Разработка программного обеспечения блока

АННОТАЦИЯ

В рамках данной дипломной рассматривается разработка программного обеспечения для блока и сам блок управления временными интервалами с использованием в качестве управляющего элемента российского микроконтроллера.

В первом разделе рассматриваются теоретические аспекты разработки устройства, основные этапы разработки, аппаратные и программные средства для разработки и отладки программного обеспечения микроконтроллера.

Во втором разделе производится практическая разработка проектируемого устройства: разрабатываются структурная и функциональные схемы, алгоритм управления и программное обеспечение микроконтроллера; производится выбор элементной базы; построение электрической схемы.

В третьем разделе показан тестовый пример, отражающий в себе работу микроконтроллера, который находится в составе блока управления временными интервалами(УВИ).

 

Оглавление

 

 

 

Введение

Научная деятельность в России не стоит на месте, в том числе и сфера науки, связанная с инженерными боеприпасами. Такой вид боеприпасов обладает рядом функций, таких как обнаружение цели, классификация цели и управление временем срабатывания устройства. Важным свойством, характеризующим этот вид вооружения, является наличие «электронного мозга», способного выполнять различные задачи, такие как классификация цели или расчет временного интервала, после которого устройство  сработает. С каждым годом разрабатывается все больше новых и современных видов таких боеприпасов.

Блоки, составляющие устройства такого типа, разрабатываются так же на основе более современных и совершенных элементов, что позволяет уменьшить габариты, увеличить точность работы, понизить энергопотребление, усовершенствовать интеллект изделия, что позволит устройству функционировать в соответствии с установленными требованиями. Блок управления временными интервалами (УВИ), рассмотренный в данной работе, как раз является частью такого современного устройства и служит для точного срабатывания устройства при определенных условиях, то есть при прошествии определенного времени, которое формируется с помощью кода, приходящего на блок УВИ или от внешнего сигнала срабатывания. Реализовать такое устройство будет проще, если в качестве управляющего элемента будет использована программируемая интегральная схема, так как это позволяет перенести основные затраты, связанные с разработкой встраиваемых систем управления, из аппаратной в программную область. Для создания более современных видов таких боеприпасов необходимы наиболее новые и совершенные электронные компоненты. К таким компонентам относятся базовые матричные кристаллы (БМК), программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) и микроконтроллеры. Существует  ряд компаний производящий элементную базу такого типа, к таким компаниям относятся  Intel, Microchip Technology, Texas Instruments, Motorolla, Atmel и другие. Если устройство предназначено для использования в составе инженерного боеприпаса, то одним из важнейших требований к изделию становится применение в его конструкции российской элементной базы для его сборки. Есть несколько российских предприятий, производящих такие микросхемы, это такие предприятия, как ЗАО «ПКК Миландр», ОАО «Ангстрем», НПО Физика, ОАО «НИИЭТ».

 

 

1. Анализ предметной области.

Для соответствия современным требованиям, предъявляемым к инженерным боеприпасам, необходимо создания интеллектуальной системы с возможностью формирования временных интервалов в широком диапазоне с максимально возможной точностью для обеспечения решения специфических задач инженерных боеприпасов.

Блок управления временными интервалами, рассмотренный в данной работе, может быть реализован с помощью микроконтроллера, БМК или ПЛИС в качестве управляющего элемента.  Опишем первые два типа элементов.

Базовый матричный кристалл (БМК) - большая интегральная схема. Он программируется технологически, путем нанесения маски соединений последнего слоя металлизации. Базовый матричный кристалл напоминает библиотеку подпрограмм и функций для языков программирования. На БМК разведены, но не соединены элементарные цепи и логические элементы. Заказчиком разрабатывается схема соединений, так называемая маска. Такая маска наносится в качестве последнего слоя на базовый матричный кристалл и элементарные схемы и разрозненные цепи на БМК складываются в одну большую схему. В итоге заказчик получает готовую большую интегральную схему, которая получается ненамного дороже исходного БМК.

Программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС) – это электронный компонент, который используется для создания цифровых интегральных схем. В отличие от обычных цифровых микросхем, логика работы ПЛИС не определяется при изготовлении, а задается посредством программирования. Для программирования используются программаторы и отладочные среды, позволяющие задать желаемую структуру цифрового устройства в виде принципиальной электрической схемы или программы на специальных языках описания аппаратуры: Verilog, VHDL, AHDL и другие.

