6 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Микропроцессорные устройства: поговорим о них

Микропроцессорные устройства;

Сайт СТУДОПЕДИЯ проводит ОПРОС! Прими участие 🙂 — нам важно ваше мнение.

Сам по себе микропроцессор без устройств, обеспечивающих его взаимодействие с внешним миром, не представляет никакой пользы. Данные и программа их обработки поступают от внешних источников информации; результаты обработки тоже воспринимаются внешними устройствами. Всё вместе: микропроцессор, содержащий АЛУ и УУ, память, необходимые устройства ввода-вывода представляют собой микропроцессорное устройство (МПУ), способное автономно принимать, обрабатывать и передавать информацию (рис. 10.2.).

Рис. 10.2. Структурная схема микропроцессорного

Если МПУ управляет каким-либо оборудованием, например, по заданной программе переключает сигналы светофора, ему нужны только соответствующие коммутаторы в качестве УВВ, минимум памяти для несложной программы и самый простейший микропроцессор. Обычно такие МПУ наываются микропроцессорными контроллерами, или просто микро­контроллерами.

Устройство ввода и вывода, связывающее МПУ с внешним миром, обычно делят на две части: интерфейс и само внешнее или периферийное устройство. Интерфейс (interface – средство сопряжения) предназначен для преобразования сигналов от МП в сигналы, воспринимаемые внешним устройством и наоборот. Часть интерфейса, непосредственно воспринимающая сигналы МП и передающая ему сигналы, называется портом УВВ. В зависимости от того, какое устройство связывается с МП, интерфейсы могут разделяться как по принципу передачи информации, так и по ее виду. Если интерфейс служит для передачи или приема данных в цифровой форме, то это обычно параллельный или последовательный интер­фейс. Параллельный интерфейс передает или принимает сразу все двоичные разряды числа (количество же разрядов в числе, конечно, ограничено), а последовательный интерфейс растягивает передачу или прием во времени, передавая последовательно разряд за разрядом или бит за битом.

В микропроцессорных контроллерах, управляющих оборудованием, набор внешних устройств гораздо более широкий. Для их реализации требуется гораздо больше различных интерфейсов. Рассмотрим схему подключения внешних устройств микропроцессора регулятора часто­ты вращения двигателя постоянного тока с защитой по температуре перегрева. Об­щая схема такого МПУ показана на рис. 10.3. Чтобы двигатель подключить к источнику питания и выбрать направление вращения, необходимо включить одно из реле К1 или К2. Обмотки реле потребляют достаточно большую мощность, поэтому их невозможно непосредст­венно подключить к параллельному интерфейсу (Порт 1), приходится ставить промежуточные усилители – транзисторные ключи. Когда оба реле К1 и К2 обесточены – якорь двигателя не вращается. Включение только одного из реле приводит к замыканию контактов К1.1 и К1.2 (или К2.1 и К2.2) и пуску двигателя в том или ином направлении.

Рис. 10.3. МПУ управления двигателем

Чтобы плавно изменять ток возбуждения IВ на выход соответствующего (Порт 2) параллельного интерфейса подклю­чается цифроаналоговый преобразователь ЦАП, преобразующий циф­ровой код в пропорциональное ему напряжение UУ. Но сигнал с выхода ЦАП недостаточно мощный, он усиливается при помощи транзисторного усилителя аналоговых сигналов. Теперь становится возможным регулиро­вать и автоматически стабилизировать частоту вращения двигателя в зависимости от момента нагрузки на его валу (в определённом диапазоне), изменяя ток возбуждения Iв в независимой обмотке возбуждения 0В.

