Проектирование дверных кодовых систем на базе avr микроконтроллеров

 

 

ПРОЕКТИРОВАНИЕ  ДВЕРНЫХ КОДОВЫХ СИСТЕМ

НА БАЗЕ AVR МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Основные требования, которые потребители предъявляют  к микроконтроллерам можно сформировать следующим образом:

• низкая стоимость;
• высокая надёжность;
• высокая степень миниатюризации;
• малое энергопотребление;
• работоспособность в жёстких условиях эксплуатации;
• достаточная производительность для выполнения всех требуемых функций.

В отличие от универсальных  компьютеров к управляющим контроллерам, как правило, не предъявляются высокие требования к  производительности и программной совместимости.

Выполнение всех этих довольно противоречивых условий одновременно затруднительно, поэтому развитие и  совершенствование техники пошло  по пути специализации и в настоящее  время количество различных моделей управляющих микроконтроллеров чрезвычайно велико.

Цель моего курсового  проекта: проектирование дверных кодовых  систем на базе AVR микроконтроллеров.

Задачи:

• рассмотреть общие сведения о микроконтроллерах;
• рассмотреть направления и тенденции развития микроконтроллеров;
• рассмотреть области применения микроконтроллеров;
• рассмотреть основные характеристики, структуру микроконтроллеров семейства АТ90S;
• рассмотреть порты микроконтроллера;
• рассмотреть систему команд АТ90S;

 

 

• рассмотреть жидкокристаллические индикаторы;
• рассмотреть основные характеристики алфавитно-цифровых индикаторов на основе контроллера HD44780;
• рассмотреть кодировку символов на индикаторах;
• разработать алгоритм и программу для микроконтроллера;
• описать работу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

1.1 Общие сведения о  микроконтроллерах

AVR – самая обширная  производственная линия среди  других Flash-микроконтроллеров корпорации Atmel. Atmel представила первый восьмиразрядный Flash-микроконтроллер в 1993 году и с тех пор непрерывно совершенствует технологию. Новая линия микроконтроллеров к настоящему времени насчитывает более 20 различных типов, которые объединены в четыре группы:

• mega AVR (префикс ATmegaXXX);
• classic AVR (префикс AT90SXXX);
• tiny AVR (префикс ATtinyXXX);
• AVR для Smart Cards (префикс AT90SCC).

Они привлекают внимание разработчиков наилучшим соотношением показателей быстродействие/энергопотребление, удобными режимами программирования, доступностью программно-аппаратных средств  поддержки и широкой номенклатурой  выпускаемых кристаллов.

Успех AVR-микроконтроллеров  объясняется возможностью простого выполнения проекта с достижением необходимого результата в кратчайшие сроки, чему способствует доступность большого числа инструментальных средств проектирования. Отличительной особенностью AVR-микроконтроллеров, которая способствовала их популяризации, является использование RISC-архитектуры, которая характеризуется мощным набором инструкций, большинство которых выполняются за один машинный цикл.  Это означает, что они обеспечивают производительность в 12 раз больше производительности предшествующих микроконтроллеров на основе CISC-архитектуры.

AVR-микроконтроллеры представляют более широкие возможности по оптимизации производительности/энергопотребления,  что особенно важно  при

 

 

разработке приложений с батарейным питанием. Микроконтороллеры  обеспечивают производительность до 10 млн. оп. в секунду и поддерживают флэш-память программ различной емкости.  Большинство представителей семейства megaAVR содержат восьмиканальный десятиразрядный АЦП, а также совместимый с IEEE 1149.1 интерфейс JTAG или debugWIRE для встроенной отладки. Кроме того, все микроконтроллеры megaAVR с флэш-памятью емкостью 16 кбайт и более могут программироваться через интерфейс JTAG.

1.2 Направления и тенденции развития микроконтроллеров

Наиболее интенсивно развиваются высокопроизводительные 32-разрядные микроконтроллеры и микропроцессоры с богатыми периферийными возможностями. Основную часть всех выпускаемых в настоящее время в мире изделий данного класса составляют микроконтроллеры разрядностью 16 и 8 бит.

