Программное обеспечение систем управления

Введение

Актуальность работы. Создание микропроцессора явилось следствием развития и совершенствования технологии производства интегральных схем. Повышение степени интеграции микросхем привело к закономерному этапу в развитии вычислительной техники – реализации архитектуры ЭВМ на одной интегральной схеме.Способность к программированию последовательности выполняемых функций, т.е. способность работать по заданной программе, является основным отличием микропроцессора от элементов «жесткой» логики. Аппаратные средства микропроцессора повторяют структуру процессора ЭВМ и включают: арифметико-логическое устройство, устройство управления, память. Микропроцессор может состоять из одной или нескольких интегральных схем.Основными причинами широкого использования микропроцессорных систем в технике являются:Использование в микропроцессорных системах цифрового способа представления информации, позволяющего значительно повысить помехоустойчивость создаваемых на базе устройств, обеспечить простоту передачи и преобразования информации;Применение программного способа обработки информации, позволяющего создавать в значительной степени унифицированные технические средства, отличающиеся практически лишь содержимым запоминающего устройства и специфическими устройствами ввода/вывода информации;Компактность, высокая надежность и низкая потребляемая мощность микропроцессорных средств, обеспечивающих возможность расположения управляющих устройств, созданных на их основе, в непосредственной близости с управляемым оборудованием, а иногда и встроенных в них;Относительно низкая стоимость микропроцессорных средств.Все эти факторы позволили микропроцессорам в короткое время занять ведущее место в совершенствовании целых отраслей промышленности, создании гибких автоматизированных производств, систем передачи информации, автоматизированных систем управления технологическими процессами, встраиваемых систем управления оборудованием и бытовыми приборами.1 Выбор микроконтроллераМикроконтроллеры с системой команд и архитектурой MCS-51 представлять нет необходимости. Они широко распространены, множество фирм выпускает их модификацию и программное обеспечение для них. Выпускает такие микроконтроллеры и фирма Atmel. В данном проекте был выбран микроконтроллер фирмы Atmel AT89C1051U. Микроконтроллер AT89C1051U является низковольтным, быстродействующим 8-битным КМОП микроконтроллером с 1К программируемой и стираемой флэш-памятью. Он имеет то же функциональное назначение и операции, что и AT89C1051, с дополнением программируемого последовательного порта UART. Устройство произведено используя высокоплотную энергонезависимую технологию памяти Atmel и совместимое со стандартом серии MCS-51. Объединяя разносторонний 8- битный процессор с флэш-памятью в чипе микроконтроллер AT89C1051U представляет собой мощный микрокомпьютер, который обеспечивает очень гибкое и экономически выгодное решение для множества управляющих приложений. Контроллер обеспечивает следующие стандартные характеристики: 1K флэш-памяти, 64 байта RAM, 15 линий ввода-вывода, два 16-битовых таймеров/счетчиков, двухуровневая архитектура прерывания, полный дуплексный последовательный порт, аналоговый компаратор. Кроме того, AT89C1051U разработан со статической логикой операций, вплоть до нулевой частоты, и поддерживает два программно-выбираемых режима сохранения мощности. Холостой режим останавливает работу процессора, допуская при этом функционирование RAM, таймеров/счетчиков, последовательного порта и системы прерываний. Низко-мощный режим сохраняет RAM, но приостанавливает работу генератора, блокируя все другие функции, пока следующие аппаратные средства не восстановятся [1]. Данный микроконтроллер 51 серии полностью подходит для решения поставленной в проекте задачи, т.