Курсовая работа по микропроцессорам (ККЭП) 3 курс

1. ВВЕДЕНИЕ
Тема курсового проекта «Универсальный одноплатный
контроллер на однокристальной ЭВМ» предложена
цикловой комиссией специальности 2201 «Вычислительные
машины, системы, комплексы и сети» и утверждена
директором Краснодарского колледжа электронного
приборостроения.
Развитие микроэлектроники и широкое применение ее
изделий в промышленном производстве, в устройствах и
системах управления самыми разнообразными объектами и
процессами является в настоящее время одним из
основных направлений научно-технического прогресса.
Использование микроэлектронных средств в изделиях
производственного и культурно-бытового назначения не
только приводит к повышению технико-экономических
показателей изделий (стоимости, надежности,
потребляемой мощности, габаритных размеров) и
позволяет многократно сократить сроки разработки и
отодвинуть сроки "морального старения" изделий, но и
придает им принципиально новые потребительские
качества (расширенные функциональные возможности,
модифицируемость, адаптивность и т.д.).
Первое сообщение о создании микропроцессора
появилось в 1972 г. Через 13 лет в 1985 г. во всем
мире уже работали свыше 30 млн. ОЭВМ. Микропроцессоры
и ОЭВМ – это достаточно сложные устройства, хотя
диапазон их использования очень широк. Главные
достоинства микропроцессорной техники – это
компактность, экономичность, универсальность
невысокая стоимость, массовость применения. Благодаря
своим свойствам микропроцессоры нашли применение как
в системе управления космическими полетами, так и в
детских игрушках; ОЭВМ используются для управления
бытовыми приборами и роботами, станками с числовым
программным управлением и т.п.
За последние годы в микроэлектронике бурное раз-
витие получило направление, связанное с выпуском од-
нокристальных ОЭВМ, которые предназначены для "интел-
лектуализации" оборудования различного назначения.
Однокристальные (однокорпусные) ЭВМ представляют со-
бой приборы, конструктивно выполненные в виде БИС и
включающие в себя все составные части "голой" микро-
ЭВМ: микропроцессор, память программ и память данных,
а также программируемые интерфейсные схемы для связи
с внешней средой. Использование ОЭВМ в системах
управления обеспечивает достижение исключительно вы-
соких показателей эффективности при столь низкой
стоимости (во многих применениях система может состо-
ять только из одной БИС ОЭВМ), что ОЭВМ, видимо, нет
разумной альтернативной элементной базы для по-
строения управляющих и/или регулирующих систем. К на-
стоящему времени более двух третей мирового рынка
микропроцессорных средств составляют именно однокри-
стальные ЭВМ.
Отечественная микроэлектронная промышленность ос-
воила широкомасштабный выпуск однокристальных ЭВМ, по
существу представляющих собой особый класс вычисли-
тельной техники. К этому классу можно отнести: 4-
битные ОЭВМ серий 1814, 1820, 1829 и 1013; 8-битные
ОЭВМ серии 1816.
2. ОБЗОР ОДНОКРИСТАЛЬНЫХ ЭВМ
С развитием электроники сменилась элементная база
ЭВМ – появились машины на транзисторах, а затем на
микросхемах. Однако по традиции продолжали разрабаты-
ваться большие и мощные ЭВМ. И вот в середине 60-х
годов появился новый класс вычислительных машин – од-
нокристальные ЭВМ.
Разработчики ОЭВМ исходили из того, что не везде
нужны все (максимальные) возможности больших ЭВМ, не
всегда требуется большая точность вычислений, большие
объемы памяти или длительное хранение промежуточных
результатов. Зато для целого ряда применений, таких,
как управление производственным оборудованием или на-
учным экспериментом, необходимо вводить и выводить
специальные сигналы, учитывать течение времени, реа-
гировать на случайно происходящие события.
Вместе с этим, есть то минимальное ядро, без ко-
торого аппаратура еще не ЭВМ. Эти компоненты уже дав-
но определились: арифметико-логическое устройство
(АЛУ), процессор, оперативно запоминающее устройство
(ОЗУ), устройства ввода/вывода.
2.1. ОЭВМ МК 48
Простейшая в серии 1816 ОЭВМ МК48, имеет на кри-
сталле следующие аппаратурные средства: процессор
разрядностью 1 байт; стираемое программируемое ПЗУ
программ ёмкостью 1 Кбайт, ОЗУ данных ёмкостью
64 байта; программируемый 8-битный таймер/счетчик;
программируемые схемы ввода/вывода; блок векторного
прерывания от двух источников; генератор; систему
синхронизации и управления.
Микроконтроллер МК48 конструктивно выполнен в
корпусе БИС с 40 внешними выводами. Все выводы элек-
трически совместимы с элементами ТТЛ, входы представ-
ляют собой единичную нагрузку, а выходы могут быть
нагружены одной ТТЛ-нагрузкой.
