Методические указания для практических занятий по дисциплине мдк. 02. 01
 Скачать 7.37 Mb.
|
|
Описание лабораторного макета Принципиальная схема лабораторного макета показана на рисунке, он выполнен на основе микропроцессорного комплекта (УМК) и платы, содержащей шинные формирователи (CD) К589АП16, программируемый таймер (CT) КР580ВИ53, параллельный программируемый адаптер (IO) КР580ВВ55А, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), состоящий из микросхемы (DA) К572ПА1 и операционных усилителей К140УД6. Программируемый таймер может задавать длительность шага дискретизации t. Нулевой счетчик таймера должен работать в третьем режиме как делитель частоты им- пульсов, поступающих на его счетный вход. Адаптер (IO) обеспечивает связь системы с ЦАП. Через порт «В» коды, соответствующие мгновенным значениям напряжения форми- руемого сигнала, поступают на вход ЦАП. Внешняя характеристика ЦАП показана на рис. 1.1.3., из которой видно, что для получения на выходе ЦАП максимального положи- тельного напряжения (+5 В), на его вход необходимо подать цифровой код 00Н. 267 Дешифратор (DC) К555ИД7 выполняет функции селектора микросхем, при этом регистр управляющего слова таймера имеет адрес 93Н, а регистр управляющего слова ППА-83Н. Практическая часть. Разработать программу на языке Ассемблера и в кодах микропроцессора К580. Ввести программу в память УМК и отладить. Измерить временные характеристики полученного сигнала. Составить отчет. Отчет должен содержать схему макета и текст разработанной программы. Контрольные вопросы 1. Устройство и принцип функционирования таймера и программируемого адаптера. 2. Команды программы и их назначение. 3. Байт состояния и сигналы управления системой. Практическая работа №54. Интерфейсы встраиваемых микропроцессорных систем (NTE 8080A). Цель работы: изучение принципов построения микропроцессорных систем отображения информации, принципов построения интерфейса и приобретения навыков программирования на языке Ассемблера микропроцессора КР580ВМ80А (Intel 8080), (NTE 8080A фирмы NEC Micro). Основные теоретические положения Повышение возможностей средств отображения информации (СОИ) связано с появлением новых индикаторных устройств, а также с использованием микропроцессоров в качестве элементов управления. Широкое применение находят матричные индикаторы. Однако они требуют сложных схем для адресации и коммутации большого количества индикаторных ячеек, входящих в индикаторное поле. Из существующих систем адресации наиболее часто используется схема двухкоординатной адресации, так как она хорошо стыкуется с конст- рукцией матричной панели. В такой системе возбуждение ячейки индикации происходит в узлах пересечения горизонтальных и верти- кальных шин матрицы. При этом наиболее часто применяется динамическая индикация. Схема лабораторного макета показана на рис. 1.2.1. 268 Схема подключается к учебному микропроцессорному комплекту (УМК). В состав схемы входит параллельный программируемый адаптер IO, светодиодная матрица (5 х 8), собранная на светодиодных индикаторах АЛ307БМ, узел управления индикаторами на микросхемах К155ЛА13 и К155ЛП7, а также клавиатура из восьми кнопок, подключенных к порту «А» микросхемы ППА. Практическая часть. Составить программу на языке Ассемблера и в кодах микропроцессора К580, реализующую заданный алгоритм. Ввести программу в «память» УМК и отладить. Составить отчет. Отчет должен содержать схему лабораторного макета и текст раз- работанной программы. Контрольные вопросы 1. Назначение, устройство, принцип работы параллельного программируемого адаптера. 2. Команды программы. 