к. у него имеются все необходимые для этого функциональные возможности: 8-разрядный процессор, оптимизированный для приложений управления, обширные возможности побитовой обработки, разветвленная структура прерываний, два таймера/счетчика, повышенная нагрузочная способность выходов в состоянии логического нуля, обеспечивается ток до 20 мА, что позволяет без дополнительных буферных схем управлять светодиодными индикаторами и реле, наличие аналогового компаратора.2 Структура микроконтроллера PIC12С508АМикропроцессорная система - представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств, главным образом из микропроцессора и / или микроконтроллера.Структура микропроцессорной системы (МПС) является магистрально - модульной. В такой структуре имеется группа магистралей (шин), к которым подключаются различные модули (блоки), обменивающиеся между собой информацией по одним и тем же шинам поочередно, в режиме разделения времени.Типичная микропроцессорная система работает с помощью шин, по которым в систему передаются адреса модулей, к которым обращается микропроцессор. В шину включен шинный формирователь (ШФ), обеспечивающий работу микропроцессора (МП) на нагрузку, образуемую внешними цепями. Собственной нагрузочной способности у выводов МП, как правило, не хватает.Микропроцессор - процессор (устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде), реализованный в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких специализированных микросхем (в отличие от реализации процессора в виде электрической схемы на элементной базе общего назначения или в виде программной модели).PIC - микроконтроллеры Гарвардской архитектуры, производимые американской компанией Microchip Technology Inc. Аббревиатура PIC, расшифровывается как Peripheral Interface Controller - периферийный интерфейсный контроллер.Изначально PIC предназначались для расширения возможностей ввода-вывода 16-битных микропроцессоров CP1600.Фирма Microchip на данный момент выпускает широкий спектр 8-и, 16-и и 32-битных микроконтроллеров с внутренним ПЗУ, ОЗУ, таймерами, АЦП, ШИМ и другими периферийными модулями под маркой PIC. Самые маленькие это PIC10 -3-6 вывода, PIC12 - 8 выводов, PIC16 - 14-68 выводов, PIC17 - 40-84 вывода, PIC18 - 28-84 вывода, dsPIC30 - 28-64 вывода, rfPIC12 - 18-20 выводов, со встроенным радиоканалом. Каждое семейство имеет свое назначение и область применения.PIC 16F628A мощный (200 наносекунд исполнения инструкции), но простой в программе (только 35 одно слово, в инструкции) CMOS на основе FLASH 8-разрядный микроконтроллер пакеты Microchip мощный PIC системах ia в 18-выводном корпусе, и обратно-совместимый с PIC16F628, PIC16C62XA, PIC16C5X и PIC12CXXX устройств. В PIC16F628A особенности 4MHz внутренний генератор, 128 байт EEPROM памяти данных, захвата / сравнения/ШИМ, USART, 2 компаратора и программируемый источник опорного напряжения, что делает его идеальным как для аналоговых / интегрированный уровень приложений в автомобильной, промышленной, бытовой техники и потребительских приложений.Рисунок 1. Микроконтроллер PIC 16F628AАрхитектура микроконтроллера PIC 16F628AХарактеристика RISC ядра:- тактовая частота от DC до 20МГц;- поддержка прерываний;- 8-уровневый аппаратный стек;- прямая, косвенная и относительная адресация;- 35 однословных команд;- все команды выполняются за один машинный цикл, кроме команд ветвления и условия с истинным результатом.Особенности микроконтроллеров:- внешний и внутренний режимы тактового генератора;- прецизионный внутренний генератор 4 МГц,- нестабильность +/ - 1%;- энергосберегающий внутренний генератор 37 кГц;- режим внешнего генератора для подключения кварцевого или керамического резонатора;- режим энергосбережения SLEEP;- программируемые подтягивающие резисторы на входах PORTB;- сторожевой таймер WDT с отдельным генератором;- режим низковольтного программирования;- программирование на плате через последовательный порт (ICSP) (с использованием двух выводов);- защита кода программы;- сброс по снижению напряжения питания BOR;- сброс по включению питания POR;- таймер включения питания PWRT и таймер запуска генератора OST;- широкий диапазон напряжения питания от 2.0В до 5.5В;- промышленный и расширенный температурный диапазон;- высокая выносливость ячеек FLASH/EEPROM;- 100 000 циклов стирания /записи FLASH памяти программ;- 1 000 000 циклов стирания /записи EEPROM памяти данных;- период хранения данных FLASH/EEPROM памяти > 100 лет.