 ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙСООБЩЕНИЯ»
СОГЛАСОВАНО:
:
Выпускающей кафедрой «Железнодорожная автоматика,
телемеханика и связь»
Зав. кафедрой
____________________А.В. Горелик
(подпись, Ф.И.О.)
« ___ » _____________ 20 ____ г.
|
Кафедра: «Железнодорожная автоматика, телемеханика и связь»
(название кафедры)
Авторы: Ермакова О.П., к.т.н, доц.
(ф.и.о., ученая степень, ученое звание)
ЗАДАНИЕ НА Курсовую РАБОТУ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
«Микропроцессорные информационно-управляющие системы»
(название дисциплины)
Направление/специальность: 23.05.05. Системы обеспечения движения поездов
(код, наименование специальности /направления)
Профиль/специализация: «Автоматика и телемеханика (СА)»,
Квалификация (степень) выпускника: специалист
Форма обучения: заочная
Москва 2014 г.
1. Общие требования к курсовой работе
Каждый студент должен выполнить в требуемом объеме работу в соответствии с индивидуальным заданием, приобрести навыки проектирования аппаратной части микропроцессорной системы и разработать программу обработки данных в соответствии с заданием.
1.1 Задание на курсовую работу.
Требуется разработать микропроцессорную систему управления объектом (МПС). Объект задан видом и количеством данных поступающих с объекта, потребным ресурсом для обработки данных, видом и количеством управляющих сигналов.
Вариант задания определяется по цифрам учебного шифра студента в соответствии с табл. 1 и табл. 2.
Для выполнения курсовой работы необходимо:
изучить рекомендуемую литературу и настоящие методические указания;
определить свой вариант задания;
разработать функциональную схему МПС;
составить подпрограмму обработки данных, отладить ее с помощью программного эмулятора и получить листинг программы.
Таблица 1
Цифра
|
Число каналов
|
Объем памяти, Кбайт
|
шифра
|
ввода
|
вывода
|
ПЗУ
|
ОЗУ
|
0
|
8
|
20
|
0,5
|
16
|
1
|
16
|
16
|
1
|
16
|
2
|
24
|
12
|
2
|
12
|
3
|
32
|
8
|
4
|
8
|
4
|
44
|
4
|
8
|
16
|
5
|
12
|
18
|
12
|
10
|
6
|
20
|
14
|
16
|
8
|
7
|
28
|
10
|
16
|
2
|
8
|
40
|
6
|
32
|
4
|
9
|
48
|
2
|
40
|
1
|
Примечание.
1. По последней цифре определяется число каналов ввода и вывода информации МПС для взаимодействия с объектом управления.
2. По предпоследней цифре - объем внешней памяти программ (ПЗУ) и данных (ОЗУ).
Блок-схема алгоритма обработки данных представлена на рис. 1.
Рис. 1. Блок-схема алгоритма обработки данных
В соответствии c блоком 2 алгоритма должна быть произведена предварительная установка микроконтроллера (МК-51), т.е. определены начальный адрес программы, константы, приоритет и источники прерывания, режим работы таймеров/счетчиков и последовательного порта, должен быть очищен аккумулятор и регистры-счетчики и задан вид сигнала прерывания (по фронту). Блок 3 программы переводит МК-51 в режим ожидания прихода прерывания. Внешнее прерывание поступает со входа  , если сумма двух последних цифр шифра четная, или  , если сумма двух последних цифр шифра нечетная. После прихода прерывания МК-51 читает байт данных (Date) из порта P1 (блок 4) и производит его сравнение с константой (Const) (блок 5). По результатам сравнения МК-51 либо выводит принятый байт через последовательный порт (блок 6), либо формирует на заданной линии порта P3 импульс заданной длительности (блок 7). После этого осуществляется переход в режим ожидания прихода следующего прерывания.
