Разработка универсальной микропроцессорной системы на основе микроконтроллера для ОПС. Часть 2

1  2  3  4  5

---

ГЛАВА 2. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА

 

2.1 Охранно-пожарная сигнализация и её основные компоненты

 

Охранно-пожарная сигнализация (ОПС) является одной из самых важных частей системы обеспечения безопасности современных зданий и сооружений и представляет собой сложный комплекс технических средств, служащих для своевременного обнаружения возгорания и несанкционированного проникновения в охраняемую зону. Как правило, охранно-пожарная сигнализация интегрируется в комплекс, объединяющий системы безопасности и инженерные системы здания, обеспечивая достоверной адресной информацией системы оповещения, пожаротушения, дымоудаления, контроля доступа и др.

Интеграция охранной и пожарной сигнализации в составе единой системы охранно-пожарной сигнализации осуществляется на уровне централизованного мониторинга и управления. При этом системы охранной и пожарной сигнализации администрируются независимыми друг от друга постами управления, сохраняющими автономность в составе системы охранно-пожарной сигнализации. На небольших объектах охранно-пожарная сигнализация управляется приемно-контрольными приборами.

В зависимости от масштаба задач, которые решает охранно-пожарная сигнализация, в ее состав входит оборудование трех основных категорий:

• Оборудование централизованного управления охранно-пожарной сигнализацией (например, центральный компьютер с установленным на нем ПО для управления охранно-пожарной сигнализацией; в небольших системах охранно-пожарной сигнализации задачи централизованного управления выполняет охранно-пожарная панель);
• Оборудование сбора и обработки информации с датчиков охранно-пожарной сигнализации: приборы приемно-контрольные охранно-пожарные (панели);
• Сенсорные устройства – датчики и извещатели охранно-пожарной сигнализации.

Как правило, системы охранно-пожарной сигнализации создаются в двух вариантах – ОПС с локальной или замкнутой охраной объекта или ОПС с передачей под охрану подразделениям вневедомственной охраны (или частного охранного предприятия) и пожарной службы МЧС России. Все разнообразие систем охранно-пожарных сигнализаций, условно подразделяют на адресные, аналоговые и комбинированные системы.

При установке на крупных объектах для обеспечения необходимого уровня безопасности здания охранно-пожарная сигнализация интегрируется с другими системами безопасности и жизнеобеспечения объекта. Это необходимо для быстрой реакции на сообщение о пожаре или тревоге, поступившем от датчиков охранно-пожарной сигнализации, и обеспечения оптимальных условий для ликвидации возникшей аварийной ситуации. Например, в ответ на сообщение о пожаре, которое генерирует охранно-пожарная сигнализация, в тревожной зоне выполняются следующие действия:

• Отключение вентиляции
• Включение системы дымоудаления
• Отключение электроснабжения (за исключением спецоборудования)
• Вывод из тревожной зоны лифтов
• Включение аварийного освещения и световой индикации путей и выходов для эвакуации людей
• Разблокировку аварийных выходов на путях эвакуации
• Включение системы оповещения с информацией для тревожной зоны.

Таким образом, охранно-пожарная сигнализация становится частью общей системы безопасности, при этом решаются вопросы не только общего мониторинга с основного поста охраны, но и взаимодействие всех подсистем. В последнем случае должно выполняться одно их важнейших требований к системе охранно-пожарной сигнализации — возможность ее интеграции в общую систему безопасности. Интеграция может требоваться как на простейшем (релейном) уровне, так и на программном уровне, когда необходима совместимость протоколов обмена данными в информационных шинах и линиях связи различных подсистем. Большую роль при этом играет поддержка со стороны аппаратуры охранно-пожарной сигнализации одной или нескольких сетевых технологий: Ethernet, Arcnet, Lonwork, Internet и др.

Для получения информации о тревожной ситуации на объекте в состав охранно-пожарной сигнализации входят извещатели, отличающиеся друг от друга типом контролируемого физического параметра, принципом действия чувствительного элемента, способом передачи информации на центральный пульт управления сигнализацией.

По принципу формирования информационного сигнала о проникновении на объект или пожаре извещатели охранно-пожарной сигнализации делятся на активные и пассивные.