Структурная схема МК48 показана на рисунке 1. Ос-
нову структуры МК образует внутренняя двунаправленная
8-битная шина, которая связывает между собой все уст-
ройства БИС: арифметическо-логическое устройство
(АЛУ), устройство управления, память и порты вво-
да/вывода информации.
Значительно более сложная и развитая ОЭВМ,
построенная на основе однокристального
микропроцессора МК51, имеет в своем составе такие
аппаратурные средства: процессор, в состав которого
входят 1-байтное АЛУ и схемы аппаратурной реализации
команд умножения и деления; стираемое ПЗУ программ
ёмкостью 4 Кбайта, ОЗУ данных ёмкостью 128 байт; два
16-битных таймера/счетчика; программируемые схемы
ввода/вывода (32 линии); блок9 двухуровневого
векторного прерывания от пяти источников; асинхронный
канал дуплексного последовательного ввода/вывода
информации со скоростью до 375 кбит/с; генератор,
схему синхронизации и управления.
Однокристальная ЭВМ выполнена на основе
высокоуровневой n-МОП технологии и выпускается в кор-
пусе БИС, имеющем 40 внешних выходов. Для работы ОЭВМ
требуется один источник электропитания +5В. Четыре
программируемых порта ввода-вывода взаимодействуют со
средой в стандарте ТТЛ-схем с тремя состояниями вы-
хода.
Корпус ОЭВМ имеет два вывода для подключения
кварцевого резонатора, четыре вывода для сигналов,
управляющих режимом работы и восемь линий порта 3,
которые могут быть запрограммированы пользователем на
выполнение специализированных (альтернативных) функ-
ций обмена информацией со средой.
2.2. ОЭВМ серии 1816.
Структуры ОЭВМ серии 1816 и их команд таковы, что
в случае необходимости функционально-логические воз-
можности могут быть расширены. С использование внеш-
них дополнительных БИС постоянной и оперативной па-
мяти адресное пространство может быть значительно
расширено, а путем подключения различных интерфейсных
БИС число линий связи ОЭВМ с объектом управления мо-
жет быть увеличено практически без ограничений.
ОЭВМ серии 1816 требуют одного источника электро-
питания напряжением +5В ? 10%, рассеивают мощность
около 1,5 Вт и работают в диапазоне температур от 0
до 700С. по входам и выходам серии 1816 электрически
совместимы с интегральными схемами ТТЛ.
ОЭВМ МК 48 может работать в диапазоне частот син-
хронизации от 1 до 6 МГц, а минимальное время выпол-
нения команды составляет 2,5 мкс. ОЭВМ МК 51 может
работать в диапазоне частот от 1.2 до 12 МГц, при
этом минимальный цикл выполнения команды равен 1 мкс,
а быстродействие равно одному миллиону коротких опе-
раций в секунду.
Из такой краткой характеристики однокристальных
ЭВМ серии 1816 видно, что эти приборы обладают значи-
тельными функционально-логическими возможностями и
представляют собой эффективное средство компьютериза-
ции (автоматизации на основе применения средств и ме-
тодов обработки данных и цифрового управления) разно-
образных объектов и процессов.
Семейство ОЭВМ серии 1816 имеет в своем составе
различные модификации, отличающиеся друг от друга
признаками: частота синхронизации, ёмкость резидент-
ной памяти данных или программы.
2.3. ОЭВМ МК35
ОЭВМ МК35 предназначена для выполнения следующих
функций:
вычисление. адресов операндов и команд.
обмен информацией с другими устройствами; подклю-
ченными к системной магистрали;
обработка операндов;
обработка прерываний от клавиатуры и устройств
пользователя, подключенных к разъему порта ввода-вы-
вода.
Процессор является единственным активным устрой-
ством ОЭВМ, управляющим циклами обращения к системной
магистрали и обрабатывающим прерывания от пассивных
устройств, которые могут посылать или принимать ин-
формацию только под управлением процессора.
МК 35 работает в БК с тактовой частотой 3 МГц и
содержит следующие основные функциональные блоки :
16-разрядный операционный блок, служащий для фор-
мирования адресов команд и операндов, выполнения ло-
гических и арифметических операций, хранения операн-
дов и результатов;
блок микропрограммного управления, вырабатывающий
последовательность микрокоманд, соответствующую коду
принятой машинной команды. Этот блок построен на базе
программируемой логической матрицы (ПЛМ). содержащей
250 логических произведений;
блок прерываний, организующий приоритетную сис-
тему прерываний (прием и предварительная обработка
внешних и внутренних запросов на прерывание);
интерфейсный блок, обеспечивающий обмен информа-
цией между микропроцессором РОМ и прочими устройст-
вами, подключенными к системной магистрали. Этот же,
блок осуществляет арбитраж при операциях прямого дос-
тупа к памяти, формирует
последовательность. управляющих сигналов:
блок системной магистрали, связывающий внутреннюю
магистраль однокристального микропроцессора с внеш-
ней, управляющий усилителями приема и передачи инфор-
мации на совмещенные выводы адресов и данных;
схема тактирования, обеспечивающая синхронизацию
работы внутренних блоков микропроцессора.