Частота синхронизации МК-51, скорость передачи данных через последовательный порт, длительность импульса, банк памяти, где будут располагаться регистры – счетчики, номер линии порта P3 определяются в соответствии с табл. 2.
Таблица 2
Цифра
шифра
|
Частота синхронизации, МГц
|
Длительность импульса, мс
|
Номер банка памяти
|
Номер линии порта P3
|
Скорость передачи данных через УАПП, бит/с
|
0
|
4
|
60
|
0
|
0
|
110
|
1
|
5
|
55
|
1
|
1
|
300
|
2
|
6
|
50
|
2
|
4
|
1200
|
3
|
7
|
45
|
3
|
5
|
2400
|
4
|
8
|
40
|
0
|
6
|
4800
|
5
|
9
|
35
|
1
|
7
|
7200
|
6
|
10
|
30
|
2
|
0
|
9600
|
7
|
10,5
|
25
|
3
|
1
|
14400
|
8
|
11
|
20
|
0
|
4
|
24000
|
9
|
12
|
15
|
1
|
5
|
28800
|
Примечание.
1. По последней цифре определяется частота синхронизации, длительность импульса и скорость передачи данных.
2. По предпоследней цифре – номера банка памяти и линии порта Р3.
1.2 Объем и содержание курсовой работы
Курсовая работа состоит из пояснительной записки и графической части.
Пояснительная записка, объемом 15…20 страниц, должна включать:
Задание на проектирование и исходные данные.
Теоретический вопрос.
Описание принципа работы разрабатываемой МПС, включающее функциональные схемы, временные диаграммы работы и т. д.
Блок-схему алгоритма работы МПС, реализующую заданную подпрограмму.
Текст программы на языке Ассемблер с необходимыми комментариями.
Графическая часть должна содержать функциональную схему разрабатываемой МПС.
Графические материалы должны быть оформлены с соблюдением требований ЕСКД.
Отладку программы выполнить с помощью эмулятора однокристальных микроконтроллеров Single-Chip machine, который можно скачать по адресу: http://dca.narod.ru/simulation/mk51.htm.
2. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ОСНОВНЫМ РАЗДЕЛАМ КУРСОВОЙ РАБОТЫ
2.1. Теоретический вопрос
В этой части работы необходимо изложить особенности построения МПС на основе выбранного микроконтроллера под заданные условия функционирования системы.
Работу над данной частью рекомендуется начать с изучения лекционного материала и учебной литературы [1, 3, 4]. Не следует переписывать вопрос целиком из каких-либо монографий или учебников. В тексте обязательно должны быть ссылки на используемые литературные источники.
2.2 Разработка МПС под заданные условия работы
Проектирование МПС на основе микроконтроллеров - достаточно простая инженерная задача, так как многие решения являются стандартными и их можно найти в литературных источниках. Однако для многих применений число линий ввода/вывода оказывается недостаточным, поскольку требуется проводить опрос значительного количества датчиков и осуществлять управление многими исполнительными механизмами. В условиях применения внешней памяти программ и данных эта проблема еще более обостряется т.к. для связи с внешними объектами остается всего лишь два порта ввода/вывода. Кроме этого, в процессе разработки МПС приходится решать задачу согласования уровней сигналов, формируемых датчиками, нагрузочной способности микроконтроллера и выходных ключей, скорости работы остальных компонентов МПС. С учетом изложенного, рассмотрим типовые решения сформулированных задач.
2.2.1 Синхронизация МК-51
Работу всех внутренних блоков МК-51 синхронизирует устройство выработки временных интервалов, которое в свою очередь управляется внутренним тактовым генератором. Период следования синхроимпульсов тактового генератора определяется частотой кварцевого резонатора, LC - цепочки или периодом следования сигналов внешнего источника. Схемы подключения кварцевого резонатора, LC - цепочки и внешнего источника приведены на рис. 2.
