Метод указания на КР (заочники). Учебнометодическое пособие для студентов заочного обучения по специальности 18. 04. 04 Эксплуатация электрооборудования и средств автоматики

• Название: Учебнометодическое пособие для студентов заочного обучения по специальности 18. 04. 04 Эксплуатация электрооборудования и средств автоматики
• Дата: 21.02.2022
• Размер: 492.6 Kb.
• Имя файла: Метод указания на КР (заочники).docx
• Тип: Учебно-методическое пособие; #369487
• страница: 1 из 4

Федеральное агентство морского и речного транспорта

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

“Волжская государственная академия водного транспорта”


Кафедра радиоэлектроники

Л.С. Грошева, В.И. Плющаев

Аппаратная база и программирование

микропроцессорных систем управления

Учебно-методическое пособие

для студентов заочного обучения по специальности 18.04.04

«Эксплуатация электрооборудования и средств автоматики»

Издательство ФГОУ ВПО «ВГАВТ»

Н. Новгород, 2009

УДК 681.325.5: 621.382

Г 89

Грошева Л.С., Плющаев В.И. Аппаратная база и программирование микропроцессорных систем управления. Учебно-методическое пособие для студентов заочного обучения по специальности 18.04.04 «Эксплуатация электрооборудования и средств автоматики»/ Л.С. Грошева, В.И. Плющаев. – Н. Новгород: Издательство ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2009. – 49с.

Учебно-методическое пособие предназначено для обучения студентов академии заочного обучения специальности 18.04.04 «Эксплуатация электрооборудования и средств автоматики» по дисциплине «Микропроцессорные системы управления».
Рекомендовано к изданию кафедрой радиоэлектроники. Протокол № 3 от 14.10.2008г.

© ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2009

1. Архитектура систем управления и контроля

Характерной особенностью современного судостроения является создание судов с высокой степенью комплексной автоматизации, которая позволяет существенно повысить технико-экономическую эффективность эксплуатации. В настоящее время автоматизация охватывает практически все установки, агрегаты, механизмы и системы судна.

Увеличение объема автоматизации, ужесточение требований к качеству функционирования управляющих устройств, усложнение алгоритмов управления, решение задач диагностирования и прогнозирования, стремление к унификации и стандартизации оборудования предопределили широкое использование на судах различного рода микропроцессорной (МП) техники.

Архитектура системы управления есть способ организации сбора и обработки информации, а также формирования и передачи управляющих воздействий.

Различают три основных вида архитектуры систем управления:

• 
  централизованные - вся информация о технологических объектах концентрируется в едином управляющем центре и управление любым узлом осуществляется из него;
  
• 
  распределенные – для контроля и управления отдельными объектами и узлами устанавливается специальное устройство управления;
  
• 
  иерархические распределенные - контроль и управление отдельными объектами и узлами осуществляется специальными устройствами управления, объединенными в единую сеть с помощью центрального узла управления и контроля.
  

В мировом судостроении наиболее востребованными являются иерархические распределенные (топологически и функционально) мультипроцессорные системы управления.

К преимуществам таких систем можно отнести:

• 
  высокую надежность – при выходе из строя одного из узлов управления, все остальные продолжают функционировать в обычном режиме;
  
• 
  возможность гибкого наращивания системы – без необходимости отключения управления всеми остальными объектами;
  
• 
  относительную простоту разработки, внедрения и эксплуатации;
  
• 
  унификацию аппаратной базы;
  
• 
  обеспечение дистанционного контроля и управления объектами и т.п.
  

Основополагающий принцип при построении иерархических систем – на верхнем уровне принимаются общезначимые для системы решения, на нижних уровнях управляющие воздействия местного значения генерируются автономно. Возможность независимого управления местными подсистемами (нижние уровни) в случае выхода из строя верхнего уровня позволяет избежать аварийных ситуаций.