Обратная связь по частоте вращения двигателя осуществляется при помощи Датчика частоты вращения (вал двигателя и вал датчика частоты вращения соединены механически), выдающего на своем выходе сигнал, частота которого прямо пропорциональна частоте вращения вала двигателя. Этот сигнал преобразуется в импульсную форму и подаётся на вход Электронного счётчика импульсов. Кроме того, на другой вход счётчика с Генератора частоты подаются импульсы стабильной частоты fо , на 2-3 порядка превышающей частоту сигнала с датчика частоты вращения. Счётчик подсчитывает число импульсов N частоты fо , появляющиеся между двумя соседними импульсами с датчика, и передает число N через параллельный интерфейс (Порт 3) в МП. Микропроцессор рассчитывает период вращения двигателя Т = N / fо , использует это значение для управления током возбужде­ния Iв и выводит его на светодиодное табло – индикатор частоты вращения.

Внешнее управление поддерживаемой частотой вращения осуще­ствляется при помощи ключей (кнопок) SA1, SA2 и SAЗ. При замыкании того или иного ключа МП через параллельный интерфейс получает сигнал о поддерживаемой (стабилизируемой) частоте вращения. Микропроцессор периодически опрашивает Порт 4 и следит, не изменилось ли состояние этих ключей. Кстати, изменение состояния кнопок SA1, SA2, SAЗ, «Пуск» и «Стоп» производится пользователем (оператором).

Чтобы контролировать тепловой режим работы двигателя, в него введена термопара. Сигнал с термопары (ЭДС термопары), составляющий несколько милливольт, первоначально усиливается, а затем обрабатывается при помощи аналого-цифрового преобразователя АЦП. АЦП преобразует напряжение, пропорциональное температуре, в соответствующий цифровой код, и этот код через параллельный интерфейс (Порт 5) становится доступным МП. В случае перегрузки двигателя по току якоря и возрастания температуры (и ЭДС термопары соответственно) МП выдаёт сигнал через Порт 1 и параллельный интерфейс на отключение реле К1 или К2.

Для индикации режимов работы (например, частоты вращения) применяется цифровой индикатор на светодиодах, высвечивающий те числа, коды которых передаются через Порт 6 и параллельный интерфейс. Для преобразования двоичного кода в изображение соответствующих ему цифр на табло используется Преобразователь кода, реализованный на микросхеме.

1. Назовите основную часть процессора.

2. Для чего предназначен интерфейс?

3. Что применяется для индикации режимов работы?

Цифровые устройства и микропроцессоры Лекция 1 Электронная система

Материалы ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»

Читать еще:  Преимущества лестниц из дуба для загородного дома

Специально для ЛЛ

Электронная система – это блок, который состоит из электронных компонентов, на вход которого поступают электрические сигналы и в котором производится обработка и хранение этих сигналов.

Электронная система может формировать выходные сигналы в зависимости от входных сигналов в данный момент времени, в предыдущие моменты времени и собственно от момента времени. Электрические сигналы могут быть следующих видов: аналоговые сигналы, цифровые сигналы и цифровые шины.

Аналоговый сигнал – это сигнал, уровень напряжения которого может принимать любое значение из некоторого диапазона, например, от 0 до 5 Вольт.

Цифровой сигнал – это частный случай аналогового сигнала, который может принимать только два значения – высокий и низкий уровень, например, высокий уровень – 5 Вольт, низкий уровень – 0 Вольт. Цифровой сигнал в один момент времени может передавать один бит информации – 0 или 1. Обычно высокому уровню соответствует 1, низкому – 0.

Цифровая шина – это набор цифровых сигналов, объединенных общей функцией. По цифровой шине в один момент времени может быть передано двоичное число, количество разрядов которого равно количеству проводов в шине. Исторически электронные системы разрабатывались для решения какой-то одной задачи. Для каждой новой задачи, даже если изменения были незначительными, приходилось заново разрабатывать и изготавливать систему, что дорого и занимает много времени. Поэтому было решено создать некий универсальный блок, который можно использовать для решения широкого круга задач.

Так появились микропроцессорные системы.