Система команд, реализованная в ПЛМ блока микро-
программного управления микропроцессора К1801BM1,
совпадает с системой команд наиболее распространенных
отечественных мини- и ОЭВМ типа «Электроника 60»
(ДВК-2. 3, 4 и т.п.) и практически аналогична приня-
той для компьютеров серии DEC. Предусмотрен также ряд
специальных команд, предназначенных для работы с сис-
темным ПЗУ К1801РЕ1.
Общие характеристики ОЭВМ МК35 представлены в
таблице 1.
табл. 1
Представление чисел
В дополнительном коде с фиксиро-
ванной запятой
Виды команд
Безадресные, одноадресные, двух-
адресные
Виды адресации
Регистровая, регистровая косвен-
ная, автоинкрементная, автоин-
крементная косвенная, автодекре-
ментная, автодекрементная кос-
венная, индексная, индексная
косвенная
Количество регистров общего зна-
чения
8
Количество уровней прерывания
4
Тип системной магистрали
Q-bus (МПИ, ОСТ 11.305.903-80)
Адресное пространство, Кб
64
Тактовая частота, МГц
До 5
Максимальное быстродействие при
выполнении регистровых операций,
оп./с
До 500000
Потребляемая мощность, Вт
Не более 1
Напряжение питания, В
+5 ( ?5% )
Уровни сигналов, В:
«лог.0»(активный уровень)
Менее 0,5
«лог.1»
Более 2,4
Нагрузочная способность по току,
мА
3,2
Емкость нагрузки, пФ
До 100
Технология изготовления
N-МОП
Конструкция
Плананарный металлокерамический
корпус с 42 выводами
Анализ основных признаков МК серии 1816 показы-
вает, что МК 48 и МК 51 целесообразно использовать на
этапе опытно-конструкторской разработки и отладки
систем, а также в малосерийных изделиях. Однокри-
стальное ЭВМ МК49 имеет масочное ПЗУ программ, и по-
этому его следует применять в крупно-серийных издели-
ях. ОЭВМ, в которых нет резидентной памяти программ,
используют, как правило, не в конечных изделиях, а в
автономных отладочных устройствах и много-
функциональных программируемых контроллерах, где в
качестве программ и данных используются внешние БИС и
имеются средства загрузки программ.
2.4. СМ 1800.
Однокристальные ЭВМ на основе 16-разрядного мик-
ропроцессора типа К1810ВМ86 представлены следующими
сериями ЕС 1840, ЕС 1841, ЕС 1842, «Искра 1030», «Ис-
кра 1030М», «Нейрон И9.66» и относятся к классу 16
разрядных. В них получил дальнейшее развитие про-
граммно-модульный принцип, реализованный в моделях
семейства СМ 1800. Они обеспечивали повышение средней
производительности в 8-10 раз по сравнению с моделями
СМ 1800 (до 170 тыс. оп./с.). Был значительно увели-
чен объем оперативной и внешней памяти. Схемотехниче-
ские решения позволяли адресовать до 16 Мбайт опера-
тивной памяти. Для обнаружения ошибок в модулях па-
мяти применялись средства коррекции ошибок по коду
Хемминга.
Значительно были расширены возможности организа-
ции внешней памяти на дисках. Наряду с гибкими мини-
дисками (диаметром 133 мм) применялись жесткие диски
типа «винчестер» емкостью 14 … 160 Мбайт, что позво-
ляло строить достаточно мощные базы данных. В составе
периферийных устройств использовались дисплеи, печа-
тающие устройства матричного типа и типа «ромашка».
Операционные системы обеспечивали построение как
систем реального времени, так и инструментальных и
давали возможность применения пользователями большого
числа пакетов прикладных программ на базе операцион-
ных систем СР/М-86 и MS DOS.
универсальная 16-разрядная ОЭВМ СМ1810 предназна-
чена в основном для применения в ГПС и АСУ ТП, САПР,
в локальных и открытых сетях, в контроллерах для
встраивания в оборудование, в оргсистемах и в сферах
обслуживания. Структура СМ1810 базируется на расшире-
нии магистрально-модульной структуры 8 разрядных мо-
делей СМ1800 и обеспечении аппаратной и программной
совместимости с ними. Это позволяет использовать в
СМ1810 средства передачи данных, УСО и другие устрой-
ства, разработанные для СМ1800. модуль центрального
процессора МЦП-16 является основным компонентом
СМ1810, обрабатывает логическую и арифметическую ин-
формацию, выполнен с применением БИС серии К1810 и
обеспечивает формирование интерфейсов И41, ИРПР-М,
С2. В составе модуля двухвходовое ОЗУ объемом 256
Кбайт с коррекцией ошибок, перепрограммируемое ПЗУ
объемом до 64Кбайт, таймер, БИС ввода-вывода и разъем
для подключения БИС арифметического сопроцессора. Мо-
дуль МЦП-16 обеспечивает непосредственное подключение
ПУ, печатающих устройств и дисплея, не занимая интер-
фейса И41, а в случае автономного применения может
выполнять функции локальной микроЭВМ
ОЭВМ СМ1814 представляет собой вариант СМ1810 для
использования в промышленных производствах с ограни-
ченным доступом обслуживающего персонала, главным об-
разом в локальных технологических сетях, ГСП, АСУ ТП.
