Разработка алгоритма работы микропроцессорного устройства

• Введение
• 1. Анализ поставленной задачи
• 2. Разработка структурной схемы устройства и разработка алгоритма работы устройства
• 3. Разработка функциональной схемы устройства. Проектирование аппаратных средств
• 4. Проектирование программного обеспечения
• Заключение
• Список литературы

Современную микроэлектронику трудно представить без такой важной составляющей, как микроконтроллеры. Микроконтроллеры незаметно завоевали весь мир. В последнее время на помощь человеку пришла целая армия электронных помощников. Мы привыкли к ним и часто даже не подозреваем, что во многих таких устройствах работает микроконтроллер.

Микроконтроллерные технологии очень эффективны. Одно и то же устройство, которое раньше собиралось на традиционных элементах, будучи собрано с применением микроконтроллеров, становится проще. Оно не требует регулировки и меньше по размерам.

Кроме того, с применением микроконтроллеров появляются практически безграничные возможности по добавлению новых потребительских функций и возможностей к уже существующим устройствам. Достаточно просто поменять программу[1].

AVR — самая обширная производственная линии среди других флэш-микроконтроллеров корпорации Atmel. Atmel представила первый 8-разрядный флэш-микроконтроллер в 1993 году и с тех пор непрерывно совершенствует технологию. Прогресс данной технологии наблюдался в снижении удельного энергопотребления (мА/МГц), расширения диапазона питающих напряжений (до 1.8 В) для продления ресурса батарейных систем, увеличении быстродействия до 16 млн. операций в секунду, встройкой реально-временных эмуляторов и отладчиков, реализации функции самопрограммирования, совершенствовании и расширении количества периферийных модулей, встройке специализированных устройств (радиочастотный передатчик, USB-контроллер, драйвер ЖКИ, программируемая логика, контроллер DVD, устройства защиты данных) и др.

Успех AVR-микроконтроллеров объясняется возможностью простого выполнения проекта с достижением необходимого результата в кратчайшие сроки, чему способствует доступность большого числа инструментальных средств проектирования, поставляемых, как непосредственно корпорацией Atmel, так и сторонними производителями. Ведущие сторонние производители выпускают полный спектр компиляторов, программаторов, ассемблеров, отладчиков, разъемов и адаптеров. Отличительной чертой инструментальных средств от Atmel является их невысокая стоимость.

Другой особенностью AVR-микроконтроллеров, которая способствовала их популяризации, это использование RISC-архитектуры, которая характеризуются мощным набором инструкций, большинство которых выполняются за один машинный цикл. Это означает, что при равной частоте тактового генератора они обеспечивают производительность в 12 (6) раз больше производительности предшествующих микроконтроллеров на основе CISC-архитектуры (например, MCS51). С другой стороны, в рамках одного приложения с заданным быстродействием, AVR-микроконтроллер может тактироваться в 12 (6) раз меньшей тактовой частотой, обеспечивая равное быстродействие, но при этом потребляя гораздо меньшую мощность. Таким образом, AVR-микроконтроллеры представляют более широкие возможности по оптимизации производительности/энергопотребления, что особенно важно при разработке приложений с батарейным питанием. Микроконтроллеры обеспечивает производительность до 16 млн. оп. в секунду и поддерживают флэш-память программ различной емкости: 1… 256 кбайт. AVR-архитектура оптимизирована под язык высокого уровня Си, а большинство представителей семейства megaAVR содержат 8-канальный 10-разрядный АЦП, а также совместимый с IEEE 1149.1 интерфейс JTAG или debugWIRE для встроенной отладки. Кроме того, все микроконтроллеры megaAVR с флэш-памятью емкостью 16 кбайт и более могут программироваться через интерфейс JTAG[4].

