Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Содержание
|
Введение |
|
|
1 Общая часть |
|
|
1.1 Назначение и область применения морских гидроакустических навигационных систем и средств |
|
|
1.2 Архитектура построения и описание принципа функционирования модуля управления на функциональном уровне |
|
|
1.3 Описание принципа функционирования модуля управления приемопередающим устройством |
|
|
1.4 Выбор и обоснование элементной базы |
|
|
2 Специальная часть |
|
|
2.1 Синтез и расчет задающего генератора |
|
|
2.2 Оценочный расчет емкости ПЗУ |
|
|
2.3 Расчеты по обеспечению помехозащищенности модуля |
|
|
2.4 Расчет индикатора функционирования |
|
|
2.5 Расчет надежности модуля |
|
|
3 Конструкторская часть |
|
|
3.1 Анализ требований к конструкции модуля управления приемопередающим устройством |
|
|
3.2 Выбор схемы компоновки устройства |
|
|
3.3 Предварительное определение размеров модуля |
|
|
3.4 Размещение элементов и обоснование выбранной точности печатной платы |
Модуль управления
приемопередающим
устройством
Пояснительная записка
|
4 Технологическая часть |
|
|
4.1 Выбор и обоснование технологии изготовления печатной платы модуля управления |
|
|
4.2 Технология изготовления печатной платы модуля комбинированным негативным методом |
|
|
4.3 Технология сборки и монтажа печатной платы |
|
|
5 Организация производства |
|
|
5.1 Организация технической подготовки производства |
|
|
6 Экономическая часть |
|
|
6.1 Расчет себестоимости и цены модуля управления приемопередающим устройством |
|
|
7 Мероприятия по технике безопасности и противопожарной технике |
|
|
7.1 Меры предупреждения отравлений и кожных поражений при изготовлении печатных плат модуля |
|
|
7.2 Меры по предупреждению взрыво- и пожароопасности при производстве модуля |
|
|
7.3 Правила предупреждения поражения электрическим током |
|
|
Заключение |
|
|
Список использованных источников |
|
|
Приложения: Спецификация ТКМП.230101.07.001 Перечень элементов ТКМП.230101.07.001 ПЭ3 Маршрутные карты ТКМП.230101.07.001 МК Комплектовочные карты ТКМП.230101.07.001 КК |
Введение
Из современных средств гидроакустики наибольшее распространение и применение находит аппаратура для получения различного рода подводной информации, а именно данных об объектах, находящихся в водной среде. Указанная аппаратура большей частью основана на использовании способа активной гидролокации. Метод пассивной гидролокации применяется лишь в качестве дополнительного источника информации о биологических объектах.
Активная гидролокация заключается в установлении присутствия и определении свойств и характеристик подводных объектов и основана на излучении акустической энергии в водную среду, приеме и обработке эхо-сигналов, возникающих в результате отражения или рассеяния акустических колебаний от указанных объектов.
Применение метода активной гидролокации в принципе возможно всегда, так как информацию о подводном объекте в этом случае несет эхо-сигнал, т.е. вторичное гидроакустическое поле.
Применение метода пассивной гидролокации в принципе возможно только тогда, когда интересующий нас подводный объект излучает акустические сигналы, т.е. является источником первичного гидроакустического поля. Специфические особенности объектов гидролокации делают указанное ограничение серьезным фактором, сдерживающим более широкое использование этого метода.
С помощью гидролокационных систем могут решаться следующие основные задачи:
Навигационный эхолот является одной из основных и обязательных составляющих технических средств корабельной навигации и относится к самому многочисленному и широко применяемому классу судовых эхолотов. Проблемы обеспечения навигационной безопасности плавания всегда остаются актуальными. Поэтому в международном и национальных масштабах постоянно принимаются необходимые меры по ее повышению, совершенствуются и усложняются требования к навигационному оборудованию, расширяется номенклатура плавсредств, на которых оно устанавливается.
Международная Морская Организация (ММО) с июля 2002 г. для обеспечения безопасности мореплавания ввела требование обязательной установки навигационных эхолотов на суда валовой вместимостью начиная с 300 рег. т. В связи с этим необходимо дополнительно оснастить навигационными эхолотами отечественные суда водоизмещением от 300 до 500 рег. т.
Кроме того, в настоящее время отечественные морские суда водоизмещением свыше 500 рег. т в основном укомплектованы навигационными эхолотами серии «Молога» разработки 70-х годов, аппаратная часть которых состоит из 7 приборов общим весом более 80 кг. Эти эхолоты морально и физически устарели, выработали ресурс, заканчивается срок их разрешенной эксплуатации, в связи с чем они подлежат поэтапной замене на новые более совершенные навигационные эхолоты. Таким образом, в ближайшие годы предстоит переоборудовать еще несколько тысяч отечественных судов новыми навигационными эхолотами, а также оснастить ими все суда новостроя.
А это, в свою очередь, дает толчок к созданию высокоэффективных современных гидроакустических систем, основанных на использовании опыта предыдущих разработок с учетом новейших достижений в области микроэлектроники.
1 Общая часть
1.1 Назначение и область применения морских гидроакустических
навигационных систем и средств
К морским навигационным гидроакустическим системам и средствам относятся навигационные эхолоты, гидроакустические лаги и навигационные гидроакустические системы (НГС) с донными маяками-ответчиками и маяками, работающими по программе.