• Активные извещатели охранно-пожарной сигнализации генерируют в охраняемой зоне сигнал и реагируют на изменение его параметров.
• Пассивные извещатели реагируют на изменение параметров окружающей среды, вызванное вторжением нарушителя или возгоранием.

Каждая охранно-пожарная сигнализация использует охранные и пожарные извещатели, контролирующие различные физические параметры. Широко используются такие типы охранных извещателей, как инфракрасные пассивные, магнитоконтактные, извещатели разбития стекла, периметральные активные извещатели, комбинированные активные извещатели.

В системах пожарной сигнализации применяются тепловые, дымовые, световые, ионизационные, комбинированные и ручные извещатели.

В зависимости от способов выявления тревог и формирования сигналов, извещатели и системы охранно-пожарной сигнализации делятся на неадресные, адресные и адресно-аналоговые.

• В неадресных системах извещатели имеют фиксированный порог чувствительности, при этом группа извещателей включается в общий шлейф охранно-пожарной сигнализации, в котором в случае срабатывания одного из приборов охранно-пожарной сигнализации формируется обобщенный сигнал тревоги.
• Адресные системы отличаются наличием в извещении информации об адресе прибора охранно-пожарной сигнализации, что позволяет определить зону пожара с точностью до места расположения извещателя.
• Адресно-аналоговая охранно-пожарная сигнализация является наиболее информативной и развитой. В такой системе применяются «интеллектуальные» извещатели охранно-пожарной сигнализации, в которых текущие значения контролируемого параметра вместе с адресом передаются прибором по шлейфу охранно-пожарной сигнализации. Такой способ мониторинга используется для раннего обнаружения тревожной ситуации, получения данных о необходимости технического обслуживания приборов вследствие загрязнения или других факторов. Кроме этого, адресно-аналоговые системы позволяют, не прерывая работу охранно-пожарной сигнализации, программно изменять фиксированный порог чувствительности извещателей при необходимости их адаптации к условиям эксплуатации на объекте.

Каждый тип извещателя имеет свой перечень основных технических характеристик, определяемых соответствующими стандартами. В то же время, даже однотипные извещатели имеют отличия в конструктивных особенностях составных частей, удобстве эксплуатации, надежности, уровне дизайна, что учитывается при выборе того или иного прибора или фирмы-производителя.

Для получения и обработки извещений охранно-пожарная сигнализация использует различные типы приемно-контрольной аппаратуры: центральные станции, контрольные панели, приборы приемно-контрольные (название определяется стандартами страны-производителя). Данная аппаратура отличается информационной емкостью — количеством контролируемых шлейфов сигнализации и степенью развития функций управления и оповещения.

Различают контрольные панели охранно-пожарной сигнализации для малых, средних и больших объектов. Как правило, небольшие объекты оборудуются неадресными системами, контролирующими несколько шлейфов охранно-пожарной сигнализации, а на средних и больших объектах используются адресные и адресно-аналоговые системы. Приемно-контрольный прибор осуществляет питание охранных и пожарных извещателей по шлейфам охранно-пожарной сигнализации, прием тревожных извещений от извещателей, формирует тревожные сообщения, а также передает их на станцию централизованного наблюдения и формирует сигналы тревоги на срабатывание других систем.

Периферийными считаются все устройства охранно-пожарной сигнализации (кроме извещателей), имеющие самостоятельное конструктивное исполнение и подключаемые к контрольной панели охранно-пожарной сигнализации через внешние линии связи. Наиболее часто используются следующие типы периферийных устройств охранно-пожарной сигнализации:

— пульт управления — применяется для управления устройствами охранно-пожарной сигнализации из локальной точки объекта;

— модуль изоляции коротких замыканий — используется в кольцевых шлейфах охранно-пожарной сигнализации для обеспечения их работоспособности в случае короткого замыкания;модуль подключения неадресной линии — для контроля неадресных извещателей охранно-пожарной сигнализации;

— релейный модуль — для расширения функции оповещения и управления контрольной панели;

— модуль входа/выхода — для контроля и управления внешними устройствами (например, автоматическими установками пожаротушения и дымоудаления, технологическим, электротехническим и другим инженерным оборудованием);

— звуковой оповещатель — для оповещения о пожаре или тревоге в требуемой точке объекта с помощью звуковой сигнализации;

— световой оповещатель — для оповещения о пожаре или тревоге в требуемой точке объекта с помощью световой сигнализации;

— принтер сообщений — для печати тревожных и служебных системных сообщений.

