Етапи проектування мікропроцесорних систем. Мікропроцесори. Типи даних та їх оголошення

Основне завдання під час створення МПС полягає у створенні апаратних засобів (фізичної структури) системи та програмуванні їх функціональних властивостей, тобто. у налаштуванні структури МПС на завдання.

Проектування МПС докорінно відрізняється від традиційних методів логічного проектування систем на "жорсткій логіці". При проектуванні систем на "жорсткій логіці" є різноманітний набір логічних елементів з фіксованим набором логічних функційі завдання полягає в встановлення фізичних зв'язківміж ними . При проектуванні МПС є невеликий набір елементів, функції яких різноманітні та визначаються системою команд . Завдання проектування зводиться до підбору типової структури МПС та програмуванні її властивостей .

Слід зазначити, що кількість структур взагалі обмежена тими рамками, які були розглянуті в попередньому розділі. Так як час розробки та освоєння систем у виробництві стає сумірним з її життєвим циклом(Часом її доцільного існування до появи конкурентоспроможного аналога), то необхідно:

· прагнути використовувати вже відомі типові рішення за підтримки пакетів САПР, орієнтованих на розробку МПС (хоча фахівцю, що творчо працює, хочеться створити щось оригінальне);

· Розробляти систему з урахуванням "екстраполяції їх розвитку" (розширення функцій, потужність, модульність, адаптивність, що нарощується).

Мікропроцесорні системи задовольняють цим вимогам, маючи гнучкість, малу вартість, невеликий час розробки, високою надійністюв порівнянні з системами на "жорсткій логіці", оскільки мають значно меншу кількість міжз'єднань. Однак МПС програє системам на "жорсткій логіці" у випадках, коли потрібні великі швидкості обробки інформації або розробляється система невисокої складності.

На рис.64 наведено рекомендований порядок розробки та налагодження, що включає основні етапи проектування МПС. Розробка програмного забезпечення(ПЗ), апаратних (АС) та налагоджувальних (ОС) засобів здійснюється одночасно. Тісна координація робіт у цій стадії визначається прямою залежністю ПЗ від АС. У процесі створення МПС виявляються помилки, усунення яких доводиться повертатися попередні попередні етапи, тобто. процес проектування "наскрізь" ітераційний, що не відображено на рис.64.

Розглянемо докладніше кожен із етапів.

Формулювання проблеми.

На рис.65 дана послідовність робіт, що розкриває суть етапу "Формулювання проблеми".

Сфера можливого застосування МП дуже велика. Виникає бажання взятися за вирішення ефектного завдання. Однак, якщо на підприємстві до МП ставляться скептично, невдача дискредитує саму ідею застосування МП. Тому дуже важливий правильний вибірпершочергового застосування МП, вирішуваний першому кроці цього етапу.

Рис.65

Основними критеріями досягнення мети на цьому кроці можна вважати:

1. Швидкість розробки та організації серійного виробництва.

2. Ефективність застосування (особливо його наочність).

3. Мінімальність витрат (швидку окупність). Певну допомогу тут може надати табл.1.

Таблиця 1

p align="justify"> При виробленні базової концепції вирішується питання про те, якою бути системі: системою автоматичного управління (САУ) або автоматизованою системою управління (АСУ). САУ призначена для управління ТОУ без втручання людини і тому простіше у сенсі відсутності ВУ зв'язку з людиною та мовних інтерфейсів, але має передбачити всі можливі ситуації, що виникають у МПС.

Для цього необхідно мати повну математичну модель ТОВ (процесу). А в АСУ вирішення позаштатних ситуацій покладається на людину і є можливість втручання у процес. Рішення про створення САУ може бути прийняте і без точної моделі ТОУ. Однак розробник повинен усвідомлювати, що в цьому випадку знадобиться проведення наукових досліджень для її побудови на етапі "Розробка моделі управління" (див. рис.). Структурна концепція МПС у разі САУ представлена ​​на рис.66.

