1. Структура аппаратных средств.
2. Одноплатный микроконтроллер "Электроника МС 2702" (Электроника К1-20 ).
3. Однокристальные микроконтроллеры семейства МК-51 (МСS-51)
4. Однокристальный микроконтроллер SAB 80515.
1. Архитектура микроконтроллера.
2. Особенности внутрикристальной периферии. Таймер 2
3. Аналого - цифровой преобразователь.
4. Структура системы прерываний контроллера SAB80515.
5. Однокристальный микроконтроллер 8ХС196МС.

На рис. 2.1 показана функциональная схема трехконтурной электромеханической микропроцессорной системы, имеющей обратные связи по току, скорости и положению.
Система условно может быть разбита на три функциональных блока: микроконтроллер, устройство сопряжения с объектом и силовой электромеханический блок.

Микроконтроллер можно разделить на две части - вычислитель (ВЧС), включающий микропроцессор (CPU), ОЗУ (RAM) и ППЗУ (EPROM) и периферийные устройства, наиболее типичными из которых являются параллельные порты ввода-вывода, таймеры и контроллер прерываний.
УСО обычно содержит оптронные развязки, АЦП с коммутатором и масштабирующими усилителями, датчик тока, преобразователь положения (фазометр) и пр.
Силовой блок содержит вентильный преобразователь (транзисторный или тиристорный), исполнительный двигатель (ДПТ), датчик скорости - тахогенератор и датчик положения, в качестве которого обычно применяется фотодатчик или СКВТ.
В зависимости от степени интеграции микросхем аппаратура микроконтроллера и УСО может быть реализована в виде различных наборов. При недостаточно большой степени интеграции применяемых БИС и СИС, например, при использовании серии КР580, микроконтроллер представляется в виде отдельной платы, а при более высокой степени интеграции в одном корпусе содержатся как вычислительная часть контролера, так и его периферийные устройства (так называемая однокристальная микроЭВМ), а зачастую и элементы УСО - многоканальные АЦП, преобразователи сигналов датчика положения и специальные генераторы управления вентильными преобразователями.

2.2 Одноплатный микроконтроллер "Электроника МС 2702" (Электроника К1-20 ).

Контроллер, упрощенная структурная схема которого показана на рис. 2.2, состоит из следующих функциональных узлов:
       - центральный процессор - 1;
       - устройства памяти - 2,3;
       - контроллер прерываний - 4;
       - устройства параллельного ввода-вывода 5,6;
       - таймер - 7;
       - устройство последовательного ввода-вывода - 8;
       - пульт управления - 9.
Вычислительная часть контроллера содержит микропроцессор К580ИК80, ОЗУ КР565РУ2 объемом 1 Кбайт, ППЗУ пользователя объемом 12 Кбайт на основе микросхем К573РФ5. Распределение адресного пространства памяти приведено в таблице 2.1.

Распределение пространства адресов ввода-вывода приведено в табл. 2.2.
Контроллер МС 2702 имеет пульт управления (ПУ), связанный с системной магистралью через параллельный порт К580ВВ55 и содержащий клавиатуру и цифровую индикаторную панель. С помощью пульта управления и резидентного программного обеспечения (монитора), хранящегося в постоянной памяти, можно выполнять команды чтения и записи информации в ОЗУ и регистры ПУ, а также осуществлять запуск и трассировку программ пользователя, что позволяет создавать и отлаживать программы управления непосредственно с помощью аппаратуры контроллера.
Микроконтроллер "Электроника МС 2702" относится к микропроцессорным средствам общего назначения и может быть использован в составе систем управления технологическими процессами, не требующими высокого быстродействия, так как обладает невысокой разрядностью (8 разрядов), а из-за сравнительно низкой тактовой частоты - 2МГц - период квантования при управлении объектом не может быть сделан, в зависимости от сложности алгоритма управления, менее 1 - 5 мс.

