Универсальный одноплатный контроллер на однокристальной ЭВМ

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 развитие получило направление, связанное с выпуском однокристальных ОЭВМ, которые предназначены для "интеллектуализации" оборудова­ния различного назначения. Однокристальные (однокорпусные) ЭВМ представляют собой приборы, конструктивно выполнен­ные в виде БИС и включающие в себя все составные части "голой" микроЭВМ: микропроцессор, память программ и память данных, а так­же программируемые интерфейсные схемы для связи с внешней средой. Использование ОЭВМ в системах управления обеспечи­вает достижение исключительно высоких показателей эффективности при столь низкой стоимости (во многих применениях система может состоять только из одной БИС ОЭВМ), что ОЭВМ, видимо, нет разумной альтернативной элементной базы для по­строения управляющих и/или регулирующих систем. К настоящему времени более двух третей мирового рынка микропроцессорных средств составляют именно однокристальные ЭВМ.

Отечественная микроэлектронная промышленность освоила широ­комасштабный выпуск однокристальных ЭВМ, по суще­ству представляющих собой особый класс вычислительной 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 разрабатываться большие и мощные ЭВМ. И вот в середине 60-х годов появился новый класс вычислительных машин – однокристальные 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 научным экспериментом, необходимо вводить и выводить специальные сигналы, учитывать течение времени, реагировать на случайно происходящие события.

Вместе с этим, есть то минимальное ядро, без которого аппаратура еще не ЭВМ. Эти компоненты уже давно 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 кристалле 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 электрически совместимы с элементами ТТЛ, входы представляют собой единичную нагрузку, а выходы могут быть нагружены одной ТТЛ-нагруз­кой.

Структурная схема МК48 показана на рисунке 1. Основу структуры МК образует внутренняя двунаправленная 8-битная шина, которая связывает между собой все устройства БИС: арифметическо-логическое устройство (АЛУ), устройство управления, память и порты ввода/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 кор­пусе 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 вы­хода.

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) функ­ций обмена информацией со средой.

2.2. ОЭВМ серии 1816.

Структуры ОЭВМ серии 1816 и их команд таковы, что в случае необходимости функционально-логические воз­можности могут быть расширены. С использование внеш­них дополнительных БИС постоянной и оперативной па­мяти адресное пространство может быть значительно расширено, а путем подключения различных интерфейсных БИС число линий связи ОЭВМ с объектом управления мо­жет быть увеличено практически без ограничений.

ОЭВМ серии 1816 требуют одного источника электро­питания напряжением +5В ± 10%, рассеивают мощность около 1,5 Вт и работают в диапазоне температур от 0 до 700
С. по входам и выходам серии 1816 электрически совместимы с интегральными схемами ТТЛ.

ОЭВМ МК 48 может работать в диапазоне частот син­хронизации от 1 до 6 МГц, а минимальное время выпол­нения 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 опе­раций в секунду.

Из такой краткой характеристики однокристальных ЭВМ серии 1816 видно, что эти приборы обладают значи­тельными функционально-логическими возможностями и представляют собой эффективное средство компьютериза­ции (автоматизации на основе применения средств и ме­тодов обработки данных и цифрового управления) разно­образных объектов и процессов.

Семейство ОЭВМ серии 1816 имеет в своем составе различные модификации, отличающиеся друг от друга признаками: частота синхронизации, ёмкость резидент­ной 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; подклю­ченными к системной магистрали;

обработка операндов;

обр
аботка пр
ер
ываний от клавиатуры и уст­ройств пользователя, подключенных к разъ­ему порта ввода-вы­вода.

Процессор является единственным активным устрой­ством ОЭВМ, управляющим циклами обращения к системной магистрали и обрабатываю­щим пре
рывания от пассивных устройств, которые могут посылать или принимать ин­формацию только под управлением про
цессора.

МК 35 работает в БК
с так­товой частотой 3 МГц и содержит следующие основные функциональные блоки :

16-разрядный операцион
ный блок, служащий для фор­мирования адресов команд и операндов, выполнения ло­гиче
ских и арифметических операц
ий, хранения операн­дов и результатов;

блок микропрограммного управле
ния,
вырабатывающий последователь
ность микрокоманд, соотв
етствующу
ю коду принятой ма
шинной команды. Этот блок построен на базе программируемой логической матрицы (ПЛМ).
с
одержащей 250 логических произведений;

блок прерываний, организующий приоритетную сис­тему прерываний (
прием и п
редварительная обработка внешних и внутренних запросов на прерывание);

интерфейсный блок, о
беспечивающий об­мен информа­цией между микропроцессором ром и прочими устройст­ва
ми, под
ключе
н­ными к систе
мной магистрали. Этот же, блок ос
уществляет арбитраж при операциях прямого дос­тупа к
па
мяти, формиру
ет

последовательность. управляющих сигналов:

блок си
сте
мной магистрали, связывающий внутреннюю магистраль однокристального микропроцессора с внеш­ней,
управляю­щий усилителями приема и передачи ин
фор­мации на совмещенные выводы адресов и данных;

схема тактирования, обеспечивающая синхронизацию работы внутренних блоков микропроцессора.

