Устройство и принцип работы микроконтроллера

Микроконтроллер МКП-1 представляет собой микропро­цессорное устройство. Его основными конструктивными уз­лами (рис. 3)являются: корпус 1, пульт управления 2, сете­вой фильтр 3, модули источника питания 4-7и функциональ­ные модули 8-13.

К модулям источника питания относятся:

модуль преобразования МПРБ 4;

модуль стабилизатора 5В МСТ 5 5;

модуль стабилизатора 12В МСТ 12 6;

модуль энергонезависимого питания МЭНП 7.

В состав функциональных модулей входят:

модуль ввода дискретных сигналов МВВ 8;

модуль вывода дискретных сигналов МВЫВ 9;

Рисунок 3- Общий вид микроконтроллера МКП-1

модуль памяти МП 10;

модуль процессора МПР 11;

модуль управления МУ12;

модуль энергонезависимого запоминающего устройства МЭНЗУ 13.

Лицевые планки функциональных модулей, модулей ис­точника питания и лицевая панель пульта управления обра­зуют переднюю панель микроконтроллера, содержащую все необходимые органы управления и индикации:

— выключатель СЕТЬ и индикатор напряжения питаю­щей сети;

— индикаторы напряжения стабилизированных источни­ков + 5, +12, —5 В и энергонезависимого питания Б для МЭНЗУ;

— индикаторы состояния входов и выходов микроконтрол­лера, расположенные на лицевых планках модулей ввода и вывода дискретных сигналов;

— индикатор ОЖ, включенное состояние которого сиг­нализирует пользователю о том, что микроконтроллер на­ходится в режиме ожидания ввода с клавиатуры пульта уп­равления.

Модуль процессора — информационный центр микрокон­троллера, к которому через магистраль связи (рисунок 4) под­ключены модули систем памяти и ввода—вывода. В соответ­ствии с исполнительной программой, записанной в перепро­граммируемое постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)

Система питания

Система ввода-вывода

Модуль процессора

Система памяти

Магистраль связи системы питания

Магистраль связи системы ввода-вывода

Общая магистраль связь

Рисунок 4- Структурная схема микроконтроллера МКП-1

модуля памяти, МПР осуществляет сбор, цифровую обра­ботку и вывод информации.

В состав модуля памяти кроме ПЗУ входит и оператив­ное запоминающее устройство (ОЗУ). Оно обеспечивает прием, хранение и выдачу служебной информации (информа­ционная емкость ОЗУ 256 байт).

Исполнительная программа является неотъемлемой частью микроконтроллера, недоступной для пользователя. Ее назначение — в преобразовании инструкций, введенных оператором с пульта управления или поступающих от управ­ляющей программы, в последовательность кодов машинного языка микропроцессора.

Управляющая программа — программа, написанная поль­зователем в кодах команд входного языка микроконтроллера и обеспечивающая выполнение заданного алгоритма управле­ния манипулятором и технологическим оборудованием. Она размещается в модуле энергонезависимого запоминающего устройства и сохраняется при отключении основного источ­ника питания.

Пульт управления содержит клавиатуру для ввода кодов команд и управления режимами работы МКП-1, одностроч­ный восьмиразрядный дисплей, предназначенный для ото­бражения информации при вводе—выводе, и индикаторы режимов работы. Клавиатура состоит из 16 информационных клавиш О,..., F и клавиши переключения режимов работы Р. Индикаторы режимов работы А, Р, Ш, ВП, ПП выполнены на светодиодах и соединены с выходами регистра индикации. Во включенном состоянии один из светодиодов информирует о режиме, в котором находится микроконтроллер. Сопряже­ние клавиатуры и индикации ПУ с внутренней магистралью обмена информацией обеспечивает модуль управления.

Модули ввода и вывода дискретных сигналов предназна­чены для связи микроконтроллера с манипулятором и обо­рудованием — электропневматическими распределителями, реле, элементами сигнализации, датчиками контроля поло­жения манипулятора и состояния оборудования (контакт­ными и бесконтактными), исполнительными устройствами и т. д. Они обеспечивают преобразование уровней сигналов и их гальваническую развязку, а также индикацию состояния каждого входа и выхода микроконтроллера.

Система электропитания МКП-1 преобразует напряжение сети в стабилизированное напряжение +5 В; —5 В; +12 В, причем напряжение +5 В формируется в МСТ5, а +12 В и —5 В — в МСТ12. Для устранения помех, возникающих в пи­тающей сети при коммутации сильноточных нагрузок, си­стема содержит сетевой фильтр.

