Этапы проектирования микропроцессорных систем. Микропроцессоры. Типы данных и их объявление

Основная задача при создании МПС заключается в разработке аппаратных средств (физической структуры) системы и программировании их функциональных свойств, т.е. в настройке структуры МПС на задачу.

Проектирование МПС коренным образом отличается от традиционных методов логического проектирования систем на "жесткой логике". При проектировании систем на "жесткой логике" имеется разнообразный набор логических элементов с фиксированным набором логических функций и задача заключается в установлении физических связей между ними . При проектировании МПС имеется небольшой набор элементов, функции которых многообразны и определяются системой команд . Задача проектирования сводится к подбору типовой структуры МПС и программировании ее свойств .

Следует отметить, что количество структур, вообще говоря, ограничено теми рамками, которые были рассмотрены в предыдущем разделе. Так как время разработки и освоения систем в производстве становится соизмеримым с ее жизненным циклом (временем ее целесообразного существования до появления конкурентоспособного аналога), то необходимо:

· стремиться использовать уже известные типовые решения при поддержке пакетов САПР, ориентированных на разработку МПС (хотя творчески работающему специалисту хочется создать нечто оригинальное);

· разрабатывать систему с учетом "экстраполяции их развития" (расширение функций, наращиваемая мощность, модульность, адаптивность).

Микропроцессорные системы удовлетворяют этим требованиям, обладая гибкостью, малой стоимостью, небольшим временем разработки, высокой надежностью по сравнению с системами на "жесткой логике", так как имеют значительно меньшее число межсоединений. Однако МПС проигрывает системам на "жесткой логике" в случаях, когда требуются большие скорости обработки информации или разрабатывается система невысокой сложности.

На рис.64 приведен рекомендуемый порядок разработки и отлад­ки, включающий основные этапы проектирования МПС. Разработка программного обеспечения (ПО), аппаратных (АС) и отладочных (ОС) средств осуществляется одновременно. Тесная координация работ на этой стадии определяется прямой зависимостью ПО от АС. В процессе создания МПС выявляются ошибки, для устранения которых приходится возвращаться на предыдущие этапы, т.е. процесс проектирования "насквозь" итерационен, что не отражено на рис.64.

Рассмотрим более подробно каждый из этапов.

Формулировка проблемы.

На рис.65 дана последовательность работ, раскрывающая суть этапа "Формулировка проблемы".

Сфера возможного применения МП очень обширна. Возникает желание взяться за решение эффектной задачи. Однако, если на предприятии к МП относятся скептически, то неудача дискредитирует саму идею применения МП. Поэтому очень важен правильный выбор перво­очередного применения МП, решаемый на первом шаге этого этапа.

Рис.65

Основными критериями достижения цели на этом шаге можно считать:

1. Быстроту разработки и организации серийного производства.

2. Эффективность применения (особенно его наглядность).

3. Минимальность затрат (быструю окупаемость). Некоторую по­мощь здесь может оказать табл.1.

Таблица 1

При выработке базовой концепции решается вопрос о том, какой быть системе: системой автоматического управления (САУ) или авто­матизированной системой управления (АСУ). САУ предназначена для управления ТОУ без вмешательства человека и поэтому проще в смыс­ле отсутствия ВУ связи с человеком и языковых интерфейсов, но должна предусмотреть все возможные ситуации, возникающие в МПС.

Для этого необходимо иметь полную математическую модель ТОУ (процесса) . В АСУ же решение нештатных ситуаций возлагается на человека и имеется возможность вмешательства в процесс. Решение о создании САУ может быть принято и без наличия точной модели ТОУ. Однако разработчик должен сознавать, что в этом случае потребует­ся проведение научных исследований для ее построения на этапе "Разработка модели управления" (см. рис.). Структурная концепция МПС в случае САУ представлена на рис.66.

Рис.66	Рис.67
Рис.68

Если принято решение о создании АСУ, приступают к определению ее макрофункций: сбор данных, советник оператора, непосредственное или супервизорное управление. Целью режима "Сбор данных" (см. рис.67) является накопление информации о состоянии ТОУ при различных условиях для построения модели процесса (когда она неполна или неизвестна) и/или управления им со знанием ситуации. Данный режим всегда присутствует как подзадача в более сложных макрофун­кциях. Его особенность - разомкнутый контур управления, т.е. в качестве решающего устройства используется человек, а МП выполняет функции предпроцессора сбора/предварительной обработки данных и постпроцессора для формирования управляющих воздействий по закону, заданному человеком. В режиме "Советник оператора" помимо сбора данных МПС вычисляет по известной модели (или ее части) управляющие воздействия и предлагает их оператору, который и принимает решение. Число управляемых переменных невелико, чтобы человек был в состоянии удержать их в поле зрения и своевременно реагировать на изменение ситуации.