Базовой моделью семейства микроконтроллеров фирмы INTEL MCS-51 является микроконтроллер 8051, структурная схема которого приведена на рис. 2.3.
Контроллер содержит следующие функциональные узлы:
   - 8-разрядное центральное процессорное устройство (CPU), приспособленное для применения в устройствах управления;
   - внутреннюю память программ объемом 4 Кбайт;
   - внутреннюю память данных объемом 128 байт;
   - четыре восьмиразрядных порта, которые могут быть настроены индивидуально на ввод или вывод информации. При наличии внешней памяти программ или данных через порты Р0 и Р2 организуется магистраль адрес/данные с адресным пространством 64К, как показано на рис. 2.3;
   - два 16-разрядных таймера-счетчика;
   - дуплексный последовательный порт;
   - внутренний тактовый генератор с частотой 12, 16, 20, 24 МГц;
   - шестивходовую двухуровневую пятивекторную систему прерываний с двумя внешними входами запросов
прерывания

.

Семейство MCS-51 содержит большое количество разновидностей (ветвей), отличающихся объемом внутренней памяти данных и программ, тактовой частотой, разнообразием периферийных устройств внутри кристалла (количество таймеров, портов ввода-вывода, наличие АЦП, количество запросов на прерывание и т.д.).
Основные данные о микропроцессорах семейства MCS-51 приведены в таблице 2.3.
Линий запроса прямого доступа к памяти контроллеры не имеют.
Контроллеры семейства 8051, 8052, 80CS51 имеют четыре различные варианта исполнения, представленные в таблице 2.4.
Отечественным аналогом микроконтроллера 8051АН является однокристальная микроЭВМ К1816ВЕ51, а аналогом контроллера, не имеющего внутренней памяти программ - 8031АН - микроЭВМ К1816ВЕ31.
Рассмотрим организацию контроллера МК51 на примере однокристальной микроЭВМ К1816ВЕ51. Микроконтроллер К1816ВЕ51 конструк тивно выполнен в корпусе, имеющем 40 выводов, как изображено на рис. 2.4. Назначение выводов микросхемы приведено в таблице 2.5.

Для побайтового ввода-вывода информации в МК51 могут быть использованы четыре порта (Р0-Р3). Помимо того, выводы порта Р3 (контакты 10-17) могут быть настроены для реализации альтернативных функций (см.табл.2.5) записью в соответствующие разряды порта логической единицы. В случае применения внешней памяти данных (ВПД) или программ (ВПП) используются выходные буферы портов Р0 и Р2. При этом через порт 0 в режиме мультиплексирования выводится младший байт адреса ВПД или ВПП, а затем осуществляется передача данных. Если разрядность адреса составляет более 8 бит, то через порт Р2 происходит выдача его старших разрядов.
Специальный сброс МК51 осуществляется подачей единицы на вход RST в течение по меньшей мере двух машинных циклов. При этом сбрасывается содержимое счетчика команд и всех регистров специальных функций, в регистр указателя стека записывается число 07Н, а в порты - 0FFH. После снятия сигнала RST запускается программа по адресу 0000H.
Упрощенная схема прерываний МК51 приведена на рис. 2.5.

Внешние прерывания INT0 и INT1 могут быть вызваны либо низким логическим уровнем, либо переходом из 1 в 0 на входах МК51 в зависимо-сти от значений IT0 и IT1 - управляющих бит, представленных в регистре TCON (timer control register - регистр управления таймерами) разрядами TCON.0 и TCON.2. При появлении запросов от внешних источников прерываний устанавливаются флаги IE0 и IE1 в разрядах TCON.1 и TCON.3.
При переполнении таймеров устанавливаются флаги запроса прерываний от таймеров TF0 и TF1 (TCON.5 и TCON.7), которые сбрасываются автоматически при передаче управления программе обслуживания прерываний. Флаги запросов на прерывания от приемника и передатчика - RI и TI - устанавливаются универсальным приемопередатчиком и должны сбрасываться программно .
Два регистра специальных функций IE и IP позволяют управлять режимами прерываний и уровнями приоритета. Каждому запросу соответствует адрес вектора прерывания в поле адресов памяти программ (см. рис. 2.5). По адресу вектора прерывания должна быть записана команда безусловного перехода (JMP) к подпрограмме обслуживания прерывания. Возврат в основную программу осуществляется по команде RETI. Подробно с организацией работы однокристальной микроЭВМ типа К1816ВЕ51 можно познакомиться в [2].