Микроконтроллер - микросхема, которая предназначена для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, содержит ОЗУ и  ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи управления.

БМК не подходит нам из-за своей уникального типа программирования и дороговизны, а ПЛИС из-за отсутствия российских компаний, которые их бы производили. А микроконтроллер полностью удовлетворяет требованиям, приведенным к поставленной задаче, так как он прост в программировании и в России достаточно предприятий, производящих микроконтроллеры.

1.1. Общие сведения о микроконтроллерах.

Можно считать, что микроконтроллер (МК) - это компьютер, расположенный на одной микросхеме. Отсюда, как следствие, и его основные положительные качества: небольшие размеры; высокие производительность, надежность, отказоустойчивость и способность быть адаптированным для выполнения практически любой задачи.

Микроконтроллер помимо центрального процессора (ЦП) содержит память и многочисленные устройства ввода/вывода: аналого-цифровые преобразователи, последовательные и параллельные каналы передачи информации, таймеры реального времени, широтно-импульсные модуляторы (ШИМ), генераторы программируемых импульсов и многие другие устройства. Основное назначение микроконтроллера - использование в системах автоматического управления, встроенных в самые различные устройства: кредитные карточки, фотоаппараты, сотовые телефоны, музыкальные центры, телевизоры, видеомагнитофоны и видеокамеры, стиральные машины, микроволновые печи, системы охранной сигнализации, системы зажигания бензиновых двигателей, электроприводы локомотивов, ядерные реакторы и огромное множество других устройств. Встраиваемые системы управления стали настолько многочисленным явлением, что фактически сформировалась новая отрасль экономики, получившая название встраиваемые системы (Embedded Systems).

Широкое распространение имеют МК фирмы ATMEL, которые располагают большими функциональными возможностями.

Применение микроконтроллеров можно разделить на два этапа:

1. Программирование, когда пользователь разрабатывает программу и прошивает ее непосредственно в кристалл.
2. Согласование спроектированных исполнительных устройств с запрограммированным МК.

 

1.2. Выбор  микроконтроллера

Именно выбор микроконтроллера является одним из самых важных решений, от которых зависит успех задуманного проекта. При выборе микроконтроллера необходимо учесть огромное количество факторов.

В основном случаях микроконтроллеры применяться там, где первостепенной задачей является уменьшение габаритов, потребляемой мощности, увеличение времени работы от одного источника питания , увеличение устойчивости к внешним воздействиям. Быстродействие, естественно, меньше чем у мощных процессоров, но его вполне достаточно для выполнения большинства требуемых от устройства задач. К тому же технология совершенствуется, и быстродействие микроконтроллеров растет очень быстро. Новые поколения микроконтроллеров могут выполнять более сложные расчеты за очень маленькие промежутки времени. Но, хотя производители стремятся обеспечить работу своих изделий на высоких частотах, они, в то же время, предоставляют клиентам выбор, выпуская модификации, рассчитанные на разные напряжения питания и частоты.

На сегодняшний день на рынке микроконтроллеров активно работают более 40 разработчиков и производителей. Производители предлагают широкий выбор микроконтроллеров, отличающихся как техническими характеристиками, так и перечнем встроенных периферийных устройств, благодаря чему разработчики могут подобрать микроконтроллер, обладающий наиболее подходящим функционалом и который будет подходить для решения конкретной задачи.

Критериями для выбора микроконтроллеров чаще всего являются:

1. Быстродействие.
2. Габариты и тип корпуса.
3. Энергопотребление, наличие энергосберегающего режима работы, необходимость охлаждения.
4. Наличие встроенных периферийные устройства, начиная от EEPROM-памяти и заканчивая LAN или LCD-контроллером.
5. Надежность.

На сегодняшний день существует большое количество фирм выпускающих микроконтроллеры, это: Intel, Microchip Technology, Texas Instruments, Motorolla, Atmel и другие.

 

В микроконтроллере нам важно наличие встроенного EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory). Эта память организована в виде отдельного пространства данных, в котором могут считываться и записываться отдельные байты. ЭСППЗУ имеет срок службы не менее 100 000 циклов записи/считывания. Доступ между ЭСППЗУ и ЦПУ описан далее с указанием регистров адреса, регистров данных и регистра управления ЭСППЗУ.

