Проектирование системы сбора данных на базе микроконтроллера МК К1816ВЕ51

На адресной линии стоит дешифратор (DC), который определяет, какое устройство сейчас будет включено.

Аналого-цифровой преобразователь  служит для преобразования аналогового  сигнала в цифровой код, с которым оперирует микроконтроллер.

Сначала происходит опрос 6-ти датчиков, установленных в системе. Натуральное  значение показаний датчика сохраняется  в соответствующей ячейке ОЗУ. Затем происходит опрос 12-ти дискретных датчиков. Система управления, управляемая микропроцессором (SMC), работает по программе, заложенной в ПЗУ (EPROM).

Программа отвечает за последовательное выполнение определенных действий, необходимых  для корректного функционирования системы. После активации системы производится инициализация программируемого параллельного интерфейса (PPI), таймера (CT) путем подачи соответствующих управляющих слов в регистры управляющих слов (RG). Затем программно задается счетчик датчиков. Данные с датчиков последовательно считываются из памяти АЦП.

Ниже приведены основные общие блоки данной программы:

 

1. На первом шаге работы системы происходит сброс системы, очистка ОЗУ;
2. Второй шаг – опрос датчиков;
3. На третьем шаге происходит запись полученных данных в ОЗУ;
4. Четвертый шаг – запуск таймера на 3 часа (при подаче частоты 1 Гц на вход CLK с выхода получаем частоту 62,5 мГц) с одним опросом в 16 секунд;
5. Возврат ко второму шагу, если не прошло 36 часов (1,5 суток или 8100 опросов);
6. Передача накопленной информации на верхний уровень, если прошло 3 часа (и 675 опросов);
7. Сброс системы, если прошло 36 часов (1,5 суток или 8100 опросов).

 

 

2.3 РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

 

2.3.1 ВКЛЮЧЕНИЕ СИСТЕМЫ

 

На конденсаторах С1, С2 и кварцевом  резонаторе ZQ1 собрана времязадающая цепочка, определяющая частоту внутреннего тактового генератора микроконтроллера МК51. Конденсаторы С1 и С2 выбраны равными 30 пФ.

Для начального сброса системы при  включении питания поставлена дифференцирующая цепочка С3 R1, выход которой подключен ко входу RST микроконтроллера. Вход цепочки подключен к источнику питания +5В. При включении питания на выходе дифференцирующей цепи появляется короткая логическая единица. Для уверенного сброса значение емкости С3 выбрано равным 10 мкФ, а резистора – равным 8,2 кОм.

Таким образом, при включении питания  происходит общий сброс микропроцессорной системы (на входах сброса RST микроконтроллера, программируемого параллельного интерфейса появляется короткий положительный импульс). В это же время питание подается на все микросхемы системы.

После поступления на вход RST микроконтроллера короткого положительного импульса, счетчик команд микроконтроллера сбрасывается в 0 и происходит обращение к нулевой ячейке внутреннего ПЗУ.

Далее происходит настройка программируемого параллельного интерфейса путем  записи в регистр управляющих  слов соответствующего управляющего слова.

 

2.3.2 ОСНОВНАЯ ПРОГРАММА.

 

На этом этапе происходит сбор информации с датчиков системы, запись этой информации в ОЗУ.

При включении питания, происходит общий сброс микропроцессорной  системы. Далее производится инициализация программируемого программного интерфейса путем подачи соответствующего управляющего слова в РУС. Затем производится опрос датчиков.

Все аналоговые датчики, применяемые  в системе, имеют стандартный  выходной токовый сигнал 4-20 мА, величину которого необходимо преобразовать в цифровое значение. Преобразование выполняется с помощью микросхемы аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Поскольку применение отдельного АЦП для каждого датчика нецелесообразно, то необходимо также обеспечить поочередную подачу сигнала от каждого датчика на АЦП. Для этого используется аналоговый мультиплексор. Так как АЦП работает с входными сигналами в виде напряжения, то требуется преобразовать токовые сигналы датчиков в соответствующие значения напряжения. Токи датчиков, проходящие через прецизионные резисторы R2-R22, вызывают соответствующие падения напряжений. Данные в цифровой форме с выхода АЦП поступают на порт А программируемого параллельного интерфейса.

Опрос дискретных датчиков реализован через порты В и С ППИ.

Затем происходит запись данных в  ОЗУ – выбор ячейки памяти производится в зависимости от адреса, который  появляется на системной шине адреса. Подключением микросхем памяти, ППИ, АЦП, мультиплексоров занимается дешифратор – в зависимости от адреса, который появляется на шине адреса, осуществляется выбор подключаемых устройств. Выбор происходит путем подачи на вход дешифратора сигналов А12-А15.

