Разработка микропроцессорного устройства для определения частоты сигнала

1.

Введение

Развитие микропроцессорной техники началось сравнительно недавно. Первое сообщение о разработке микропроцессора i-4004 опубликовала фирма Intel в 1971 году.

Создание микропроцессора (МП) является следствием развития и совершенствования технологии производства интегральных схем. Повышение степени интеграции микросхем привело к закономерному этапу в развитии вычислительной техники — реализации архитектуры ЭВМ на одной интегральной схеме.

Способность к программированию последовательности выполняемых функций, то есть способность работать по заданной программе, является основным отличием МП от элементов «жесткой» логики (интегральных схем малой и средней степенью интеграции). Кроме физической структуры микропроцессора, называемой аппаратными средствами, на выполняемый им алгоритм влияют программные средства, то есть последовательность команд и данных, записанных в запоминающем устройстве. В общем виде аппаратные средства микропроцессора повторяют структуру процессора ЭВМ и включают: арифметико-логическое устройство, устройство управления и несколько рабочих регистров. Микропроцессор может состоять из одной или нескольких интегральных схем, распределенных по принципу выполняемых функций.

Таким образом микропроцессор — это программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки информации, управления им, построенное на одной или нескольких больших интегральных схемах (БИС).

В настоящее время микропроцессоры и изготовленные на их базе микро-ЭВМ присутствуют практически во всех областях деятельности человека.

Основными причинами широкого внедрения микропроцессорной техники являются:

использование в микропроцессорных системах цифрового способа представления информации, позволяющее значительно повысить помехоустойчивость создаваемых на их основе устройств, обеспечить простоту передачи и преобразования информации без потерь и долговременное хранение;

применение программного способа обработки информации, позволяющего создавать в значительной степени унифицированные технические средства, отличающиеся практически лишь содержимым запоминающего устройства и специфическими устройствами ввода-вывода информации;

компактность, высокая надежность и низкая потребляемая мощность микропроцессорных средств, обеспечивающее возможность расположения управляющих устройств, созданных на их основе, в непосредственной близости от управляемого оборудования;

относительно низкая стоимость микропроцессорных средств и высокая степень их эффективности.

Эти факторы позволили МП в короткое время занять ведущее место в совершенствовании целых отраслей промышленности, создания гибких автоматизированных производств, информационных сетей, автоматических систем управления технологическими процессорами, систем автоматического проектирования и т. п.

Применение микропроцессоров и микро-ЭВМ в устройствах и системах автоматики не только привело к повышению технико-экономических показателей приборов, но и повлекло за собой появление широкого класса совершенно новых типов приборов и устройств.

Появление микропроцессоров и микро-ЭВМ изменило характер труда разработчиков приборов, сместив центр тяжести из традиционной области проектирования логических схем в область разработки алгоритмов и программирования. Тот огромный интерес, который проявляют в последние годы инженеры — проектировщики аппаратуры, объясняется тем, что ограниченный набор достаточно сложных, но реализующих вполне определенные функции БИС, представляет разработчикам вычислительные мощности, вполне достаточные для решения широкого класса задач. Относительно низкая стоимость, малые габариты и потребляемая мощность, высокая надежность и исключительная «гибкость» в применениях ставят микропроцессорные наборы БИС вне конкуренции по сравнению с любой другой элементной базой цифровых устройств.

Производство микропроцессоров и микро-ЭВМ приобрело крупные масштабы и занимает сейчас центральное место в микроэлектронике. Высокие технические характеристики микропроцессоров как универсальных устройств обработки данных позволяют предположить, что в ближайшие годы широкий круг специалистов в области автоматики, телемеханики, связи и АСУ будет использовать в разработках или эксплуатировать микропроцессорные устройства, микро-ЭВМ и системы на их основе. Наибольший эффект от внедрения микропроцессоров и микро-ЭВМ можно ожидать в устройствах и системах локальной автоматики, а также в тех областях, где применение средств и методов цифровой обработки данных до появления микропроцессоров было нецелесообразно по экономических соображениям.

