Обмен информацией между персональным компьютером и микроконтроллером семейства MCS-51 фирмы Intel

В данной работе рассматривается организация обмена информацией между персональным компьютером и микроконтроллером семейства MCS-51 фирмы Intel. В работе представлены алгоритмы программного обеспечения микроконтроллера, а также структурные схемы подключения микроконтроллера к портам персонального компьютера. Объем работы 47 страниц.ANNOTATION In given document is considered organization of information exchange between the personal computer and family MCS-51 Company Intel microcontroller.

There is presented the algorithms of microcontroller software, as well as structured schemes of connecting a microcontroller to ports of the personal computer. Volumes of work 47 pages.СОДЕРЖАНИЕ стр. ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ * ВВЕДЕНИЕ * 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА * 1.1 Постановка глобальных задач * 1.2 Анализ предыдущей работы * 1.2.1 Положительные стороны * 2.2 Отрицательные стороны * 1.3 Постановка задачи * 2. РАЗРАБОТКА ВОПРОСОВ АППАРАТНОГО И ПРОГРАММНОГО СОПРЯЖЕНИЯ * 2.1 Аппаратное сопряжение ПК и микроконтроллера * 1.1 Скорость приема/передачи * 1.2 Разработка формата принимаемых и передаваемых данных * 2.1.3 Разработка схемы подключения микроконтроллера * 1.4 Выбор источника питания * 2.2 Подключение внешней памяти программ * 2.3 Программное сопряжение микроконтроллера и ПК * 3.1 Начальная установка MCS-51 * 3.2 Программное обеспечение организации обмена информацией между МК и ПК * 2.1 Программа “Монитор” * 2.2 Подпрограмма запуска программы пользователя в режиме реального времени * 2.3 Подпрограмма запуска программы пользователя в пошаговом режиме * 2.4 Подпрограмма записи программы пользователя в память программ микроконтроллера. * 2.5 Подпрограмма записи информации в программно – доступные узлы микроконтроллера * 2.6 Подпрограмма чтения из памяти программ микроконтроллера * 2.7 Подпрограмма чтения информации программно – доступных узлов микроконтроллера * 2.3.2.8 Подпрограмма выдачи ошибки в ПК * 2.9 Подпрограмма выдачи одного байта информации * 2.10 Подпрограмма приема одного байта информации. * СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ * ПРИЛОЖЕНИЯ * ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ БИС - большая интегральная схема МК - микроконтроллер ОЗУ - оперативное запоминающее устройство ПЗУ - постоянное запоминающее устройство ПК - персональный компьютер УАПП - универсальный асинхронный приемопередатчик ЭВМ - электронная вычислительная машина ВВЕДЕНИЕ Развитие микроэлектроники и широкое применение ее изделий в промышленном производстве, в устройствах и системах управления самыми разнообразными объектами и процессами является в настоящее время одним из основных направлений научно-технического прогресса.

Использование микроконтроллеров в изделиях не только приводит к повышению технико-экономических показателей (стоимости, надежности, потребляемой мощности, габаритных размеров), но и позволяет сократить время разработки изделий и делает их модифицируемыми, адаптивными.

Использование микроконтроллеров в системах управления обеспечивает достижение высоких показателей эффективности при низкой стоимости.

Микроконтроллеры представляют собой эффективное средство автоматизации разнообразных объектов и процессов.

Все это определяет необходимость изучения микропроцессорных систем. В настоящее время в РАУ имеются учебные методические комплексы УМК ВЭФ, базирующиеся на микропроцессоре I8080, позволяющие получить знания в программировании микропроцессоров.

К сожалению, на кафедре нет лабораторной установки, позволяющей получить практические навыки в программировании микроконтроллеров.

Необходимо создание новой лабораторной базы, использующей на наиболее распространенные микроконтроллеры.

Такими микроконтроллерами могут послужить микроконтроллеры семейства MCS-51 фирмы Intel. Такие лабораторные установки могут использоваться не только как учебно-методическое пособие при изучении курса микропроцессоров, но и как устройства управления другими учебно-методическими комплексами, используемыми в других курсах.Вышесказанное указывает на актуальность рассмотрения вопроса организации обмена информацией между персональным компьютером и микроконтроллером MCS-51 фирмы Intel. 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА В устройствах управления объектами (контроллерах) на основе МК аппаратурные средства и программное обеспечение существует в форме неделимого аппаратурно-программного комплекса.

