Микропроцессорные системы управленияавтоматизированного производства

2

УДК 681.51.01

Микропроцессорные системы управления автоматизированного произ- водства: методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 15.03.04 – Автоматизация технологических процессов и производств для очной формы обучения / А.В. Стариков; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2016. – 8 с.

Печатается по решению редакционно-издательского совета ВГЛТУ

Рецензент: заведующий кафедрой электротехники и автоматики ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I», доктор технических наук, профессор Афоничев Д.Н.

3

Введение

Учебный план по направлению подготовки бакалавра 15.03.04 – «Авто- матизация технологических процессов и производств» включает изучение дис- циплины «Микропроцессорные системы управления автоматизированного про- изводства» в течение 5-го семестра в объеме 144 часов, из которых 36 часов от- водится для лекционных занятий, 36 часов − для лабораторных работ, 72 часа − для самостоятельной работы студентов. Итоговый контроль осуществляется в виде сдачи дифференцированного зачёта.

Рабочая программа дисциплины определяет в качестве основной цели − усвоение студентами принципов организации, методов функционирования и

использования микропроцессорных систем управления в составе оборудования автоматизированных производств.

Для достижения данной цели в ходе изучения дисциплины решаются сле- дующие задачи:

∙ознакомление со структурой базовой микропроцессорной системы управления, особенностями организации подсистем памяти и ввода- вывода, составом периферийных устройств микропроцессорных систем управления;

∙изучение функциональных возможностей и классификации однокри- стальных микроконтроллеров, используемых для построения микро- процессорных систем управления технологическим оборудованием ав- томатизированных производств;

∙уяснение структуры многоуровневых систем управления автоматизиро- ванного производства, особенностей программно-технических средств, используемых для их реализации, путей повышения производительно- сти микропроцессорных систем управления;

∙усвоение приемов и способов разработки и отладки программного обеспечения для встроенных микропроцессорных систем, элементов программирования на языке ассемблера однокристального микрокон- троллера;

∙приобретение навыков работы с учебным лабораторным стендом «Классик-1», который используется для изучения основ микропроцес- сов и микропроцессорных систем.

Врезультате освоения дисциплины «Микропроцессорные системы управ- ления автоматизированного производства» студент должен:

∙знать: структуру, функциональные возможности и классификацию од- нокристальных микроконтроллеров, принципы построения многоуров- невых микропроцессорных систем управления с их использованием, элементы программирования на языке ассемблера для разработки про- граммного обеспечения встроенных микропроцессорных (микрокон- троллерных) систем управления, особенности решения задач управле- ния автоматизированного производства с использованием микропро- цессорных систем;

∙уметь: использовать возможности программно-технических средств

4

микропроцессорных систем управления для повышения производитель- ности технологического оборудования автоматизированного производ- ства;

∙владеть: методикой и практическими приемами выполнения лаборатор- ных работ с использованием учебного лабораторного стенда «Классик- 1», способами разработки программного обеспечения для микропроцес- сорных систем управления автоматизированного производства.

1Содержание учебной дисциплины

Всоответствии с рабочей программой освоение дисциплины «Микропро- цессорные системы управления автоматизированного производства» преду- сматривает изучение следующих разделов (тем) и вопросов, входящих в их со- став:

Раздел 1. Введение. Структура базовой микропроцессорной системы управления. Цели и задачи дисциплины. Основные понятия и классификация

микропроцессорных систем. Современные тенденции развития микропроцес- сорных систем управления технологическими комплексами. Типовая архитек- тура однокристальных микропроцессоров и микроконтроллеров. Основные принципы организации систем управления на базе микропроцессоров и микро- контроллеров. Преимущества микропроцессорных систем управления. Приме- ры различных структур микропроцессорных систем управления.