Выбор порта или регистра управляющего слова ППИ осуществляется через  линии Р1.6 и Р1.7 порта 1 микроконтроллера.

С помощью таймера организуется опрос датчиков с интервалом 3 часа. Про прошествии 36 часов (1,5 суток  или 8100 опросов) происходит передача информации на верхний уровень с помощью  встроенного в МК последовательного  интерфейса. После этого опрос  датчиков снова повторится до следующей передачи информации на верхний уровень.

 

2.3.3 ОРГАНИЗАЦИЯ РЕАКЦИИ СИСТЕМЫ  НА ЗАВИСАНИЕ

 

Реагирование на зависание системы  основано на таймере, при этом происходит следующее. Перед выполнением операции происходит сброс таймера и его инициализация. В ходе работы микропроцессора таймер ведет отсчет. После удачного выполнения операции микропроцессор сбрасывает счетчик. При зависании (от микропроцессора не поступает сигнал сброса счетчика) таймер по окончании счета выдает сигнал сброса микроконтроллера 1, после чего микропроцессорная система перезапускается. Таймер работает в нулевом режиме.

 

2.4. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МИКРОСХЕМ

 

Спецификация используемых в разработанной системе микросхем показана в приложении 3.

 

Перечень используемых микросхем для проектирования МПС сбора данных:

 

а) Микроконтроллер МК КР1816ВЕ51

Основными техническими характеристиками микросхемы являются:

 

1. Число выводов: 40;
2. Питание: +5В;
3. Тактовая частота: 1-12 МГц;
4. Быстродействие – 1 млн. операций в секунду;
5. Потребляемая мощность: 1,5 Вт;
6. Диапазон рабочих температур: от -10 до +70 ;
7. Число портов ввода-вывода: 4;
8. Разрядность шины данных: 8, шины адреса: 16;
9. Число базовых команд: 111;

        

  МК содержат все узлы, необходимые для автономной работы:

 

• -центральный 8-ми разрядный процессор;
• -память программ объемом 4 Кбайт;
• -память данных объемом 128 байт;
• -четыре 8-ми разрядных программируемых канала ввода-вывода (порты Р0, Р1, Р2, Р3);
• -2 16-битовых многорежимных таймера/счетчика;
• -система прерываний с 5-ю векторами и 2-мя уровнями;
• -последовательный интерфейс;
• -тактовый генератор.

Структурная схема микроконтроллера МК К1816ВЕ51 приведена в приложении 2.

МК-51 работает от внутреннего генератора, который имеет внешние выводы для подключения кварцевого резонатора.

Все порты МК-51 служат для побайтного ввода-вывода данных. Кроме того, порты 0 и 2 служат для вывода адреса. Выводы порта 3 могут быть использованы для  реализации альтернативных функций. Порт 0 является двунаправленным, порты 1,2,3 – квазидвунаправленными: каждая линия порта может быть настроена для вывода или вывода данных.

Программный счетчик может адресовать память программ с адресным пространством 64 Кбайт. Часть этой памяти (в базовой  конфигурации 4 Кбайт) размещено во внутреннем ПЗУ и образует внутреннюю память программ.

Оставшаяся часть может быть реализована внешними средствами и  называется внешней памятью программ. Конфигурирование памяти программ осуществляется управлением по входу  . При доступ к внутренней памяти запрещается, и микроконтроллер обращается только к внешней памяти, адрес которой начинается с 0000h. При адресное пространство внешней памяти программ является продолжением адресного пространства внутренней памяти программ. Обращение к внешней памяти происходит автоматически всякий раз при  превышении текущим адресом максимального адреса внутренней памяти (0FFFh для объема 4 Кбайт). По этой причине внутренняя и внешняя память программ предстпвляют собой единое линейное пространство.

 

б) Микросхема КР580ВВ55А

Микросхема  КР580ВВ55А – программируемое  устройство ввода/вывода параллельной информации, применяется в качестве элемента ввода/вывода общего назначения.

Обмен информацией между магистралью данных осуществляется через 8-разрядный двунаправленный трехстабильный канал данных (D). Для связи с периферийными устройствами используется 24 линии ввода/вывода, сгруппированные в три 8-разрядных канала РА, РВ, РС, направление передачи определяется программным способом.

Режим 0: обеспечивается возможность  синхронной программно управляемой  передачи данных через два независимых 8-разрядных канала РА и РВ и два 4-разрядных канала РС.

Режим 1: обеспечивается возможность  ввода или вывода информации из периферийного  устройства через два независимых 8-разрядных канала РА и РВ по сигналу квитирования.

Режим 2: обеспечивается возможность  обмена информацией с периферийными  устройствами через двунаправленный 8-разрядный канал РА по сигналу  квитирования.