Система команд, реализованная в ПЛМ блока микро­программного 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 приня­той для компьютеров серии DEC. Предусмотрен также ряд специальных команд, предназначенных для работы с сис­темным ПЗУ К1801РЕ1.

Общие характеристики ОЭВМ МК35 представлены в таблице 1.

табл. 1

Представление чисел	В дополнительном коде с фиксиро­ванной запятой
Виды команд	Безадресные, одноадресные, двух­адресные
Виды адресации	Регистровая, регистровая косвен­ная, автоинкрементная, автоин­крементная косвенная, автодекре­ментная, автодекрементная кос­венная, индексная, индексная косвенная
Количество регистров общего зна­чения	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 показы­вает, что МК 48 и МК 51 целесообразно использовать на этапе опытно-конструкторской разработки и отладки систем, а также в малосе­рийных изделиях. Однокри­стальное ЭВМ МК49 имеет масочное ПЗУ программ, и по­этому его следует применять в крупно-серий­ных изделиях. ОЭВМ, в которых нет резидентной памяти про­грамм, используют, как правило, не в конечных изде­лиях, а в автономных отладочных устройствах и много­функциональных 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 мик­ропроцессора типа К1810ВМ86 представлены следующими сериями ЕС 1840, ЕС 1841, ЕС 1842, «Искра 1030», «Ис­кра 1030М», «Нейрон И9.66» и относятся к классу 16 разрядных. В них получил дальнейшее развитие программно-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 увели­чен объем оперативной и внешней памяти. Схемотехниче­ские решения позволяли адресовать до 16 Мбайт опера­тивной памяти. Для обнаружения ошибок в модулях па­мяти применялись средства коррекции ошибок по коду Хемминга.

Значительно были расширены возможности организа­ции внешней памяти на дисках. Наряду с гибкими мини-дисками (диаметром 133 мм) применялись жесткие диски типа «винчестер» емкостью 14 … 160 Мбайт, что позво­ляло строить достаточно мощные базы данных. В составе периферийных устройств использовались дисплеи, печа­тающие 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 операцион­ных систем СР/М-86 и MSDOS.

универсальная 16-разрядная ОЭВМ СМ1810 предназна­чена 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 расшире­нии магистрально-модульной структуры 8 разрядных мо­делей СМ1800 и обеспечении аппаратной и программной совместимости с ними. Это позволяет использовать в СМ1810 средства передачи данных, УСО и другие устрой­ства, разработанные для СМ1800. модуль центрального процессора МЦП-16 является основным компонентом СМ1810, обрабатывает логическую и арифметическую ин­формацию, 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. Мо­дуль МЦП-16 обеспечивает непосредственное подключение ПУ, печатающих устройств и дисплея, не занимая интер­фейса И41, а в случае автономного применения может выполнять функции локальной микроЭВМ

ОЭВМ СМ1814 представляет собой вариант СМ1810 для использования в промышленных производствах с ограни­ченным доступом обслуживающего персонала, главным об­разом 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, пе­чатающее устройство с интерфейсами ИРПС/С2). ОЭВМ СМ1814 содержит в основном УСО в промышленном испол­нении, блок ввода сигналов низкого уровня, термомет­ров сопротивлений и термопар СМ9306 и блок формирова­ния 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 графической 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 ад­ресацией 256 байт на страницу и схемой выбора ОЗУ;

— схемы управления записью-чтением внешних устройств;

— 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 синхронизировать работу ЭВМ и остальных узлов микроконтроллера. 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; устанавливает порт BUSв высокоимпедансное состояние, а порты Р1 и Р2 – на режим ввода; выбирает банк регистров 0 и банк памяти 0; запрещает прерывания; останавливает таймер и выдачу синхросигнала на вывод Т0; сбрасывает флаг переполнения таймера и флаг пользователя.

Регистр-защелка фиксирует байт адреса внешнего ЗУ, передаваемый по шине данных. Подключение БИС памяти программ и данных особенностей не имеет. Логическая 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 вызове подпрограмм содержимое счетчика команд и старшей тетрады ССП сохраняется в стеке.