За прошедший 2006 год анонсировано несколько новых микроконтроллеров в семействах "tiny" и "mega". Это tiny13, tiny2313 и mega128CAN11. Выпущены в серийное производство микросхемы tiny26, mega16, mega32, mega64, mega162, mega169, mega8515 и mega8535. Сняты с производства кристаллы mega 103, mega 323, mega 161, mega 163, 90S8515, 90S8535 и 90S4433. Планируются к снятию с производства микроконтроллеры 90S1200, 90S2313, 90S2323 и 90S2343. Таким образом, самое первое семейство "classic" AVR (90S) не будет далее развиваться, а будет постепенно замещаться новыми кристаллами семейств "tiny" и "mega", более совершенными, чем их "классические" предшественники.

Практически все   новые  кристаллы AVR  являются   развитием уже

 существующих версий  и, как правило, совместимы  с ними функционально и по  расположению внешних выводов  "снизу вверх". Для своевременной  оценки возможностей и параметров  новых микроконтроллеров корпорация Atmel предлагает наборы разработчика, содержащие образцы текущей и новой версий кристалла, а также всю необходимую техническую документацию, описывающую различия между ними. Эти наборы разработчика доступны для всех типов корпусов и напряжений питания микроконтроллеров AVR, но только

для индустриального  температурного диапазона.

Семейство "tiny" в 2006 году пополнилось тремя новыми кристаллами: tiny 13, tiny 2313 и ATtiny 25. Популярные микроконтроллеры tiny11 и tiny12 пока еще имеют активный статус на сайте Atmel Corp., но в печатных брошюрах корпорации указывается, что их планируется снять с производства после запуска в серию микроконтроллеров tiny13 и tiny2313, которые рекомендуется использовать для новых разработок.

Микросхема tiny13 имеет  низкое энергопотребление, выпускается в восьмивыводном корпусе и является развитием кристаллов tiny11 и tiny12. Микросхема tiny2313 также имеет низкое энергопотребление, но количество выводов и периферийных блоков у нее больше. Новый кристалл tiny25 является развитием популярного микроконтроллера tiny15. Он имеет скоростной модуль ШИМ, который специально разрабатывался для применения в электронных балластах. При этом tiny25 будет выпускаться в корпусах SOIC8 и PDIP8. Все новые микроконтроллеры семейства "tiny" имеют также блок статической памяти SRAM и модуль внутрисхемной отладки debugWIRE, о котором будет сказано ниже.

Наибольшее развитие в 2006 году получило семейство "mega". Планируются к выпуску новые кристаллы mega48, mega88, mega168, mega256, mega 329 с аппаратным контроллером жидкокристаллического индикатора и

другие.

Функциональным развитием  популярного микроконтроллера mega8 в 2007 году  будут  три   новых   ULP-кристалла   mega48/88/168   с   различными

объемами Flash-памяти программ, полностью совместимые как между собой, так и с mega8 по расположению выводов. Микроконтроллеры отличает наличие модуля USART, который может быть также установлен в режим SPI "Master", усовершенствованный модуль контроля напряжения питания BOD (Brown - out

 

 

Detector), который калибруется на фабрике и потребляет меньше энергии, а также встроенный RC-генератор. Новые ULP-кристаллы mega48/88/168 будут иметь существенно лучшие характеристики энергопотребления. Например, в режиме Power Down при напряжении питания 1,8 В ожидается значение тока

 потребления 0,1 мкА  по сравнению с 0,5 мкА у mega8. Микроконтроллеры будут выпускаться  для работы в двух диапазонах  напряжений питания - батарейном (от 1,8 до 5,5 В) и стандартном (от 2,7 до 5,5 В).

Микроконтроллеры mega256/512 являются логическим развитием своих предшественников mega64/128 и имеют больший объем памяти. Микросхемы с обозначениями mega640/1280/2560/5120 представляют собой стовыводные версии этих кристаллов. Управление доступом к памяти программ в кристаллах mega256/512 будет осуществляться автоматически с помощью специального регистра, что должно привести к снижению быстродействия микроконтроллеров при обращении к определенной части программного кода. Кристаллы mega256/512 также будут иметь специальный регистр для дополнительного управления энергопотреблением.

Кристаллы tiny45 и tiny46 являются развитием кристаллов tiny25 и tiny26, а mega1281 и mega641 - кристаллов mega128 и mega64 соответственно. Все новые версии микроконтроллеров  будут иметь пониженное энергопотребление.