Микропроцессор – это микросхема, которая может выполнять одно из определенных действий, в зависимости от управляющей программы. То есть микропроцессор обладает универсальностью – при изменении условий задачи в ряде случаев можно внести изменения в программу, а конструктивно система не поменяется. Микропроцессор работает только с цифровыми шинами, для подключения аналоговых и цифровых сигналов необходимо использовать согласующие устройства. Микропроцессор состоит из арифметико-логического устройства, в котором и выполняются действия, указанные в программе. Это арифметические и логические действия с числами, которые передаются по цифровым шинам, подключенным к

микропроцессору. Схема управления выборкой команд определяет то действие, которое будет

выполнять арифметико-логическое устройство в данный момент в зависимости от программы. Логика управления осуществляет синхронизацию работы всех блоков.Регистры – это ячейки памяти, в которых хранятся данные для выполнения программы и некоторая служебная информация, необходимая для корректной работы микропроцессора.

Рассмотрим схему подключения микропроцессора.

Микропроцессору необходимо питание, напряжение лежит в диапазоне от 1,5 до 5 вольт. Общий провод или земля – это нулевой уровень напряжения, т.е. такой уровень, относительно которого отсчитываются все напряжения в системе. Тактовый сигнал представляет собой набор импульсов. После появления очередного импульса микропроцессор начинает выполнение очередного действия, указанного в программе и должен завершить его до прихода следующего импульса. Также тактовый сигнал обеспечивает синхронную работу всех блоков внутри микропроцессора. Сигнал сброса переводит микропроцессор в начальное состояние – т.е. в такое состояние, в котором микропроцессор оказывается при включении питания. Обмен информацией микропроцессора с другими устройствами в системе производится по трем шинам – шине адреса, шине данных и шине управления, которые через согласующий буфер объединяются в магистральную шину для удобства подключения других устройств. Шина адреса используется для выбора источника или получателя данных, по шине данных передаются собственно данные, шина управления обеспечивает синхронизацию и определяет, что именно происходит – запись или чтение данных.

Рассмотрим процесс обмена данными более подробно. Например, подключение

блока памяти к микропроцессору. Память состоит из ячеек, каждая из которых имеет собой уникальный адрес и в которую можно записать какое-либо число. Для того, чтобы записать число в память, микропроцессор выставляет на шине управления сигнал, соответствующий циклу записи, на шине адреса – адрес ячейки, к которую необходимо записать данные, а на шине данных – те данные, которые нужно записать. Блок память производить запись данных в соответствующую ячейку. Для того, чтобы считать данные, микропроцессор выставляет на шине управления сигнал, соответствующий циклу чтения, а на шине адреса – адрес ячейки памяти, из которой нужно считать данные. После этого блок памяти выдаст на шину

Микропроцессорные устройства: поговорим о них

Микропроцессор (МП) — это выполненное на одной или нескольких БИС устройство цифровой обработки информации, осуществляемой по программе. По назначению он идентичен ЭВМ, но обладает меньшими функциональными возможностями.

Современные микропроцессоры могут содержать миллионы транзисторов в одной микросхеме. Обобщенная структурная схема МП показана на рис.6.1.

Основу микропроцессора составляет арифметико-логическое устройство АЛУ. Оно выполняет арифметические (сложение, вычитание) и логические (сравнение, дизъюнкция, конъюнкция) операции над двумя числами и выдает результат операции. Регистры Р служат для хранения и выдачи команд (регистр команд), адресов (регистр адресов) и данных (регистр данных или аккумулятор).

Устройство управления служит для преобразования команд, поступающих из регистров и внешнего ЗУ в сигналы, непосредственно воздействующие на все элементы МП и стимулирующие выполнение команд.

Все блоки МП соединены между собой и с внешними устройствами тремя многоразрядными шинами: шиной данных ШД, шиной адресов ША и шиной управления ШУ. Шина — это группа параллельных проводников, по которым передается многоразрядный код. УУ распределяет во времени связи между блоками по одной и той же шине — мультиплексирование.

Совокупность шин называется магистралью. Шина данных служит для обмена операндами — кодами исходных данных или кодами команд. Шина адресов служит для передачи кодов ячеек памяти в ЗУ.

Таким образом, в микропроцессорах, как и в ЭВМ, используется магистральный принцип передачи информации.