3. Байт состояния, циклы, такты, стек. Практическая работа №55. Интерфейсы встраиваемых микропроцессорных систем (шины VME, VXI, PCI). Цель работы: работа предназначена для изучения элементов микропроцессорной техники и основ программирования на языке Ассемблера КР580ВМ80А (Intel 8080, NTE 8080A). Основные теоретические положения В состав микропроцессорной системы входят периферийные устройства (клавиатуры, дисплеи, различные исполнительные механизмы, датчики), которые требуют определенного набора управляющих сигналов, поэтому шины микропроцессора подключаются к пе- риферийным устройствам через интерфейс. Под интерфейсом понимают совокупность программных и аппаратных средств, с помощью которых компоненты микропроцессорной системы объединяются для решения поставленной задачи. Для построения интерфейса используются такие компоненты общего назначения, как буферные регистры, дешифраторы, шинные формирователи, таймеры, параллельные и последовательные адаптеры. Широкое применение находит программируемый периферийный (параллельный) адаптер (ППА) КР580ВВ55А. Он позволяет организовать три восьмиразрядных порта ввода-вывода параллельной информации, функции портов определяются кодом управляющего слова, загружаемого из микропроцессора в регистр управляющего слова ППА. Для организации работы микропроцессорной системы в режиме реального времени находит применение программируемый таймер (ПТ) КР580ВИ53. Таймер позволяет делить частоту 269 тактового генера- тора, вырабатывать одиночные, зависящие от тактовой частоты сиг- налы, вести подсчет числа внешних импульсов, измерять длительность промежутка времени. Таймер имеет три шестнадцатиразрядных счетчика с независимым управлением. Схема лабораторного макета показана на рисунке. Основу схемы составляет программируемый адаптер IO и таймер СТ. Дешифратор ДС (К555ИД7) служит для выбора этих микросхем, при этом регистр управляющего слова (РУС) ППА имеет адрес 83Н, а РУС таймера – адрес 93Н. Шинные формирователи СД (К589АП16) повышают нагрузочную способность линий шины данных микропро- цессора. Лабораторный макет позволяет реализовать различные алго- ритмы взаимодействия микросхем ППА и таймера и разнообразные алгоритмы работы индикатора, подключенного к порту «А» адаптера. Контроль состояний выходов ППА и таймера можно проводить с помощью осциллографа. Практическая часть. Для реализации заданного алгоритма разработать программу на языке Ассемблера и в кодах микропроцессора К580. Выполнить программу. Составить отчет. Отчет должен содержать схему лабораторного макета и текст разработанной программы. Контрольные вопросы 1. Устройство и принцип работы ППА и таймера. 2. Порядок работы алгоритма и команд программы. Практическая работа №56. Интерфейсы встраиваемых микропроцессорных систем (шина USB). Цель работы: работа предназначена для изучения основных принципов построения схем и разработки программного обеспечения для микропроцессорных систем управления технологическим оборудованием. Основные теоретические положения В настоящее время микропроцессорные системы находят широкое применение для управления разнообразными технологическими процессами, особенно они незаменимы в условиях, когда в течение технологического цикла требуется многократное изменение режимов работы оборудования. В качестве исполнительных устройств широкое применение находят вентильные преобразователи. Для поддержания на заданном уровне того или иного технологического параметра (температура, ток, напряжение и т. д.) применяют системы с обрат- ной связью по контролируемому параметру. Так, система с обратной связью по току должна 270 содержать датчик тока (ДТ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), микропроцессорную систему (МС), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и систему фазового управления вентильным преобразователем (СУ). Сигнал с ДТ преобразуется АЦП в цифровую форму и обрабатывается МС. Микропроцессорная система с помощью ЦАП формирует уровень сигнала управления, поступающего на вход СУ и определяющего величину угла управления тиристорами преобразователя. Практическая часть. Лабораторный макет состоит из учебного микропроцессорного комплекта (УМК), интерфейса АЦА и вентильного преобразователя (ВП). Интерфейс АЦА состоит из АЦП и ЦАП. Принципиальная схема ВП показана на рисунке. ВП выполнен по схеме управ- ляемого выпрямителя и состоит из трансформатора ТР, выпрямительного моста VD1 и оптотиристора VD2. Нагрузкой схемы служит переменный резистор R4, напряжение на котором можно контролировать с помощью осциллографа. Резистор