Рис.66	Рис.67
Рис.68

Якщо ухвалено рішення про створення АСУ, приступають до визначення її макрофункцій: збирання даних, радник оператора, безпосереднє чи супервізорне управління. Метою режиму "Збір даних"(див. рис.67) є накопичення інформації про стан ТОУ за різних умов для побудови моделі процесу (коли вона неповна або невідома) та/або керування ним зі знанням ситуації. Цей режимзавжди присутня як підзавдання у складніших макрофункціях. Його особливість - розімкнутий контур управління, тобто. як вирішальний пристрій використовується людина, а МП виконує функції передпроцесора збору/попередньої обробки даних та постпроцесора для формування керуючих впливів згідно із законом, заданим людиною. У режимі "Радник оператора"крім збору даних МПС обчислює за відомою моделлю (або її частиною) керуючі впливи та пропонує їх оператору, який і приймає рішення. Число керованих змінних невелике, щоб людина була в змозі утримати їх у полі зору та своєчасно реагувати на зміну ситуації.

Замкнений контур керування характерний для режиму "Безпосереднє керування". І тут АСУ відрізняється від САУ тим, що уставки у системі (рис.68) формуються людиною. Вищою макрофункцією АСУ є "Супервізорне управління". Система складається з автономного контуру управління ТОУ та контуру управління уставкою для нього. Людина ж здійснює контроль за появою непередбачених ситуацій.

І на завершення етапу здійснюється розробка технічного завдання(ТЗ) на основі вихідних даних: конструкторської документації на обладнання, що використовується у техпроцесі (включаючи принципові схеми); технологічної документації на процес, вимог до продукції, функціонування процесу виробництва; економічних, соціальних, антропогенних, екологічних та інших обмежень; концепція побудови МПС. Визначаються поточні (і, можливо, майбутні) завдання, що вирішуються МПС, обмеження на її функціонування та створення за продуктивністю, габаритами, споживанням, надійністю, вартістю тощо.

Формулювання проблеми погано формалізується, здійснюється фахівцем, який знає проблемну область, і вирішується, в основному, універсальними методами системотехнічного проектування та економічного прогнозування (наприклад, пошук літератури, анкетне опитування, інтерв'ювання споживачів, мозкова атака, функціонально-вартісний аналіз та ін.).

Структурна схема пристрою представлена ​​у додатку А.

Дана мікропроцесорна система складається з наступних блоків: мікропроцесор, ОЗП, ПЗП, програмований паралельний інтерфейс, аналого-цифровий перетворювач, таймер, дисплей.

Аналогові сигнали з датчиків надходять на входи аналогового мультиплексора, вбудованого в АЦП, який кожен інтервал часу комутує один із сигналів на вхід аналого-цифрового перетворювача.

Аналого-цифровий перетворювач служить для перетворення аналогового сигналуу цифровий код, з яким оперує мікропроцесор.

Мікропроцесор звертається до АЦП через програмований паралельний інтерфейс. Зчитує інформацію з виходів АЦП, заносить її до осередку пам'яті ОЗУ. Крім того, МП на основі інформації, отриманої від датчика тиску нафти на виході станції, обчислює регулюючий вплив. Ця величина як цифрового коду передається виконавчий механізм.

ОЗУ служить для тимчасового зберігання інформації, одержуваної з датчиків, та проміжних результатів розрахунків мікропроцесора.

Програмне забезпечення системи зберігається в ПЗУ (постійному пристрої). Операцією читання управляє мікропроцесор.

Програма, що зберігається у ПЗУ, передбачає такі операції системи:

Послідовне опитування датчиків;

Управління аналогово-цифровим перетворенням аналогового сигналу;

регулювання тиску нафти;

Індикація та сигналізація;

Реакція втрату харчування.

Розробка алгоритму системи

Структурна блок-схема алгоритму представлена ​​у додатку Б.