При проектировании контроллеров приходиться решать одну из самых сложных задач разработки, а именно задачу оптимального распределения функций контроллера между аппаратурными средствами и программным обеспечением.Решение этой задачи осложняется тем, что взаимосвязь и взаимовлияние аппаратурных средств и программного обеспечения в микропроцессорной технике претерпевают динамические изменения. Если в начале развития микропроцессорной техники определяющим было правило, в соответствии с которым аппаратурные средства обеспечивают производительность, а программное обеспечение – дешевизну изделия, то в настоящее время это правило нуждается в серьезной корректировке.

Так как МК представляет собой стандартный массовый (относительно недорогой) логический блок, конкретное назначение которого определяет пользователь с помощью программного обеспечения, то с ростом степени интеграции и, следовательно, функционально-логических возможностей МК резко понижается стоимость изделия в пересчете на выполняемую функцию, что в конечном итоге и обеспечивает достижение высоких технико-экономических показателей изделий на МК. При этом затраты на разработку программного обеспечения изделия в 2 – 10 раз превышают затраты на приобретение и изготовление аппаратурных средств.

В настоящее время наибольшее распространение получил методологический прием, при котором весь цикл разработки контроллеров рассматривается как последовательность трех фаз проектирования: 1. анализа задачи и выбора (и/или разработки) аппаратурных средств контроллера; 2. разработка прикладного программного обеспечения; 3. комплексирования аппаратурных средств и программного обеспечения в прототипе контроллера и его отладки.

Фаза разработки программного обеспечения, т.е. фаза получения прикладных программ, в свою очередь, разбивается на два существенно различных этапа: 1. “от постановки задачи к исходной программе”; 2. “от исходной программы к объектному модулю”. Этап разработки “от исходной программы к объектному модулю” имеет целью получение машинных кодов прикладных программ, работающих в МК. Этот этап разработки прикладного программного обеспечения легко поддается формализации и поддержан всей мощью системного программного обеспечения МК, направленного на автоматизацию процесса получения прикладных программ.

В состав средств системного программного обеспечения входят трансляторы с различных алгоритмических языков высокого уровня, ассемблеры, редакторы текстов, программы-отладчики, программы-документаторы и т.д. Наличие всех этих системных средств придает инженерной работе на этом этапе проектирования контроллеров характер ремесла, а не инженерного творчества.

Так как в конечном изделии имеются только МК и его средства сопряжения с объектом, то выполнять отладку разрабатываемого прикладного программного обеспечения на нем невозможно (из-за отсутствия средств ввода, вывода, ОЗУ большой емкости и операционной системы), и, следовательно, разработчик вынужден обращаться к средствам вычислительной техники для выполнения всех формализуемых стадий разработки: трансляции, редактирования, отладки, загрузки объектных кодов и программируемую постоянную память МК. Этап разработки “от постановки задачи к исходной программе” не поддается формализации и, следовательно, не может быть автоматизирован.

Проектная работа здесь носит творческий характер, изобилует решениями, имеющими “волевую” или “вкусовую” окраску, и решениями, продиктованными конъюнктурными соображениями.

На этом этапе разработчик стакивается с наибольшим количеством трудностей.На обоих этапах разработки необходимо тестировать программное обеспечение не только на эмуляторах, но и на “живом” МК, с целью выявления специфических ошибок (неправильная логика работы устройства, ошибки, связанные с эмуляцией). Это требует многократного перепрограммирования МК, что связанно с большой затратой времени (время стирания информации в ПЗУ с ультрафиолетовым, или электрическим стиранием может достигать нескольких десятков минут). Это время можно сократить используя в качестве памяти программ не ПЗУ, а ОЗУ. Разрабатываемое устройство значительно упростит оба этапа разработки, позволяя отлаживать программное обеспечение непосредственно на “живом” МК и позволит сэкономить время, связанное с записью и стиранием тестируемых программ.