1. Анализ поставленной задачи

В данной курсовой работе решается задача по проектированию микропроцессорного устройства, которое преобразует интерфейс RS-232(COM — порт) в IEEE 1284(LPT — порт). Скорость передачи данных определяется интерфейсом RS-232, т. е. должна лежать в пределах от 110 до 115 200 бит/с. Для решения данной задачи выбрана скорость равная 19 200 бит/с, исходя из следующих причин:

— при скорости близкой к 110 бит/с, устройство работало бы относительно медленно;

— при скорости близкой к максимальной скорости COM — порта (115 200 бит/с) возрастает вероятность передачи данных с большим числом ошибок, что, в свою очередь, затрудняет прием и обработку переданных данных.

Учитывая, что уровни сигналов в COM — порте колеблются в диапазоне от -15 до +15 Вольт (рис.1), то, для подключения COM — порта к микроконтроллеру, который работает с уровнями +5 Вольт, необходимо использовать преобразователь уровней. Для этих целей используется микросхема MAX232. Питание для этой микросхемы подводится от внешнего источника питания (+5В).

микропроцессорный преобразование интерфейс Рисунок 1. — Уровни COM-порта Преобразование последовательного интерфейса в параллельный интерфейс будет осуществляться на микроконтроллере ATMega8.

ATMega8 — 8-разрядный КМОП микроконтроллер, основанный на архитектуре Atmel AVR. Контроллер выполняет большинство инструкций за 1 такт, поэтому вычислительная мощность контроллера равна 1MIPS на 1 МГц. Микроконтроллер имеет RISC-архитектуру, но формат команды двухоперандный, за один такт может быть обращение только к двум регистрам. Контроллер содержит 32 регистра, которые могут равноправно использоваться в арифметических операциях.

Основные аппаратные характеристики микроконтроллера:

— 8 Кбт флеш-памяти команд;

— 512 байт электрически программируемой памяти;

— 1 Кбайт статической памяти;

— 23 линии ввода/вывода общего назначения;

— 32 РОНа;

— три многоцелевых таймер-счётчика с режимом сравнения;

— поддержка внутренних и внешних прерываний;

— универсальный асинхронный адаптер;

— байт-ориентированный двухпроводной последовательный интерфейс;

— 6/8 канальный АЦП с точностью 8 и 10 двоичных разрядов;

— сторожевой таймер;

— последовательный порт SPI;

— расширенные режимы управления энергопотреблением.

Из микроконтроллера выходные данные передаются на LPT — порт.

Перед проектированием данного устройства, был произведен поиск на наличие аналогичных устройств. В итоге было найдено несколько устройств. Некоторые из них приведены далее.

Существуют зарубежные аналоги проектируемого устройство, вот например: RS-232 to IEEE 1284 Converter (Model 2030).

Конвертер Patton 2030 RS-232/423 — IEEE-1284(рис.2) обеспечивает двунаправленное преобразование данных между асинхронными устройствами RS-232/423 и принтерами или другими параллельными устройствами с интерфейсом IEEE-1284. Конвертер способен работать с любым оборудованием уровня 1 и поддерживает режимы Compatible и Nibble (в соответствии со стандартом IEEE-1284). Высокая скорость преобразования делает модель 2030 эффективным решением для использования с высокоскоростными лазерными принтерами для графической печати.

Отличительные особенности данного устройства:

— Асинхронная связь со скоростью до 115.2 Кбит/с;

— Поддержка 2 режимов IEEE-1284 — compatible и nibble (переключатель);

— ESD-защита до 10 кВ на последовательном порту;

— Не требуется источник питания (питание — от любого из интерфейсов);

— Индикаторы питания и данных;

— Непосредственное подключение к порту;

— Компактный корпус.

Рисунок 2. — Внешний вид устройства Patton 2030

Стоимость данного конвертера составляет порядка (40 …45) $ США.

Конвертер RS-232 в Centronics (IEEE 1284)(рис.3) Российского производства.

Данное изделие предназначено в первую очередь для организации печати из карманных компьютеров, оснащенных операционной системой Windows CE 2.0 (например, CASSIOPEIA), непосредственно на любой тип принтера, имеющего вход Centronics (IEEE-1284).