Раздел 2. Архитектура и классификация микропроцессоров. Аппарат-

ные и программные принципы реализации систем управления и контроля. Про- цессорное ядро микропроцессорных систем управления. Принстонская (фон- неймановская) и гарвардская архитектуры микропроцессорных систем. Микро- процессоры с CISC и RISC-архитектурой. Особенности системы команд микро- процессоров. Логическая и арифметическая обработка данных.

Раздел 3. Организация подсистемы памяти. Типы памяти микропро-

цессорных систем. Подсистема оперативной памяти. Подсистема энергонезави- симой памяти. Особенности использования раздельной памяти программ и па- мяти данных. Внутренний интерфейс микропроцессорной системы управления: шины, протокол обмена, технические средства. Организация обмена информа- цией между элементами микропроцессорной системы управления.

Раздел 4. Организация подсистемы ввода-вывода. Внешний интерфейс микропроцессорной системы. Организация связей микропроцессоров и микро- контроллеров с периферийными устройствами. Подсистемы параллельного ввода-вывода. Синхронный и асинхронный обмен по параллельному интерфей- су с квитированием. Интерфейсы последовательной связи. Интерфейсы RS-232, RS-485, SPI, I2C (TWI), USB и протоколы обмена. Программирование функций приема-передачи данных в микроконтроллерах. Системы прерываний. Особен- ности реализации систем прерываний в микроконтроллерах. Сопряжение циф- ровых и аналоговых устройств. Использование аналого-цифровых и цифро- аналоговых преобразователей.

5

Раздел 5. Однокристальные микроконтроллеры и их классификация.

Архитектурные особенности и функциональные возможности типовых се- мейств микроконтроллеров MCS-51, AVR, ARM и других.

Раздел 6. Программное обеспечение встроенных микропроцессорных систем управления. Состав и структура программного обеспечения встроен- ных микропроцессорных систем управления. Требования к программному обеспечению встроенных микропроцессорных систем. Программная реализа- ция алгоритмов управления. Особенности программирования микропроцессор- ных систем в режиме реального времени. Обзор возможностей операционных систем реального времени. Этапы разработки программного обеспечения. Язы- ки программирования. Язык ассемблера. Языки высокого уровня. Быстродейст- вие. Разрядность. Организация опроса датчиков. Формирование управляющих сигналов. Ожидаемые события, использование таймеров.

Раздел 7. Программно-технические средства разработки и отладки программного обеспечения встроенных микропроцессорных систем. Ос-

новные понятия и возможности кросс-систем разработки программного обес- печения встроенных микропроцессорных систем. Структура и функциональные возможности интегрированных систем разработки приложений. Эмуляторы и симуляторы программ встроенных микропроцессорных систем.

Раздел 8. Методы повышения производительности микропроцессор-

ных систем управления. Современные подходы к повышению эффективности использования микропроцессорных систем управления автоматизированным производством.

Назначение лекционных занятий по дисциплине «Микропроцессорные системы управления автоматизированного производства» − получение теорети- ческих знаний студентами по важнейшим разделам дисциплины, а также фор- мирование общего представления по обзорным темам (вопросам) дисциплины.

Помимо лекционных занятий, обязательным элементом изучения дисци- плины «Микропроцессорные системы управления автоматизированного произ- водства» является прохождение студентом лабораторного практикума. Соглас- но Положению о сдаче экзаменов и зачётов в ФГБОУ ВО ВГЛТУ им. Г.Ф. Мо- розова студент, не выполнивший лабораторный практикум, не допускается к сдаче зачёта.

В соответствии с рабочей программой дисциплины «Микропроцессор- ные системы управления автоматизированного производства» предусматрива- ется следующая тематика лабораторных работ (в скобках указано нормативное количество времени, отводимое на выполнение и защиту лабораторной рабо- ты):

Знакомство со учебно-лабораторным стендом «Классик-1» (2 часа). Изучение простых команд и методов адресации (4 часа).

Изучение арифметических команд (2 часа).

Изучение команд управления переходами. Использование подпрограммы и стека (4 часа).