2.4 Однокристальный микроконтроллер SAB 80515.
 

2.4.1 Архитектура микроконтроллера.

Однокристальный микроконтроллер фирмы Siemens SAB 80515 является дальнейшим развитием базовой архитектуры микроконтроллеров семейства INTEL MCS 8051.Функциональная и структурная схема микроконтроллера SAB 80515 приведены на рис. 2.6 и рис. 2.7. Как видно из

этих схем, контроллер имеет расширенные возможности по сравнению с базовой архитектурой, которые заключаются в следующем:
  -увеличен объем внутренней памяти программ до 8 Кбайт;
  -увеличено количество портов ввода-вывода до шести;
  -добавлен третий таймер (Timer 2) c дополнительными функциями;
  -имеется восьмиканальный аналогово-цифровой преобразователь (A/D);
  -добавлен сторожевой таймер (watchdog), что создает дополнительные удобства для применения контроллера  в системах управления динамическими объектами;
  -кроме того, расширена система прерываний.
Архитектура и структура микроконтроллера совместима с базовой системой. Так порты Р0 и Р2 имеют такую же дополнительную функцию, как организация магистрали адрес/данные для внешней памяти и внешних устройств. Порт Р3 имеет те же альтернативные функции, что и в базовой модели. В отличии от базовой модели порт Р1 здесь имеет альтернативные функции, связанные с захватом-привязкой внешних событий, которая осуществляется дополнительным таймером 2.

Организация адресного пространства контроллера такая же, как и в базовой модели с некоторыми расширениями, вызванными появлением дополнительных возможностей. Так нижняя часть адресного пространства памяти программ отводится под хранение векторов прерывания в том же порядке, как и в базовой модели, но с увеличением количества векторов прерывания с пяти до двенадцати. Верхняя часть адресного пространства внутренней памяти данных, также отводится под регистры специальных функций, причем адреса с 80Н по В0Н - под регистры периферии общие с

регистрами базовой функции, а с В8Н по F8H - дополнительные регистры специальных функций контроллера SAB 80515. Перечень регистров специальных функций приведен в таблице 2.6.

2.4.2 Особенности внутрикристальной периферии. Таймер 2.

Рассмотрим более подробно некоторые особенности дополнительной внутрикристальной периферии контроллера SAB 80515.
Таймер 2 может функционировать как таймер, счетчик событий и управляемый таймер, кроме того, он может выполнять перезагрузку счетчика, осуществлять сравнение кодов таймера и четырех 16-ти разрядных регистров. Таким образом, таймер 2 представляет собой довольно сложное устройство, структурная схема которого показана на рис. 2.8.

В режиме захвата внешнего события выводы порта Р1.0 - Р1.3 работают на ввод и при возникновении внешнего события - изменения напряжения на ножках Р1.0 - Р1.3 вверх или вниз - происходит перезапись кода из регистра таймера в соответствующий регистр захвата/привязки, как показано на рис. 2.10.

2.4.3 Аналого - цифровой преобразователь.

Функциональная схема внутрикристального многоканального АЦП микроконтроллера SAB80515 показана на рис. 2.11. Она содержит три регистра специальных функций:
  -ADCON - регистр управления АЦП;
  -ADDAT- регистр данных АЦП;
  -DAPR- регистр программирования ЦАП;
Последний вместе со встроенным ЦАП служит для программного изменения опорных напряжений АЦП, что позволяет программировать диапазон преобразуемых напряжений.
Регистр управления АЦП ADCON служит для управления входным мультиплексором, установки работы АЦП и фиксации бита готовности.
Назначение битов регистра ADCON представлены в таблице 2.9.
 

