Hlavní fáze vývoje. MPS založené na mikrokontrolérech se nejčastěji používají jako vestavěné systémy pro řešení problémů řízení určitého objektu. Důležitou vlastností této aplikace je provoz v reálném čase, tzn. poskytování reakce na vnější události v určitém časovém intervalu. Taková zařízení se nazývají ovladače.

Technologie pro navrhování regulátorů na bázi MK plně vyhovuje principu průběžného návrhu a ladění hardwaru A software , přijaté v mikroprocesorové technologii. To znamená, že vývojář tohoto druhu MPS stojí před úkolem implementovat celý cyklus návrhu počínaje rozvoj operační algoritmus a končí komplexním testováním v rámci produktu, případně podporou při výrobě. Současná metodika návrhu regulátoru může být uvedena na obrázku 6.1.

Obrázek 6.1 - Hlavní fáze vývoje regulátoru

Technické specifikace formulují požadavky na regulátor z hlediska realizace určité regulační funkce. Technická specifikace obsahuje soubor požadavků, které definují, co uživatel od ovladače požaduje a co by mělo vyvíjené zařízení dělat. Technická specifikace může mít formu textového popisu, který obecně neobsahuje vnitřní rozpory.

Na základě požadavků uživatele je vytvořena funkční specifikace, která definuje funkce, které regulátor pro uživatele plní po dokončení návrhu, a tím objasňuje, jak dobře zařízení splňuje požadavky. Zahrnuje popisy datových formátů, jak vstupních, tak výstupních, a také externích podmínek, které řídí činnost regulátoru.

Funkční specifikace a požadavky uživatele jsou kritérii pro hodnocení výkonu regulátoru po dokončení návrhu. Může být vyžadováno několik iterací, včetně prodiskutování požadavků a funkčních specifikací s potenciálními uživateli regulátoru a odpovídající úpravy požadavků a specifikací. Požadavky na použitý typ MC jsou formulovány na v tomto stádiu nejčastěji v implicitní podobě.

Etapa rozvoj Nejkritičtější je řídicí algoritmus, protože chyby v této fázi jsou obvykle odhaleny až při testování hotového výrobku a vedou k nutnosti nákladného přepracování celého zařízení. Rozvoj Algoritmus obvykle spočívá ve výběru jednoho z několika možné možnosti algoritmy lišící se objemovým poměrem software A Hardware.

V tomto případě je nutné vycházet z toho, že maximální využití Hardware zjednodušuje rozvoj a poskytuje vysoký výkon regulátoru jako celku, ale je obvykle doprovázen zvýšením nákladů a spotřeby energie. To je způsobeno tím, že nárůst podílu Hardware je dosaženo buď volbou složitějšího MK, nebo použitím specializovaných obvodů rozhraní. Obojí vede ke zvýšeným nákladům a spotřebě energie. Zvýšení měrné hmotnosti softwaru snižuje počet ovládacích prvků a náklady Hardware, ale to vede ke snížení výkonu, zvýšení potřebného objemu vnitřní paměť MK, zvyšující se termíny rozvoj A ladění software. Kritériem výběru zde a níže je možnost maximální implementace zadaných funkcí software s minimálními náklady na hardware a za předpokladu, že uvedené ukazatele výkonu a spolehlivosti jsou zajištěny v plném rozsahu provozních podmínek. Často určujícími požadavky je schopnost chránit informace ( programový kód) regulátoru, nutnost zajistit maximální provozní dobu v offline režimu a další. V důsledku této etapy jsou konečně formulovány požadavky na parametry použitého MC.

Při výběru typu MK se berou v úvahu následující hlavní charakteristiky:

• - bitová hloubka;
• - Rychlost;
• - soubor příkazů a metod adresování;
• - požadavky na napájení a spotřeba energie v různých režimech;
• - objem programové ROM a datové paměti RAM;
• - možnosti rozšíření programové a datové paměti;
• - dostupnost a možnosti periferních zařízení, včetně nástrojů pro podporu provozu v reálném čase (časovače, procesory událostí atd.);
• - možnost přeprogramování jako součást zařízení;
• - dostupnost a spolehlivost prostředků ochrany interních informací;
• - možnost dodání v různých provedeních;
• - náklady v různých verzích;
• - dostupnost kompletní dokumentace;
• - dostupnost a dostupnost účinných programovacích nástrojů a ladění MK;
• - počet a dostupnost doručovacích kanálů, možnost náhrady za produkty jiných společností.

