Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Mikroprotsesorni-pristroyi (1)

.pdf
Скачиваний:
52
Добавлен:
02.02.2015
Размер:
3.25 Mб
Скачать

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

Ю.С. Грищук

МІКРОПРОЦЕСОРНІ ПРИСТРОЇ

НАВЧАЛЬНИЙ ПОСІБНИК по дисципліні «Мікропроцесорні пристрої» для студентів електромеханічних спеціальностей

Затверджено редакційно-видавничою радою університету протокол № 2 від 17.06.2005 р.

Харків НТУ «ХПІ» 2007

ББК 32.973.26-04 Г85

УДК 004.315(075)

Рецензенти: А.Д. Черенков, доктор техн.наук, професор ХНТУСГ; О.Б. Богаєвський, канд. техн. наук, доцент ХНАДУ; М.І. Шпика, канд. техн. наук, зав. проектноконструкторським і науково-дослідним відділом проектування електроприводів і систем управління ДП заводу “ Електротяжмаш”

Гриф надано Міністерством освіти і науки україни,

лист № 1.4/18– Г–1305 від 25.07.2007 р.

Г85 Грищук Ю.С. Мікропроцесорні пристрої: Навчальний посібник. –

Харків: НТУ “ ХПІ”, 2007.– 280 с.

ISBN 978-966-593-696-1

Викладено навчально-теоретичний матеріал, що описує основні терміни і поняття, арифметичні, логічні, фізичні основи і архітектуру мікропроцесорів і однокриcталевих мікроконтролерів, інтерфейси, запам’ятовуючі і спеціалізовані периферійні пристрої. Посібник містить лабораторний практикум, особливості і приклади практичного застосування мікроконтролерів, контрольні запитання і завдання.

Призначено для студентів спеціальностей 7092206 – “ Електричні машини і апарати”, 7092205 – “ Електропобутова техніка” і може бути корисною для студентів технічних вузів, аспірантів та інженерно-технічних працівників.

Іл. 72. Табл. 40. Бібліогр. 35 назв.

ББК 32.973.26-04

ISBN 978-966-593-696-1

© Ю.С. Грищук, 2007

2

ЗМІСТ

 

Передмова ..............................................................................................................

5

Умовні скорочення і позначення.........................................................................

9

Вступ.....................................................................................................................

16

Основні терміни і визначення............................................................................

18

1. Арифметичні, логічні і фізичні основи.........................................................

27

1.1. Системи числення ..............................................................................

27

1.2. Переклад чисел з однієї системи числення в іншу.........................

32

1.3. Арифметичні дії з двійковими числами...........................................

35

1.4. Одиниці інформації...........................................................................

39

1.5. Логічні основи і алгебра логіки........................................................

40

1.6. Способи представлення складних функцій.....................................

47

1.7. Мінімізація складних виразів............................................................

48

1.8. Фізичні основи реалізації логічних функцій...................................

48

1.9. Логічні схеми з напівпровідниковими елементами.......................

50

Контрольні питання і завдання...............................................................

52

2. Архітектура мікропроцесорів.........................................................................

55

2.1. Типова структура мікропроцесора...................................................

55

2.2. Мікропроцесорний комплект серії КР580.......................................

70

Контрольні питання і завдання................................................................

78

3. Запам'ятовуючі пристрої мікропроцесорних систем.....................................................

81

3.1. Класифікація запам'ятовуючих пристроїв.......................................

81

3.2. Оперативні запам'ятовуючі пристрої...............................................

84

3.3. Постійні запам'ятовуючі пристрої....................................................

87

3.4. Зовнішні запам'ятовуючі пристрої...................................................

91

Контрольні питання і завдання................................................................

95

4. Інтерфейс мікропроцесорних систем............................................................

97

4.1. Визначення і функції інтерфейсу.....................................................

97

4.2. Пристрої вводу-виводу інформації ................................................

101

3

4.3. Інтерфейс каналу мікроЕОМ ..........................................................

107

4.4. Спеціалізовані периферійні пристрої ...........................................

109

Контрольні питання і завдання..............................................................

114

5. Однокристальні мікроконтролери...............................................................

115

5.1. Мікроконтролери сімейства МК51 ................................................

