Подключение внешних устройств к микропроцессору

Микропроцессорные системы часто используются для управления устройствами, блоками или системами связи. При этом для больших и дорогих систем связи, таких как автоматические телефонные станции или коммутационные центры сотовых систем связи, в качестве микропроцессорного устройства может быть использован универсальный компьютер или группа компьютеров, объединенных локальной или глобальной сетью связи. Для дешевой и портативной аппаратуры применяются специализированные микропроцессорные устройства, в качестве которых чаще всего используется однокристальный микроконтроллер, представляющий собой полностью законченную управляющую микропроцессорную систему с ПЗУ, ОЗУ, последовательными и параллельными портами, АЦП и таймерами, размещенными внутри одной микросхемы. Именно такой вариант решения вопросов управления устройствами связи и рассматривается в данной книге.

Внешними устройствами называются любые устройства, которыми управляет, от которых получает, или которым передает информацию управляющая программа микропроцессора. В качестве внешних устройств для микропроцессора может выступать принтер или дисплей, клавиатура или модем, но для устройств связи в качестве внешних устройств чаще всего выступают микросхемы радио- или оптических приемников, радио- или оптических передатчиков (в том числе построенные на базе сигнальных процессоров), микросхемы синтезаторов частоты, исполнительные устройства или постоянные запоминающие устройства с электрическим стиранием.

Управление подобными устройствами осуществляется обычно через параллельные или последовательные порты. В предыдущих главах в качестве примера использования цифровой техники подробно описывалось внутреннее устройство последовательных портов. Немного позднее мы рассмотрим, как эти порты подключаются к микропроцессорной системе.

Согласование сигналов цифровых микросхем между собой не представляет трудностей, так как практически все современные цифровые микросхемы по входным и выходным напряжениям согласованы с TTL уровнями. Если же это не так, то для согласования нестандартных цифровых логических уровней с TTL уровнями выпускаются специальные микросхемы. Эти вопросы мы уже рассматривали подробно в самом начале данной книги. Несколько иначе обстоит дело с устройствами индикации и исполнительными устройствами.

Подключение различных типов индикаторов и расчет согласующих схем для этих устройств тоже был подробно рассмотрен при изучении основ цифровой техники. Несколько иначе выглядит схема подключения внешних исполнительных электромеханических устройств. Это связано с тем, что чаще всего такие исполнительные устройства являются индуктивной нагрузкой. В качестве примера можно назвать такие исполнительные устройства, как электромагнитное реле, шаговый двигатель или электромагнит, однако именно эти устройства и представляют максимальный интерес при разработке устройств управления.

Сложность при подключении таких устройств, как вы это помните из курса основ электротехники, заключается в том, что ток через индуктивность не может измениться мгновенно, поэтому при закрывании транзисторного ключа возникает напряжение самоиндукции, которое стремится сохранить предыдущее значение тока. Это приводит к тому, что чем больше отношение сопротивлений открытого и закрытого ключа, тем большее напряжение самоиндукции будет приложено к этому ключу. В результате, если не принять дополнительных мер защиты, то транзистор электронного ключа будет выведен из строя.

В простейшем случае для этой цели достаточно поставить диод, через который будет замыкаться ток самоиндукции. В качестве примера, на рис. 19.1 приведена схема транзисторного ключа, позволяющая подключать к микропроцессорной системе электромагнитное исполнительное реле. Диод VD1 в этой схеме служит для ограничения напряжения импульсов э.д.с. самоиндукции, которые могут вывести из строя силовой транзистор VT1.

Рис. 19.1. Подключение внешнего устройства с индуктивной нагрузкой

При закрывании транзисторного ключа, напряжение самоиндукции открывает диод VD1, и ток, протекавший ранее через открытый транзистор VT1, через этот диод замыкается на выводы индуктивной нагрузки. В результате напряжение на коллекторе транзистора VT1 увеличивается по сравнению с напряжением питания только на значение падения напряжения на открытом диоде. Расчет остальных элементов транзисторного ключа не отличается от расчета транзисторного ключа, приведенного в главе, посвященной схемам индикации.

Итак, в результате анализа устройств, которыми требуется управлять микропроцессорной системе, можно сделать вывод, что для управления всеми этими устройствами достаточно на выходе микропроцессорной системы создать логический уровень нуля или единицы. Это легко можно осуществить записью в соответствующий триггер параллельного регистра нуля или единицы, а это означает, что управление исполнительными устройствами сводится к записи определенной комбинации нулей и единиц в особые ячейки памяти микропроцессора. Так как они осуществляют связь между микропроцессорным устройством и внешним миром, то эти ячейки памяти получили название — порты.

Для успешного управления системами связи, кроме формирования управляющих воздействий, микропроцессорной системе требуется постоянно получать информацию об изменении внешней ситуации, режимов работы системы, а также информацию об исполнении управляющих команд.

