Устройства на микроконтроллерах: структура, разработка

Проектирование цифровых устройств на микроконтроллерах

Проектирование любого устройства начинается с анализа технического задания. В зависимости от предъявляемых требований для реализации устройства может потребоваться различная элементная база. В ряде случаев подходят готовые микросхемы, ведь обычно решаются однотипные задачи с небольшими изменениями параметров. Иногда, при решении новых уникальных задач, приходится использовать универсальные микросхемы.

Для обработки аналоговых сигналов применяются сигнальные процессоры, операционные усилители или в крайнем случае строится схема на транзисторах. Применение сигнальных процессоров оправдано на относительно низких частотах при повышенных требованиях к качеству сигнала (большой динамический диапазон, повышенные требования к частотной избирательности или необходимость реализовать в одном устройстве много блоков) при повышении значений обрабатываемых частот может потребоваться разработка схемы устройства на транзисторах, тем более, что габариты этих устройств в настоящее время невелики и вся схема целиком может занимать место, соизмеримое с местом, занимаемым микросхемой.

Для реализации быстродействующих цифровых устройств (в том числе и предназначенных для обработки аналоговых сигналов) обычно применяются программируемые логические интегральные схемы. Если же требуется построить малогабаритное устройство с достаточно сложным алгоритмом работы, то альтернативы устройствам, спроектированным на основе микроконтроллера, нет.

Рассмотрим пример разработки схемы и написания программы для микроконтроллера. Прежде всего не нужно забывать, что программа не может существовать отдельно независимо от схемы устройства. Если при написании программы для универсального компьютера, такого как IBM PC можно не задумываться о схеме, так как она стандартная, то перед написанием программы для микроконтроллера необходимо разработать схему устройства, в состав которого будет входить микроконтроллер. Мельчайшие изменения в принципиальной схеме устройства приводят к изменению программы, написанной для этого устройства.

При разработке схемы не стоит забывать о том, что некоторые решения легко реализуются схемно, но при этом могут потребовать чрезвычайно сложных программных решений или чрезвычайно высоких требований к производительности микроконтроллера. И наоборот. Элементарное программное решение может быть эквивалентно чрезвычайно сложному схемному решению. Поэтому чрезвычайно важно правильно разделять программную и аппаратурную часть реализации алгоритма работы разрабатываемого устройства.

При разделении аппаратурной и программной части устройства очень важно правильно выбирать конкретный тип микроконтроллера. Ведь в одних микросхемах присутствуют блоки, отсутствующие в других. При этом в случае разработки серийного устройства приходится учитывать возможность прекращения выпуска выбранного типа микросхем. С этой точки зрения лучше выбирать микроконтроллеры, выпускаемые как можно большим числом фирм-производителей микросхем.

Выберем в качестве примера разработку часов на микроконтроллере. Естественно использовать микроконтроллер для реализации часов неоправданно, так как существует огромное количество специализированных микросхем, реализующих эту задачу. Однако, если часы помимо основной функции должны будут выполнять ещё какие-либо задачи, то применение универсальной микросхемы – микроконтроллера может быть вполне оправдано. В нашем случае реализация часов рассматривается просто как учебный пример. Тем не менее, при необходимости, это устройство, при небольшом изменении схемы и программы, может выполнять дополнительные функции.

Как и разработка любого устройства, разработка микропроцессорного устройства начинается с разработки структурной схемы.

Разработка структурной схемы часов

Проанализируем как должно работать разрабатываемое устройство. Часы обязательно должны содержать устройство измерения времени, которое в свою очередь всегда состоит из генератора эталонных интервалов времени и счётчика этих интервалов. Структурная схема устройства измерения времени приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема устройства измерения времени (часов)

В простейшем случае генератор импульсов эталонной длительности должен вырабатывать минутные импульсы. В качестве генератора эталонных импульсов мог бы подойти кварцевый генератор, так как этот тип генераторов обладает высокой стабильностью колебаний. Но кварцевые генераторы вырабатывают колебания в диапазоне от 1 до 30 МГц. Это соответствует временным интервалам от 0.03 до 1 мкС. Тем не менее, если воспользоваться делителем частоты, выполненном на двоичном счетчике, то можно получить импульсы с периодом 1 минута.