Читать еще:  Недорогие варианты перелета Харьков – Бангкок

Микропроцессор используется совместно с другими микроэлектронными устройствами: запоминающим устройством данных (ЗУД), запоминающим устройством программы (ЗУП) и устройством ввода-вывода (УВВ). Объединение этих элементов называется микропроцессорной системой или микроконтроллером— рис. 6.2.

Запоминающие устройства ЗУ предназначены для приема, хранения и выдачи программы и данных. При этом ЗУП представляет собой постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), работающее только на считывание. Запись программы в ЗУП происходит однократно при ее изготовлении или отладке. ЗУД представляет собой оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), работающее как в режиме записи, так и в режиме считывания.

УВВ предназначено для приема сигналов от внешних устройств в процессор или ЗУ и для вывода результатов во внешние устройства. Генератор тактов синхронизирует через МП работу всех блоков системы. В некоторых типах МП он может входить в состав самого процессора.

Программа, по которой работает МП обычно хранится в постоянном запоминающем устройстве. Запись программы происходит одноразово. Возможно применение репрограммируемых (перепрограммируемых) ПЗУ, допускающих многократную запись и стирание информации. Информация в ПЗУ сохраняется при отключении источника питания.

Для хранения данных применяют оперативные запоминающие устройства (ОЗУ), в которые информация может быть выдана из МП или от внешних устройств (клавиатура, датчики) через УВВ. При отключении источника питания информация в ОЗУ теряется.

В тех случаях, когда разработчики микропроцессорной системы предусматривают для потребителя присоединение к магистрали каких-либо дополнительных блоков (открытый вариант системы), магистраль снабжается буфером магистрали, увеличивающем ее нагрузочную способность или адаптером магистрали, если надо не только усиление, но и преобразование сигналов.

Конструктивно микроконтроллеры могут быть однокристальными, если все элементы микропроцессорной системы выполнены в одной интегральной схеме или одноплатными, если они расположены на одной печатной плате. Одноплатные микроконтроллеры часто снабжаются встроенной клавиатурой и индикатором. В таком виде они могут составить самостоятельную вычислительную часть цифровых систем измерения, управления и т.д.

Промышленность выпускает огромную номенклатуру микроконтроллеров, отличающихся разрядностью, архитектурой, характеристиками и возможностями функционирования. Общим признаком всех микроконтроллеров является их гибкое (т.е. программное) структурирование. Микроконтроллеры могут быть специализированными (например, микроконтроллер клавиатуры персонального компьютера) или универсальными, предназначенными для решения различных задач одного класса, например контроллеры для систем промышленной автоматики.

Микропроцессоры характеризуются следующими параметрами:

1. Вид микропроцессора: универсальный или специализированный, сигнальный и т.п.

2. Способ управления: схемный (жесткий), или микропрограммный (гибкий).

3. Разрядность — длина слова, которое может быть одновременно обработано процессором (4, 8, 16,32).

4. Емкость адресуемой памяти. Характеризует возможности микропроцессора по сложности реализуемых программ.

5. Быстродействие. Характеризуется продолжительностью одной

операции типа «регистр-регистр» или числом операций в секунду.

Микропроцессорные устройства управления

В настоящее время микропроцессорные устройства управления широко применяются в точных автоматизированных электроприводах. Их основой является микропроцессор (МП) – программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки информации и управления этим процессом [5]. Микропроцессор выполняется на основе одной или нескольких больших ИС (БИС), которые состоят из нескольких десятков тысяч простых элементов – транзисторов, диодов, резисторов и конденсаторов – и могут иметь 24, 40, 48 и 64 вывода. Площадь БИС не превосходит нескольких десятков квадратных миллиметров, что определяет малое энергопотребление МП, его надёжность в работе, небольшую массу и габаритные размеры, а при массовом выпуске – невысокую стоимость БИС. Структурная схема микропроцессора показана на рис. 1.5, а.