При вводе информации из внешнего устройства возникают проблемы, подобные проблемам, возникающим при управлении исполнительными устройствами. Источники дискретной или аналоговой информации могут иметь различную физическую природу. Они могут находиться на значительном расстоянии от управляющей системы, иметь различное напряжение питания, но их данные должны быть безошибочно считаны управляющей программой микропроцессорной системы. Практически всегда при работе с внешними датчиками требуется гальваническая развязка между датчиками и управляющей микропроцессорной системой.

Для решения указанных проблем все датчики обычно выполняются так, что с точки зрения электрической схемы представляют собой контакты, работающие на замыкание и размыкание. При этом не важно, являются ли эти контакты механическими, или представляют собой транзисторы с оптической или какой-либо другой развязкой.

В результате подобного подхода схема подключения практически любого датчика и механической кнопки не различаются. Со стороны микропроцессорного устройства необходимо преобразовать замыкание/размыкание контактов в логические уровни, необходимые для правильной работы его управляющей программы. Эту функцию выполняет схема, приведенная на рис. 19.2.

Рис. 19.2. Подключение источника дискретной информации с гальванической развязкой

В данной схеме при разомкнутых контактах датчика K1 напряжение от источника питания поступает непосредственно на вход цифрового устройства (в рассматриваемом случае — микропроцессорной системы). Так как входной ток этого устройства практически равен нулю, то и падения напряжения на резисторе R не происходит. В результате на вход микропроцессорного устройства поступает потенциал источника питания — уровень логической единицы.

При замыкании контактов датчика K1 через них будет протекать ток, ограниченный сопротивлением R1. На этом сопротивлении возникает падение напряжения DU = I_конт×R 1 = U_п/ (R 1+ R_конт)× R 1 » U_п. В результате на входе микропроцессорного устройства напряжение уменьшится до потенциала корпуса, и будет определяться падением напряжения на сопротивлении замкнутых контактов. При опросе этого вывода порта управляющей программой микропроцессора будет определен уровень логического нуля.

Итак, для ввода информации о состоянии системы в микропроцессорную систему, управляющей программе достаточно просто прочитать соответствующую ячейку памяти, то есть этот процесс с точки зрения программы практически не отличается от процесса управления внешними объектами.

Ну, а теперь, после того, как были рассмотрены вопросы, для чего нам требуется микропроцессорная система и как она взаимодействует с окружающей эту систему аппаратной средой, можно перейти к рассмотрению ее внутреннего устройства. Пожалуй, одним из самых значительных событий в развитии микропроцессорной техники было создание системной шины, позволяющей передавать информацию между различными блоками микропроцессорной системы.

Системная шина

Системная шинапредназначена для обмена информацией между микропроцессором и любыми внутренними устройствами микропроцессорной системы (контроллера, сигнального процессора или компьютера). В качестве обязательных устройств, которые входят в состав любой микропроцессорной системы, можно назвать такие устройства как ОЗУ, где хранятся обрабатываемые данные, ПЗУ в котором обычно хранится управляющая программа и таблицы перекодировки, таймер, позволяющий микропроцессорной системе работать в реальном времени, и порты ввода-вывода, осуществляющие обмен данными с внешней средой. Структурная схема простейшей микропроцессорной системы, включающей перечисленные устройства, приведена на рис. 19.3.

Рис. 19.3. Структурная схема простейшей микропроцессорной системы

В состав системной шины, в зависимости от конкретного типа микропроцессора, входит одна или несколько шин адреса, одна или несколько шин данныхи шина управления. Несколько шин данных и адреса применяется для увеличения производительности системы и используется, как правило, в сигнальных процессорах. В универсальных процессорах и контроллерах обычно применяется одна шина адреса и одна шина данных даже при использовании микропроцессора, построенного по гарвардской структуре.

Иногда шину адреса и шину данных совмещают для экономии внешних выводов микропроцессора. При этом через одни и те же выводы поочередно передаются адреса и данные, однако в дальнейшем адреса и данные снова разделяют либо сразу же около микропроцессора, либо внутри микросхем ОЗУ и ПЗУ.

По шине данныхинформация передается либо к процессору, либо от процессора в зависимости от операции (записи или чтения), выполняемой микропроцессором в данный момент времени.

В любом случае все сигналы, необходимые для работы системной шины, формируются или опрашиваются микросхемой процессора, как это рассматривалось в предыдущей главе при изучении внутреннего устройства его операционного блока. Это означает, что без микропроцессора системная шина функционировать не может. Более того, когда в микропроцессорной системе говорят об операции чтения, то предполагается что это именно микропроцессор читает данные, если в этой системе говорят об операции записи, то запись данных осуществляет опять же микросхема микропроцессора.

Иногда, для увеличения скорости обработки информации, функции управления системной шиной берет на себя отдельная микросхема (например, контроллер прямого доступа к памяти или сопроцессор), и тогда операции записи или чтения будет осуществлять именно эта микросхема. В современных микроконтроллерах или сигнальных процессорах контроллер прямого доступа к памяти или сопроцессор могут находиться непосредственно в составе микросхемы сигнального процессора или микроконтроллера.