Ініціалізація

На цьому етапі відбувається запис керуючих слів у РУС програмованого паралельного інтерфейсу. ППІ DD10 працює у нульовому режимі. Порти працюють так: порт А - введення, порт В - висновок, порт С - висновок. ППІ DD1 працює у нульовому режимі. Порти працюють так: порт А - висновок, порт В - висновок, порт С - висновок.

Опитування датчиків

Опитування аналогових датчиків здійснює АЦП. Дискретні датчики через порт А ППІ 1 опитуються мікропроцесором.

Збереження у ОЗУ

Отримані після опитування датчиків результати заносяться в оперативний пристрій для тимчасового зберігання.

Керуючий вплив

Мікропроцесорна система аналізує дані, що надійшли, і виробляє цифровий керуючий вплив.

Розробка принципової схеми

Принципова схема пристрою представлена ​​у додатку Д.

Шина адреси формується за допомогою буферного регістра та шинного формувача. Вибір регістру здійснюється за допомогою сигналу мікропроцесора ALE. Шинний формувач необхідний підвищення навантажувальної здатності старшого байта адреси.

Шина даних формується за допомогою шинного формувача, вибір якого відбувається подачею сигналів DT/R та OE.

p align="justify"> Формування системної шини відбувається через дешифратор DD10 подачею поєднання сигналів M/IO, WR, RD.

Таблиця 1 - Управляючі сигнали

Вибір ПЗП, ОЗП та інших пристроїв відбувається за допомогою ліній А13-А15 шини адреси через дешифратор. Осередки ПЗУ розташовуються з адреси 0000h.

Таблиця 2 - Вибір пристроїв

Вибір порту чи регістру керуючого слова ППІ здійснюється через лінії A0, A1 шини адреси. На входи порту А PA0-PA7 ППІ DD12 подаються дискретні датчики; на входи порту В – з АЦП; на входи порту С підключено світлодіоди.

Аналоговий мультиплексор служить вибору пристрою, з якого відбувається зчитування інформації. Аналоговий мультиплексор вбудований АЦП. Розрядність АЦП збігається із розрядністю шини даних і становить 8 біт.

Резистори R2-R4 служать перетворення уніфікованого струмового сигналу 4…20 мА в напругу 1…5В.

Мікропроцесорна система збору даних повинна задовольняти наступним вимогам: забезпечувати високу швидкодію та бути простою у виконанні, повинна забезпечувати стійку та безвідмовну роботу, бути порівняно дешевою та споживати невеликі ресурси. Для виконання поставлених завдань і відповідно до основних вимог підходить мікроконтролер серії К1816ВЕ51.

Малюнок 3 – Структурна схема мікропроцесорної системи збору даних.

мікропроцесорна програма алгоритм мікросхема

Мікропроцесорна система (МПС) складається з наступних блоків: мікроконтролера (МК), оперативного запам'ятовуючого пристрою (ОЗУ), постійного запам'ятовуючого пристрою (ПЗУ), програмованого таймера (ПТ), паралельного програмованого інтерфейсу (ППІ), аналого-цифрового перетворювача (АЦП), цифро-аналогового перетворювача (ЦАП), мультиплексора (MUX), програмованого контролера переривань (ПКП).

МК формує шину адреси (ША), шину даних (ШД) та шину управління (ШУ). Блоки ОЗП, ПЗП, ПТ, ППІ, ПКП підключені до шин.

ОЗП призначене для зберігання даних опитування датчиків, а також проміжні дані. ПЗУ призначена для зберігання коду програми та різних констант.

ПТ призначений для відліку інтервалу часу, який буде потрібний для виконання команд МК. Перед виконанням операції ПТ запускається. При успішному виконанні операції МК скидає ПТ. Якщо МК не надходить команди скидання рахунку (відбулося зависання), ПТ по закінченні відліку інтервалу часу виробляє сигнал скидання МК.

ППІ призначене для підключення зовнішніх пристроїв. До ППІ підключено АЦП, дискретний мультиплексор та ЦАП.

