Министерство образования и науки Российской Федерации
ГОУ ВПО Кубанский государственный технологическийуниверситет
(КубГТУ)
Кафедра Автоматизации Производственных Процессов
Факультет Компьютерные Технологии и АвтоматизированныеСистемы
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине Микропроцессорные Устройства в СистемахУправления
на тему «Разработка микропроцессорного устройства управления»
2008г.
Содержание
1.Введение
2.Содержание задания (исходные данные)
3.Описание элементов системы
3.1Описание объекта управления
3.2.Описание микроконтроллера ATmega128
4.Описание системы индикации
4.1Светодиоды
4.2Описание кнопок
5.Алгоритм управления
6.Формализация задачи и кодирование входных и выходных сигналов
7.Заключение
8.Используемая литература
ПриложениеА Программа управления
1. Введение
Степень интеграции элементов в микросхемахна сегодняшний день очень высока. В результате этого развития появилисьмногофункциональные микросхемы, называемые микроконтроллерами. Они могутобъединять себе микропроцессор, АЛУ, порты ввода/вывода, ПЗУ, ОЗУ и т. д. Спомощью таких микросхем можно создавать сложные системы управлениятехнологическими процессами. В качестве объектов управления могут бытьпрактически любые устройства, в том числе и трехпозиционные термостаты.
Цель данной курсовой работы ознакомиться сустройством микроконтроллера ATmega128 и получить навыки разработки управляющих устройств. А так же укрепитьзнания в области программной части микроконтроллера и его программирования.
В данной курсовой работе разработаноустройство управления двигателем постоянного тока, рассматривается организацияи функционирование микроконтроллера.
2. Содержание задания
В даннойкурсовой работе было спроектировано устройство управления двигателемпостоянного тока. Схема содержит:
· Микроконтроллер Атmega128 (Atmel)
· 4 отдельные кнопки
· 7 светодиодов
Объектомуправления является двигатель постоянного тока. Непосредственная передачасигнала осуществляется с помощью устройства сопряжения (УСО). Также написанапрограмма управления системой на специализированном языке программирования Assembler.
3. Описание элементовсистемы
3.1 Описание объектауправления
Одним из объектов,управление которыми производит данная система, является двигатель постоянноготока. Требуется программно осуществить возможность остановки в 3 стадии.
3.2 Описание микроконтроллера Atmega128
Микроконтроллер ATmega128является старшей моделью семейства ATmegaфирмы Atmel. CемействоAVR (AT)удачно воплощает современные тенденции архитектуры RISCмикроконтроллеров, что в сочетании с достижениями фирмы Atmelв области создания Flash-памяти, сделалоего весьма популярным на мировом рынке 8-разрядных микроконтроллеров.
Семейство AVRвключает около двух десятков типов 8-разрядных микроконтроллеров трех основныхлиний:
— TinyAVR представляют собойнизкостоимостные микроконтроллеры в 8-выводном корпусе.
— ClassicAVR являются устаревшейлинией семейства. Быстродействие некоторых моделей достигает 16 MIPS,Flash ROMпрограмм 2-8 Кбайт, EEPROMданных 64-512 байт, ОЗУ данных 128-512 байт;
— MegaAVR представляет собойосновную модель, ориентированную на высокопроизводительную работу со сложнымизадачами, требующими больших ресурсов памяти.
FlashROM программ составляет 8-128 Кбайт, EEPROMданных 64-512 байт, ОЗУ данных 2-4 Кбайт. Имеются 10-разрядный АЦП и аналоговыйкомпаратор.
Структурамикроконтроллера ATmega128включает следующие функциональные блоки:
— 8-разрядноеарифметическо-логическое устройство ( АЛУ );
— внутреннюю flash-памятьпрограмм объемом 128 Кбайт с возможностью внутрисистемного программированиячерез последовательный интерфейс;
— 32 регистра общегоназначения;
— внутреннюю EEPROMпамять данных объемом 4 Кбайт;
— внутреннее ОЗУ данныхобъемом 4 Кбайт;
— 6 параллельных8-разрядных портов;
— 4 программируемыхтаймера-счетчика;
— 10-разрядный8-канальный АЦП и аналоговый компаратор;
— последовательныеинтерфейсы UART0, UART0,TWI и SPI;
- блокипрерывания и управления (включая сторожевой таймер).
