Обоснование применения и выбор микропроцессорного комплекта (МПК)

     МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНИ

ХЕРСОНСКИЙ  НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ТЕХНИЧЕСКОЙ КИБЕРНЕТИКИ 
 
 

Курсовой  проект

по дисциплине “ Микропроцессорная техника ” 
 
 
 

       Выполнила

студентка группы 3А2       _______________________  Белым В.Ю.

(подпись,  дата) 
 

Доцент, к.т.н.                     ________________________Тимофеев К.В.

(подпись,  дата)

    Нормоконтроль

 Доцент, к.т.н.                         ________________________  Тимофеев К.В                         (подпись, дата) 
 

ХЕРСОН 2010

Реферат

Пояснительная записка содержит:

   ___листов,  ___таблиц, графическая часть состоит  из листов формата___ листА1. 
 
 
 

В курсовом проекте  описан принцип работы устройства, представлена функциональная схема, разработанная в среде КОМПАС-3DV10. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    

                                                         
 
 

      Содержание 

    Введение.

    1. Обоснование применения и выбор микропроцессорного комплекта (МПК)

    2.Разработка структуры МПК.

    2.1.Разработка электрической функциональной схемы.

   3. Описание элементной базы.

   4. Разработка электрической принципиальной схемы.

   5.Разработка конструкции МПК.

    5.1.Разработка платы печатной.

    5.2.Описание сборочного чертежа.

   6. Расчетная часть.

  7.Программное обеспечение.

   Заключение.

Перечень  используемых сокращений

Список использованных источников. 
 
 
 
 
 
 
 
 

  Введение

      Микроконтроллеры  уверенно и, по-видимому, навсегда завоевали  место в нашей жизни. Найти  хоть одно электронное изделие, не имеющее  микроконтроллеров, практически не возможно. Поэтому одной из наиболее динамично развивающихся областей современной вычислительной техники является микроконтроллерная техника. Без микроконтроллеров сегодня немыслим ни один бытовой прибор, не говоря уже о более сложных изделиях. Сегодняшний микроконтроллер — это достаточно мощный и быстродействующий «интеллектуальный» элемент, как правило, имеющий достаточно высокую производительность, значительные объемы встроенной памяти программ и оперативной памяти, достаточно мощное вычислительное ядро с системой команд, ориентированной на решение задач управления и контроля. Многие современные микроконтроллеры имеют развитую встроенную цифровую и аналоговую периферию: подсистемы прерываний, таймеры/счетчики, охранные таймеры, супервизоры питания, широкий набор быстродействующих усовершенствованных последовательных интерфейсов, таких как UART, SPI, SMBus (I2C), CAN, JTAG, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, компараторы, мультиплексоры, масштабирующие усилители и другие узлы.

      Современные микроконтроллеры и базирующиеся на них изделия  являются основой так называемых «систем малой автоматизации», широко применяющихся для автоматизации небольших технологических, измерительных, исследовательских и лабораторных систем, а также для автоматизации сложного бытового оборудования и домашнего хозяйства. Используемые в системах малой автоматизации контроллеры должны быть достаточно многофункциональными и универсальными по структуре, а также обеспечивать работу в составе современных специализированных локальных сетей, имеющих упрощенный алгоритм работы и содержащих персональный компьютер в качестве главного управляющего элемента. Фактически современные системы малой автоматизации, построенные на базе специализированных локальных сетей, объединяющих несколько универсальных контроллеров, являются рассредоточенным интеллектуальным интерфейсом персонального компьютера, объединяющим в себе измерительные, контрольные и управляющие функции.

      Схемотехника  универсальных контроллеров, используемых в системах малой автоматизации, имеет ряд специфических особенностей и требует детального рассмотрения и определенной методики проектирования. Состав функциональных узлов таких контроллеров и принципы их построения определяются рядом требований, направленных на обеспечение высокой производительности, универсальности, гибкости, надежности, высокой ремонтопригодности, низкой себестоимости и т. п.