2. Аппаратная база для систем

автоматического управления
Современной базой для создания систем управления и контроля является микропроцессорная техника. Эта техника является универсальным средством, придающим системам контроля и управления, наряду с широкими вычислительными возможностями, повышенные модернизационные качества и гибкость, резко расширяющим их функциональные возможности и повышающим надежность. МП техника позволяет максимально унифицировать модули систем контроля и управления как по применяемым комплектующим, так и по принятым схемным и функциональным решениям. Учет индивидуальных особенностей судна и его оборудования часто может быть обеспечен не изменением аппаратной части (как при использовании традиционной элементной базы), а путем модификации программного обеспечения.


2.1 Микроконтроллеры семейства MCS-51
В настоящее время в МП технике выделился самостоятельный класс больших интегральных схем (БИС) для решения задач «интеллектуализации» оборудования различного назначения – микроконтроллеры. Микроконтроллер представляет собой БИС, включающую в свой состав все устройства, необходимые для реализации цифровой системы управления минимальной конфигурации: процессор, память данных, память программ, встроенный генератор тактовых сигналов, порты ввода-вывода для связи с внешними периферийными устройствами, блок прерываний, таймеры-счетчики, последовательный канал связи. Специфическая организация ввода-вывода информации предопределяет область их применения в качестве специализированных вычислителей, включаемых в контур управления объектами или процессами. Аппаратно-программные средства и система команд также приспособлены к решению задач управления и регулирования. Использование микроконтроллеров позволяет достичь исключительно высоких показателей эффективности при низкой стоимости. В настоящее время при создании нижних уровней управляющих систем микроконтроллеры являются наиболее предпочтительными. Сейчас около двух третей мирового рынка МП средств занимают микроконтроллеры.

Широкий сектор рынка микропроцессоров составляют микроконтроллеры семейства МCS-51, производимые такими известными фирмами как INTEL, ATMEL, PHILIPS и др.

Некоторые технические характеристики семейства MCS-51 (включает в свой состав многие десятки модификаций):

• 
  объем внутренней оперативной памяти 64-1024 байт;
  
• 
  объем внутренней памяти программ (однократно программируемая, с УФ стиранием, флэш-память) – 1-32 Кбайт;
  
• 
  рабочая частота – 0 – 40 МГц;
  
• 
  напряжение питания – 1,8 – 6 В;
  
• 
  температурный диапазон – от –55 до +125 ⁰С.
  

В данной работе будет использована БИС семейства МCS-51 89С51 (рис. 1).

Микросхема имеет следующие характеристики:

• 
  встроенная память программ емкостью 4096 байт с электрическим стиранием (с возможностью расширения до 64 Кбайт за счет подключения внешней памяти программ );
  
• 
  встроенная память данных емкостью 128 байт (с возможностью расширения до 64 Кбайт за счет подключения внешней памяти данных );
  
• 
  32 линии ввода/вывода, организованных в четыре 8-разрядных порта;
  
• 
  последовательный порт;
  
• 
  два шестнадцатиразрядных таймера/счетчика;
  
• 
  двухуровневая система внешних прерываний;
  
• 
  возможность побайтовой и побитовой адресации;
  
• 
  частота тактового генератора 1,2-12 МГц.
  

Вход ЕА (в некоторых модификациях DEMA – линия 31). Этот вход определяет вид памяти (внутренняя или внешняя), с которой будет работать микросхема. При подаче на вход логической 1 выполняется программа из внутренней памяти, при подаче логического 0 – из внешней памяти по адресам от 0 до 64 Кбайт.

Входы Х1 и Х2 (линии 19 и 18). Служат для подключения ко входу внутреннего генератора кварцевого резонатора, определяющего тактовую частоту.

Вход RST (линия 9). При подаче логической 1 происходит сброс микросхемы. RC цепь на входе (рис. 1) обеспечивает формирование сигнала сброса при включении питания.

Сигнал PSEN (в некоторых модификациях PME – линия 29). Управляющий сигнал, по которому данные из внешней памяти программ считываются через порт Р0.

Сигнал ALE (линия 30). Управляющий сигнал, по которому младший байт адреса внешней памяти, выставленный через порт Р0, фиксируется в буферном регистре.