Все устройства охранно-пожарной сигнализации должны обеспечиваться бесперебойным электропитанием. В качестве основного, как правило, используется сетевое электропитание контрольных панелей охранно-пожарной сигнализации, остальные устройства питаются от низковольтных вторичных источников постоянного тока или от шлейфа охранно-пожарной сигнализации. В соответствии с отечественными нормами пожарной безопасности, охранно-пожарная сигнализация должна бесперебойно функционировать в случае пропадания сетевого электропитания на объекте в течение суток в дежурном режиме и не менее 3 часов в режиме тревоги. Для выполнения этого требования охранно-пожарная сигнализация должна использовать систему резервного электропитания — дополнительные источники или встроенные аккумуляторные батареи.

 

2.2 Разработка структурной схемы устройства

 

Основным элементом системы охранно-пожарной сигнализации является прибор приемно-контрольный (ППК) — устройство, предназначенное для приема сигналов от пожарных, охранных извещателей, обеспечения электропитанием активных (токопотребляющих) пожарных и охранных извещателей, выдачи информации на световые, звуковые оповещатели и пульты централизованного наблюдения (ПЦН), а также формирования стартового импульса запуска прибора пожарного управления. Может входить в систему пожаротушения для формирования сигнального импульса на прибор управления. В настоящее время аналоговые ППК морально устарели и их вытесняют цифровые, обладающие рядом преимуществ над аналоговыми. У аналоговых ППК физические шлейфы сигнализации тождественны логическим, следовательно емкость таких аналоговых ППК невелика (до 30 зон). Микропроцессорные ППК, использующие цифровые линии передачи способны при маленьком числе физических шлейфов контролировать большое число зон, а значит имеют достаточно большую емкость по сравнению с аналоговыми ППК (до 100 зон). Еще одним преимуществом микропроцессорных ППК является наличие системных часов, буфера событий и выхода на внешние цифровые устройства, такие как принтеры, компьютеры и т.д. Такие ППК позволяют подключать пульты ДУ и индикации.

На основании условия технического задания основным компонентом разрабатываемого устройства является микроконтроллер, отвечающий требованиям к надежности — наработка на отказ не менее 60 000 часов.

Применение в качестве основного компонента МПС микроконтроллера обусловлено рядом причин, в числе которых относительно низкое энергопотребление, дешевизна, малые габариты, простота разработки и внедрения.

Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Большая часть выпускаемых в современном мире процессоров — микроконтроллеры.

Использование в современном микроконтроллере «мощного» вычислительного устройства с широкими возможностями, построенного на одной микросхеме вместо целого набора, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость построенных на его базе устройств.

Большое распространение получили микроконтроллеры с RISC-архитектурой. Упрощённый набор команд позволяет выполнять большинство инструкций за один такт, что обеспечивает высокое быстродействие даже при относительно низкой тактовой частоте.

Кроме ОЗУ, микроконтроллер может иметь встроенную энергонезависимую память для хранения программы и данных. Во многих контроллерах вообще нет шин для подключения внешней памяти. Наиболее дешёвые типы памяти допускают лишь однократную запись. Такие устройства подходят для массового производства в тех случаях, когда программа контроллера не будет обновляться. Другие модификации контроллеров обладают возможностью многократной перезаписи энергонезависимой памяти. В отличие от процессоров общего назначения, в микроконтроллерах часто используется гарвардская архитектура памяти, то есть раздельное хранение данных и команд в ОЗУ и ПЗУ соответственно.

Программирование микроконтроллеров обычно осуществляется на языке ассемблера или Си, хотя существуют компиляторы для других языков.

Разработка структурной схемы, на основании которой в дальнейшем будет разрабатываться схема электрическая принципиальная, заключается в построении в общем виде микропроцессорной системы на базе микроконтроллера с подключением блоков датчиков, блоков питания и индикации, аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) и сетевого интерфейса. Структурная схема системы представлена на рисунке 2.1

Рисунок 2.1. – Структурная схема устройства

Блок датчиков, регистрирующих параметры установлены в помещении. Информация, снимаемая с датчиков, поступает в систему через блок АЦП, если датчик имеет аналоговый выход, или напрямую фиксируется блоком АЛУ контроллера, если датчик имеет выход логический. Далее система обрабатывает полученную информацию по заложенному в нем алгоритму и передает результат обработки объектам регулирования.