115

5.2. Однокристальний мікроконтролер КМ1816ВЕ51 ........................

119

5.3. Мікроконтролери фірми Аtmel......................................................

160

5.4. Мікроконтролери фірми Microchip ................................................

167

5.5. Мікроконтролери фірми Motorola..................................................

184

Контрольні питання і завдання..............................................................

200

6. Лабораторний практикум і стенд МК51 .....................................................

203

6.1. Лабораторна робота № 1. Дослідження лабораторного стенду

 

мікроконтролера МК51...................................................................

203

6.2. Лабораторна робота № 2. Програмування і ввод програм з

 

клавіатури стенду МК51................................................................

212

6.3. Лабораторна робота № 3. Складання і відладка програм............

218

6.4. Лабораторна робота № 4. Дослідження аналого-цифрового

 

перетворювача................................................................................

233

7. Застосування мікроконтролерів..................................................................

240

7.1. Застосування мікроконтролерів в електромеханічних системах240

7.2. Застосування мікроконтролерів в електроапаратобудуванні......

242

7.3. Застосування МК51 при випробуваннях електричних

 

апаратів захисту...............................................................................

245

7.4. Структурна схема АСУТПВ з паралельними АЦП.....................

252

Контрольні питання і завдання..............................................................

261

Список літератури.............................................................................................

263

Додаток 1.Таблиця Д 1 – Система команд мікропроцесора КР580 .............

266

Додаток 2. Приклади виконання завдань.......................................................

271

Додаток 3. Система команд РІС16Х17ХХ......................................................

272

Додаток 1.Таблиця Д 4 – Команди Асемблера МК51 ...................................

274

4

ПЕРЕДМОВА

Найважливішою умовою подальшого соціально-економічного розвитку країни є стабільне зростання енергетики, що забезпечує роботу промисловості, транспорту і інших галузей народного господарства.

Конкретні завдання науково-технічного прогресу в паливноенергетичному, електротехнічному, машинобудівному і транспортному комплексах висувають в даний час на перше місце проблему забезпечення необхідної надійності, живучості і безаварійності складних технічних об'єктів і їх систем управління. До таких об'єктів відносяться сучасні потужні електроенергетичні системи і їх елементи (наприклад, електричні станції, дальні лінії електропередачі, електричні розподільні системи крупних промислових підприємств, автономні електроенергетичні, перетворювальні, електротехнічні і електромеханічні установки і системи управління ними), що включають пристрої релейного захисту і протиаварійної автоматики, контактні розподільні пристрої. Комутація, захист, управління, регулювання і інші функції в цих об'єктах, як правило, виконуються різними електричними апаратами (ЕА).

Останніми роками у зв'язку з появою мікропроцесорів (МП) намітилася тенденція до широкого використання їх в електропобутовій техніці (ЕПТ) і електроапаратобудуванні, до безпосереднього впровадження в пристрої управління ЕА, техніку релейного захисту, системи протиаварійної автоматики, в автоматизовані системи управління технологічними процесами (АСУТП) виробництва, випробування і дослідження ЕПТ і ЕА. Це викликано появою

5

нових підвищених і різноманітних вимог до систем автоматизації управління об'єктами. У зв'язку з цим традиційні ЕА і системи управління і регулювання, виконані на аналогових елементах, опинилися не в змозі конкурувати з цифровими пристроями, в яких використовуються мікропроцесори.

Відмінними рисами пристроїв і систем, виконаних на базі МП, є: можливість значного розширення функцій шляхом додавання нових алгоритмів і програм в систему програмного забезпечення, високий рівень уніфікації елементів, можливість перепрограмування, для реалізації тих або інших функцій без зміни комплексу технічних і апаратних засобів і автоматизації процесів діагностики і настройки апаратури. Сучасні МП мають малі габаритні розміри, і можуть розміщатися поруч з керованими об’єктами, володіють високою надійністю і розвиненими логічними можливостями, характеризуються низькими енергоспоживанням і вартістю. У багатьох застосуваннях сучасні МП можуть складатися тільки одну ВІС з одним рівнем напруги +5 В. Крім того, їх застосування в системах управління забезпечує високу швидкодію, гнучкість і ефективність.

