Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО Череповецкий государственный университет

Институт информационных технологий

Кафедра Автоматизации и систем управления

К. А. Харахнин, канд. техн. наук, проф.

Аналоговые и цифровые устройства автоматики

У Ч Е Б Н О Е П О С О Б И Е

Ч Е Р Е П О В Е Ц 2007

УДК 681.58: 681.32

ХАРАХНИН К.А. Основы проектирования микропроцессорных устройств автоматики на однокристальных микроконтроллерах: Учебное пособие. – Череповец: ЧГУ, 2007. – 234 с.

Учебное пособие содержит теоретические сведения об архитектуре и устройстве однокристальных микроконтроллеров семейства MCS51. Рассматриваются назначение всех программно-доступных регистров и их битов, система прерывания, работа последовательного порта, возможности по расширению параллельных портов ввода/вывода, виды адресации и система команд.

Показаны основные принципы построения и программирования цифровых устройств на базе однокристальных микроконтроллеров, рассмотрены вопросы согласования с периферийными устройствами. Приведены многочисленные примеры программ, реализующих типовые процедуры обработки данных и управления объектами, рассматриваются схемы подключения стандартных средств, составляющих цифровое устройство. Рассмотрены вопросы моделирования и отладки микропроцессорного устройства, а также программирование управляющей программы в ПЗУ контроллера.

В конце каждого раздела пособия приведены задания для самостоятельной работы, позволяющие закрепить изученный материал.

Пособие ориентировано на студентов специальностей 220301 “Автоматизация технологических процессов и производств” и 220201 “Управление и информатика в технических системах”, изучающих дисциплины “Основы микропроцессорной техники”, “Однокристальные микроконтроллеры”, “Проектирование микропроцессорных систем” и выполняющих курсовые и дипломные проекты.

Рецензенты: Заведующий кафедрой ПО ЭВМ Череповецкого государственного университета к.т.н., профессор Е.В.Ершов;

Заместитель директора по научной и учебной работе ЧФ ИБП д.т.н., профессор В.Р. Аншелес.

Научный редактор канд. техн. наук, проф. В.А. Шабалов

ISBN 5-88954-143-9 © ГОУ ВПО “Череповецкий

государственный университет”, 2007

“Пройди путь от ученика до мастера”

В в е д е н и е

Появление однокристальных микроконтроллеров (МК) значительно упростило процесс разработки новых цифровых устройств автоматики и бытовой радиоэлектроники в сравнении с устройствами, создаваемыми на однокристальных микропроцессорах /1/. Старый добрый “прадедушка” микропроцессор 580 безнадежно устарел. За это время появились новые типы микропроцессоров, а также однокристальные МК. Архитектура МК – это результат эволюции архитектуры микропроцессоров и микропроцессорных систем, обусловленной стремлением существенно снизить их аппаратные затраты и стоимость. Средняя стоимость 8 - разрядной однокристального МК составляет в настоящее время 3-4 $ (USA) и держится постоянной на протяжении ряда лет. Эти микропроцессорные средства предназначены для “интеллектуализации” оборудования в различных отраслях промышленности. В некоторых публикациях отмечается, что более 2/3 мирового рынка микропроцессорных устройств автоматики построено именно на однокристальных МК. Использование МК в информационных и управляющих системах столь эффективно (при низкой стоимости контроллера), что, видимо, в ближайшем будущем им не будет альтернативной элементной базы.

МК представляют собой большие интегральные схемы, включающие в себя все устройства и режимы, необходимые для реализации цифрового устройства любой сложности: память программ, память данных, таймеры-счетчики, параллельные и последовательный порты, встроенный генератор. Однокристальные МК позволяют легко построить цифровое устройство любой сложности с малым током потребления и широкими функциональными возможностями / 2 /. Основная доля затрат времени (приблизительно 80%) при создании нового устройства приходится на разработку программного обеспечения. В периодической литературе рассматриваются цифровые устройства на различных типах однокристальных МК, приводятся таблицы с HEX кодами для программирования устройства, объясняется работа электрической принципиальной схемы и не затрагиваются вопросы методики программирования процедур и управляющей программы. Как правило, предлагается просто повторить устройство и запрограммировать его кодами, которые указаны в таблице. Такой подход не позволяет понять до конца принцип функционирования устройства и дополнить его новыми функциональными возможностями.

Отечественной промышленностью выпускались МК серий 1816 (n-MOП технология) и 1830 (КМОП технология) известных семейств МК48 (MCS48) и МК51 (MCS51). Зарубежные производители выпускают большую номенклатуру однокристальных МК. Среди большого количества разработчиков отметим занявшие передовые позиции на мировом контроллерном рынке фирмы: ATMEL ( AVR, семейство АТ89), MICROCHIP (PIC-контроллеры), INTEL (MCS51). Производители МК интенсивно работают над улучшением характеристик устройств. Основные тенденции развития следующие: увеличение быстродействия МК, рост объемов памяти данных и программ, увеличение количества таймеров-счетчиков и портов, снижение токопотребления, применение FLASH технологии записи в память программ и данных (многократно электрически перепрограммируемая память взамен ультрафиолетового стирания), на кристалле МК размещаются АЦП с аналоговым коммутатором, ЦАП и широтно-импульсные модуляторы (ШИМ), увеличение нагрузочной способности разрядов портов.

В предлагаемом учебном пособии в комплексе рассматриваются вопросы, связанные с разработкой аппаратных средств и программного обеспечения при проектировании цифрового устройства, методики создания прикладной управляющей программы.

Материал пособия основан на лекционных курсах “Однокристальные микроконтроллеры” и “Основы микропроцессорной техники”, читаемых автором на протяжении ряда лет на кафедре “Автоматизации и систем управления” ЧГУ. В качестве изучаемого объекта выбраны однокристальные МК классического семейства MCS51. Выбор того или иного типа МК (AVR, pic-контроллеры, MCS51) для цифрового устройства определяется задачами, которые нужно решить. Так, например, pic-контроллеры (RISC тип), имеющие упрощенную систему команд, в основном ориентированы на применение в схемах, решающих логические задачи. Они обладают малыми габаритами, малым током потребления, высокой нагрузочной способностью разрядов. Если требуется решать более интеллектуальные задачи, где необходимо выполнить какие-либо вычисления по формулам, на взгляд автора, более выгодно семейство MCS51, имеющее 111 ассемблерных команд, включая команды умножения и деления / 3 /.

Некоторые читатели могут возразить:“Зачем создавать свои контроллеры?” В настоящее время множество зарубежных и отечественных фирм, таких как OCTAGON, FASTWEL, OMRON, ADVANTECH, ТЕХНОКОНТ, SIEMENS и др., предлагает свои разработки. Как правило, выпускаемые контроллеры предназначены для решения задач АСУ ТП и стоят не дешево. Базовый процессорный модуль с блоком питания имеет цену 300 $. Если добавить многоканальные платы аналогового и дискретного ввода/вывода цена возрастет до 800$. Необходимо адаптировать универсальный контроллер для своей задачи. При решении определенных задач не всегда нужна многоканальность. Это касается, например, разработки устройств для оперативного контроля параметров оборудования и измерительной техники. Как правило, это одноканальное устройство с возможностью обработки и сохранения информации о параметрах в энергонезависимой памяти. Стоимость такого прибора, построенного с использованием однокристального МК, будет на порядок ниже предлагаемых контроллеров.

Желаю своим читателям успехов в изучении методики разработки и программирования микропроцессорной техники.