ANOTВCIJA

Рajв darbв tiek aplыkota informвcijas apmaiтas organizвcija starp personвlo datoru un firmai Intel MCS-51 mikrokontrolieri. Darbв tiek uzrвdоti mikrokontroliera programmas algoritmi un tв arо strukturвlвs pieslзgumu shзmas pie personвlo datoru portam.

Аннотация

В данной работе рассматривается организация обмена информацией между персональным компьютером и микроконтроллером семейства MCS-51 фирмы Intel. В работе представлены алгоритмы программного обеспечения микроконтроллера, а также структурные схемы подключения микроконтроллера к портам персонального компьютера.

Объем работы 47 страниц.

Annotation

In given document is considered organization of information exchange between the personal computer and family MCS-51 Company Intel microcontroller. There is presented the algorithms of microcontroller software, as well as structured schemes of connecting a microcontroller to ports of the personal computer.

Volumes of work 47 pages.

Содержание

• Перечень сокращений
• Введение
• 1. Анализ состояния вопроса
• 1.1 Постановка глобальных задач
• 1.2 Анализ предыдущей работы
• 1.2.1 Положительные стороны
• 1.2.2 Отрицательные стороны
• 1.3 Постановка задачи
• 2. Разработка вопросов аппаратного и программного сопряжения
• 2.1 Аппаратное сопряжение ПК и микроконтроллера
• 2.1.1 Скорость приема/передачи
• 2.1.2 Разработка формата принимаемых и передаваемых данных
• 2.1.3 Разработка схемы подключения микроконтроллера
• 2.1.4 Выбор источника питания
• 2.2 Подключение внешней памяти программ
• 2.3 Программное сопряжение микроконтроллера и ПК
• 2.3.1 Начальная установка MCS-51
• 2.3.2 Программное обеспечение организации обмена информацией между МК и ПК
• 2.3.2.1 Программа «Монитор»
• 2.3.2.2 Подпрограмма запуска программы пользователя в режиме реального времени
• 2.3.2.3 Подпрограмма запуска программы пользователя в пошаговом режиме
• 2.3.2.4 Подпрограмма записи программы пользователя в память программ микроконтроллера.
• 2.3.2.5 Подпрограмма записи информации в программно - доступные узлы микроконтроллера
• 2.3.2.6 Подпрограмма чтения из памяти программ микроконтроллера
• 2.3.2.7 Подпрограмма чтения информации программно - доступных узлов микроконтроллера
• 2.3.2.8 Подпрограмма выдачи ошибки в ПК
• 2.3.2.9 Подпрограмма выдачи одного байта информации
• 2.3.2.10 Подпрограмма приема одного байта информации
• Список использованой литературы
• Приложения

Перечень сокращений

БИС-большая интегральная схема

МК-микроконтроллер

ОЗУ-оперативное запоминающее устройство

ПЗУ-постоянное запоминающее устройство

ПК-персональный компьютер

УАПП-универсальный асинхронный приемопередатчик

ЭВМ-электронная вычислительная машина

Введение

Использование микроконтроллеров в изделиях не только приводит к повышению технико-экономических показателей (стоимости, надежности, потребляемой мощности, габаритных размеров), но и позволяет сократить время разработки изделий и делает их модифицируемыми, адаптивными. Использование микроконтроллеров в системах управления обеспечивает достижение высоких показателей эффективности при низкой стоимости.

Микроконтроллеры представляют собой эффективное средство автоматизации разнообразных объектов и процессов.

Все это определяет необходимость изучения микропроцессорных систем. В настоящее время в РАУ имеются учебные методические комплексы УМК ВЭФ, базирующиеся на микропроцессоре I8080, позволяющие получить знания в программировании микропроцессоров. К сожалению, на кафедре нет лабораторной установки, позволяющей получить практические навыки в программировании микроконтроллеров.

Необходимо создание новой лабораторной базы, использующей на наиболее распространенные микроконтроллеры. Такими микроконтроллерами могут послужить микроконтроллеры семейства MCS-51 фирмы Intel. Такие лабораторные установки могут использоваться не только как учебно-методическое пособие при изучении курса микропроцессоров, но и как устройства управления другими учебно-методическими комплексами, используемыми в других курсах.