Применение микропроцессоров в цифровых устройствах автоматики требует от разработчиков адаптации к применительно новой элементной базе, овладения методологией разработки и отладки программ, приобретения навыков проектирования управляющих цифровых устройств (контролеров) на основе программируемой, а не схемной логики.

2. Техническое задание Необходимо разработать микропроцессорное устройство для определения частоты сигнала, со следующими характеристиками:

3. Описание работы по структурной схеме Структурная схема микропроцессорного устройства для определения частоты сигнала показана на рис. 1.

В ее состав входят следующие блоки:

блок датчиков;

ключи;

блок обработки сигнала;

Микроконтроллер;

блок цифровой индикации.

Рис. 1. Структурная схема микропроцессорного устройства для определения частоты сигнала Рассмотрим работу всего устройства в виде ее составляющих.

От блока датчиков приходят сигналы от 12 ПП, частоту которых необходимо определить. С помощью ключей мы определяем какой датчик надо опросить. Блок обработки сигнала проводит преобразование сигнала к импульсному виду. Затем сигнал приходит на микроконтроллер где происходит обработка данных и определение необходимого параметра. После получения результата необходимо вывести их на индикацию, за которую будет отвечать блок индикации.

4. Выбор микроконтроллера В данной работе используется микроконтроллер MC68HC908GP32. Он относится к семейству 8-разрядных микроконтроллеров 68НС08/908 производства компании Motorola.

В этом семействе реализованы концепции, которые обеспечивают существенное увеличение производительности микроконтроллеров и расширение их функциональных возможностей. Данные микроконтроллеры позволяют обеспечить более высокие технико-экономические характеристики устройств, реализуемых на их основе. Следует отметить, что в составе этого семейства преобладают модели, содержащие Flash-память (подсемейство 68НС908), что обеспечивает возможность их широкого использования в изделиях малой серийности.

Можно отметить следующие основные преимущества семейства 68НС08/908 по сравнению с аналогичными семействами:

Процессор CPU08 работает на более высокой тактовой частоте (до 8 МГц), реализует ряд дополнительных способов адресации и имеет расширенный набор выполняемых команд. В результате достигается повышение производительности до шести раз по сравнению с микроконтроллерами аналогичных семейств.

Применение Flash-памяти обеспечивает возможность программирования и ре-программирования микроконтроллеров подсемейства 68НС908 от персонального компьютера непосредственно в составе реализуемой системы, используя последовательный интерфейс.

Модульная структура микроконтроллеров и наличие большой библиотеки интерфейсных и периферийных модулей с улучшенными характеристиками позволяют достаточно просто реализовать различные модели с расширенными функциональными возможностями.

Существенно расширены возможности отладки программ благодаря введению специального монитора отладки и реализации останова в контрольной точке. Таким образом обеспечивается возможность эффективной отладки без применения дорогостоящих схемных эмуляторов.

Реализованы дополнительные возможности контроля функционирования микроконтроллеров, повышающие надежность работы систем, в которых они применяются.

Напряжение питания микроконтроллера MC68HC908GP32 задается в пределах Uпит = 3,0 — 5,0 В, обеспечивая при этом тактовую частоту Ft = 4 — 8 МГц.

На кристалле микроконтроллера MC68HC908GP32 располагаются:

32 Кбайт FLASH-памяти с возможностью внутрисхемного программирования и защитой от несанкционированного доступа;

512 байт ОЗУ;

модуль формирования тактового сигнала CGM08;

модуль системной интеграции SIM08;

модуль контроля напряжения питания LVI08;

модуль формирования прерывания в контрольной точке BREAK08;

модуль внешнего прерывания IRQ08;

модуль сторожевого устройства COP08, позволяющий повысить надежность функционирования системы;

два 16-разрядных таймерных модуля TIM08, каждый из которых имеет по 2 канала с возможностью захвата, сравнения и формирования ШИМ-сигналов;

таймер временных меток TBM08, который позволяет вырабатывать прерывания в заданные моменты времени;

модуль последовательного асинхронного интерфейса SCI08, обеспечивающий обмен в 8- или 9-битном режиме со скоростью до 76.800 Кбит/с;

модуль последовательного синхронного интерфейса SPI08;

модуль прерываний от клавиатуры KBI08;

8-канальный 8-разрядный аналого-цифровой преобразователь ADC08 с циклом преобразования 17 тактов.