Рисунок 3. — Внешний вид конвертера RS-232 в Centronics (IEEE 1284)

Проблема состоит в том, что карманный компьютер имеет только COM-порт, соответствующий стандарту RS-232, и инфракрасный порт, в то время как подавляющее большинство принтеров имеет только параллельный порт, соответствующий стандарту CENTRONICS. Конвертер осуществляет преобразование из последовательного формата данных, получаемых из карманного компьютера (RS-232) в формат данных, которые может принять принтер (CENTRONICS).

Технические характеристики конвертер RS-232 в Centronics (IEEE 1284):

— Микроконтроллер: ATMEL AT90S2313;

— Ток, потребляемый из последовательного порта, не более: 5 мА;

— Входной интерфейс: RS-232;

— Выходной интерфейс CENTRONICS (IEEE-1284);

— Управление потоком данных RS-232 Xon/Xoff (Software);

— Старт. бит RS-232: 1;

— Стоп. бит RS-232: 1;

— Длина байта RS-232: 8;

— Скорость приема данных из компьютера, установленная в конвертере по умолчанию: 57 600 бит/с.

Стоимость данного конвертера составляет порядка (20 …30) $ США.

2. Разработка структурной схемы устройства и разработка алгоритма работы устройства

Структурная схема проектируемого устройства изображена на рис. 4. Данная схема представлена в виде трех блоков:

1) COM — порт, предназначен для соединения проектируемого устройства с COM — портом другого устройства;

2) Микроконтроллер, предназначен для преобразования интерфейсов RS-232 в IEEE 1284;

3) LPT — порт, предназначен для соединения проектируемого устройства с другим устройством, через разъем LPT — порта DB-25.

Рисунок 4. — Структурная схема устройства Для удобства анализа и оценки работы проектируемого устройства был разработан алгоритм работы данного устройства, который представлен в виде блок-схем (рис. 5 и рис.6).

Рисунок 5. — Блок-схема алгоритма работы проектируемого устройства

Рисунок 6. — Блок-схема вызываемой функции get_char ()

3. Разработка функциональной схемы устройства. Проектирование аппаратных средств

Функциональная схема преобразователя интерфейсов RS-232 в IEEE 1284 представлена на рисунке 7.

Рисунок 7. — Функциональная схема устройства

Передатчик (COM-порт) представлен в виде разъема (рис.8), который непосредственно подключается к COM-порту ведущего устройства.

Рисунок 8. — Внешний вид COM-порта

Преобразователь уровней выполнен на микросхеме MAX232(рис. 9)

Рисунок 9. — Преобразователь уровней последовательного интерфейса MAX232

Микроконтроллер представлен микросхемой ATMega8 (рис.10). Основные особенности:

— Полный дуплекс;

— Асинхронные и синхронные операции;

— Делитель частоты высокого разрешения;

— Частота синхронизации от задатчика или от приёмника;

— Поддержка символов от 5 до 9 бит, 1 и 2 стоп-бит;

— Проверка ошибок передачи;

— генерация 3-х прерываний.

— Форматы фреймов данных совместимы со стандартом RS-232.

— Скорости передачи данных составляют от 1.2 кБит/с до 115.2 кБит/с, но может достигать в режиме удвоения 230.4 кБит/с.

— Двухпроводной последовательный интерфейс — I2C.

— Стандартный промышленный интерфейс;

— Режимы задатчика и приёмника;

— Режимы операций — приёмник и передатчик;

— 7-разрядное пространство адресов шины;

— Поддержка мультизадатчиков шины;

— Скорость пердачи данных до 400 кГц;

— Полностью программируемый адрес на шине.

Рисунок 10. — Микроконтроллер ATMega8

Приемник (LPT-порт) представлен в виде разъема (рис. 11), который непосредственно подключается к LPT-порту ведомого устройства.

Рисунок 11. — Внешний вид LPT-порта (DB-25)

Адаптер параллельного интерфейса представляет собой набор регистров, расположенных в пространстве ввода/вывода. Регистры порта адресуются относительно базового адреса порта, стандартными значениями которого являются 386h, 378h и 278h. Порт имеет внешнюю 8-битную шину данных, 5-битную шину сигналов состояния и 4-битную шину управляющих сигналов.