Вышесказанное указывает на актуальность рассмотрения вопроса организации обмена информацией между персональным компьютером и микроконтроллером MCS-51 фирмы Intel.

1. Анализ состояния вопроса

В устройствах управления объектами (контроллерах) на основе МК аппаратурные средства и программное обеспечение существует в форме неделимого аппаратурно-программного комплекса. При проектировании контроллеров приходиться решать одну из самых сложных задач разработки, а именно задачу оптимального распределения функций контроллера между аппаратурными средствами и программным обеспечением. Решение этой задачи осложняется тем, что взаимосвязь и взаимовлияние аппаратурных средств и программного обеспечения в микропроцессорной технике претерпевают динамические изменения. Если в начале развития микропроцессорной техники определяющим было правило, в соответствии с которым аппаратурные средства обеспечивают производительность, а программное обеспечение - дешевизну изделия, то в настоящее время это правило нуждается в серьезной корректировке. Так как МК представляет собой стандартный массовый (относительно недорогой) логический блок, конкретное назначение которого определяет пользователь с помощью программного обеспечения, то с ростом степени интеграции и, следовательно, функционально-логических возможностей МК резко понижается стоимость изделия в пересчете на выполняемую функцию, что в конечном итоге и обеспечивает достижение высоких технико-экономических показателей изделий на МК. При этом затраты на разработку программного обеспечения изделия в 2 - 10 раз превышают затраты на приобретение и изготовление аппаратурных средств.

В настоящее время наибольшее распространение получил методологический прием, при котором весь цикл разработки контроллеров рассматривается как последовательность трех фаз проектирования:

анализа задачи и выбора (и/или разработки) аппаратурных средств контроллера;

разработка прикладного программного обеспечения;

комплексирования аппаратурных средств и программного обеспечения в прототипе контроллера и его отладки.

Фаза разработки программного обеспечения, т.е. фаза получения прикладных программ, в свою очередь, разбивается на два существенно различных этапа:

«от постановки задачи к исходной программе»;

«от исходной программы к объектному модулю».

Этап разработки «от исходной программы к объектному модулю» имеет целью получение машинных кодов прикладных программ, работающих в МК. Этот этап разработки прикладного программного обеспечения легко поддается формализации и поддержан всей мощью системного программного обеспечения МК, направленного на автоматизацию процесса получения прикладных программ. В состав средств системного программного обеспечения входят трансляторы с различных алгоритмических языков высокого уровня, ассемблеры, редакторы текстов, программы-отладчики, программы-документаторы и т.д. Наличие всех этих системных средств придает инженерной работе на этом этапе проектирования контроллеров характер ремесла, а не инженерного творчества. Так как в конечном изделии имеются только МК и его средства сопряжения с объектом, то выполнять отладку разрабатываемого прикладного программного обеспечения на нем невозможно (из-за отсутствия средств ввода, вывода, ОЗУ большой емкости и операционной системы), и, следовательно, разработчик вынужден обращаться к средствам вычислительной техники для выполнения всех формализуемых стадий разработки: трансляции, редактирования, отладки, загрузки объектных кодов и программируемую постоянную память МК.

Этап разработки «от постановки задачи к исходной программе» не поддается формализации и, следовательно, не может быть автоматизирован. Проектная работа здесь носит творческий характер, изобилует решениями, имеющими «волевую» или «вкусовую» окраску, и решениями, продиктованными конъюнктурными соображениями. На этом этапе разработчик стакивается с наибольшим количеством трудностей.

На обоих этапах разработки необходимо тестировать программное обеспечение не только на эмуляторах, но и на «живом» МК, с целью выявления специфических ошибок (неправильная логика работы устройства, ошибки, связанные с эмуляцией). Это требует многократного перепрограммирования МК, что связанно с большой затратой времени (время стирания информации в ПЗУ с ультрафиолетовым, или электрическим стиранием может достигать нескольких десятков минут). Это время можно сократить используя в качестве памяти программ не ПЗУ, а ОЗУ.

Разрабатываемое устройство значительно упростит оба этапа разработки, позволяя отлаживать программное обеспечение непосредственно на «живом» МК и позволит сэкономить время, связанное с записью и стиранием тестируемых программ.