Рис. 1.5. Схема (а) и структура команды (б) микропроцессора

В неё входят арифметико-логическое устройство (АЛУ) – операционная часть, устройство управления (УУ) и регистровое запоминающее устройство (РЗУ) – внутренняя память МП. Эти три основные части МП соединены тремя линиями связи – шинами данных (ШД), адресов (ША) и управления (ШУ).

Микропроцессор является элементом управления с гибким алгоритмом работы. Изменение алгоритма функционирования схемы достигается за счёт замены одной программы на другую. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций над данными в виде двоичных чисел. Данные, с которыми производятся эти операции, называются операндами. Обычно в операции участвуют два операнда, один из которых находится в специальном регистре – аккумуляторе А, а другой – в регистрах РЗУ. Регистровое запоминающее устройство содержит несколько регистров общего назначения (РОН), а также регистров специального назначения, в частности счётчик команд (СК). Управляющее устройство (УУ) предназначено для выработки сигналов управления, обеспечивающих работу блоков МП. В состав УУ входит регистр команд (РК), в котором фиксируется выполняемая в данный момент команда. Команды, обеспечивающие реализацию заданного алгоритма обработки информации, образуют программу и выполняются в пошаговом режиме строго в записанной последовательности. Каждая команда программы содержит информацию о том, что нужно делать, с какими операндами и по какому адресу поместить результат операции. Структура команды представлена на рис. 1.5, б. Первая часть команды содержит код операции (КОП), т. е. информацию о характере выполнения операции над операндами (например, сложение, логическое сложение и т. д.). Вторая часть команды – адресная – содержит адреса расположения операндов, с которыми производится данная операция, и адрес регистра или ячейки памяти, куда должен быть помещён результат. Команды, адреса и операнды МП записываются двоичными многоразрядными числами. В современных МП используются восьми- и шестнадцатиразрядные числа. Использование в МП многоразрядных двоичных чисел позволяет повысить их быстродействие и точность работы. Программа (совокупность команд) МП может быть записана несколькими способами. Первый из них предусматривает запись команд непосредственно в виде двоичных чисел, т. е. в виде так называемого машинного кода, понятного данному МП. Более удобным является использование языков программирования. Языки низкого уровня типа Ассемблер как средство общения с МП включают в себя несколько десятков типовых команд, представленных в условных мнемокодах. Например, язык этого типа для отечественного восьмиразрядного МП типа К580 включает в себя около 80 основных команд – арифметических, логических, пересылки данных, передачи управления и ряд других.

Читать еще:  Как выполняется обслуживание кондиционеров

Ещё большие возможности и удобства пользователю микропроцессорными схемами управления предоставляют языки программирования высокого уровня: ФОРТРАН, ПАСКАЛЬ МТ+, ПЛ/М, Бейсик-80, СИ, АДА и их разновидности (диалекты). Составленные на этих языках программы далее транслируются (переводятся) с помощью специальных программ – кросс-программ – в систему машинных кодов, понятных МП. Тот или иной язык используется только на этапе программирования, оперирует МП при своей работе с двоичными числами. Представленный на рис. 1.5 МП не может быть непосредственно использован для управления ЭП. Для выполнения функции управления схема МП дополняется целым рядом блоков, в результате чего образуется микропроцессорная система (МПС), структурная схема которой приведена на рис. 1.6.