МПРБ преобразует переменное напряжение 220 В, 50 Гц в импульсное напряжение прямоугольной формы амплиту­дой 150 В и частотой 15—25 кГц, а также формирует ряд управляющих сигналов магистрали связи системы питания.

В каждый текущий момент времени микроконтроллер может находиться в одном из пяти режимов работы — ввода программы (ВП), просмотра программы (ПП), ручном (Р), автоматическом (А) и пошаговом (Ш). Конфигурация внутренней структуры микроконтроллера в различных режи­мах приведена на рисунке 5.

Рисунок 4- Структурная схема микроконтроллера МКП-1

Рисунок 4- Структурная схема микроконтроллера МКП-1

Рисунок 4- Структурная схема микроконтроллера МКП-1

Рисунок 4- Структурная схема микроконтроллера МКП-1

Рисунок 5- Конфигурация внутренней структуры микроконтроллера в различных режимах работы: а) ввод программы; б) просмотр программы; в) ручной; г) автоматический; д) пошаговый

Режим ВВОД ПРОГРАММЫ используется для записи кодов команд управляющей программы в МЭНЗУ. Каждая команда набирается на клавиатуре ПУ. Процессор под уп­равлением исполнительной программы считывает коды нажа­тых клавиш, формирует из них код команды и пересылает его в МЭНЗУ по адресу, определяемому счетчиком команд, который размещен в ОЗУ модуля памяти. По окончании пе­ресылки содержимое счетчика команд увеличивается на еди­ницу. Вводимая информация совместно с текущим значением счетчика отображается на дисплее.

Работа МКП-1 в режиме ПРОСМОТР ПРОГРАММЫ аналогична работе в режиме ВП, однако направление про­хождения информации противоположное. В соответствии с адресом ячейки ЭНЗУ, записанным в счетчике команд, про­цессор производит считывание содержащейся в этой ячейке информации и выводит ее на индикацию совместно с текущим значением счетчика команд. Содержимое счетчика модифи­цируется, и процессор переходит в режим ожидания после­дующего нажатия клавиши, воспринимаемого им как коман­да вывода содержимого очередной ячейки ЭНЗУ. Режим ис­пользуется для контроля управляющей программы, храня­щейся в памяти микроконтроллера.

В режиме РУЧНОГО управления процессор взаимодейст­вует с пультом управления так же, как в режиме ВВОД ПРОГРАММЫ, но сформированный код команды не запи­сывается в ЭНЗУ, а выполняется. Содержимое счетчика команд (если это не предусмотрено выполненной командой) не изменяется и не индицируется.

АВТОМАТИЧЕСКИЙ режим работы — основной, пред­назначен для реализации управляющей программы. ЭНЗУ выступает в качестве источника команд, выборку которых процессор осуществляет по адресу, определяемому счетчи­ком команд. Клавиатура ПУ для ввода кодов команд забло­кирована.

Эффективным средством отладки управляющих программ является ПОШАГОВЫЙ режим, в котором процессор выби­рает очередную команду, выполняет ее, после чего модифи­цирует содержимое счетчика команд и переходит в режим ожидания ввода с клавиатуры. Каждое нажатие клавиши, если оно не связано с изменением режима работы, иницииру­ет процессор на выполнение очередного шага программы. В этом режиме пользователь может выполнить управляю­щую программу в необходимом ему темпе. В паузах между выполнением команд процессор выводит на индикацию адрес (содержимое счетчика команд) и содержимое ячейки ЭНЗУ—код команды, которая будет выполняться на сле­дующем шаге.

Связь между модулями микропроцессора реализуется при помощи трех магистралей (смотри рисунок 4): общей магистрали связи; магистрали связи системы ввода—вывода; магистрали связи системы питания.

Магистраль связи системы ввода—вывода является частью общей магистрали, отличающейся от последней огра­ниченным набором линий связи. Общая магистраль функцио­нально разделена на четыре группы линий связи: шину ад­реса; шину данных; шину управления; шину питания.

Адресные сигналы (сигналы линии шины адреса) пред­назначены для выбора адреса ячейки памяти или регистра системы ввода—вывода. Каждый исполнительный элемент (запоминающая ячейка памяти или регистр системы ввода— вывода) имеет свой собственный адрес, присвоенный ему в пределах адресного поля микроконтроллера, которое для системы памяти образовано сигналами 16-разрядного двоич­ного кода , а для системы ввода—вывода — восемью младшими разрядами адресного слова .

Таблица 1