При решении задач об оптимальном распределении функций между аппаратурными средствами и программным обеспечением необходимо исходить из того, что использование специализированных интерфейсных БИС упрощает разработку и обеспечивает высокое быстродействие системы в целом, но сопряжено с увеличением стоимости, объема и потребляемой мощности. Больший удельный вес программного обеспечения позволяет сократить число компонентов системы и стоимость ее аппаратурных средств, но это приводит к снижению быстродействия и увеличению затрат и сроков разработки и отладки прикладных программ. При этом еще может несколько увеличиваться число БИС внешней памяти МК - системы. Решение о выборе того или иного варианта распределения функций между аппаратурными и программными средствами системы принимается в зависимости от тиражности изделия, ограничений по стоимости, объему, потребляемой мощности и быстродействию изделия. Программная реализация основных элементов алгоритма работы контроллера допускает его модификацию путем перепрограммирования. В то время как возможность изменения уже существующей фиксации элементов алгоритма в аппаратуре контроллера практически отсутствует.

После получения объектного кода программы неизбежно наступает этап отладки, т.е. установления факта ее работоспособности, а также выявления и устранения ошибок. Без этого этапа разработки никакое программное обеспечение вообще не имеет права на существование.

Обычно отладка прикладного программного обеспечения осуществляется в несколько этапов. Простые (синтаксические) ошибки выявляются уже на этапе трансляции. Далее необходимо выполнить:

автономную отладку каждой процедуры в статическом режиме, позволяющую проверить правильность проводимых вычислений, правильность последовательности переходов внутри процедуры (отсутствие «зацикливания») и т.п.;

комплексную отладку программного обеспечения в статическом режиме, позволяющую проверить правильность алгоритма управления (по последовательности формирования управляющих воздействий);

комплексную отладку в динамическом режиме без подключения объекта для определения реального времени выполнения программы и ее отдельных фрагментов.

Эти этапы отладки осуществляются обычно с использованием кросс систем. В состав кросс систем входят программы-отладчики, интерпретирующие выполнение программ написанных для МК. Но как бы ни был хорош интерпретатор, он все равно не может полностью заменить реальный МК.

С использованием разрабатываемого устройства можно будет выполнять рассмотренные этапы отладки уже непосредственно на «живом» МК, подключая к нему реальные физические объекты. Эти этапы отладки можно будет объединить со следующими этапами разработки устройства - отладка отдельных фрагментов программного обеспечения на отладочном модуле в режиме реального времени. Можно будет исключить этап комплексной отладки прикладного программного обеспечения на инструментальной микроЭВМ с внутрисхемным эмулятором.

Разрабатываемое устройство должно обеспечить все необходимые возможности, доступные в кросс системах:

доступ к любому ресурсу МК;

пошаговое исполнение программ.

Разрабатываемое устройство позволит промоделировать практически все возможные варианты работы программы и тем самым убедиться в ее работоспособности. Здесь возможна проверка работоспособности программы при нештатных ситуациях в условиях поступления некорректных входных воздействий.

Можно будет моделировать среду обитания МК, т.е. различного рода объекты и датчики, подключаемые к нему.

Это устройство устраняет главный недостаток кросс систем - невозможность прогона программы в реальном масштабе времени, т.е. со скоростью близкой к скорости выполнения программы в самом МК, а также невозможность комплексирования аппаратурных и программных средств разрабатываемой системы. Именно эти причины влияют на достоверность прикладных программ, отлаженных в кросс системах. Эта достоверность, как правило, не достаточно высока.

Задачей данной работы является разработка необходимого программного обеспечения и аппаратных средств сопряжения МК и ПК.

1.1 Постановка глобальных задач

При сопряжении интерфейса RS-232 со входами последовательного интерфейса микроконтроллера MCS-51, необходимо обеспечить согласование уровней сигналов. Стандартный уровень сигналов RS-232C - +12 и -12 В. Стандартный уровень сигналов асинхронного интерфейса микроконтроллера MCS-51 - +5 В.

В зависимости от требований, предъявляемых к проектируемой схеме, преобразователи уровней сигналов могут быть выполнены различными способами.