Застосування мікропроцесорів вимагає від розробників корінного перегляду традиційних методів при проектуванні систем управління ЕПТ, ЕА і електронними апаратами, заміни у багатьох випадках проектування схем і систем управління розробкою програм настройки мікропроцесорної апаратури на виконання певних функцій. Рішення цих задач вимагає підготовки кваліфікованих фахівців, здатних проектувати, розробляти, експлуатувати і обслуговувати таку складну МП техніку, як ЕА і ЕПТ з мікропроцесорним управлінням.

Для підготовки таких фахівців виникає необхідність у виданні додаткової навчальної літератури, що містить одночасно основи мікропроцесорної техніки і нову інформацію про розвиток мікропроцесорних засобів. Зокрема, потрібна інформація про однокристальні мікроконтролери (МК), які часто в публікаціях називають мікроЕОМ, і їх застосування в ЕПТ, електроапаратобудуванні і інших галузях. Доцільним і корисним, на думку автора, є включення інформації

6

про лабораторний практикум, що виконується на реальних лабораторних стендах, створених на базі МК, що дозволяє досліджувати їх будову, принцип дії і різні режими роботи найбільш широко вживаних МК.

Мета посібника – сприяти поглибленню знань студентів, що навчаються за спеціальностями 092206 “ Електричні машини і аппарати'', 092205 “ Електропобутова техніка” і іншими технічними спеціальностями в області мікропроцесорних систем, і отриманню ними практичних навичок у роботі з реальними мікропроцесорними пристроями і однокристальними МК. Посібник складений за матеріалами лекцій, лабораторних і практичних занять, курсового проектування по дисциплінах, що пов'язані з мікропроцесорною технікою і її використанням в ЕПТ і ЕА, які включені в навчальний процес НТУ «ХПІ» і що проводяться автором з 1984 р. по теперішній час.

Зміст посібника визначений, перш за все, прагненням викласти ті аспекти МП пристроїв і їх застосування в ЕПТ, електроапаратобудуванні і в інших напрямках, які недостатньо відображені в літературі, що є на даний час. Зокрема, в посібнику описаний один з дев'яти лабораторних стендів, розроблених на основі однокристальних мікроконтролерів сімейства MCS51 (МК51) на кафедрі “ Електричні апарати” НТУ «ХПІ» за ініціативою і при особистій участі автора посібника. Стенд дозволяє досліджувати 24 режими роботи МК. Тут же подано лабораторний практикум до вивчення МК, складений автором і апробований у навчальному процесі. У лабораторному практикумі передбачається дослідження лабораторного стенда і ознайомлення із структурою однокристальних МК та їх системою команд, дослідження режимів їх роботи, складання і виконання програм, програмування МК і вводу програм з клавіатури лабораторного стенда, складання і вводу програм на мові Асемблер з використанням ПЕОМ, відладка програм крос-засобами, дослідження роботи аналого-цифрових перетворювачів.

У посібнику викладені відомості про сучасні МК провідних зарубіжних виробників: сімейства MCS151 і MCS251 фірми Intel, серії АТ89 і АТ90 фірми

Atmel, сімейств PIC16/17 і PIC16X7XX фірми Microchip, сімейств HC05, HC08,

7

HC11 фірми Motorola, сімейство цифрових сигнальних процесорів (ЦСП) TMS320Cxxx (платформи С2000, С5000 і С6000 продуктивністю від 20 MIPS до 8800 MIPS) фірми TEXAS INSTRUMENT. Розглянуті їх архітектура, структурні схеми, особливості різних модифікацій сімейств, вказані їх основні технічні характеристики, а також області їх практичного застосування. Приведені приклади застосування різних МК в системах управління транспорту, ЕА, комплектними розподільними пристроями (КРП), гнучкими системами релейного захисту (ГСРЗ), технологічними процесами випробувань і досліджень електричних апаратів, в управлінні електромеханічними системами і електроприводами і т.ін.