Практически все команды МК-51 выполняются за один или два машинных цикла, который имеет фиксированную длительность и состоит из шести состояний S1...S6. В свою очередь каждое состояние включает в себя две фазы Р1 и Р2, длительность которой равна периоду следования тактовых импульсов t. Таким образом, длительность каждого машинного цикла ТЦ равна двенадцати периодам тактовых импульсов
 , (1)
где  - частота синхронизации МК-51.
Для синхронизации работы остальных компонентов МПС можно использовать сигнал ALE, который дважды формируется в течении одного машинного цикла. Рис. 3 иллюстрирует сказанное.
2.2.2 Использование внешней памяти
Все МК-51 серии 1830 (1816) имеют несколько адресных пространств, функционально и логически разделенных за счет разницы в механизмах адресации и сигналах управления записью и чтением:
внешняя память программ (ВПП);
резидентная память данных (РПД);
внешняя память данных (ВПД).
Структура адресного пространства ВЕ31 показана на рис. 4. Слева приведены адреса соответствующих областей памяти.
Микро - ЭВМ ВЕ31 не имеет внутренней памяти программ. Поэтому для ее работы необходимо использовать ВПП, объем которой может достигать 64 Кбайта. Функциональная схема подключения ВПП к МК-51 показана на рис. 5.
При обращении к ВПП всегда формируется 16 - разрядный адрес, младший байт которого выдается через порт Р0, а старший - через порт Р2. Причем порт Р0 используется в режиме временного мультиплексирования: в начале каждого машинного цикла обращения к ВПП (фаза S2Р1) через порт Р0 выдается младший байт адреса, который должен быть зафиксирован во внешнем регистре RG по отрицательному фронту сигнала ALE (рис. 6); низкий уровень сигнала PME, формируемый в течение фаз S3Р1 ... S4Р1 машинного цикла, разрешает выборку байта данных из ПЗУ, который затем поступает на линии порта Р0 и вводится в МК-51. Следует особо подчеркнуть, что на вывод DEMA ВЕ31 должен быть подан низкий уровень напряжения.
В некоторых МПС, рассчитанных на обработку больших массивов данных, РПД может оказаться недостаточно. В этом случае возникает необходимость использования внешнего оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), которое может быть подключено к МК-51 так, как это показано на рис. 7.
При этом обращение к ВПД возможно только с помощью команд MOVX. Команды MOVX @Ri, A и MOVX A, @Ri формируют восьмиразрядный адрес, который выдается на ОЗУ через порт Р0. Команды MOVX @DPTR, A и MOVX A, @DPTR формируют 16-ти разрядный адрес, младший байт которого выдается через порт Р0, а старший - через порт Р2. Так же как и при работе с ВПП, байт адреса, выдаваемый через порт Р0, должен быть зафиксирован во внешнем регистре по отрицательному фронту сигнала ALE, т.к. в дальнейшем линии порта Р0 используются для чтения или записи информации в/из МК-51. При этом чтение информации стробируется сигналом RD, формируемым ВЕ31, а запись - сигналом WR. На рис. 8 показана временная диаграмма работы МК-51 в режимах обмена данными с ВПД.
2.3 Разработка и отладка подпрограммы обработки данных
2.3.1 Правила разработки программ на языке Ассемблер
Разработка прикладного программного обеспечения на языке Ассемблере - творческая задача, требующая от программиста отличного знания программистской модели МК-51, состава и формата команд, способов адресации операндов и т.д. Однако существуют формальные правила составления программ, соблюдение которых позволяет даже начинающему разработчику составлять работоспособные программы. Подробно эти правила рассмотрены в [1], согласно которым для получения текста исходной программы необходимо выполнить следующую последовательность действий:
составить подробное описание исходной задачи;
выполнить инженерную интерпретацию задачи, желательно с привлечением того или иного аппарата формализации (сети Петри, графа автомата и т.п.);
разработать блок-схемы алгоритма работы МПС;
разработать детализированные блок-схемы алгоритмов отдельных процедур, выделенных на основе модульного принципа составления программ;
распределить рабочие регистры и память МК-51;
составить текст исходной программы.