В СМ1814 могут входить все модули, блоки расширения
модульные источники питания и кроссы из состава
СМ1810, включая периферийные устройства (дисплей, пе-
чатающее устройство с интерфейсами ИРПС/С2). ОЭВМ
СМ1814 содержит в основном УСО в промышленном испол-
нении, блок ввода сигналов низкого уровня, термомет-
ров сопротивлений и термопар СМ9306 и блок формирова-
ния поправки СМ3907. ЭВМ СМ1814 используется без НМД.
Все программное обеспечение содержится в ППЗУ модуля
МЦП-16 и в модулях репрограммируемой памяти МППЗ или
загружается по каналам связи в ОЗУ. Функционирование
СМ8141 в реальном времени поддерживается операционной
системой ОС СРП-1810.
3. ОПИСАНИЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
СТРУКТУРНОЙ
Рассмотрим работу универсального одноплатного
микроконтроллера на однокристальной ЭВМ на основе
схемы электрической структурной, показанной в графи-
ческой части лист 2 Э1.
Микроконтроллер состоит из следующих узлов:
— однокристальной ЭВМ со схемой внешнего тактового
генератора и схемой формирования сигнала
«сброс»;
— регистра-защелки младшего байта адреса внешнего
запоминающего устройства;
— памяти программ, объемом 4 Кбайта;
— памяти данных, объемом 1 Кбайт со страничной ад-
ресацией 256 байт на страницу и схемой выбора
ОЗУ;
— схемы управления записью-чтением внешних уст-
ройств;
— адаптера параллельного интерфейса со схемами
приемника и передатчика по стандарту ИРПС;
— трехканального таймера;
— контроллера клавиатуры и индикации;
— схемы прерываний.
Тактовый генератор вырабатывает синхронизирующие
импульсы тактовой частоты, которые позволяют синхро-
низировать работу ЭВМ и остальных узлов микроконтрол-
лера. Кварцевый резонатор, вырабатываемый опорную
частоту синхронизации, подключается к выводам Х1 и
Х2. Х1 является входом, а Х2 – выходом генератора,
способного работать в диапазоне частот от 1 до 6 МГц.
Схема формирования сигнала сброс обеспечивает
правильную последовательность сброса периферийных БИС
и ОЭВМ. Сигнал сброс производит следующие действия:
сбрасывает счетчик команд и указатель стека; устанав-
ливает порт BUS в высокоимпедансное состояние, а пор-
ты Р1 и Р2 – на режим ввода; выбирает банк регистров
0 и банк памяти 0; запрещает прерывания; останавлива-
ет таймер и выдачу синхросигнала на вывод Т0; сбрасы-
вает флаг переполнения таймера и флаг пользователя.
Регистр-защелка фиксирует байт адреса внешнего
ЗУ, передаваемый по шине данных. Подключение БИС па-
мяти программ и данных особенностей не имеет. Логиче-
ская схема условных переходов МК позволяет программе
проверять не только признаки , но и условия, внешние
по отношению к МК. По командам условного перехода в
случае удовлетворения проверяемого условия в счетчик
команд из второго байта команды загружается адрес
перехода.
Линия запроса прерывания от внешнего источника
проверяется каждый машинный цикл во время действия
сигнала САВП. При обработки прерывания, как и при вы-
зове подпрограмм содержимое счетчика команд и старшей
тетрады ССП сохраняется в стеке.
Порт ввода/вывода BUS представляет собой двуна-
правленный буфер с тремя состояниями и предназначен
для побайтного ввода, вывода или ввода/вывода инфор-
мации.
4. ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ
Для создания схемы электрической принципиальной
универсального одноплатного микроконтроллера в курсо-
вом проекте используются интегральные микросхемы се-
рий КР1816, КР580, КР573. Серия КР580 представлена
микросхемами, имеющими большое функциональное значе-
ние в схеме электрической принципиальной центрального
процессора.
Однокристальная ЭВМ представлена БИС КР1816ВЕ35.
Серия КР1816 разрабатывается по n-МДП технологии.
ОЭВМ КР1816 предназначена для использования в качест-
ве микроконтроллера для которого требуются короткие
программы отладки программ управления на стадии раз-
работки и внедрения. ИМС КР1816 имеет 12-разрядный
счетчик команд. ОЭВМ содержит на своем кристалле ОЗУ
64 байта. ИМС не имеет ПЗУ, но имеется возможность
расширения ПЗУ. Условное графическое обозначение
(УГО) представлена на рис.2.
