13оппс5-сфа

5. 5. СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ ПРИБОРОВ

Напомним, что в данном курсе лекций под прибором понимается конструктивно законченное изделие с небольшим количеством функций измерения, контроля и (или) управления предназначенное для повышения эффективности работы оператора. Прибор − это всегда «закрытое для пользователя» изделие,

которое создается в результате опытно-конструкторской разработки (ОКР).

Техническое задание (ТЗ) на проектирование прибора подготавливается на основе технических требований заказчика, а также на основе результатов научных или маркетинговых исследований.

Многие десятилетия приборы проектировались только как «железо», алгоритм функционирования которого определялся составом структурных составляющих и их связей. При этом связи были «жестко ориентированы» на конкретные структурные составляющие. Особенностью таких приборов являлось то, что если в процессе их промышленного производства возникала необходимость модернизации, то требовалась доработка документации не только на изготовление самого прибора, но и на технологию его производства. Такие работы связаны со значительными затратами труда, времени и материальных ресурсов и поэтому принятие решения о модернизации какого-то прибора всегда было непростым.

Новое направление в приборостроении в последние годы связано с проектированием приборов в виде совокупности технических и программных средств, т.е. в виде «железа», работа которого управляется программно. В таких приборах проблема их модернизации, например, - с целью расширения функциональных возможностей, во многих случаях решается не переработкой конструкторской документации на «железо» и технологию его производства, а доработкой программных средств прибора. Причем эти возможности тем шире, чем больше «железо» будет подстроено под программное управление.

Проектирование приборов в виде совокупности программных и технических средств в настоящее время является стандартом «де-факто», действенность которого основывается на больших успехах электроники в области создания микропроцессорных компонентов. Причем по мере развития микропроцессорных компонентов и других элементов микроэлектроники прослеживается тенденция реализации возможно большего количества функций прибора программными средствами.

Прибор, спроектированный на основе новой − микропроцессорной технологии, далее будем называть прибором микропроцессорным (ПМ). Изучение принципов проектирования ПМ является одной из целей данного курса лекций.

В этой лекции рассмотрим обобщенную структурную схему ПМ и проведем ее структурно-функциональный анализ.

2

5.1. Основные положения структурной организации микропроцессорного прибора

5.1.1. Обобщенная структурная схема ПМ.

Обобщенная структурная схема ПМ представлена на рис. 5.1.

БП

	ПИП	БОИС	БИО
Типы
физических	ПИП
сигналов
	ПИП		БМК
Сигналы электрического типа,			БСА
аналоговые
			БСД
Сигналы электрического типа,
дискретные
			БПД

Оператор

Сигналы выходные электрического типа, аналоговые Сигналы выходные

электрического типа, дискретные

Сигналы передачи данных

Рис.5.1. Обобщенная структура ПМ

На схеме приняты следующие обозначения структурных составляющих

(СС) ПМ:

БМК - блок микроконтроллерного управления работой прибора;БОИС - блок обработки измерительных сигналов;ПИП - первичные измерительные преобразователи ФВ;БИО - блок интерфейса оператора;

БСА - блок вывода аналогового сигнала во внешние устройства;БСД - блок вывода дискретных сигналов во внешние устройства;БПД - блок передачи данных;БП - блок питания.

Функциональное назначение структурных составляющих (СС) ПМ состоит

вследующем.

1)БМК является основой ПМ. Это означает, что проектирование ПМ всегда начинается с выбора решения: какие функции должны решаться на уровне БМК и какие средства (СС по рис.5.1), необходимо подключить к БМК для реализации всех требуемых функций ПМ.

Во многих современных приборах такой выбор часто осуществляется в пользу реализации максимально возможного количества функций программными средствами БМК. При этом количество составных частей «железа» (СС, подключаемых к БМК) стремятся предельно минимизировать.

2)Блок БОИС предназначен для решения задач ввода электрических сигналов в ПМ, для обработки введенных аналоговых сигналов и представления результатов обработки в форме, наиболее удобной для взаимодействия с БМК.

3

Для реализации своего назначения БОИС в общем случае должен выполнять следующие функции обработки аналоговых сигналов:

защиты от «разрушительного воздействия» недопустимого уровня входных электрических сигналов или от нарушения полярности их подключения (в том числе так называемая «защита от дурака»). Два треугольника, изображенные в БОИС на рис.5.1, обозначают важную защитную функцию блока – осуществление гальванического разделения входных цепей с цепями микропроцессорной части прибора;

коммутации входных измерительных сигналов;

масштабирования измерительного сигнала (усиление или ослабление);

фильтрации измерительного сигнала от частотных помех;

преобразования измерительного сигнала к виду, удобному для выполнения аналого-цифрового преобразования и обеспечение его ввода в БМК;

специальных функций обработки сигнала, определяемых особенностью работы ПИП конкретного назначения. Такие функции там, где это возможно, стремятся выполнить на уровне программных средств.