R1 выполняет функции датчика тока. Элементы R2, R3, C1 образуют делитель и фильтр для сиг- нала обратной связи, поступающего с R1 на АЦП интерфейса АЦА. Величина тока или напряжения на нагрузке (в зависимости от положения переключателя S2) измеряется с помощью прибора V/A. Для управления оптотиристором служит система управления, состоящая из схемы синхронизации (обмотка трансформатора и мост VD3), гене- ратора пилообразного напряжения (VT1, C2), компаратора (операционный усилитель) и формирователя импульсов управления (VT2). ВП может работать в автономном режиме (регулирование напряжения на нагрузке осуществляется с помощью потенциометра R9) или в авто- матическом режиме. Выбор режима зависит от положения переключателя S3. На следующем рисунке показана схема интерфейса АЦА, состоящая из АЦП (К1113ПВ1А), ЦАП (К572ПА1А и КР574УД1А), элементов формирования сигналов управления и преобразователя напряжения, который служит для получения напряжения 15 В. 271 Обмен информацией между ЦАП, АЦП и микропроцессором осуществляется с помощью микросхем ППА. Для подготовки ЦАП и АЦП к работе необходимо выполнить последовательность команд инициализации микросхем ППА: – MVI A,9AH; – OUT 83H; – MVI A,80H; – OUT 43H. Ввод аналогового сигнала по каналу АЦП (сигнал обратной связи) осуществляется программой ввода: – MVI A,FFH; – OUT 82H; – MVI A,00H; – OUT 82H (сброс АЦП); – M1:IN 82H; – ANI FFH;– JNZ M1 (ожидание готовности); – IN 81H (чтение АЦП). Вывод аналогового сигнала по каналу ЦАП (сигнал управления вентильным преобразователем) осуществляется программой: – MVI A, data; – OUT 41H. Для стабилизации величины тока нагрузки вентильного преобразователя на заданном уровне возможно применение следующего алго ритма управления: 1. Инициализация микросхем ППА. 2. Программа ввода. Считать АЦП и запомнить результат чтения в регистре В. 3. Временная пауза. 4. Программа ввода. Считать АЦП. Сравнить содержимое регистров А и В. Если содержимое регистра А меньше чем В, то необхо- димо в регистр А передать содержимое регистра С и содержимое ре- гистра А уменьшить на 1. В противном случае необходимо в регистр А передать содержимое регистра С и содержимое регистра А увеличить на 1. 5. Содержимое регистра А запомнить в регистре С. 6. Выполнить команду OUT 41H (вывод по каналуЦАП). 7. Передать управление в блок 3 этого алгоритма (временная пауза). Работа алгоритма состоит в следующем: в автономном режиме работы ВП необходимо установить требуемую величину тока нагрузки и «запустить программу». При выполнении программы происходит считывание и запоминание в регистре В величины сигнала обратной связи, соответствующего установленной величине тока нагрузки. Если переключить ВП в режим автоматического управления, то осуществляется стабилизация величины тока нагрузки на заданном уровне (при изменении сопротивления нагрузки), так как микропроцессор постоянно считывает сигнал обратной связи и, если он оказывается больше или меньше заданной величины, то происходит коррекция сигнала управления вентильным преобразователем. Временная пауза (блок 3) задает длительность переходного процесса в цепи обратной связи (подбирается при настройке системы). Практическая часть. На основе приведенного выше алгоритма составить программу для микропроцессорной системы. Порядок выполнения работы 1. Включить УМК. 2. Включить ВП. 3. Ввести программу в память системы. 4. Переключить ВП в автономный режим и установить величину тока нагрузки. 5. «Запустить» программу. 6. Переключить ВП в автоматический режим и, меняя величину нагрузки, контролировать ток. При отсутствии в программе ошибок, ток нагрузки стабилизируется на заданном уровне. С помощью осциллографа контролировать форму напряжения на нагрузке. 