Микропроцессорные системы в радиоэлектронных устройствах - электрошокер

• ВХОДНОЙ модуль (модуль считывателя). Выполняет считывание состояния рукоятки переключения уровня напряжения, кнопки включения/выключения прибора, и кнопок для включения встроенного фонарика и встроенной сирены;
• ВЫХОДНОЙ модуль (сигнальный модуль). Включение/выключение визуальных (световых) и звукового сигналов.

Для части  функциональной спецификации ФУНКЦИИ  можно выделить пять различных модулей.

1. Модуль ОЖИДАНИЯ. Выполняет проверку состояния переключателя уровня напряжения и ожидание изменения его состояния, чтобы предпринять соответствующие действия.
2. Модуль ПРОВЕРКИ. Выполняет проверку состояния аккумулятора электрошокового устройства, определяет, какие действия должны быть предприняты по результатам проверки.
3. Модуль ВОССТАНОВЛЕНИЯ. Выполняет инициализацию системы (аппаратных и программных средств) при начальном включении (включение питания), переключение уровня напряжения.

После разбиения  на функциональные модули строится функционально-модульная  структура электрошокового устройства. Каждый из модулей размещается на одном из четырех уровней нисходящей иерархии. Так как микропроцессор является последовательным устройством, которое выполняет операции одну за другой, то на высшем уровне модульной структуры должна находиться управляющая функция, обеспечивающая последовательное исполнение системой других функций. Средства, необходимые для реализации управляющей функции содержит ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ модуль. ВХОДНОЙ модуль, ВЫХОДНОЙ модуль, располагаются на самом нижнем уровне. Модуль ВОССТАНОВЛЕНИЯ должен находиться на более низком уровне по отношению к модулю ПРОВЕРКИ и модулю ОЖИДАНИЯ. Полученная таким образом модульная структура электрошокового устройства показана на рис.4.

Рисунок 4 –  Функционально-модульная структура  электрошокового устройства

 

Каждый модуль состоит из набора функций, принадлежащих этому модулю. Способ распределения функций по конкретным модулям зависит от личного предпочтения разработчика. Если модуль содержит слишком много функций, он может быть разделен на несколько модулей. С целью упрощения несколько модулей, каждый из которых содержит небольшое число функций, могут быть объединены в один модуль. Модульная структура позволяет легко добавлять функции к системе, а также изменять или удалять часть системы в любой момент цикла ее проектирования.

Рассмотрим, как распределяются функции  по модулям электрошокового устройства.

1. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ модуль состоит из единственной управляющей функции.
2. ВХОДНОЙ модуль:

• считывание состояния рукоятки переключения уровня напряжения;

• считывание состояния переключателя включения\выключения прибора;
• считывание состояния переключателя включения\выключения встроенного фонарика;
• считывание состояния переключателя включения\выключения встроенной сигнализации;

3. ВЫХОДНОЙ модуль:

• включение/выключение световой индикации белого цвета;
• включение/выключение световой индикации зелёного цвета;
• включение/выключение световой индикации красного цвета;
• включение/выключение звуковой сигнализации.

4. Модуль ОЖИДАНИЯ:

• ожидание переключения режима уровня напряжения;

5. Модуль ПРОВЕРКИ:

• проверка состояния аккумулятора;

6. Модуль ВОССТАНОВЛЕНИЯ:

• инициализация системы при начальном включении (включение питания)

Полная  функционально-модульная структура  электрошокового устройства, включающая функции для каждого модуля, показана на рис.5.

Рисунок 5 –  Функционально-модульная структура  электрошокового устройства, включающая функции для каждого модуля

 

Рассмотрим  соотношение между аппаратными  и программными средствами электрошокового  устройства.

Функция управления устройством реализуется управляющей микроЭВМ в результате выполнения основной (управляющей) программы путем последовательного вызова функций соответствующих программных модулей системы.

 Ниже приведём схему связи между  аппаратными и программными средствами электрошокового устройства на рис.6.