Исходный текст программы на языке Ассемблера имеет определенный формат, состоящий, обычно, из четырех полей:
МЕТКА МНЕМОНИКА ОПЕРАНД КОММЕНТАРИЙ.
Поля отделяются друг от друга произвольным числом пробелов.
Метка. Метка - это имя, состоящее из букв латинского алфавита и стоящее в начале строки. После метки ставится двоеточие. В директивах Ассемблера EQU, DB и DW метка принимает значение выражения, стоящего за директивой. В остальных случаях метка принимает значение $ (текущее значение счетчика команд). Перед директивой ORG использование меток запрещено.
Мнемоника. В поле Мнемоника записывается мнемоническое обозначение команды МК-51 или псевдокоманды ассемблера.
Операнды. В этом поле указываются операнды, участвующие в операции. Команды ассемблера могут быть без-, одно- или двухоперандными. Операнды разделяются запятой.
Операнд может быть задан непосредственно или в виде его адреса (прямого или косвенного). Непосредственному операнду обязательно должен предшествовать префикс ( # ). В качестве непосредственного операнда можно указывать число или символическое имя. Прямой адрес операнда может быть задан мнемоническим обозначением, числом или символическим именем. Указанием на косвенную адресацию служит префикс @. В командах передачи управления операндом может быть число, метка, косвенный адрес или выражение.
Используемые в качестве операндов символические имена должны быть определены в программе, а числа представлены с указанием системы счисления, для чего используется суффикс (буква, стоящая после числа): В - для двоичной, Q - для восьмеричной, H - для шестнадцатеричной. Число без суффикса по умолчанию считается десятичным.
Комментарий. Поле комментария всегда начинается после символа (;) и игнорируется Ассемблером. В нем допускается использовать любые символы. Чаще всего это поле используется программистом для пояснения логической организации программы.
Директивы Ассемблера. Строка программы может содержать директиву или команду. Директивы, в отличие от команд, не исполняются МК-51 и предназначены, в основном, для управления трансляцией программы. Ниже приводится список директив Ассемблера, которые поддерживает редактор, встроенный в эмулятор микроконтроллера:
ORG - изменение текущего значения счетчика команд;
EQU - определение имени;
DB - определение байта;
DW - определение слова (2 байта);
После составления текста программы необходимо получить объектный код, т.е. набор двоичной информации, содержащий коды команд и данных. Для простых программ объектный код может быть получен вручную. Однако для более сложных программ требуются специальные средства, позволяющие осуществить трансляцию программы в автоматическом режиме. В настоящее время для МК-51 серии 1830 разработано значительное количество кросс - средств, которые не только обеспечивают ввод и трансляцию программ составленных на языке Ассемблер, но и позволяющие проводить отладку программ.
Отладку разработанной программы рекомендуется выполнять с помощью эмулятора однокристальных микроконтроллеров Single-Chip machine.
После загрузки объектного модуля можно просмотреть и модифицировать содержимое регистров МК-51, ячеек памяти и флагов, вывести на печать или дисковые носители дисассемблированный текст, дампы памяти и т.д.
2.3.2. Разработка подпрограммы вывода информации через УАПП
Последовательный порт МК-51 может использоваться в качестве универсального асинхронного приемо-передатчика (УАПП) с фиксированной или переменной скоростью последовательного обмена и возможностью дуплексного включения. Скорость последовательного обмена УАПП в режимах 1 и 3 определяется по формуле:
 , (2)
где  - значение бита SMOD регистра управления мощностью PCON;
- частота синхронизации МК-51;
 - десятичное значение содержимого регистра TH1.
Если необходим последовательный обмен с очень низкой скоростью, то можно использовать Т/С 1 в режиме 16-ти разрядного таймера (режим 1), разрешив при этом прерывание от Т/С 1 с целью перезагрузки TH1 и TL1 в подпрограмме обслуживания прерывания.