При решении задач об оптимальном распределении функций между аппаратурными средствами и программным обеспечением необходимо исходить из того, что использование специализированных интерфейсных БИС упрощает разработку и обеспечивает высокое быстродействие системы в целом, но сопряжено с увеличением стоимости, объема и потребляемой мощности.

Больший удельный вес программного обеспечения позволяет сократить число компонентов системы и стоимость ее аппаратурных средств, но это приводит к снижению быстродействия и увеличению затрат и сроков разработки и отладки прикладных программ.

При этом еще может несколько увеличиваться число БИС внешней памяти МК - системы.Решение о выборе того или иного варианта распределения функций между аппаратурными и программными средствами системы принимается в зависимости от тиражности изделия, ограничений по стоимости, объему, потребляемой мощности и быстродействию изделия.

Программная реализация основных элементов алгоритма работы контроллера допускает его модификацию путем перепрограммирования. В то время как возможность изменения уже существующей фиксации элементов алгоритма в аппаратуре контроллера практически отсутствует. После получения объектного кода программы неизбежно наступает этап отладки, т.е. установления факта ее работоспособности, а также выявления и устранения ошибок.Без этого этапа разработки никакое программное обеспечение вообще не имеет права на существование.

Обычно отладка прикладного программного обеспечения осуществляется в несколько этапов. Простые (синтаксические) ошибки выявляются уже на этапе трансляции.Далее необходимо выполнить: автономную отладку каждой процедуры в статическом режиме, позволяющую проверить правильность проводимых вычислений, правильность последовательности переходов внутри процедуры (отсутствие “зацикливания”) и т.п.; комплексную отладку программного обеспечения в статическом режиме, позволяющую проверить правильность алгоритма управления (по последовательности формирования управляющих воздействий); комплексную отладку в динамическом режиме без подключения объекта для определения реального времени выполнения программы и ее отдельных фрагментов.

Эти этапы отладки осуществляются обычно с использованием кросс систем.В состав кросс систем входят программы-отладчики, интерпретирующие выполнение программ написанных для МК. Но как бы ни был хорош интерпретатор, он все равно не может полностью заменить реальный МК. С использованием разрабатываемого устройства можно будет выполнять рассмотренные этапы отладки уже непосредственно на “живом” МК, подключая к нему реальные физические объекты.

Эти этапы отладки можно будет объединить со следующими этапами разработки устройства – отладка отдельных фрагментов программного обеспечения на отладочном модуле в режиме реального времени.Можно будет исключить этап комплексной отладки прикладного программного обеспечения на инструментальной микроЭВМ с внутрисхемным эмулятором.

Разрабатываемое устройство должно обеспечить все необходимые возможности, доступные в кросс системах: доступ к любому ресурсу МК; пошаговое исполнение программ. Разрабатываемое устройство позволит промоделировать практически все возможные варианты работы программы и тем самым убедиться в ее работоспособности.Здесь возможна проверка работоспособности программы при нештатных ситуациях в условиях поступления некорректных входных воздействий.

Можно будет моделировать среду обитания МК, т.е. различного рода объекты и датчики, подключаемые к нему. Это устройство устраняет главный недостаток кросс систем – невозможность прогона программы в реальном масштабе времени, т.е. со скоростью близкой к скорости выполнения программы в самом МК, а также невозможность комплексирования аппаратурных и программных средств разрабатываемой системы.Именно эти причины влияют на достоверность прикладных программ, отлаженных в кросс системах.

Эта достоверность, как правило, не достаточно высока. Задачей данной работы является разработка необходимого программного обеспечения и аппаратных средств сопряжения МК и ПК. 1.1 Постановка глобальных задач Организация обмена информацией предполагает: o рассмотрение вопросов аппаратных средств; o создание необходимого программного обеспечения.Аппаратные средства должны обеспечить: o физическое сопряжение портов ПК и микроконтроллера; o сопряжение МК с внешней памятью программ.