Порт ввода/вывода BUS представляет собой двунаправленный буфер с тремя состояниями и предназначен для побайтного ввода, вывода или ввода/вывода информации.

4.Выбор элементной базы

Характеристики ИМС: Рпотр = 2640 мВт: tвыбор = 750 нс. Выводы: 20 – общий: 40 – питание.

Для создания схемы электрической принципиальной универсального одноплатного микроконтроллера в курсовом проекте используются интегральные микросхемы серий КР1816, КР580, КР573. Серия КР580 представлена микросхемами, имеющими большое функциональное значение в схеме электрической принципиальной центрального процессора.


Однокристальная ЭВМ представлена БИС КР1816ВЕ35. Серия КР1816 разрабатывается по n-МДП технологии. ОЭВМ КР1816 предназначена для использования в качестве микроконтроллера для которого требуются короткие программы отладки программ управления на стадии разработки 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 нестробированный ввод/вывод информации по параллельным каналам связи, сбор данных с внешних измерительных устройств и (или) управление исполнительными устройствами.

Рис. 3.

Характеристики ИМС: Рпотр = 680 мВт: tвыбор = 110 нс.

Микросхема КР580ВВ55А — программиру­емое устройство ввода/вывода параллельной информации, применяется в качестве элемен­та ввода/вывода общего назначения, сопря­гающего различные типы периферийных уст­ройств с магистралью данных систем обра­ботки информации. Условное графическое обозначение микро­схемы приведено на рис. 3. Назначение выводов приведено в та

блице 2.

Обмен информацией между магистралью данных систем и микросхемой КР560ВВ55А осуществляется через 8-разрядный двунаправ­ленный трехстабильный канал данных (
D).
Для связи с периферийными устройствами ис­пользуются 24 линии вводам/вывода, сгруппи­рованные в три 8-разрядых канала ВА, ВВ, ВС,
направление передачи информации, и ре­жимы работы которых определяются програм­мным способом.

Характеристики ИМС: Рпотр =420 мВт: tвыбор =50 нс. Выводы: 12 – общий: 24 – питание.

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 последовательного интерфейса.

Условное графическое обозначение представлено на рис.4.

Микросхема КР580ВИ53 — трехканальное программируемое устройство (таймер), пред­назначено для организации работы микропро­цессорных систем в режиме реального времени. Микросхема формирует сигналы с различными 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 произвольном порядке путем ввода управляющих слов в ре­гистры режимов каналов, а в счетчики—запро­граммированного числа байтов.

Характеристики ИМС: Рпотр = 630 мВт: tвыбор = 50 нс. Выводы: 20 – общий: 40 – питание.

Рис. 5.

Управляющее слово определяет режим ра­боты канала, тип счета (двоичный или двоично-десятичный), формат чисел (одно- или двух­байтовый).

Обмен информацией с микропроцессором осуществляется по 8-разрядному двунаправленному каналу данных.

Контроллер клавиатуры и индикации обслуживает индикаторное табло, опрашивает органы управления или состояния датчиков. Контроллер построен на ИМС КР580ВВ79.

Микросхема КР580ВВ79 – программируемое устройство, может применяться и как самостоятельное устройство при выполне­нии требований, предъявляемых к электриче­ским и временным параметрам. Условное графическое обозначение представлено на рис.5.

Микросхема состоит из двух функциональ­но автономных частей: клавиатурной и дисп­лейной.

Характеристики ИМС: Рпотр =840 мВт: tвыбор =45 нс. Выводы: 10 – общий: 20 – питание.

Рис. 6.

Клавиатурная часть обеспечивает ввод ин­формации в микросхему через «линии возвра­та» RET7—
RETO с
клавиатуры (клавиатурная матрица объемом 8 слое Х 8 разрядов с воз­можностью расширения до 4Х8 слов Х 8 раз­рядов) и матрицы датчиков (8 слов Х 8 раз­рядов), а также ввод по стробирующему сиг­налу (8 слов Х 8 разрядов). Для хранения вводимой информации в микросхеме преду­смотрен обратный магазин — оперативное за­поминающее устройство (ОМ—ОЗУ) емкостью 8 байт Микросхема позволяет отображать инфор­мацию на всех известных в настоящее время типах дисплеев (дисплеи накаливания, 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 микропроцессоров КР580ВМ80А и КМ1810ВМ86.

	Характеристики ИМС: Рпотр =580 мВт: tвыбор =450 нс. Выводы: 12 – общий: 24 – питание.

Применение микросхемы КР580ВВ79 в си­стемах позволяет 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 регистр, предназначе­н для связи микропроцессора с системной шиной; обладает повышенной нагрузочной способностью. Микросхема КР580ИР82 — 8-разрядный регистр-«защелка» без инвер­сии и с тремя состояниями на выходе.