Адаптер параллельного интерфейса построен на ИМС
КР580ВВ55А, который обеспечивает стробированный и не-
стробированный ввод/вывод информации по параллельным
каналам связи, сбор данных с внешних измерительных
устройств и (или) управление исполнительными устрой-
ствами.
Рис. 3.
Микросхема КР580ВВ55А — программируемое устройст-
во ввода/вывода параллельной информации, применяется
в качестве элемента ввода/вывода общего назначения,
сопрягающего различные типы периферийных устройств с
магистралью данных систем обработки информации. Ус-
ловное графическое обозначение микросхемы приведено
на рис. 3. Назначение выводов приведено в таблице 2.
Обмен информацией между магистралью данных систем
и микросхемой КР560ВВ55А осуществляется через 8-
разрядный двунаправленный трехстабильный канал данных
(D). Для связи с периферийными устройствами ис-
пользуются 24 линии вводам/вывода, сгруппированные в
три 8-разрядых канала ВА, ВВ, ВС, направление переда-
чи информации, и режимы работы которых определяются
программным способом.
Рис. 4.
Таймер построен на ИМС КР580ВИ53, он необходим
для измерения временных интервалов (частоты, периода,
длительности) или подсчета числа событий. Один из
счетчиков микросхемы (нулевой) служит для задания
тактовой частоты приемника и передатчика адаптера по-
следовательного интерфейса.
Условное графическое обозначение представлено на
рис.4.
Микросхема КР580ВИ53 — трехканальное программи-
руемое устройство (таймер), предназначено для органи-
зации работы микропроцессорных систем в режиме реаль-
ного времени. Микросхема формирует сигналы с различ-
ными временными параметрами. Программируемый таймер
(ПТ) реализован в виде трех независимых 16-разрядных
каналов с общей схемой управления. Каждый канал может
работать в шести режимах. Программирование режимов
работы каналов осуществляется индивидуально и в про-
извольном порядке путем ввода управляющих слов в ре-
гистры режимов каналов, а в счетчики—запро-
граммированного числа байтов.
Рис. 5.
Управляющее слово определяет режим работы канала,
тип счета (двоичный или двоично-десятичный), формат
чисел (одно- или двухбайтовый).
Обмен информацией с микропроцессором осуществля-
ется по 8-разрядному двунаправленному каналу данных.
Контроллер клавиатуры и индикации обслуживает ин-
дикаторное табло, опрашивает органы управления или
состояния датчиков. Контроллер построен на ИМС
КР580ВВ79.
Микросхема КР580ВВ79 – программируемое устройст-
во, может применяться и как самостоятельное устройст-
во при выполнении требований, предъявляемых к элек-
трическим и временным параметрам. Условное графиче-
ское обозначение представлено на рис.5.
Микросхема состоит из двух функционально автоном-
ных частей: клавиатурной и дисплейной.
Рис. 6.
Клавиатурная часть обеспечивает ввод информации в
микросхему через «линии возврата» RET7—RETO с клавиа-
туры (клавиатурная матрица объемом 8 слое Х 8 разря-
дов с возможностью расширения до 4Х8 слов Х 8 раз-
рядов) и матрицы датчиков (8 слов Х 8 разрядов), а
также ввод по стробирующему сигналу (8 слов Х 8 раз-
рядов). Для хранения вводимой информации в микросхеме
предусмотрен обратный магазин — оперативное за-
поминающее устройство (ОМ—ОЗУ) емкостью 8 байт Микро-
схема позволяет отображать информацию на всех извест-
ных в настоящее время типах дисплеев (дисплеи накали-
вания, со светоизлучающими диодами и др.).
Наличие выходной линии запроса прерывания INT и
режима чтения внутреннего состояния позволяют
использовать данную микросхему в системах с
прерыванием и последовательным опросом внешних
устройств. Микросхема допускает одновременное
выполнение функций ввода/вывода и рассчитана по
выводу INT на прямое подключение к шинам микро-
процессоров КР580ВМ80А и КМ1810ВМ86.
Применение микросхемы КР580ВВ79 в системах позво-
ляет полностью освободить микропроцессор от операций
сканирования клавиатуры и регенерации отображения на
дисплее.
Регистр-защелка фиксирует байт адреса внешнего
ЗУ. Регистр представлен ИМС КР580ИР82.
Микросхема КР580ИР82 — 8-разрядный адресный ре-
гистр, предназначен для связи микропроцессора с сис-
темной шиной; обладает повышенной нагрузочной способ-
ностью. Микросхема КР580ИР82 — 8-разрядный регистр-
«защелка» без инверсии и с тремя состояниями на выхо-
де.
Условное графическое обозначение микросхем приве-
дено на рис. 6.
Рис. 8.
Микросхема состоит из восьми одинаковых функцио-
нальных блоков и схемы управления. Блок содержит D-
триггер-«защелку» и мощный выходной вентиль без ин-
версии или с инверсией. При помощи схемы управления
производится стробирование записываемой информации и
управление третьим состоянием мощных выходных вен-
тилей.