Для подключения аналоговых датчиков в схеме используется многоканальный аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Аналоговыми датчиками, в данном устройстве являются датчики температуры. Использование нескольких датчиков позволяет более равномерно измерять температуру во всем помещении.

Цифровые датчики подключаются напрямую к микроконтроллеру, так как не требуют дополнительной обработки полученных данных. В качестве цифровых датчиков в устройстве будут использован датчик движения, датчики контроля закрытия дверей и т.д.

Блок питания предназначен для питания всего устройства. Его задача преобразовать напряжение источника питания в напряжения необходимые для питания каждого блока.

Для индикации текущего режима работы и вывода полученных данных используется блок индикации с применением светодиодов, характеризующих состояние каждого отдельного датчика и системы в целом.

 

ГЛАВА 3. Выбор элементной базы и проектирование принципиальной схемы разрабатываемого устройства

3.1 Выбор микроконтроллера

 

Номенклатура выпускаемых в настоящее время МК исчисляется тысячами типов изделий различных фирм. Поэтому, основной целью является выбор микроконтроллера с минимальной ценой (для снижения общей стоимости МПС) и одновременно удовлетворяющий требованиям по производительности, условиям применения, надежности (в конкретном случае – наработкой до отказа не менее 60000 час.) и т.д.

Анализ задач, возложенных на проектируемое устройство, позволяет определить некоторые технические характеристики, которыми должен располагать микроконтроллер:

1) В своей структуре микроконтроллер должен иметь следующие аппаратные модули:

• таймер, с помощью которого будет производиться измерение интервалов времени;
• универсальный последовательный приемо-передатчик, с помощью которого будет осуществляться пересылка данных между блоками сигнализации.

2) С точки зрения структуры команд микроконтроллер должен обладать:

• развитыми командами по работе с отдельными битами и проверок выполнения различных условий;
• возможностью аппаратной и программной обработок прерывания от внутренних блоков.

Данные требования позволяют создать программу оптимальную по структуре и объему.

3) Микроконтроллер должен обладать достаточным быстродействием для обработки данных, измеряемых в реальном времени.

На основании предварительного изучения характеристик широко представленных микроконтроллеров оптимальными для реализации проектируемого устройства являются микроконтроллеры семейства AVR фирмы Atmel [21]. Архитектура семейства является на сегодняшний день, по существу, одним из стандартов на мировом рынке 8-разрядных микроконтроллеров. Это семейство микроконтроллеров широко распространено, имеет удобную архитектуру и систему команд. Для этих микроконтроллеров имеется также большое разнообразие отладочных средств и программаторов. Все это обуславливает снижение затрат на разработку и изготовление проектируемого устройства; доступность средств отладки и программирования.

Микроконтроллеры серии AVR относятся к классу восьмиразрядных микроконтроллеров. Это значит, что подавляющее большинство операций процессоры производят с восьмиразрядными двоичными числами. По этой причине встроенная шина данных у этих контроллеров тоже восьмиразрядная. Все ячейки памяти и большинство регистров микроконтроллера также восьмиразрядные.

Микроконтроллеры AVR изготавливаются по КМОП-технологии, благодаря которой они имеют достаточно высокое быстродействие и низкий ток потребления. Большинство команд микроконтроллера выполняется за один такт. Поэтому быстродействие контроллеров может достигать 1 миллиона операций в секунду при тактовой частоте 1 МГц.[17]

Их отличительные особенности:

Высокопроизводительный, маломощный 8-разрядный AVR-микроконтроллер

Развитая RISC-архитектура – 133 мощных инструкций, большинство из которых выполняются за один машинный цикл
Характеристики периферии

— Два 8- разрядных таймера/счетчика с отдельным предделителем и режимом сравнения

— Один 16- разрядный таймер/счетчик с отдельным предделителем и режимом сравнения и режимом захвата