В состав МПС, наряду с МП, в общем случае входят устройства памяти ОЗУ и ПЗУ, интерфейсное устройство (ИУ), устройства сопряжения (УС) с внешними объектами; внешние запоминающие устройства (ВЗУ), устройства ввода-вывода информации (УВВ), общая шина (ОШ), включающая в себя ШД, ШУ и ША. Устройства памяти ОЗУ и ПЗУ служат для размещения подлежащих обработке данных программы, в соответствии с которой эта обработка должна вестись, и результатов обработки. Для расширения возможностей МПС, кроме ОЗУ и ПЗУ, могут использоваться ВЗУ, к числу которых относятся накопители информации на гибких магнитных дисках, магнитной ленте, кассетные накопители. Устройства ввода-вывода информации предназначены для взаимодействия МПС и человека в удобной для него форме. К устройствам ввода-вывода относятся клавиатура пульта управления МПС, печатающая машинка (принтер), графопостроители, устройства визуального представления информации (дисплеи) и т. д. Устройства сопряжения обеспечивают связь МПС с различными внешними (периферийными) устройствами. Они могут иметь самые разнообразные схемные и элементные реализации. В частности, для согласования (связи) МПС с датчиками координат и схемой управления ЭП используются аналогоцифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи электрических сигналов, обозначенные на схеме УС1 и УС2. Устройства сопряжения УС3 и УС4, предназначенные для связи МПС и ВЗУ и УВВ, представляют собой в простейшем случае буферные (промежуточные) регистры памяти для хранения данных, передаваемых с ОШ на внешние устройства или обратно. Устройства сопряжения, получившие название контроллеров (микроконтроллеров), выполняют более сложные функции, и их работа может программироваться. Устройства сопряжения УС5 выполняют согласование работы данной МПС с другими МПС и ЭВМ. Интерфейсное устройство (ИУ) – это совокупность электронных схем, шин и программ, обеспечивающая управление передачей информации между МП, памятью и внешними устройствами, к которым относятся УВВ, ВЗУ и Д. Говоря кратко, ИУ обеспечивает требуемое взаимодействие МПС с указанными внешними устройствами при изменении режима её работы. Типичным примером является переход от выполнения одной программы к выполнению другой при поступлении от какого-либо внешнего устройства сигнала управления. Такой переход получил название прерывания. После завершения прерывающей программы ИУ обеспечивает возврат МПС к работе по прерванной программе. Примерами ИУ являются таймер, блок прямого доступа к памяти, блок организации прерываний. Отметим, что совокупность МП, памяти и интерфейса, который включает в себя ИУ, УС и ОШ, получила название микроЭВМ. По назначению МПС и микроЭВМ подразделяются на универсальные и специализированные. Широко распространённым примером специализированной МПС является программируемый контроллер (ПК). Применение ПК позволяет избежать недостатков, которые характерны для схем с жёсткой логикой.

Программируемый контроллер – это специализированная МПС, предназначенная для обработки логических входных сигналов, их преобразования и выработки управляющих воздействий на ЭП и работающая на заранее заданной программе. Процесс обработки поступающей информации и выработки управляющих воздействий осуществляется в ПК по программе и происходит в реальном масштабе времени. Схема программируемого контроллера представлена на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Схема программируемого контроллера

В состав ПК входят запоминающее устройство (ЗУ), в котором содержится программа его работы; логический процессор (ЛП), осуществляющий логические операции над последовательно вводимыми в него сигналами; коммутаторы входных К1 и выходных К2 сигналов; устройства сопряжения ПК с входными УС1 и выходными УС2 сигналами; память (П), в которую поступают результаты выполнения логических операций. Входные сигналы U вх1, U вх2,…, Uвхi, содержащие информацию о ходе технологического процесса, режимах работы отдельных частей ЭП, состоянии защиты и т. д., поступают на вход устройства сопряжения УС1, которое обеспечивает их гальваническую развязку и формирование из них сигналов, соответствующих величине и виду используемых в данном ПК. Сформированные таким образом сигналы поступают на вход коммутатора К1, который последовательно подаёт на ЛП тот из них, адрес которого содержится в очередной команде, поступающей на ЗУ. После выполненных ЛП преобразований, которые также определяются заложенной в ЗУ программой, сигналы через коммутатор К2 поступают в регистр памяти П и далее через УС2 на выход ПК. В качестве выходных допускаются сигналы напряжением от 5 до 250 В постоянного и переменного тока, общее число которых может достигать тысячи и более. Выходные устройства сопряжения УС2 обычно строятся на основе оптронных тиристоров, обеспечивающих гальваническую развязку выходных цепей и позволяющих управлять достаточно мощными исполнительными устройствами – реле, контакторами, катушками электромагнитов и др.

Дата добавления: 2015-08-12 ; просмотров: 1282 . Нарушение авторских прав

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector