Введення
Одним з основних факторів, що визначають темпи науково-технічного прогресу в сучасному суспільстві, є вдосконалення засобів електронної обчислювальної техніки, методів та темпів їх виробництва, а також насиченість ними навчальних, виробничих, проектних і конструкторських установ.
Створення нового виду ЕОМ - складний взаємопов'язаний і багатофакторний процес. Він виконується в кілька етапів колективом вчених, інженерів і техніків різних спеціальностей. Основними етапами розробки нової ЕОМ є:
1) Проведення науково-дослідних робіт (НДР), що підтверджують можливість створення виробу;
2) Дослідно-конструкторська розробка (ДКР), що включає в себе наступні стадії:
технічне завдання;
аванпроект або технічна пропозиція;
ескізний проект;
технічний проект;
розробка робочої документації;
виготовлення та випробування дослідного зразка;
експлуатація.
На перших етапах ДКР, крім розробки документації, проводяться також дослідження. Колектив творців нового виду ЕОМ умовно прийнято ділити на три групи фахівців: розробники, конструктори й технологи.
Розробники визначають ідеологію побудови ЕОМ, її призначення і функції, розробляють структуру, а також визначають функції пристроїв, елементну базу ЕОМ, розробляють логічну і схемну частина машини, математичне забезпечення.
Конструктори здійснюють конструктивне виконання ЕОМ і її складальних одиниць, використовуючи схемно-технічні рішення, прийняті розробниками.
Технологи розробляють технологічні процеси виготовлення компонентів і самої ЕОМ, а також необхідну для виробництва оснащення та спеціальне обладнання.
Процес конструювання ЕОМ складається з двох основних взаємопов'язаних стадій.
Перша стадія включає розробку, узгодження та затвердження технічного завдання, підбір матеріалів та складання технічної пропозиції; розробку ескізного, а потім і технічного проекту; вибір системи математичного забезпечення.
Друга стадія, звана робочим проектом, включає розробку робочої конструкторської документації для виготовлення дослідних зразків, експлуатаційної документації, систему математичного забезпечення і безпосереднє виготовлення та випробування дослідних зразків.
Під час випробувань підтверджується відповідність зразків технічним завданням (ТЗ) та конструкторської документації, яка характеризує всі його параметри. Під час випробувань підтверджуються також засоби системи математичного забезпечення.
Після коригування за результатами виготовлення та випробувань дослідного зразка документація передається на завод для серійного виготовлення ЕОМ. Кожен етап конструювання визначає склад і форму конструкторської документації, якої присвоюються відповідні літери.
Виготовлення контрольної серії ЕОМ ведеться тільки по зафіксованому і повністю оснащеного технологічного процесу.
Підвищення якості та економічності виробництва багато в чому залежить від рівня автоматизації технологічного процесу. Передумови для широкої автоматизації виробництва елементів і блоків ЕОМ забезпечуються високим рівнем технологічності конструкції, широким впровадженням типових і групових технологічних процесів, а також засобів автоматизації.
Автоматизація розвивається в напрямку від автоматизації окремих операцій (пайка, зварювання) до широкого використання автоматизованих ліній.
Особливістю виробництва ЕОТ є також велика трудомісткість контрольних операцій. На окремих підприємств кількість контролерів досягає до 30-40% від загального числа робітників. Використовують такі методи контролю: ручний, неруйнівний, активний.
Продуктивність ручного контролю вкрай низька і не відповідає сучасним вимогам. Тому виникла необхідність у створенні високопродуктивних методів контролю з використанням ЕОМ і автоматичних вимірювальних пристроїв. Важливе значення набули методи неруйнівного контролю, якому можна піддавати 100% виробів на всіх стадіях виробництва. Досить ефективні активні методи контролю, при яких перевіряються режими технологічного процесу, і виключається можливість появи браку. Такий контроль здійснюється по ходу технологічного процесу і полегшує введення автоматизованих систем управління технологічними процесами (АСУТП) з застосуванням ЕОМ.
Повне вирішення проблеми якості можливе лише на основі системного підходу до планування, організації, управління проектно-конструкторськими роботами, виробництва, випробувань та експлуатації.
У світлі вищевикладеного в даному курсовому проекті розробляється діючий макет, орієнтований на вивчення та набуття навичок розробки пристроїв для програмування і налагодження програм на мікроконтролерах фірми Microchip.