Характеристики пониженного энергопотребления:- режим энергосбережения: 100нА @ 2.0В (тип.);- режимы работы:- 12мкА @ 32кГц, 2.0В (тип.);- 120мкА @ 1МГц, 2.0В (тип.);- генератор таймера TMR1:- 1.2мкА, 32кГц, 2.0В (тип.);- сторожевой таймер:- 1мкА @ 2.0В (тип.);- двухскоростной внутренний генератор:- выбор скорости старта 4МГц или 37кГц;- время выхода из SLEEP режима 3 мкс @ 3.0В (тип.) 3 Описание работы программыСхема устройства изображена ниже. Его основа – микроконтроллер PIC12С508А.В качестве источника тактового сигнала используется внутренний RC-генератор микроконтроллера частотой 1 МГц. Для повышения точности отсчета временных интервалов используется синхронизация внутреннего таймера-счетчика Т/С2, (далее – таймера Т2) микроконтроллера от внешнего кварцевого резонатора BQ1 на частоту 32768 Гц. При коэффициенте деления 128 8-разрядный таймер Т2 переполняется каждую секунду, генерируя прерывание.Исполнительным устройством служит реле К1, которое управляется посредством ключа на транзисторе VT1 с вывода РС5 микроконтроллера. Его контакты выведены на внешние клеммы разъема X2 и могут быть использованы для управления внешними цепями, в том числе и сетевым напряжением 220 В. Звуковые сигналы подает пьезокерамический излучатель BQ2 (со встроенным звуковым генератором), который управляется выводом  РС4 микроконтроллера. Питание на микроконтроллер (+5 В) подается с выхода интегрального стабилизатора DA1. Напряжение на вход DA1 подается либо с выхода интегрального стабилизатора DA2 (+12 В), либо с аккумулятора, выбор осуществляется с помощью перемычки J1.Светодиод HL1 зеленого цвета индицирует наличие питающего напряжения. Светодиод HL2 красного цвета служит для индикации режима работы и количества включений реле в предыдущем цикле работы. При срабатывании реле (на время включения) светодиод HL2 загорается на 1,5 с и на 0,25 с гаснет, если реле обесточено (время паузы) светодиод загорается на 0,25 с и на 1,5 с гаснет. После окончания отсчета времени светодиод HL2 гаснет. Таким образом, по характеру свечения HL2 видно, в каком состоянии находится таймер.Конденсаторы С2 – С6 блокировочные. Диоды VD2, VD3 служат защитой от ошибочной полярности источников напряжения, диод VD1 – защита от ЭДС самоиндукции, возникающей при коммутации реле. Рассмотрим примеры перепрограммирования таймера. Отметим, что при программировании следует учитывать внутреннюю логику встроенной в микроконтроллер программы. Рабочий цикл – это время включения плюс время паузы. Количество рабочих циклов может быть и нулевым – это означает, что реле включается однократно на время включения. Таким образом, чтобы включить реле N раз, надо задать N – 1 рабочих циклов, соответственно, если задать N рабочих циклов, реле включится N + 1 раз.Пример 1. Время включения – 10 сек, время выключения – 8 сек, режим работы – циклически-ограниченный, количество рабочих циклов — 5.Для начала запишем все числа в двоичном виде: число 10 – это 00001010, 8 – 00001000, 5 – 00000101. Включаем таймер, ставим переключатель SB3 – ON (квант времени – секунда), SB4 — ON (циклически-ограниченный режим), SB2/SB1 – ON/OFF (время включения), на переключателях SA1 – SA8 набираем число 00001010 (SA2, SA4 – OFF, все остальные – ON) и нажимаем кнопку программирования. Слышим два коротких сигнала.Далее ставим SB2/SB1 – OFF/ON (время паузы), набираем на SA1 – SA8 число 00001000 (SA4 – OFF, остальные – ON), вновь нажимаем кнопку программирования, вновь слышим два коротких сигнала. Теперь ставим SB2/SB1 – OFF/OFF (количество рабочих циклов), набираем на SA1 – SA8 число 00000101 (SA1, SA3 – OFF, остальные – ON), вновь нажимаем кнопку программирования, слышим два коротких сигнала. Выключаем и вновь включаем питание – и таймер с новыми значениями констант готов к работе.