Рис.1 Микроконтроллер 89С51

Базовая архитектура микроконтроллеров семейства MCS-51

Внутренняя структура микроконтроллера MCS-51 приведена на рис.2.

Блок управления предназначен для синхронизации работы всех блоков микроконтроллера, а также для приема, дешифрации кода команды и формирования управляющих воздействий для её выполнения.

Блок счетчика команд предназначен для хранения адреса очередного байта программы, а также формирования адреса для считывания кода из памяти программ с автоматическим увеличением адреса.

АЛУ (арифметико-логическое устройство) предназначено для выполнения арифметических, логических команд, команд сдвига и обнуления.

Порты Р0-Р3 предназначены для организации обмена данными между микроконтроллером и внешними устройствами. Кроме того, порты имеют специальные функции для обслуживания внутренних периферийных устройств, организации программирования внутренней памяти программ и реализации доступа к внешней памяти.

Память программ предназначена для хранения программного кода, в рабочем режиме доступна только для чтения, запись реализуется только в режиме программирования. Может быть реализована в виде ПЗУ или РПЗУ.

Память данных предназначена для хранения текущих данных, доступна для чтения и записи информации. Не сохраняет информацию при отключении питания.

Блок таймеров/счетчиков включает в свой состав два таймера/счетчика, регистр режимов TMOD и регистр управления TCON. Таймеры/счетчики предназначены для организации временных задержек, выполнения времязадающих функций и подсчета внешних событий.

Блок прерываний осуществляет обработку запросов прерываний в соответствии с настройками регистра разрешений IE и регистра управления приоритетностью прерываний IP.

Блок последовательного канала предназначен для организации приема и передачи информации в последовательном виде в соответствии с настройками регистра SCON.
Блок управления

Для формирования синхроимпульсов генератор тактовых импульсов, входящий в состав блока управления, использует сигналы с внешнего кварцевого генератора, подключенного к входам Х1 и Х2.

Рис.2.Внутренняя структура микроконтроллера MCS-51

В начале каждого цикла обращения к памяти программ блок управления формирует управляющие сигналы блоку счетчика команд для формирования адреса на шину адреса.

Затем считанный из памяти программ код команды по шине данных поступает в блок управления и записывается в регистр команд. После этого дешифратор преобразует восьмиразрядный код команды в 24-разрядный код для программируемой логической матрицы (ПЛМ), которая формирует управляющие сигналы для выполнения команды.

Блок счетчика команд

Структура блока счетчика команд приведена на рис.3

Регистр счетчика команд (СК) хранит адрес очередного байта программного кода.

При получении сигнала от блока управления содержимое регистра счетчика команд по внутренней 16-разрядной шине блока отправляется в регистр адреса, где хранится в течение цикла обращения к памяти и откуда выставляется на шину адреса микроконтроллера. Одновременно с этим содержимое регистра СК поступает в блок инкремента, увеличивается на 1, затем записывается обратно в регистр СК. Таким образом обеспечивается последовательное считывание программного кода из памяти программ.

Рис.3. Структура блока счетчика команд

Буфер СК предназначен для согласования внутренней 16-разрядной шины блока и 8-разрядной шины данных микроконтроллера, используется при операциях чтения и записи содержимого регистра счетчика команд.

Регистр-указатель данных DPTR используется для формирования адреса внешней памяти данных.
Арифметико-логическое устройство

Структура арифметико-логического устройства приведена на рис.4.

Выполнение всех арифметических и логических операций осуществляется в сумматоре, в который подаются операнды из регистра аккумулятора и регистра временного хранения. Один из операндов операции поступает из аккумулятора, а второй из регистра или ячейки памяти по шине данных.

Результат арифметической или логической операции записывается в аккумулятор, в случае команд умножения также в регистр В (старшая часть), при делении в регистр В записывается остаток.

По результатам выполненной операции формируются признаки результата и записываются в слово состояния программы PSW. К признакам относятся такие флаги как Z – признак равенства нулю, С – разряд переноса и др. Кроме того, разряды RS0 и RS1 (PSW.3 и PSW.4) обеспечивают переключение банка регистров общего назначения.