Рисунок 6 –  Связь между аппаратными и  программными средствами электрошокового  устройства

 

 

4 ПРОЕКТИРОВАНИЕ АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ  СИСТЕМЫ

 

Как видно из рассмотренного выше, разрабатываемые в контрольной работе микропроцессорные системы по своей сути являются управляющими системами – основной функцией, реализуемой в них, является управление разнообразными объектами и процессами. Управляющая микропроцессорная система содержит микроЭВМ, устройства связи с объектом (с датчиками и исполнительными устройствами управляемого объекта) и периферийные устройства. Такие системы наиболее эффективно могут быть построены с помощью специализированных однокристальных микроЭВМ, ориентированных на выполнение функций управления, - однокристальных микроконтроллеров (в дальнейшем просто микроконтроллеры). Микроконтроллеры представляют собой приборы, конструктивно выполненные в виде БИС и включающие в себя все составные части обычной микроЭВМ: микропроцессор, память, а также программируемые интерфейсные схемы для связи с внешней средой. Использование микроконтроллера в управляющих системах обеспечивает достижение высоких показателей эффективности при очень низкой стоимости - во многих применениях система может состоять только из одной БИС микроконтроллера. Микроконтроллер характеризуется небольшой емкостью памяти, физическим и/или логическим разделением памяти программ (ПЗУ, флэш-память) и памяти данных (ОЗУ), упрощенной и ориентированной на задачи управления системой команд, простыми способами адресации команд и данных, а также специфической организацией ввода/вывода. Все это предопределяет область их использования в качестве специализированных вычислителей, включенных в контур управления объектом или процессом. Структурная организация, набор команд и аппаратно-программные средства ввода/вывода микроконтроллеров лучше всего приспособлены для решения задач управления и регулирования в приборах, устройствах и системах автоматики, а не для решения задач обработки данных. Микроконтроллеры не являются машинами классического фон-неймановского типа, так как память физически и/или логически разделена на память программ и память данных, что исключает возможность модификации и/или замены прикладных программ микроконтроллеров во время работы.

Типовая структура (рис. 7) системы управления, построенной на базе микроконтроллера, состоит из объекта управления, микроконтроллера и аппаратуры их взаимной связи.

Рисунок 7 – Структура цифровой системы управления на основе микроконтроллера

 

Микроконтроллер путем периодического опроса осведомительных слов (ОС) формирует  в соответствии с алгоритмом управления последовательность управляющих слов (УС). Осведомительные слова - это  сигналы состояния (СС) объекта, сформированные датчиками объекта управления, и  флаги. Выходные объекта, сформированные датчиками объекта управления, и флаги. Выходные сигналы датчиков вследствие их различной физической природы могут потребовать промежуточного преобразования на АЦП или на схемах формирователей сигналов (ФС), которые чаще всего выполняют функции гальванической развязки и формирования необходимых уровней сигналов.

Микроконтроллер с требуемой периодичностью обновляет управляющие слова  на своих выходных портах. Некоторая  часть управляющего слова интерпретируется как совокупность прямых двоичных сигналов управления (СУ), которые через схемы  формирователей сигналов (усилители мощности, реле, оптроны и т.п.) поступают на исполнительные устройства и устройства индикации. Другая часть управляющего слова представляет собой двоичные коды, которые через ЦАП воздействуют на исполнительные устройства аналогового типа. Если объект управления использует цифровые датчики и цифровые исполнительные устройства, то АЦП и ЦАП будут отсутствовать.

В состав аппаратуры связи может  входить регистр флагов, на котором  фиксируется некоторое множество  признаков как объекта управления, так и процесса работы микроконтроллера. Регистр флагов используется в качестве аппаратного средства реализации механизма взаимной синхронизации относительно медленных и асинхронных процессов в объекте управления и быстрых процессов в микроконтроллере. Регистр флагов доступен как микроконтроллеру, так и датчикам. Поэтом он является удобным местом фиксации сигналов «готов/ожидание» при передачах с квитированием, «запрос прерывания/подтверждение» при взаимодействии микроконтроллера и объекта в режиме прерывания.