Рис. 9
Память программ строится на ИМС К573РФ2. К573РФ2
представляет собой многократное программируемое ПЗУ,
выполненное по ЛИЗМОП технологии. Стирание записанной
информации производится с помощью ультрафиолетового
облучения. Емкость ИМС 573РФ2 составляет 2К*8 бит.
Условное графическое обозначение микросхемы приведено
на рис. 7.
Индикация ПЗУ осуществляется с помощью микросхемы
АЛС324Б. Данная ИМС представляет собой семисегментный
цифровой индикатор, красного цвета свечения. Условное
графическое обозначение представлено на рис. 8.
Схема контроля построена на ИМС К155ЛП5. Данная
микросхема является логическим элементом «сложения по
модулю 2». Условное графическое обозначение показано
на рис. 9.
5. ОПИСАНИЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ
Рассмотрим принцип работы ОЭВМ представляет собой
систему функциональных блоков, связь между которыми
осуществляется через единый системный канал обмена
информацией. Скорость обмена данными по стандартному
интерфейсу ИРПС составляет 75…960 Бод; длина линии
связи – до 3 км, число проводов в линии – 4. интер-
фейс обладает высокой помехозащищенностью. МК насчи-
тывает три канала по восемь линий ввода-вывода без
стробирования или два канала по восемь линий со стро-
бированием. Предусмотрено пять лини запросов прерыва-
ний.
ОЭВМ исполняет программу, записанную в памяти
программ и формирует все необходимые сигналы управле-
ния обменом данными с внешним ОЗУ и периферийными
БИС. Порты периферийных БИС адресуются как ячейки
внешней памяти данных. Для разделения операций с па-
мятью данных и портами используется разряд А10 адреса
(вывод Р22 КР1816 ВЕ35). Внешние схемы тактового ге-
нератора и формирования сигнала «сброс» обеспечивают
правильную последовательность сброса периферийных БИС
и ОЭВМ. Регистр защелка фиксирует байт адреса внешне-
го ЗУ, передаваемых по шине данных.
ОЗУ активизируется при А10 – 0 и при наличии RD
или WR. Номер страницы ОЗУ образуют разряды А8, А9
шины адреса МК, т.е. состояние выводов Р20, Р21
КР1816ВЕ35 в цикле обращения к ОЗУ. Схема управления
внешними устройствами анализирует разряд адреса А10 и
устанавливает сигналы IORD и IOWT с временными соот-
ношениями, соответствующими ТУ на БИС серии 580.
Разряды шины адреса А0 и А1 выбирают порт внутри
каждой периферийной БИС, разряды А2…А5 – кристаллы
адаптера последовательного интерфейса, контроллера
клавиатуры и индикации соответственно. Для этого в
соответствующем разряде адреса должен быть сформиро-
ван сигнал Лог 0 (при А10=1), а остальные три разряда
должны быть в состоянии Лог.1. При А10=1 и появлении
0 на более чем одном разряде А2…А5 во время операции
чтения может возникнуть конфликт и сбой работы МК.
Адаптер последовательного интерфейса со схемами
передатчика и приемника реализует интерфейс ИРПС для
связи с внешней ЭВМ или устройством, имеющим анало-
гичный интерфейс.
Адаптер параллельного интерфейса КР580ВВ55 обес-
печивает стробированный и нестробированный ввод-вывод
информации по параллельным каналам связи, сбор данных
с внешних измерительных устройств и (или) управление
исполнительными устройствами.
Таймер необходим для измерения временных интерва-
лов или подсчета числа событий. Один из счетчиков
микросхемы служит для задания тактовой частоты прием-
ника и передатчика адаптера последовательного интер-
фейса.
Контроллер клавиатуры и индикации обслуживает ин-
дикаторное табло, опрашивает органы управления или
состояния датчиков.
Схема прерываний формирует из восьми входных
сигналов запросов прерываний IR0…IR7 один сигнал
запроса прерывания INT для процессора, причем
назначения сигналов IR0…IR3 определены внутренними
потребностями контроллера.
6. ОПИСАНИЕ ДИАГРАММ ВРЕМЕННЫХ
Рассмотрим функционирование универсального одно-
платного микроконтроллера на однокристальной ЭВМ по
временным диаграммам, показанным в графической части
лист 3, согласно схеме электрической принципиальной в
графической части лист 1 Э3.
6.1. Описание диаграмм временных ре-
гистра адреса.
При высоком уровне сигнала STB и низком сигнала
ОЕ микросхемы работают в режиме шинного формировате-
ля:
информация на выходах Q повторяется или инверти-
руется по отношению к входной информации D. При пере-
ходе сигнала STB из состояния высокого уровня в со-
стояние низкого уровня происходит «защелкивание» пе-
редаваемой информации во внутреннем триггере, и она
сохраняется до тех пор, пока на входе STB присутству-
ет напряжение низкого уровня. В течение этого времени
изменение информации на входах D не влияет на состоя-
ние выходов Q. При переходе сигнала STB вновь в со-
стояние высокого уровня состояние выходов приводится
в соответствие с информационными входами D.