3) ПИП осуществляют первичное измерительное преобразование сигнала какого-то типа, характеризующего значение ФВ, в сигнал электрического типа, который далее воспринимается БОИС, обрабатывается и передается в БМК.

а) сборочная единица	б) комплекс

Рис.5.2. Конструктивные исполнения приборов

На рис.5.2. показаны два прибора с ПИП. В приборе, который производится предприятием как сборочная единица, ПИП конструктивно располагается в корпусе ПМ (см., верхнюю часть ПМ на рис. 5.2а). В приборе, который производится предприятием в виде комплекса, ПИП конструктивно реализуется в виде выносной структурной составляющей, подсоединяемой к корпусу

4

прибора кабелем связи, входящем в комплект поставки прибора (см. рис. 5.2б). Выносное исполнение ПИП по рис.5.2б позволяет осуществлять его монтаж удаленно, размещая его в том месте, где необходимо осуществлять «отбор ФВ» (в пределах длины «штатного» соединительного кабеля).

4)БИО реализует интерфейс взаимодействия оператора с прибором; от его проектного решения во многом зависит достижение основного назначения прибора − повышение эффективности работы оператора.

В простейшем случае функции БИО ограничиваются выводом оператору только показаний прибора в цифровой форме: наименование ФВ, ее размерность и текущий результат измерения.

В общем же случае БИО может обеспечивать интерактивное взаимодействие оператора с прибором, позволяющее выполнять настройку нужного режима работы прибора, параметров работы прибора в выбранном режиме, осуществлять чтение из архивной памяти прибора результатов измерений и представлять их оператору в удобной для анализа форме.

5)Блок БСА предназначен для передачи выходных аналоговых сигналов из прибора в удаленное внешнее устройство.

БСА может формировать выходные аналоговые сигналы в виде частоты импульсов или гармонических колебаний, в виде прямоугольных импульсов переменной длительности (широтная импульсная модуляция). Но чаще всего выходной аналоговый сигнал ПМ формируется в виде напряжения или силы постоянного тока.

Выходные аналоговые сигналы ПМ нормируются. В приборах различного назначения чаще всего применяются сигналы напряжения постоянного тока, унифицированные в диапазонах 0…10В, +10В, и токовые сигналы, унифицированные в диапазонах 0…5мА, 0…20мА, 4…20мА; выходной сигнал может быть представлен частотой следования импульсов или гармонических колебаний.

6)Блок БСД предназначен для передачи внешним устройствам дискретных сигналов сигнализации (типа: замкнуто-разомкнуто) или двухпозиционного управления (типа: открыть-закрыть, увеличить-стоп, уменьшить-стоп и т.п).. БСД может формировать выходные сигналы в виде единичных импульсов фиксированной длительности или в виде ступенчатого воздействия.

7)Блок БПД предназначен для поддержания взаимодействия прибора с внешним программным устройством, например,– с удаленным компьютером (ЭВМ), путем бит-последовательного приема-передачи цифрового сигнала.

Такое взаимодействие прибора необходимо с одной стороны – для передачи из ПМ в ЭВМ данных текущих результатов измерений, архивной и служебной информации, а с другой – для записи из ЭВМ в ПМ служебной информации, для синхронизации запуска в ПМ измерительных или управляющих операций при его работе в составе системы.

Наличие в приборе БПД отвечает требованиям обеспечения возможности использования прибора в составе информационных сетей.

8)БП в приборе, как и в любом изделии, играет важнейшую роль, т.к. нормальное функционирование всех СС прибора возможно только при отсутствии проблем с их электропитанием.

5

5.2. Блок микроконтроллерного управления

Требования к блоку микроконтроллерного управления БМК (далее его будем также называть – блоком микроконтроллера) определяются составом функций ПМ конкретного назначения, необходимой точностью вычислений результатов измерений и их обработки, необходимым быстродействием (количеством операций в секунду), ограничениями электропотребления и габаритов.

5.2.1. Микроконтроллер – основа БМК.

