Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения»

Кафедра «Автоматика, телемеханика и связь»

В.А. Разуваев, П.А. Степанович

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ

Учебно-методическое пособие по выполнению лабораторных работ

Хабаровск, Издательство ДВГУПС, 2020

Аннотация

Разуваев, В. А. Микропроцессорные информационно-управляющие системы: сборник лабораторных работ / В. А. Разуваев, П. А. Степанович. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2020. 56 с. : ил.

Соответствует рабочим программам дисциплин «Основы микропроцессорной техники» и «Микропроцессорные информационно-управляющие системы». Сборник лабораторных работ соответствует ФГОС ВО по специальности 23.05.05 «Системы обеспечения движения поездов», по направлению 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи».

Рассмотрены основные теоретические положения, изложены задания, порядок и методика выполнения лабораторных работ по изучению основ микропроцессорных информационно-управляющих систем на разработанном лабораторном макете «Микропроцессорной технологии», основанном на микроконтроллере ATmega16 семейства AVR, приводится примеры написания программ и подпрограмм на языке Ассемблер.

ВВЕДЕНИЕ

Микропроцессорные системы являются значимыми элементами всех отраслей промышленности. Использование данных систем позволяет создавать более сложные алгоритмы логического управления при значительном снижении размеров и стоимости управляющих устройств.

Курс изучения микропроцессорных информационно-управляющих систем предполагает освоение обучающимися базовых навыков работы с однокристальными микроконтроллерами: структуры микроконтроллера, логики его работы, написание программ, программирование микроконтроллера. Для изучения предлагается AVR микроконтроллеры компании Microchip.

Для подробного изучения структуры и логики работы микроконтроллера предлагается написание управляющих программ на языке Ассемблер. В сборнике приведены теоретические сведения, задания на лабораторные работы, а также примеры написания алгоритмов и подпрограмм.

1. Общие сведения о микроконтроллере ATmega16

1.1. Архитектура AVR микроконтроллера ATmega16

В микроконтроллерах AVR семейства Mega реализована Гарвардская архитектура, в соответствии с которой разделены не только адресные пространства памяти программ и памяти данных, но также и шины доступа к ним. [IMAGE_1]

Поскольку микроконтроллеры AVR имеют 16-битную систему команд, объем памяти программ на рис. указан не в байтах, а в 16-битных словах. Символ «$» перед числом означает, что это число записано в шестнадцатеричной системе счисления.

1.2. Память данных

Память данных микроконтроллеров семейства Mega разделена на три части: регистровая память, оперативная память (статическое ОЗУ) и энергонезависимое ЭСППЗУ (EEPROM).

1.2.1. Регистры общего назначения

Регистры общего назначения (РОН) — ячейки памяти, предназначенные для хранения данных (операндов), используемых для выполнения арифметико-логических операций. В микроконтроллерах AVR имеется 32 регистра общего назначения. [IMAGE_2] [IMAGE_3]

1.2.2. Регистры ввода/вывода

Все регистры ввода/вывода (РВВ) условно можно разделить на две группы: служебные регистры микроконтроллера и регистры, относящиеся к конкретным периферийным устройствам. Для чтения РВВ используется команда IN, для изменения содержимого предназначена команда OUT. [IMAGE_4]

Таблица 1.1. Биты регистра состояния SREG

Бит	Название	Описание
7	I	Общее разрешение прерываний
6	T	Хранение копируемого бита
5	H	Флаг половинного переноса
4	S	Флаг знака
3	V	Флаг переполнения дополнительного кода
2	N	Флаг отрицательного значения
1	Z	Флаг нуля
0	C	Флаг переноса

1.2.3. Оперативная память. Стек

Оставшийся объем оперативной памяти используется в качестве стека, а также для временного хранения данных и организации массивов данных. Он работает в порядке LIFO (Last In, First Out).

1.3. Память программ

Память программ предназначена для хранения команд, управляющих работой микроконтроллера, а также для хранения таблиц констант.

1.4. Организация переходов в памяти программ. Подпрограммы.

Для организации переходов между непоследовательными строками программы используются команды относительного и абсолютного перехода RJMP и JMP соответственно.

2. Лабораторная работа №1: «Работа с памятью EEPROM микроконтроллера ATmega16»

Цель работы: изучить базовые инструкции процессоров AVR, освоить принципы работы с РОН и памятью EEPROM.