АЦП призначений для перетворення аналогового сигналу з датчиків та цифровий код, який через ППІ подається до МК. Аналогові датчики підключаються до АЦП через аналоговий мультиплексор.

Через дискретний мультиплексор надходять дані дискретних датчиків.

ЦАП призначений для формування керуючого впливу.

ПКП призначений обслуговування зовнішніх переривань.

Використання мікропроцесорів або цифрових процесорівобробки сигналу при проектуванні різних автоматичних систем дозволяє створювати пристрої, особливістю яких є те, що апаратні засоби та програмне забезпечення існують тут у формі неподільного апаратно-програмного комплексу. Процес розробки такого апаратно-програмного комплексу зручно подати у вигляді послідовності трьох фаз проектування:

• 1. розробки (і/або вибору типових) апаратних засобів;
• 2. розроблення прикладного програмного забезпечення;
• 3. комплексування апаратних засобів та програмного забезпечення та налагодження прототипу системи.

При використанні мікропроцесора як комплектуючий елемент розробник системи позбавлений необхідності проектувати і супроводжувати технічною документацією найскладнішу центральну частину виробу. Проектна документація на апаратні засоби виробу містить лише документацію на апаратуру пару мікропроцесора з датчиками і виконавчими механізмами об'єкта управління. З появою аналогових (сигнальних) мікропроцесорів, інтегральних ЦАП та АЦП, різноманітних великих інтегральних схем (ВІС) спеціалізованих контролерів дедалі складніші функціональні частини автоматичної системипереходять із розряду підсистем у розряд комплектуючих елементів. Так як ці комплектуючі елементи є складно організованими приладами, що функціонують під управлінням програми, питома вага прикладного програмного забезпечення в мікропроцесорних системах має стійку тенденцію до збільшення, а питома вага апаратних засобів - до зниження.

Якщо завдання вже поставлено, то найбільш трудомістким і складним (через тісний зв'язок з областю програми майбутньої програми) етапом роботи є етап формування алгоритму вирішення поставленого завдання. Пов'язано це про те, що це етап мало піддається формалізації і, отже, може бути автоматизований звичайними засобами. Проектна робота тут носить глибоко творчий характер і залежить від досвіду і кваліфікації розробника.

Проілюструємо сказане вище одним з можливих підходів до створення систем з використанням мікропроцесора на прикладі проектування цифрового фільтра.

Нехай потрібно створити фільтр низької частоти (ФНЧ) першого порядку.

На рис. 3.59 а показана принципова схематакого фільтра. Порядок фільтра визначається числом реактивних елементів, що входять до нього, тобто. конденсаторів та котушок індуктивності. Сигнали низьких частотпроходять через фільтр низької частоти з його вихід. Високочастотні сигнали замикаються через конденсатор на землю і не з'являються на виході фільтра. На рис. 3.59 б наведена амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) цього фільтра. Гранична частота фільтра (частота зламу, перегину) логарифмічної АЧХ щc=1/ф (рад/сек), де ф=RC - постійна часу. Для представлення частоти у герцах використовується співвідношення щc=2рf.

Мал. 3.59 Фільтр нижніх частот: а) принципова схема; б) АЧХ

Запишемо диференціальне рівняння, що описує процеси, що відбуваються у ФНЧ, показаному на рис. 3.59 з урахуванням того, що

i = C dUвих/dt,

тоді рівняння матиме вигляд

цифровий дискретний мікропроцесор автоматичний

Розглянемо значення вхідного та вихідного сигналів у дискретні моменти часу nДt, де n = 0, 1, 2, ... та замінимо похідну кінцевою різницею

тоді (3.6) набуде вигляду

Зробимо з (3.7) такі перетворення:

Об'єднаємо перші два члени (3.8) і винесемо за дужки,

Перенесемо другий член (3.9) у праву частину рівності та розділимо ліву та праву частину отриманої рівності на (Дt+RC). Тоді