Под микроконтроллером (МК) понимается микросхема высокого уровня интеграции, которая включает в себя структурные составляющие:

микропроцессор − интегральная микросхема, предназначенная для выполнения вычислительных операций;

запоминающие устройства различных типов;

периферия, обеспечивающая ввод-вывод электрических сигналов.

По сути, МК – это однокристальный компьютер. Ранее он так и назывался − микро-ЭВМ. Использование одной микросхемы МК вместо функционального набора микросхем: процессора, памяти различных типов и периферии вводавывода сигналов значительно уменьшает габаритные размеры БМК, снижает трудоемкость его реализации, уменьшает электропотребление и таким образом снижает общую стоимость прибора.

5.2.1.1. Выбор МК для применения в проекте ПМ конкретного назначения осуществляется на основе следующих характеристик:

тактовая частота;

разрядность шин;

состав и количество каналов ввода-вывода;

энергопотребление;

геометрические размеры.

1) Под тактовой частотой МК понимается частота (МГц) задающего генератора, стабилизированная с помощью кварцевого элемента.

Кварцевый элемент и дополняющие его генераторные элементы являются внешними устройствами МК и подключаются к его тактирующим входам.

Чем выше частота тактового генератора, тем меньше время, которое МК затрачивает на выполнение одного такта операций вычисления, обращения к памяти и управления вводом-выводом. Тем выше быстродействие ПМ.

2)Под разрядностью МК понимается число одновременно обрабатываемых двоичных разрядов: 4,8,16,32,64. Понятно, что процессоры с большей разрядностью имеют большую вычислительную способность. Но каждому ПМ нужен свой вычислительный уровень.Здесь не так, что: «чем больше, тем лучше».

3)Характеристики каналов ввода-вывода определяются составом и коли-

чеством принимаемых входных и формируемых выходных сигналов. Состав сигналов определяет каналы:

ввода аналоговых сигналов,

вывода аналоговых сигналов,

ввода дискретных сигналов,

6

вывода дискретных сигналов,

бит-последовательной передачи цифрового сигнала.

Количество каналов определяет потенциальное количество функций вво- да-вывода, которые может поддерживать МК.

4)Энергопотребление определяет экономичность создаваемого прибора и формирует требования к организации его питания. Энергоснабжение должно анализироваться для различных режимов работы МК: для рабочего режима, для ждущего режима, для режима «сна». Понятно, что чем меньше ПМ потребляет электроэнергии при сохранении предъявляемых к нему технических требований, тем лучше: тем больше возможности для его питания от источника автономного питания, тем меньше он выделяет тепла и поэтому не требует теплоотвода.

В настоящее время на рынках микроэлектроники имеется огромное разнообразие типов МК. В данной лекции из всего этого разнообразия рассмотрим характеристики МК семейства MSP430, которое, обладая высокими техническими характеристиками, отличается низким энергопотреблением. Низкое энергопотребление делает MSP430 весьма перспективным для применения в приборах разного назначения: в счётчиках количества тепловой энергии, в счетчиках

ирасходомерах газа и жидкости, в измерителях и регуляторах различных физических величин, в портативных медицинских приборах и т.д.

5)Внешний вид одного из микроконтроллеров семейства MSP430 представлен ниже, практически в натуральную величину:

5.2.1.2. Схема структурная МК типа MSP430, представлена на рис.5.3.

Рис. 5.3. Структурная схема микроконтроллера MSP430

7

Основой МК семейства является процессор RISC-CPU 16-разрядный со структурой связей, определяемой как RISC-архитектура: Reduced Instruction Set Computer. Отличительная особенность RISC-CPU состоит в том, что процессор обращается к памяти различного вида и к периферийным устройствам процессорной командой, которая выполняется в течение одного такта, в то время как в МК других типов такие обращения выполняются за несколько процессорных тактов подготовительных и одного исполнительного.

По этой причине – «уменьшенное количество операций» (Reduced Instruction Set)

Однотактное исполнение команд CPU обеспечивается тем, что RISC-CPU поддерживает единое адресное пространство с возможностью непосредственного обращения через общую адресную шину (MAB) и шину памяти данных (MDB) к Flash-ПЗУ (Постоянное Запоминающее Устройство), к оперативной памяти ОЗУ (RAM), к сторожевому таймеру и к периферийным модулям вводавывода.

Длительность такта RISC-CPU определяется кварцевой частотой генератора тактовой частоты, который находится в блоке «система тактирования».