Для использования Т/С 1 в качестве источника для задания частот  и  необходимо:
Запретить прерывания от Т/С 1;
Запрограммировать работу Т/С 1 в качестве таймера или счетчика, установив при этом для него один из режимов 0, 1 или 2;
Запустить Т/С 1 на счет.
Обычно для установки скорости передачи данных через последовательный порт таймер Т/С 1 включается в режим 2 (режим автозагрузки).
В качестве примера рассмотрим фрагмент подпрограммы, предназначенной для передачи данных через последовательный порт со скоростью 500 бит/с. Частота синхронизации МК-51 составляет  , а бит SMOD = 0.
CLR TR1 ;останов таймера Т/С 1;
MOV TH1,#0DBH ;автозагружаемое значение для получения;
;скорости 500 бит/с, рассчитанное по;
;формуле (1) ;
MOV SCON,#11011100B ;установка режима 3 УАПП;
MOV TMOD,#00100000B ;установка режима 2 Т/С 1;
SETB TR1 ;запуск таймера;
LABEL:
JNB T1,LABEL ;ожидание окончания передачи;
CLR T1 ;очистка флага передачи;
MOV SBUF,A ;выдача 9 бит данных в последовательный;
;порт;
Флаг прерывания передатчика Т1 регистра SCON устанавливается аппаратно в конце времени выдачи 8-го бита в режиме 0 или в начале стоп бита в других режимах.
2.3.3. Формирование импульса заданной длительности
Во многих применениях МК-51 необходимо сформировать импульс заданной длительности на той или иной линии порта. Обычно для этих целей используется либо таймер/счетчик, либо регистры РПД. Блок-схема алгоритма формирования временной задержки большой длительности показана на рис. 9.
Рис. 9. Блок-схема алгоритма формирования временной задержки
Данный алгоритм для формирования временной задержки использует так называемые вложенные циклы. На начальном этапе в регистр R1 загружается число “большого” цикла X (блок 2), а в регистр R2 – число “малого” цикла Y (блок 3). Эти две команды выполняются за один машинный цикл. С помощью блоков 4, 5 подпрограммы содержимое регистра R2 уменьшается до 0 и осуществляется переход к блоку 6 подпрограммы. Этот цикл удобнее организовать с помощью команды DJNZ R, $, которая выполняется МК-51 за 2 машинных цикла. Аналогично организуется и “большой” цикл (блоки 6, 7). Таким образом, длительность временной задержки, формируемой с помощью этого алгоритма, в машинных циклах можно рассчитать по формуле (3):
 . (3)
Время задержки в секундах рассчитывается по формуле (4):
 . (4)
Если задана длительность импульса, формируемого с помощью рассмотренного алгоритма, то необходимо подобрать такие X и Y, чтобы выполнялось условие (5):
 , (5)
где  - заданная длительность импульса.
Для того чтобы МК-51 сформировал импульс с точностью плюс/минус 1 цикл в подпрограмму необходимо добавить команду “нет операции” (NOP), число которых можно рассчитать по формуле (6):
 . (6)
Если число команд NOP, необходимых для “подгонки” задержки, получится больше 5, то рекомендуется для этих целей использовать локальный цикл, который вставляется в тело подпрограммы после блока 7.
Литература
Горелик А.В., Горелик В.Ю., Ермаков А.Е., Ермакова О.П. Микропроцессорные информационно-управляющие системы железнодорожного транспорта. – М.: МИИТ, 2011. – 230 с.
Магда Ю.С. Микроконтроллеры серии 8051: Практический подход –М.: ДМК, 2008. 223 с.
Однокристальные микроЭВМ./ Боборыкин А.В., Липовецкий Г.П. и др. М.: МИКАП, 1994. - 400 с.
Сташин В.В., Урусов А.В., Мологонцева О.Ф. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 224 с.
|