272 7. Оформить отчет. Отчет должен содержать схему лабораторного макета и текст программы. Контрольные вопросы 1. Назначение и взаимодействие АЦП, ЦАП, ППА. 2. Назначение блоков алгоритма и их взаимодействие. Практическая работа №57. Интерфейс с переферийными устройствами Цель работы: работа предназначена для изучения основных принципов разработки программного обеспечения и построения микропроцессорных систем на базе однокристального микроконтроллера серии КР1816, а также принципов построения многопроцессорных систем Основные теоретические положения Микропроцессорный комплект серии КР1816 состоит из микросхем КР1816ВЕ35, КР1816ВЕ39, КМ1816ВЕ48, КР1816ВЕ49. Существуют многочисленные зарубежные аналоги этих микросхем, в частности, БИС фирмы Intel: 8035, 8039, 8048, 8049. Эти БИС представляют собой однокристальную 8-разрядную микро-ЭВМ, содержащую центральный процессор, ОЗУ данных, интерфейс ввода-вывода, 8-разрядный таймер, тактовый генератор, программную память, векторную систему прерываний. Перечисленные микросхемы имеют одинаковую структуру и отличаются быстродействием, объемом ОЗУ, наличием или отсутствием памяти программ. Например, БИС КР1816ВЕ48 содержит электрически перепрограммируемое ППЗУ емкостью 1К с ультрафиолетовым стиранием информации. На следующем рисунке показано графическое обозначение микросхем серии. На рисунке приняты следующие обозначения выводов БИС: Т0 – используется как вход при выполнении команд JT0, JNT0 и как выход тактовых сигналов после выполнения команды ENT0 CLK; BQ1, BQ2 – используются для подключения кварцевого резонатора, LC – переключение цепи или внешнего генератора; SR – сигнал инициализации; SS – используется для организации пошагового режима; INT – сигнал прерывания; EMA – сигнал обращения к внешней памяти программ; RD – сигнал чтения из внешней памяти данных; WR – сигнал записи во внешнюю память данных; PME – сигнал чте- ния из внешней памяти программ; ALE – стробирующий сигнал адреса; P0 – восьмиразрядный двунаправленный трехстабильный порт; Р1 – восьмиразрядный квазидвунаправленный порт; Р2 – восьмираз- рядный квазидвунаправленный порт; GND – общий; PR – используется как выход для расширения каналов ввода/вывода и как вход для программирования ППЗУ КР1816ВЕ48; Udd – напряжение питания +5 В (при программировании КР1816ВЕ48 +25В); Т1 – вход для счет- чика после выполнения команды STRT CNT, а также сигнал прове- ряемый командами JT1, JNT1; 273 Ucc – напряжение питания +5 В. Микросхемы серии КР1816 имеют в своем составе все атрибуты микро-ЭВМ: арифметико-логическое устройство, устройство управления, ОЗУ данных и интерфейсные схемы. Структура, система команд и средства ввода-вывода микросхем серии КР1816 лучше всего приспособлены для решения задач управления различными технологическими процессами. Описание лабораторного макета Лабораторный макет выполнен на основе БИС КР1816ВЕ39, которая не имеет в своем составе памяти программ, поэтому ее функции выполняет ОЗУ учебного микропроцессорного комплекта, что позволяет проводить оперативную отладку программ. Схема лабораторного макета показана на следущем рисунке. Связь микро-ЭВМ КР1816 с шиной данных D0 – D7 и шиной адреса А0 – А15 учебного комплекта осуществляется через регистры КР580ИР82 и КР580ИР83. Программа функционирования макета должна располагаться в ОЗУ УМК, начиная с адреса 0800Н, и первой обязательно должна быть команда HLT (код 76Н). HLT – команда микропроцессора КР580. При ее выполнении буферные схемы шины данных и шины адреса микропроцессора КР580 переводятся в состояние высокого со- противления, а в байте состояния появляется сигнал HLTA (подтверждение остановки), который используется в схеме для перевода регистров, осуществляющих связь микро-ЭВМ КР1816 с шиной адреса УМК, в рабочее состояние. При этом открывается доступ КР1816 к ОЗУ УМК объемом 256 байт. В состав схемы макета входит ППА, к порту «А» которого подключено восемь ключей. Сигнал «сброс» микро-ЭВМ и ППА формируется при включении питания или после нажатия кнопки «сброс». При этом порты ППА настраиваются на ввод информации в нулевом режиме. К порту Р1 микро-ЭВМ подключен индикатор. В схеме предусмотрена возможность выполнения программы в автоматическом режиме или по шагам (по командам). Для этого переключателем АВТ./ ШАГ выбирается режим работы, а кнопка ШАГ используется для вы- полнения команд по шагам. Практическая часть. 