Памяти Flash-ПЗУ и ОЗУ могут использоваться как для программного кода, реализующего алгоритмы работы прибора, так и для данных – для регистрации результатов контроля и измерения. Байты или слова таблиц данных могут сохраняться и использоваться непосредственно в Flash, что исключает необходимость копировать эти таблицы в ОЗУ перед дальнейшим использованием. Во Flash размещена таблица прерываний. Она занимает верхние 16 слов адресного пространства. Обращение к прерыванию позволяет немедленно инициировать выполнение программы, реализующий алгоритм действий по определенному событию.

Сторожевой таймер (WDT − WatchDog-timer)−предназначен для контроля штатного исполнения программ. Он срабатывает по фактам «зависания» программы и формирует программное прерывание, которое инициирует продолжение работы БМК. Сторожевой таймер, как правило, организуется в виде свободно бегущего таймера-счетчика, который сбрасывается через определенное время. В том случае, если происходит сбой исполнения программы, то счетчик своевременно не сбрасывается в нуль, происходит его переполнение, которое формирует аппаратный сброс микроконтроллера.

5.2.1.3. Схема функциональная МК типа MSP430 представлена на рис.5.4.

Рис. 5.4. Функциональная схема одного из МК из семейства MSP430

8

На функциональной схеме в дополнение к ранее рассмотренным видам памяти и сторожевому таймеру показаны периферийные модули: супервизор питания BOR; порты параллельной передачи сигналов (port); таймеры (А,В); аналоговый компаратор(Соmp-A); аналого-цифровой преобразователь (ADC); циф- ро-аналоговый преобразователь (DAC); порты последовательной передачи дан-

ных (UART).

1) BOR – супервизор питания предназначен для защиты МК от сбоев, которые возникают при коротких «пропаданиях» напряжения питания.

Например: после «сбоя» питания процессор и память могут с «разным временем» терять и восстанавливать свою работоспособность. Если процессор начнет работать раньше, то из памяти он будет считывать ложную информацию. А это приведет к «зависанию» программы.

2) Порты ввода-вывода (Port)− порты параллельного ввода и вывода дискретных сигналов. В MSP430 различного исполнения количество таких портов может быть от 1 до 6 (Р1,…,Р6). Каждый порт – это 8 дискретных каналов.

Каждый канал любого порта может индивидуально конфигурироваться:

на ввод или на вывод дискретного сигнала,

на соответствие состояния дискретного сигнала «логической 1» и логическому «нулю». Программно «высокий уровень» или «низкий уровень»; соответственно инверсно задается значение «логического 0». При этом «низкий уровень» может быть равен напряжению 0В, а «высокий уровень» может быть равен напряжению источника питания.

Каналы портов P1 и P2 способны работать как выводы внешних прерываний (IRQ). Это значит, что при появлении на входе какого-либо канала Р1 или Р2 сигнала логической «1» последуют два действия: будет остановлена работа исполняемой программы и запомнены все промежуточные результаты; будет инициировано обращение к определенной подпрограмме, предназначенной для обработки события, факт которого сигнализируется сигналом прерывания.

Как правило, событиями, вызывающими прерывание, могут быть:

наступление времени выполнения какого-то действия (например, - периодическая проверка работоспособности оборудования);

возникновение аварийного состояния среды (например, - аварийная загазованность помещения);

возникновение аварийного состояния оборудования (например,- аварийный останов насоса городского водоснабжения, срабатывание охранной сигнализации);

выход текущего значения контролируемой физической величины за заданные границы ее допустимого изменения (например, - снижение давления газа в трубопроводе ниже допустимого значения или превышение допустимой скорости изменения температуры среды).

Отметим особенность обработки прерываний: сигналы от каналов каждого

порта сгруппированы в один общий вектор: для порта P1 вектор прерывания с адресом Flash памяти– FFE8h, а для порта P2 – с адресом FFE2h. Поэтому в подпрограмме обработки прерывания после активизации вектора прерывания дополнительно должны анализироваться флаги прерывания, т.е. должен быть

9

установлен тот канал, на входе которого имело место изменения дискретного входного сигнала. Запрос прерывания от каждого канала портов Р1 и Р2 может быть индивидуально «разрешен» или «запрещен», а также может быть индивидуально сконфигурирован на инициирование прерывания по «переднему» или «заднему» фронту входного сигнала, т.е. по переходу из состояния логического «0» в состояние логической «1» или наоборот.

3) Таймеры А3 и В7 – это два 16-ти битных счетчика, на входы которых поступают импульсные последовательности образцовой частоты, а счетчики позволяют формировать до 8-ми различных временных интервалов, задаваемых программно.

