Аблязов В.И. Конспект лекций. Автоматизированное управление процессами и системами

Подождите немного. Документ загружается.

При обращении МК к внешней памяти программ или данных

используются порты Р0 и Р2. Первый из них работает в режиме

мультиплексирования младшего байта адреса и 8-разрядной шины данных

(AD0…AD7), через порт Р0 сначала выдается младший байт адреса, который

должен быть зафиксирован во внешнем регистре, поскольку вслед за ним на

линиях порта появляются данные для записи или считывания. Через порт Р2

выдается старший байт адреса (A8…A15).

Режим ввода чрез порты Р1, Р2 и Р3 возможен только после

предварительной записи в соответствующий разряд порта логической 1.

Нагрузочная способность выводов – 4 входа ТТЛШ.

Альтернативные функции выводов порта Р3.

Вывод Альтернативная функция

RxD – вход приемника последовательного порта

TxD – выход передатчика последовательного порта

INT0 – вход внешнего прерывания 0

INT1 – вход внешнего прерывания 1

T0 –внешний вход таймера – счетчика 0

T1 – внешний вход таймера – счетчика 1

WR# – сигнал разрешения записи во внешнюю память данных

RD# – сигнал разрешения чтения из внешней памяти данных

Все линии параллельных портов имеют защелки (типа D-триггеров),

которые рассматриваются как регистры специальных функций RSF. Кроме

защелки каждая линия имеет входной буфер и формирователь выходного

сигнала.

Данные с внутренней шины микроконтроллера записываются в регистр-

защелку по сигналу "запись в защелку". Выход "Q" D-триггера подключается к

внутренней шине

(считывается) по сигналу

"чтение защелки".

Значение сигнала

непосредственно с

внешнего вывода порта

считывается по сигналу

"чтение вывода".

Некоторые команды

чтения порта используют

сигнал "чтение защелки ",

другие "чтение выода".

Реализация выводов

порта Р1 показана на

рисунке.

D Q

Защелк

а Р1х

C Q





Вывод

Р1х

Чтение

вывода

Чтение

заще

ки

Запись в

щелку

Внутр.

шина

На внутреннюю шину микроконтроллера может быть прочитано как

состояние каждой из защелок, так и значение сигналов на внешних выводах.

Для портов с альтернативными выводами в структуре появляются

дополнительные ключи, управляемыми соответствующими сигналами.

11.8. Программирование ОЭВМ. Система команд

Система команд МК обеспечивает реализацию логических,

арифметических операций при обработке данных, а также управление в

режиме реального времени. Реализована побитовая, потетрадная (4 бита),

побайтовая (8 бит) и 16-разрядная обработка данных. Двухбайтовые данные

используются только регистром-указателем (DPTR) и счетчиком команд (РС).

Следует отметить, что регистр-указатель данных может быть использован как

двухбайтовый регистр DPTR или как два однобайтовых регистра специального

назначения DPH и DPL. Счетчик команд всегда используется как

двухбайтовый регистр. Команда занимает один или два байта и выполняется за

12 или 24 такта (команды умножения и деления – за 48).

Систему команд условно можно разбить на пять групп:

 Арифметические команды;

 Логические команды;

 Команды передачи данных;

 Команды битового процессора;

 Команды ветвления и передачи управления.

Существуют следующие типы адресации операндов-источников:

 Регистровая адресация

 Прямая адресация

 Косвенно-регистровая адресация

 Непосредственная адресация

 Косвенно-регистровая адресация по сумме базового и индексного

регистров

Обозначения и символы, используемые в системе команд приведены

в таблице.