Назначение портов ППИ:

 

• На вход порта РА поступает 8-разрядный преобразованный сигнал с АЦП;
• На порт РВ поступают сигналы с дискретных датчиков;
• Через линии РС.0-РС.1 порта РС подаются сигналы с дискретных датчиков, через линии РС.5-РС.7 – сигналы управления исполнительными механизмами, по линии РС.7 выдается сигнал для организации звуковой сигнализации.

Программируемый параллельный интерфейс  работает в нулевом режиме. Порт А – ввод, порт В – вывод, порт С – вывод.

 

в) Микросхема КР580ИР82

  8-разрядные буферные регистры КР580ИР82 используются для организации запоминающих буферов/, адресных защелок, портов ввода/вывода, мультиплексоров и т.п. Буферные регистры состоят из 8-ми информационных триггеров (Т) с общими сигналами записи информации STB и управления выходными схемами ОЕ.

Малый входной ток и достаточно большой выходной позволяют использовать эти элементы в качестве развязывающих  буферов-защелок либо шинных формирователей.

 

г) Микросхема К572ПВ3

В качестве АЦП выбрана микросхема К572ПВ3. Этот аналого-цифровой преобразователь предназначен для преобразования аналоговых сигналов с датчика в 8-разрядный цифровой код. Микросхема представляет собой сопрягаемый с МП АЦП последовательных приближений, выполненный по технологии КМОП. Она  построена таким образом, что АЦП обеспечивает основные условия сопряжения с МП, а именно: длина цифрового слова (число разрядов) на выходе преобразователя соответствует длине слова базовых типов отечественных БИС МП; управление его работой осуществляется непосредственно по сигналам от МП с минимальными аппаратными и программными затратами; временные характеристики АЦП хорошо совпадают с временными характеристиками большинства типов БИС МП; цифровые выходы преобразователя допускают подключение к входным портам и шине данных МП.

Логические схемы управления и синхронизации регламентируют весь процесс преобразования и согласования АЦП с внешними устройствами. С их помощью при появлении внешних сигналов и формируются сигналы внутреннего управления: сброс, начала преобразования, управление буферным регистром и выходным сигналом .

 

д) Микросхема К590КН1

Для того, чтобы организовать последовательный опрос 6-ти датчиков в данной системе  использована микросхема аналогового  мультиплексора К590КН1 (мультиплексирует 8 линий в одну), который управляется программно посредством передачи управляющих сигналов по линиям РС5-РС7 порта С параллельного ввода/вывода на 3 адресных входа каждой микросхемы. Мультиплексор выбранный непрерывный сигнал перенаправляет на выход, после чего он поступает на оцифровку в АЦП.

Все сигналы, поступающие от датчиков, являются токовыми и имеют диапазон 4..20 мА. Сопротивления необходимы для  преобразования токового сигнала в  напряжение (т.к. АЦП осуществляет преобразование напряжения в цифровой код), которое поступает на вход микросхемы АЦП.

 

е) Микросхема К573РФ71

В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) находятся программы микропроцессора и неизменяемые данные.

Согласно техническому заданию, требуемый  объем ПЗУ составляет 20 Кбайт. Т.к. внутренняя память микроконтроллера 4 Кбайт, нужно выбрать микросхему ПЗУ на 16 Кбайт.

В качестве микросхем ПЗУ выбираем 1 микросхему серии К573РФ71 (DD9) емкостью 16 Кбайт. Так как из ПЗУ можно только считывать информацию, то с магистрали управления подается только сигнал чтения памяти. При  значении сигналов на входах CS=0 и RD=0 данные считываются из микросхемы ПЗУ и поступают на системную магистраль данных.

 

ж) Микросхема FM25L512

Внешнее ОЗУ выбрано в соответствии с расчетом памяти для хранения информации с 18-ти датчиков, 6 аналоговых датчиков выдают информацию по 8 бит каждый, и 12 дискретных датчиков выдают на ШД по 1 бит каждый, поэтому:

S(d)=1*12=12(бит)

S(a)=8*6=48(бит)

Опрос датчиков производится раз в 16 секунд в течение 36 часов, следовательно расчет ОЗУ производится по формуле:

 

Исходя из этого, выбираем 1 микросхему FM25L512. Это сегнетоэлектрическая память (FRAM) емкостью 512 кбит. FRAM-память с произвольным доступом является энергонезависимой и выполняет инструкции чтения и записи подобно RAM-памяти, обеспечивая срок сохранности данных более 10 лет.

Отличительные особенности:

1. Энергонезависимая ферроэлектрическая RAM-память;
2. Организация памяти 65536*8бит (512 кбит);
3. Теоретически неограниченное число циклов чтения/записи;
4. Срок сохранности данных 10 лет;
5. Технология записи без задержек (NoDelay);
6. Аппаратная защита от записи;
7. Программная защита от записи.