Микропрроцессоры

Микроконтроллер производится по технологии высокоплотной энергонезависимой  памяти компании Atmel. Встроенная внутрисистемно программируемая флэш-память позволяет  перепрограммировать память программ непосредственно внутри системы через последовательный интерфейс SPI с помощью простого программатора или с помощью автономной программы в загрузочном секторе. Загрузочная программа может использовать любой интерфейс для загрузки прикладной программы во флэш-память. Программа в загрузочном секторе продолжает работу в процессе обновления прикладной секции флэш-памяти, тем самым поддерживая двухоперационность: чтение во время записи. За счет сочетания 8-разр. RISC ЦПУ с внутрисистемно самопрограммируемой флэш-памятью в одной микросхеме ATmega128 является мощным микроконтроллером, позволяющим достичь высокой степени гибкости и эффективной стоимости при проектировании большинства приложений встроенного управления.

 

Отличительные особенности:

1. Высокопроизводительный, маломощный 8-разрядный микроконтроллер; 

2. Развитая RISC-архитектура: 
    – 133 мощных инструкций, большинство из которых выполняются за один машинный цикл; 
    – 32 8-разр. регистров общего назначения + регистры управления встроенной периферией; 
    – Полностью статическая работа; 
    – Производительность до 16 млн. операций в секунду при тактовой частоте 16 МГц; 
    – Встроенное умножающее устройство выполняет умножение за 2 машинных цикла;

3. Энергонезависимая память программ и данных: 
       – Износостойкость 128-ми кбайт внутрисистемно перепрограммируемой флэш-памяти: 1000 циклов запись/стирание; 
       – Опциональный загрузочный сектор с отдельной программируемой защитой;

Внутрисистемное программирование встроенной загрузочной программой; 
Гарантированная двухоперационность: возможность чтения во время записи:     

– Износостойкость 4 кбайт  ЭСППЗУ: 100000 циклов запись/стирание; 
    – Встроенное статическое ОЗУ емкостью 4 кбайт; 
    – Опциональная возможность адресации внешней памяти размером до 64 кбайт; 
    – Программируемая защита кода программы; 
    – Интерфейс SPI для внутрисистемного программирования;

4. Интерфейс JTAG (совместимость со стандартом IEEE 1149.1): 
       – Граничное сканирование в соответствии со стандартом JTAG; 
       – Обширная поддержка функций встроенной отладки; 
       – Программирование флэш-памяти, ЭСППЗУ, бит конфигурации и защиты через интерфейс JTAG;
5. Отличительные особенности периферийных устройств: 
       – Два 8-разр. таймера-счетчика с раздельными предделителями и режимами сравнения; 
       – Два расширенных 16-разр. таймера-счетчика с отдельными предделителями, режимами сравнения и режимами захвата; 
       – Счетчик реального времени с отдельным генератором; 
       – Два 8-разр. каналов ШИМ; 
       – 6 каналов ШИМ с программируемым разрешением от 2 до 16 разрядов; 
       – Модулятор выходов сравнения; 
       – 8 мультиплексированных каналов 10-разрядного аналогово-цифрового преобразования;

8 несимметричных каналов; 
7 дифференциальных каналов; 
2 дифференциальных канала с выборочным усилением из 1x, 10x и 200x;     

– Двухпроводной последовательный интерфейс, ориентированный не передачу данных в байтном формате; 
    – Два канала программируемых последовательных УСАПП; 
    – Последовательный интерфейс SPI с поддержкой режимов ведущий/подчиненный; 
    – Программируемый сторожевой таймер со встроенным генератором; 
    – Встроенный аналоговый компаратор;

6. Специальные возможности микроконтроллера: 
       – Сброс при подаче питания и программируемая схема сброса при снижении напряжения питания; 
       – Встроенный калиброванный RC-генератор; 
       – Внешние и внутренние источники прерываний; 
       – Шесть режимов снижения энергопотребления: холостой ход (Idle), уменьшение шумов АЦП, экономичный (Power-save), выключение (Power-down), дежурный (Standby) и расширенный дежурный (Extended Standby); 
       – Программный выбор тактовой частоты; 
       – Конфигурационный бит для перевода в режим совместимости с ATmega103; 
       – Общее выключение подтягивающих резисторов на всех линиях портов ввода-вывода;
7. Ввод-вывод и корпуса: 
       – 53 –программируемые линии ввода-вывода; 
       – 64-выв. корпус TQFP;
8. Рабочие напряжения: 
       – 2.7 - 5.5В для ATmega128L; 
       – 4.5 - 5.5В для ATmega128;
9. Градации по быстродействию: 
       – 0 - 8 МГц для ATmega128L; 
       – 0 - 16 МГц для ATmega128.