Для аппаратной реализации временных  задержек, формирования сигналов требуемой  частоты и скважности используют программируемые таймеры.

В том случае, если их нет в микроконтроллере или их число недостаточно, программируемые таймеры включают в состав аппаратуры связи.

Функционирование системы на базе микроконтроллера полностью определяется прикладной программой, размещаемой в памяти программ микроконтроллера. Поэтому специализация системы типовой структуры на решение задачи управления конкретным объектом осуществляется путем разработки соответствующих прикладных программ и аппаратуры связи микроконтроллера с датчиками и исполнительными устройствами объекта.

Применение микроконтроллеров  в устройствах управления объектами  привело к кардинальным изменениям в разработке аппаратных средств микропроцессорных систем. Поскольку микроконтроллер представляет собой функционально законченную однокристальную микроЭВМ, то построение микропроцессорного Применение микроконтроллеров в устройствах управления объектами привело к кардинальным изменениям в разработке аппаратных средств микропроцессорных систем. Поскольку микроконтроллер представляет собой функционально законченную однокристальную микроЭВМ, то построение микропроцессорного блока полностью определяется выбранным типом микроконтроллера. Конкретный микроконтроллер допускает очень немного вариантов его системного включения, которые приводятся в фирменной технической документации. В свою очередь конкретный вариант включения выбранного микроконтроллера полностью определяется решаемой прикладной задачей (точнее методом ее решения). Таким образом, основным вопросом при проектировании микропроцессорного блока является выбор типа используемого микроконтроллера.

При выборе микроконтроллера необходимо определить:

• тип операций, используемых при решении прикладной задачи;
• емкость ОЗУ;
• емкость ПЗУ (флэш-памяти);
• необходимость использования функциональных преобразователей;
• число портов ввода/вывода и их назначение;
• число и тип запросов прерывания;
• необходимость использования таймера.

В каждом конкретном случае разработчик  должен определить, какая часть названных  средств и в каком объеме реализована  в том или ином типе микроконтроллера, т.е. в какой степени микроконтроллер  может удовлетворить поставленной задаче.

При выборе микроконтроллера важно правильно определить число и назначение портов ввода/вывода. Параметры и число портов ввода/вывода задаются особенностями внешних устройств, подключаемых к микроконтроллеру. Для подключения внешних устройств могут использоваться как последовательные, так и параллельные порты ввода/вывода.

Выбор современных микроконтроллеров  достаточно широк. В контрольной работе мы будем использовать микроконтроллер фирмы Microchip серии PIC16C5X (PIC16С56). Структурная схема микроконтроллера PIC16С56 показана на рис. 8.

 

Рисунок 8 –  Структурная схема микроконтроллера PIC16С56

По сигналу RESET, формируемому аппаратно или  программно, блок формирования команд начинает последовательно с тактовой частотой CLK (от внутреннего или внешнего тактового генератора) выбирать из встроенного ПЗУ и выдавать на выход 12 разрядные слова-команды. В зависимости от их назначения, команда может:

• активизировать рабочий регистр W путем записи в него 8-разрядной константы в зависимости от конкретного вида которой может быть активизировано либо АЛУ (и выполнится команда), либо изменится информация (биты) в регистре OPTION;
• являться 5-разрядным адресом (и активизировать по входу С) одного из регистров ОЗУ, разрешая ему взаимодействовать (читать или писать) с общей шиной (строго говоря, с рабочим регистром W);
• разрешать взаимодействовать (читать или писать) внутреннему регистру. Это бывает необходимо, т.к. при выполнении некоторых команд (например, btfsc, btfss) блоку формирования команд «надо знать» результат их выполнения (имеющийся на шине данных), для того чтобы выбрать одну из двух возможных следующих команд.