Розділимо чисельник та знаменник членів у правій частині (3.10) на Дt:

Зрештою, позначивши як k1, як k2,

Отримуємо

Реалізувавши (3.12) як програми для мікропроцесора і використавши схему на рис. 3.60 при Дt<< RC, получим цифровой фильтр нижних частот

Мал. 3.60 Схема цифрового фільтра

Цифрові пристрої, створені з урахуванням мікропроцесорів, мають ряд переваг перед аналоговыми. Наведемо деякі з них на прикладі розглянутого вище цифрового фільтра:

• 1. Нечутливість характеристик фільтра до розкиду параметрів елементів, що входять до нього, їх тимчасовому і температурному дрейфам.
• 2. Малі розміри та висока надійність роботи фільтра, пов'язані з використанням БІС.
• 3. Легкість зміни параметрів і характеристик цифрового фільтра, що з використанні мікропроцесора здійснюється модифікацією програмного забезпечення чи таблиць коефіцієнтів.
• 4. Можливість реалізації адаптивних фільтрів, тобто. фільтрів з параметрами, що змінюються в процесі роботи.

Етап розробкиє найбільш відповідальним, трудомістким і вимагає високої кваліфікації розробників, оскільки помилки, допущені цьому етапі, зазвичай виявляються лише стадії випробування закінченого зразка і потребують тривалої і дорогої переробки всієї системи.

Однією з головних завдань цього етапу є розподіл функцій, що виконуються мікропроцесорною системою, між її апаратною та програмною частинами. Максимальне використання апаратних засобів спрощує розробку та забезпечує високу швидкодію системи в цілому, але супроводжується, як правило, збільшенням вартості та споживаної потужності. У той же час збільшення питомої ваги програмного забезпечення дозволяє скоротити кількість пристроїв системи, її вартість підвищує можливість адаптації системи до нових умов застосування, але призводить до збільшення необхідної ємності пам'яті, зниження швидкодії, збільшення термінів проектування.

Процес перерозподілу функцій між апаратною та програмною частинами МПС носить ітераційний характер. Критерієм виборутут є можливість максимальної реалізації заданих функцій програмними засобами за умови забезпечення заданих показників (швидкості, енергоспоживання, вартості і т. д.).

З точки зору контролюі діагностикиМПС даний етап має такі особливості:

• відсутні відпрацьовані тестові програми: проектування апаратної частини МПС завжди йде паралельно з розробкою програм, а іноді й апаратури для неї тестуванняі налагодження ;
• побудова тестових програмта аналіз результатів проводяться розробником вручну на підставі його уявлень про принципи роботи та структуру системи, що розробляється;
• існує велика ймовірність появи кількох несправностей одночасно; тут можуть бути несправності, пов'язані як з дефектами електронних компонентів, так і з помилками монтажників та програмістів;
• пов'язана з попереднім положенням невизначеність причини несправності: відмови в апаратурі чи помилки у програмі;
• можливі помилки розробників: система може абсолютно правильно виконувати запропоновані їй розробником дії, але ці приписи були неправильні.

Всі ці причини роблять завдання контролюі діагностикина етапі розробки МПС найскладнішими, а вимоги до кваліфікації персоналу дуже високими.

Інструментальні засоби контролю та діагностики на цьому етапі повинні відповідати таким вимогам:

• можливість вимірювань як цифрових, і аналогових сигналів;
• різноманітність режимів роботи та оперативність налаштування на заданий режим;
• оперативність та наочність подання результатів вимірювань;

• можливість роботи як з апаратурою, так і програмним забезпеченням.

  На етапі виробництва мікропроцесорної системина перший план висуваються вимоги:

  • високої продуктивності,
  • повноти контролю,
  • високої автоматизації з метою зниження вимог щодо кваліфікації обслуговуючого персоналу.