Обозначение,

символ

Назначение

А Аккумулятор

Rn Регистры текущего выбранного банка регистров

r Номер загружаемого регистра, указанного в команде

direct Прямо адресуемый 8-битовый внутренний адрес ячейка

данных, который может быть ячейкой внутреннего ОЗУ

данных (0-127) или SFR (128-255)

@Rr Косвенно адресуемая 8-битовая ячейка внутреннего ОЗУ

данных

data8 8-битовое непосредственное данное, входящее в КОП

dataH Старшие биты (15-8) непосредственных 16-битовых данных

dataL Младшие биты (7-0) непосредственных 16-битовых данных

addr11 11-битовый адрес назначения

addrL Младшие биты адреса назначения

disp8 8-битовый байт смещения со знаком

bit Бит с прямой адресацией, адрес которого содержит КОП,

находящийся во внутреннем ОЗУ данных или SFR

a15, a14...a0 Биты адреса назначения

(Х) Содержимое элемента Х

((Х)) Содержимое по адресу, хранящемуся в элементе Х

(Х)[M] Разряд М элемента Х

+ или ADD

- или SUB

* или MUL

/ или DIV

AND

XOR

INC (DEC)

CLR

Операции:

сложения

вычитания

умножения

деления

логического умножения (операция И)

логического сложения (операция ИЛИ)

сложения по модулю 2 (исключающее ИЛИ)

инверсия элемента Х

инкремент (декремент) - сложение (вычитание) с 1

очистка

Мнемонические обозначения однозначно связаны с конкретными

комбинациями способов адресации и типами данных.

Мнемоника и описание некоторых команд приведены в таблице.

Перечень команд дан в приложении.

Мнемоника Описание Байт

Тактов

Код Действия

ADD A,Rn

Сложение регистра с

аккумулятором

1 12 0010 1rrr

(A)(A)+(Rn)

ADD A,direct

Сложение ячейки

внутренней памяти

данных с

аккумулятором

2 12 0010 0101

direct

address

(A)(A)+(direct)

ADD A@Ri

(i=0 или 1)

Сложение косвенно

адресуемой ячейки

внутренней памяти

данных с

аккумулятором

1 12 0010 011i

(A)(A)+((Ri))

MOV A, Rn

Пересылка из регистра

в аккумулятор

1 12 1110 1rrr

(A)(Rn)

JNZ rel

Переход, если

аккумулятор не равен

нулю

2 24 0110 0000

rel.address

(PC)(PC)+2,

если (A)0

то (PC)(PC)+rel

JB bit, rel

Переход, если бит

установлен (если бит

=1)

3 24 0010 0000

bit,

address

rel,

address

(PC)(PC)+3,

если (bit) = 1

то (PC)(PC)+rel

JNB bit, rel

Переход, если бит не

установлен (если бит

равен нулю)

3 24 0011 0000

bit,

address

rel,

address

(PC)(PC)+3,

если (bit) = 0

то (PC)(PC)+rel

Синтаксис большинства команд ассемблерного языка состоит из

мнемонического обозначения функции, вслед за которым идут операнды,

указывающие методы адресации и типы данных. Различные типы данных или

режимы адресации определяются установленными операндами.

11.9. Взаимодействие микроконтроллера с объектом управления

11.9.1. Опрос двоичного датчика. Ожидание события

В устройствах и системах логического управления объектами события в

объекте управления фиксируются с использованием разнообразных датчиков

цифрового и аналогового типов. Наибольшее распространение имеют двоичные

датчики типа да/нет, например концевые

выключатели, которые подключаются к МК так, как

показано на рисунке.

Типовая процедура ожидания события (Wait)

состоит из следующих действий: ввода сигнала от

датчика, анализа значения сигнала и передачи

управления в зависимости от состояния датчика. На

рисунке представлена блок-схема алгоритма

процедуры ожидания события, фиксируемого

замыканием контакта двоичного датчика.

Конкретная программная реализации

процедуры зависит не только от типа МК, но и от

Wait

Нет

Ввод

Анализ

состо

ния

Замкнут?

Выход

из п/п

Да

+5В

ключ

ТТЛ схема, оптрон,

или схема согласования

уровней сигнала

Ключ

замкнут

Ключ

разомкну

U (на входе МК)

МК

того, каким образом датчик подключен к МК. Он может быть подключен к

одной из линий портов МК или к специальным тестируемым входам (Т0, Т1

для МК8051).

Например, при подключении датчика к линии бита 3 порта Р1 программа

реализации процедуры ожидания размыкания ("Wait Open") контакта будет

иметь следующий вид (адрес команды в данном случае обозначается здесь

просто именем, в данном случае WAITO; после точки с запятой приводится

комментарий ):

WAITO:

JNB P1.3, WAITO ; ожидание размыкания контакта датчика (если бит

не установлен, то есть = 0, тогда возврат к

процедуре WAITO, в противном случае переход к

следующей команде.)

Другим частным случаем типовой процедуры ожидания события является

процедура ожидания замыкания контакта (Wait Close), которая может быть

реализована следующим образом:

WAITС:

JB P1.3, WAITC ;ожидание замыкание контакта датчика

Режим прерывания целесообразно использовать только для опроса особо

важных датчиков с целью уменьшения времени реакции на исключительную

(аварийную) ситуацию в объекте управления.

11.9.2. Ожидание импульсного сигнала

Схема подключения датчика импульсного сигнала аналогична схеме на

предыдущем рисунке. Особенность процедуры ожидания импульсного сигнала

состоит в том, что МК должен обнаружить не только факт появления, но и факт

окончания сигнала.

При программировании этой процедуры необходимо определять

минимальную длительность импульса, который может быть обнаружен

программой. Естественно, реальное время исполнения программы (с учетом

возможных прерываний) должно быть меньше длительности импульса.

Программа зависит от формы импульса. Для "отрицательного" импульса

(1 --> 0--> 1) процедура WAITC предшествует процедуре WAIT0, для

"положительного" (0 --> 1 --> 0) следует за ней.

Ниже приведены примеры программной реализации процедуры

ожидания "отрицательного" импульсного сигнала при подключении датчика к

биту 3 порта 1 при условии, что начальное состояние входа - единичное:

WAITC:

JB P1.3, WAITC ;ожидание Р1.3=0

WAITO:

JNB P1.3, WAITO ;ожидание Р1.3=1

11.9.3. Программная реализация цикла ожидания

Программная реализация цикла ожидания накладывает ограничения на

длительность импульса: импульсы длительностью меньше времени выполнения

цикла ожидания могут быть "не замечены" МК.

Для обнаружения кратковременных импульсов можно использовать способ

фиксации импульса на внешнем

триггере флага. На вход МК в

этом случае поступает не

кратковременный сигнал с

датчика, а флаг, формируемый

триггером. Триггер

устанавливается по фронту

импульса, а сбрасывается

программным путем - выдачей

специального управляющего

воздействия. Длительность

импульса при этом будет

ограничена снизу только

быстродействием триггера.

12. Однокристальные PIC- контроллеры

12.1. Отличительные особенности PIC контроллеров

Семейство МК 51, хотя и занимает в настоящее время первое место на

отечественном рынке (около 25%), но постепенно сдает свои позиции более

молодым и совершенным микроконтроллерам. Первым в этом ряду стоят PIC-

процессоры (микроконтроллеры) фирмы Microchip Technology. Они составляют

в настоящее время около 15% отечественного рынка МК.

Microchip выпускает в основном три серии PIC (Peripheral Interface

Controller) контроллеров:

 PIC16C5X - упрощенное семейство с 12-разрядными командами;

 PIC16C6X/7X/8X –расширенное семейство средней производительности с

14-разрядными командами;

 PIC17CXX семейство high-end высокопроизводительных

микроконтроллеров с 16-разрядными командами.

PIC контроллеры имеют Гарвардскую архитектуру, основанную на

раздельных шинах памяти для данных и для команд. В упрощенном семействе

микроконтроллеров шина данных и память данных (ОЗУ) - имеют ширину 8

бит, а программная шина и программная память (ПЗУ) имеют ширину 12 бит.

Система команд состоит всего из 33 инструкций (RISC структура). Все

команды, за исключеним команд переход, выполняются за один машинный

цикл (4 пеpиода тактовой частоты генератора). Большинство команд (битовые,

P2.0



+5В

Короткий

импульс

Флаг

байтовые и регистровые операции) работают с перекрытием по времени

выборки и выполнения команд (конвейерная обработка).

Большинство PIC контроллеров сделано по технологии OTP (One Time

Programmable - однократно программируемые микросхемы), которая

предназначена для полностью оттестиpованных и законченных изделий, в

котоpых не будет происходить дальнейших изменений кода. OTP имеют

невысокую стоимость (менее доллара).

Для целей отладки используются электрически многократно

перепрограммируемые микросхемы с ультрафиолетовым стиранием с высокой

стоимостью.

Упрощенная структура (исполняемая программа может находиться

только во встроенном ПЗУ), минимальный набор команд (33), минимальное

число выводов управления (2 у 18 выводных МК), а также несомненные их

достоинства:

 простота схемотехники при большом наборе выполняемых функций;

 невысокие цены как на сами МК, как и на технические средства для

разработки и отладки схем;

 возможность работы от низких напряжений (от 2В) и малое

энергопотребление (1 мкА в режиме ожидания) при высоком

быстродействии;

 простота и доступность;

определили их широкое распространение.

На базе PIC-процессоров изготовлено огромное количество различных

устройств самого различного назначения: системы управления

электродвигателями, промышленные роботы, регуляторы температуры,

давления, мобильные телефоны, зарядные устройства, факсы, модемы,

пейджеры, системы сигнализации, измерительные приборы, приборы авто

сигнализации и др.

12.2. Структура и назначение выводов PIC 16С54

Структура контроллера PIC16C54 младшего представителя семейства

PIC16 приведена на рисунке 14. Взаимодействие процессора со всеми

устройствами осуществляется через внутреннюю системную шину,

включающую в себя шину передачи данных и шину передачу команд..

Контроллер PIC 16C54 имеет 512 команд в памяти программ (EPROM)

разрядностью 12 бит, 25 регистров данных разрядностью 8 бит, 12

двунаправленных портов I/O, счётчик внешних событий, выполняющий

одновременно функцию счётчика команд. Имеется устройство для выработки

заданных времён задержки или подсчёта событий за определённое время. Max.

частота генератора 20МГц. Температура работы от 0 до 70С.

Порт А (4 вывода) и порт В (8) предназначены для двунаправленной

передачи информации. Все порты по своим функциям идентичны.

Для того, чтобы упростить процессор, в нём не присутствуют отдельно

адресные входы. Но это вызывает необходимость принятия ограничения:

нельзя осуществить выбор команды с произвольным адресом.

Считывание или запись (в режиме программирования) команд из памяти

осуществляется по определённому алгоритму, т.е. последовательно. Для

задания нулевого адреса имеется специальный вход MCLR/V

Рис. 14. Структура микроконтроллера PIC 1654

Для записи всей команды (12 разрядов), в режиме программирования,

используется два порта RA и RB. Запись производится последовательно по

всем 512 адресам. Изменение адреса команды происходит по импульсному

входу OSC1. При поступлении очередного импульса на OSC1 адрес команды

увеличивается на единицу. Импульсы для записи информации поступают по

входу MCLR/V

13V).

Каждому порту А и В соответствует свой внутренний регистр и сигналы

на выходе отдельных точек портов соответствует содержанию

соответствующих разрядов.

Процессор

Память

программ

Память

данных

АЛУ

Watchdog

Timer

Sleep-Mode

Регистры

специальных

функций

Работа/

Программир

ование

Таймер

Порт В

Порт А

Счетчик

команд

RB0



RB7

Инициализа

ция

программир

ования

RA0



RA3

OSC2 / CLK OUT

TOCKI

MCLR / Vpp

OSC1 / CLK IN

9, 10

17, 18, 1, 2

Vdd (Power)

Vss (Ground)

Стек

Остальные ячейки регистровой памяти используются для выполнения

арифметических и логических команд. Watchdog таймер (WDT) обеспечивает

повышенную надежность.

Регистры памяти данных (ОЗУ) разделяются на две функциональные

группы: регистры общего назначения и специальные регистры. Некоторые

специальные регистры показаны на рисунке: счётчик команд (РС), регистр

режима "Работа/Программирования", регистры ввода/вывода (Порты), таймер.

Кроме того, специальные регистры управляют конфигурацией портов

ввода/вывода. Регистры общего назначения используются программой для

хранения переменных по усмотрению пользователя. В микроконтроллерах

семейства PIC16 существует прямая и косвенная адресация всех регистров и

ячеек памяти. Все специальные регистры и счётчик команд также

отображаются на память данных.