Служебные модули, входящие в его состав, выполняют следующие функции.

Модуль формирования тактирующих сигналов CGM08 генерирует последовательности импульсов, необходимые для тактирования работы процессора и периферийных модулей Модуль системной интеграции SIM08 производит начальный запуск микроконтроллера при включении напряжения питания и его перезапуск при поступлении внешнего сигнала на вход RST# или внутреннего сигнала от модуля контроля функционирования СОР08, а также при выборке неправильного кода команды и при обращении к несуществующему адресу. Кроме того, модуль SIM08 формирует тактовые сигналы для процессора и других модулей, управляет передачей команд и данных по внутренней шине, обеспечивает обслуживание запросов прерывания, реализует различные режимы работы микроконтроллера.

Модуль управления внешним прерыванием IRQ08 обеспечивает различные варианты обслуживания внешнего запроса прерывания, поступающего на вход IRQ#.

Модуль прерывания в контрольной точке BREAK08 реализует механизм останова в контрольной точке в процессе отладки программного обеспечения.

Модуль контроля напряжения питания LVI08 контролирует величину напряжения питания. При уменьшении этого напряжения ниже заданной величины модуль LVI08 переводит микроконтроллер в начальное состояние, которое сохраняется до восстановления нормального уровня напряжения питания.

Модуль контроля функционирования СОР08 обеспечивает контроль выполнения программы с помощью сторожевого таймера.

Кроме параллельных портов в микроконтроллере используются интерфейсные модули, обеспечивающие последовательный ввод-вывод данных.

Модуль асинхронного связного интерфейса SCI08 реализует стандартный асинхронный протокол передачи 8 данных с одним старт — битом и одним стоп — битом. Скорость обмена программируется и может достигать 130 Кбит/с.

Модуль синхронного периферийного интерфейса SPI08 обеспечивает синхронный последовательный ввод-вывод данных с высокой скоростью до 4 Мбит/с. Этот модуль служит для быстрого обмена данными между микроконтроллером и другими устройствами, расположенными на небольшом расстоянии.

В состав периферийных модулей микроконтроллера входят таймерный модуль и модуль АЦП.

Таймерный модуль TIM08 содержит 16-разрядный счетчик, имеющий несколько каналов, которые работают в режиме захвата или совпадения. Каналы имеют входы сигналов захвата 1С, выходы сигналов совпадения ОС и соответствующие регистры захвата и сравнения.

Модуль АЦП ADC08 реализует аналого-цифровое преобразование поступающих сигналов с разрешением 8 бит. Количество аналоговых входов составляет для различных моделей от 8.

Микроконтроллеры семейства 68НС08/908 адресуют 64 Кбайт внутренней памяти (адреса S0000-FFFF). Распределение адресного пространства задается картой памяти, вид которой представлен на рисунке 2.

Рис. 2. Карта памяти для микроконтроллера MC68HC908GP32

5. Описание алгоритма нахождения частоты В начале поясним алгоритм нахождения частоты (см. Рис. 3).

Рисунок 3

Сигнал, частоту которого надо измерить, показан на рис.3а (где Тх период), поступает на вход компаратора. Компаратор поводит сравнение данного сигнала, если он выше оси, то «1», если ниже -«0"(рис.3б). Этот сигнал заполняется тактами с интервалом То (рис.3в), счетчик определяет сколько тактов входит в сигнал. Период сигнала будет равен:

Тх =2 N То где Nколичество тактов.