— Счетчик реального времени с отдельным генератором

— Пять ШИМ каналов

— 8 канальный АЦП у приборов в TQFP и MFL корпусах

6 10- битных каналов

2 8- битных канала

— 6 канальный АЦП у приборов в PDIP корпусе

4 10- битных каналов

2 8- битных канала

— Программируемый последовательный USART

— Ведущий/ведомый SPI интерфейс

— Байт- ориентированный последовательный 2- проводный интерфейс

— Программируемый сторожевой таймер со встроенным генератором

— Встроенный аналоговый компаратор

— Прерывание и пробуждение при изменении состояния выводов

• Специальные характеристики микроконтроллера
• Сброс при включении питания и детектор кратковременных пропаданий питания
• Встроенный откалиброванный генератор — Внешние и внутренние источники прерывания
• Пять режимов пониженного потребления: Idle, ADC Noise Reduction, Power-Save, Power-down и Standby
• Порты ввода — вывода и корпусное исполнение
• 23 программируемых линии портов ввода-вывода
• 32 выводные TQFP и MFL корпуса
• Диапазон напряжения питания
• от 1.8 до 5.5 В у ATMega88
• Коммерческий рабочий температурный диапазон
• Различный диапазон рабочих тактовых частот
• от 0 до 16 МГц у ATMega88
• Сверх низкое потребление
• — Активный режим:
• 300 мкА при частоте 1 МГц и напряжении питания 1.8 В
• 20 мкА при частоте 32 кГц и напряжении питания 1.8 В
• Режим пониженного потребления
• 0.5 мкА при напряжении питания 1.8 В

Микроконтроллер ATMega 88 имеет несколько режимов энергосбережения, которые совместно с частотой работы контроллера определяют его энергопотребление.

Рисунок 3.1 – Расположение выводов у ATmega88

Краткий обзор:

ATmega 88 – маломощный 8-разр. КМОП микроконтроллер, основанный на расширенной AVR RISC-архитектуре. За счет выполнения большинства инструкций за один машинный цикл ATmega88 достигает производительности 1 млн. операций в секунду/МГц, что позволяет проектировщикам систем оптимизировать соотношение энергопотребления и быстродействия. [12]

Функциональная схема

Рисунок 3.2 – Функциональная схема

ATmega88 содержит следующие элементы: 88 кбайт внутрисистемно программируемой флэш-памяти с поддержкой чтения во время записи, 4 кбайт ЭСППЗУ, 1 кбайт статического ОЗУ, 53 линии универсального ввода-вывода, 32 универсальных рабочих регистра, счетчик реального времени (RTC), четыре гибких таймера-счетчика с режимами сравнения и ШИМ, 2 УСАПП, двухпроводной последовательный интерфейс ориентированный на передачу байт, 8-канальный 10-разр. АЦП с опциональным дифференциальным входом с программируемым коэффициентом усиления, программируемый сторожевой таймер с внутренним генератором, последовательный порт SPI, испытательный интерфейс JTAG совместимый со стандартом IEEE 1149[7]

Последовательный интерфейс. Микросхемы AVR способны поддерживать несколько разных видов последовательных интерфейсов. Каждый такой интерфейс реализует один или несколько известных стандартов передачи информации. Один из видов такого интерфейса поддерживает тот же стандарт, что и COM-порт персонального компьютера. Есть также интерфейс, поддерживающий стандарт широко известной в микроэлектронике так называемой 12С шины.[16]

Сюда же относится и SPI-интерфейс, который может использоваться как для последовательного программирования памяти программ, так и для связи нескольких микроконтроллеров в мультипроцессорной системе. Любой последовательный интерфейс предназначен для передачи информации последовательным способом. Каждый байт передается последовательно, бит за битом.

Микроконтроллеры серии AVR всегда имеют в своем составе от одного до семи портов ввода-вывода. Каждый разряд такого порта подсоединен к одному из выводов (контактов) микросхемы. Порты ввода-вывода служат для обмена информацией с внешними устройствами. Как уже говорилось, порты могут быть полные и неполные. Полный порт содержит 8 разрядов. В неполных портах задействованы они не все. Каждый порт имеет свое имя. Они именуются латинскими буквами от А до G.