На рисунке 8 представлена структурная схема МК ATmega128 и его цоколевка.

Рис. 8 – Структурная  схема МК ATmega128 и его цоколевка

Назначение  выводов МК ATmega128             

VCC	Напряжение питания  цифровых элементов
GND	Общий
Порт A (PA7..PA0)	Порт A – 8-разр. порт двунаправленного ввода-вывода с внутренними подтягивающими к плюсу резисторами (выбираются раздельно для каждого разряда). Выходные буферы порта A имеют симметричную выходную характеристику с одинаковыми  втекающим и вытекающим токами. При вводе, линии порта А будут действовать как источник тока, если внешне действует низкий уровень и включены подтягивающие резисторы. Выводы порта A находятся в третьем (высокоимпедансном) состоянии при выполнении условия сброса, даже если синхронизация не запущена. Порт А также выполняет некоторые специальные функции ATmega128, описываемых далее.
Порт В (PВ7..PВ0)	Порт B – 8-разр. порт двунаправленного ввода-вывода с внутренними подтягивающими к плюсу резисторами (выбираются раздельно для каждого разряда). Выходные буферы порта В имеют симметричную выходную характеристику с одинаковыми втекающим и вытекающим токами. При вводе, линии по9рта B будут действовать как источник тока, если внешне действует низкий уровень и включены подтягивающие резисторы. Выводы порта B находятся в третьем (высокоимпедансном) состоянии при выполнении условия сброса, даже если синхронизация не запущена. Порт В также выполняет некоторые специальные функции ATmega128, описываемых далее.
Порт C (PC7..PC0)	Порт C – 8-разр. порт двунаправленного ввода-вывода с внутренними подтягивающими к плюсу резисторами (выбираются раздельно для каждого разряда). Выходные буферы порта C имеют симметричную выходную характеристику с одинаковыми  втекающим и вытекающим токами. При вводе, линии порта C будут действовать как источник тока, если внешне действует низкий уровень и включены подтягивающие резисторы. Выводы порта C находятся в третьем (высокоимпедансном) состоянии при выполнении условия сброса, даже если синхронизация не запущена. Порт C также выполняет некоторые специальные функции ATmega128, описываемых далее. В режиме совместимости с ATmega103 порт C действует только на вывод, а при выполнении условия сброса линии порта C не переходят в третье состояние.
Порт D (PD7..PD0)	Порт D – 8-разр. порт двунаправленного ввода-вывода с внутренними подтягивающими к плюсу резисторами (выбираются раздельно для каждого разряда). Выходные буферы порта D имеют симметричную выходную характеристику с одинаковыми  втекающим и вытекающим токами. При вводе, линии порта D будут действовать как источник тока, если внешне действует низкий уровень и включены подтягивающие резисторы. Выводы порта D находятся в третьем (высокоимпедансном) состоянии при выполнении условия сброса, даже если синхронизация не запущена. Порт D также выполняет некоторые специальные функции ATmega128, описываемых далее.
Порт E (PE7..PE0)	Порт E – 8-разр. порт двунаправленного ввода-вывода с внутренними подтягивающими к плюсу резисторами (выбираются раздельно для каждого разряда). Выходные буферы порта E имеют симметричную выходную характеристику с одинаковыми втекающим и вытекающим токами. При вводе, линии порта E будут действовать как источник тока, если внешне действует низкий уровень и включены подтягивающие резисторы. Выводы порта E находятся в третьем (высокоимпедансном) состоянии при выполнении условия сброса, даже если синхронизация не запущена. Порт E также выполняет некоторые специальные функции ATmega128, описываемых далее.
Порт F (PF7..PF0)	Порт F действует как аналоговый ввод аналогово-цифрового преобразователя. Порт F также может использоваться как 8-разр. порт двунаправленного ввода-вывода, если АЦП не используется. К каждой линии порта может быть подключен встроенный подтягивающий к плюсу резистор (выбирается раздельно для каждого бита). Выходные буферы порта F имеют симметричную выходную характеристику с одинаковыми втекающим и вытекающим токами. При вводе, линии порта F будут действовать как источник тока, если внешне действует низкий уровень и включены подтягивающие резисторы. Выводы порта F находятся в третьем (высокоимпедансном) состоянии при выполнении условия сброса, даже если синхронизация не запущена. Если активизирован интерфейс JTAG, то подтягивающие резисторы на линиях PF7(TDI), PF5(TMS) и PF4(TCK) будут подключены, даже если выполняется Сброс.  Вывод TDO находится в третьем состоянии, если не введено состояние TAP, при котором сдвигаются выводимые данные.  Порт F также выполняет функции интерфейса JTAG.  В режиме совместимости с ATmega103 порт F действует только на ввод.
Порт G (PG4..PG0)	Порт G – 5-разр. порт двунаправленного ввода-вывода с внутренними подтягивающими к плюсу резисторами (выбираются раздельно для каждого разряда). Выходные буферы порта G имеют симметричную выходную характеристику с одинаковыми втекающим и вытекающим токами. При вводе, линии порта G будут действовать как источник тока, если внешне действует низкий уровень и включены подтягивающие резисторы. Выводы порта G находятся в третьем (высокоимпедансном) состоянии при выполнении условия сброса, даже если синхронизация не запущена.  Порт G также выполняет некоторые специальные функции ATmega128.  В режиме совместим9ости с ATmega103 данные выводы используются как стробирующие сигналы интерфейса внешней памяти, а также как вход генератора 32 кГц, а при действии сброса они асинхронно принимают следующие состояния: PG0 = 1, PG1 = 1 и PG2 = 0, даже если синхронизация не запущена. PG3 и PG4 – выводы генератора.
RESET	вход сброса. Если на этот вход приложить низкий уровень длительностью более минимально необходимой будет генерирован сброс независимо от работы синхронизации. Минимальная длительность внешнего импульса сброса приведена в таблице 19.  Действие импульса меньшей продолжительности не гарантирует генерацию сброса.
XTAL1	вход внешней синхронизации и подключения генератора.
XTAL2	вход внешней синхронизации.
AVCC	вход питания порта F и аналогово-цифрового преобразователя. Он должен быть внешне связан с VCC, даже если АЦП не используется. При использовании  АЦП этот вывод связан с VCC через фильтр низких частот.
AREF	вход подключения источника  опорного напряжения АЦП.
PEN	вход разрешения программирования для режима последовательного программирования через интерфейс SPI. Если во время  действия сброса при подаче питания  на этот вход подать низкий уровень, то микроконтроллер переходит в режим последовательного программирования через SPI. В рабочем режиме PEN не выполняет никаких функций.