Пример 2. Время включения – 4 сек, время выключения – 3 сек, режим работы – циклически-непрерывный.Число 4 – 00000100, число 3 – 00000011. Включаем таймер, ставим SB3 –ON (квант времени – секунда), SB4 – OFF (циклически-непрерывный режим), SB2/SB1 – ON/OFF (время включения), на переключателях SA1 – SA8 набираем число 00000100 (SA3 – OFF, все остальные — ON), нажимаем кнопку программирования, слышим два сигнала. Далее ставим SB2/SB1 – OFF/ON ( время паузы), набираем на SA1 – SA8 число 00000011 (SA1, SA2 – OFF, остальные – ON), нажимаем кнопку программирования, слышим два коротких сигнала. Выключаем и вновь включаем питания – и таймер с новыми значениями констант готов к работе.Пример 3. Время включения – 20 мин однократно.Число 20 – 00010100. Включаем таймер, ставим SB3 – OFF (квант времени — минута), SB4 – ON (циклически ограниченный режим), SB2/SB1 – ON/OFF (время включения), на переключателях SA1 – SA8 набираем 00010100 (SA3, SA5 – OFF, остальные – ON), нажимаем кнопку программирования, слышим два коротких сигнала. Ставим SB2/SB1 – OFF/OFF (количество рабочих циклов), набираем на SA1 – SA8 число 00000000 (все переключатели – ON), нажимаем кнопку программирования, слышим два коротких сигнала. Выключаем и вновь включаем питание – таймер с новыми значениями констант готов к работе.
Заключение

Создание микропроцессора (МП) явилось следствием развития и совершенствования технологии производства интегральных схем. Повышение степени интеграции микросхем привело к закономерному этапу в развитии вычислительной техники – реализации архитектуры ЭВМ на одной интегральной схеме.Способность к программированию последовательности выполняемых функций, т.е. способность работать по заданной программе, является основным отличием МП от элементов «жесткой» логики (интегральных схем малой и средней степени интеграции). Таким образом, микропроцессор – это программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки информации, управления им, построенное на одной или нескольких больших интегральных схемах (БИС).Основными причинами широкого использования микропроцессорных систем (в том числе и ОЭВМ) в технике являются:использование в микропроцессорных системах цифрового способа представления информации, позволяющего значительно повысить помехоустойчивость создаваемых на их базе устройств, обеспечить простоту передачи и преобразования информации;применение программного способа обработки информации, позволяющего создавать в значительной степени унифицированные технические средства, отличающиеся практически лишь содержимым запоминающего устройства и специфическими устройствами ввода/вывода информации; компактность, высокая надежность и низкая потребляемая мощность микропроцессорных средств, обеспечивающих возможность расположения управляющих устройств, созданных на их основе, в непосредственной близости с управляемым оборудованием, а иногда и встроенных в них;относительно низкая стоимость микропроцессорных средств.Все эти факторы позволили МП в короткое время занять ведущее место в совершенствовании целых отраслей промышленности, создании гибких автоматизированных производств, систем передачи информации, автоматизированных систем управления технологическими процессами, встраиваемых систем управления оборудованием и бытовыми приборами и т.д.

Список использованной литературы

В.В. Сташин, А.В. Урусов, О.Ф. Мологонцева Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах. - М.: издательство «Энергоатомиздат», 1990. - 224 с.Сединин В.И., Микушин А.В. Программирование микропроцессорных систем на языке ASM-51.– М.: издательство «Радио и связь», 2003. – 331 сФрунзе А.В. Микроконтроллеры? Это же просто. – М: ООО «ИД СКИМЕН», 2002. – 336 с.Бродин В.Б., Калинин А.В. Системы на микроконтроллерах и БИС программируемой логики. – М: издательство «ЭКОМ», 2002. – 400 с.