Для решения нашей задачи нам потребуется российский микроконтроллер, и наш выбор падает на интегральную микросхему 1887ВЕ1У , изготовленную предприятием ОАО «НИИЭТ» в городе Воронеж, так  как она является аналогом микроконтроллера ATmega 8535, подходящего для решаемой задачи по характеристикам, но с военной приемкой, что является требованием заказчика. Потребителями продукции ОАО "НИИЭТ" являются свыше 200 предприятий, и их изделия применяются более чем в 40 регионах России.

 

 

1.3. Описание микроконтроллера МИ 1887ВЕ1У

1.3.1. Назначение и область применения

Микросхемы 1887ВЕ1У предназначены для применения в системах встроенного управления комплексами радиосвязи специального назначения.

В области промышленного производства микросхема 1887ВЕ1У может быть использована для управления робототехническими комплексами, в системах автоматизации технологических процессов, в системах автоматизированного управления электроприводом, оргтехнике, вычислительной технике, телекоммуникационной технике и т. п. Особенно перспективно применение микросхем 1887ВЕ1У в портативной носимой аппаратуре и приборах, имеющих жесткие ограничения по соотношению быстродействие/потребляемая мощность/стоимость.

 

  1.3.2.Краткое техническое описание ИС 1887ВЕ1У

Схема является КМОП 8-битным микроконтроллером, построенным на расширенной AVR RISC архитектуре. Используя команды, исполняемые за один машинный такт, контроллер достигает производительности в 1 MIPS на рабочей частоте 1 МГц, что позволяет разработчику эффективно оптимизировать потребление энергии за счёт выбора оптимальной производительности.

AVR ядро сочетает расширенный  набор команд с 32 рабочими регистрами  общего назначения. Все 32 регистра соединены с АЛУ, что обеспечивает доступ к двум независимым регистрам на время исполнения команды за один машинный такт. Благодаря выбранной архитектуре достигнута высокая производительность, в 10 раз превосходящая скорость соответствующего CISC микроконтроллера. Микроконтроллер содержит 8К байт внутрисистемной программируемой флэш-памяти (Flash) программ с возможностью чтения в процессе записи, 512 байтов ЭСППЗУ, 512 байтов СОЗУ, 32 входа/выхода общего назначения, 32 рабочих регистра, три гибких таймера/счётчика с режимом сравнения, внешние и внутренние прерывания, последовательный программируемый UART, 8-канальный 10-битный АЦП, программируемый сторожевой таймер с внутренним генератором, последовательный SPI порт и шесть выбираемых программным способом режимов сбережения энергии.

В режиме холостого хода ЦПУ не функционирует, в то время как функционируют СОЗУ, таймеры/счётчики, SPI порт и система прерываний. В микроконтроллере существует специальный режим подавления шума АЦП, при этом в целом в спящем режиме функционируют только АЦП и асинхронный таймер для исключения цифровых шумов в процессе преобразования АЦП. В режиме микропотребления процессор сохраняет содержимое всех регистров, останавливает генератор тактовых сигналов, приостанавливает все другие функции кристалла до прихода внешнего прерывания или поступления внешней команды RESET. В режиме ожидания работает генератор тактовых частот, в то время как остальные блоки находятся в спящем режиме. Благодаря этому переход в нормальный

режим работы происходит гораздо быстрее. В расширенном режиме ожидания в рабочем состоянии находятся основной генератор и асинхронный таймер.

Микросхемы выпускаются при использовании технологии энергонезависимой памяти высокой плотности. Встроенная Flash позволяет перепрограммировать память программ внутрисистемно через последовательный SPI интерфейс стандартным программатором энергонезависимой памяти или встроенной загрузочной программой, работающей в ядре ЦПУ. Загрузочная программа может использовать любой интерфейс для экспорта рабочей программы во флэш-память.

Комбинация расширенной 8-битной RISC архитектуры ЦПУ и внутрисистемной флэш-памяти обеспечивают микроконтроллеру высокую гибкость и экономическую эффективность во встраиваемых системах управления.

 

1.3.3. Особенности архитектуры

- быстродействующая архитектура  типа «регистр-регистр»;

- регистровое ОЗУ емкостью  до 512 байт;

- последовательный периферийный  интерфейс SPI;

SPI (англ. Serial Peripheral Interface — последовательный периферийный интерфейс) — последовательный синхронный стандарт передачи данных в режиме полного дуплекса, разработанный компанией Motorola для обеспечения простого и недорогого сопряжения микроконтроллеров и периферии. SPI также иногда называют четырёхпроводным (англ. four-wire) интерфейсом.