Загальна технічна характеристика навчального стенда ST841/CPLD

ST841/CPLD (V4.1)

Методичні вказівки до лабораторних робіт

Проектування пристроїв і вузлів інформаційно-вимірювальних систем та створення програмного забезпечення на базі навчально-налагоджувального стенда

Тернопіль 2011

Паламар М.І., Чайковський А.В., Пастернак Ю.В., Стрембіцький М.О. Паламар А.М. Проектування пристроїв і вузлів інформаційно-вимірювальних систем та створення програмного забезпечення на базі навчально-налагоджувального стенда. Методичні вказівки до лабораторних і практичних робіт з дисциплін «Проектування інформаційно-вимірювальних систем», «Мікропроцесори і ЕОМ», «Проектування приладів і систем на основі мікроконтролерів». – Тернопіль: ТНТУ, 2011. – 65 с.

Методичні вказівки містять опис функціональних, принципових схем вузлів лабораторного стенда, порядок завантаження і налагодження програм на ньому, а також індивідуальні завдання до 8 лабораторних робіт з прикладами. Призначені для допомоги у вивченні апаратної частини вимірювально-керуючих систем на основі мікроконтролерів сімейства MCS-51/52, програмованих логічних інтегральних схем (ПЛІС) та створення і налагодження програмного забезпечення для них.

Служать для підвищення ефективності проведення лабораторно-практичних занять і самостійного вивчення дисциплін «Проектування інформаційно-вимірювальних систем», «Мікропроцесори і ЕОМ», «САПР засобів вимірювання», «Основи проектування систем штучного інтелекту», «Автоматизовані системи опрацювання вимірювальної інформації» та ін.

Укладачі: к.т.н., доц. Паламар М.І.

Чайковський А.В.

Пастернак Ю.В.

Стрембіцький М.О.

Паламар А.М.

Методичні вказівки розглянуті та схвалені на засіданні кафедри

Приладів і контрольно-вимірювальних систем

Протокол № від 2011 р.

Одобрено методичною радою факультету ФРК

Протокол № від 2011 р.

СПИСОК СКОРОЧЕНЬ

АЗ — апаратні засоби;

АСМ (ASM) — асемблер;

АЛБ — арифмето-логічний блок;

АЦП — аналогово-цифровий перетворювач

БСА — блок-схема алгоритму;

ВІС — велика інтегральна схема;

ЗПД — зовнішня пам’ять даних;

ЗПП — зовнішня пам’ять програм;

КПП — контролер пріоритетних переривань;

МВР — мова високого рівня;

МК — мікроконтролер;

МТ — мікропроцесорна техніка;

МП — мікропроцесор;

ОЗП — оперативно запам’ятовуючий пристрій;

ОМЕОМ — однокристальна мікроЕОМ;

ПК — персональний комп’ютер;

ПЛІС — програмована логічна інтегральна схема;

ПП — пам’ять програм;

ППЗ — прикладне програмне забезпечення;

ППЗП — програмований постійний запам’ятовуючий пристрій;

РСФ (RSF) — регістр спеціальних функцій;

РПД — резидентна пам’ять даних;

РПП — резидентна пам’ять програм;

ЦАП — цифро-аналоговий перетворювач;

ШІМ — широтно-імпульсний модулятор;

Зміст

Вступ. 5

Загальна технічна характеристика навчального стенда ST841/CPLD.. 6

Лабораторна робода №1. Ознайомлення із будовою стенда та архітектурою процесора і системою команд ОЕОМ ADuC841, створення проекту в середовищі Keil. Схема статичного відображення інформації та робода з світлодіодною лінійкою.. 14

Лабораторна робода №2. Схема статичного відображення інформації та робода з семисегментним індикатором.. 20

Лабораторна робода №3. Схема динамічного відображення інформації 24

Лабораторна робода №4. Робода з енкодером. Опитування дискретних давачів. 27

Лабораторна робода №5 Зчитування інформації з матричної клавіатури. 31

Лабораторна робода №7. Проектування системи керування кроковим двигуном.. 40

Лабораторна робода №8. Проектування системи керування двигуном постійного струму. 46

Лабораторна робода №9. Програмування послідового інтерфейсу RS-232. 52

Список використаних джерел. 56

додатки.. 56

Вступ

Однокристальні мікроконтролери знаходять широке застосування в різноманітних сферах техніки: від вимірювальних приладів, фотоапаратів та відеокамер, принтерів, сканерів, копіювальних апаратів до виробів електронних розваг і будь-якої домашньої техніки.

Мікроконтролери відрізняються від мікропроцесорів за рядом ознак. В першу чергу це їх функціональність. При застосуванні мікропроцесорів для їх роботи потрібні додаткові компоненти як пам'ять, пристрої вводу і виводу даних, генератор тактової частоти і ін. Мікроконтролери сконструйовані таким чином, що всі ці частини зібрані разом на одному кристалі і поміщені в одному корпусі. Для роботи мікроконтролера потрібно мінімум зовнішніх компонентів, тому що вся необхідна периферія вбудована в його середині. Таким чином зменшується апаратна частина і скорочується час при конструюванні нових пристроїв.

З моменту появи перших мікроконтролерів їх складність постійно зростає за рахунок появи нових апаратних рішень та додавання нових команд для програмної підтримки нових функціональних вузлів, призначених для вирішення різноманітних задач.

