Структура і зміст курсового проекту

 

Зміст основних розділів курсового проекту визначається завданням на проектування. Завдання видається кожному студентові на першому або другому практичному занятті.

Курсовий проект складається з текстової і графічної частин. Текстова частина оформляється у вигляді пояснювальної записки.

Зміст пояснювальної записки може бути наступним:

Титульні листи (додаток Б).

Завдання на курсовий проект (додаток В).

Реферат.

Зміст.

Вступ.

1. Аналіз існуючих структур МПК.

2. Розробка структури МПК.

2.1. Розробка електричної структурної схеми.

2.2. Розробка електричної функціональної схеми.

3. Вибір і опис елементної бази МПК.

4. Розробка електричної принципової схеми.

5. Розробка конструкції МПК.

5.1. Друкована плата.

5.2. Складальне креслення.

6. Розрахунок параметрів аналого-цифрового перетворювача.

7. Програмне забезпечення.

Висновок.

Список використаних джерел.

Додатки (перелік елементів, текст програми, тощо).

 

Залежно від конкретного варіанту завдання в пояснювальну записку можуть бути введені додаткові розділи або деякі можуть бути виключені з даного переліку. Структура і зміст пояснювальної записки остаточно визначається викладачем.

Об'єм пояснювальної записки – 35-50 аркушів формату А4.

Графічна частина курсового проекту містить:

1. Структурну схему мікропроцесорного контролера (формат А2).

2. Схему електричну функціональну (формат А2).

3. Схему електричну принципову (формат А1).

4. Топологію друкованої плати (формат А2).

5. Складальне креслення (формат А2).

Можливе розміщення двох листів формату А2 на одному формату А1. Наприклад, структурна і функціональна схеми на одному листі формату А1, а друкована плата і складальне креслення – на іншому. Але, кожне креслення формату А2 повинне мати свою рамку і штамп.

2. УКАЗІВКИ З ВИКОНАННЯ КУРСОВОГО ПРОЕКТУ

 

При виконанні курсового проекту необхідно послідовно виконувати основні розділи пояснювальної записки, використовуючи рекомендовану літературу і методичні вказівки з проектування МПС.

У вступі слід відобразити застосування мікропроцесорних контролерів в системах автоматизації виробництва і інших сферах людської діяльності; указати мету і основні завдання курсового проекту.

У розділі аналіз існуючих структур мікропроцесорних контролерів необхідно розглянути і проаналізувати особливості, переваги і недоліки конкретних структур побудови існуючих мікропроцесорних систем управління. Для прикладу вибрати дві – чотири структури відомих промислових мікропроцесорних контролерів.

У розділі розробка структури МПК складається та описується структурна схема МПК на рівні основних блоків та зв’язків між ними. Відповідно до структурної схеми розробляється схема електрична функціональна. На відміну від структурної схеми показуються найбільш значущі сигнали шин адреси, даних і управління. Конкретизуються взаємозв'язки між блоками. Окремий значущий блок (або його частина), включається у функціональну схему у вигляді принципової.

У розділі вибору і опису елементної бази, відповідно до варіанту завдання на курсове проектування, описати на яких елементах реалізовуватимуться окремі блоки мікропроцесорного контролера. Необхідно навести призначення, короткі характеристики, опис виводів, умовні графічні позначення, режими роботи, типову схему включення, тип корпусу основних мікросхем. Для реалізації блоків, для яких не вказано у завданні конкретного типу мікросхем, зробити аргументований вибір цих елементів. Описати допоміжні мікросхеми, які необхідні для функціонування МПК.

У розділі розробка схеми електричної принципової на підставі вибору елементної бази і типових схем включення відповідних мікросхем спроектувати електричну принципову схему мікропроцесорного контролера. При розробці схеми передбачити відповідне джерело живлення і фільтри від перешкод по колах живлення. В процесі розробки електричної принципової схеми формується перелік елементів, який потім оформляється в додатку до курсового проекту.

Розділ розробка конструкції мікропроцесорного контролера складається з двох частин. У першому підрозділі проектується і описується топологія друкованої плати для обраних елементів і відповідних ним типів корпусів. У другому підрозділі описується складальне креслення і розташування елементів на друкованій платі. При необхідності вказуються способи кріплення елементів і відповідна площа на печатній платі.

У розділі розрахунок параметрів аналого-цифрового перетворювача необхідно розрахувати за заданими значеннями відповідно до варіанту похибку перетворення, число розрядів аналого-цифрового перетворювача та частоту дискретизації.

У розділі розробки програмного забезпечення описується алгоритм функціонування одного з блоків, укладається блок-схема алгоритму. На підставі блок-схеми розробляється програма, що реалізує даний алгоритм. За узгодженням з викладачем, можна вибрати блоки індикації, клавіатуру, аналого-цифровий перетворювач, цифроаналоговий перетворювач, лічильник-таймер, інтерфейс введення-виведення.

Висновок повинен містити висновки і оцінку отриманих результатів в цілому, з погляду відповідності їх завданню, порівняння результатів розрахунків і проектування в різних розділах пояснювальної записки.