1. Обгрунтування вибору схеми та елементної бази УПМ
УПМ побудований на таких основних елементах і пристроях
Рис. 1. Умовно-графічне позначення мікропроцесора БІС PIC16F877
Основні параметри БІС:
Технологія - КМОП
Шина даних - 8 біт
Тактова частота - до 20 МГц
Потужнострумові лінії вводу / виводу: 25 ма
FLASH пам'ять програм до 8K x 14 слів
Пам'ять даних (ОЗУ) до 368 x 8 байт
ЕСППЗУ пам'ять даних до 256 x 8 байт
Кількість переривань - 14
Напруга харчування - 2,0 ... 5,5 В
Низьке споживання енергії:
- <2 мА при 5 В, 4 МГц
- 20мкА (типове значення) при 3 В, 32 кГц
- <1 мкА (типове значення) у режимі STANDBY
Рис. 2. Умовно-графічне позначення ОЗУ БІС DS1230
Основні параметри ОЗУ:
Об'єм пам'яті 32 Кбіт х 8
Uпит .= 5В
Uвх = 0,45 ... 2,4 У
U вих .= 0,5 ... 2,7 У
Кількість вихідних станів - 3
Рис. 3. Умовно-графічне позначення логічного елемента «2И»
Основні параметри логічного елемента:
Номінальна напруга живлення - 5В ± 10%
Вихідна напруга низького рівня - 0,4 B
Вихідна напруга високого рівня 2,5 B
I спож, 0 »= ≤ 4 мА
I спож, 1 »= ≤ 2,4 мА
I вх, 0 »= ≤ / -0,1 / мкА
I вх, 1 »= ≤ 20 мкА
Час затримки розповсюдження
сигналу при включенні - <15 нс
Час затримки поширення сигналу при вимиканні - <54 нс
Ємність входу - <5 пФ
Ємність виходу - <7 пФ
Маса не більше 1 г
ІМС КР1533ЛІ2.
Рис. 4. Умовно-графічне позначення логічного елемента "НЕ" ІМС КР1533ЛН1
Основні параметри логічного елемента:
Номінальна напруга живлення - 5В ± 10%
Вихідна напруга низького рівня - ≤ 0,5 B
Вихідна напруга високого рівня - ≥ 2,5 B
I спож, 0 »= ≤ 3,8 мА
I спож, 1 »= ≤ 1,1 мА
I вх, 0 »= ≤ / -0,2 / мкА
I вх, 1 »= ≤ 20 мкА
Час затримки розповсюдження
сигналу при вимиканні - ≤ 12 нс
Ємність входу - ≤ 5 пФ
Маса не більше 1 г
Основні параметри
стабілізатора напруги:
U вих max = 15В
U вих перед. = 20В
I потр при U вх = 15В -10 мА
I вих = 10мА
I вих max = 2А
Статичний потенціал - 2000 В
MAX розсіює потужність:
- Т к = -45 ° ... +70 ° С - 10 Вт
- Т к = +100 ° С - 5 Вт
- Т окр.ср = -45 ° ... +100 ° С
Рис. 5. Умовно-графічне позначення стабілізатора напруги ІМС КР142ЕН5А
З представлених параметрів, видно, що дана елементна база є доступною, надійною, має малу споживану потужність, високу швидкодію, малі струм споживання і напруга живлення. Це і зумовило вибір даної елементної бази.
Застосування мікропроцесорів і мікроконтролерів у пристроях електроніки має в останні роки масовий характер, що супроводжується стрімким зростанням «інтелектуальності» створюваних приладів. У таких пристроях на розробку і налагодження робочого програмного забезпечення витрачається багато часу. Без використання досить ефективних налагоджувальних засобів цей процес складний і непередбачуваний. Через нерозривному зв'язку програмного забезпечення та апаратури необхідно приділяти особливу увагу етапу налагодження програм безпосередньо на реальному «залізі» при робочих тактових частотах. Все це стимулює потребу в ефективних, універсальних, зручних і доступних широкому колу користувачів інструментальних засобах для налагодження робочих програм і діагностики несправностей мікропроцесорної та микроконтроллерной апаратури.
Цей пристрій для програмування і налагодження програм являє собою плату розширення, яка може бути встановлена в будь-який вільний LPT-порт, який працює на тактовій частоті 0-99 Гц і призначена для програмування пристроїв через інструментально РС-сумісний комп'ютер, в зручному для користувача вигляді. Програмування макета здійснюється за допомогою програматора Р16РRО через роз'єм Х6.
Основні технічні характеристики УПМ:
Напруга живлення: +12 В.
Струм споживання, не більше: 250 мА.
Частота сигналу, поданого на вхід: 0-99 Гц.
Вхід для аналогового сигналу: Х1.
Вхід для цифрового сигналу: Х4.
Індикація POST кодів: в шістнадцятковому вигляді, один байт.
Індикація сигналів зі входів Х1, Х4 шини: RA (0-3) (ліва точка індикатора), RD (0-7) (права точка індикатора).
Індикатори наявності напруги живлення Х3, Х5: +5 В; +12 В;-12В; +3.3 В. Розмір друкованої плати: 112 х 90 мм.
