Курсовая работа: Проектирование программно-управляемого генератора пачек прямоугольных импульсов на микроконтроллере
Рис. 1.6.1 – Реле времени на таймере ВИ1
2. Обоснование выбранного варианта технического решения
В данном курсовом проекте использовался микроконтроллер фирмы ATMEL, AT90S2313 так как это экономичный 8 битовый КМОП микроконтроллер, построенный с использованием расширенной RISC архитектуры AVR. Исполняя по одной команде за период тактовой частоты, AT90S2313 имеет производительность около 1MIPS на МГц, что позволяет разработчикам создавать системы оптимальные по скорости и потребляемой мощности.
В основе ядра AVR лежит расширенная RISC архитектура, объединяющая развитый набор команд и 32 регистра общего назначения. Все 32 регистра непосредственно подключены к арифметико-логическому устройству (АЛУ), что дает доступ к любым двум регистрам за один машинный цикл.
Подобная архитектура обеспечивает десятикратный выигрыш в эффективности кода по сравнению с традиционными CISC микроконтроллерами.
AT90S2313 предлагает следующие возможности: 2кБ загружаемой флэш-памяти; 128 байт EEPROM; 15 линий ввода/вывода общего назначения; 32 рабочих регистра; настраиваемые таймеры/счетчики с режимом совпадения; внешние и внутренние прерывания; программируемый универсальный последовательный порт; программируемый сторожевой таймер со встроенным генератором; SPI последовательный порт для загрузки программ; два выбираемых программно режима низкого энергопотребления. Холостой режим (IdleMode) отключает ЦПУ, оставляя в рабочем состоянии регистры, таймеры/счетчики, SPI порт и систему прерываний. Экономичный режим (PowerDown Mode) сохраняет содержимое регистров, но отключает генератор, запрещая функционирование всех встроенных устройств до внешнего прерывания или аппаратного сброса.
Микросхемы производятся с использованием технологии энергонезависимой памяти высокой плотности фирмы Atmel. Загружаемая флэш память на кристалле может быть перепрограммирована прямо в системе через последовательный интерфейс SPI или доступным программатором энергонезависимой памяти. Объединяя на одном кристалле усовершенствованный 8-битовый RISC процессор с загружаемой флэш-памятью, AT90S2313 является мощным микроконтроллером, который позволяет создавать достаточно гибкие и эффективные по стоимости устройства.
AT90S2313 поддерживается полной системой разработки включающей в себя макроассемблер, программный отладчик/симулятор, внутрисхемный эмулятор и отладочный комплект.
ОПИСАНИЕ ВЫВОДОВ
VCC - вывод источника питания
GND - земля
Port B (PB7..PB0) - Порт B является 8-битовым двунаправленным портом ввода/вывода. Для выводов порта предусмотрены внутренние подтягивающие резисторы (выбираются для каждого бита). Выводы PB0 и PB1 также являются положительным (AIN0) и отрицательным (AIN1) входами встроенного аналогового компаратора. Выходные буферы порта B могут поглощать ток до 20мА и непосредственно управлять светодиодными индикаторами. Если выводы PB0..PB7 используются как входы и извне устанавливаются в низкое состояние, они являются источниками тока, если включены внутренние подтягивающие резисторы.
Рис. 2.1 – Цоколёвка и название выводов микроконтроллера
Port D (PD6..PD0) - порт D является 7-битовым двунаправленным портом с внутренними подтягивающими резисторами. Выходные буферы порта D могут поглощать ток до 20мА. Как входы установленные в низкое состояние, выводы порта D являются источниками тока, если задействованы подтягивающие резисторы. Кроме того порт D обслуживает некоторые специальные функции, которые будут описаны ниже.
RESET - Вход сброса. Удержание на входе низкого уровня в течение двух машинных циклов (если работает тактовый генератор), сбрасывает устройство.
XTAL1 - Вход инвертирующего усилителя генератора и вход внешнего тактового сигнала.
XTAL2 - Выход инвертирующего усилителя генератора.
КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР
XTAL1 и XTAL2 являются входом и выходом инвертирующего усилителя, на котором можно собрать генератор тактовых импульсов. Можно использовать как кварцевые, так и керамические резонаторы. При подключении внешнего тактового сигнала вывод XTAL2 остается неподключенным, а XTAL1 подключается в выходу внешнего генератора.
Рис.2.2 – Подключение кристалла
Рис.2.3 – Подключение внешнего генератора
Обзор архитектуры AT90S2313
Регистровый файл быстрого доступа содержит 32 8-разрядных регистра общего назначения, доступ к которым осуществляется за один машинный цикл. Поэтому за один машинный цикл исполняется одна операция АЛУ. Два операнда выбираются из регистрового файла, выполняется операция, результат ее записывается в регистровый файл - все за один машинный цикл.