Выберем частоту работы кварцевого генератора. Мы предполагаем использовать микроконтроллер семейства MCS-51, поэтому выберем частоту кварцевого генератора обычную для этих микроконтроллеров &mbrash; 12 МГц. Тогда для формирования секундных импульсов (частота 1 Гц) потребуется делитель частоты на 12000000. Для формирования минутных импульсов потребуется ещё один делитель частоты. Так как в минуте содержится 60 секунд, то нам потребуется делитель на 60.

Уточнённая структурная схема разрабатываемого микропроцессорного устройства приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Уточнённая структурная схема устройства измерения времени

Следующий блок, который обязательно должен входить в состав часов &mbrash; это устройство индикации. Выберем в качестве устройства отображения светодиодные семисегментные индикаторы. Для преобразования кода, в котором работает счётчик минутных импульсов, в семисегментный код потребуется дешифратор. То есть, блок индикации будет состоятьиз дешифратора и собственно индикаторов.

И, наконец, последнее замечание. Любые часы время от времени требуют коррекции своего значения с целью синхронизации своих показаний с всемирным временем. Это будет делать блок коррекции, который в свою очередь будет состоять из кнопок и схемы установки внутреннего состояния счётчика временных интервалов.

Структурная схема часов с учётом блока индикации и блока коррекции времени приведена на рисунке 3.


Рисунок 3. Структурная схема часов

После разработки структурной схемы часов определим какая часть будет реализовываться на аппаратных ресурсах микроконтроллера, что потребует дополнительных ресурсов, и какая часть может быть реализована программно.

Теперь можно приступить к разработке принципиальной схемы устройства.

Вместе со статьей “Проектирование цифровых устройств на микроконтроллерах” читают:

Варианты использования устройств на микроконтроллерах

Устройства на микроконтроллерах выполняют арифметические и логические операции в соответствии с программным алгоритмом, заложенном в памяти.

Они используются для выполнения простейших вычислительных операций (например, в калькуляторах), управления фото- и видеоаппаратурой, измерения временных интервалов.

Широкое применение изделия получили в следующих областях:

  • промышленность: контроль технологического процесса, сбор данных с датчиков;
  • приборостроение: системы автоматического контроля, измерительные инструменты (токовые клещи, вольтамперфазометр), химическое и медицинское оборудование;
  • мобильная связь: передача и прием сообщений, управление схемами коммутации, мультиплексоры, поиск ошибок;
  • обработка информации: машины для обработки текстовых и бухгалтерских документов, защита персональных данных;
  • торговля: банковские и платежные терминалы (iBox), системы безопасности;
  • бытовая сфера: гаджеты, персональное обучение, электроника в автомобилях.

Структура и разработка микроконтроллеров

Что включает в себя микроконтроллер? Микроконтроллер состоит из:

  • процессора,
  • оперативной памяти (ОЗУ),
  • постоянной памяти (ПЗУ),
  • последовательного интерфейса,
  • портов ввода-вывода
  • и целого набора периферийных элементов.

Для обеспечения работы остается подвести питающее напряжение постоянного тока, подключить цепочку сброса и, при необходимости, тактирующий кварцевый генератор. Структурная блок-схема представлена на рисунке ниже.

Устройства на микроконтроллерах востребованы там, где ключевое значение имеет не мощность процессора, а баланс между ценой и достаточной функциональностью. Они умеют многое: от автоматического полива дачного газона до интеграции в систему «умный дом».

Свою продукцию на рынке представляют десятки производителей. Модели отличаются скоростью работы центрального вычислительного блока, объемом памяти, количеством числовых разрядов (32, 16 и даже 8 бит).

Разработка микроконтроллерных устройств на базе Arduino

Настоящая революция в области создания электронных устройств произошла с появлением Ардуино – аппаратно-программной платформы, построенной на компактной плате ввода-вывода. Система команд заложена в архитектуре микроконтроллера, и считывание кода выражается в выполнении внутренними элементами микросхемы определенных операций. Среда разработки сделана на базе Processing-Wiring.