Архитектура ядра.
Ядро микроконтроллеравыполнено по усовершенствованной RISC-архитектуре.
Арифметико-логическоеустройство, выполняющее все вычисления, подключено непосредственно к 32регистрам общего назначения.
Благодаря этому АЛУвыполняет одну операцию за один машинный цикл. Практически каждая из команд (заисключением команд, у которых одним из операндов является 16-разрядный адрес)занимает одну ячейку памяти программ.
Для повышениябыстродействия в ядре используется технология конвейеризации.
Конвейеризациязаключается в том, что во время исполнения текущей команды производится выборкаиз памяти и дешифрация кода следующей команды.
На рис.3.2 изображенкорпус и приведено назначение выводов микроконтроллера ATmega128.В скобках указана альтернативная функция вывода, если она существует.
/>
Рис.3.2 Вид корпуса иназначение выводов микроконтроллера Atmega128.
PortA (PA7..PA).8-разрядныйдвунаправленный порт. К выводам порта могут быть подключены встроенныенагрузочные резисторы (отдельно к каждому разряду). Выходные буферыобеспечивают ток 20 мА и способность прямо управлять светодиодным индикатором.При использовании выводов порта в качестве входов и установке внешнего сигналав низкое состояние, ток будет вытекать только при подключенных встроенныхнагрузочных резисторах. Порт А при наличии внешней памяти данных используется дляорганизации мультиплексируемой шины адреса/данных.
PortB (PB7..PB0).8-разрядныйдвунаправленный порт со встроенными нагрузочными резисторами. Выходные буферыобеспечивают ток 20 мА. При использовании выводов порта в качестве входов иустановке внешнего сигнала в низкое состояние, ток будет вытекать только приподключенных встроенных нагрузочных резисторах. Порт В используется также приреализации специальных функций.
PortC (PC7..PC0).ПортС является 8-разрядным выходным портом. Выходные буферы обеспечивают ток 20 мА.Порт C при наличии внешнейпамяти данных используется для организации шины адреса.
PortD (PD7..PD0).8-разрядныйдвунаправленный порт со встроенными нагрузочными резисторами. Выходные буферыобеспечивают ток 20 мА. При использовании выводов порта в качестве входов иустановке внешнего сигнала в низкое состояние, ток будет вытекать только приподключенных встроенных нагрузочных резисторах. Порт Dиспользуется также при реализации специальных функций.
PortЕ(PЕ7..PЕ0).8-разрядныйдвунаправленный порт со встроенными нагрузочными резисторами. Выходные буферыобеспечивают ток 20 мА. При использовании выводов порта в качестве входов иустановке внешнего сигнала в низкое состояние, вытекающий через них токобеспечивается только при подключенных встроенных нагрузочных резисторах. Порт Eиспользуется также при реализации специальных функций.
PortF (PF7..PF0).8-разрядныйвходной порт. Входы порта используются также как аналоговые входыаналого-цифрового преобразователя.
RESET. Входсброса. Для выполнения сброса необходимо удерживать низкий уровень на входеболее 50 нс.
XTAL1, XTAL2.Вход и выход инвертирующего усилителя генератора тактовой частоты.
TOSC1, TOSC2.Вход и выход инвертирующего усилителя генератора таймера/счетчика.
WR, RD.Стробы записи и чтения внешней памяти данных.
ALE.Строб разрешения фиксации адреса внешней памяти. Строб ALE используется дляфиксации младшего байта адреса с выводов AD0-AD7 в защелке адреса в течениепервого цикла обращения. В течение второго цикла обращения выводы AD0-AD7используются для передачи данных.
AVCC.Напряжение питания аналого-цифрового преобразователя. Вывод подсоединяется к VCC через низкочастотный фильтр.
AREF.Вход опорного напряжения для аналого-цифрового преобразователя. На этот выводподается напряжение в диапазоне между AGND и AVCC.
AGND.Это вывод должен быть подсоединен к отдельной аналоговой земле, если она естьна плате. В ином случае вывод подсоединяется к общей земле.
PEN.Вывод разрешения программирования через последовательный интерфейс. Приудержании сигнала на этом выводе на низком уровне после включения питания,прибор переходит в режим программирования по последовательному каналу.