В 1939 г. на вооружении ВМФ находился единственный эхолот ЭЛ. В это время в промышленности завершились разработки эхолотов ЭМС-2 (для надводных кораблей и судов), ЭМС-23 (для линкоров и крейсеров), несколько модификаций шлюпочного эхолота ЭМС-Ш, ШЭЛ-2, ШЭЛ-3, ШЭЛ-4 а также первого глубоководного навигационного эхолота ГЭЛ-1. Начавшаяся Великая Отечественная война прервала большинство из указанных разработок. Основные силы были направлены на увеличение выпуска серийных изделий и вооружение ими кораблей и судов флота. Вместе с тем, продолжались работы по совершенствованию эхолотов. Тем не менее, именно в этот период специалистами гидрографической службы Северного флота на базе серийного эхолота ЭЛ был создан макетный образец малогабаритного эхолота, успешно выдержавший испытания в боевой обстановке на подводной лодке М-172 (командир Герой Советского Союза И.Л. Фисанович).
В послевоенные годы сразу же возобновились работы по дальнейшему совершенствование навигационных эхолотов. Они развивались по следующим направлениям:
Некоторые работы проводились совместно с организациями АН СССР. Например, совместно с Институтом физики металлов была разработана новая технология изготовления никелевых пластин для приемных антенн эхолотов, что позволило повысить их чувствительность и, следовательно, увеличить измеряемые максимальные глубины.
Следует отметить, что полученные в ряде исследований рекомендации по совершенствованию эхолотов значительно опережали возможности отечественной промышленности. Тем не менее, проведенные исследования позволили создать совершенные для своего времени эхолоты.
Новый этап развития эхолотов начался с обоснования возможности и целесообразности создания ряда унифицированных навигационных эхолотов.
Это был первый в практике отечественного морского приборостроения опыт разработки аппаратуры унифицированного ряда. Развитие данного направления было продолжено и в плане унификации навигационных и промерных эхолотов.
Однако начавшиеся опытно-конструкторские работы по созданию этого унифицированного ряда эхолотов в связи с распадом СССР были прекращены. К сожалению, из-за отсутствия денег многие перспективные работы в России не возобновлены до сих пор.
К главным особенностям современных эхолотов можно отнести:
Одним из важнейших навигационных параметров является абсолютная скорость корабля (скорость корабля относительно Земли). Информация об абсолютной скорости необходима как для решения чисто навигационной задачи счисления пути, так и для обеспечения нормального функционирования других корабельных систем. Долгое время возможность измерения абсолютной скорости корабля с требуемой точностью во всех районах Мирового океана оставалась проблематичной, несмотря на наличие отдельных предложений по использованию для этой цели магнитометров, гидроакустических и инерциальных средств.
Острота проблемы измерения абсолютной скорости возросла с появлением атомных подводных лодок с ракетным вооружением, для успешного применения которого необходимо высокоточное знание скорости корабля относительно Земли. Это и послужило толчком для начала планомерной работы в данном направлении.
Проведенные исследования по повышению точности измерения абсолютной скорости в широком диапазоне эксплуатационных условий охватывали три основные направления:
В настоящее время завершена разработка лагов, обладающих повышенными точностными и эксплуатационными характеристиками. Причем информационные возможности двух последних были значительно расширены за счет обеспечения измерений (помимо абсолютной и относительной скорости корабля) скорости и направления течений на различных горизонтах, глубины моря в точках падения на грунт акустических лучей лага и отстояния этих точек от антенной системы.
В целом ряде исследований показано, что создание единых систем определения скорости и глубины под килем корабля позволит:
Реализация последних достижений в области микроэлектроники и использование опыта предыдущих разработок позволило в кратчайшие сроки создать гидроакустические навигационные средства принципиально нового типа. Проведенные испытания в натурных условиях показали, что они обладают необходимой универсальностью, обеспечивающей их эффективное использование в составе большинства существующих отечественных и зарубежных средств морской аппаратуры, предназначенных как для решения задач, стоящих перед ВМФ, так и для решения проблем, возникающих при освоении Мирового океана в интересах народного хозяйства.
Хотя все гидроакустические станции активного действия базируются на методе эхолокации, они различаются по принципу работы и назначению.
Наибольшее распространение получили гидролокаторы вертикального действия, обеспечивающие зондирование водной среды под килем судна в вертикальном направлении. В них генераторное устройство с помощью антенны осуществляет периодическое излучение импульсов акустических колебаний в направлении грунта. Приходящие эхо-сигналы принимаются антенной и воспроизводятся на индикаторных устройствах. Гидролокаторы вертикального действия в общем случае наиболее просты по устройству и, как правило, не требуют постоянного присутствия оператора.
Основным недостатком гидролокаторов вертикального действия является малая просматриваемая зона и невозможность обнаружения объектов в окружающем судно пространстве и наблюдения за ними, так как эти приборы осуществляют поиск, регистрацию и индикацию объектов только в сравнительно небольшом объеме водной среды под килем судна. Основное тактическое отличие гидролокаторов горизонтального действия состоит в наличии значительно большей зоны обзора. Они позволяют получать информацию о всей подводной обстановке вокруг судна. Наличие такой информации предъявляет своеобразные требования и к приборам отображения гидролокаторов и к антенным устройствам. Как правило, в составе гидролокаторов горизонтального действия имеются поворотно-выдвижные устройства, на которых укреплены антенны, и индикаторы с секторной или круговой развертками и звуковым трактом.
Ряд современных средств гидроакустики значительно отличается от рассмотренных простейших типов, хотя принцип их действия тот же. Основным недостатком рассмотренных типов гидролокаторов является малая скорость обследования водного пространства. Значительно уменьшают этот недостаток гидролокаторы одновременного панорамного обзора. К таким гидролокаторам относятся гидролокаторы с внутриимпульсным сканированием, станции одновременного кругового обзора, гидролокаторы с непрерывным излучением.
