Разработка микроконтроллерной системы

Структурная схема микроконтроллерной системы. Схемы подключения микроконтроллера, цифровых и аналоговых сигналов, линейного дисплея и клавиатуры. Текст главной программы на языке Ассемблера для МК51. Программа ввода и обработки аналоговой информации.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

1. Разработка структурной схемы МПС

Структурная схема составляется исходя из описания работы МКС и исходных данных для проектирования.

Структурная схема разрабатываемой МКС приведена на рис. 1.1. Ее центральной частью является однокристальный микроконтроллер К1108ПВ1, имеющий внутреннюю память программ объемом 4 Кбайт и 32 двунаправленных линий ввода-вывода. МК имеет 2 таймера Т/С0 и Т/С1. Таймер Т/С0 используется для отсчета времени Топр, а таймер Т/С1 используется для задания требуемой скорости обмена 9600 бит/с по интерфейсу ИРПС.

Аналоговые сигналы U1, U2, U3 через коммутатор (аналоговый мультиплексор) поступают на АЦП. С выхода АЦП 8-разрядный код поступает в МК. МК выдает адрес для выбора канала коммутатора, а также сигнал для запуска АЦП.

Цифровые (двоичные) сигналы X1, X2, X3, X4 поступают на входы МК. Управляющие сигналы Y1, Y2 и Y3, представляющие собой одиночные импульсы определенной длительности, вырабатываются микроконтроллером. Они усиливаются по току с помощью формирователей сигналов ФС1, ФС2, ФС3.

Сигналы последовательного интерфейса TxD (передаваемые данные) и RxD (принимаемые данные) вырабатываются последовательным портом (УАПП) микроконтроллера. Для преобразования их в сигналы интерфейса ИРПС служит блок сопряжения.

Пульт оператора включает в себя 7 светодиодов для индикации значений сигналов X1, X2, X3, X4, Y1, Y2, Y3; четырехпозиционный линейный дисплей на семисегментных светодиодных индикаторах для отображения аналоговых сигналов (напряжений) U1, U2, U3; 3 переключателя для выбора аналоговых каналов; переключатель режима работы МКС кнопку «Сброс», при нажатии на которую производится сброс МК.

2. Разработка отдельных модулей МПС

Рассмотрим схему включения МК КМ1816BE751.

Для обеспечения генерации тактовой частоты к выводам XTAL1 и XTAL2 подключен кварцевый резонатор ZQ1. Частота резонатора выбирается из условия = и равна 8 ГГц [1].

Конденсаторы С2, С3 служат для облегчения запуска внутреннего генератора. Цепочка С1, R1 обеспечивает сброс МК при подаче электропитания. С помощью кнопки SB1, расположенной на пульте управления, сброс МК может выполнить оператор в любой момент времени. На вывод EA подан высокий уровень, что разрешает работу внутренней памяти программ. Конденсатор С4 служит для фильтрации высокочастотных помех, возникающих на выводах источника питания при работе микросхемы.

К выводам порта Р0 присоединены «подтягивающие» резисторы R1-R9, которые обеспечивают ток для входов микросхем ТТЛ, подключенных к этому порту, при высоком логическом уровне, когда все линии Р0 находятся в z-состоянии. Порты Р1, Р2, Р3 имеют внутренние «подтягивающие» резисторы.

Рис. 2.1. Схема подключения микроконтроллера с внутренней памятью программ

Схемы ввода цифровых и аналоговых сигналов

Реализация схем ввода сигналов от датчика МКС зависит от их количества, а также типа заданного АЦП. При разработке схемы подключения АЦП следует учитывать разрядность кода и возможность управления выходными буферами микросхемы.

На рис. 2.2 приведена функциональная схема ввода цифровых и аналоговых сигналов при использовании АЦП типа К1108ПВ2. Микросхема DA1 К590КН1 является коммутатором аналоговых входных сигналов U1-U3. Переключение входных каналов коммутатора выполняется цифровыми сигналами уровней МОП, подаваемых на адресные входы А2, А1 и А0. Таблица истинности коммутатора имеет вид:

А1	А0	Соединение
0	0	Y=U1
0	1	Y=U2
1	0	Y=U3

Операционный усилитель DA2 включен по схеме повторителя и служит для устранения влияния низкоомного входа АЦП на коммутатор.