VСС, GND.Напряжение питания и земля
Обобщенная карта памятимикроконтроллера приведена на рис. 3.3/> />
Памятьпрограмм предназначена для хранения команд, управляющих функционированиемконтроллера. Память программ также часто используется для хранения таблицконстант, не меняющихся во время работы программы.
Рис. 3.3 – Обобщеннаякарта памяти микроконтроллера.
Высокие характеристикисемейства AVR обеспечиваютсяследующими особенностями архитектуры:
-В качестве памятипрограмм используется внутренняя flash-память.Она организована в виде матрицы 16-разрядных ячеек и может загружатьсяпрограмматором, либо через порт SPI;
-Система командвключает 133 инструкций;
-16-разрядные памятьпрограмм и шина команд вместе с одноуровневым конвейером позволяют выполнитьбольшинство инструкций за один такт синхрогенератора (50 нс при частоте FOSC=20 МГц);
-Память данных имеет8-разрядную организацию. Младшие 32 адреса пространства занимают регистрыобщего назначения, далее следуют 64 адреса регистров ввода-вывода, затемвнутреннее ОЗУ данных объемом до 4096 ячеек. Возможно применение внешнего ОЗУ данныхобъемом до 60 Кбайт;
-Внутренняяэнергонезависимая память типа EEPROMобъемом до 4 Кбайт представляет собой самостоятельную матрицу, обращение ккоторой осуществляется через специальные регистры ввода-вывода;
Регистры общегоназначения.
В микропроцессоре ATmega128 все 32 регистра общего назначения непосредственно доступны АЛУ. Благодаряэтому любой регистр общего назначения может использоваться во всех командах икак операнд источник и как операнд приемник. Такое решение (в сочетании сконвейерной обработкой) позволяет АЛУ выполнять одну операцию за один машинныйцикл.
Последние шестьрегистров общего назначения могут также объединяться в три 16-разрядныхрегистра X, Y,и Z, используемых в качествеуказателей при косвенной адресации памяти данных.
Каждый регистримеет свой собственный адрес в памяти данных. Поэтому к ним можно обращатьсядвумя способами (как к регистрам и как к памяти), несмотря на то, что физическиэти регистры не являются ячейками ОЗУ. Такое решение является еще однойотличительной особенностью архитектуры AVR,повышается эффективность работы микроконтроллера и его производительность.
Регистры ввода/вывода:
Все регистрыввода/вывода можно разделить на две группы – служебные регистры и регистры,относящиеся к конкретным периферийным устройствам.
Размещение в памятирегистров ввода/вывода приведено в таблице 3.1. В скобках указываютсясоответствующие им адреса ячеек ОЗУ.Название Адрес Функция UCSR1C ($9D) Регистр управления и состояния С USART1 UDR1 ($9C) Регистр данных USART1 UCSR1A ($9B) Регистр управления и состояния A USART1 UCSR1B ($9A) Регистр управления и состояния В USART1 UBRR1L ($99) Регистр скорости передачи USART1, младший байт UBRR1H ($98) Регистр скорости передачи USART1, старший байт UCSR0C ($95) Регистр управления и состояния С USART0 UBRR0H ($90) Регистр скорости передачи USART0, старший байт TCCR3C ($8C) Регистр управления С таймера/счетчика ТЗ TCCR3A ($8B) Регистр управления А таймера/счетчика ТЗ TCCR3B ($8A) Регистр управления В таймера/счетчика ТЗ TCNT3H ($89) Счетный регистр таймера/счетчика ТЗ, старший байт TCNT3H ($88) Счетный регистр таймера/счетчика ТЗ, младший байт OCR3AH ($87) Регистр совпадения А таймера/счетчика ТЗ, старший байт OCR3AL ($86) Регистр совпадения А таймера/счетчика ТЗ, младший байт OCR3BH ($85) Регистр совпадения В таймера/счетчика ТЗ, старший байт OCR3BL ($84) Регистр совпадения В таймера/счетчика ТЗ, младший байт OCR3CH ($83) Регистр совпадения С таймера/счетчика ТЗ, старший байт OCR3CL ($82) Регистр совпадения С таймера/счетчика ТЗ, младший байт ICR3H ($81) Регистр захвата таймера/счетчика ТЗ, старший байт ICR3L ($80) Регистр захвата таймера/счетчика ТЗ, младший байт ETIMSK ($7D) Дополнительный регистр маски прерываний от таймеров/счетчиков ETIFR ($7C) Дополнительный регистр флагов прерываний от