Tento výčet není vyčerpávající, protože specifika navrženého zařízení mohou přesunout důraz požadavků na jiné parametry MC. Rozhodující mohou být například požadavky na přesnost interního komparátoru napětí nebo přítomnost velkého počtu výstupních kanálů PWM.

Sortiment aktuálně vyráběných MK zahrnuje tisíce druhů výrobků od různých firem. Moderní strategie modulárního designu poskytuje spotřebiteli různé modely MK se stejným procesorovým jádrem. Taková strukturální rozmanitost otevírá vývojáři možnost vybrat si optimální MK, který nemá funkční redundanci, což minimalizuje náklady na prvky komponent.

Aby však byla v praxi implementována možnost výběru optimálního MC, dostatečně hluboká studie řídicího algoritmu, posouzení objemu spustitelného programu a počtu linek rozhraní s objektem ve fázi výběru MC jsou nezbytné. Špatné výpočty provedené v této fázi mohou následně vést k potřebě změnit model MK a znovu rozmístit desku s plošnými spoji uspořádání regulátoru. V takových podmínkách je vhodné provést předběžné modelování hlavních prvků aplikačního programu pomocí programově logického modelu zvoleného MC.

Pokud neexistuje MK, který poskytuje vlastnosti navrženého regulátoru požadované technickými specifikacemi, je nutné se vrátit do fáze rozvojřídicí algoritmus a revize zvoleného poměru mezi objemem softwaru a Hardware. Absence vhodného mikrokontroléru nejčastěji znamená, že je zapotřebí další hardwarová podpora pro implementaci požadovaného množství výpočtů (řídících algoritmů) ve stanoveném čase. Negativní výsledek hledání mikrokontroléru s požadovanými charakteristikami může být také spojen s potřebou obsluhy velkého počtu řídicích objektů. V tomto případě je možné použít externí schémata rámování MK.

Na jevišti rozvoj struktura kontrolora je nakonec určena složením stávajícího a subjektu rozvoj hardwarové moduly, výměnné protokoly mezi moduly, typy konektorů. Probíhá předběžný návrh regulátoru. Softwarově je určena skladba a návaznosti programových modulů a programovací jazyk. Ve stejné fázi, výběr konstrukčních nástrojů a ladění.

Možnost přerozdělení funkcí mezi Hardware A software v této fázi existuje, ale je omezena vlastnostmi již zvoleného MK. Je nutné mít na paměti, že moderní mikrokontroléry jsou vyráběny zpravidla v sériích (rodinách) ovladačů, které jsou softwarově a designově kompatibilní, ale liší se svými možnostmi (kapacita paměti, sada periferních zařízení atd.). To umožňuje vybrat strukturu regulátoru tak, abyste našli co nejvíce optimální varianta implementace.

Nelze zde nezmínit novou ideologii rozvoj zařízení založená na MK, navržená společností Scenix. Je založen na použití vysokorychlostních mikrokontrolérů RISC řady SX s taktovací frekvencí až 100 MHz. Tyto MK mají minimální sadu vestavěných periferií a stále složitější periferní moduly jsou emulovány software. Takové softwarové moduly se nazývají „virtuální“ příslušenství“, poskytují snížení počtu ovládacích prvků, času rozvoj, zvýšit flexibilitu provádění. K dnešnímu dni byly vyvinuty celé knihovny virtuální zařízení obsahující odladěné softwarové moduly takových zařízení, jako jsou moduly PWM a PLL, sériová rozhraní, generátory a měřiče frekvence, regulátory přerušení a mnoho dalších.

Návrh mikroprocesorového systému

Struktura

Strukturální schéma systém je znázorněn na obrázku 3.2.

Obrázek 3.2 - Blokové schéma MPS

MP je ústředním blokem ministerstva železnic. Řídí všechny čipy a zpracovává data.

MP vygeneruje adresu v USA a provede výměnu s SHD.

RAM je navržena pro ukládání mezilehlých dat.

ROM je navržena pro ukládání programového kódu a různých konstant.

PPI je navrženo pro připojení externí zařízení. ADC jsou připojeny k PPI, diskrétní signály a PP.

ADC je navržen tak, aby převáděl analogový signál ze senzorů na digitální kód.

Software je navržen tak, aby organizoval výměnu přes sériový kanál mezi řídicím centrem a MP.