Рис. 2.2. Схема ввода цифровых и аналоговых сигналов с АЦП К1108ПВ1

Особенностью микросхемы К1108ПВ1 является то, что в ней отсутствует возможность управления выходными буферами выдачи цифрового кода [3]. После запуска АЦП выходы буферов будут в z-состоянии. Когда преобразование закончится (сигнал на выводе станет равным 0), выходы буферов переходят в активный режим и на выводах D0-D7 появится цифровой код, который будет неизменным до нового запуска АЦП. В схеме на рис. 2.2 разряды D0-D7 выходного кода АЦП подаются на входы буферного регистра DD2. Сигнал готовности данных АЦП и цифровые входные сигналы Х1-Х4 подаются на входы DD3. Выходы регистров DD2 и DD3 соединены с выводами порта Р0 МК. Управление выходными буферами регистров осуществляется от линий Р3.3 и Р3.4. При Р3.3=1, Р3.4=1 выходы регистров DD2, DD3 находятся в z-состоянии и они отключены от выводов порта Р0. Запуск АЦП выполняется сигналом от линии Р1.4. Переключение каналов коммутатора производят сигналы с линий P1.5, Р1.6, Р1.7 микроконтроллера.

Схема подключения светодиодов индикации VD1 - VD7 и семисегментных светодиодных индикаторов HG1 - HG4 приведена на рис. 2.3. Ее особенность является то, что элементы индикации непосредственно подключены к выходам регистров DD5 - DD9, без использования инверторов с открытым коллектором. Дело в том, что регистры КР1533ИР33 обладают высокой нагрузочной способностью при низком уровне сигнала на выходах I вых <= 20 мА, что вполне достаточно для яркого свечения светодиодов. Однако для работы элементов индикации нужно на входы регистров DD5 - DD9 подавать инверсные значения данных с порта P0 микроконтроллера для их отображения на VD1 - VD7 и HG1 - HG4.

В разрабатываемой МКС на пульте управления имеется простейшая клавиатура, состоящая из клавиш для переключения аналоговых сигналов с целью отображения их на индикаторах дисплея, а также переключателя (тумблера) для ввода режима работы МКС.

В кодирующих клавиатурах каждый контакт подключается к отдельной линии порта ввода МК. При этом схемным путем формируется код, соответствующий нажатой клавише. Благодаря простоте реализации эти клавиатуры широко применяются при небольшом числе клавиш, как правило, не более 8.



Рис. 2.3. Схема подключения индикаторов при использовании программной перекодировки

Контакты кодирующих клавиатур (переключателей и кнопок) бывают с фиксацией замкнутого состояния и без фиксации. Первые остаются в нажатом состоянии (замкнуты), вторые размыкаются после отжатия. На рис. 2.4 приведена схема подключения кодирующей клавиатуры, состоящей из переключателей с фиксацией, к порту МК. Переключатели SA1-SA3 служат для выбора аналоговых сигналов U1-U3, а переключатель (тумблер) SA4 - для выбора режима работы МКС: «Работа-Пульт». Особенностью переключателей SA1-SA3 является то, что они взаимозависимы, т.е. в любой момент времени может быть замкнут только один из них. Мы используем дополнительный регистр, так как свободных линий портов МК недостаточно для подключения клавиатуры.

Схемы вывода управляющих сигналов

В проектируемой МКС имеются 3 управляющих сигнала Y1, Y2, Y3. Эти сигналы представляют собой одиночные импульсы МОП - уровней, поступающие на исполнительные устройства МКС. Управляющие сигналы снимаются с портов МК. Однако следует учитывать, что нагрузочная способность портов P1, P2, P3 мала: 1,6 мА, 40 мкА [2]. Емкость нагрузки не должна превышать 150 пФ. Для увеличения нагрузочной способности линий портов МК следует использовать усилительные элементы. Это обычно микросхемы, имеющие выходы с открытым коллектором.

Рис. 2.5. Схемы вывода управляющих сигналов Y1, Y2, Y3

В схеме на рис. 2.5 используется инвертор К155ЛН3. При сигнале на входе уровня логической 1 на выходе будет логический 0, т.е. такая схема требует инверсных входных сигналов для управления.

Схемы сопряжения с последовательным интерфейсом

Разрабатываемая микроконтроллерная система должна иметь связь с внешним удаленным компьютером через последовательный интерфейс ИРПС (токовая петля). По запросу внешнего компьютера МК должен передавать данные о сигналах X1-Y3 и коды аналоговых сигналов U1-U3, получаемых с помощью АЦП. Обычно для связи МКС с внешним компьютером используют программный метод управления передачей, так как это позволяет уменьшить число линий связи [1]. В этом случае интерфейс должен обеспечить двустороннюю передачу, т.е. от компьютера к МК (запрос) и от МК к компьютеру (передача данных). При сопряжении МК со стандартным последовательным интерфейсом необходимо решать следующие проблемы [1]:

· согласование уровней сигналов интерфейса с уровнями МОП МК;

· поддержание стандартной скорости приемо-передачи;

· поддержание стандартных форматов посылки;

· поддержание стандартных протоколов обмена

На рис. 2.6 приведена схема сопряжения с интерфейсом ИРПС (токовая петля 20 мА). Принимаемые данн...