  Контрольна цьому етапі проводиться з використанням відпрацьованих тестових програм. Тестування проводиться на спеціально розроблених контрольних стендах (у разі досить великого обсягу виробництва), призначених для видачі тестових дій та автоматичного аналізу реакцій на них. Як правило, на цьому етапі проводиться тільки контрольпрацездатності системи за принципом "придатний - не придатний". Визначення місця та характеру несправності проводиться більш висококваліфікованим персоналом у ході окремого процесу.

  Контроль у процесі експлуатації, як правило, простіше, ніж на попередніх етапах, з наступних причин:

  • ймовірність появи двох і більше несправностей одночасно дуже мала;
  • зазвичай потрібно контрольправильності роботи лише за вирішенні конкретних завдань, у своїй тести поставляються разом із самим виробом.

Однак вимоги до інструментальних засобів, призначених для експлуатаційного обслуговування МПС, дуже суперечливі.

З одного боку, це вимога компактності, а часто навіть портативності цих засобів, з іншого - вимоги універсальності та автоматизації процесу контролющоб мати можливість використовувати персонал невисокої кваліфікації.

Розглянемо тепер власне інструментальні засоби контролюі налагодженнямікропроцесорних систем.

Точність , з якою той чи інший тест локалізує несправності, називається його роздільною здатністю. Необхідна роздільна здатність визначається конкретними цілями випробувань. Наприклад, при налагодженні дослідного зразка необхідно насамперед визначити природу несправності (апаратна чи програмна). У заводських умовах бажано здійснювати діагностикунесправності аж до рівня найменшого елемента, що замінюється, щоб мінімізувати вартість ремонту. При тестуванні апаратури в процесі експлуатації для її ремонту часто необхідно встановити, у якому змінному блоці виробу є несправність.

Засоби контролюі налагодженняповинні:

• керувати поведінкою системи та/або її моделі;
• збирати інформацію про поведінку системи та/або її моделі, обробляти та подавати на зручному для розробника рівні;
• моделювати поведінку довкілля проектованої системи.

Терміни та якість налагодженнясистеми залежать від коштів налагодження. Чим досконаліше прилади, що є в розпорядженні інженера-розробника, тим швидше можна почати налагодження апаратури та програм і тим швидше виявити та усунути помилки, виявлення та усунення яких на пізніших етапах проектування обійдеться набагато дорожче.

Як показує досвід розробки, виробництва та експлуатації МПС, остаточний контрольпрацездатності повинен проводитися на реальній апаратурі та на робочих тактові частоти. Тому інструментальні засоби повинні забезпечувати вирішення завдань генерації вхідних впливів та реєстрації вихідних реакцій у реальному часі. Наявність у МПС двонаправлених шин вимагає забезпечення можливості перемикання контрольного обладнання з передачі на прийом протягом одного періоду тактової частоти. Для контролю тимчасових показників потрібні дуже швидкодіючі інструментальні засоби. Крім того, значна довжина тестових програмвикликає потребу у використанні ОЗП, контролерів зовнішніх пристроїв, блоку живлення, генератора тактових імпульсів і т.д.

При автономній налагодженняапаратури можуть знадобитися прилади, які вміють:

• виконувати аналогові виміри;
• подавати імпульси певної форми та тривалості;
• подавати послідовність сигналів одночасно на кілька входів відповідно до заданої тимчасової діаграми або заданого алгоритмом функціонуванняапаратури;
• зберігати значення сигналів з багатьох ліній протягом проміжку часу, що визначається задаються подіями;
• обробляти та подавати зібрану інформацію у зручному для розробника вигляді.

Для автономної налагодженняапаратури на схемному рівні широко використовуються осцилографи, вольтметри, амперметри, частотоміри, генератори імпульсів, сигнатурні аналізатори На вищому рівні застосовують внутрішньосхемні емулятори, емулятори ПЗП, логічні аналізатори, Плати розвитку, а також спеціальні налагоджувальні засоби, які вбудовуються в ВІС на етапі їх розробки.