Автор вважає своїм приємним обов’язком подякувати ст.н.с. В.М. Лещенко, асс. А.В. Дудник кафедри «Автоматики і управління в

технічних системах» за консультації і допомогу в розробці і наладці мікроконтролерних лабораторних стендів, студентам і співробітникам кафедри “ Електричні апарати” за надану допомогу при створенні лабораторних стендів і лабораторії МПС, зав. лабораторією кафедри інформаційних систем і технологій в міському господарстві Харківської Національної академії міського господарства С.Ю. Грищуку за надану істотну допомогу в підготовці рукопису і оригінал-макету посібника.

Автор виражає глибоку подяку рецензентам:

Черенкову О.Д., доктору техн. наук, професору кафедри теоретичної електротехніки Харківського Національного технічного університету сільського господарства, ім. Петра Василенка;

Богаєвському О.Б., канд. техн. наук, доценту кафедри автомобільної електроніки Харківського Національного автодорожнього університету;

Шпика М.І., канд. техн. наук, зав. проектно-конструкторським і науководослідним відділом проектування електроприводів і систем управління ГП заводу “ Електротяжмаш”.

Ряд цінних порад і зауважень, які були зроблені ними при рецензуванні рукопису, в суттєвій мірі сприяли поліпшенню даного посібника.

8

УМОВНІ СКОРОЧЕННЯ І ПОЗНАЧЕННЯ

1.Українська нотація (у дужках приведена англійська нотація)

А– акумулятор (див. АСС)

АВ

автоматичний вимикач

АЛП

арифметично – логічний пристрій

АСУТПВ

автоматизована система управління технологічним

 

 

процесом випробувань (досліджень)

ВІС

велика інтегральна схема

ШЗ

швидкодіючий запобіжник

ВК

вибір корпусу (див. СЕ )

ЗПД

зовнішня пам'ять даних

ЗПП

зовнішня пам'ять програм

ВХПР

– вхід приймача УАПП (см.RXD)

ВИХПЕР

– вихід передавача УАПП (див. TXD)

ЗП

сигнал запису, що управляє (див. WR)

ІС

інтегральна схема

ЗПР

запит переривання( див. INT)

КОП

код операції (поле в тілі команди)

КРП

комплектно – розподільний пристрій

МК

мікроконтролери однокристальні

МК51

– мікроконтролери серії 1816: КМ1816ВЕ51

МП

мікропроцесор

МПРЗ

мікропроцесорний релейний захист

МПС

мікропроцесорна система

ОЗП

– оперативний запам'ятовуючий пристрій (див. RAM)

ВРПП

сигнал відключення резидентної пам'яті програм, (див. ЕА)

ПП

пам'ять програм

ПРОГ

сигнал, що управляє програмуванням резидентної

9

 

 

пам'яті програм (см.PROG)

РА

– регістр адреси (див. RAR)

PBB

– ВІС розширювача вводу/виводу

ДЗПП

сигнал дозволу зовнішньої пам'яті програм (див. PSEN)

РК

регістр команд (див. IR)

РМП

регістр маски переривань (див. IE)

РЗП

регістр загального призначення

РП

регістр пріоритетів (див. IP)

РПД

резидентна пам'ять даних

РПП

резидентна пам'ять програм

РРТЛ

регістр режиму таймера/лічильника (див. TМОD)

РСФ

– регістри спеціальних функцій (PSW, TMOD, TCON, SCON

 

 

PCON, IE, IP)

РУД

– регістр покажчика даних (див. DPTR)

РУП

– регістр управління потужністю (див. PCON)

РУПП

– регістр управління послідовного порту (див. SCON)

РПС

регістр покажчика стека (див. SP)

РУСТ

регістр управління/стану таймера (див. ТСON)

САЗП

сигнал строба адреси зовнішньої пам'яті (див. ALE)

НВІС

надвелика інтегральна схема

СКД

керуючий сигнал скидання (див. RST)

ЛК

лічильник команд (див. РС)

ССП

слово стану програми (див. PSW)

Т/Л

таймер/лічильник подій (див. TCNT)

УАПП

універсальний асинхронний приймач-передавач

 

 

(послідовний порт МК51)

ЧТ

керуючий сигнал читання (див. RD)

ША, ШД

шина адреси, шина даних

КРОК

керуючий сигнал покрокового (покомандного) режиму,

 

 

роботи (див. SS)

10