Условное графическое обозначение микро­схем приведено на рис. 6.

Характеристики ИМС: Рпотр =500 мВт. Выводы: 4, 12 – общий.

Рис. 8.

Микросхема состоит из восьми одинаковых функциональных блоков и схе­мы управления. Блок содержит D-триггер-«защелку» и мощный выходной вентиль без инверсии или с инверсией. При помощи схе­мы управления производится стробирование записываемой информации и управление третьим состоянием мощных выходных вен­тилей.

Характеристики ИМС: Рпотр =250 мВт: tвыбор =30 нс. Выводы: 7 – общий: 14 – питание.

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. интерфейс обладает высокой помехозащищенностью. МК насчитывает три канала по восемь линий ввода-вывода без стробирования или два канала по восемь линий со стробированием. Предусмотрено пять лини запросов прерываний.

ОЭВМ исполняет программу, записанную в памяти программ и формирует все необходимые сигналы управления обменом данными с внешним ОЗУ и периферийными БИС. Порты периферийных БИС адресуются как ячейки внешней памяти данных. Для разделения операций с памятью данных и портами используется разряд А10 адреса (вывод Р22 КР1816 ВЕ35). Внешние схемы тактового генератора и формирования сигнала «сброс» обеспечивают правильную последовательность сброса периферийных БИС и ОЭВМ. Регистр защелка фиксирует байт адреса внешнего 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 соотношениями, 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 сформирован 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 аналогичный интерфейс.

Адаптер параллельного интерфейса КР580ВВ55 обеспечивает 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 интервалов или подсчета числа событий. Один из счетчиков микросхемы служит для задания тактовой частоты приемника и передатчика адаптера последовательного интерфейса.

Контроллер клавиатуры и индикации обслуживает индикаторное 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 одноплатного 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 регистра адреса.

При высоком уровне сигнала STB
и низком сигнала ОЕ
микросхемы работают в режиме шинного формирователя:

информация на выходах Q повторяет­ся или инвертируется по отношению к вход­ной информации D.
При переходе сигнала STB
из состояния высокого уровня в состоя­ние низкого уровня происходит «защелкива­ние» передаваемой информации во внутрен­нем триггере, и она сохраняется до тех пор, пока на входе STB
присутствует напряжение низкого уровня. В течение этого времени из­менение информации на входах D
не влияет на состояние выходов Q.
При переходе сигнала STB
вновь в состояние 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 независимо от входных сигна­лов STB
и D.
При возвращении сигнала ОЕ
в состояние низкого уровня выходы Q,
пе­реходят в состояние, соответствующее внут­ренним триггерам.

При обращении к внешнему устройству микропроцессор в начальный период цикла выполнения микрокоманды выдает на мест­ную шину адрес этого устройства, который 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 будет выполнен согласно схемы электрической принципиальной, 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
=
I
потр

*
U
и.п.

(7.1)

где Iпот

р
– ток потребления;

U
и.п.

– напряжение источника питания.

Расчитаем значение потребляемой мощности всех элементов схемы электрической принципиальной по формуле:

(7.2)

где Рпотр.1
–мощность, потребляемая ИМС D1.

Значенияпотребляемой мощности ИМС, и их количество указано в таблице 7.1.

7.2. Расчет быстродействия

Расчитаем быстродействие схемы, показаной в графической части лист 1 Э3 по самой «длинной» цепочке: D1, D2

Вычисление быстродействия осуществляется по формуле:

t
быстр
=
t
здр.
i
+ … +
t
здр.
i+1
(7.3)

где t
здр.
i
– время задержки сигнала i-ой ИМС.

Из пункта 4 пояснительной записки выбираем значения времени задержки указанных микросхем и подставляем их в формулу (7.3)

8. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ

Рассмотрим конструкцию универсального одноплатного микроконтроллера на однокристальной ЭВМ, показанной в графической, части лист Э7. Разработка конструкции будет выполняться согласно схемы электрической принципиальной, показанной в графической части лист Э3.

Микроконтроллер расположен на двухсторонней печатной плате размером 120*180 мм. Масса микроконтроллера - не более 0,8 кг. При описании конструкции необходимо рассмотреть основные характеристики материалов 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 шагом позиций выводов корпусов ИМС. Класс точности изготовления 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 методом. Для получения защитного рисунка используют метод фотопечати с негативным фоторезистом. Монтаж­ные отверстия 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 металлизированных отверстий равен 0,8мм.