Шесть из 32 регистров можно использовать как три 16-разрядных указателя в адресном пространстве данных, что дает возможность использовать высокоэффективную адресную арифметику (16-разрядные регистры X, Y и Z). Один из трех адресных указателей (регистр Z) можно использовать для адресации таблиц в памяти программ. Это X-, Y- и Z-регистры.
Рисунок 2.4 – Регистры X-, Y- и Z-
АЛУ поддерживает арифметические и логические операции c регистрами, с константами и регистрами. Операции над отдельными регистрами также выполняются в АЛУ.
Кроме регистровых операций, для работы с регистровым файлом могут использоваться доступные режимы адресации, поскольку регистровый файл занимает адреса $00-$1F в области данных, обращаться к ним можно как к ячейкам памяти.
Пространство ввода состоит из 64 адресов для периферийных функций процессора, таких как управляющие регистры, таймеры/счетчики и другие.
Доступ к пространству ввода/вывода может осуществляться непосредственно, как к ячейкам памяти расположенным после регистрового файла ($20 $5F).
Процессоры AVR построены по гарвардской архитектуре с раздельными областями памяти программ и данных. Доступ к памяти программ осуществляется при помощи одноуровневого буфера. Во время выполнения команды, следующая выбирается из памяти программ. Подобная концепция дает возможность выполнять по одной команде за каждый машинный цикл. Память программ - это внутрисистемная загружаемая флэш-память.
При помощи команд относительных переходов и вызова подпрограмм осуществляется доступ ко всему адресному пространству. Большая часть команд AVR имеет размер 16-разрядов, одно слово. Каждый адрес в памяти программ содержит одну 16- или 32-разрядную команду.
При обработке прерываний и вызове подпрограмм адрес возврата запоминается в стеке. Стек размещается в памяти данных общего назначения, соответственно размер стека ограничен только размером доступной памяти данных и ее использованием в программе. Все программы пользователя должны инициализировать указатель стека (SP) в программе выполняемой после сброса (до того как вызываются подпрограммы и разрешаются прерывания). 8-разрядный указатель стека доступен для чтения/записи в области ввода/вывода.
Доступ к 128 байтам статического ОЗУ, регистровому файлу и регистрам ввода/вывода осуществляется при помощи пяти доступных режимов адресации поддерживаемых архитектурой AVR.
Все пространство памяти AVR является линейным и непрерывным.
Гибкий модуль прерываний имеет собственный управляющий регистр в пространстве ввода/вывода, и флаг глобального разрешения прерываний в регистре состояния. Каждому прерыванию назначен свой вектор в начальной области памяти программ. Различные прерывания имеют приоритет в соответствии с расположением их векторов. По младшим адресам расположены векторы с большим приоритетом.
Кроме этого AT90S2313 имеет очень удобную в использовании систему команд, которая приведена ниже.
Система команд AT90S2313:
3. Разработка принципиальной схемы устройства
Принципиальная схема генератора пачек импульсов и перечень элементов показана в приложениях 2 и 3. Она состоит из микроконтроллера АТ90S2313, схем сброса и синхронизации, блока питания, цифро-аналогового преобразователя, усилителя выходного сигнала и нагрузки.
Выбор блока питания:
Рассчитаем приблизительную потребляемую мощность:
Микроконтроллер потребляет – 3мА*5В = 15мВт; ЦАП – приблизительно 450мВт.
Согласно техническому заданию, на нагрузке в 100 Ом необходимо получить напряжение в 3,5 В. Значит, мощность рассчитаем по формуле:
=0,1225 Вт. Общее потребление мощности – около 0,715 Вт.
Выберем трансформатор на мощность в пределах 2 Вт. Стабилизатор построим на микросхемах КР142ЕН8А, которые рассчитаны на выходное напряжение 2,1 – 26,5 В и ток до 1,5 А.
Усилитель соберём на микросхеме TDA1013. У неё максимальный ток 1,5 А, выходная мощность 4,2 Вт. Запитаем микросхему напряжением в 10 В.
В качестве ЦАП выберем микросхему AD7224. Выбираем режим, при котором любые изменения в выходных регистрах МК сразу же отображаются на выходном сигнале. Для этого подключаем выводы CS, WR, LDAC к корпусу, чем разрешаем прямое управление ЦАП. Напряжение питания зададим в 10 В.
4. Разработка алгоритма и программы функционирования устройства
При включении устройства происходит конфигурация контроллера, потом опрашивается клавиатура и контроллер перейдет на один из режимов. Если ни одна клавиша нажата не была, включается 1 режим. Подпрограмма Режим 1 формирует 1 период сигнала с требуемыми параметрами (пачка импульсов и время между пачками), здесь же после каждого периода вызывается подпрограмма опроса клавиатуры. То есть контроллер зациклен на функциях формирования пачки импульсов, паузы между пачками и опросом клавиатуры.