      Специализированные  локальные сети, используемые в системах малой автоматизации, также имеют ряд специфических особенностей, связанных с необходимостью обеспечения упрощенного алгоритма функционирования, высокой надежности и производительности, низкой стоимости, простоты установки, наладки и обслуживания.

  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Обоснование применения и выбор микропроцессорного комплекта (МПК)

         Выбор оптимального МПК для конкретного применения является наименее решаемой из многочисленных проблем развития микропроцессорной  техники. Это определяется постоянным ростом количества МПК, расширением  области их применения, а так же отсутствием четкой методики, позволяющей сделать однозначный выбор МПК.

         Микропроцессор является функционально сложным программно управляемым устройством, выполненным  в виде БИС, и характеризуется  большим количеством параметров. Поэтому задача выбора оптимального с технической и экономической точек зрения МПК БИС для конкретной задачи является многокритериальной.

         При выборе МПК БИС  важным является формирование основных требований, предъявляемых к проектируемой  аппаратуре. Аппаратура со встроенными микропроцессорами, как правило, должна удовлетворять следующим требованиям:

• работа  в режиме реального времени;

• повышенная  надежность, помехозащищенность, простота обслуживания;

• наличие фиксированного набора задач, многократно решаемых на протяжении всего срока службы аппаратуры.

         Выбор МПК БИС  обычно производится с трех основных позиций:

         1) с точки зрения  разработки математического обеспечения  следует анализировать: разрядность,  число и использование регистров  общего назначения, набор команд  и способы адресации, наличие и организацию стека;

         2) с точки зрения  системного проектирования нужно  анализировать следующие характеристики  МПК БИС: тип архитектуры МП (секционные или однокристальные)  и, как следствие этого, тип  организации управления (микропрограммное  или с жесткой логикой), наличие логически совместимых БИС из других комплектов, быстродействие МП, возможность прерывания и прямого доступа к память, наличие системы автоматизированного проектирования МПС;

         3) с точки зрения  разработки аппаратных средств  МПС необходимо учитывать: электрическую совместимость БИС, число источников питания и рассеиваемую мощность, размер, тип корпуса и число выводов, диапазон рабочих температур и др.

         Одной из основных характеристик, отражающих функциональные возможности  МП, может служить его разрядность. Диапазон требуемой разрядности в микропроцессорных системах довольно широк. Так при построении контрольно-измерительных систем и систем сбора данных довольно часто используются 8-разрядные МП, а при построении цифровых фильтров и спектральных анализаторов требуемая разрядность МП возрастает до 32.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. Разработка функциональной  схемы 

         Функциональная схема ТМКС представлена  в                                   . Функциональная схема содержит следующие блоки:

1. Интерфейс RS232C. Интерфейс соединен с выходами МК TxD и RxD. Линия TxD предназначена для передачи данных с переферийной станции в ПК. Линия RxD предназначена для приема данных с ПК.
2. Супервизор питания со схемой защиты от зависаний WDT. Выход супервизора соединен со входом RST микроконтроллера. Один из входов супервизора соединен с интерфейсом RS232C с целью обеспечения возможности сброса ядра по этому интерфейсу. На вход WDT должны периодически подаваться импульсы запуска от микроконтроллера.
3. Разъем для установки микроконтроллера в корпусе DIP40.
4. Входной аналоговый мультиплексор для коммутации входных сигналов аналого-цифрового преобразователя ADC. Управление работой мультиплексора осуществляется подачей кода на его информационные входы с младших линий вывода регистра 10.
5. Шинный формирователь данных магистрали. Вход шинного формирователя соединен с линиями порта Р0 МК.
6. Регистр защелка младшего байта адреса. Вход регистра соединен с линиями порта Р0 МК. Строб выдачи младшего байта адреса определяется высоким уровнем на выходе ALE МК.
7. Дешифратор адреса. На вход дешифратора адреса поступают старшие линии порта Р2.
8. Дешифратор выбора столбца клавиатуры. На вход дешифратора поступают сигналы с линий Р3.2, Р3.3 МК.
9. Операционный усилитель с возможностью выбора полярности сигнала и коэффициента усиления.
10. Регистр управления мультиплексором и цифроаналоговым преобразователем. Вход регистра соединен с шиной данных магистрали.
11. Регистр ввода данных с клавиатуры. На вход регистра поступают сигналы с клавиатуры, выход соединен с шиной данных магистрали.
12. Клавиатура. В схеме используется клавиатура 4х5.
13. Среднескоростной аналого-цифровой преобразователь ADC с разрядностью 12 двоичных разрядов и связью по последовательному каналу SPI. На вход АЦП поступают сигналы с ОУ 9.
14. Быстродействующая оперативная память с параллельным доступом. На вход поступают линии шины адреса, выход соединен с шиной данных магистрали.
15. Цифроаналоговый преобразователь DAC с разрядностью 8 двоичных разрядов и связью по параллельному интерфейсу. Сигналы с выхода ЦАП поступают на разъем ХС3.
16. Таймер реального времени с параллельным доступом и встроенной энергонезависимой оперативной памятью. На вход поступают линии шины адреса, выход соединен с шиной данных магистрали.
17. Регистр управления светодиодным динамическим индикатором. На вход регистра поступают линии шины данных магистрали.
18. Четырехразрядный восьми сегментный светодиодный индикатор. Индикатор включен по схеме динамической индикации. Формирование отображаемого символа выполняется регистром 17, выбор катода осуществляется линиями Р1.0-Р1.3 МК.
19. Регистр ввода внешней информации. Вход регистра соединен с разъемом ХС4, выход соединен с шиной данных магистрали.
20. Регистр вывода информации. Вход регистра соединен с шиной данных, выход соединен с разъемом ХС5.

 
 

3.Выбор элементной базы 

3.1 Описание микроконтроллера  АТ89С51 

Проблема выбора микроконтроллера для схем малой  автоматизации является наиболее важной. МК определяет не только основные технические  показатели системы, но и принципы конструктивного  исполнения.

При выборе микроконтроллера необходимо обеспечить выполнение основных принципов построения ТМКС, таких  как принцип достаточной производительности, модульности, совместимости, принцип  минимальной избыточности и максимальной эффективности.

Исходя из вышеперечисленных требований, из всего множества микроконтроллеров выберем модель AT89С51 фирмы Atmel.

Отличительные особенности:

Совместимость с приборами семейства MCS-51TM ;

Емкость перепрограммируемой Flash памяти: 4 Кбайт, 1000 циклов стирание/запись.

Напряжение питания 5±20% B

Полностью статический  прибор - диапазон рабочих частот от 0 Гц до 24 МГц.

Группы по частотам: 12 МГц, 16 МГц, 20 МГц и 24 МГц

Трехуровневая блокировка памяти программ

СОЗУ емкостью 128 байтов

32 программируемых  линий ввода/вывода

Два 16-разрядных  таймера/счетчика событий 

Шесть источников сигналов прерывания

Программируемый последовательный канал UART

Пассивний (idle) и  стоповый (power down) режимы

Промышленный (-40°С...85°C), коммерческий (0°C...70°C), диапазоны температур.

КМОП микроконтроллер  АТ89С51, оснащенный Flash программируемым и стираемым ПЗУ, совместим по системе команд и по выводам со стандартными приборами семейства MCS-51TM. Микроконтроллер содержит 4 Кбайта Flash ПЗУ, 128 байтов ОЗУ, 32 программируемых линий ввода/вывода, два 16-разрядных таймера/счетчика событий, полнодуплексный последовательный порт (UART), пять векторных двухуровневых прерывания, встроенный генератор и схему формирования тактовой последовательности.

Существуют два  варианта микроконтроллеров АТ89С51: с возможностью внутрисистемного программирования с использованием при программировании напряжения 5 В, и программирование с использованием напряжения 12 В, применяемого в большинстве программаторов. Содержимое Flash памяти программ может быть защищено от несанкционированной записи/считывания. Имеется возможность очистки Flash памяти за одну операцию, возможность считывания встроенного кода идентификации.