Рис.4. Структура арифметико-логического устройства

Порты микроконтроллера

Порты Р0-Р3 могут работать как независимые порты ввода/вывода. Непосредственно к линиям портов могут подключаться периферийные устройства (регистры, некоторые элементы индикации и т.п.). Каждая линия может быть использована как для ввода, так и для вывода информации под управлением программного обеспечения. При подключении следует учитывать нагрузочную способность линий, т.е. величину тока, который может обеспечить микросхема в нагрузке. Для рассматриваемой микросхемы выходной ток линий составляет единицы миллиампер. Поэтому подключение более мощных потребителей необходимо производить через буферные схемы (например, микросхемы 1102АП5,6 обеспечивают выходной ток до 300 мА, регистр 580ВА86 – до 32 мА и т.д.).

При размещении управляющей программы во внутренней памяти программ и использовании портов для подключения периферийных устройств можно создавать очень компактные устройства управления и сбора информации с широкими функциональными возможностями.

Кроме того, все порты имеют целый ряд дополнительных функций.

Порт Р0 (Р0.0-Р0.7):

• 
  при работе с внешней памятью программ или данных в начале цикла обращения через Р0 выводятся младшие разряды адреса, затем по этим линиям передается байт данных;
  
• 
  при программировании микросхемы (записи программы во внутреннюю память программ) и проверке через линии порта Р0 производится чтение/запись данных.
  

Порт Р1 (Р1.0-Р1.7):

• 
  используется для передачи младших разрядов адреса при программировании и проверке микросхемы.
  

Порт Р2 (Р2.0-Р2.7):

• 
  используется для передачи старших разрядов адреса при работе с внешней памятью программ и внешней памятью данных;
  
• 
  при программировании микросхемы (записи программы во внутреннюю память программ) и проверке через линии порта Р2 производится передача старших разрядов адреса и управляющих сигналов.
  

Порт Р3 (Р3.0-Р3.7). Линии порта Р3 могут быть использованы для передачи сигналов управления:

• 
  RxD (линия Р3.0) - передача информации в последовательном коде;
  
• 
  TxD (линия Р3.1) - прием информации в последовательном коде;
  
• 
  INT0 (линия Р3.2) - вход внешнего сигнала прерывания 0;
  
• 
  INT1 (линия Р3.3) - вход внешнего сигнала прерывания 1;
  
• 
  Т0 (линия Р3.4) – вход таймера/счетчика 0 ;
  
• 
  Т1 (линия Р3.5) вход таймера/счетчика 1;
  
• 
  WR (линия Р3.6) – сигнал ЗАПИСЬ. Формируется при передаче байта информации через порт Р0 во внешнюю память данных;
  
• 
  RD (линия Р3.7) – сигнал ЧТЕНИЕ. Формируется при считывании байта через порт Р0 из внешней памяти данных.
  

Структура разряда порта представлена на рис.5. Здесь видно, что выходные каскады порта (образованы транзисторами Т1 и Т2) через мультиплексор МХ могут подключаться либо к выходу защелок, либо к внутренним шинам Адрес/данные.

Рис.5. Структура разряда порта P0

При обращении к внешней памяти по линии Управление поступает 1, ключ мультиплексора замыкается вверх, вывод Р0.Х определяется состоянием линии Адрес/данные (при 1 открывается транзистор Т1, при 0 – транзистор Т2).

В режиме ввода/вывода общего назначения по линии Управление поступает 0, ключ мультиплексора МХ замкнут вниз, управление Т1 недоступно.

В режиме ввода через буфер В1 или В2 можно прочитать состояние защелки или внешнего вывода. Устройство чтения определяется типом используемой команды.

В режиме вывода при выдаче в защелку состояния 0, открывается транзистор Т2 и на выводе Р0.Х состояние 0.

Для формирования на выводе состояния 1, необходимо использовать внешний подтягивающий резистор R1, тогда при закрытии транзистора Т2 вывод Р0.Х примет состояние 1.