Список використаних джерел містить перелік джерел, які необхідно розташовувати відповідно до посилань на них в тексті пояснювальної записки.

У додатках уміщується перелік елементів, тексти програм, структурні схеми мікроконтролера і інших мікросхем (при необхідності).

3. РЕКОМЕНДАЦІЇ ЩОДО ПРОЕКТУВАННЯ МІКРОПРОЦЕСОРНИХ КОНТРОЛЕРІВ.

 

Мікроконтролери або системи мікроконтролерів, призначені для автоматизації виробничих процесів або наукових досліджень, прийнято називати технологічними мікроконтролерами.

Найважливішими факторами розвитку сучасних технологічних мікропроцесорних контролерів (ТМПК) є опрацьовування архітектури і схемотехніки розподілених мікроконтролерних систем управління, розробка і промисловий випуск периферійних вузлів в інтегральному виконанні, розвиток засобів і методів програмування і налаштування ТМПК.

Стале зниження цін на персональні комп'ютери (РС) при значному підвищенні їх обчислювальної потужності і надійності дозволяє включати РС до складу різних ТМПК у якості потужних систем зберігання, документування і візуалізації інформації на найвищому рівні управління.

Так само зменшується вартість мікроконтролерів з одночасним розширенням номенклатури. Сучасні мікроконтролери характеризується високою продуктивністю, малими споживаними струмами при достатньо великих навантаженнях. Також підвищуються споживчі та експлуатаційні характеристики МК. Більшість мікроконтролерів середнього цінового діапазону мають вбудовану електрично програмовану flash-пам’ять програм і незалежну пам'ять даних, послідовні високошвидкісні канали передачі даних, декілька таймерів і розвинену систему переривань. У деякі мікроконтролери вбудовано 10—16-розрядні аналого-цифрові і цифроаналогові перетворювачі, аналогові компаратори, розвинена система захисту від зависань, WDT та інші корисні можливості.

У світі спостерігається глобальна тенденція до реструктуризації крупних виробничих і наукових установ і створення на їх основі малих виробничих фірм і науково-дослідних центрів. Водночас спостерігається зниження або повне припинення об'ємів централізованого фінансування автоматизації виробництва і наукових досліджень. Все це призводить до ще більшого прискорення процесів автоматизації, оскільки автоматизовані виробництва знижують кінцеву вартість продукції (або експериментів). Водночас прагнення до зниження витрат на автоматизацію спонукає до використання універсальних ТМПК, які можуть перенастроюватися на нові завдання швидко і з мінімальними витратами.

 

3.1. Вимоги до ТМПК

 

Аналіз тенденцій розвитку дозволяє сформулювати вимоги до складу функціональних модулів і конструктивного виконання центрального мікроконтролерного модуля ТМПК.

1. Центральний мікроконтролерный модуль (далі просто ядро) повинен мати можливість працювати під управлінням одного з наступних мікроконтролерів: Ат89с51/52/53/55/ 8252 і AT90S4414/8515в корпусі DIP40або Ат89сх051 і AT90S2313в корпусі DIP20. У останньому випадку допускається скорочення функціональних можливостей модуля. Крім того, допускається використання мікроконтролерів і в сучасніших корпусах у вигляді окремих модулів, що вставляються у слот на системній платі.

2. Ядро повинне мати супервізор живлення і сторожовий таймер (WDT)для захисту від зависань.

3. Ядро повинне містити швидкодіючу оперативну пам'ять (RAM)з паралельним доступом достатнього об'єму.

4. Ядро повинне містити таймер реального часу (RTC), бажано з паралельним доступом і вбудованою незалежною пам'яттю.

5. До складу ядра необхідно включити аналого-цифровий перетворювач (ADС) середньої швидкодії з розрядністю 12—16 двійкових розрядів і декілька цифроаналогових перетворювачів (DAC). Бажано, щоб вони були підключені через окремий додатковий інтерфейс, наприклад, послідовний приладовий інтерфейс (SPI), причому і основний, і додатковий інтерфейси повинні бути виведені на магістральний роз'єм.

6. Очевидно, що центральний модуль повинен мати максимально можливу кількість регістрів введення і виведення інформації, причому частина з них повинна мати гальванічну розв'язку.

7. Ядро ТМПКповинне мати максимально можливу кількість послідовних інтерфейсів (RS232C, RS485, SPI і т. д.) для роботи у складі CI-LAN, причому принаймні частина з них повинна мати оптичну ізоляцію.

8.Оскільки ядро орієнтоване на роботу у складі CI-LAN, в його склад повинен бути включений модифікатор (перемички або перемикачі) мережевої адреси.

9.Бажано, щоб ядро ТМПК було оснащене інтерфейсом для підключення інтелектуальних LCDабо LEDлокальних індикаторів.

10. Як основний магістральний інтерфейс ядра (з урахуванням вибраних типів мікроконтролерів) найбільш підходить скорочений модифікований інтерфейс І41 (MULTIBAS-I). Він повинен мати достатню кількість адресних ліній (адресний простір) для підключення додаткових модулів ТМПК, високу швидкодію і мінімальна кількість сигналів управління.

11. Елементна база ядра повинна мати достатньо високу швидкодію і низьке енергоспоживання.