таймеров/счетчиков TCCR1C ($7A) Регистр управления С таймера/счетчика Т1 OCR1CH ($79) Регистр совпадения С таймера/счетчика Т1, старший байт OCR1CL ($78) Регистр совпадения С таймера/счетчика Т1, младший байт TWCR ($74) Регистр управления TWI TWDR ($73) Регистр данных TWI TWAR ($72) Регистр адреса TWI TWSR ($71) Регистр состояния TWI TWBR ($70) Регистр скорости передачи TWI OSCCAL ($6F) Регистр калибровки тактового генератора XMCRA ($6D) Регистр управления А внешней памятью XMCRB ($6C) Регистр управления В внешней памятью EICRA ($6A) Регистр управления А внешними прерываниями SPMCR ($68) Регистр управления памятью программ PORTG ($65) Регистр данных порта G DDRG ($64) Регистр направления данных порта G PORTF ($62) Регистр данных порта F DDRF ($61) Регистр направления данных порта F SREG $3F($5F) Регистр состояния SPH $3E($5E) Указатель стека, старший байт SPL $3D($5D) Указатель стека, младший байт XDIV $3C($5C) Регистр управления делителем тактовой частоты RAMPZ $3B($5B) Регистр выбора страницы EICRB $3A($5A) Регистр управления В внешними прерываниями EIMSK $39($59) Регистр маски внешних прерываний EIFR $38 ($58) Регистр флагов внешних прерываний TIMSK $37($57) Регистр маски прерываний от таймеров/счетчиков TIFR $36($56) Регистр флагов прерываний от таймеров/счетчиков MCUCR $35($55) Регистр управления микроконтроллером MCUCSR $34($54) Регистр управления и состояния микроконтроллера TCCR0 $33($53) Регистр управления таймером/счетчиком Т0 TCNT0 $32($52) Счетный регистр таймера/счетчика Т0 OCR0 $31($51) Регистр совпадения таймера/счетчика Т0 ASSR $30($50) Регистр состояния асинхронного режима TCCR1A $2F($4F) Регистр управления А таймера/счетчика Т1 TCCR1B $2E($4E) Регистр управления В таймера/счетчика Т1 TCNT1H $2D($4D) Счетный регистр таймера/счетчика Т1, старший байт TCNT1L $2C($4C) Счетный регистр таймера/счетчика Т1, младший байт OCR1AH $2B($4B) Регистр совпадения А таймера/счетчика Т1, старший байт OCR1AL $2A($4A) Регистр совпадения А таймера/счетчика Т1, младший байт OCR1BH $29($49) Регистр совпадения В таймера/счетчика Т1, старший байт OCR1BL $28($48) Регистр совпадения В таймера/счетчика Т1, младший байт ICR1H $27($47) Регистр захвата таймера/счетчика Т1, старший байт TCCR2 $25($45) Счетный регистр таймера/счетчика Т2 TCNT2 $24($44) Регистр совпадения таймера/счетчика Т2 OCR2 $23($43) Регистр совпадения таймера/счетчика Т2 OCDR $22($42) Регистр внутрисхемной отладки WDTCR $21($41) Регистр управления сторожевым таймером SFIOR $20($40) Регистр специальных функций EEARH $1F($3F) Регистр адреса EEPROM, старший байт EEARL $1E($3E) Регистр адреса EEPROM, младший байт EEDR $1D($3D) Регистр данных EEPROM EECR $1C($3C) Регистр управления EEPROM PORTA $1B($3B) Регистр данных порта А DDRA $1A($3A) Регистр направления данных порта А PINA $19($39) Выводы порта А PORTB $18($38) Регистр данных порта В DDRB $17($37) Регистр направления данных порта В PINB $16($36) Выводы порта В PORTC $15($35) Регистр данных порта С DDRC $14($34) Регистр направления данных порта С PINC $13($33) Выводы порта С PORTD $12($32) Регистр данных порта D DDRD $11($31) Регистр направления данных порта D PIND $10($30) Выводы порта D SPDR $0F($2F) Регистр данных SPI SPSR $0E($2E) Регистр состояния SPI SPCR $0D($2D) Регистр управления SPI UDR0 $0C($2C) Регистр данных USART0 UCSR0A $0B($2B) Регистр управления и состояния A USART0 UCSR0B $0A($2A) Регистр управления и состояния В USART0 UBRR0L $09($29) Регистр скорости передачи USART0, младший байт ACSR $08($28) Регистр управления и состояния аналогового компаратора ADMUX $07($27) Регистр управления мультиплексором АЦП ADCSRA $06($26) Регистр управления и состояния АЦП ADCH $05($25) Регистр данных АЦП, старший байт ADCL $04($24) Регистр данных АЦП, младший байт PORTE $03($23) Регистр данных порта Е DDRE $02($22) Регистр направления данных порта Е PINE $01($21) Выводы порта Е PINF $00($20) Выводы порта F
Прерывания.