Приемники и передатчики, выполненные на дискретных элементах имеют ряд недостатков:

большие массогабаритные характеристики;

высокая потребляемая мощность;

недостаточная надежность;

необходимость в дополнительных источниках питания;

стоимость.

Исходя из этих соображений, для организации сопряжения уровней портов ПК и микроконтроллера можно воспользоваться микросхемой ADM202 фирмы Analog Devices. Данная микросхема позволяет согласовать уровни сигналов, не требуя дополнительных источников питания [4].

Микроконтроллер принимает данные через вход приемника (вывод P3.0), а передает данные через выход передатчика (вывод P3.1). Микроконтроллер может запретить прием данных из ПК с помощью сигналов на выводе Р2.6. Это необходимо для сигнализации ПК о приеме ошибочных данных. В свою очередь ПК может запретить передачу данных из микроконтроллера с помощью сигналов на выводе Р2.7.

Рис. 1. Схема подключения микроконтроллера MCS-51 фирмы Intel к портам персонального компьютера.

2.1.4 Выбор источника питания

В зависимости от места установки, источником питания может служить либо блок питания ПК, либо отдельный блок питания, специально предназначенный для данной установки. В связи с тем, что данную установку планируется использовать в компьютерном классе, наиболее оптимальным вариантом является использование блока питания ПК. Напряжение источника питания +5V, необходимое для лабораторной установки, можно взять с внешнего разъема клавиатуры. Подключение контактов этого разъема представлено на рисунке 2.

Реализация подключения потребует изготовления специального переходного кабеля, входящего в состав лабораторной установки.

Рис. 2. Разъем клавиатуры персонального компьютера

2.2 Подключение внешней памяти программ

Как уже отмечалось ранее, для организации обмена информацией между ПК и микроконтроллером целесообразно использовать в качестве внешней памяти программ ОЗУ. ОЗУ позволит быстро и многократно перепрограммировать микроконтроллер, что позволит использовать его как отладочный модуль, или как часто перепрограммируемое устройство управления (например, для управления различными лабораторными установками).

В качестве микросхемы ОЗУ можно использовать микросхему КР537РУ8. Объем памяти данной микросхемы составляет 2К. В связи с тем, что данная установка планируется как УМК в курсе «Микропроцессоры», то этого объема памяти вполне достаточно для размещения программы пользователя, т.к. программы, реализуемые в процессе лабораторных работ, как правило не превышают 100 команд. Объем таких программ не превышает 300 байт.

При записи программы пользователя в память программ, обращение к ОЗУ осуществляется как к памяти данных. Во время работы программы, как к памяти программ.

Подобная организация памяти программ позволит пользователю сделать программу более гибкой. Во время работы программы можно будет без особого труда изменять значение переменных, жестко - зашитых в программе.

Рис. 3. Схема подключения внешней памяти программ к микроконтроллеру.

2.3 Программное сопряжение микроконтроллера и ПК

2.3.1 Начальная установка MCS-51

Инициализация (сброс) микросхемы осуществляется подачей сигнала RST (высокий уровень напряжения) при подключенном кварце. Вход RST - внутренний триггер Шмидта. Состояние RST проверяется в фазе S5P2 каждого машинного цикла. Пока уровень RST высокий, ALE и PME тоже имеют высокий уровень. Их установка происходит после установки «0» на RST. Внутренний алгоритм при подаче сигнала «СБРОС» производит следующие действия:

устанавливает счетчик команд и все регистры специальных функций, кроме портов - защелок Р0 - Р3, указателя стека и регистра SBUF в ноль;

указатель стека принимает значение равное 07Н;

запрещает все источники прерываний, работу таймеров - счетчиков и последовательного порта;

выбирает БАНК 0 памяти данных, подготавливает порты Р0 - Р3 для приема данных и определяет выводы ALE и PME, как входы для внешней синхронизации;

в регистрах специальных функций PCON, IP и IE резервные биты принимают случайные значения;

устанавливает фиксаторы - защелки портов Р0 - Р3 в «1».

Сигнал RST не влияет на внутреннюю память данных микроконтроллера. После включения питания содержимое ячеек внутренней памяти данных принимает случайные значения.

2.3.2 Программное обеспечение организации обмена информацией между МК и ПК