Návrh obvodu

MPS musí poskytnout:

• - dotazování 7 analogových senzorů;
• - sbírka 8 diskrétních signálů;
• - vytvoření 4 diskrétních ovládacích akcí.

Potřebné množství datové paměti se vypočítá pomocí vzorce

kde a jsou počet analogových a diskrétních vstupních signálů; a - bitová hloubka analogových a diskrétních signálů.

V našem případě a.

V důsledku toho je nutné ukládat data průzkumu senzorů

Jako centrální jednotka systému byl zvolen mikrokontrolér KM1816BE51. Jeho hlavní výhody jsou:

• - přítomnost rezidentní paměti programů a dat;
• - přítomnost vestavěného softwaru;
• - 4 porty;
• - nízká spotřeba energie;
• - vestavěné časovače-čítače.

K ukládání dat slouží vestavěná 128bytová programová paměť MK. Program bude uložen v rezidentní programové paměti.

K dotazování analogových senzorů se používá mikroobvod K572PV4. Mezi výhody mikroobvodu patří:

• - přítomnost vestavěného multiplexeru;
• - automatické dotazování senzorů bez účasti mikroprocesoru;
• - ukládání výsledků převodu pro každý kanál do vestavěné statické paměti.

Protože MK nemá výstupy generátoru, ke generování hodinového signálu se používá mikroobvod generátoru K531GG1.

Pro organizaci výměny informací s řídícím střediskem se používá transceiver zabudovaný v MK. KM1816BE51 PP však přenáší data pomocí pětivoltových logických signálů: jednička je reprezentována úrovní napětí od 2,4 V do 5 V a nula - od 0 do 0,8 V. Při přenosu přes kanál RS-232 jsou nula a jedna zakódované se stejnou hodnotou (od 5 do 12 V), ale se signály různých znaků.

Protože pro přenos přes RS-232 musí být pětivoltové logické signály převedeny na signály jiné úrovně, používá MPS čip MAX202E od Maxim. Obsahuje měnič napětí z +5 V na ±10 V a kaskády, které převádějí logické signály standardní pětivoltové úrovně podle standardu RS-232. Obsahuje převodníky logických úrovní pro dva přijímače a dva vysílače, z nichž je použit pouze jeden kanál transceiveru.

Schematický diagram MPS je uveden v příloze B.

Na piny XTAL1 a XTAL2 mikrokontroléru DD1 je připojen křemenný rezonátor ZQ1 na 12 MHz. Pro stabilnější start jsou vývody křemenného rezonátoru připojeny ke společnému vodiči přes kondenzátory C1 a C2 o kapacitě 21 pF.

Po přivedení napájecího napětí na mikrokontrolér je nutné mikrokontrolér resetovat. Za tímto účelem je vstup RST připojen k napájecí sběrnici přes kondenzátor C3 6 μF a ke společnému vodiči přes odpor R1 100 kOhm. Po zapnutí napájení se kondenzátor vybije a resetovací vstup je na potenciálu blízkém napájecímu napětí. Navzdory poklesu tohoto potenciálu v důsledku náboje C3 zůstává po desítky milisekund úroveň signálu na resetovacím vstupu jednotná a mikrokontrolér se spustí správně.

Na vstup je dodávána logická jednotka, protože mikrokontrolér spustí program z rezidentní paměti.

Diskrétní vstupní signály DDAT1-DDAT8 jsou připojeny k linkám portu P0 mikrokontroléru DD1. ADC DA1 je připojen k linkám portu P1. Diskrétní řídicí akce DOUT1-DOUT4 jsou vytvořeny na řádcích P1.0-P1.3.

Protože analogové snímače připojené k ADC DA1 musí mít výstupní napětí v rozsahu od 0V do 2,5V. Pro převod proudových signálů snímačů na napěťový signál se používají rezistory R2-R13.

Specifikace prvků je uvedena v příloze D.

Vývoj algoritmu pro provoz MPS

MPS pracuje v následujícím pořadí:

• a) inicializace systému;
• b) dotazování senzorů;
• c) ovládání čerpací jednotky;
• d) výměna dat s řídícím střediskem;
• e) přejděte ke kroku b.

Blokové diagramy algoritmů pro pracovní program MPS jsou uvedeny v příloze E, fragment kódu programu je v příloze E.

Výpočet spotřeby energie

Výkon spotřebovaný celým systémem je definován jako součet výkonů spotřebovaných všemi částmi systému.