274 Задания предусматривают реализацию различных алгоритмов управления индикатором. Задания также можно строить на основе приведенной ниже программы, которая в зависимости от дво- ичного кода, набранного с помощью ключей, высвечивает на индика- торе цифры: 0, 1, 2, Текст программы на языке ассемблера и в кодах микро-ЭВМ КР1816 Порядок выполнения практической работы 1. Разработать, ввести и отладить программу функционирования лабораторного макета. 2. Оформить отчет. Отчет должен содержать схему лабораторного макета и текст разработанной программы. Контрольные вопросы 1. Принципы работы микро-ЭВМ КР1816. 2. Принципы взаимодействия узлов макета. 3. Назначение команд программы. Практическая работа №58. Интерфейс с периферийными устройствами (JTAG – интерфейс). Цель работы: работа предназначена для изучения принципов построения микропроцессорных систем управления технологическими процессами на основе микроконтроллеров серии PIC. Основные теоретические положения Производимое фирмой Microchip Technology семейство интегральных микросхем PIC16FXX, представляет собой восьмиразрядные микроконтроллеры с RISC архитектурой. Это семейство микроконтроллеров отличается низким энергопотреблением, высокой скоростью выполнения команд, низкой ценой. Микроконтроллеры имеют встроенное ПЗУ для хранения программ и энергонезависимое ОЗУ данных. Одним из простейших представителей этого семейства явля- ется микроконтроллер PIC16F84. Контроллер выполнен по КМОП технологии, имеет внутреннее 1 К х 14 бит электрически перепрограммируемое ПЗУ (EEPROM), предназначенное для хранения выполняемой программы и 64 байта энергонезависимого ОЗУ данных. Команды, выполняемые контроллером, состоят из одного слова шириной 14 бит и выполняются в течение одного цикла (400 нс. при частоте синхронизации 10 Мгц), команды передачи управления выполняются за два цикла. Длительность цикла составляет четыре периода тактовой частоты. Контроллер сохраняет работоспособность в диапазоне частот от 0 до 10 Мгц. Контроллер обеспечивает прерывания от 4-х источников и имеет для их обслуживания восьмиуровневый аппаратный стек. Содержит 8-битный таймер/счетчик с 8-битным про- граммируемым предварительным делителем. Для подключения периферийных устройств (датчики, клавиатуры, исполнительные механизмы) контроллер имеет 13 линий, программно- настраиваемых на ввод или вывод информации. Высокая нагрузочная способность этих линий (20 мА) упрощает схемную реализацию драйверов ввода/вывода. Разработки устройств на базе этих контроллеров поддерживаются ассемблером, программаторами и программным симулято- ром (PIC Simulator IDE), который позволяет проводить отладку программ и моделировать 275 поведение внешних устройств, подключенных к портам контроллера. На следующем рисунке показана функциональная схема контроллера. На схеме приняты следующие обозначения: выводы OSC1 и OSC2 предназначены для подключения кварцевого резонатора или RC-цепочки, или генератора тактовых импульсов. Выводы RA0 – RA4 образуют разряды порта А (PORTA). TOCK1 может также использоваться как вход таймера/счетчика. Выводы RB0 – RB7 являются разрядами порта В (PORTB). INT – вход внешнего прерывания. RB4, RB5 могут использоваться как входы прерывания по изменению сиг- нала. RB6 – вход прерывания по изменению сигнала или вход тактового сигнала при программировании контроллера. RB7 – вход прерывания по изменению сигнала или сигнал данных при программировании. MCLR – вход сигнала сброса или напряжения при программировании. VDD – положительный вывод питания. GND – общий вывод. Применение однокристальных микро-ЭВМ позволяет значительно упростить процесс разработки сложных систем управления различными технологическими процессами. Такие системы отличаются высокими технико-экономическими и эксплуатационными характеристиками. Основное достоинство этих схем состоит в их гибкости и универсальности, что позволяет, с минимальными затратами труда и времени, перестраивать их для решения различных задач управления. При разработке таких устройств основное внимание уделяется разра- ботке программного обеспечения, реализующего заданный алгоритм управления. |