4) Comp_A – это аналоговый компаратор: устройство, которое позволяет сравнивать уровень аналогового сигнала на входе с некоторым опорным уровнем, например, относительно напряжения Vо (1,5В или 2,5В) источника опорного (эталонного) напряжения. При превышении входным сигналом уровня опорного напряжения происходит «срабатывание» компаратора и формирование запроса сигнала прерывания. Выходной сигнал компаратора можно вывести на внешний вывод микроконтроллера или использовать в качестве входа для модуля захвата/сравнения таймера А или В.

5)ADC12−аналого-цифровой преобразователь, который осуществляет пре-

образование входной аналоговой величины в цифровой код, обладает следующими техническими характеристиками:

разрядность – 12 или 10 бит нормального двоичного кода;

скорость преобразования – 200 000 операций/с (обеспечивает временную дискретизацию – «оцифровку» - входного сигнала с временным шагом 5 мкс);

встроенное устройство выборки/хранения;

преобразование инициируется программным обеспечением или аппаратно от таймеров A или B;

встроенный генератор опорного напряжения 1.5 или 2.5 V;

буферная память преобразования и управления, позволяющая сохранить до 16 последовательных измерений;

восемь индивидуально конфигурируемых внешних входных каналов.

Вмодуле имеется датчик температуры, который позволяет учитывать влияние изменения температуры окружающей среды на погрешность аналогоцифрового преобразования.

6)DAC12 − цифро-аналоговый преобразователь, 12-ти разрядный.DAC осуществляет преобразования значений кодового значения сигнала, формируемых процессором, в выходной аналоговый сигнал напряжения постоянного тока.

7) UART- интерфейс определяет протокол бит-последовательной передачи данных, как в универсальном протоколе асинхронной передачи сигнала соглас-

но популярным интерфейсам RS232 и RS485, так и во внутриприборных протоколах SPI и I2C, которые будут рассмотрены ниже.

ВUART подключение к МК внешнего устройства может осуществляться через один или два порта. Каждый UART- порт имеет: URxD – вход приемника

(R-receiver data), UTxD – выход передатчика (T- transmitter data) и общий провод.

10

Краткие технические характеристики некоторых типов МК из семейства

MSP430 показаны в табл. 5.1

Таблица 5.1.

Встолбце «кол-во выводов» указано количество каналов ввода-вывода дискретных сигналов. Здесь показаны МК с количеством каналов 20 и 64, но есть микросхемы с другим количеством каналов, в том числе – с 14 и 48.

Встолбце Flash/RAM указывают соответственно объем Flash и RAM памя-

ти.

Встолбцах «таймеры» и «интерфейсы» указывается количество и типы таймеров и каналов для последовательной передачи сигналов. Обратим внимание на то, что интерфейсы UART есть не во всех исполнениях МК, но в некоторых есть два канала UART, а также каналы другого типа.

Встолбце BOR указывается наличие супервизора питания, а в столбце «Дополнительно» указывается наличие компаратора Comp_A, аналого-циф- рового преобразователя (ADC), цифро-аналогового преобразователя DAC.

Ранее отмечалось, что семейство MSP430 характеризуются низким потребленим электроэнергии. Так для сохранения содержимого ОЗУ необходим ток не более 0,1 мкА, а ток при максимальной производительности CPU не превышает 250 мкА. Низкое энергопотребление обеспечивает возможность длительной работы прибора при питании от автономного источника: батареи или аккумулятора.

Всемействе MSP430 есть исполнение MSP430C1101: 1кБ ПЗУ, 128 байт ОЗУ, сторожевой таймер, многофункциональный 16-разрядный таймер и аналоговый компаратор, которое на 100% совместимо с другими исполнениями МК семейства. MSP430C1101 на 2010г. рекламировался как МК с самым минимальным потреблением электроэнергии. По сравнению другими он обеспечивает до 10 раз большую экономию электроэнергии: в активном режиме (на 4 кГц) потребление составляет 1,3 микроампера, а в режиме ожидания потребление составляет всего 0,7 мкА. Если в среднем за сутки потребляемый ток принять равным 1мкА, то годовой расход энергии составит порядка 10мА*час. Стоимость MSP430C1101 при больших объемах поставок всего $0,49. Под такой МК может быть подобран аккумулятор для питания прибора в течение всего нормативного срока его эксплуатации. А это важно при создании систем различного назначения.