Секрет популярности в том, что для работы с Arduino не обязательно быть программистом. Стандартные библиотеки доступны бесплатно и отрывают широкий простор для творчества аматоров-автоматизаторов. Простой проект сможет сделать даже школьник.

Оболочка IDE написана на Java и работает на операционных оболочках Windows, Linux и Mac OS X. В состав входит:

  • текстовый редактор,
  • препроцессорный компилятор,
  • инструменты загрузки кода,
  • менеджер проектов.

Фактически, Ардуино позволяет создавать любые устройства на микроконтроллерах. К чипу можно подключать датчики, электроприводы, замки, роутеры, дисплеи, да хоть электрический утюг. Также предусмотрены дополнительные платы для соединения по сети Интернет, GPS, Bluetooth, Wi-Fi и др.

Устройство на микроЭВМ на примере реле времени

В схемах релейной защиты и автоматики получили распространение электронные реле времени. Их задача – создавать определенную задержку на срабатывание коммутирующих устройств.

В простейшем случае для временной задержки применяют RC-цепочку: в процессе зарядки или разрядки конденсатора на резисторе изменяется напряжение по экспоненциальному закону. Продолжительность зарядки-разрядки возрастает с увеличением емкости и сопротивления резистивного элемента.

Чтобы не ограничиваться длительностью переходного процесса последовательной цепи, требуется несколько усложнить принцип задержки. Этого можно добиться путем включения в схему кварцевого резонатора, который отличается точностью и устойчивой частотой, не зависящей от колебаний температуры. При этом используется несколько тактов разрядка RC-цепи. Схема многотактного реле показана ниже.

Входной сигнал передается на блок сброса, где приводит цифровую часть в начальную позицию. Далее в работу включается кварцевый генератор и отправляет на счетчик серию импульсов. Когда количество импульсов сравнивается с числом, установленным на цифровом компараторе, срабатывает выходной преобразователь. После этого сигнал передается в цепь исполнительного органа (например, силового контактора).

На управляющем выходе обычно устанавливают транзисторный ключ. Для индикации отсчета времени предусмотрен дисплей.

Заключение

Устройства на микроконтроллерах пользуются все большей популярностью благодаря дешевизне, компактности, доступности программного обеспечения и библиотек готовых кодов. Кроме того, микроконтроллеры потребляют минимум электрической энергии, а цифровой интерфейс легко связать с внешними переключателями, индикаторами, блоками внешнего оборудования, персональными компьютерами.

Аналоги на дискретных компонентах более громоздки, «прожорливы» и уступают позиции современной электронике на промышленных производствах и в бытовой сфере.

Классификация и структура микроконтроллеров (мк). процессорное ядро мк, его основные характеристики.

Микроконтроллер (МК) представляет собой функционально законченную МПС, которая реализована в виде одной большой интегральной микросхемы. МК объединяет в одном кристалле основные элементы МПС: центральный процессор (ЦП), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), порты ввода/вывода.

В настоящее время выпускается большая номенклатура микроконтроллеров, которые принято подразделять на 8-, 16- и 32-разрядные.

Наиболее многочисленной группой этих приборов являются 8-разрядные МК. Это простые и дешевые МК, ориентированные на использование в относительно несложных устройствах промышленной автоматики, измерительной технике, средств связи, бытовой технике. Эти МК имеют невысокую производительность, которая, однако, вполне достаточна для решения широкого круга задач управления различными объектами.

В настоящее время МК выпускаются в виде семейств. Семейство микроконтроллеров – это ряд (набор) МК, обладающих одинаковыми функциональными характеристиками. Обычно фирма-производитель дает имя семействам своих МК. Например, PIC16 – семейство микроконтроллеров фирмы Microchip, AVR – семейство микроконтроллеров фирмы Atmel.

Большое разнообразие типов МК обеспечивает модульный принцип их построения. При этом все МК одного семейства содержат в себе базовый функциональный блок, одинаковый для всех МК семейства, и изменяемый функциональный блок, который отличает МК разных моделей в пределах одного семейства.

Базовый функциональный блок принято называть процессорным ядром МК. Процессорное ядро обозначают именем семейства МК, основой которого оно является. Например, ядро PIC16 — процессорное ядро семейства микроконтроллеров PIC16. Структура модульного МК приведена на рис. 1.