Развитие промыслов требует повышения дальности действия гидролокаторов и обеспечения максимального просматриваемого объема морской среды в единицу времени при различных гидрологических условиях. Это имеет особо важное значение для поисковых судов, т.е. при разведке районов добычи. При гидроакустическом поиске требуется в этом случае перекрывать как можно большие площади или объемы Мирового океана. Существующие гидролокаторы с так называемыми подкильными антеннами даже при значительном увеличении энергетических характеристик во многих случаях не могут дать существенного повышения реальной дальности обнаружения из-за гидрологических ограничений. Дополнительные ограничения на возможности гидролокаторов с подкильными антеннами накладывает повышенный уровень акустических помех, возникающих при работе судна во время волнения моря и экранирование антенн аэрированным слоем воды.
Задачи дальнего обнаружения и увеличения просматриваемого объема при различных гидрологических условиях водной среды могут быть решены путем применения гидроакустических эхолокационных систем, акустические антенны которых способны изменять своё положение по глубине: станций с буксируемой и опускаемой антеннами.
Для дистанционного наблюдения и обнаружения промысловых объектов применяется и телеметрическая гидроакустическая аппаратура, в которой принимаемые гидроакустическим трактом эхо-сигналы поступают в тракт передачи радиоканала связи и транслируются в пункт наблюдения, находящийся на определенной дистанции от места расположения эхолокационного устройства, где и воспроизводятся на оконечных устройствах регистрации и индикации.
Однако, несмотря на присущие им, перечисленные выше недостатки, все-таки наибольшее распространение получили гидролокаторы вертикального действия.
В данном дипломном проекте разрабатывается модуль управления приемопередающим устройством, входящий в состав прибора управления и индикации гидроакустической навигационной системы.
1.2 Архитектура построения и описание принципа
функционирования модуля управления на функциональном уровне
Модуль управления приемопередающим устройством является составной частью прибора управления и индикации (ПУИ). Рассмотрим архитектуру построения прибора в целом.
Электрические колебания ультразвуковой частоты, формируемые по командам ПУИ генератором приемо-передающего тракта ВЧ или НЧ канала, преобразуются гидроакустической антенной в механические колебания, которые передаются водной среде. Ультразвуковые колебания, отраженные от дна, возвращаются к антенне, где механические колебания преобразуются в электрический сигнал, который после усиления в приемо-передающем тракте ВЧ или НЧ канала поступает в ПУИ.
В ПУИ измеряется интервал времени между излучением сигнала посылки и приемом эхосигнала, по величине которого рассчитывается и индицируется на дисплее и репитерах значение глубины под килем корабля.
Команда на излучение «START» выдается в приемопередающее устройство из ПУИ, одновременно в ПУИ запускается измеритель времени распространения сигнала.
Обнаружение эхосигнала производится в приемопередающем устройстве (ППУ) по превышению уровнем принятого эхосигнала заданного порога. В момент превышения из ППУ в ПУИ выдается сигнал «STOP», останавливающий измеритель времени.
В приборе управления и индикации используется принцип электронной развертки времени. Информация о глубине представлена в виде определенного числа импульсов, пропорционального временному интервалу между импульсом посылки и эхосигналом. Записанный в измерителе числоимпульсный код преобразуется в информацию о глубине в метрах и высвечивается на дисплее. Предусмотрена возможность подключения к ПУИ до двух выносных цифровых репитеров, дублирующих показания последнего.
Функции традиционного электромеханического самописца выполняет прибор управления и индикации. На графическом дисплее отображается текущая глубина под килем в цифровом виде, а также графическое изображение профиля глубин (эхограмма) за истекшие 10 минут плавания.
Твердотельные электронные блоки регистрации со встроенным гарантированным питанием обеспечивают запись информации о глубине за истекшие двенадцать часов плавания (с замещением устаревшей информации на вновь поступающую) и ее хранение при снятии питания или при выемке самого блока из ПУИ.
Работа прибора осуществляется следующим образом (см. схему электрическую структурную).
Основные приборы эхолота: гидроакустическая антенна, приемопередающее устройство и прибор управления и индикации - обеспечивают измерение и индикацию глубины под килем судна. С помощью ПУИ осуществляется отображение на дисплее профиля измеряемых глубин за истекшие 10 минут плавания и хранение (в течение не менее 6 месяцев) профиля глубин за 12 часов плавания. Два репитера предназначены для дублирования показаний глубины в цифровой форме.
Гидроакустическая антенна содержит высокочастотный и низкочастотный пьезоблоки, выполненные в общем корпусе и залитые компаундом. С помощью кабеля длиной 5 или 10 м антенна соединяется с приемопередающим устройством.
Приемопередающее устройство содержит высокочастотный и низкочастотный приемопередающие тракты. Тракты выполнены по единой принципиальной схеме и отличаются только параметрами ряда радиоэлектронных компонентов. Каждый тракт содержит генератор с усилителем мощности и приемную часть, включающую полосовой усилитель, детектор, компаратор и схему временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ). Переключение режимов излучения и приема, а также согласование тракта с антенной производится с помощью входной цепи. Для сигнализации о техническом состоянии в каждом тракте предусмотрено устройство тестирования.
Управление работой приемопередающего устройства производится с ПУИ по соединительному кабелю длиной до 250 м. Преобразование поступающих внешних сигналов в вид, необходимый для нормального функционирования ППУ, производится с помощью устройства управления, содержащего соответствующие формирователи сигналов, а также устройство гальванической развязки на оптронных элементах. Последнее обеспечивает развязку от различного рода помех. Питание ППУ производится от собственного блока питания, на который из ПУИ поступает напряжение 42 В 50 Гц.
