программы или составление алгоритма ее выполнения, удовлетворяющего требованиям постановки задачи и спецификаций;
• кодирование или собственно программирование, заключается в формировании программы на выбранном языке 
• программирование (исходный текст). Затем осуществляется компиляция и трансляция для программы, написанной на языке высокого уровня, или только трансляция для программы, написанной на языке ассемблера. После компоновки с помощью редактора связей получается загрузочный модуль в машинных кодах целевого (используемого) микропроцессора или микроконтроллера;
• тестирование и автономная отладка, когда на программной модели проверяется корректность программы. Тестирование позволяет убедиться в том, что программа правильно выполняет возложенные на нее функции. При этом очень важным является правильный выбор тестовых данных, разработка методов тестирования и тестовых примеров.

Для выполнения двух последних этапов проектирование ПО необходимо использовать специальные  инструментальные апппаратно-программные средства на базе микро-ЭВМ: а) резидентные, если микропроцессоры инструментальной микро-ЭВМ и объектной МПС совпадают, и б) кросс-средства, если они различны.

 

 

8 Средства отладки микропроцессорных систем

 

 

Эффективность проектирования микропроцессорных  систем определяется в первую очередь  квалификацией разработчика и арсеналом  инструментальных средств. При изучении курса «Микропроцессорные системы» используются различные средства, выполняющие  следующие функции: ввод/вывод аналоговых и цифровых сигналов, хранение и обработки данных, хранение и выполнения командных кодов, а также консольная индикация выполняемых операций и управление. По своей функциональной законченности различают следующие устройства:

• контроллеры-конструкторы;
• учебные микропроцессорные стенды.

Контроллеры-конструкторы – это средства, наиболее популярные у массового разработчика. Представляют собой полуфабрикат микропроцессорного контроллера, на основании которого легко собрать несложную целевую систему в ограниченном количестве экземпляров.

Контроллеры-конструкторы разнообразны по своей организации  и составу периферийных блоков, могут  снабжаться схемами защиты, элементами поддержки работы в реальном времени. Они выполняются часто с макетным полем или большим числом разъемов расширения. Важным их отличием от промышленных контроллеров является необходимость  программирования пользовательской задачи на уровне реальной аппаратуры (а не на уровне виртуальной машины или  операционной системы)независимо от используемого языка программирования (ассемблер, Си, Бейсик).

Контроллеры-конструкторы являются «открытыми системами», что  определяет состав сопроводительной документации (принципиальные электрические схемы  и описание архитектуры)и инструментального программного обеспечения (загрузчики, программаторы, мониторы-отладчики, библиотеки драйверов устройств и специальных вычислительных функций).

Учебные микропроцессорные стенды на базе микроконтроллеров  предназначены для изучения принципов  организации и работы микропроцессорной  элементной базы, вспомогательных элементов (память, контроллеры ввода-вывода и  др.), получения навыков проектирования и программирования микропроцессорных  систем различного назначения.

Внимания  заслуживает опыт ООО «ЛМТ» (Санкт-Петербург), которое разработало и последовательно  развивает семейство микропроцессорных  стендов инструментального и  учебного назначения  - SDK. Стенд SDK-1.1 может использоваться в следующих целях:

• макетирование микропроцессорных систем, отладка программного обеспечения для систем на базе широко распространенного ядра Intel MCS-51;
• автоматизация простых технологических процессов и лабораторных исследований;
• обучение;
• радиолюбительство, управление бытовой техникой.

В основу архитектуры стенда легли разработки систем промышленной автоматики. Предусмотрены  стабилизатор и супервизор питания, схема сброса, сторожевой таймер, энергонезависимая  память на базе EEPROM и CMOS (RTC). Интерфейс RS-232 имеет гальваническую изоляцию, что позволяет подключать и отключать  стенд «на ходу», не опасаясь повреждения  приемопередатчиков. Спектр периферии  в составе стенда достаточно широк: несколько каналов ЦАП и АЦП, ЖКИ, клавиатура, часы реального времени, светодиоды, звуковой излучатель, битовые  порты ввода-вывода. Количество битовых входов-выходов увеличено за счет использования расширителя портов на базе ПЛИС фирмы Altera. В комплект поставки стенда входит CD с документацией, комплектом инструментальных программ (компилятор языков Си и ассемблер, симулятор, программатор Flash), тестов и примеров.

Для программирования стенда может использоваться любой  транслятор ассемблера или Си для ядра 8051, например, пакет mVision (Keil Software). До начала программирования на языке Си рекомендуется внимательно ознакомиться с документацией по используемому компилятору, так как компиляторы для микроконтроллеров имеют нестандартные расширения [Интернет ресурс http://www.intel.com/design/mcs51/docs_mcs51.htm].

Основные  этапы программирования стенда следующие:

• подготовка программы в текстовом редакторе или среде программирования;
• транслирование исходного текста и получение загрузочного НЕХ-модуля программы;
• подготовка и загрузка НЕХ-модуля в стенд через интерфейс RS232C с помощью поставляемых инструментальных систем;
• прием и обработка НЕХ-модуля резидентным загрузчиком НЕХ202, передача управления загруженной программе.

Стенд успешно  используется рядом университетов  в лабораторном практикуме по направлениям «Организация ЭВМ и вычислительных систем», «Прикладная теория цифровых автоматов», «Системы ввода-вывода», «Микропроцессорные системы», «Информационно-управляющие  системы».