12. Уся ТМПКповинна бути виконана відповідно до магістрально-мо-дульних принципів, тобто всі модулі, включно з ядром, повинні мати однакові розміри і магістральний роз'єм.

 

Функціональна схема ТМПК

 

Функціональна схема (рис. 3.1) містить наступні основні вузли:

Рис. 3.1 – Узагальнена функціональна схема мікроконтролерного модуля

 

1. Сокети для установки одного з наступних мікроконтролерів: АТ89с51/52/53/55/8252 і AT90S4414/8515в корпусі DIP40або АТ89с1051/2051/4051і AT90S2313в корпусі DIP20.

2. Супервізор живлення з схемою захисту від зависань WDT. Вихідсупервізора сполучений з входом RST мікроконтролера. Слід зазначити, що полярність сигналів RST різнадля мікроконтролерів серій х51 і AVR, отже, супервізор повинен забезпечувати видачу сигналів скидання обох полярностей і можливість вибору однієї з них. Один з входів супервізора сполучено з інтерфейсом RS232C з метоюзабезпечення можливості скидання ядра по цьому інтерфейсу. На вхід WDT повинні періодично подаватися імпульси запуску від мікроконтролера.

3.Інтерфейс RS232C.

4.Інтерфейс RS485.

5. Логіка управління інтерфейсами з оптичною ізоляцією одного або обох з них. Вона пов'язана з інтерфейсами 3 і 4 і мікроконтролером 1. Кількість зв'язків з мікроконтролером повинна бути мінімальною, при цьому функціональні можливості управління інтерфейсами бажано мати максимальними.

6. Шинний формувач даних магістралі.

7. Регістр-защіпка молодшого байта адреси.

8. Дешифратор адреси.

9. Регістр введення значень модифікатора Хс2. Модифікатор Хс2(і решта всіх роз'ємів, окрім Хс1)повинен бути виконаний у вигляді штирьового роз'єму типу PLD. Це дозволяє встановлювати на нього перемички для установки адреси, а якщо модифікатор адреси не використовується або використовується не повністю, на роз'єм може встановлюватися плаский кабель і входи роз'єму можуть використовуватися для інших цілей.

10. Регістр виведення даних через штирьовий роз'єм ХС3.

11. Регістр виведення даних через штирьовий роз'єм Хс4або оптично ізольованих даних через вузол оптронів 12 і штирьовий роз'єм Хс4. На парні контакти штирьового роз'єму Хс4дані надходять безпосередньо з виходів регістра 11, на непарні — через вузол оптронів 12. Таке рішення дозволяє з потреби вибирати довільну комбінацію ізольованих і неізольованих сигналів.

12. Вузол оптронів.

13. Регістр управління функціями вхідного аналогового комутатора 16 і операційного підсилювача 17, коефіцієнт підсилювання якого можна змінювати.

14. Швидкодіюча оперативна пам'ять з паралельним доступом.

15. Таймер реального часу з паралельним доступом і вбудованою незалежною оперативною пам'яттю.

16. Вхідний аналоговий мультиплексор для комутації вхідних сигналів аналого-цифрового перетворювача ADC (18).

17. Операційний підсилювач з можливістю вибору полярності сигналу і коефіцієнта підсилення.

18. Аналого-цифровий перетворювач ADC з розрядністю 12—16 двійкових розрядів і зв'язком по послідовному каналу SPI.

19. Здвоєний або вбудований цифроаналоговий перетворювач DACз розрядністю 10—8 двійкових розрядів і зв'язком по послідовному каналу SPІ.

Окрім перерахованих функціональних вузлів на функціональній схемі показано роз'єми: Хс1— роз'єм магістралі (може бути в метричному Снп59/96або дюймового виконання С96); Хс2— штирьовий роз'єм PLD-16, щовикористовується як модифікатор адреси або для подачі зовнішніх вхідних сигналів; ХСЗ— штирьовий роз'єм PLD-16, щовикористовується для видачі вихідних сигналів; Хс4 — штирьовий роз'єм PLD-20,що використовується для видачі вихідних оптично не розв'язаних або розв'язаних сигналів; Хс5— штирьовий роз'єм PLD-6, що використовується для видачі вихідних аналогових сигналів з DAC (19); Хс6— штирьовий роз'єм PLD-16, що використовується для видачі вихідних сигналів регістра 13 у випадку, якщо мультиплексори 16 і операційний підсилювач 17 не використовуються; Хс7 — штирьовий роз'єм PLD-16 для подачі вхідних аналогових сигналів на ADC(18) через мультиплексор 16 і операційний підсилювач 17; Хс8 і Хс9— два паралельно сполучених штирьових роз'єми PLD-10, для підключення до інтерфейсів RS232C і RS485.

Слід зазначити, що ряд сигналів управління на узагальненій схемі не вказано, оскільки їх остаточне призначення і джерело їх видачі буде визначено після вибору типів і схем включення всіх вузлів функціональної схеми (наприклад, не вказані оптично розв'язані входи, входи переривань, сигнали управління інтерфейсами, тощо).

4. Елементна база технологічного мікропроцесорного контролера