 

Алгоритм работы управляющей  программы для микроконтроллера будет следующим (рис. 9).

Рис. 9 – Алгоритм работы управляющей программы для МК

 

3.5. Описание  и реализация выходного интерфейса

RS-232 - интерфейс передачи  информации между двумя устройствами  на расстоянии до 20 м (средняя  скорость передачи – 19200 бод). Информация передается по проводам с уровнями сигналов, отличающимися от стандартных 5В, для обеспечения большей устойчивости к помехам. Асинхронная передача данных осуществляется с установленной скоростью при синхронизации уровнем сигнала стартового импульса.

По структуре это обычный асинхронный последовательный протокол, то есть передающая сторона по очереди выдает в линию 0 и 1, а принимающая отслеживает их и запоминает. Данные передаются пакетами по одному байту (8 бит) (рис.10).

Вначале передаётся стартовый  бит, противоположной полярности состоянию незанятой (idle) линии, после чего передаётся непосредственно кадр полезной информации, от 5 до 8-ми бит.

Увидев стартовый бит, приемник выжидает интервал T1 и считывает  первый бит, потом через интервалы T2 считывает остальные информационные биты. Последний бит — стоповый бит (состояние незанятой линии), говорящий о том, что передача завершена. Возможно 1, 1.5, 2 стоповых бита.

 

Рис. 10 – Структура  пакета передачи данных по интерфейсу RS-232

 

В конце байта, перед  стоп битом, может передаваться бит четности (parity bit) для контроля качества передачи. Он позволяет выявить ошибку в нечетное число бит (используется, так как наиболее вероятна ошибка в 1 бит).

Устройства для связи  по последовательному каналу соединяются кабелями с 9-ю или 25-ю контактными разъёмами типа D-sub. Обычно они обозначаются DB-9, DB-25, CANNON 9, CANNON 25.

Первоначально в RS-232 использовались DB-25, но, поскольку многие приложения использовали лишь часть предусмотренных  стандартом контактов, стало возможно применять для этих целей 9-штырьковые разъёмы DB-9 (D-subminiature), которые рекомендованы стандартом RS-574. Уровни сигналов RS-232 приведены на рис.11.

 

Рис. 11 – Уровни сигналов интерфейса RS-232

 

Для интерфейса RS-232 выбираем ИМС MAX232. На рис.12 изображены удвоитель напряжения и инвертор напряжения +15В в -15В. Эти напряжения используются для формирования сигналов соответствующих RS-232. MAX232 позволяет подключить два последовательных порта.

Рис. 12 - Структурная схема ИМС MAX232

 

 

 

4. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ

 

Среди многочисленных характеристик, отражающих производительность, эксплуатационные свойства и особенности конструкции схем, выделяют несколько основных, по которым можно произвести оценку в отношении соответствия требованиям, предъявляемым при разработке схемы. К таким характеристикам относят такой показатель надёжности как вероятность безотказной работы в течение заданного времени.

Вероятность безотказной  работы схемы за время t, будет вычисляться по формуле:

,

здесь - интенсивность отказов всех элементов схемы, 1/ч.

Для ее определения необходимо воспользоваться справочными данными  или рассчитать по формуле:

,

где N_i – количество элементов в каждой группе;

λ – интенсивность отказа элементов в этой группе.

 

Значение интенсивности  отказа выберем из справочника для  выбранной серии элементов и  сведем расчеты в таблицу.

 

Наименование элемента	Значение интенсивности  отказов  , 1/ч	Кол-во Ni	Результирующая интенсивность отказов , 1/ч
ИМС MAX4044	0,02*10-6	4	0,08*10-6
ИМС MAX232	0,01*10-6	1	0,01*10-6
ИМС ATmega128	0,015*10-6	1	0,015*10-6
ИМС CSM1	0,31*10-6	4	1.24*10-6
Резистор С1-33N-0,125	1,0*10-6	1	1*10-6
Конденсаторы SMD0804 15пФ	4,3*10-6	7	30.1*10-6
Резонатор кварцевый	0,05*10-6	1	0,05*10-6
Датчик CSM1	4,5*10-6	4	18.0*10-6
Интенсивность отказов  всех элементов схемы			50,495*10-6

 

Зададимся временем t=1000 часов, тогда вероятность безотказной работы всей схемы за время t будет следующей:

 

 

Полученная надежность удовлетворяет требованиям к  надежности электронных устройств.

 

 

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В настоящее время, микроконтроллеры занимают огромную нишу в электронной  аппаратуре. Основные требования, которые потребители предъявляют к управляющим блокам приборов можно сформулировать следующим образом: низкая стоимость, высокая надежность, высокая степень миниатюризации, малое энергопотребление, работоспособность в жестких условиях эксплуатации; достаточная производительность для выполнения всех требуемых функций. Всем вышесказанным требованиям отвечает применение микроконтроллера в качестве управляющего устройства при разработке новых устройств.

По полученному заданию  была спроектирована система сбора и обработки информации от аналогового датчика физической величины. В соответствии с заданием был описан принцип работы аналогового датчика и выбрана модель датчика. Также был описан тип аналого-цифрового преобразователя, выбрана его микросхема и проведены необходимые расчеты. Был проведен выбор и расчет аналоговой измерительной части устройства (операционный усилитель), выбран микроконтроллер в качестве управляющего блока всей системы и разработан алгоритм его работы в проектируемой системе. Также был описан выходной интерфейс системы.

В ходе проектирования были закреплены знания работы с микроконтроллерами и цифровыми микросхемами, получен полезный опыт разработки подобных устройств. Для получения информации по разработке широко использовались отечественные и зарубежные информационные источники.

Была разработана электрическая  структурная и принципиальная схема  устройства.

 

 

6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник. - М.: МРБ, 2007. – 508 с.
2. Ларент Ф. Применение АЦП в микроконтроллерных системах. – М.: Инфра-М, 2004. – 320 с.
3. Федорков Б. Г., Телец В. А., Дегтяренко В. П. Микроэлектронные цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи. М,: Радио и связь, 1984.
4. Предко М. Микроконтроллеры. Справочное пособие инженера. – М.: Радио, 2003. – 624 с.
5. Интегральные микросхемы: Справочник/ И73 Б. В. Тарабрин, Л. Ф. Лунин, Ю. Н. Смирнов и др.; Под ред.Б. В. Тарабрина. – 2-е изд., испр. – М; Энергоатомиздат, 1985. – 528 с., ил.
6. Технология производства ЭВМ: Учеб. для студ. вузов по спец. Вычислительные машины, комплексы, системы и сети./ У93 Н. Н. Ушаков; - 3-е изд., перераб. и доп. – М.; Высш. Шк., 1991. – 416 с.; ил.
7. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА (справочник) / Под ред. Акимов Н.Н., Прохоренко В.А., Ходоренок Ю.П., Ващук Е.П. - Мн.: Беларусь, 1994.

 

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ  А – СХЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТРУКТУРНАЯ

 

 
ПРИЛОЖЕНИЕ Б – СХЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ  ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