Замкнутый контур управления характерен для режима "Непосредственное управление" . В этом случае АСУ отличается от САУ тем, что уставки в системе (рис.68) формируются человеком. Высшей макрофункцией АСУ является "Супервизорное управление" . Система состоит из автономного контура управления ТОУ и контура управления уставкой для него. Человек же осуществляет контроль за появлением непредвиденных ситуаций.

И в завершение этапа осуществляется разработка технического задания (ТЗ) на основе исходных данных: конструкторской документации на оборудование, используемое в техпроцессе (включая принципиальные схемы); технологической документации на процесс, требований к выпускаемой продукции, функционированию процесса произ­водства; экономических, социальных, антропогенных, экологических и других ограничений; концепции построения МПС. Определяются текущие (и, возможно, будущие) задачи, решаемые МПС, ограничения на ее функционирование и создание по производительности, габаритам, потреблению, надежности, стоимости и т.д.

Формулировка проблемы плохо формализуема, осуществляется специалистом, знающим проблемную область, и решается, в основном, универсальными методами системотехнического проектирования и экономического прогнозирования (например, поиск литературы, ан­кетный опрос, интервьюирование потребителей, мозговая атака, функционально-стоимостной анализ и др.).

Структурная схема устройства представлена в приложении А.

Данная микропроцессорная система состоит из следующих блоков: микропроцессор, ОЗУ, ПЗУ, программируемый параллельный интерфейс, аналого-цифровой преобразователь, таймер, дисплей.

Аналоговые сигналы с датчиков поступают на входы аналогового мультиплексора, встроенного в АЦП, который в каждый интервал времени коммутирует один из сигналов на вход аналого-цифрового преобразователя.

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

Микропроцессор обращается к АЦП через программируемый параллельный интерфейс. Считывает информацию с выходов АЦП, заносит ее в ячейку памяти ОЗУ. Кроме того, МП на основе информации, полученной от датчика давления нефти на выходе станции, вычисляет регулирующее воздействие. Эта величина в виде цифрового кода передается исполнительный механизм.

ОЗУ служит для временного хранения информации, получаемой с датчиков, и промежуточных результатов расчетов микропроцессора.

Программное обеспечение системы хранится в ПЗУ (постоянном запоминающем устройстве). Операцией чтения управляет микропроцессор.

Программа, которая хранится в ПЗУ, предусматривает следующие операции системы:

Последовательный опрос датчиков;

Управление аналогово-цифровым преобразованием аналогового сигнала;

Регулирование давления нефти;

Индикация и сигнализация;

Реакция на потерю питания.

Разработка алгоритма системы

Структурная блок-схема алгоритма представлена в приложении Б.

Инициализация

На данном этапе происходит запись управляющих слов в РУС программируемого параллельного интерфейса. ППИ DD10 работает в нулевом режиме. Порты работают следующим образом: порт А - ввод, порт В - вывод, порт С - вывод. ППИ DD1 работает в нулевом режиме. Порты работают следующим образом: порт А - вывод, порт В - вывод, порт С - вывод.

Опрос датчиков

Опрос аналоговых датчиков производит АЦП. Дискретные датчики через порт А ППИ 1 опрашиваются микропроцессором.

Сохранение в ОЗУ

Полученные после опроса датчиков результаты заносятся в оперативное запоминающее устройство для временного хранения.

Управляющее воздействие

Микропроцессорная система анализирует поступившие данные и вырабатывает цифровое управляющее воздействие.

Разработка принципиальной схемы

Принципиальная схема устройства представлена в приложении Д.

Шина адреса формируется с помощью буферного регистра и шинного формирователя. Выбор регистра осуществляется посредством сигнала ALE микропроцессора. Шинный формирователь нужен для повышения нагрузочной способности старшего байта адреса.

Шина данных формируется с помощью шинного формирователя, выбор которого происходит подачей сигналов DT/R и OE.

Формирование системной шины происходит через дешифратор DD10 подачей сочетания сигналов M/IO, WR, RD.

Таблица 1 - Управляющие сигналы

Выбор ПЗУ, ОЗУ и других устройств происходит с помощью линий А13-А15 шины адреса через дешифратор. Ячейки ПЗУ располагаются с адреса 0000h.