Прибор управления и индикации содержит устройства для управления работой, индикации измеренной глубины и судового времени, отображения профиля глубины, хранения информации, а также интерфейсы для связи с внешними потребителями. С их помощью формируется временная диаграмма работы эхолота, осуществляется выбор режима его функционирования, ввод значений скорости звука, сигнализация о выходе на заданную глубину.
Каждый из репитеров содержит регистр преобразования кодов, дешифратор и цифровой индикатор.
Работа эхолота происходит следующим образом.
Задающий генератор и формирователь сетки частот ПУИ вырабатывают необходимые сигналы на излучение, счетные импульсы для счетчика глубины и скорости звука. С помощью формирователя сигнала «СТАРТ» команда на излучение транслируется в устройство управления ППУ. Одновременно запускается счетчик глубины ПУИ. На время излучения сигнала приемник блокируется сигналом «БЛОКИРОВКА», вырабатываемым устройством управления ППУ.
Принятый антенной эхосигнал усиливается, детектируется и поступает на компаратор с заданным порогом срабатывания. При превышении уровнем эхосигнала заданного порога компаратор вырабатывает сигнал «СТОП», который с помощью соответствующего формирующего устройства транслируется в ПУИ и останавливает счетчик глубины.
Содержимое счетчика преобразуется в отсчет глубины, отображается на дисплее ПУИ в цифровом виде и в виде очередной отметки на профиле глубин, а также преобразуется в форму, необходимую для выдачи информации внешним потребителям.
Все управление работой эхолота производится с прибора управления и индикации. ПУИ обеспечивает:
При включении эхолота (подаче питания) он начинает работу в автоматическом режиме с установкой значения скорости звука 1500 м/с. Измерение начинается в режиме ВЧ.
Выбор канала измерений производится автоматически в зависимости от глубины под килем. Переключение каналов в автоматическом режиме происходит при глубине под килем 40 м.
При включении эхолота автоматически устанавливается значение заданной глубины 5 м, которое в дальнейшем изменяется вручную оператором.
Вырабатываемая в ПУИ информация транслируется внешним потребителям по протоколу обмена NMEA-0183 в стандартах RS 232C и RS422, а также записывается в рабочий модуль памяти (значения глубины и моменты судового времени).
Запись в модуль памяти производится в скользящем режиме. При заполнении модуля устаревшая информация замещается вновь поступающей. Предусмотрен второй модуль памяти, работающий в режиме хранения. Каждый модуль памяти имеет свое гарантированное питание, обеспечивающее хранение информации при снятии судового питания или извлечения модуля из ПУИ.
ПУИ обеспечивает возможность просмотра содержимого модуля памяти на дисплее монитора постранично (1 страница - профиль глубины за 10 минут плавания).
Для удобства пользователя предусмотрен подвижный маркер на экране дисплея.
1.3 Описание принципа функционирования модуля управления
приемопередающим устройством
Модуль предназначен для формирования сигналов управления ППУ, расчета глубины и передачи кода глубины в центральный контроллер и репитеры.
Схема модуля выполнена на основе однокристальной микро-ЭВМ КР1830ВЕ31 с внешней памятью программ. Программа работы модуля записана в ПЗУ типа 27С256 объемом 32К х 8.
Обмен информацией с центральным контроллером осуществляется через восьмиразрядные регистры на микросхемах D11, D12, D13 типа КР1533ИР23 с использованием триггеров флагов приема и передачи на микросхеме D14 типа КР1533ТМ2.
Регистр на микросхеме D11 используется для приема модулем управляющего байта из центрального контроллера. Значения разрядов этого регистра приведены в таблице 1.1.
Таблица 1.1
|
Разряды |
||||||||
|
D7 |
D6 |
D5 |
D4 |
D3 |
D2 |
D1 |
D0 |
|
|
Наименование сигнала |
Старт |
Режим ППУ 0-работа 1- тест |
ВЧ/НЧ 0-НЧ 1-ВЧ |
Коэффициент усиления ППУ |
Регистр на микросхеме D12 используется для приема из модуля центрального контроллера значения приращения скорости звука в заданном районе океана.
Регистр на микросхеме D13 используется для передачи в модуль центрального контроллера информации о количестве отражений (больше 1 цели) и о глубине (в двоично-десятичном коде).
Прием из ППУ сигналов "Стоп" и "Исправность ППУ" осуществляется через оптронную развязку на микросхемах D8, D9.
Для измерения величины временного интервала между импульсами "Старт" и "Стоп" используется выходной сигнал кварцевого генератора, построенного на микросхеме D3 с частотой 32768 Гц.
Микросхема D2 используется для формирования импульса, длительность которого пропорциональна глубине. Для индикации этого импульса используется светодиод Н1.
Инверторы на микросхемах DD4, DD15 используются для оптронной развязки модуля от ППУ по сигналам «Старт», «Усиление», «ВЧ/НЧ», «Режим ППУ».
Органов управления модуль не имеет.
1.4 Выбор и обоснование элементной базы
Согласно заданию разработка дипломного проекта должна опираться на современную элементную базу, а конкретно – использовать микроконтроллер (однокристальную микроЭВМ). Полноценное обоснование применения элементной базы можно выполнить, детально рассмотрев сравнительные характеристики наиболее активно используемых в настоящее время микроконтроллеров, как отечественных, так и выпускаемых зарубежными производителями. Основным фактором, влияющим на выбор типа используемого микроконтроллера, является человеческий. Опыт, накопленный при разработке устройств на базе микроЭВМ семейства МК51, позволяет избежать затрат, связанных с переобучением специалистов.
