Разработка архитектуры, принципиальной схемы и конструкции специализированного микроконтроллера

Введение

 

Микропроцессорные интегральные схемы (МП ИС) и микро-ЭВМ, построенные на их основе, явились следствием бурного развития микроэлектроники, позволившего в одном кристалле полупроводника размещать сложные вычислительные структуры, содержащие десятки тысяч транзисторов. Изготовление больших интегральных схем (БИС) сопряжено с трудоемкой работой по разработке схем, фотошаблонов и подготовкой производства и служб контроля технологических параметров и характеристик БИС. Снижение себестоимости БИС возможно лишь при максимальной автоматизации этапов, предшествующих их изготовлению, и массовости производства.

Массовое производство БИС предполагает широкий спрос потребителя, а следовательно, возможность ее использования для большого круга решаемых задач. Микропроцессорные БИС (МП БИС) представляют тот класс интегральных схем, который сочетает в себе высокую степень интеграции, обеспечивающую огромные функциональные возможности, с большой универсальностью по применению.

Целями курсового проекта являются:

- изучение методики проектирования микропроцессорных систем от технического задания до рабочих чертежей;

- углубление знаний полученных в теоретических курсах;

- получение навыков внедрения теоретических знаний в практические применения.

Основной задачей курсового проекта является разработка архитектуры, принципиальной схемы и конструкции специализированного микроконтроллера, выполняющего функции, определенные заданием, на базе заданных технических средств.

Исходные данные для проекта

 

1.  Базовый восьмиразрядный микроконтроллер.

2.  Оперативные периферийные устройства: индикаторы семисегментные (10 знакомест), клавиатура (16 клавиш), внешние прерывания (3 линии).

3.  Внешние устройства: входное АЦП (7 каналов, 12 разрядное, В);

выходное ЦАП (1 канала, 10 разрядное, В).

4.  Интерфейс для связи с дополнительными внешними устройствами .

5.  Схема сопряжения с фотоимпульсным датчиком углового положения ФИ.

1 Описание функциональной схемы

 

На рисунке 1 представлена функциональная схема микроконтроллера с внешними устройствами.

Рисунок 1 – Схема электрическая функциональная микроЭВМ

Микропроцессорная система включает в себя:

1.  Микроконтроллер AT89C5131A-L

2.  Контроллер клавиатуры и индикации КР580ВВ79.

3.  1-канальный10-разрядный цифро-аналоговый преобразователь с интерфейсом SPI MAX503

4.  8-канальный 14-разрядный аналого-цифровой преобразователь с интерфейсом SPI AD7949.

5.  Схема сопряжения с фотоимпульсным датчиком.

AT89C5131A-L – высокопроизводительная версия 8-разрядного однокристального микроконтроллера 80C51 с флэш-памятью и функциями полноскоростной USB-связи.

Микроконтроллер имеет:

- высокопроизводительное микропроцессорное ядро C51 совместимое со стандартом 8051.

-аппаратно реализованные последовательные интерфейсы I²С, SPI и интерфейс USB

- 34 цифровых входа/выхода

- две линии внешних прерываний.

Микроконтроллер имеет встроенную схему слежения за напряжением питания, сторожевой таймер, тактовый генератор и представляет собой функционально законченную систему на одном кристалле. Все аналоговые и цифровые периферийные модули могут включаться/отключаться и настраиваться программой пользователя.

Контроллер клавиатуры-дисплея (ККД) КР580ВД79 обеспечивает обслуживание клавиатуры (сканирование клавиатуры, и выдача сигнала процессору, при нажатии клавиши) и обслуживание индикаторов (обеспечивается подключение 10 семисегментных индикаторов и регенерацию изображения в динамическом режиме).

В качестве индикатора используется 10 семисегментных индикаторов АЛС348А. Подключается к МК через контроллер клавиатуры/дисплея.

Клавиатура 2×8 (16 клавиш) подключается к МК также через контроллер клавиатуры/дисплея.

Для связи с внешними используется встроенный последовательный интерфейс I²С.

Для обеспечения подключения 12-разрядного ЦАП MCP4921 и 14-разрядного АЦП AD7949 используется встроенный в микроконтроллер последовательный SPI интерфейс.

Для организации трёх клавиш прерывания и прерываний от внешних устройств используется логическая схема расширения прерываний, которая подаёт сигнал прерывания на вход порта Р3.1 и Р3.2 при нажатии одной из клавиш прерывания.

2 Разработка принципиальной схемы

 

В полную принципиальную схему контроллера, кроме описанного выше блока процессора, входят ЦАП, АЦП, клавиатура, индикаторы.

2.1 Описание микроконтроллера

AT89C5131A-L содержит следующие компоненты: 32 кбайт флэш-памяти с поддержкой внутрисистемного программирования через интерфейс USB, 3 кбайт флэш-памяти для загрузочной программы, 1 кбайт ЭСППЗУ для хранения данных, 256 байт ОЗУ, встроенное ОЗУ расширения (ERAM) 1024 байт, встроенная схема контроля питания (сброс при подаче питания/определение снижения напряжения питания), полноскоростной модуль USB, совместимый с требованиями USB1.1 и USB 2.0, 34 линий ввода-вывода общего назначения, байт-ориентированный 2-проводной последовательный интерфейс TWI, последовательный порт SPI (режим ведущий/подчиненный), режимы холостого хода и снижения мощности, расширенный диапазон напряжения питания: 2.7-5.5В.

AT89C5131A-L поддерживает два программно-управляемых режима со сниженной активностью, позволяющие снизить уровень потребления. В режиме холостого хода прекращает работу ЦПУ, а таймеры, последовательные порты и система прерываний продолжают функционировать. В режиме снижения мощности сберегается содержимое ОЗУ и останавливается синхронизация периферийных устройств, а возобновление работы микроконтроллера возможно при возникновении событий USB или внешних прерываний.

Микроконтроллер выпускается по технологии высокоплотной энергонезависимой памяти компании Atmel. Механизм программирования встроенной флэш-памяти позволяет перепрограммировать ее внутрисистемно через последовательный интерфейс SPI с помощью обычного программатора энергонезависимой памяти или с помощью встроенной загрузочной программы, выполняемой ядром AVR. Загрузочная программа может использовать любой интерфейс для загрузки программного кода во флэш-память. За счет разделения флэш-памяти на загрузочный сектор и сектор прикладной программы поддерживается действительная возможность чтения во время записи, когда загрузочный код продолжает исполняться и выполняется обновление сектора прикладной программы.