Výpočet výkonu je shrnut v tabulce 3.4.

Tabulka 3.1 - Výpočet spotřeby energie

Systém spotřebovává energii.

Zařízení pro přenos dat

Pro zajištění výměny s řídícím centrem je použit převodník rozhraní MI 486 Umožňuje přijímat/přenášet data přes síť Ethernet z počítače rychlostí až 112 kbaud.

Převodník rozhraní je znázorněn na obrázku 3.3.

Obrázek 3.3 - Převodník rozhraní MI 486

Specifikace:

• - výstupní rozhraní: RS-232;
• - max. rychlost - až 112 kbaud;
• - Vstupní rozhraní Ethernet 10BaseT/100BaseT;
• - konektor RJ45.

Logika přerušení si pamatuje úroveň priority obsluhovaného přerušení. Při provedení instrukce RET je úroveň priority zachována a dále může být obsluhováno pouze přerušení s vyšší úrovní priority. Instrukce RETI se liší od instrukce RET v tom, že resetuje úroveň priority, což umožňuje obsluhu požadavků na přerušení s nízkou prioritou.

NA typické podmíněné operace zahrnují příkazy JZ a JNZ, JC

A J.N.C. Poslední dva jsou zahrnuty do skupiny „Boolean“. V příkazu CJNE se nejprve porovnají dva bajty podle pravidel pro odečítání celých čísel

A V souladu s výsledkem porovnání se nastaví příznak C. Pokud se neshodují, provede se větvení.

V instrukci DJNZ lze jako čítač použít nejen jeden z registrů aktuální banky registrů Rn, n=0...7, ale také přímo adresovatelnou datovou paměťovou buňku DSEG. Po provedení příkazu se čítač nejprve sníží a pokud čítač není nulový, rozvětví se.

3. Návrh mikroprocesorových systémů

Technologie návrhu MPS na bázi mikrokontrolérů plně odpovídá koncepci kontinuity procesu navrhování a ladění hardwarových a softwarových komponent, převzaté v mikroprocesorové technice. Důležitou vlastností použití mikrokontrolérů je provoz v reálném čase, tzn. garantovaná reakce na vnější události v určitém časovém období. Je zřejmé, že řešení problému společného ladění hardwarových a softwarových komponent v reálném čase s libovolnou strukturou a obvodovým návrhem mikroprocesorového systému je velmi složitá, nákladná a dlouhodobá práce.

3.1. Konstrukční fáze

Zvláštností MPS je, že samy jsou zabudovány (integrovány) do nějakého objektu. To předpokládá, že vývojář MPS tohoto druhu stojí před úkoly celého návrhového cyklu, počínaje vývojem funkčního algoritmu a konče komplexním testováním v rámci produktu a případně i podporou při výrobě. Hlavní fáze návrhu MPS jsou znázorněny na Obr. 28.

Technické požadavky zahájit cyklus návrhu MPS. Schopnost naprogramovat mikroprocesorový systém povzbuzuje zákazníka, aby mu přidělil maximální počet funkcí. Kritériem výběru by měla být ekonomická proveditelnost jakéhokoli zvýšení objemu hardwaru, která je určena na základě studie trhu zařízení tohoto typu a maximální zlepšení ukazatele cena/funkčnost je možné -

ratures. Kritériem výběru je implementace maximálního počtu funkcí programově při nejnižších nákladech na hardware, zajištění specifikovaných ukazatelů výkonu a spolehlivosti v celém rozsahu provozních vlivů. Často je určujícím požadavkem možnost umístit programový kód do vnitřní paměti mikrokontroléru, což umožňuje jeho ochranu před neoprávněným přístupem. V této fázi je konečně určen typ mikrokontroléru a nejdůležitější rámcové obvody (paměť, FPGA, rozhraní, ADC atd.).

Ve fázi vývoje struktury IPS nakonec určí-

Jedná se o složení dostupných a vyvíjených hardwarových modulů, výměnných protokolů mezi moduly, typů konektorů. Protože je MPS zabudován do výrobku, provádí se předběžný návrh desek. Softwarově je určena skladba a návaznosti programových modulů a programovací jazyk. Zde si můžete vybrat nástroje pro návrh a ladění.