Использование восьмиразрядных высокопроизводительных однокристальных микроЭВМ (ОМЭВМ) семейства МК51, выполненных по высококачественной n МОП технологии (серия 1816) и КМОП технологии (серия 1830) по сравнению с МК48 обеспечивает увеличение объема памяти команд и памяти данных. Новые возможности ввода-вывода и периферийных устройств расширяют диапазон применения и снижают общие затраты системы. В зависимости от условий использования, быстродействие системы увеличивается минимум в два с половиной раза и максимум в десять раз.
Семейство МК51 включает пять модификаций ОМЭВМ (имеющих идентичные основные характеристики), основное различие между которыми состоит в реализации памяти программ и мощности потребления.
ОМЭВМ КР1816ВЕ51 и КР1830ВЕ51 содержат масочно-программируемое в процессе изготовления кристалла ПЗУ памяти программ емкостью 4096 байт и рассчитаны на применение в массовой продукции. За счет использования внешних микросхем памяти общий объем памяти программ может быть расширен до 64 Кбайт.
ОМЭВМ КМ 1816ВЕ751 содержит ППЗУ емкостью 4096 байт со стиранием ультрафиолетовым излучением и удобна на этапе разработки системы при отладке программ, а также при производстве небольшими партиями или при создании систем, требующих в процессе эксплуатации периодической подстройки. За счет использования внешних микросхем памяти общий объем памяти программ может быть расширен до 64 Кбайт.
ОМЭВМ КР1816ВЕ31 и КР1830ВЕ31 не содержат встроенной памяти программ, однако могут использовать до 64 Кбайт внешней постоянной или перепрограммируемой памяти программ и эффективно использоваться в системах, требующих существенно большего по объему (чем 4 Кбайт на кристалле) ПЗУ памяти программ.
Каждая из перечисленных выше микросхем является соответственно аналогом БИС 8051, 80С51, 8751, 8031, 80С31 семейства MCS-51 фирмы Intel (США).
Сравнительные данные микросхем приведены в таблице 1.2.
Таблица 1.2
|
Микросхемы |
Аналог |
Объем внутренней памяти программ, байт |
Тип памяти программ |
Объем внутренней памяти данных, байт |
Максимальная частота следования тактовых сигналов, МГц |
Ток потребления, мА |
|
KP1816BE31 |
8031АН |
- |
внешн. |
128 |
12,0 |
150,0 |
|
KP1816BE51 |
8051АН |
4К |
ПЗУ |
128 |
12,0 |
150,0 |
|
KM1816BE751 |
8751Н |
4К |
ППЗУ |
128 |
12,0 |
220,0 |
|
KP1830BE31 |
80С31ВН |
- |
внешн. |
128 |
12,0 |
18,0 |
|
KP1830BE51 |
80С51ВН |
4К |
ПЗУ |
128 |
12,0 |
18,0 |
Каждая ОМЭВМ рассматриваемого семейства содержит встроенное ОЗУ памяти данных емкостью 128 байт с возможностью расширения общего объема оперативной памяти данных до 64 Кбайт за счет использования внешних микросхем ЗУПВ.
Общий объем памяти ОМЭВМ семейства МК51 может достигать 128 Кбайт: 64 Кбайт памяти программ и 64 Кбайт памяти данных.
При разработке на базе ОМЭВМ более сложных систем могут быть использованы стандартные ИС с байтовой организацией, например, серии КР580. В дальнейшем обозначение "МК51" будет общим для всех моделей семейства, за исключением случаев, которые будут оговорены особо.
ОМЭВМ содержат все узлы, необходимые для автономной работы:
1) центральный восьмиразрядный процессор;
2) память программ объемом 4 Кбайт (только КМ1816ВЕ751, КР1816ВЕ51 и КР1830ВЕ51);
3) память данных объемом 128 байт;
4) четыре восьмиразрядных программируемых канала ввода-вывода;
5) два 16-битовых многорежимных таймера/счетчика;
6) систему прерываний с пятью векторами и двумя уровнями;
7) последовательный интерфейс;
8) тактовый генератор.
Система команд ОМЭВМ содержит 111 базовых команд с форматом 1, 2, или 3.
ОМЭВМ имеет:
- 32 РОН;
- 128 определяемых пользователем программно-управляемых флагов;
- набор регистров специальных функций.
РОН и определяемые пользователем программно-управляемые флаги расположены в адресном пространстве внутреннего ОЗУ данных. Регистры специальных функций (SFR, SPECIAL FUNCTION REGISTERS) с указанием их адресов приведены в таблице 1.3.
Таблица 1.3
|
Обозначение |
Наименование |
Адрес |
|
АСС |
Аккумулятор |
0E0H |
|
В |
Регистр В |
0F0H |
|
PSW |
Регистр состояния программы |
0D0H |
|
SP |
Указатель стека |
81H |
|
DPTR DPL DPH |
Указатель данных. 2 байта Младший байт Старший байт |
82H 83H |
|
Р0 |
Порт 0 |
80H |
|
Р1 |
Порт 1 |
90H |
|
Р2 |
Порт 2 |
0A0H |
|
РЗ |
Порт 3 |
0B0H |
|
IP |
Регистр приоритетов прерываний |
0B8H |
|
IE |
Регистр разрешения прерываний |
0A8H |
|
TMOD |
Регистр режимов таймера/счетчика |
89H |
|
ТСОМ |
Регистр управления таймера/счетчика |
88H |
|
ТН0 |
Таймер/счетчик 0.Старший байт |
8CH |
|
TL0 |
Таймер/счетчик 0. Младший байт |
8AH |
|
ТН1 |
Таймер/счетчик 1. Старший байт |
8DH |
|
TL1 |
Таймер/счетчик 1. Младший байт |
8BH |
|
SCON |
Управление последовательным портом |
98H |
|
SBUF |
Буфер последовательного порта |
99H |
|
PCON |
Управление потреблением |
87H |
Ниже кратко описываются функции регистров, приведенных в таблице 1.3.