Процессорное ядро включает в себя:

  • центральный процессор;
  • внутреннюю контроллерную магистраль (ВКМ), состоящую из шин адреса, данных и управления;
  • схему синхронизации МК, предназначенной для тактирования центрального процессора и шин магистрали;
  • схему управления режимами работы МК, такими как — активный режим, в котором МК выполняет прикладную программу; режим пониженного энергопотребления; состояния начального запуска (сброса) и прерывания.

Изменяемый функциональный блок включает в себя модули памяти различного типа и объема (ПЗУ и ОЗУ), порты ввода/вывода, модуль тактового генератора (Г), таймеры и другие модули. Каждый модуль имеет выводы для подключения его к магистрали процессорного ядра. Это позволяет на уровне функционального проектирования новой модели МК подсоединить те или иные модули к магистрали процессорного ядра, создавая, таким образом, разнообразные по структуре МК в пределах одного семейства. Модули, объединенные в составе МК, размещаются на одном полупроводниковом кристалле. Отсюда появилось выражение «интегрированные на кристалле» периферийные модули.

Группа модулей периферийных устройств включает следующие основные типы:

  • параллельные порты ввода/вывода;
  • таймеры/счетчики, процессоры событий;
  • контроллеры последовательного интерфейса нескольких типов (UART, SPI, I2C, CAN, USB);
  • аналого-цифрового преобразования (АЦП);
  • цифро-аналогового преобразования (ЦАП);
  • контроллеры ЖК-индикаторов и светодиодной матрицы.

Возможны также некоторые другие типы модулей, например, модуль прямого доступа к памяти, модуль управления ключами силовых инверторов напряжения и т.п.

Рис. 1. Структура модульного микроконтроллера

В развитии элементной базы МК отчетливо прослеживается тенденция к закрытой архитектуре, при которой линии внутренних шин адреса и данных отсутствуют на выводах корпуса МК. И, как следствие, не представляется возможным использование внешних по отношению к МК микросхем запоминающих устройств. Поэтому разработчик микроконтроллерной системы при выборе элементной базы должен убедиться в том, чтобы прикладная программа проектируемой системы может разместиться во внутренней (резидентной) памяти МК. В противном случае придется перейти к МК с большим объемом внутреннего ПЗУ. Для подобных случаев производители обычно предлагают ряд модификаций МК с одним и тем же набором периферийных модулей и различными объемами резидентных памяти программ и данных.

Процессорное ядро микроконтроллера

Основными характеристиками, определяющими производительность процессорного ядра МК, являются:

  • система команд процессора;
  • способы адресации операндов в пространстве памяти;
  • набор регистров для хранения промежуточных данных;
  • организация процессов выборки и исполнения команд.

С точки зрения системы команд и способов адресации операндов процессорное ядро современных 8-разрядных МК реализуют на основе одного из двух принципов построения процессоров:

1) процессоры на основе CISC-архитектуры – это МК семейства MCS-51 фирм Intel, Atmel, Philips;

2) процессоры на основе RISC-архитектуры – это МК семейства PIC16, PIC17, PIC18 фирмы Microchip; семейство AVR фирмы Atmel.

CISC-процессоры выполняют большой набор команд с развитыми возможностями адресации, давая разработчику возможность выбрать наиболее подходящую команду для выполнения необходимой операции. В применении к 8-разрядным МК с CISC-архитектурой процессор может иметь однобайтный, двухбайтный и трехбайтный (редко четырехбайтный) формат команд. При этом не все команды могут использовать любой из способов адресации применительно к любому из регистров процессора. Выборка команды из памяти осуществляется побайтно в течение нескольких машинных циклов. Время выполнения каждой команды с учетом времени выборки может составлять от 1 до 10 циклов. Длительность машинного цикла равна периоду частоты тактирования внутренней магистрали микроконтроллера ¦BUS. Максимально допустимое значение частоты ¦BUS является одной из важнейших характеристик процессорного ядра, так как чем больше ¦BUS, тем выше его производительность.