В разработке у Atmel в настоящее время находятся два новых аппаратных узла микроконтроллеров AVR. Первый - это усовершенствованный контроллер прерываний. Известно, что одноуровневая линейная система прерываний семейства AVR является их ахиллесовой пятой и, по сути, естественным тормозом для развития микроконтроллеров с большим количеством периферийных устройств и с большим объемом памяти программ. В преддверии появления целой линейки мощных кристаллов семейства "mega" с развитой периферией, в норвежском исследовательском центре уже ведутся работы по созданию нового многоуровневого контроллера прерываний на кристалле AVR. Второй аппаратный узел представляет собой модуль управления тактированием

 

всего кристалла AVR - как  самого ядра, так и периферийных устройств. В существующих версиях AVR для выбора источника тактовой частоты используются fuse-биты, что возможно только на этапе программирования микроконтроллера. Это не всегда удобно, гораздо интереснее иметь возможность манипулировать источниками тактовой частоты в процессе работы приложения, под управлением программы. Новый аппаратный блок будет позволять динамическое переключение источника тактовой частоты внутри кристалла AVR без нарушения текущей работы последнего. [1, с.78]

1.3 Области применения  микроконтроллеров

Области применения AVR многогранны. Для семейства «тiny» - это интеллектуальные автомобильные датчики различного назначения, игрушки, игровые приставки, материнские платы персональных компьютеров, контроллеры защиты доступа в мобильных телефонах, зарядные устройства, детекторы дыма и пламени, бытовая техника, разнообразные инфракрасные пульты дистанционного управления.

Для семейства «сlassic» - это модемы различных типов, современные зарядные устройства, изделия класса Smart Cards и устройства чтения для них, спутниковые навигационные системы для определения местоположения автомобилей на трассе, сложная бытовая техника, пульты дистанционного управления, сетевые карты, материнские карты компьютеров, сотовые телефоны нового поколения, а также разнообразные промышленные системы контроля и управления.

Для «mega» AVR – это аналоговые и цифровые мобильные телефоны, принтеры и ключевые контроллеры для них, контроллеры аппаратов факсимильной связи и ксероксов, контроллеры  современных дисковых накопителей, CD-ROM и т.д. Широко используются микроконтроллеры семейства АТ90S.[2, с.121]

 

 1.4 Микроконтроллеры семейства AT90S их структура

AT90S4434/8535 являются восьмиразрядными CMOS микроконтроллерами с низким уровнем энергопотребления, основанными на усовершенствованной AVR   RISC архитектуре, в соответствии с рисунком 1.1.   Благодаря    выполнению   высокопроизводительных инструкций за один период тактового сигнала, AT90S4434/8535 достигают производительности, приближающейся к уровню 1 MIPS на МГц, обеспечивая разработчику возможность оптимизировать уровень энергопотребления в соответствии с необходимой вычислительной производительностью.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ядро AVR содержит мощный набор инструкций и 32 рабочих регистра

 общего назначения. Все 32 регистра напрямую подключены  к арифметико - логическому устройству, что обеспечивает доступ к двум независимым регистрам при выполнении одной инструкции за один такт. В результате, данная архитектура имеет более высокую эффективность кода, при повышении пропускной   способности,  вплоть до 10 раз , по сравнению со стандартными

микроконтроллерами CISC.

AT90S4434/8535 имеют:   4 Кбайт/8 Кбайт Flash - памяти с поддержкой

внутрисистемного программирования, 256/512 байт EEPROM, 256/512 байт SRAM, 32 линии I/O общего назначения, 32 рабочих регистра общего назначения, контроллер реального времени (RTC), три универсальных таймера/ счетчика с режимами сравнения, программируемый последовательный UART,

8-ми канальный, 10-ти  разрядный АЦП, программируемый  следящий таймер с встроенным  тактовым генератором и программируемый  последовательный порт SPI для загрузки  программ в Flash память, а также,  три программно выбираемых режима  экономии энергопотребления. Режим ожидания «Idle» останавливает CPU, но оставляет функционировать SRAM, таймер/ счетчики, SPI порт и систему   прерываний.  Режим    экономии   энергопотребления  «Power Down»