"земля" относительно внешней, так и положительное напряжение также относительно внешней земли. Значения этих напряжений с шагом 1/16 от внешнего опорного напряжения задаются в регистре DAPR, причем четыре младших разряда задают напряжение внутренней "земли" IVAGND, а четыре старших - значение внутреннего опорного напряжения IVAREF. При внешнем опорном напряжении VAGND =0, а VAREF=+5B шаг будет равен 5/16 = 0,3125В.
На программируемое напряжение накладывается ограничение такое, что разность между внутренними напряжениями IVAGND и IVAREF не должна быть меньше 1В, т.е. разность между кодами должна быть не менее четырех шагов. Для удобства при коде 00, записанном в DAPR, внутреннее напряжение равняется внешнему (0-5)В.
Возможность программирования внутреннего опорного напряжения позволяет согласовать его с диапазоном внешних преобразуемых напряжений и таким образом сохранять точность преобразования при различных диапазонах входных сигналов. Кроме того, при изменении входного сигнала в полном диапазоне 0-5 В возможно увеличение разрядности преобразова-ния до 10-ти двоичных разрядов с помощью выполнения повторного преобразования, производимого после подгонки диапазона по результатам первого преобразования. При этом первое преобразование дает четыре старших разряда, которые должны быть записаны в младший полубайт регистра DAPR для подгонки диапазона, а затем следующее преобразование дает следующий результат, из которого шесть старших разрядов являются значащими.
Процедура преобразования начинается с операции обращения к регистру DAPR -операция "write-to-DAPR". При этом, если не изменяется диапазон опорных напряжений, т.е. в DAPR пишется код 00Н, то преобразование происходит за 15 машинных циклов, т.е. при частоте 12мГц составляет 15 мкс. При этом в течении первых пяти машинных циклов (5 мкс) происходит выборка и фиксация преобразуемого сигнала, а затем уже его преобразование. Источник входного сигнала должен быть достаточно мощным, чтобы зарядить входную емкость 25пФ в течение 5 мкс. Перепрограммирование каждого внутреннего опорного напряжения требует дополнительно семь машинных циклов. Таким образом, максимальное время преобразования при программировании обоих внутренних опорных напряжений составляет 29 машинных циклов т.е. 29 мкс.
В течение всего цикла преобразования бит занятости BSY находится в состоянии "1" и сбрасывается только по окончании преобразования, при этом также выставляется флаг запроса прерывания IADC. Если в АЦП уста-новлен режим непрерывного преобразования, то он переходит к выполне-нию нового цикла преобразования, в противном случае останавливается до следующей операции "write-to-DAPR".

2.4.4 Структура системы прерываний контроллера SAB80515.

Система прерываний контроллера SAB80515 имеет двенадцать источников прерываний и четыре уровня приоритетов. Все источники прерываний организованы в шесть пар, как представлено в таблице 2.10.

Прерывания от таймеров 0 и 1 вызывается флагами TF0 и TF1, которые устанавливаются переполнением сигналов таймеров. Эти флаги также сбрасываются автоматически после вызова программы обслуживания.
Прерывания от последовательного порта RI и TI могут исходить от приемника RI или передатчика TI, поэтому они не сбрасываются автоматически, а программа обслуживания должна опросить эти флаги для окончательного определения источника прерывания, а затем сбросить их.
Флаг прерывания от АЦП IADC в регистре IRCON должен быть сброшен программой обслуживания.
То же самое относится и к прерываниям от переполнения таймера 2 и внешнего прерывания от Р1.5, которые выставляют флаги TF2 и EXF2 в регистре IRCON.
Внешнее прерывание  может быть активизировано либо положительным, либо отрицательным переходом в завиcимости от значения бита I2FR в регистре T2CON. Это преобразование устанавливает флаг IEX2 в регистре IRCON, которые сбрасываются автоматически при вызове программы обслуживания.

Внешнее прерывание  также, как и ,  может активизироваться либо положительным, либо отрицательным переходом в зависимости от значения бита I3FR в регистре T2CON. Оно устанавливает флаг IEX3 в регистре IRCON, который также сбрасывается автоматически. Этот флаг может быть также установлен при возникновении сигнала привязки на выводе P1.0.Внешние прерывания INT4, INT5 и INT6 активизируются положительным переходом. Они устанавливают флаги IEX4, IEX5 и IEX6 в регистре IRCON, которые также сбрасывается автоматически. Эти флаги также могут быть установлены сигналами привязки СС1, СС2, СС3, возникающими на выводах P1.1, P1.2 и P1.3.