В микроконтроллерах с RISC-архитектурой набор исполняемых команд сокращен до минимума. Для реализации более сложных операций приходится комбинировать команды. При этом все команды имеют формат фиксированной длины: например, 12, 14 или даже 16 бит для МК с 8-разрядным форматом обрабатываемых данных. Выборка из памяти и исполнение подавляющего большинства команд осуществляются за один машинный цикл МК, т.е. один период ¦BUS – одна команда. Система команд RISC-процессора предполагает возможность равноправного использования всех регистров процессора. Это обеспечивает дополнительную гибкость при выполнении ряда операций.

Производительность микроконтроллеров, как и микропроцессоров, принято оценивать числом элементарных операций, которые могут быть выполнены в течение одной секунды. Единица измерения производительности – миллион операций в секунду (MIPS). Для расчета численного значения производительности в MIPS принято использовать время выполнения команды пересылки «регистр-регистр». Эта команда присутствует в перечне команд любого МК и имеет минимальное время выполнения. Таким образом,

Производительность (MIPS)=1/tкоманды (мкс).

С точки зрения организации процессов выборки и исполнения команд в современных 8-разрядных МК применяется одна из двух уже рассмотренных ранее архитектур МПС: Принстонская (Фон-неймановская) и Гарвардская.

Основной особенностью Принстонской архитектуры является использование общей памяти для хранения программ и данных. В этой архитектуре блок интерфейса с памятью выполняет арбитраж запросов к памяти, обеспечивая выборку команд, чтение и запись данных, размещаемых в памяти и внутренних регистрах процессора. Основное достоинство Принстонской архитектуры – упрощение устройства МПС, так как реализуется обращение только к одной общей памяти. Кроме того, использование единой памяти позволяет оперативно перераспределять ресурсы между областями программ и данных. Размещение стека в общей памяти облегчает доступ к его содержимому.

Основной особенностью Гарвардской архитектуры является использование раздельных памяти программ и памяти данных.

До конца 70-х годов Принстонская архитектура была основной в вычислительной технике и использовалась для создания универсальных компьютеров, включая и персональные компьютеры. Однако с началом разработки микроконтроллеров стали проявляться ее недостатки, и оказалось, что Гарвардская архитектура дает определенные преимущества для этих устройств.

Дело в том, что для реализации большинства алгоритмов управления, которые используются в микроконтроллерных системах, такие преимущества принстонской архитектуры как гибкость и универсальность не имеют большого значения. Анализ реальных программ управления показал, что необходимый объем памяти данных МК, используемый для хранения промежуточных результатов, как правило, на порядок меньше требуемого объема памяти программ. В этих условиях использование единого адресного пространства приводило к увеличению формата команд за счет увеличения числа разрядов для адресации операндов. Применение отдельной небольшой по объему памяти данных способствовало сокращению длины команд и ускорению поиска информации в памяти данных.

Кроме того, процессоры с Гарвардской архитектурой выполняют команды за меньшее количество машинных циклов, чем процессоры с Принстонской архитектурой, за счет возможности реализации параллельных операций. Выборка следующей команды может происходить одновременно с выполнением предыдущей, и нет необходимости останавливать процессор на время выборки команды.

Основной недостаток Гарвардской архитектуры – большое число шин и усложнение структуры процессора практически не оказывает влияние на стоимость изготовления микроконтроллеров, так как все элементы системы реализуются на одном кристалле, то есть внутри одной микросхемы.

Как и в любом микропроцессоре, система команд процессора МК включает в себя четыре основные группы команд:

  • команды пересылки данных;
  • арифметические команды;
  • команды логические и сдвига;
  • команды передачи управления.

Практика применения МК в системах управления показала, что в управляющих программах много операций с отдельными битами портов и регистров. Поэтому с целью создания эффективных программ и сокращения объема их кода в большинстве современных МК предусмотрены специальные средства, называемые битовым процессором. Команды битового процессора позволяют непосредственно изменять отдельные биты, выполнять логические операции с ними, а также тестировать их.

Система команд МК по сравнению с универсальными МП имеет менее развитые группы арифметических и логических команд, но зато более мощные группы команд пересылки данных и передачи управления. Эта особенность определяется сферой применения МК, которые ориентированы на реализацию программ управления в реальном масштабе времени.