Таблица 2 - Выбор устройств

Выбор порта или регистра управляющего слова ППИ осуществляется через линии A0, A1 шины адреса. На входы порта А PA0-PA7 ППИ DD12 подаются дискретные датчики; на входы порта В - с АЦП; на входы порта С подключены светодиоды.

Аналоговый мультиплексор служит для выбора устройства, с которого происходит считывание информации. Аналоговый мультиплексор встроен в АЦП. Разрядность АЦП совпадает с разрядностью шины данных и составляет 8 бит.

Резисторы R2-R4 служат для преобразования унифицированного токового сигнала 4…20 мА в напряжение 1…5В.

Микропроцессорная системы сбора данных должна удовлетворять следующим требованиям: обеспечивать высокое быстродействие и быть простой в исполнении, должна обеспечивать устойчивую и безотказную работу, быть сравнительно дешевой и потреблять небольшие ресурсы. Для выполнения поставленных задач и в соответствии с предъявляемыми основными требованиями подходит микроконтроллер серии К1816ВЕ51.

Рисунок 3 - Структурная схема микропроцессорной системы сбора данных.

микропроцессорный программа алгоритм микросхема

Микропроцессорная система (МПС) состоит из следующих блоков: микроконтроллера (МК), оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), программируемого таймера (ПТ), параллельного программируемого интерфейса (ППИ), аналого-цифрового преобразователя (АЦП), цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), мультиплексора (MUX), программируемого контроллера прерываний (ПКП).

МК формирует шину адреса (ША), шину данных (ШД) и шину управления (ШУ). Блоки ОЗУ, ПЗУ, ПТ, ППИ, ПКП подключены к шинам.

ОЗУ предназначено для хранения данных опроса датчиков, а также промежуточные данные. ПЗУ предназначена для хранения кода программы и различных констант.

ПТ предназначен для отсчета интервала времени, которое потребуется для выполнения команд МК. Перед выполнением операции ПТ запускается. При удачном выполнении операции МК сбрасывает ПТ. Если от МК не поступает команды сброса счета (произошло зависание), ПТ по окончании отсчета интервала времени вырабатывает сигнал сброса МК.

ППИ предназначено для подключения внешних устройств. К ППИ подключены АЦП, дискретный мультиплексор и ЦАП.

АЦП предназначен для преобразования аналогового сигнала с датчиков и цифровой код, который через ППИ подается в МК. Аналоговые датчики подключаются к АЦП через аналоговый мультиплексор.

Через дискретный мультиплексор поступают данные с дискретных датчиков.

ЦАП предназначен для формирования управляющего воздействия.

ПКП предназначен для обслуживания внешних прерываний.

Использование микропроцессоров или цифровых процессоров обработки сигнала при проектировании различных автоматических систем позволяет создавать устройства, особенностью которых является то, что аппаратные средства и программное обеспечение существуют здесь в форме неделимого аппаратно-программного комплекса. Процесс разработки такого аппаратно-программного комплекса удобно представить в виде последовательности трех фаз проектирования:

• 1. разработки (и/или выбора типовых) аппаратных средств;
• 2. разработки прикладного программного обеспечения;
• 3. комплексирования аппаратных средств и программного обеспечения и отладки прототипа системы.

При использовании микропроцессора в качестве комплектующего элемента разработчик системы избавлен от необходимости проектировать и сопровождать технической документацией самую сложную центральную часть изделия. Проектная документация на аппаратные средства изделия содержит только документацию на аппаратуру сопряжения микропроцессора с датчиками и исполнительными механизмами объекта управления. С появлением аналоговых (сигнальных) микропроцессоров, интегральных ЦАП и АЦП, разнообразных больших интегральных схем (БИС) специализированных контроллеров все более сложные функциональные части автоматической системы переходят из разряда подсистем в разряд комплектующих элементов. Так как эти комплектующие элементы являются сложно организованными приборами, функционирующими под управлением программы, то удельный вес прикладного программного обеспечения в микропроцессорных системах имеет устойчивую тенденцию к увеличению, а удельный вес аппаратных средств - к снижению.

Если задача уже поставлена, то наиболее трудоемким и сложным (из-за тесной связи с областью приложения будущей программы) этапом работы является этап формирования алгоритма решения поставленной задачи. Связано это с тем, что этот этап практически не поддается формализации и, следовательно, не может быть автоматизирован обычными средствами. Проектная работа здесь носит глубоко творческий характер и сильно зависит от опыта и квалификации разработчика.

Проиллюстрируем вышесказанное одним из возможных подходов к созданию систем с использованием микропроцессора на примере проектирования цифрового фильтра.