Аккумулятор. АСС - регистр аккумулятора. Команды, предназначенные для работы с аккумулятором, используют мнемонику "А", например, MOV A, P2. Мнемоника "АСС" используется, к примеру, при побитовой адресации аккумулятора. Так, символическое имя пятого бита аккумулятора при использовании ассемблера ASM51 будет следующим: АСС .5.
Регистр В. Используется во время операций умножения и деления. Для других инструкций регистр В может рассматриваться как дополнительный сверхоперативный регистр.
Регистр состояния программы. Регистр PSW содержит информацию о состоянии программы.
Указатель стека SP. 8-битовый регистр, содержимое которого инкрементируется перед записью данных в стек при выполнении команд PUSH и CALL. При начальном сбросе указатель стека устанавливается в 07Н, а область стека в ОЗУ данных начинается с адреса 08Н. При необходимости путем переопределения-указателя стека область стека может быть расположена в любом месте внутреннего ОЗУ данных микроЭВМ.
Указатель данных. Указатель данных (DPTR) состоит из старшего байта (DPH) и младшего байта (DPL). Содержит 16-битовый адрес при обращении к внешней памяти. Может использоваться как 16-битовый регистр или как два независимых восьмибитовых регистра.
Порт 0 – Порт З. Регистрами специальных функций Р0, Р1, P2, РЗ являются регистры-"защелки" соответственно портов Р0, Р1, P2, РЗ.
Буфер последовательного порта. SBUF представляет собой два отдельных регистра: буфер передатчика и буфер приемника. Когда данные записываются в SBUF, они поступают в буфер передатчика, причем запись байта в SBUF автоматически инициирует его передачу через последовательный порт. Когда данные читаются из SBUF, они выбираются из буфера приемника.
Регистры таймера. Регистровые пары (TH0, TL0) и (TH1, TL1) образуют 16-битовые счетные регистры соответственно таймера/счётчика 0 и таймера/счетчика 1.
Регистры управления. Регистры специальных функций IP, IE, TMOD, TCON, SCON и PCON содержат биты управления и биты состояния системы прерываний, таймеров/счетчиков и последовательного порта.
ОМЭВМ при функционировании обеспечивает:
– минимальное время выполнения команд сложения - 1 мкс;
– аппаратное умножение и деление с минимальным временем выполнения команд умножения/деления - 4 мкс.
В ОМЭВМ предусмотрена возможность задания частоты внутреннего генератора с помощью кварца, LC-цепочки или внешнего генератора.
Архитектура семейства МК51, несмотря на то, что она основана на архитектуре семейства МК48, все же не является полностью совместимой с ней. В новом семействе имеется ряд новых режимов адресации, дополнительные инструкции, расширенное адресное пространство и ряд других аппаратных отличий. Расширенная система команд обеспечивает побайтовую и побитовую адресацию, двоичную и двоично-десятичную арифметику, индикацию переполнения и определения четности/нечетности, возможность реализации логического процессора.
Важнейшей и отличительной чертой архитектуры семейства МК51 является то, что АЛУ может наряду с выполнением операций над 8 разрядными типами данных манипулировать одноразрядными данными. Отдельные программно-доступные биты могут быть установлены, сброшены или заменены их дополнением, могут пересылаться, проверяться и использоваться в логических вычислениях. Тогда как поддержка простых типов данных (при существующей тенденции к увеличению длины слова) может с первого взгляда показаться шагом назад, это качество делает микроЭВМ семейства МК51 особенно удобными для применений, в которых используются контроллеры. Алгоритмы работы последних по своей сути предполагают наличие входных и выходных булевых переменных, которые сложно реализовать при помощи стандартных микропроцессоров. Все эти свойства в целом называются булевым процессором семейства МК51. Благодаря такому мощному АЛУ набор инструкций микроЭВМ семейства МК51 одинаково хорошо подходит как для применений управления в реальном масштабе времени, так и для алгоритмов с большим объемом данных.
Микросхемы семейства КМ1816ВЕ751 конструктивно выполнены в металлокерамическом корпусе типа 2123.40-6 с прозрачной для ультрафиолетового излучения крышкой. Остальные ОМЭВМ семейства МК51 конструктивно выполнены в пластмассовых корпусах типа 2123.40-2. Условное графическое обозначение микросхем показано на рисунке 1.1, назначение выводов приведено в таблице 1.4.