Любой порт ввода-вывода микроконтроллера серии AVR устроен таким образом, что каждый его разряд может работать как на ввод, так и на вывод. То есть он может быть входом, а может быть выходом. Для переключения режимов работы служит регистр DDRx. Каждый разряд регистра DDRx управляет своим разрядом порта. Если в каком-либо разряде регистра DDRx записан ноль, то соответствующий разряд порта работает как вход.

Если же в этом разряде единица, то разряд порта работает как выход. Для того, чтобы выдать информацию на внешний вывод микросхемы, нужно в соответствующий разряд DDRx записать логическую единицу, а затем записать байт данных в регистр PORTx. Содержимое соответствующего бита этого байта тут же появится на внешнем выводе микросхемы и будет присутствовать там постоянно, пока не будет заменено другим, либо пока данная линия порта не переключится на ввод.

Для того, чтобы прочитать информацию с внешнего вывода микроконтроллера, нужно сначала перевести нужный разряд порта в режим ввода. То есть записать в соответствующий разряд регистра DDRx ноль.[17]

Благодаря этому резистору упрощается подключение внешних контактов и кнопок. Обычно контакты требуют внешнего резистора. Теперь без внешнего резистора можно обойтись. Включением и отключением внутренних резисторов управляет регистр PORTx, если порт находится в режиме ввода.

Аналогово-цифровой преобразователь

В состав AТmega88 входит модуль 10-разрядного АЦП последовательного приближения.

Основные параметры АЦП:

— абсолютная погрешность +-2МЗР;

— интегральная нелинейность +-0,5 МЗР;

— время преобразования 65 – 260 мкс;

— быстродействие до 15 000 выборок в секунду;

— входное напряжение от 0 до VCC;

— спящий режим.

На входе модуля АЦП имеется 8-канальный аналоговый мультиплексор, предоставляющий в распоряжение пользователя 8 каналов с несимметричными входами.

В процессе работы АЦП может функционировать в двух режимах: режим одиночного преобразования и режим непрерывного преобразования.

Входы АЦП могут объединяться попарно для формирования в общей сложности до 13 каналов с дифференциальным входом.

Конфигурирование порта ввода-вывода

ATmega88 имеет три 8-разрядных порта ввода/вывода (порты B, C, D).

Входные буферы всех выводов построены по схеме триггера Шмита. Для всех входов имеется возможность подключения подтягивающего резистора между входом и шиной питания Vcc.

Рисунок 3.3 ‑ Схема выводов портов ввода/вывода

Каждому выводу порта соответствуют 3 разряда регистров ввода/вывода: PORTxn (регистр PORTx), DDxn (регистр DDRx), PINxn (регистр PINx).

Разряд DDxn регистра DDx определяет направление передачи данных через контакт ввода/вывода. Если этот разряд установлен в «1», то n-ый вывод порта является выходом, если же сброшен в «0» — входом.

Разряд PORTxn регистра PORTx выполняет двойную функцию. Если DDxn равен «1», то этот разряд определяется состояние вывода порта. Если разряд установлен в «1», то на выходе напряжение высокого уровня, если в «0» — низкого.

Если DDxn равен «0», то разряд PORTxn определяет состояние внутреннего подтягивающего регистра для данного вывода. При установке в «1» подтягивающий регистр подключается между выводом микроконтроллера и проводом питания.

Загрузочная программа может использовать любой интерфейс для загрузки прикладной программы во флэш-память. Программа в загрузочном секторе продолжает работу в процессе обновления прикладной секции флэш-памяти, тем самым поддерживая двухоперационность: чтение во время записи. За счет сочетания 8-разр. RISC ЦПУ с внутрисистемно самопрограммируемой флэш-памятью в одной микросхеме ATmega88 является мощным микроконтроллером, позволяющим достичь высокой степени гибкости и эффективной стоимости при проектировании большинства приложений встроенного управления. [8]

Система прерываний

Для оформления таблицы векторов прерывания можно использовать директиву .org, которая устанавливает абсолютный адрес в памяти программ.

Для разрешения прерываний предусмотрены специальные команды sei (разрешить) и cli (запретить), устанавливающие бит в нужное состояние. Отметим, что по умолчанию бит регистра флагов SREG сброшен, т.е. прерывания при запуске МК запрещены. Для того чтобы разрешить, необходимо в процедуре начальной инициализации, выполняющейся по сбросу МК, разместить команду sei.