Таким образом частота сигнала будет равна: Fx = 1/Tx

6. Описание алгоритма программы На рис. 4 приведен алгоритм работы программы управления микропроцессорным устройством.

Начинается прием информации из порта ввода. Эта информация анализируется следующим образом: если пришел «0», то микроконтроллер принимает снова данные из порта и ждет «1». После этого будем увеличивать значение счетчика, пока снова не придет «0», то есть пока не закончится прием сигнала.

Для измерения минимальной частоты (min = 0,701*104 Гц, max = 179*104 Гц) необходимо 1 цикл. В регистре «Х» находится счетчик тактов. Для упрощения алгоритма мы определили частоту одного такта, теперь для получения частоты нам необходимо умножить его на количество тактов.

Вывод результата на индикатор происходит в шестнадцатеричной системе счисления с коэффициентом 104, первые два индикатора целая часть, вторыедробная.

Рис.4

7. Программа работы микропроцессора микропроцессор определение частота сигнал

*************************************************************

* Title: ADC work *

* File name: ADC. asm *

* Version: 1.0 *

* Written by: svl *

* Last updated: 17.12.05 *

* Target: MC68HC908GP32 *

* *

* DESCRIPTION Working with ADC *

* *

*************************************************************

RAMStart EQU $ 0040

ROMStart EQU $ 8000

VectorStart EQU $FFDC

$Include 'gpgtregs.inc'

*************************************************************

* Data section *

*************************************************************

org RAMStart

data ds 1

*************************************************************

* Code section *

*************************************************************

org ROMStart

*************************************************************

* FUNCTION ADC_Int *

* The routine handles ADC interrupt *

* USAGE *

* None

* *

* RETURN *

* ADC value in RAM *

*************************************************************

* Main_Init — This is the point where code starts executing after a RESET. *

*************************************************************

Main_Init:

rsp

mov #$ff, ddrc

mov #$ff, ddrd

mov #$ 00,ddre

start:

ldx #$ 00

m1:

lda porte

and #$ 02

bne m1

m2:

lda porte

and #$ 02

beq m2

m3:

incx

lda porte

and #$ 02

bne m3

mov #$ 00,$ 009b

lda #$b3

stx $ 009C

ldhx #$ 00

ldx $ 009c

sta $ 009a

cpx $ 009A

bls m

mov #$ 01,$ 0009d

lda $ 009a

and #$f0

lsra

lsra

lsra

lsra

sta $ 009b

ldhx $ 009b

lda $ 009a

and #$ 0f

lsla

lsla

lsla

lsla

sta $ 009a

m:

lda $ 009a

ldhx $ 009b

div

sthx $ 0045

sta $ 0041

lda $ 009b

beq mn

lda $ 0041

and #$f0

lsra

lsra

lsra

lsra

sta portc

mov #$ 01,portd

mov #$ 04,portd

lda $ 0041

and #$ 0f

sta portc

mov #$ 02,portd

mov #$ 04,portd

lda $ 0045

lsra

lsra

lsra

lsra

sta portc

mov #$ 03,portd

mov #$ 04,portd

jmp mn1

mn:

lda $ 0045

lsra

lsra

lsra

lsra

sta portc

mov #$ 02,portd

mov #$ 04,portd

lda $ 0045

and #$ 0f

sta portc

mov #$ 03,portd

mov #$ 04,portd

lda $ 0041

and #$f0

lsra

lsra

lsra

lsra

sta portc

mov #$ 00,portd

mov #$ 04,portd

lda $ 0041

and #$ 0f

sta portc

mov #$ 01,portd

mov #$ 04,portd

mn1:

jmp start

*************************************************************

* DUMMY_ISR — Dummy Interrupt Service Routine. *

* Just does a return from interrupt. *

*************************************************************

Dummy_Isr:

rti; Return

*************************************************************

* Vectors section *

*************************************************************

org VectorStart

dw Dummy_Isr; Time Base Vector

dw Dummy_Isr; ADC Conversion Complete

dw Dummy_Isr; Keyboard Vector

dw Dummy_Isr; SCI Transmit Vector

dw Dummy_Isr; SCI Receive Vector

dw Dummy_Isr; SCI Error Vector

dw Dummy_Isr; SPI Transmit Vector

dw Dummy_Isr; SPI Receive Vector

dw Dummy_Isr; TIM2 Overflow Vector

dw Dummy_Isr; TIM2 Channel 1 Vector

dw Dummy_Isr; TIM2 Channel 0 Vector

dw Dummy_Isr; TIM1 Overflow Vector

dw Dummy_Isr; TIM1 Channel 1 Vector

dw Dummy_Isr; TIM1 Channel 0 Vector

dw Dummy_Isr; PLL Vector

dw Dummy_Isr; ~IRQ1 Vector

dw Dummy_Isr; SWI Vector

dw Main_Init; Reset Vector

*************************************************************

* End of source *

*************************************************************

9. Расчёт погрешности системы Суммарная погрешность системы включает в себя:

погрешность компаратора погрешность мультиплексора Погрешность компаратора:

Эта погрешность обусловлена одним из технических параметров компаратора, а именно tзд. р быстродействие, скорость отклика определяемая задержкой срабатывания и временем нарастания сигнала.

Во время задержки в работе компаратора сигнал уже проходит, следовательно длительность сигнал на выходе компаратора будет на 2tзд. р меньше, чем на входе. Следовательно, погрешность компаратора составит:

где Тсиг период сигнала.

При tзд. р = 13 нс

Погрешность мультиплексора:

Погрешность мультиплексора определяется по формуле:

где U0 — остаточное напряжение открытого ключа,

n — число каналов коммутации,

Umax — амплитуда входного сигнала,

I0 — ток утечки ключа,

rз — сопротивление закрытого ключа,

r0 — сопротивление открытого ключа.

Микросхема К591КН3 имеет следующие характеристики: U0 = 0 В, n = 16, Umax = 5 В, I0 = 50 нА, rз = 108 Ом, r0 = 300 Ом.

Тогда:

Отсюда суммарная погрешность системы составит

10. Выбор элементной базы Коммутатор Микросхема К155КП1 представляет собой 16 — канальный коммутатор, выборка осуществляется параллельно в соответствии с кодом на входах управления. Микросхема выполнена по ТТЛ-технологии, позволяет производить как адресную, так и последовательную выборку каналов. В таблице 1 перечислены ее основные параметры.

Таблица 1

Компаратор Микросхема КМ597СА2 представляет собой быстродействующий компаратор напряжения со стробированием, предназначенный для обслуживания высокоскоростных ТТЛ цифровых микросхем. Компаратор снабжен схемой запоминания предыдущего состояния.

Основные параметры микросхемы КМ597СА2:

Пороговая чувствительность…0,25мВ Напряжение смещения …2мВ Температурный коэффициент напряжения смещения…10мкВ/К Входной ток …10мкА Разность входных токов…1мкА Коэффициент ослабления синфазного сигнала…80дБ Время задержки распространения…12нс Время разрешения выборки…6нс Максимальная частота стробирования…80МГц Напряжение питания…-6,+5 В Порты ввода/вывода В качестве портов ввода/вывода используются восьмиразрядные регистры на триггерах с защелкой с тремя состояниями на выходе 1533ИР23. Входы и выходы регистра являются ТТЛ — совместимыми. Их параметры приведены в таблице.

Дешифратор КМ155ИД9 имеет четыре входа и шестнадцать выходов. В зависимости от двоичного кода на входе дешифратора на выходе формируется унитарный код, с помощью которого происходит выбор регистра, соответствующего номеру датчика.

1. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы. Справочное пособие /С.В. Якубовский, НА. Барканов и щ)./ Под ред. С. В. Якубовского — 2-е М.: Радио и связь, 1985

2. Справочник по интегральным микросхемам. Под. ред. Б. В. Тарабрина, Москва, «Энергия», 1980 г.

3. Интернет — сайт: www.chipinfo.ru