Рисунок 1.1
Таблица 1.4
|
№ вывода |
Обозначение |
Назначение |
Тип |
|
1-8 |
Р1.0-Р1.7 |
8-разрядный двунаправленный порт Р1. Вход адреса А0-А7 при проверке внутреннего ПЗУ (РПЗУ). |
вход/ выход |
|
9 |
RST |
Сигнал общего сброса. Вывод резервного питания ОЗУ от внешнего источника (для 1816) |
вход |
Продолжение таблицы 1.4
|
№ вывода |
Обозначение |
Назначение |
Тип |
|
10-17 |
Р3.0-Р3.7 |
8-разрядный двунаправленный порт РЗ с дополнительными функциями: |
вход/ выход |
|
Р3.0 |
Последовательные данные приемника - RxD |
вход |
|
|
Р3.1 |
Последовательные данные передатчика - TxD |
выход |
|
|
Р3.2 |
Вход внешнего прерывания 0- INT0 |
вход |
|
|
РЗ.З |
Вход внешнего прерывания 1- INT1 |
вход |
|
|
Р3.4 |
Вход таймера/счетчика 0: - Т0 |
вход |
|
|
Р3.5 |
Вход таймера/счетчика 1: - Т1 |
вход |
|
|
Р3.6 |
Выход стробирующего сигнала при записи во внешнюю память данных: - WR |
выход |
|
|
- |
Р3.7 |
Выход стробирующего сигнала при чтении из внешней памяти данных - RD |
выход |
|
18 19 |
BQ2 BQ1 |
Выводы для подключения кварцевого резонатора. |
выход вход |
|
20 |
0 В |
Общий вывод |
|
|
21-28 |
Р2.0-Р2.7 |
8-разрядный двунаправленный порт Р2. Выход адреса А8-А15 в режиме работы с внешней памятью. В режиме проверки внутреннего ПЗУ выводы Р2.0 - Р2.6 используются как вход адреса А8-А14. Вывод Р2.7 - разрешение чтения ПЗУ: - Е |
вход/ выход |
|
29 |
РME |
Разрешение программной памяти |
выход |
|
30 |
ALE |
Выходной сигнал разрешения фиксации адреса. При программировании РПЗУ сигнал: - PROG |
вход/ выход |
|
31 |
DEMA |
Блокировка работы с внутренней памятью. |
вход/ выход |
|
32-39 |
Р0.7-Р0.0 |
8-разрядный двунаправленный порт Р0. Шина адреса/данных при работе с внешней памятью. Выход данных D0-D7 в режиме проверки внутреннего ПЗУ |
вход/ выход |
|
40 |
Ucc |
Вывод питания от источника напряжением +5 В |
ОМЭВМ, структурная схема которой представлена на рисунке 1.2 и рисунке 1.3, состоит из следующих основных функциональных узлов: блока управления, арифметико-логического устройства, блока таймеров/счетчиков,
Рисунок 1.3
блока последовательного интерфейса и прерываний, программного счетчика, памяти данных и памяти программ. Двусторонний обмен информацией между функциональными блоками осуществляется с помощью внутренней 8 разрядной магистрали данных.
Учитывая приведенные выше данные, выбираем для построения модуля управления приемопередающим устройством микросхему КР1830ВЕ31.
Микроконтроллер КР1830ВЕ31 (в соответствии с рисунком 1.4) выполнен по КМОП технологии и обеспечивает универсальность, автономность и гибкость применения в устройствах самого различного направления. Максимальная тактовая частота 12 МГц. В микроконтроллере предусмотрена возможность расширения памяти программ до 4 кбайт, памяти данных до 364 байт и увеличения числа линий за счет подключения внешних кристаллов постоянных запоминающих устройств и интерфейсов ввода/вывода.
Рисунок 1.4
Микросхема КР1830ВЕ31 имеет на кристалле (в корпусе большой интегральной микросхемы) следующие аппаратные средства:
Назначение выводов микросхемы.
Порт РО вход/выход – восьмиразрядный трехстабильный двунаправленный порт, информация в который может быть записана или считана синхронно с каналами WR и RD. Порт может быть статически зафиксирован. Он выдает восемь младших разрядов адреса при работе с внешней памятью программы и принимает код команды из внешней памяти программ по сигналу РМЕ. Порт выдает адрес и данные при выполнении команд обращения к внешней памяти данных по сигналам ALE, RD, WR, принимает адрес и данные при программировании внутреннего постоянного запоминающего устройства. Описание сигналов:
1) ENE, GND – общий.
2) RD – чтение. Активный сигнал низкого уровня формируется аппаратно при обращении к внешней памяти данных.
3) WR – запись. Активный сигнал низкого уровня формируется аппаратно при обращении к внешней памяти данных.
4) Т0 – вход таймера/счетчика 0 или тест/вход.
5) Т1 – вход таймера/счетчика 1 или тест/вход.
6) INT1 – вход запроса прерывания 1. Воспроизводится как сигнал низкого уровня или срез.
7) INT0 – вход запроса прерывания 0. Воспроизводится как сигнал низкого уровня или срез.
8) RES – сигнал сброса микропроцессора в исходное состояние.
TхD – выход передатчика последовательного порта в режиме универсального синхронного приемо-передатчика. Выход синхронизации в режиме сдвигающего регистра.
RxD – вход приемника последовательного порта в режиме универсального синхронного приемо-передатчика. Ввод/вывод данных в режиме сдвигающего регистра.
Порт 2 – вход/выход восьмиразрядный квазидвунаправленный. Включает в себя четыре старших разряда при обращении к внешней памяти (Р2.3 – Р2.0 – выход).
AxD – напряжение питания плюс 5 В.
ALE – выход. Разрешение фиксации адреса.
PME – выход. Используется при обращении к внешней памяти команд.
Для работы КР1830ВЕ31 необходимо напряжение питания плюс 5 В. Выходы микроконтроллера взаимодействуют со средой в стандарте ТТЛ-схем с тремя состояниями.
Кроме того, для обеспечения быстродействия, надежности и совместимости элементов выбираем следующие микросхемы.
Микросхема КР1533ТМ2. Микросхема содержит два независимых D триггера, срабатывающих по фронту тактового сигнала. Низкий уровень напряжения U0 на входах установки или сброса устанавливает выходы триггера в соответствующее состояние вне зависимости от состояния других входов (C и D). При наличии на входах установки и сброса напряжения U1 требуется предварительная установка информации по входу данных относительно фронта тактового сигнала, а также соответствующая выдержка информации после подачи фронта синхросигнала.
