Работа представляет собой разработку универсального контроллера с микропроцессором архитектуры ARM в его основе. В работе рассмотрены такие проблемы, как проектирование архитектуры контроллера, выбор электронных компонентов, проектирование электрической схемы, разработка ПО для контроллера и отладка с использованием отладочной платы. Рассмотрена целесообразность использования контроллера в системах наподобие автоматизации зданий или в учебных целях, для которых предусмотрена возможность программной или аппаратной симуляции реальных объектов автоматизации.

This work represents developing of universal controller with ARM architecture microprocessor in its core. Work includes topics such as projecting architecture of controller, choosing electronic components, electric circuit design, developing software for a controller and testing using development board. Considered feasibility of using developed controlled in applications such as home automation or with studying purposes for which it can support program-based or circuit-based simulation or real manufacturing objects.

• На сегодняшний день существует немало средств автоматизации как промышленных, так и других объектов. К ним относятся и промышленные контроллеры, разрабатываемые с учётом реалий производства и способные работать стабильно даже в жёстких условиях.
• Для бытовой автоматизации и в качестве учебных средств могут быть использованы отладочные платы Arduino и совместимые с ними. Для таких плат существует интуитивно понятная программная оболочка и множество готовых модулей. Однако, несмотря на удобство этих средств для учебных и отладочных целей, они не могут обеспечивать стабильной работы из-за их модульной структуры.
• До сих пор сложно выделить средства, обладающие как универсальностью, так и доступностью. В связи с этим возникает необходимость создания средств на основе микроконтроллеров, которые позволили бы приступать к изучению автоматизации производства с использованием доступных средств разработки на примере реальных объектов, имитируемых программно или аппаратно.
• Для данной цели могут быть использованы устройства на основе микропроцессоров ARM, поддерживающие различные средства разработки, такие как Keil uVision, IAR и др. Для использования данных микропроцессоров не возникает необходимость изучения языков стандарта МЭК 61131 и синтаксиса языков конкретных производителей контроллеров, так как ARM поддерживает широко используемые языки C и Assembler.
• Разработать универсальный контроллер на базе отладочной платы ARM. Функциональная схема контроллера представлена на рис.1.1.
• Для индикации используется ЖКИ 16x2 со встроенным контроллером экрана HD44780. Используется 8 контактов для передачи строба данных и 3 бита для настроек. Данные передаются из контроллера в ЖКИ параллельно, без использования сдвиговых регистров.
• Блок-схема основных этапов работы программы представлена на рис.3.1.
• Программная часть включает в себя: опрос входов и выходов (управление работой сдвиговых регистров, запись в память, чтение из памяти), индикация (чтение переменных из памяти, преобразование их в код и передача соответствующего строба данных в контроллер ЖКИ), ШИМ (использование таймеров-счётчиков), опрос инкрементного датчика (использование внутренней логики и таймера-счётчика).
• Программная часть реализуется в среде Keil uVision 5. В среде создаётся проект для процессора STM32F405RGTx. При создании создаётся два файла — startup_stm32f405xx.s и system_stm32f4xx.c.
• 1. Опрос дискретных входов.
• Временная диаграмма опроса дискретных входов представлена на рис. 3.2.
• Пока на вход CE сдвигового регистра подаётся высокий уровень сигнала, вход CP неактивен, и соответственно, побитовый сдвиг не происходит. Независимо от входов CE и CP, когда на PL поступает сигнал высокого уровня, данные с входов параллельно записываются в регистр. Далее, когда CE низкий, происходит сдвиг с каждым фронтом сигнала CP.
• 2. Задание дискретных выходов.
• Временная диаграмаа задания выходов представлена на рис. 3.3.
• При подключении контроллера на вход MR подаётся низкий уровень сигнала и состояние сдвигового регистра сбрасывается. С каждым фронтом сигнала на входе SHCP в бит Q0 сдвигового регистра записывается значение бита на последовательном входе DS и происходит побитовый сдвиг (Q0 → Q1 → Q2 и т. д.). После загрузки 8 бит, на вход STCP подаётся высокий уровень сигнала и данные из сдвигового регистра записываются в регистр выхода.
• 3. Опрос аналоговых входов.
• АЦП поддерживает трёх- или четырёхпроводной интерфейс SPI, совместимый с интерфейсами QSPI и MICROWIRE. АЦП взаимодействует в режиме SPI, если на вход CS подаётся низкий уровень сигнала. В этом режиме данные передаются из компонента при спаде сигнала и попадают в компонент при фронте сигнала SCLK.
• Временная диаграмма показана на рис. 3.4.
• 4. Задание аналоговых выходов.
• Входной сдвиговый регистр имеет разрядность 16 бит. Данные передаются как 16-битное слово синхронно с тактовым сигналом. 16-битное слово состоит из четырёх управляющих бит и 12 бит данных. Первым передаётся старший бит (15). Первые два бита определяют, какой из каналов будет задействован. Биты 13 и 12 являются управляющими. Бит 13 задаёт параметр GAIN, определяющий диапазон выходных напряжений. Бит 12 определяет параметр BUF, определяющий, будут ли использоваться выходные буферы ЦАП.
• Для инициации передачи данных, необходимо перевести сигнал SYNC в низкий уровень. Данные передаются с каждым спадом сигнала SCLK. В случае активации автономного режима (DCEN=0), все биты данных и тактового сигнала после 16 спада игнорируются и последовательные данные не передаются до тех пор, пока SYNC не будет выставлен в «1», а затем снова в «0».
• Временная диаграмма приведена на рис. 3.5.
• 5. Обновление информации на ЖКИ.
• Для работы с ЖКИ написан следующий псевдокод.
• В данной работе был разработан универсальный контроллер с процессором с архитектурой ARM.
• В состав контроллера была включена вся необходимая периферия. Схема гальванически изолирована от силовой части, что повышает надёжность контроллера и позволяет ему работать от промышленных источников питания.
• Для некоторых компонентов были проведены необходимые рассчёты электрических величин — напряжений, токов, рассеиваемой мощности.
• В периферию контроллера был включён прецизионный 24-битный АЦП, что позволяет использовать контроллер для высокоточных измерений сигналов до ±10 В.
• Контроллер может использоваться в бытовой автоматизации, в системах автоматизации зданий («умный дом»). Также контроллер может быть использован в учебных целях для программного или аппаратного (с использованием сторонних схем) моделирования реальных промышленных объектов.
• Схема контроллера может быть упрощена для использования в более простых задачах, или доработана для применения в более сложных.
• Некоторые компоненты, при отсутствии в продаже или необходимости использования дополнительных функций (таких, как Ethernet или интерфейса камеры) могут быть заменены на аналогичные. В частности, микроконтроллер STM32F405RGT может быть без проблем заменён на STM32F407VGT, так как последний обладает большим функционалом и имеет схожую стоимость.
• Приложение 1
• Список компонентов
• Приложение 2
• Назначение выводов контроллера