Пусть требуется создать фильтр низкой частоты (ФНЧ) первого порядка.

На рис. 3.59, а показана принципиальная схема такого фильтра. Порядок фильтра определяется числом входящих в него реактивных элементов, т.е. конденсаторов и катушек индуктивности. Сигналы низких частот проходят через фильтр низкой частоты на его выход. Высокочастотные сигналы “замыкаются” через конденсатор на землю и не появляются на выходе фильтра. На рис. 3.59, б приведена амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) этого фильтра. Граничная частота фильтра (частота излома, перегиба) логарифмической АЧХ щc=1/ф (рад/сек), где ф=RC - постоянная времени. Для представления частоты в герцах используется соотношение щc=2рf.

Рис. 3.59 Фильтр нижних частот: а) принципиальная схема; б) АЧХ

Запишем дифференциальное уравнение, описывающее процессы, происходящие в ФНЧ, показанном на рис. 3.59, с учетом, что

i = C dUвых/dt,

тогда уравнение будет иметь вид

цифровой дискретный микропроцессор автоматический

Рассмотрим значения входного и выходного сигналов в дискретные моменты времени nДt, где n = 0, 1, 2, ... и заменим производную конечной разностью

тогда (3.6) примет вид

Проделаем с (3.7) следующие преобразования:

Объединим первые два члена в (3.8) и вынесем за скобки,

Перенесем второй член (3.9) в правую часть равенства и разделим левую и правую часть полученного равенства на (Дt+RC). Тогда

Разделим числитель и знаменатель членов в правой части (3.10) на Дt:

Наконец, обозначив как k1, как k2,

Получаем

Реализовав (3.12) в виде программы для микропроцессора и использовав схему на рис. 3.60 при Дt << RC, получим цифровой фильтр нижних частот

Рис. 3.60 Схема цифрового фильтра

Цифровые устройства, созданные на базе микропроцессоров, имеют ряд преимуществ перед аналоговыми. Приведем некоторые из них на примере рассмотренного выше цифрового фильтра:

• 1. Нечувствительность характеристик фильтра к разбросу параметров входящих в него элементов, их временному и температурному дрейфам.
• 2. Малые размеры и высокая надежность работы фильтра, связанные с использованием БИС.
• 3. Легкость изменения параметров и характеристик цифрового фильтра, что при использовании микропроцессора осуществляется модификацией программного обеспечения или таблиц коэффициентов.
• 4. Возможность реализации адаптивных фильтров, т.е. фильтров с изменяющимися в процессе работы параметрами.

Этап разработки является наиболее ответственным, трудоемким и требует высокой квалификации разработчиков, так как ошибки, допущенные на этом этапе, обычно обнаруживаются лишь на стадии испытания законченного образца и требуют длительной и дорогостоящей переработки всей системы.

Одной из главных задач этого этапа является распределение функций , выполняемых микропроцессорной системой, между ее аппаратной и программной частями. Максимальное использование аппаратных средств упрощает разработку и обеспечивает высокое быстродействие системы в целом, но сопровождается, как правило, увеличением стоимости и потребляемой мощности. В то же время увеличение удельного веса программного обеспечения позволяет сократить число устройств системы, ее стоимость , повышает возможность адаптации системы к новым условиям применения, но приводит к увеличению необходимой емкости памяти , снижению быстродействия, увеличению сроков проектирования.

Процесс перераспределения функций между аппаратной и программной частями МПС носит итерационный характер. Критерием выбора здесь является возможность максимальной реализации заданных функций программными средствами при условии обеспечения заданных показателей (быстродействия, энергопотребления , стоимости и т. д.).

С точки зрения контроля и диагностики МПС данный этап имеет следующие особенности:

• отсутствуют отработанные тестовые программы: проектирование аппаратной части МПС всегда идет параллельно с разработкой программ, а иногда и аппаратуры для ее тестирования и отладки ;
• построение тестовых программ и анализ результатов производятся разработчиком вручную на основании его представлений о принципах работы и структуре разрабатываемой системы;
• существует большая вероятность появления нескольких неисправностей одновременно; здесь могут присутствовать неисправности, связанные как с дефектами электронных компонентов, так и с ошибками монтажников и программистов;
• связанная с предыдущим положением неопределенность причины неисправности: отказы в аппаратуре или ошибки в программе;
• возможные ошибки разработчиков: система может абсолютно правильно выполнять предписанные ей разработчиком действия, но сами эти предписания были неверны.