Все биты, устанавливаемые прерываниями, кроме IE0 и IE1, могут быть установлены или сброшены программным способом, и таким образом выполнять функции программных прерываний.
Кроме того, все прерывания могут быть индивидуально и все сразу запрещены с помощью регистров IEN0 и IEN1, формат которых показан на рис. 2.13.
Существует также двойной регистр установки уровней приоритетов IP0 (0A9H) и IP1(0B9H).
Регистр IEN0 (0A8H)

Структура системы разрешения и приоритетов прерываний показана на рис. 2.12, из которого видно назначение основных разрядов регистров IEN и IP

2.5 Однокристальный микроконтроллер 8ХС196МС.

16-разрядный микроконтроллер 8ХС196МС предназначен для управления быстрыми процессами, характерными для электродвигателей и силовых электронных преобразователей, их питающих. Блок-схема контроллера показана на рис. 2.14. У него имеются довольно мощная вычислительная часть, содержащая центральный процессор (CPU), регистровое ОЗУ (RAM) объемом 512 байт и внутреннюю память программ (типа EPROM) объемом 16 Кбайт, а также разветвленная внутренняя периферия - аналого-цифровой преобразователь (ADC), контроллер событий (EPA), два таймера, 3-х фазный генератор периодических сигналов (WG) и широтноимпульсный модулятор (PWM) [3 - 4].
Центральный процессор содержит регистровое арифметико-логическое устройство (RALU) и 512-битовый регистровый файл (RF), который делится на две части: нижнюю (LRF) и верхнюю (URF). Нижний файл содержит 24 байта регистров специальных функций и 232 байта RAM, к которым может непосредственно обращаться RALU и их можно считать своего рода регистрами общего назначения, заменяющими аккумулятор. CPU является 16-разрядным и соединен с контроллерами прерываний и памяти через 16-разрядную шину. Система команд базируется на системе команд 8096ВН. Она использует различные типы адресации и включает полный набор арифметических и логических команд для 8- и 16-разрядных данных. 32-разрядные типы данных поддерживаются для результатов умножения 16-разрядных чисел, деления 32-разрядных чисел на 16-разрядные и операций сдвига.
Контроллер имеет гибкую систему прерываний, в которой, кроме традиционного программируемого контроллера прерываний, имеется периферийный сервер транзакций (PTS). PTS имеет несколько программ обслуживания прерываний, реализованных на микропрограммном уровне. В результате реализуется высокоскоростная обработка некоторых типов прерываний. PTS выполняет одиночные и массовые передачи байтов и слов между областями памяти, управляет аналого-цифровым преобразованием множества сигналов, а также поддерживает обмен по последовательному каналу.
Внутрикристальная периферия обеспечивает выполнение функций ввода-вывода и обслуживается с помощью регистров специальных функций.

Контроллер событий (EPA) реализует функции ввода-вывода, связанные с таймерами 1 и 2. В режиме ввода EPA осуществляет "захват" события, отмечая по таймеру время, когда оно произошло. В режиме вывода EPA реализует "привязку" события к заданному промежутку времени, переключая состояние выхода по времени, задаваемому таймером. Применяется для измерения с использованием частотных инкрементных датчиков.
Генератор периодических сигналов (WG) формирует 3 пары взаимосвязанных импульсно-модулированных сигналов. Он используется для управления 3-фазными двигателями переменного тока, вентильными и шаговыми двигателями.
Широтно-импульсный модулятор (PWM) является дополнением к генератору периодических сигналов. Рабочий цикл и период каждого из двух выходов PWM программируется посредством 8-разрядного регистра периодов. Выходы блока PWM управляются разрядами специального регистра в блоке генератора периодических сигналов.
13-канальный аналого-цифровой преобразователь (ADC) может осуществлять 10-разрядное или быстрое 8-разрядное преобразование. Возможен режим сканирования каналов ADC c помощью сервера транзакций. Предусмотрена также возможность программного контроля и коррекции сдвига нуля.
Микроконтроллер имеет 7 портов ввода-вывода. Порты 0 и 1 используются как входы 13-канального ADC. Порт 2 может быть использован для специальных функций. Порт 6 - выходной порт PWM и WG. Порт 3 и порт 4 могут быть использованы в качестве 16-разрядной внешней шины адрес/данные. Отдельные выводы портов мультиплексируются и могут обслуживать стандартные средства ввода-вывода.