4. Проектирование программного обеспечения

Код программы для микроконтроллера ATMega8 представлен в виде листинга (с комментариями), который описан ниже.

Листинг программы:

/*****************************************************

This program was produced by the

CodeWizardAVR V1.25.9 Professional

Chip type: ATmega8

Program type: Application

Clock frequency: 8,0 MHz

Memory model: Small

External SRAM size: 0

Data Stack size: 256

*****************************************************/

#include /*Подключаемые библиотеки*/

#include

#define RXB8 1 /*Вводимые константы*/

#define TXB8 0

#define UPE 2

#define OVR 3

#define FE 4

#define UDRE 5

#define RXC 7

#define FRAMING_ERROR (1<

#define PARITY_ERROR (1<

#define DATA_OVERRUN (1<

#define DATA_REGISTER_EMPTY (1<

#define RX_COMPLETE (1<

// USART Receiver buffer

#define RX_BUFFER_SIZE 64 /*Константа, определяющая размен буфера приемника УСАПП*/

char rx_buffer[RX_BUFFER_SIZE]; /*Глобальная переменная*/

#if RX_BUFFER_SIZE<256 /*Выбирается тип переменных в зависимости от размера буфера*/

unsigned char rx_wr_index, rx_rd_index, rx_counter;

#else

unsigned int rx_wr_index, rx_rd_index, rx_counter;

#endif

// This flag is set on USART Receiver buffer overflow

bit rx_buffer_overflow;

// USART Receiver interrupt service routine

interrupt [USART_RXC] void usart_rx_isr (void) /*Приема данных на УСАПП*/

{

char status, data;

status=UCSRA;

data=UDR;

if ((status & (FRAMING_ERROR | PARITY_ERROR | DATA_OVERRUN))==0)

{

rx_buffer[rx_wr_index]=data;

if (++rx_wr_index == RX_BUFFER_SIZE) rx_wr_index=0;

if (++rx_counter == RX_BUFFER_SIZE)

{

rx_counter=0;

rx_buffer_overflow=1;

};

};

}

char get_char (void) /*Функция считывания данных*/

{

char data;

while (rx_counter==0);

data=rx_buffer[rx_rd_index];

if (++rx_rd_index == RX_BUFFER_SIZE) rx_rd_index=0;

#asm («cli») /*Объявляется общее запрещеие глобальных прерываний, по выходе из которой бит_i регистра SREG обнуляется*/

—rx_counter;

#asm («sei») /*Объявляется общее разрешение прерываний*/

return data;

}

// Standard Input/Output functions

#include

char input_byte;

void main (void)

{

/*Производится инициализация портов*/

// Input/Output Ports initialization

// Port B initialization

// Func7=Out Func6=Out Func5=Out Func4=Out Func3=Out Func2=Out Func1=Out Func0=Out

// State7=0 State6=0 State5=0 State4=0 State3=0 State2=0 State1=0 State0=0

PORTB=0×00; /*Регистр данных порта Б*/

DDRB=0xFF; /*Регтстр направления данных порта Б*/

// Port C initialization

// Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In

// State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T

PORTC=0×00;

DDRC=0×00;

// Port D initialization

// Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=Out Func1=Out Func0=In

// State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=0 State1=0 State0=T

PORTD=0×00;

DDRD=0×06;

// Timer/Counter 0 initialization

// Clock source: System Clock

// Clock value: Timer 0 Stopped

TCCR0=0×00;

TCNT0=0×00;

// Timer/Counter 1 initialization

// Clock source: System Clock

// Clock value: Timer 1 Stopped

// Mode: Normal top=FFFFh

// OC1A output: Discon.

// OC1B output: Discon.