При переходе сигнала ОЕ в состояние высокого
уровня все выходы Q переходят в 3-е состояние незави-
симо от входных сигналов STB и D. При возвращении
сигнала ОЕ в состояние низкого уровня выходы Q, пе-
реходят в состояние, соответствующее внутренним триг-
герам.
При обращении к внешнему устройству микропроцес-
сор в начальный период цикла выполнения микрокоманды
выдает на местную шину адрес этого устройства, кото-
рый передается на системную шину необходимым числом
регистров КР580ИР82.
В качестве стробирующего сигнала используется
сигнал ALE контроллера шины КР1810ВГ88. Разрешение
доступа к шине и отключение от нее (переход выходов в
3-е состояние) осуществляется с помощью сигнала AEN
арбитра КР1810ВБ89.
6.2. Описание диаграмм временных
блока ОЗУ.
7. РАСЧЕТНЫЙ РАЗДЕЛ
Расчет потребляемой мощности и быстродействия бу-
дет выполнен согласно схемы электрической принципи-
альной, показанной в графической части лист 1 Э3.
7.1. Расчет потребляемой мощности.
Для расчета потребляемой мощности были взяты
исходные данные из справочной литературы [3,5,6,8].
Расчет потребляемой мощности выполняем по формуле
Рпотр=Iпотр * Uи.п. (7.1)
где Iпотр – ток потребления;
Uи.п. – напряжение источника питания.
Расчитаем значение потребляемой мощности всех
элементов схемы электрической принципиальной по фор-
муле:
(7.2)
где Рпотр.1 –мощность, потребляемая ИМС D1.
Значенияпотребляемой мощности ИМС, и их количест-
во указано в таблице 7.1.
7.2. Расчет быстродействия
Расчитаем быстродействие схемы, показаной в гра-
фической части лист 1 Э3 по самой «длинной» цепочке:
D1, D2
Вычисление быстродействия осуществляется по фор-
муле:
tбыстр = tздр.i + … + tздр.i+1 (7.3)
где tздр.i – время задержки сигнала i-ой ИМС.
Из пункта 4 пояснительной записки выбираем значе-
ния времени задержки указанных микросхем и подставля-
ем их в формулу (7.3)
8. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ
Рассмотрим конструкцию универсального одноплатно-
го микроконтроллера на однокристальной ЭВМ, показан-
ной в графической, части лист Э7. Разработка конст-
рукции будет выполняться согласно схемы электрической
принципиальной, показанной в графической части лист
Э3.
Микроконтроллер расположен на двухсторонней пе-
чатной плате размером 120*180 мм. Масса микроконтрол-
лера - не более 0,8 кг. При описании конструкции не-
обходимо рассмотреть основные характеристики материа-
лов используемых при установлении печатной платы, а
также осиновые моменты, которые необходимо учитывать
при монтаже.
Шаг координатной сетки выбран в соответствии с
ГОСТ 10317-79 и равен 1,25 мм, что согласуется с ша-
гом позиций выводов корпусов ИМС. Класс точности из-
готовления печатных плат соответствует ГОСТ 23751-86,
в данном случае 2-й класс, так как монтаж печатной
платы с навесными дискретными элементами.
Основанием печатных плат служит фольгированный
диэлектрик - стеклотекстолит. Изготовление печатных
плат осуществляется комбинированным негативным мето-
дом. Для получения защитного рисунка используют метод
фотопечати с негативным фоторезистом. Монтажные от-
верстия необходимо сверлить сверлом диаметром 0,75мм.
Так как печатная плата двухсторонняя, то связь между
ИМС, дискретными элементами осуществляется с помощью
металлизации отверстий (для контактных площадок -
поясок меди не менее 50мкм). Диаметр металлизирован-
ных отверстий равен 0,8мм.
Микросхемы на печатной плате располагаются ли-
нейно - многорядно. Корпуса ИМС со штыревыми выводами
устанавливаются только со стороны печатной платы.
Монтаж производится с зазором 1-2мм. Величина вы-
ступающей части вывода с обратной стороны платы 0,5-
1,5мм. Выводы дискретных элементов перед монтажом
формуются, лудятся и обрезаются. Монтаж осуществляет-
ся с помощью припоя ПОС61 ГОСТ 21931-76. Диаметр от-
верстий от 2мм до 3мм. Расстояние между корпусами
дискретных элементов не менее 1мм, расстояние между
ними по торцу 1,5мм. Технические требования по объем-
ному монтажу по ОСТ 410.054.
Для защиты от воздействия внешней среды печатную
плату покрывают лаком УГ-231 ТУ6-10-263-84 С1-9 (тол-
щина слоя 35-100 мкм).
Маркировать обозначение печатной платы и первых
контактов разъема методом травления, остальное крас-
кой ТИПФ-53 черная ТУ 79-02-889-79. Ширина линии
0,3мм, шрифт ПО-2 ГОСТ 293-62.