Розроблюваний макет також може використовуватися в якості універсального програмованого модуля для розробки різних РЕУ, а також в якості вимірювального контролера годин, датчиків температури та інших подібних додатків побутової техніки та автоматики. Крім того, зручний у застосуванні, доступний широкому колу користувачів. Можливе використання УПМ у навчальних процесах за курсом: «Вивчення і придбання досвіду програмування і відладки програм» для лабораторних робіт, що й зумовило вибір схеми.
2. Опис роботи УПМ за схемою електричної структурної
Схема електрична структурна УПМ, представлена на 11 аркуші, складається з наступних пристроїв.
Мікропроцесор PIC 16F877, що має вбудовані модулі АЦП, сигналу з ШІМ модуляцією, внутрішнього таймера, FLASH-пам'ять даних і т.д. Він забезпечує виконання всіх операцій по введенню, обробці і виводу даних через будь-які доступні порти і інтерфейси.
Програматор Р16PRO призначений для програмування макета через роз'єм Х6, що підключається до LPT-порту інструментального РС-сумісного комп'ютера.
Стабілізатор служить для стабілізації напруги живлення, що здійснюється через роз'єм Х9 від зовнішнього джерела напругою +12 В і струмом 250 мА.
Оптрон використовується для розв'язки цифрового сигналу, що надходить через роз'єм Х4.
Семисегментні індикатори HG1-HG4, підключені до висновків портів RA (0-3) і RD (0-7).
П'єзоелектричний випромінювач ВА1 для формування звукових сигналів. Також макет містить вхідний роз'єм аналогового сигналу Х1, вихідний роз'єм сигналу з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ) Х2. Управління макетом здійснюється кнопками SB1, SB2, SB3 і тумблером SA1, призначеним для зупинки і скидання мікроконтролера. Через роз'єм Х7 здійснюється передача по інтерфейсу I 2 C. Перемичка J2 призначена для підключення фільтра на виході ШІМ, а J1 - для установки напруги, необхідного для програмування PIC на слотах Х3, Х5.
У макеті передбачена можливість розширення пам'яті даних шляхом підключення мікросхем ОЗУ безпосередньо до його шинам через роз'єм розширення Х8, а також слоти Х3 і Х5 для програмування мікроконтролерів серій 12ХХ і 16ХХ.
Розглянемо роботу схеми електричної принципової УПМ, представленої на аркуші 15, в позитивній логіці (рівень логічної одиниці U1 = 2,4 В, рівень логічного нуля U0 = 0,45 В).
Сигнали з ZQ1 (кварцового резонатора) надходять на входи OSC1 і OSC2 МП (DD2 БІС PIC16F877) (висновки 14, 15). МП забезпечує виконання операцій по введенню, обробці і виводу даних через будь-які доступні порти і інтерфейси. Від МП з висновків RA (0-3) і RD (0-7) по магістралях дані надходять на семисегментні індикатори HG1-HG4. З контактів 21,22,23,24,30,31,32,33 дані з МП надходять в роз'єм розширення (Х8) на висновки D (0-7). З МП з контактів 3,4,5,6 дані надходять в роз'єм розширення (Х8) на висновки А (0-3). З висновків RE (0-2) дані надходять з МП в роз'єм розширення (Х8) на висновки Е (0-2). З виведення 37 дані надходять на п'єзоелектричний випромінювач для формування звукових сигналів. З висновків RC (0-7) дані з МП надходять на висновки З (0-7) роз'єму розширення. На вхідних роз'єм (Х1) надходить аналоговий сигнал, на вихідний роз'єм (Х2) - сигнал з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ), а на роз'єм Х4 надходить цифровий сигнал, для розв'язки якого використовується оптрон (DD1).
Для управління пристроєм використовуються кнопки (SB1, SB2, SB3), які встановлюються програмно. Дані від них надходять в МП на висновки 36,41,42. З тумблера (SA1) сигнали надходять в МП на висновок MCLR для зупинки і скидання МП. Передача даних по інтерфейсу I 2 C здійснюється сигналами, які надходять на висновки 20 і 25 МП з роз'єму Х7. Програмування пристрою здійснюється за допомогою програматора P16PRO через роз'єм Х6, що підключається до LPT-порту інструментального РС-сумісного комп'ютера. Частотомір вимірює частоту сигналу, поданого на вхід Х4 (вхід PIC - RA4), в межах 0-99 Гц. Сигнали напруги харчування з роз'єму Х9 надходять на вхід стабілізатора напруги DA1. Для харчування необхідний зовнішній джерело напругою +12 В і струмом 250 мА. Роботу схеми електричної принципової пояснюють таблиця істинності і тимчасові діаграми.
Таблиця 1
№ | RА0 RА3 | RD0 RD7 | RB0 RB7 | RC0 RC7 | A0 A3 | D0 D7 | c0 C7 | RD | WR | RX | PME | RST |
1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 |
2 | 1 | 0 |