Прерывание прекращаетнормальный ход программы для выполнения приоритетной задачи, определяемойвнутренним или внешним событием микроконтроллера. При возникновении прерываниямикроконтроллер сохраняет в стеке содержимое счетчика команд PCи загружает в него адрес соответствующего вектора прерывания. По этому адресу,как правило, находится команда безусловного перехода к подпрограмме обработкипрерывания. Последней командой подпрограммы обработки прерывания должна бытькоманда RETI, которая обеспечиваетвозврат в основную программу и восстановление предварительно сохраненного счетчикакоманд.
Таблица векторовпрерываний.
Младшие адреса памятипрограмм начиная с адреса $0002 отведены под таблицу прерываний. Каждомупрерыванию соответствует адрес в этой таблице, который загружается в счетчиккоманд при возникновении прерывания. Положение вектора в таблице такжеопределяет приоритет соответствующего прерывания: чем меньше адрес, тем вышеприоритет соответствующего прерывания.
Положение таблицывекторов прерываний может быть изменено. Таблица может располагаться не тольков начале памяти программ, а также и в начале области загрузчика. Причемперемещение таблицы может быть осуществлено в ходе выполнения программы.
Распределение адресовтаблицы векторов прерываний приведено в таблице 3.2.
Обработка прерываний:
Для глобальногоразрешения/запрещения прерываний предназначен флаг Iрегистра SREG. Для разрешенияпрерываний он должен быть установлен в «1», а для запрещения сброшен в «0».Индивидуальное разрешение или запрещение прерываний производитсяустановкой/сбросом соответствующих разрядов регистров масок прерываний.
При возникновениипрерывания флаг I регистра SREGаппаратно сбрасывается, запрещая тем самым обработку следующих прерываний.Однако в программе обработки прерывания этот флаг можно снова установить в «1»для разрешения вложенных прерываний. При возврате из подпрограммы обработкипрерывания флаг I устанавливаетсяаппаратно.
Все имеющиесяпрерывания можно разделить на два типа. Прерывания первого типа генерируютсяпри наступлении некоторого события, в результате которого устанавливается флагпрерывания. Затем, если прерывание разрешено, в счетчик команд загружаетсяадрес вектора соответствующего прерывания. При этом флаг прерывания аппаратносбрасывается.
Прерывания второго типане имеют флагов прерываний и генерируются в течение всего времени, покаприсутствуют условия, необходимые для генерации прерывания. Соответственно,если условия, вызывающие прерывание, исчезнут до разрешения прерывания,генерации прерывания не произойдет.
Следует помнить, чтопри вызове подпрограмм обработки прерываний регистр состояния SREGне сохраняется. Поэтому пользователь самостоятельно сохранять содержимое этогорегистра при входе в подпрограмму обработки прерывания и восстанавливать егозначение перед вызовом команды RETI.
Поддерживается очередьпрерываний, которая работает следующим образом: если условия генерации одногоили более прерываний возникают в то время, когда флаг общего разрешенияпрерываний сброшен, соответствующие флаги устанавливаются в «1» и остаются вэтом состоянии до установки флага общего разрешения прерываний. Послеразрешения прерываний выполняется их обработка в порядке приоритета.
Внешние прерывания.