При эксплуатации устройства необходимо соблюдать
следующие требования:
- недопустимо наличие теплового удара, попадание
паров, что вызывает коррозию металла
- стараться не допускать воздействия вибрационных
нагрузок и ударов, влекущих за собой разрушение кон-
струкции.
- относительная влажность воздуха в рабочем со-
стоянии должна быть не более 80%.
- запрещается эксплуатировать микроЭВМ в помеще-
ниях с химически активной средой.
- воздействии ударных нагрузок с ускорением 15g
при длительности импульса от 10 до 15 мс и частоте от
80 до 120 ударов в минуту.
- не допускается вибраций, которые имеют частоту,
совпадающую с частотой собственных колебаний устрой-
ства.
Расстановка и крепление транспортной тары с упа-
кованными ОЭВМ в транспортных средствах должны обес-
печивать устойчивое положение транспортной тары и от-
сутствие ее перемещения во время транспортирования.
При транспортировании должна быть обеспечена за-
щита транспортной тары с упакованной ОЭВМ от атмо-
сферных осадков.
9. МЕТОДИКА ПРОВЕРКИ
Рассмотрим методику проверки универсального одно-
платного микроконтроллера на однокристальной ЭВМ,
схема электрическая принципиальная которого представ-
лена в графической части, лист 2 ЭЗ.
Перед началом выполняемых работ необходимо произ-
вести визуальный осмотр конструкции, убедиться в от-
сутствии механических повреждений печатной платы и
элементов. Затем необходимо проверить правильность
установки элементов в соответствии со схемой располо-
жения, представленной в графической части лист 5 Э7.
Убедиться в наличии заземления и исправности кабелей
аппаратуры комплекса куда встроена ОЭВМ.
Убедившись в отсутствии выше указанных поврежде-
ний следует приступить к проверке основных техниче-
ских характеристик микропроцессора.
Установить переключатели сетевого питания аппара-
туры в положение, соответствующее отключенному со-
стоянию. Подключите к сети 220В 50Гц с помощью кабе-
лей сетевого питания аппаратуру комплекса. При отклю-
ченном разъеме системного канала микропроцессора
включите аппаратуру комплекса, проверьте ее работо-
способность, а также значение питающих напряжений
микропроцессор на соответствие допустимым отклонениям
и затем отключите ее с помощью переключателей. Под-
ключите микропроцессор в состав комплекса. Устранение
дефектов монтажа, а также замену неисправных элемен-
тов необходимо производить маломощным паяльником,
рассчитанным на напряжение не более 12В. Для защиты
ИМС от статического электричества необходимо зазем-
лить рабочий стол, паяльник, а также самого наладчика
с помощью антистатического браслета.
При включении необходимо проверить время задержки
каждой микросхемы с помощью осциллографа С1-72. Это
время должно соответствовать значениям времени за-
держки, указанным в пункте 4 пояснительной записки.
Затем с помощью мультиметра Ц4360 или аналогично-
го производится измерение потребляемого тока. Этот
ток при напряжении питания +5В не должен принимать
значения больше указанных в пункте 4 пояснительной
записки.
После измерения параметров микросхем нужно про-
верить правильность работы узлов с помощью осцилло-
графа С1-70. Диаграммы снятые с блока ОЗУ и с регист-
ра-заглушки должны соответствовать диаграммам, пред-
ставленным в графической части лист 4 ДВ.
Правильно собранное устройство не требует на-
стройки и начинает работать сразу после включения.
10. ВЫВОД
Во время выполнения курсового проекта по схеме
электрической функциональной я разработала схему
электрическую структурную, представленную в гра-
фической части лист 1 Э1, разработал схему электриче-
скую принципиальную, показанную в графической части
лист 2 ЭЗ. Разработка схемы электрической принципи-
альной также включала в себя разработку блока индика-
ции состояния ПЗУ и системы контроля выборки ОЗУ. За-
тем на блок индикации и систему контроля были разра-
ботаны диаграммы временные, показанные в графической
части лист 5, 6 ДВ.
По схеме электрической принципиальной были рас-
считаны электрические параметры устройства. После вы-
полнения расчетов были получены следующие значения:
После этого была разработана методика проверки
работоспособности схемы электрической принципиальной.
В завершение, на основании схемы электрической прин-
ципиальной, была разработана схема расположения эле-
ментов, которая выполняется согласно описанию конст-
рукции, в которую можно внести некоторые изменения:
1). Вместо ИМС серии К155 можно применить мик-
росхемы серии К531, что увеличит быстродействие уст-
ройства, но увеличит потребляемую мощность, или мик-
росхемы серии К555, что уменьшит быстродействие уст-
ройства, но уменьшит и потребляемую мощность.
2). Вместо двухсторонней печатной платы, основа-
нием которой служит стеклотекстолит, можно использо-
вать многослойные печатные платы, конструкция которой
аналогична двухсторонней печатной плате.
1
3
Лист