Статьи к прочтению:

Программирование микроконтроллеров

Похожие статьи:

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА по дисциплине «Микропроцессоры и микроконтроллеры» на тему:«Классификация микропроцессоров, области применения» Выполнила Студентка ?…

Основные понятия и определения микропроцессорной техники: микропроцессор, микропроцессорная система, микрокомпьютер, контроллер, микроконтроллер….

Особенности разработки цифровых устройств на основе микроконтроллеров

6.1. Разработка микропроцессорной системы на основе микроконтроллера

6.1.1. Основные этапы разработки

МПС на основе МК используются чаще всего в качестве встроенных систем для решения задач управления некоторым объектом. Важной особенностью данного применения является работа в реальном времени, т.е. обеспечение реакции на внешние события в течение определенного временного интервала. Такие устройства получили название контроллеров.

Технология проектирования контроллеров на базе МК полностью соответствует принципу неразрывного проектирования и отладки аппаратных и программных средств , принятому в микропроцессорной технике. Это означает, что перед разработчиком такого рода МПС стоит задача реализации полного цикла проектирования, начиная от разработки алгоритма функционирования и заканчивая комплексными испытаниями в составе изделия, а, возможно, и сопровождением при производстве. Сложившаяся к настоящему времени методология проектирования контроллеров может быть представлена так, как показано на рис. 6.1.

В техническом задании формулируются требования к контроллеру с точки зрения реализации определенной функции управления. Техническое задание включает в себя набор требований, который определяет, что пользователь хочет от контроллера и что разрабатываемый прибор должен делать. Техническое задание может иметь вид текстового описания, не свободного в общем случае от внутренних противоречий.

На основании требований пользователя составляется функциональная спецификация, которая определяет функции, выполняемые контроллером для пользователя после завершения проектирования, уточняя тем самым, насколько устройство соответствует предъявляемым требованиям. Она включает в себя описания форматов данных, как на входе, так и на выходе, а также внешние условия, управляющие действиями контроллера.

Функциональная спецификация и требования пользователя являются критериями оценки функционирования контролера после завершения проектирования. Может потребоваться проведение нескольких итераций, включающих обсуждение требований и функциональной спецификации с потенциальными пользователями контроллера, и соответствующую коррекцию требований и спецификации. Требования к типу используемого МК формулируются на данном этапе чаще всего в неявном виде.

Этап разработки алгоритма управления является наиболее ответственным, поскольку ошибки данного этапа обычно обнаруживаются только при испытаниях законченного изделия и приводят к необходимости дорогостоящей переработки всего устройства. Разработка алгоритма обычно сводится к выбору одного из нескольких возможных вариантов алгоритмов, отличающихся соотношением объема программного обеспечения и аппаратных средств .

При этом необходимо исходить из того, что максимальное использование аппаратных средств упрощает разработку и обеспечивает высокое быстродействие контроллера в целом, но сопровождается, как правило, увеличением стоимости и потребляемой мощности. Связано это с тем, что увеличение доли аппаратных средств достигается либо путем выбора более сложного МК, либо путем использования специализированных интерфейсных схем. И то, и другое приводит к росту стоимости и энергопотребления . Увеличение удельного веса программного обеспечения позволяет сократить число элементов контроллера и стоимость аппаратных средств , но это приводит к снижению быстродействия, увеличению необходимого объема внутренней памяти МК, увеличению сроков разработки и отладки программного обеспечения. Критерием выбора здесь и далее является возможность максимальной реализации заданных функций программными средствами при минимальных аппаратных затратах и при условии обеспечения заданных показателей быстродействия и надежности в полном диапазоне условий эксплуатации. Часто определяющими требованиями являются возможность защиты информации (программного кода) контроллера, необходимость обеспечения максимальной продолжительности работы в автономном режиме и другие. В результате выполнения этого этапа окончательно формулируются требования к параметрам используемого МК.