Микросхемы на печатной плате располагаются ли­нейно - многорядно. Корпуса ИМС со штыревыми выво­дами устанавливаются только со стороны печатной пла­ты.

Монтаж производится с зазором 1-2мм. Величина выступающей части вывода с обратной стороны платы 0,5-1,5мм. Выводы дискретных элементов перед монта­жом формуются, лудятся и обрезаются. Монтаж осуществляется с помощью припоя ПОС61 ГОСТ 21931-76. Диаметр отверстий от 2мм до 3мм. Рас­стояние между корпусами дискретных элементов не ме­нее 1мм, расстояние между ними по торцу 1,5мм. Техни­ческие требования по объемному монтажу по ОСТ 410.054.

Для защиты от воздействия внешней среды печат­ную плату покрывают лаком УГ-231 ТУ6-10-263-84 С1-9 (толщина слоя 35-100 мкм).

Маркировать обозначение печатной платы и первых контактов разъема методом травления, остальное крас­кой 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 конст­рукции.

- относительная влажность воздуха в рабочем со­стоянии должна быть не более 80%.

- запрещается эксплуатировать микроЭВМ в помещениях 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 устрой­ства.

Расстановка и крепление транспортной тары с упакованными ОЭВМ в транспортных средствах должны обеспечивать устойчивое положение транспортной тары и отсутствие ее перемещения во время транспортирования.

При транспортировании должна быть обеспечена защита транспортной тары с упакованной ОЭВМ от атмосферных осадков.

9.МЕТОДИКА ПРОВЕРКИ

Рассмотрим методику проверки универсального одноплатного микроконтроллера на однокристальной ЭВМ, схема электрическая принципиальная которого представлена в графической части, лист 2 ЭЗ.

Перед началом выполняемых работ необходимо произвести визуальный осмотр конструкции, убедиться в отсутствии механических повреждений печатной платы и элементов. Затем необходимо проверить правильность установки элементов в соответствии со схемой располо­жения, представленной в графической части лист 5 Э7. Убедиться в наличии заземления и исправности кабелей аппаратуры комплекса куда встроена ОЭВМ.

Убедившись в отсутствии выше указанных повреждений следует приступить к проверке основных техниче­ских характеристик микропроцессора.

Установить переключатели сетевого питания аппаратуры в положение, соответствующее отключенному состоянию. Подключите к сети 220В 50Гц с помощью кабелей сетевого питания аппаратуру комплекса. При отключенном разъеме системного канала микропроцессора включите аппаратуру комплекса, проверьте ее работоспособность, а также значение питающих напряжений микропроцессор на соответствие допустимым отклонениям и затем отключите ее с помощью переключателей. Подключите микропроцессор в состав комплекса. Устранение дефектов монтажа, а также замену неисправных элементов необходимо производить маломощным паяльником, рассчитанным на напряжение не более 12В. Для защиты ИМС от статического электричества необходимо заземлить 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 задержки, указанным в пункте 4 пояснительной записки.

Затем с помощью мультиметра Ц4360 или аналогичного 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 про­верить правильность работы узлов с помощью осцилло­графа С1-70. Диаграммы снятые с блока ОЗУ и с регистра-заглушки должны соответствовать диаграммам, представленным в графической части лист 4 ДВ.

Правильно собранное устройство не требует на­стройки и начинает работать сразу после включения.

10. ВЫВОД

Во время выполнения курсового проекта по схеме электрической функциональной я разработала схему электрическую структурную, представленную в гра­фической части лист 1 Э1, разработал схему электриче­скую принципиальную, показанную в графической части лист 2 ЭЗ. Разработка схемы электрической принципиальной также включала в себя разработку блока индикации состояния ПЗУ и системы контроля выборки ОЗУ. Затем на блок индикации и систему контроля были разработаны диаграммы временные, показанные в графической части лист 5, 6 ДВ.

По схеме электрической принципиальной были рассчитаны электрические параметры устройства. После выполнения расчетов были получены следующие значения:

После этого была разработана методика проверки работоспособности схемы электрической принципиальной. В завершение, на основании схемы электрической принци­пиальной, была разработана схема расположения эле­ментов, которая выполняется согласно описанию конст­рукции, в которую можно внести некоторые изменения:

1). Вместо ИМС серии К155 можно применить мик­росхемы серии К531, что увеличит быстродействие уст­ройства, но увеличит потребляемую мощность, или мик­росхемы серии К555, что уменьшит быстродействие уст­ройства, но уменьшит и потребляемую мощность.

2). Вместо двухсторонней печатной платы, основани­ем которой служит стеклотекстолит, можно использовать многослойные печатные платы, конструкция которой аналогична двухсторонней печатной плате.