Специальные устройства и дополнительные модули микроконтроллеров.

Черноморское Высшее Военно-Морское училище имени П.С. Нахимова ДИСЦИПЛИНА: ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛЕКЦИЯ № 23 ТЕМА: СПЕЦИАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА И ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МОДУЛИ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ. ТЕМА: СПЕЦИАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА И ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МОДУЛИ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ. Цель : получить знания по особенностям функционирования специальных устройств микроконтроллеров. Вопросы 1.Тактовые генераторы микроконтроллеров. 2.Минимизация энергосбережения в системах на основе микроконтроллеров. 3.Аппаратные средства обеспечения надежности работы микроконтроллеров. Дополнительные модули микроконтроллеров. Литература 1.Курс лекций по дисциплине «Информационно-управляющие технологии», Севастополь, ЧВВМУ, 2016 г, лекция № 23 (электронный вариант). 2 1.ТАКТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ. Современные микроконтроллеры содержат встроенные тактовые генераторы, которые требуют минимального числа внешних времязадающих элементов. На практике используются три основных способа определения тактовой частоты генератора: с помощью кварцевого резонатора, керамического резонатора и внешней RC-цепи. ТАКТИРОВАНИЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА а) с использованием кварцевого или керамического резонаторов; б) с использованием RC-цепи. 3 1.ТАКТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ. Использование кварцевого резонатора позволяет обеспечить высокую точность и стабильность тактовой частоты (разброс частот кварцевого резонатора обычно составляет менее 0,01%). Такой уровень точности требуется для обеспечения точного хода часов реального времени или организации интерфейса с другими устройствами. Основными недостатками кварцевого резонатора являются его низкая механическая прочность (высокая хрупкость) и относительно высокая стоимость. Самым дешевым способом задания тактовой частоты МК является использование внешней RС-цепи. Внешняя RC-цепь не обеспечивает высокой точности задания тактовой частоты (разброс частот может доходить до десятков процентов). 4 2. МИНИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ В СИСТЕМАХ НА ОСНОВЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ Основные режимы работы микроконтроллеров •активный режим (Run mode) — основной режим работы МК. В этом режиме МК исполняет рабочую программу, и все его ресурсы доступны. Потребляемая мощность имеет максимальное значение PRUN. Большинство современных МК выполнено по КМОП-технологии, поэтому мощность потребления в активном режиме сильно зависит от тактовой частоты; 5 2. МИНИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ В СИСТЕМАХ НА ОСНОВЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ Основные режимы работы микроконтроллеров •режим ожидания (Wait mode, Idle mode или Halt mode). В этом режиме прекращает работу центральный процессор, но продолжают функционировать периферийные модули, которые контролируют состояние объекта управления. При необходимости сигналы от периферийных модулей переводят МК в активный режим, и рабочая программа формирует необходимые управляющие воздействия. Перевод МК из режима ожидания в рабочий режим осуществляется по прерываниям от внешних источников или периферийных модулей, либо при сбросе МК. В режиме ожидания мощность потребления МК PWAIT снижается по сравнению с активным режимом в 5…10 раз; 6 2. МИНИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ В СИСТЕМАХ НА ОСНОВЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ Основные режимы работы микроконтроллеров •режим останова (Stop mode, Sleep mode или Power Down mode). В этом режиме прекращает работу как центральный процессор, так и большинство периферийных модулей. Переход МК из состояния останова в рабочий режим возможен, как правило, только по прерываниям от внешних источников или после подачи сигнала сброса. В режиме останова мощность потребления МК PSTOP снижается по сравнению с активным режимом примерно на три порядка и составляет единицы микроватт. 7 2. МИНИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ В СИСТЕМАХ НА ОСНОВЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ Мощность потребления МК в активном режиме в значительной степени зависит от напряжения питания МК и частоты тактирования. В зависимости от диапазона питающих напряжений все МК можно разделить на три основные группы: •МК с напряжением питания 5,0 В±10%. Эти МК предназначены, как правило, для работы в составе устройств с питанием от промышленной или бытовой сети, имеют развитые функциональные возможности и высокий уровень энергопотребления. •МК с расширенным диапазоном напряжений питания: от 2,0…3,0 В до 5,0-7,0 В. МК данной группы могут работать в составе устройств как с сетевым, так и с автономным питанием. •МК с пониженным напряжением питания: от 1,8 до 3 В. Эти МК предназначены для работы в устройствах с автономным питанием и обеспечивают экономный расход энергии элементов питания. 8 3. АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОЙ РАБОТЫ МК. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МОДУЛИ МК . С целью обеспечения надежного запуска, контроля работы МК и восстановления работоспособности системы в отсутствие оператора все современные МК снабжаются аппаратными средствами обеспечения надежной работы. К ним относятся: •схема формирования сигнала сброса МК; •модуль мониторинга напряжения питания; •сторожевой таймер. 9 3. АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОЙ РАБОТЫ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ ТИПОВЫЕ СХЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛА ВНЕШНЕГО СБРОСА а) с высоким активным уровнем сигнала сброса ; б) с низким активным уровнем сигнала сброса. 10 3. АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОЙ РАБОТЫ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ Блок детектирования пониженного напряжения питания В реальных условиях эксплуатации может сложиться такая ситуация, при которой напряжение питания МК опустится ниже минимально допустимого, но не достигнет порога отпускания схемы POR. В этих условиях МК может «зависнуть». При восстановлении напряжения питания до номинального значения МК останется неработоспособным. Для восстановления работоспособности системы после «просадки» напряжения питания МК необходимо снова сбросить. Для этой цели в современных МК реализован дополнительный блок детектирования пониженного напряжения питания. 11 3. АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОЙ РАБОТЫ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ Сторожевой таймер Если, несмотря на все принятые меры, МК все же «завис» , то на случай выхода из этого состояния все современные контроллеры имеют встроенный модуль сторожевого таймера. Принцип действия сторожевого таймера 12 ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МОДУЛИ МК Модули последовательного ввода/вывода Практически во всех МК имеются модули последовательного ввода/вывода. Задачи модуля контроллера последовательного ввода/вывода: связь встроенной микроконтроллерной системы с системой управления верхнего уровня, например, с персональным компьютером. Чаще всего для этой цели используются интерфейсы RS-232C и RS-485; •связь с внешними по отношению к МК периферийными ИС, а также с датчиками физических величин с последовательным выходом. Для этих целей используются интерфейсы I2C, SPI, а также нестандартные протоколы обмена; •интерфейс связи с локальной сетью в мультимикроконтроллерных системах. В системах с числом МК до пяти обычно используются сети на основе интерфейсов I2C, RS-232C и RS-485 с собственными сетевыми протоколами высокого уровня. В более сложных системах все более популярным становится протокол CAN. 13 ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МОДУЛИ МК Модули аналогового ввода СТРУКТУРА МОДУЛЯ АЦП. 14 ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МОДУЛИ МК Модули аналогового вывода Цифро-аналоговые преобразователи в составе МК являются большой редкостью. Функция цифро-аналогового преобразователя реализуется средствами модуля программируемого таймера в режиме ШИМ (широтно-импульсной модуляции). На одном из выводов МК формируется высокочастотная импульсная последовательность с регулируемой длительностью импульса. Полученный сигнал сглаживается фильтром нижних частот на операционном усилителе. Разрешающая способность такого ЦАП определяется дискретностью регулирования коэффициента заполнения в режиме ШИМ 15