Стенды  комплектуются сетевыми блоками  питания, инструментальными кабелями, пользовательской, учебно-методической и технической документацией, демонстрационными  и инструментальными программами. Стенды производятся небольшими сериями  в течение ряда лет и успешно  применяются в обучении, автоматизации  и разработке контроллеров. Рассмотрим подробнее некоторые модели семейства.

SDK-1.1 может  эффективно использоваться в  системах сбора информации и  управления. Например, стенд обеспечивает  гальваническую изоляцию ПК от  объекта управления, исключая воздействие  помех или наводок.SDK-1.1 может работать  автономно, без использования  ПК, что обеспечивается наличием Flash-памяти программ (программируется  посредством интерфейса RS-232 и входящей  в поставку программы), ЖКИ и  клавиатуры.

SDK 1.1 успешно используется в качестве контроллера в сложных условиях эксплуатации, например, при резком изменении температур, скачках и пропадании питающего напряжения, при воздействии мощных электромагнитных помех.

К недостаткам  стенда SDK-1.1 можно отнести отсутствие защиты от замыкания линий параллельного порта и ЦАП на корпус при установлении на них ненулевого напряжения.

 

 

9 Работа с литературой

 

 

В учебнике Ю.В. Новикова и П.К. Скоробогатова  «Основы микропроцессорной техники» приведены элементарные основы архитектуры  микроконтроллеров, объяснены принципы их построения и функционирования. Книга М. Предко «Руководство по микроконтроллерам» дает достаточно полную информацию об архитектуре, программировании и средствах поддержки разработчиков устройств на базе микроконтроллеров семейств 8051, Motorola, Picmicro, Avr. В ней приведены конкретные примеры реализации приложений на базе различных микроконтроллеров. Книги «Электронные промышленные устройства» В.Н. Васильева, «Основы проектирования микропроцессорных устройств автоматики» Б.Н. Кагана, а также «Искусство схемотехники» П. Хоровица и У. Хилла необходимо использовать при выборе схемотехнических решений для реализации разнообразных приложений на базе микропроцессорной техники. Для выбора конкретных типов микроконтроллеров при известных функциональных требованиях к микропроцессорной системе необходимо пользоваться такими справочниками, как Ремизевич Т.В. «Микроконтроллеры для встраиваемых приложений. От общих подходов – к семействам HC 05 и HC 08 фирмы MOTOROLA»; Тавернье К. PIC- микроконтроллеры. Практика применения». Книга Г.И. Пухальского понадобится для разработки устройств на базе микропроцессора К580, здесь приведены полные сведения об организации подсистем памяти, параллельного и последовательного интерфейса, прерываний и прямого доступа к памяти. В книге В.В. Корнеева и А.В. Киселева «Современные микропроцессоры» представлены основные идеи построения суперскалярных и мультискалярных микропроцессоров, приведены описания универсальных микропроцессоров ведущих зарубежных компаний Motorola, Texas Instruments, Analog Devices, рассмотрены основы транспьютерной технологии, представлены нейросетевые алгоритмы и нейропроцессоры, приводятся конкретные примеры существующих микропроцессоров.

 

 

10 Варианты заданий для разработки  курсового проекта

 

Общая постановка задачи:

 

• привести описание алгоритма работы разрабатываемой микропроцессорной системы;
• разработать функциональную спецификацию;
• осуществить системно-алгоритмическое разбиение микропроцессорной системы на аппаратную и программную части;
• определить входы и выходы аппаратных и программных блоков;
• провести анализ и выбор аппаратных модулей;
• разработать схемы: структурную, функциональную, электрическую принципиальную;
• разработать программное обеспечение МПС;
• провести отладку программы с использованием учебного стенда SDK-1.1.

Вариант №1 Разработка микропроцессорной системы управления стиральной машиной

 

Требования  к микропроцессорной системе:

 

1. задание (с помощью устройства ввода) времени процесса стирки;
2. задание (с помощью устройства ввода) температуры воды;
3. задание (с помощью устройства ввода) скорости отжима;
4. слежение за уровнем воды, температурой воды, скоростью вращения барабана;
5. автоматическая (программная реализация) подача сигналов управления: заливом/сливом воды, нагреванием воды, вращением барабана при стирке, отжимом;
6. отображение текущего времени;
7. сигнал оповещения о завершении процесса.

Отсчет  времени осуществлять аппаратно, посредством встроенного модуля 8-битного таймера.

 

Вариант №2 Разработка микропроцессорной системы управления бытовой хлебопечкой

 

Требования  к микропроцессорной системе:

 

1. сигнал на включение и отключение двигателя, используемого для замешивания теста (время замешивания - 10 минут);
2. задание (с помощью устройства ввода) и индикация времени начала и окончания брожения теста;
3. слежение за температурой брожения, при отклонениях, превышающих норму на 2 % подача сигнала на включение/отключение нагревателя;
4. задание времени окончания выпечки (с помощью устройства ввода);
5. слежение за температурой выпечки;
6. оповещение об окончании выпечки;

Разработка микропроцессорной системы управления кондиционированием помещений офиса

 

Требования  к микропроцессорной системе:

 

1. Количество помещений офиса – 3;
2. переключение режимов: режим «Зима» - нагрев воздуха, режим «Лето» - охлаждение воздуха;
3. задание значений температуры с помощью устройства ввода;
4. измерение температуры в трех помещениях;
5. отображение текущих значений температуры;
6. обеспечение частоты опроса датчика температуры каждые 30 минут;
7. формирование команд на включение и отключение кондиционеров;
8. оповещение о превышении и снижении температуры более чем на 20%.