Микросхема размещена в корпусе 201.14-1.
В таблице 1.5 приведено назначение выводов, таблица 1.6 – таблица истинности.
Таблица 1.5
|
Номер вывода |
Обозначение |
Назначение |
|
01 |
Вход сброса |
|
|
02 |
D1 |
Вход |
|
03 |
C1 |
Вход тактовый |
|
04 |
Вход установки |
|
|
05 |
Q1 |
Выход |
|
06 |
Выход |
|
|
07 |
0V |
Общий вывод |
|
08 |
Выход |
|
|
09 |
Q2 |
Выход |
|
10 |
Вход установки |
|
|
11 |
C2 |
Вход тактовый |
|
12 |
D2 |
Вход |
|
13 |
Вход сброса |
|
|
14 |
U |
Вывод питания от источника напряжения |
Таблица 1.6
|
Входы |
Выходы |
||||
|
C |
D |
Q |
|||
|
0 |
1 |
X |
X |
1 |
0 |
|
1 |
0 |
X |
X |
0 |
1 |
|
0 |
0 |
X |
X |
H* |
H* |
|
1 |
1 |
0/1 |
1 |
1 |
0 |
|
1 |
1 |
0/1 |
0 |
0 |
1 |
|
1 |
1 |
0 |
X |
Q0 |
X - произвольное состояние входа,
H* - неопределенное состояние выхода,
Q0, - предыдущее состояние выхода.
Условное графическое обозначение микросхемы приведено на рисунке 1.5.
Рисунок 1.5
Микросхема КР1533АП6. Микросхема КР1533АП6 представляет собой восьмиразрядный двунаправленный приемопередатчик с тремя состояниями на выходе и без инверсии входной информации, применяется в качестве интерфейсной схемы в системах с магистральной организацией обмена информации, в системах цифровой автоматики и микропроцессорных устройствах. Режим работы определяется комбинацией сигналов на двух входах управления COZ и COD. При низком уровне напряжения на входе управления третьим состоянием COZ, направление передачи определяется логическим уровнем на входе COD, а при высоком уровне напряжения на входе COZ выходы микросхемы переводятся в высокоимпедансное состояние. Для обеспечения работы на относительно низкоомную или большую емкостную нагрузку выходы микросхемы умощнены по сравнению со стандартными. Для уменьшения времени переключения микросхемы в третье состояние и гарантированного запирания выходного транзистора во всем температурном диапазоне применена специальная цепь управления третьим состоянием. Применение во входных каскадах микросхемы КР1533АП6, как и во всей серии КР1533, транзисторов р п р типа обеспечивает высокую нагрузочную способность приемопередатчиков.
Условно-графическое обозначение микросхемы КР1533АП6 приведено на рисунке 1.6.
Рисунок 1.6
Микросхема 1533ИР23. Данная микросхема спроектирована специально для управления большой емкостной или относительно низкоомной нагрузкой. Применение выхода с тремя состояниями и увеличенная нагрузочная способность по сравнению со стандартными микросхемами серии КР1533 обеспечивает возможность работы непосредственно на магистраль в системах с магистральной организацией без дополнительных схем интерфейса. Все это позволяет использовать КР1533ИР23 в качестве регистра, буферного регистра, регистра ввода-вывода, магистрального передатчика и др.
Назначение выводов микросхемы приведено в таблице 1.7.
Таблица 1.7
|
Номер вывода |
Обозначение |
Назначение |
|
1 |
EZ |
Вход разрешения снятия состояния высокого импеданса |
|
2 |
QO |
Выход |
|
3 |
DO |
Вход информационный |
|
4 |
D1 |
Вход информационный |
|
5 |
Q1 |
Выход |
|
6 |
Q2 |
Выход |
|
7 |
D2 |
Вход информационный |
|
8 |
D3 |
Вход информационный |
|
9 |
Q3 |
Выход |
|
10 |
OV |
Общий вывод |
|
11 |
С |
Вход тактовый |
|
12 |
Q4 |
Выход |
|
13 |
D4 |
Вход информационный |
|
14 |
D5 |
Вход информационный |
|
15 |
Q5 |
Выход |
|
16 |
Q6 |
Выход |
|
17 |
D6 |
Вход информационный |
|
18 |
D7 |
Вход информационный |
|
19 |
Q7 |
Выход |
|
20 |
UCC |
Вывод питания от источника напряжения |
Условно-графическое обозначение микросхемы приведено на рисунке 1.7.
Рисунок 1.7
Базовый элемент микросхемы - D-триггер. Запись информации осуществляется по положительному фронту синхросигнала. Для правильной работы регистра необходима предварительная установка и соответствующее удержание данных относительно фронта синхросигнала.
Высокий уровень напряжения на входе EZ переводит выходы микросхемы в высокоимпедансное состояние, при этом, однако, в регистр может записываться новая информация или храниться предыдущая. Схема управления третьим состоянием спроектирована таким образом, что при снижении напряжения питания примерно до 3 В она переводит выходы микросхемы в третье состояние вне зависимости от информации на входе EZ. Данная особенность позволяет исключить сквозные токи во время включения и выключения питания при использовании микросхемы в системах с магистральной организацией.
Микросхема КР1564ЛН1 представляет собой шесть инверторов и выполняет логическую операцию НЕ. Микросхема имеет двухтактный выходной каскад. Микросхема приведена на рисунке 1.8.
Рисунок 1.8