Все эти причины делают задачи контроля и диагностики на этапе разработки МПС наиболее сложными, а требования к квалификации персонала весьма высокими.

Инструментальные средства контроля и диагностики на этом этапе должны отвечать следующим требованиям:

• возможность измерений как цифровых, так и аналоговых сигналов;
• разнообразие режимов работы и оперативность настройки на заданный режим;
• оперативность и наглядность представления результатов измерений;

• возможность работы как с аппаратурой, так и с программным обеспечением.

  На этапе производства микропроцессорной системы на первый план выдвигаются требования:

  • высокой производительности,
  • полноты контроля ,
  • высокой автоматизации с целью снижения требований к квалификации обслуживающего персонала.

  Контроль на этом этапе проводится с использованием отработанных тестовых программ . Тестирование проводится на специально разработанных контрольных стендах (в случае достаточно большого объема производства), предназначенных для выдачи тестовых воздействий и автоматического анализа реакций на них. Как правило, на этом этапе проводится только контроль работоспособности системы по принципу "годен - не годен". Определение места и характера неисправности проводится более высококвалифицированным персоналом в ходе отдельного процесса.

  Контроль в процессе эксплуатации , как правило, проще, чем на предыдущих этапах, по следующим причинам:

  • вероятность появления двух и более неисправностей одновременно весьма мала;
  • обычно требуется контроль правильности работы только при решении конкретных задач, при этом тесты поставляются вместе с самим изделием.

Однако требования к инструментальным средствам, предназначенным для эксплуатационного обслуживания МПС, весьма противоречивы.

С одной стороны, это требование компактности, а часто даже портативности этих средств, с другой - требования универсальности и автоматизации процесса контроля , чтобы иметь возможность использовать персонал невысокой квалификации.

Рассмотрим теперь собственно инструментальные средства контроля и отладки микропроцессорных систем.

Точность , с которой тот или иной тест локализует неисправности, называется его разрешающей способностью. Требуемая разрешающая способность определяется конкретными целями испытаний. Например, при отладке опытного образца необходимо прежде всего определить природу неисправности (аппаратная или программная). В заводских условиях желательно осуществлять диагностику неисправности вплоть до уровня наименьшего заменяемого элемента, чтобы минимизировать стоимость ремонта. При тестировании аппаратуры в процессе эксплуатации для ее ремонта часто необходимо установить, в каком сменном блоке изделия имеется неисправность.

Средства контроля и отладки должны:

• управлять поведением системы и/или ее модели;
• собирать информацию о поведении системы и/или ее модели, обрабатывать и представлять на удобном для разработчика уровне;
• моделировать поведение внешней среды проектируемой системы.

Сроки и качество отладки системы зависят от средств отладки . Чем совершеннее приборы, имеющиеся в распоряжении инженера-разработчика, тем скорее можно начать отладку аппаратуры и программ и тем быстрее обнаружить и устранить ошибки, обнаружение и устранение которых на более поздних этапах проектирования обойдется гораздо дороже.

Как показывает опыт разработки, производства и эксплуатации МПС, окончательный контроль работоспособности должен производиться на реальной аппаратуре и на рабочих тактовых частотах . Поэтому инструментальные средства должны обеспечивать решение задач генерации входных воздействий и регистрации выходных реакций в реальном времени. Наличие в МПС двунаправленных шин требует обеспечения возможности переключения контрольного оборудования с передачи на прием в течение одного периода тактовой частоты . Для контроля временных характеристик требуются весьма быстродействующие инструментальные средства. Кроме того, значительная длина тестовых программ вызывает потребность в использовании ОЗУ , контроллеров внешних устройств, блока питания, генератора тактовых импульсов и т. д.

При автономной отладке аппаратуры могут потребоваться приборы, умеющие:

• выполнять аналоговые измерения;
• подавать импульсы определенной формы и длительности;
• подавать последовательность сигналов одновременно на несколько входов в соответствии с заданной временной диаграммой или заданным алгоритмом функционирования аппаратуры;
• сохранять значения сигналов с многих линий в течение промежутка времени, определяемого задаваемыми событиями;
• обрабатывать и представлять собранную информацию в удобном для разработчика виде.

Для автономной отладки аппаратуры на схемном уровне широко используются осциллографы, вольтметры, амперметры, частотомеры, генераторы импульсов , сигнатурные анализаторы. На более высоком уровне применяют внутрисхемные эмуляторы, эмуляторы ПЗУ , логические анализаторы , платы развития, а также специальные отладочные средства, которые встраиваются в БИС на этапе их разработки.