В микроконтроллерах PIC16 имеется 8-разрядное арифметико-логическое

устройство (АЛУ) и рабочий регистр W. АЛУ выполняет сложение, вычитание,

сдвиг, битовые и логические операции. В командах, имеющих два операнда,

одним из операндов является рабочий регистр W. Второй операнд может быть

константой или содержимым любого регистра ОЗУ.

Семейство микроконтроллеров PIC16 содержит двухуровневый

аппаратный стек. При выполнении команды обращения к подпрограмме в

вершину стека загружается счётчик команд, предварительно увеличенный на

единицу. Одновременно старое значение из вершины стека копируется в стек

уровня 2.

Таймер имеет два режима работы: режим таймера и режим счётчика. В

режиме таймера его значение увеличивается в каждом командном цикле. В

режиме счетчика значение увеличивается по каждому перепаду 1/0 или 0/1 на

выводе TOCK1.

В микроконтроллере имеется режим пониженного энергопотребления

(SLEEP). Режим пониженного энергопотребления SLEEP предназначен для

обеспечения очень малого тока потребления в режиме ожидания (менее 1 мкА

при выключенном сторожевом таймере). Выход из режима SLEEP возможен по

внешнему сигналу сброса или по окончанию выдержки сторожевого таймера.

Для аппаратной поддержки режима программирования микросхем

имеются различные типы программаторов, подключаемых к компьютерам типа

IBM PC. Существуют типы программаторов, которые можно подключать

непосредственно к рабочей плате контроллера, что значительно ускоряет

отладку. Программирование микроконтроллеров производится через

последовательный канал, в качестве которого используются два разряда порта

ввода/вывода. Режим программирования задается путём установки на выводе

сброса микроконтроллера напряжения +12 В.

Различия контроллеров в семействе PIC 16C5ХХ

Контроллер PIC 16C54А - имеет (по сравнению с PIC 16C54)

расширенный диапазон питающего напряжения: 2,6...6,4 В.

PIC 16CR54 - содержит память программ типа ROM.

PIC 16CR55 - имеет дополнительные 8 портов I/O (28-выводной корпус

микросхемы).

PIC 16CR56 - имеет 1К команд в памяти программ.

PIC 16CR57 - имеет 2К команд и 72 регистра данных.

PIC 16CR58А - имеет питание от 1,6 до 6,4 В.

Второе семейство PIC 16CХХ.

Число команд 37, число регистров увеличено в 24 раза. Появляется

возможность прерывания программ. Содержит в своём составе преобразователь

аналоговых сигналов в цифровые (PIC 16C7X), или аналоговый компаратор

(PIC 16C62X, PIC 16C64X). На корпусе могут быть установлены литиевые

батареи. Они обеспечивают хранение информации в оперативной памяти при

пропадании питания, сроком до месяца. Срок службы батарей до 5 лет.

Третье семейство PIC 17CХХ.

Имеет повышенную частоту работы в 2 раза, имеет 4 или 8 счётных

входов, 32 порта I/O, число команд до 58.

12.3. Применение PIC процессора в системе терморегулирования

Отмеченные характеристики делают очень привлекательным применение

PIC процессоров, особенно для автономных и миниатюрных устройств.

Рассмотрим, каким образом может быть организовано измерение температуры

при помощи PIC процессора, например, в системе терморегулирования.

При измерении температуры, в качестве датчика используем

термосопротивление, имеющего следующую характеристику зависимости

сопротивления от температуры (рис. 15).

Рис. 15. Характеристика термосопротивления.

Рассмотрим теперь работу ключевой схемы, в которой периодически

происходит заряд и разряд конденсатора С (рис. 16). Заряд осуществляется

попеременно через эталонное сопротивление R

этал

и через термосопротивление

терм

, которые подключаются к источнику питания ключами К1 и К2.

Окончания заряда конденсатора С осуществляется при достижении на

конденсаторе определенного значения напряжения U

комп

, после чего

происходит быстрый разряд конденсатора через сопротивление R

разр

терм