Последовательный канал (UART/USART)

Vикроконтроллеры серии AVR имеют:

• встроенный универсальный последовательный асинхронный приемопередатчик (UART);
• универсальный последовательный синхронно/асинхронный приемопередатчик (USART).

Некоторые модели имеют даже сразу два таких, канала.. Каналы UART (USART) предназначены для обмена информацией между микроконтроллером и любым внешним устройством. Протокол UART (USART) — это довольно распространенный протокол последовательной передачи информации. Такой протокол, в частности, использует последовательный порт компьютера (COM-порт). При помощи UART (USART) можно организовывать линию связи не только между двумя микроконтроллерами, но и между микроконтроллером и компьютером.

В данном микроконтроллере порт UART заменен на более функциональный USART (Universal Synchronous and Asynchronous serial Receiver and Transmitter). Интерфейс USART полностью совместим с UART (кроме наименования некоторых регистров), и отличается от UART тем, что, во-первых, может самостоятельно обрабатывать 9-битовые посылки с контролем четности (не требуя программной реализации этого контроля), во-вторых, может иметь длину слова от 5 до 9 бит (UART только 8 или 9).[7]

Последовательный периферийный интерфейс (SPI)

Это специальный последовательный интерфейс, разработанный для связи микроконтроллеров между собой. Канал SPI использует для передачи информации три линии: линию MISO (Master Input / Slave Output); линию MOSI (Master Output / Slave Input); линию SCK (Тактовый сигнал).

В микроконтроллерах AVR канал SPI может выполнять двоякую функцию. Так, при помощи этого интерфейса можно не только организовать последовательный канал обмена информацией между двумя микроконтроллерами, но и между микроконтроллером и любым периферийным устройством, имеющим SPI-интерфейс.

Существует целый набор подобных устройств: цифровые потенциометры, ЦАП/АЦП, внешние Flash-ПЗУ и др.

Второе предназначение канала SPI — программирование микроконтроллера. Именно через этот канал осуществляется последовательное программирование памяти программ и внутреннего EEPROM. Такой усеченный канал SPI имеется практически в каждом микроконтроллере AVR.

В настоящее время по совокупности параметров «энергопотребление — производительность — цена» микроконтроллеры семейства AVR 8 бит не имеют себе равных. Их достоинства: быстродействующий процессор, FLASH память программ, встроенная память данных EEPROM. мощные выходные порты. широкий диапазон питающего напряжения. Благодаря всему этому микроконтроллеры AYR широко применяются как в любительских, так и в профессиональных разработках.

Практически все AVR-контроллеры можно запрограммировать в двух режимах — высоковольтном (параллельном) и низковольтном (ISP). Наиболее часто используется низковольтное программирование. В большинстве случаев для записи кодов программы не требуется даже извлекать контроллер из платы и устанавливать его в панель программатора. Аппаратная реализация ISP программаторов очень простая, с описанием одного из вариантов такого программатора — аналога фирменного AVRISP.

Выводы всех портов имеют внутренние резисторы, подтягивающие уровень выходного сигнала к напряжению питания. Выводы могут обеспечить ток 25 мА для одного вывода и 80 мА для всего порта. Ток, потребляемый микроконтроллером в активном режиме, равен 13 мА при частоте 40 МГц и напряжении питания 5 В.

Для обеспечения стабильной работы микроконтроллера необходимо соблюсти несколько условий при проектировании схемы электрической принципиальной.

Рисунок 3.4- Керамический конденсатор вблизи выводов питания

На рисунке 3.4 показана схема включения керамических конденсаторов по питанию. Данное решение позволяет стабилизировать питание и снижать электромагнитные помехи.

На рисунке 3.5 показана схема включения кварцевого резонатора. Резистор в цепи резонатора добавлен для защиты от перегрузки резонаторов с низким уровнем возбуждения.

Рисунок 3.5 – Схема включения кварцевого резонатор

На рисунке 3.6 показана схема для программирования встроенной Flash памяти через интерфейс SPI. Для гарантированного сброса на входе RESET должен удерживаться сигнал логической единицы в течение времени, достаточного для запуска внутреннего тактового генератора.

Рисунок 3.6 – Схема включения микроконтроллера

---

1  2  3  4  5