Fáze tvorby programu tvoří vnitřní, často se opakující cyklus. Skládá se z fází vývoje zdrojového textu, překladu, ladění programu na modelu a opravy zdrojového textu. Obsah těchto etap výrazně závisí na použitých systémových nástrojích. V současné době jsou zdroje mikroprocesorů a mikrokontrolérů dostatečné pro podporu programování ve vyšších jazycích. To vám umožní plně využít výhod strukturovaného programování a vyvinout software jako projekt pomocí samostatně přeložených modulů. V současné době jsou nejvýkonnějšími prostředky pro vývoj softwaru pro mikroprocesory a mikrokontroléry integrované systémy křížového programování ve vyšších jazycích, jako jsou Pascal a C. Například integrovaný systém vývoje softwaru Pascal-51 obsahuje textový editor, kompilátor s editorem odkazů, knihovnu standardních runtime funkcí a debugger. Takové systémy mohou výrazně zkrátit čas strávený prováděním této vnitřní smyčky. Programy napsané v jazycích vysoké úrovně jsou však větší a pomalejší než podobné programy napsané v jazyce symbolických instrukcí. Proto je jazyk symbolických instrukcí nadále široce používán, zvláště když jsou zdroje MPS omezené a je vyžadována potřeba zajistit provádění v kontrolovaných intervalech.

V těchto fázích jsou detekovány a eliminovány syntaktické a logické chyby v programu. Chyby syntaxe jsou spojeny s porušením syntaxe příkazů, příkazů překladače a používání dříve nedefinovaných štítků a jmen. Logické chyby způsobují selhání programu. Jsou spojeny s chybami programu (zadán nesprávný přechod větve, nezaznamenáno

tento příkaz atd.) a chyby algoritmu. Obsah těchto fází při vývoji programů v jazyce symbolických instrukcí je uveden níže.

Fáze vytvoření zařízení představuje další vnitřní smyčku probíhající paralelně s první. Obsahuje vývoj generelu schematický diagram, rozložení topologie desky, instalace rozložení a jeho offline ladění. Tyto fáze lze považovat za dokončené poté, co systémová sběrnice MPS „ožije“ a prostřednictvím ní získáte přístup k paměti a vstupním/výstupním zařízením. Čas potřebný k dokončení této fáze závisí na dostupné sadě testovaných funkčně-topologických modulů a kvalifikaci vývojáře. Běžné návrhové systémy používané během fáze vývoje schématu a topologie jsou

PCAD a OrCAD (CAD - computer aided design - computer-aided design). Efektivita práce s nimi výrazně závisí na objemu knihoven prvků, které má vývojář k dispozici.

Fáze společného ladění hardwaru a softwaru v reálném čase je nejnáročnější na prácia nutně vyžaduje použití takových vysoce výkonných nástrojů, jako je emulátor v obvodu, emulátor ROM a logický analyzátor. Výběr jednoho z uvedených nástrojů je dán použitým způsobem ladění. V této fázi jsou identifikovány dynamické chyby, které vznikají při interakci softwaru a hardwaru v reálném čase. Tyto chyby jsou způsobeny různá zpožděníšíření signálů po vedeních páteře systému a vzájemné rušení mezi vedeními, které vzniká při jejich špatném umístění. Dynamické chyby se odhalují mnohem obtížněji kvůli nepravidelnost jejich vzhledu.

K lokalizaci dynamických chyb se používají logické analyzátory. Logické úrovně signály ze systémové sběrnice nebo jednotlivých sběrnic a linek v režimu příjmu jsou neustále zaznamenávány do paměti typu FIFO. Záznam se zastaví, když nastane vybraná událost (shoda zadaných a skutečných adres na krokovém motoru, příkazové kódy na krokovém motoru nebo výskyt krátkého rušivého impulsu). V tomto okamžiku paměť obsahuje všechny informace předcházející události. Analýzou pozadí události zaznamenané v paměti je možné určit příčinu poruchy v provozu MPS. Informace na displeji mohou být prezentovány graficky, ve formě binárního, hexadecimálního kódu nebo mnemotechnických povelů. Analyzátory logického stavu provádějí záznam na hodinové frekvenci MPS. Pro zachycení rychle se vyskytujících procesů se používají dočasné logické analyzátory, u kterých hodinová frekvence zápisu do paměti výrazně překračuje hodinová frekvence MPS.

Společné ladění hardwaru a softwaru v reálném čase se provádí pomocí emulátorů ROM a emulátorů in-circuit řízených přístrojovým počítačem.