// Noise Canceler: Off

// Input Capture on Falling Edge

// Timer 1 Overflow Interrupt: Off

// Input Capture Interrupt: Off

// Compare A Match Interrupt: Off

// Compare B Match Interrupt: Off

TCCR1A=0×00; /*Регистр, А управления таймера/счетчика Т1*/

TCCR1B=0×00;

TCNT1H=0×00; /*Счетный регистр таймера/счетчика Т1, старший байт*/

TCNT1L=0×00; /*Счетный регистр таймера/счетчика Т1, младший байт*/

ICR1H=0×00; /*Регистр захвата таймера/счетчика Т1, старший байт*/

ICR1L=0×00; /*Регистр захвата таймера/счетчика Т1, младший байт*/

OCR1AH=0×00; /*Регистр, А совпадения таймера/счетчика Т1, старший байт*/

OCR1AL=0×00; /*Регистр, А совпадения таймера/счетчика Т1, младший байт*/

OCR1BH=0×00;

OCR1BL=0×00;

// Timer/Counter 2 initialization

// Clock source: System Clock

// Clock value: Timer 2 Stopped

// Mode: Normal top=FFh

// OC2 output: Disconnected

ASSR=0×00; /*Регистр состояния асинхроного режима*/

TCCR2=0×00; /*Регистр управления таймера/счетчика Т2*/

TCNT2=0×00;

OCR2=0×00;

// External Interrupt (s) initialization

// INT0: Off

// INT1: Off

MCUCR=0×00; /*Регистр управления микроконтроллера*/

// Timer (s)/Counter (s) Interrupt (s) initialization

TIMSK=0×00; /*Регистр маски прерывания от таймера счетчика*/

// USART initialization

// Communication Parameters: 8 Data, 1 Stop, No Parity

// USART Receiver: On

// USART Transmitter: Off

// USART Mode: Asynchronous

// USART Baud Rate: 19 200

UCSRA=0×00; /*Регистр, А управления и состояния УСАПП*/

UCSRB=0×90;

UCSRC=0×86;

UBRRH=0×00; /*Регистр скорости передачи УСАПП, старший бит*/

UBRRL=0×19;

// Analog Comparator initialization

// Analog Comparator: Off

// Analog Comparator Input Capture by Timer/Counter 1: Off

ACSR=0×80; /*Регистр управления и состояния аналогового компаратора*/

SFIOR=0×00; /*Регистр специальных функций*/

// Global enable interrupts

PORTD.2=0; /*Присвоили биту 2 регистра порта D значение «0», т. е. выключение встроенного счетчика Т0*/

#asm («sei»); /*Объявляется общее разрешение прерываний*/

while (1) /*Бесконечный цикл*/

{

input_byte = get_char (); /*Вызов функции, которая считывает последовательность из 9 битов*/

PORTB = input_byte; /*Передача данных на выход, через порт Б*/

PORTD.2=1; /*Включение встроенного счетчика*/

delay_us (120); /*Вводится задержка для вывода данных*/

PORTD.2=0; /*Выключение встроенного счетчика*/

};

}

Заключение

В ходе выполнения данной курсовой работы было разработано микропроцессорное устройство преобразования интерфейсов из RS-232 в IEEE 1284. Так же были рассмотрены аналоги проектируемого устройства.

В процессе выполнения закреплены знания по основам работы микроконтроллеров как в теории так и на практике.

Разработанное устройство может применяться для преобразования интерфейсов при передачи данных из устройства поддерживающего RS-232 и соответственно имеющее разъем COM-порта, в устройство, поддерживающего IEEE 1284 и содержащего разъем LPT-порта.

Симуляция спроектированного устройства осуществлялась с помощью программного обеспечения Proteus 7.2 SP6 Proffesional.

1. Ю. А. Шпак «Программирование на языке С для AVR и PIC микроконтроллеров». — К.: «МК-Пресс», 2006 — 400 с.

2. www. avr123.nm.ru

3. www.gaw.ru/html.cgi/txt/ic/Atmel/micros/avr/atmega8.htm

4. Евстифеев А. В. «Микроконтроллеры AVR семейства MEGA. Руководство пользователя». — М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2007 — 592с.

5. Белов А. В. «Создаем устройство на микроконтроллерах». — Спбю.: Наука и техника, 2007 — 304с.

6. Гребнев В. В. «Микроконтроллеры семейства AVR фирмы Atmel». — М.: ИП РадиоСофт, 2002 — 176с.