При выборе типа МК учитываются следующие основные характеристики:

  • разрядность;
  • быстродействие;
  • набор команд и способов адресации ;
  • требования к источнику питания и потребляемая мощность в различных режимах;
  • объем ПЗУ программ и ОЗУ данных ;
  • возможности расширения памяти программ и данных;
  • наличие и возможности периферийных устройств, включая средства поддержки работы в реальном времени (таймеры, процессоры событий и т.п.);
  • возможность перепрограммирования в составе устройства;
  • наличие и надежность средств защиты внутренней информации;
  • возможность поставки в различных вариантах конструктивного исполнения;
  • стоимость в различных вариантах исполнения;
  • наличие полной документации;
  • наличие и доступность эффективных средств программирования и отладки МК;
  • количество и доступность каналов поставки, возможность замены изделиями других фирм.

Список этот не является исчерпывающим, поскольку специфика проектируемого устройства может перенести акцент требований на другие параметры МК. Определяющими могут оказаться, например, требования к точности внутреннего компаратора напряжений или наличие большого числа выходных каналов ШИМ.

Номенклатура выпускаемых в настоящее время МК исчисляется тысячами типов изделий различных фирм. Современная стратегия модульного проектирования обеспечивает потребителя разнообразием моделей МК с одним и тем же процессорным ядром . Такое структурное разнообразие открывает перед разработчиком возможность выбора оптимального МК, не имеющего функциональной избыточности, что минимизирует стоимость комплектующих элементов.

Однако для реализации на практике возможности выбора оптимального МК необходима достаточно глубокая проработка алгоритма управления, оценка объема исполняемой программы и числа линий сопряжения с объектом на этапе выбора МК. Допущенные на данном этапе просчеты могут впоследствии привести к необходимости смены модели МК и повторной разводки печатной платы макета контроллера. В таких условиях целесообразно выполнять предварительное моделирование основных элементов прикладной программы с использованием программно- логической модели выбранного МК.

При отсутствии МК, обеспечивающего требуемые по ТЗ характеристики проектируемого контроллера, необходим возврат к этапу разработки алгоритма управления и пересмотр выбранного соотношения между объемом программного обеспечения и аппаратных средств . Отсутствие подходящего МК чаще всего означает, что для реализации необходимого объема вычислений (алгоритмов управления) за отведенное время нужна дополнительная аппаратная поддержка. Отрицательный результат поиска МК с требуемыми характеристиками может быть связан также с необходимостью обслуживания большого числа объектов управления. В этом случае возможно использование внешних схем обрамления МК.

На этапе разработки структуры контроллера окончательно определяется состав имеющихся и подлежащих разработке аппаратных модулей, протоколы обмена между модулями, типы разъемов. Выполняется предварительная проработка конструкции контроллера. В части программного обеспечения определяются состав и связи программных модулей, язык программирования. На этом же этапе осуществляется выбор средств проектирования и отладки .

Возможность перераспределения функций между аппаратными и программными средствами на данном этапе существует, но она ограничена характеристиками уже выбранного МК. При этом необходимо иметь в виду, что современные МК выпускаются, как правило, сериями (семействами) контроллеров, совместимых программно и конструктивно, но различающихся по своим возможностям (объем памяти, набор периферийных устройств и т.д.). Это дает возможность выбора структуры контроллера с целью поиска наиболее оптимального варианта реализации.

Нельзя не упомянуть здесь о новой идеологии разработки устройств на базе МК, предложенной фирмой “Scenix”. Она основана на использовании высокоскоростных RISC-микроконтроллеров серии SX с тактовой частотой до 100 МГц. Эти МК имеют минимальный набор встроенной периферии , а все более сложные периферийные модули эмулируются программными средствами . Такие модули программного обеспечения называются “виртуальными периферийными устройствами”, они обеспечивают уменьшение числа элементов контроллера, времени разработки , увеличивают гибкость исполнения. К настоящему времени разработаны целые библиотеки виртуальных устройств, содержащие отлаженные программные модули таких устройств как модули ШИМ и ФАПЧ, последовательные интерфейсы , генераторы и измерители частоты , контроллеры прерываний и многие другие.

Источники:

http://arduinoplus.ru/ustroistva-na-mikrokontrollerah/

http://csaa.ru/klassifikacija-i-struktura-mikrokontrollerov-mk/

http://www.intuit.ru/studies/courses/3/3/lecture/82

http://arduinoplus.ru/vse-analogi-arduino/

Ссылка на основную публикацию