Цифровая и микропроцессорная техника в управлении

ЦИФРОВАЯ И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА В УПРАВЛЕНИИ
МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ
Первые контроллеры появились в 1971 году (патент фирмы Texas Instruments, предложившей использовать на одном кристалле процессор, память и устройства ввода/вывода).
Микроконтроллер - микросхема, предназначенная для управления различными электронными устройствами.
Отличается от микропроцессора тем, что объединяет на одном кристалле (в одном корпусе) процессор, память (ОЗУ и/или ПЗУ) и периферийные устройства (порты ввода/вывода, таймеры/счетчики, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, широтно-импульсные модуляторы и другие).
ЦИФРОВАЯ И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА В УПРАВЛЕНИИ
По существу представляет собой однокристальную микро-ЭВМ (сейчас термин «однокристальная микро-ЭВМ» практически не используется), рассчитанную для решения задач управления.
Термин контроллер (controller) используется в технике для обозначения управляющих устройств.
Работой микроконтроллера управляет программа — последовательность команд, заранее загруженная в память.

ЦИФРОВАЯ И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА В УПРАВЛЕНИИ
МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ ARM
ARM
Advanced RISC Machines
RISC
Reduced Instruction Set Computer
архитектура процессоров с “сокращённым” набором команд. RISC архитектура получила широкое распространение за счет сочетания высокой производительности и низкого энергопотребления.
К числу широко используемых в управлении можно отнести ARM микроконтроллеры семейства CORTEX.
CORTEX
Семейство процессоров ARM

ЦИФРОВАЯ И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА В УПРАВЛЕНИИ
ПАМЯТЬ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА
Для хранения исполняемого кода программ используется flash память (ROM), называемая также памятью программ. Эта память является энергонезависимой.
Различные изменяющиеся данные, используемые программой во время ее выполнения, хранятся в оперативной памяти (RAM), она же память данных (ОЗУ). Эта память не является энергонезависимой. Данные в ней сохраняются только при включенном питании микроконтроллера.
Для хранения постоянных данных (редко изменяющихся) используется память EEPROM. Эта память энергонезависимая. В некоторых микроконтроллерах (в частности ARM Cortex) она не имеет своего физического носителя. В этом случае она эмулируется программно, а в качестве физического носителя используется flash память.
ROM
RAM
EEPROM

ЦИФРОВАЯ И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА В УПРАВЛЕНИИ
ИНТЕРФЕЙСЫ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА

ЦИФРОВАЯ И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА В УПРАВЛЕНИИ
МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ. ЦЕПИ ПИТАНИЯ
Защита от переполюсовки
ЗАЩИТА ОТ ПЕРЕПОЛЮСОВКИ

ЦИФРОВАЯ И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА В УПРАВЛЕНИИ
МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ. ЦЕПИ ПИТАНИЯ
ЗАЩИТА ОТ ПЕРЕПОЛЮСОВКИ
Защита, выполненная на диоде, характеризуется простотой исполнения и невысокой стоимостью. К недостаткам следует отнести падение напряжения на диоде и большие потери энергии на тепло. Это делает ее практически не пригодной к использованию в мобильных системах, требовательных к энергоресурсу.
Защита, выполненная на полевых транзисторах, не имеет указанных выше недостатков. Получила наибольшее распространение в различных электронных системах, в том числе и микропроцессорных. По отношению к первому варианту является более дорогостоящей как по элементной базе, так и по разработке.
Защита, выполненная на реле, не имеет недостатков первого варианта. Главным недостатком по отношению к первым двум защитам является ограниченный срок жизни реле (количество циклов замыкания/размыкания). Может оказаться не приемлемой к использованию в слаботочных малогабаритных устройствах.

ЦИФРОВАЯ И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА В УПРАВЛЕНИИ
МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ. ВНЕШНИЕ ЦЕПИ
ЦИФРОВЫЕ ВХОДЫ/ВЫХОДЫ
Цифровые контакты (пины, порты, входы/выходы, выводы) могут работать как цифровые вводы, так и как цифровые выводы. По умолчанию они сконфигурированы как вводы. Перевод в режим вывода осуществляется программно с помощью команды pinMode() . Например pinMode (INA1, OUTPUT);.
Если пин сконфигурирован как ввод, то он находится в высокоимпедансном состоянии.
Если пин сконфигурирован как вывод, то он находится в низокоимпедансном состоянии.
Если к входу не подключены внешние цепи (не поступают нужные сигналы), то он окажется в неопределенном состоянии и будет воспринимать случайные значения (электрические помехи). Чтобы исключить это, входу нужно задать определенное состояние – подключить либо к питанию (+5В/3.3В) либо к земле через подтягивающие (pull-up)/стягивающие (pull-down) резисторы (рекомендуется 10 кОм).

ЦИФРОВАЯ И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА В УПРАВЛЕНИИ
МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ. ВНЕШНИЕ ЦЕПИ
В микроконтроллерах Atmega имеются встроенные программируемые подтягивающие (подтягивают к питанию) резисторы. Программное подключение этих резисторов производится digitalWrite():
digitalWrite(pin, HIGH);
Либо в явном виде (в более современных средах IDE):
pinMode (pin, INPUT_PULLUP);
Аппаратная реализация:
Подтягивающий резистор
Стягивающий резистор
Подтягивающий резистор удерживает вход в состоянии логической единицы, пока внешняя цепь разомкнута, стягивающий - в состоянии нуля.
Программная реализация:

ЦИФРОВАЯ И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА В УПРАВЛЕНИИ
МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ. ВНЕШНИЕ ЦЕПИ
ДРЕБЕЗГ КОНТАКТОВ
Существуют программные и программно-аппаратные способы устранения дребезга контактов (Л1:55, 257)

ЦИФРОВАЯ И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА В УПРАВЛЕНИИ
МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ. ВНЕШНИЕ ЦЕПИ
ДРЕБЕЗГ КОНТАКТОВ
Схемы устранения дребезга контактов (Л1:258, 260)

ЦИФРОВАЯ И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА В УПРАВЛЕНИИ
МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ. ЗАГРУЗКА ПРОГРАММ

ЦИФРОВАЯ И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА В УПРАВЛЕНИИ
МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ. ЗАГРУЗКА ПРОГРАММ
В общем случае, программы загружаются в микроконтроллеры через с помощью дополнительного устройства (программатора).
Особенностью некоторых платформ (например Arduino) является возможность непосредственного программирования через USB-порт (без использования программатора). Эту возможность обеспечивает загрузчик. Загрузчик представляет собой программу (фрагмент программного кода) записанный заводом-изготовителем в зарезервированное пространство памяти микроконтроллера. Загрузчик загружает программу пользователя в микроконтроллер по последовательному порту USART.
На некоторых отладочных платформах, например Arduino, для загрузки программ используется дополнительный контроллер Atmega 8U2/16U2, служащий интерфейсом между портом USB и портом USART основного контроллера. Некоторые основные контроллеры имеют встроенный контроллер USB. В качестве программатора можно использовать другую платформу Arduino запрограммированную на работу в режиме программатора.

МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ. ЗАГРУЗКА ПРОГРАММ
ЦИФРОВАЯ И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА В УПРАВЛЕНИИ
Загрузчик запускается сразу, после включения питания и работает в течении некоторого времени (секунды/доли секунд). В это время загрузчик по команде из среды программирования IDE загружает программу пользователя в свободную область памяти микроконтроллера, используя последовательный интерфейс USART.
Если из среды IDE команда не поступила, то запускается последняя загруженная программа, находящаяся в памяти микроконтроллера.
Если из среды IDE команда поступила, то вспомогательный контроллер произведет сброс основного контроллера. После этого среда программирования IDE (находящаяся на компьютере) произведет загрузку программы в основной контроллер через его порт USART.
Таким образом, загрузчик обеспечивает удобство программирования микроконтроллера без использования внешнего программатора. Однако он занимает часть памяти микроконтроллера. Кроме того, начало выполнения программы пользователя будет произведено с некоторой задержкой (время на обработку запроса на программирования, сброс контроллера). Пользователь может удалить загрузчик и использовать только внешний программатор.

ЦИФРОВАЯ И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА В УПРАВЛЕНИИ
МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ.
ЗАГРУЗКА ПРОГРАММЧЕРЕЗ ST_LINK32 V2
На модуле ST-LINK V2 используются четыре пина:
2-SWDIO, 4- GND, 6 – SWCLK, 8 – 3.3V.
Для 32 битных МК используется используется SWD (правый/нижний ряд), а для 8 битных SWIM (левый/верхний ряд).

ЦИФРОВАЯ И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА В УПРАВЛЕНИИ
МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ.
ЗАГРУЗКА ПРОГРАММЧЕРЕЗ ST_LINK32 V2
На плате STM32F407ZET6 используется 20-пиновый разъем JTAG/SWD.
Пины 2 - 3.3V, 4 –GND, 7 – TMS/SWDIO, 9 – TSK/ SWCLK.
Зеленая перемычка должна стоять как на рисунке.