Проектування вбудованих систем на сучасній елементній базі значно підвищує ефективність розробки за рахунок скорочення часу, мініатюризації, зниження споживаної потужності і збільшення швидкодії і надійності. На сьогоднішній день актуальною є задача придбання навиків розробки інформаційно-керуючих пристроїв на базі мікроконтролерів і програмованих логічних пристроїв, що дозволяють реалізувати алгоритми високої складності.

Розроблений стенд дозволяє ознайомитися із сучасною елементною базою, практично вивчати типові вузли приладів інформаційних вимірювальних систем, алгоритмів роботи, проводити відладку нових програм, організувати взаємодію датчиків з мікроконтролером, а також керувати виконуючими пристроями, такими як двигуни різних типів, електромагнітні виконавчі органи, та інші.

Загальна технічна характеристика навчального стенда ST841/CPLD

Рисунок 1 – Зовнішній вигляд стендаST841/CPLD

Стенд призначений для освоєння архітектури та методів проектування інформаційно-керуючих систем, систем збору і оброблення інформації на базі найпоширеніших мікроконтролерів сімейства MCS-51/52, а також ПЛІС фірм Altera або Xilinx.

Стенд може бути використаний для:

· вивчення вузлів мікроконтролерних інформаційно-вимірювальних систем, промислових інтерфейсів, пристроїв вводу-виводу;

· виконання курсових, дипломних та науково-дослідних робіт.

· розробки і відлагодження апаратно-орієнтованого програмного забезпечення;

· взаємодії із аналоговими та цифровими первинними перетворювачами та виконавчими органами;

Функціональні можливості:

мікроконтролер ADuC841 (однотактове ядро, 62 кбайт флеш-пам'яті програм, 4 кбайт флеш-пам'яті даних, 2304 байт оперативної пам'яті, апаратна підтримака інтерфейсів UART, I2C, SPI, восьмиканальний 12-розрядний АЦП, 320кГц, два 12-розрядні цифро-аналогові перетворювачі, джерело опорної напруги, датчик температури);
програмована логічна матриця CPLD: EPM3032, EPM3064 (Altera), або XCR3032XL, XCR3064XL (Xilinx);
інвертуючий, неінвертуючий, диференційний та інструментальний підсилювачі;
пристрої вводу:

§ матрична клавіатура,

§ дискретні кнопки,

§ джойстик-потенціометр,

§ механічний енкодер;

пристрої відображення:

§ лінійка світлодіодів,

§ 4 семисигментні індикатори,

§ 1 матричний індикатор,

§ індикатор на рідких кристалах;

звукова підсистема:

§ звуковий pcm кодек (TLV320AIC1109),

§ підсилювач звукової частоти TDA7052,

§ динамік, мікрофонний вхід, вихід на телефони;

шини даних:

§ паралельна 8-бітна шина даних;

§ SPI

§ I2C

§ RS232

§ RS485

цифрова периферія:

§ годинник реального часу з I2C інтерфейсом DS1307-33;

§ 8 Мбіт флеш-пам'ять із SPI інтерфейсом,

§ генератор прямокутних імпульсів (NE555),

§ генератор тактової частоти;

виконавчі пристрої:

§ драйвери крокових двигунів (8 ключів);

§ ШІМ-регулятор;

§ Н-міст для двигуна постійного стуму.

Будова контролера

Як процесор використовується однокристальний мікроконтролер ADuC841 з такими характеристиками:

· Однотактне 20MIPS ядро архітектури 8052;

· Швидкісний 12-розрядний АЦП;

· Два 12-розрядні ЦАП;

· 62 кбайт вбудованої пам’яті програм;

· 2 кбайти вбудованої пам’яті даних;

· UART, I2C, SPI інтерфейси;

· Програмування та можливість відладки через інтерфейс UART.

Для роботи із стендом необхідне знання архітектури контролера, його регістрів та периферії. Проведемо короткий огляд найбільш важливих вузлів.

ADuC841 є функціонально завершеним контролером інтелектуальних датчиків і включає в себе високоякісний багатоканальний АЦП із самокалібруванням, два ЦАПи, і швидкий (20МГц) з однотактовим виконанням команд 8-ми розрядний програмований мікроконтролер з системою команд МК 8051 на однім кристалі. Ядром МК є контролер 8052, що забезпечує пікову продуктивність до 20 MIPS. На кристалі розміщено 62Кбайт Flash пам'яті програм, 4Кбайт Flash пам'яті даних, 256 байт пам'яті з довільним доступом (RAM) і 2Кбайт розширеної пам'яті з довільним доступом (ХRAM).

В склад ADuC841 входять також додаткові аналогові пристрої: два 12-розрядні ЦАПи, монітор напруги живлення і джерелом опорної напруги. Додатковими цифровими пристроями є: два 16-розрядні Σ-Δ ЦАПи, два 16-розрядні широтно-імпульсні модулятори, сторожовий таймер, лічильник часових інтервалів, три таймери-лічильники, і три порти послідовного вводу-виводу (SPI, I2C, і UART). Заводська прошивка контролера підтримує завантаження програмного забезпечення через послідовний порт UART, а також емуляцію через один контакт пристрою – ЕА. Далі приведена функціональна схема ADuC841.