Изучение возможностей работы с внешними устройствами (4 часа). Изучение программируемого интервального таймера (4 часа).

Изучение модуля синхронного последовательного порта (4 часа). Изучение модуля асинхронного последовательного порта (4 часа).

Каждая работа лабораторного практикума предполагает выполнение практической части с использованием компьютера и соответствующего про- граммного обеспечения, подготовку письменного отчёта о выполненной лабо- раторной работе и его защиту. Требования к оформлению отчёта обычно изла- гаются в методических указаниях к лабораторным работам. При защите отчёта студент должен продемонстрировать знание необходимого теоретического ми- нимума по теме лабораторной работы, аргументировано ответить на вопросы преподавателя, касающиеся практической части работы.

В соответствии с учебным планом на самостоятельную работу студента предусматривается 50 % общего времени, отводимого на изучение дисциплины. При этом одну часть времени, планируемого для самостоятельной работы, предполагается использовать для самостоятельного изучения отдельных вопро- сов лекционного курса, другую − для доработки отчётов о выполненных лабо- раторных работах и подготовки к их защите.

2 Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы

При осуществлении самостоятельной работы студент должен руково- дствоваться указаниями преподавателя, данными методическими указаниями, методическими указаниями к лабораторным работам, методическими указа- ниями к выполнению курсовой работы, материалами конспекта лекций, реко- мендованной основной и дополнительной учебной литературой, включая элек- тронные источники информации.

Ниже приведен перечень основной и дополнительной литературы, имеющейся в учебной библиотеке ВГЛТУ.

Основная литература

1.Гусев, В. Г. Электроника и микропроцессорная техника [Текст] : учеб. для вузов; 4-е издание / В. Г. Гусев. – М. : Высшая школа, 2008. – 799 с.

2.Валов, А. В. Микропроцессоры и их применение в системах управле- ния [Электронный ресурс] : учеб. пособие / А. В. Валов, С. П. Лохов. – Челя- бинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2012. – Ч.1. – 77 с.; Ч.2. – 81 с.; Ч.3. – 58 с.

–ЭБС «Единое окно доступа к образовательным ресурсам».

Дополнительная литература

1.Новожилов, О. П. Основы микропроцессорной техники [Текст] : учеб. пособие: в 2 т. / О. П. Новожилов. – М. : РадиоСофт, 2007. – Т. 1. – 432 с.; Т. 2.

–336 с.

2.Чернышев, А. Ю. Электронная и микропроцессорная техника [Элек- тронный ресурс] : учеб. пособие / А. Ю. Чернышев, Е. А. Шутов. – Томск: Изд-

7

во Томского политехнического университета, 2010. – 135 с. – ЭБС «Единое ок- но доступа к образовательным ресурсам».

Для качественного освоения дисциплины возможно потребуются сле- дующие ресурсы информационно-телекоммуникационной сети «Интернет»:

∙ЭБС «Единое окно доступа к образовательным ресурсам»: http://window.edu.ru/;

∙сайт для тех, кто интересуется электроникой, микроконтроллерами,

программированием: http://chipenable.ru;

∙сайт с обширной подборкой научной, учебной и учебно-методической

литературы, представленной в виде библиотеки открытых электронных источников: http://www.twirpx.com.

Поскольку лекции читаются не в полном объеме дисциплины, то студен- там на самостоятельное изучение выносится ряд тем (табл. 1). Преподаватель сообщает студентам их общее содержание и организует контроль знаний по за- явленным темам.

Также самостоятельно студенты в компьютерном классе кафедры автома- тизации производственных процессов дорабатывают лабораторные работы, го- товят отчёты по ним.

8

Стариков Александр Вениаминович

Микропроцессорные системы управления автоматизированного производства

Методические указания для самостоятельной работы по направлению подготовки бакалавра 15.03.04 – «Автоматизация технологических процессов и

производств» для очной формы обучения

Редактор С.Ю. Крохотина

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»