2.1. Теоретические сведения

Память EEPROM используется для сохранения пользовательских настроек при снятии электропитания с устройства. Для адресации ячеек используются регистры EEARH и EEARL.

2.2. Задания на лабораторную работу №1

Студент должен выбрать вариант в соответствии с порядковым номером списка группы. Задания включают пересылку массивов, работу с семисегментными индикаторами, логические операции и работу с EEPROM.

3. Лабораторная работа №2: «Работа с портами ввода/вывода микроконтроллера ATmega16»

3.1. Теоретические сведения

3.1.1. Порты ввода/вывода

Микроконтроллер ATmega16 имеет 4 цифровых восьмиразрядных порта ввода/вывода.

[IMAGE_7] [IMAGE_8]

Таблица 3.1. Конфигурации контактов портов ввода/вывода

DDxn	PORTxn	PUD	Функция вывода	Резистор
0	0	X	Вход	Отключен
0	1	0	Вход	Подключен
0	1	1	Вход	Отключен
1	0	X	Выход	Отключен
1	1	X	Выход	Отключен

3.1.2. Структура программы. Прерывания

Под прерыванием понимают приостановку выполнения основной программы для выполнения подпрограммы обработки прерывания. [IMAGE_9]

[IMAGE_11] [IMAGE_12] [IMAGE_13] [IMAGE_14] [IMAGE_15] [IMAGE_16] [IMAGE_17] [IMAGE_18] [IMAGE_19]

[IMAGE_21] [IMAGE_22] [IMAGE_23]

[IMAGE_25]

4. Лабораторная работа №3: «Опрос матричной клавиатуры микроконтроллером ATmega16»

4.1. Теоретические сведения

Матричная архитектура подразумевает группировку кнопок, при которой один из контактов подключается параллельно контактам кнопок, расположенных в одной строке, а второй контакт подключается параллельно контактам кнопок, расположенных в одном столбце. [IMAGE_26] [IMAGE_27]

4.2. Задания на лабораторную работу №3

Задания включают разработку программ для отображения нажатых клавиш, записи данных в EEPROM и управления светодиодными модулями.

5. Лабораторная работа №4: «Изучение встроенного АЦП микроконтроллера AVR»

5.1. Общие сведения

Микроконтроллер ATmega16 оснащен 10-разрядным аналого-цифровым преобразователем последовательного приближения. [IMAGE_28] [IMAGE_29] [IMAGE_30] [IMAGE_31] [IMAGE_32]

5.3. Задание на лабораторную работу №4

Разработать программу измерения температуры воздуха в аудитории с помощью делителя напряжения на основе NTC термистора.

6. Лабораторная работа №5: Обмен данными между микроконтроллерами с помощью радиомодуля nRF24L01+

6.1. Теоретические сведения

6.1.1. Последовательный периферийный интерфейс (SPI)

SPI представляет собой четырехпроводную синхронную шину, предназначенную для последовательного обмена данными между микросхемами.

6.1.2. Радиомодуль nRF24L01+

Микросхема nRF24L01+ оснащена встроенным конечным автоматом, который управляет переходами между режимами микросхемы.

6.2. Задание на лабораторную работу №5

Разработать программу радиопередающего устройства на основе радиомодуля nRF24L01+.

7. Лабораторная работа №6 «Передача динамически изменяемых данных между микроконтроллерами с помощью радиомодуля nRF24L01+»

7.1. Задание на лабораторную работу №6

Разработать программу радиоприемного устройства на основе радиомодуля nRF24L01+ под управлением микроконтроллером ATmega16. Принимать значения напряжения от АЦП передающего стенда, преобразовывая в значения температуры.

Библиографический список

1. Евстифеев, А.В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega. Руководство пользователя / А.В. Евстифеев. Москва : Додэка XXI, 2015. 588с.
2. Техническое описание микроконтроллера ATmega16 // сайт компании Microchip. – URL : http://www.microchip.com.
3. Техническое описание микросхемы nRF24L01+ // сайт компании Nordic Semiconductor. – URL : http://www.nordicsemi.com/

Приложение: Пример оформления текста программы на языке Ассемблер

Пример включает директивы, организацию памяти, таблицу векторов прерываний, инициализацию портов, таймеров и подпрограммы обработки прерываний.