Дляразрешения/запрещения внешних прерываний предназначен регистр EIMSK.Каждый разряд INTx регистра отвечает заразрешение/запрещение прерывания с номером, соответствующим номеру разряда.Если n-й разряд регистраустановлен в «1» и флаг Iрегистра SREG также установлен в«1», то прерывание с вывода INTnразрешено. Условия генерации прерываний определяется регистрами EICRAи EICRB. Для индикациивозникновения внешних прерываний предназначен регистр EIFR.
Все внешние прерываниягенерируются даже в том случае, если соответствущие выводы сконфигурированы каквыходы. Эта особенность позволяет генерировать прерывания программно.
4. Описание системыиндикации
4.1 Светодиоды
Для отображения двухсостояний обычно используют светодиоды. В системе имеется семь светодиодов32Ж40-К4-П2 со следующими характеристиками:
· Цветсвечения – красный
· Длинаволны – 625 нм
· Максимальнаясила света – 100 мКд
· Видимыйтелесный угол – 40 град.
· Максимальноепрямое напряжение – 12 В
· Рабочаятемпература – -60...85 С
4.2 Описание кнопок
В системе используется24 кнопки типа B170G (4 отдельные и 20 в составе клавиатуры), имеющие следующиехарактеристики:
· Фиксациянет
· Сопротивлениеизолятора – не менее 100 МОм
· Сопротивлениеконтактов – не более 0.05 Ом
· Рабочеенапряжение – 30 В
· Предельноенапряжение – 250В переменного тока в течение 1 мин.
· Рабочийток – 0.1 А
5. Объект управления,алгоритм управления
Квыводам PC0..PC2через устройство сопряжения подключен двигатель постоянного тока.
Квыводам РD0… РD2– кнопки запуска двигателя постоянного тока
Квыводам РE0… РE1подключены светодиоды отражающие состояние двигателя постоянного тока.
Квыводам РА0… РА7 подается оцифрованный сигнал с датчика оборотов
6. Заключение
Результатом выполненияданной курсовой работы является разработка электрической принципиальной схемымикропроцессорного устройства управления двигателя постоянного тока на базеконтроллера ATmega 128. Произведенвыбор компонентов устройства, приведены их основные характеристики. Написанпакет подпрограмм на языке Assemblerдля корректной работы устройства. Подпрограммы являются универсальными ипредназначены для работы с любыми моделями двигателей. Для корректной работыустройства управления необходимо правильно выбрать комплект устройствсопряжения. Рекомендации по выбору приведены в пояснительной записке. Выводомданной курсовой работы является, то что системы управления, построенные на баземикроконтроллеров позволяют упростить регулирование технологическимипроцессами.
7. Используемаялитература
1. Микроконтроллеры AVRсемейств Tiny и Megaфирмы ATMEL А. В. Евстифеев.Москва Издательский дом «Додэка-XXI»2006г.
2. www.dipchip.ru
3. www.chipinfo.ru
4. ЛП_ЛС2_8МГц.doc Лабораторныйпрактикум «Архитектура, программирование и применение 8-разрядныхмикроконтроллеров семейства ATMEL ATmega».
ПриложениеА
.deviceATmega128
.include«m128def.inc»
.deftmp=r16
.cseg
.org0
Rjmpiniz
.org40
Iniz:
Lditemp,High(RamEnd)
Outsph,temp
Lditemp,Low(RamEnd)
Outspl,temp
Lditmp, 0xff
Outddrc, tmp
Outddrd, tmp
Outportd,tmp
Outddra,tmp
Lditmp, 0x00
Outddre,tmp
Outporte,tmp
;подпрограмма управления
Uprav:
Sbisportd.7
Rjmpstup1
Rjmpuprav
Stup1:
Lditmp,0x00
Outporta,tmp
Lditmp,0x01
outporte,tmp
Lditmp,porta
cN1:
Cpitmp,n1
Breqstup2
Rjmpcn1
Stup2:
Lditmp,0x01
Outportd,tmp
Lditmp,0x02
outporte,tmp
cN2:
Cpitmp,n2
Breqstup3
Rjmpcn2
Stup3:
Lditmp,0x02
Outportb,tmp
Lditmp,0x03
outporte,tmp
Rjmpuprav