Программное обеспечение должно обеспечить решение следующего ряда задач: o запись программы, отлаженной на ПК, в память программ и данных МК; o выполнение программы в режиме реального времени; o выполнение программы в пошаговом режиме; o запись информации из ПК в программно-доступные узлы МК; o чтение содержимого программно-доступных узлов и индикация их на мониторе ПК. 1.2 Анализ предыдущей работы Вопрос об организации обмена информацией между персональным компьютером и микроконтроллером семейства Intel MCS-51 был уже рассмотрен в бакалаврской работе [3]. В этой работе были рассмотрены проблемы аппаратного и программного сопряжения МК с ПК в составе планируемой лабораторной установки. 1.2.1 Положительные стороны В работе [3] было предложено использовать в качестве интерфейса сопряжения с ПК интерфейс RS-232C. Выбор данного интерфейса основывался на простоте подключения, а также минимальных затратах связанных с аппаратным подключением.

Положительным фактом для выбора этого интерфейса служит также возможность удаленного подключения и возможность дуплексной передачи данных, что не могут обеспечить внутренняя шина ПК и интерфейс Centronics.

Кроме того каждый компьютер оборудован хотя бы одним асинхронным последовательным адаптером. Асинхронный адаптер обычно содержит несколько СОМ – портов, через которые к компьютеру можно подключить внешние устройства.Используя СОМ – порт данные не надо синхронизировать. Для синхронизации передающего и принимающего устройства группе битов предшествует специальный стартовый бит, а после группы битов следуют один или два стоповых бита. Также в конце группы передаваемых битов может следовать бит четности.

Наличие или отсутствие бита четности, количество стартовых и стоповых битов определяют формат передачи данных. В работе [3] был предложен формат состоящий из одного стартового бита, семи информационных битов, бита четности и двух стоповых битов.Данный формат не является удобным, т.к. передавать информацию, разбивая ее на семь информационных битов не удобно.

Гораздо удобнее использовать побайтовую пересылку. Одним из основных плюсов данной работы является предложение использовать в качестве памяти программ ОЗУ вместо ПЗУ, что позволяет существенно увеличить скорость перезаписи программ пользователя. ОЗУ используется для размещения программ пользователя.При записи программ в ОЗУ, обращение к памяти программ осуществляется как обращение к памяти данных, чтение как к памяти программ.

Использование памяти программ во время записи как память данных обуславливается тем, что во время работы микроконтроллера память программ доступна пользователю только для чтения. 1.2.2 Отрицательные стороны Одним из минусов работы [3] является предложение о согласовании уровней между интерфейсом RS-232C и последовательным портом МК. Были разработаны схемы приемника и передатчика. Эти схемы имеют ряд недостатков.Одним из недостатков является необходимость в дополнительных источниках питания на +12 и –12 вольт.

Данные схемы не являются надежными. Они используют устаревшую электронную базу и не удовлетворяют реальным требованиям, поставленным перед ними. В настоящее время имеется ряд микросхем, позволяющий осуществить согласование уровней сигналов между интерфейсом RS-232C и последовательным портом МК. Такие схемы более надежны и не требуют дополнительного питания на +12 и –12 вольт.В работе [3] предлагалось использовать МК 8031. Данный МК не имеет внутренней памяти программ.

В связи с этим возникла необходимость в установке внешней памяти программ. Эта память программ разбивалась на ПЗУ, для хранения программы “Монитор” и ОЗУ, как память программ пользователя. Это ограничивает общую внешнюю память программ, используемую как память программ пользователя. В работе 3 не были решены вопросы с доступом к программно-доступным узлам микроконтроллера.При переходе к подпрограмме микроконтроллер сохраняет в стеке только содержимое счетчика команд.

Поэтому перед началом приема или передачи данных необходимо позаботиться о сохранение содержимого аккумулятора и регистров, которые будут использоваться при приеме или передачи данных.Программа “Монитор” учитывала только ряд задач, которые могут возникнуть у пользователя на этапах разработки программного обеспечения, тестирования его или использования системы на практике. 1.3 Постановка задачи Из проведенного выше анализа следует, что при реализации процесса обмена информацией между микроконтроллером MCS-51 и персональным компьютером необходимо решить следующий ряд вопросов: o Вопросы аппаратных средств. o Разработка схемы сопряжения портов ПК и микроконтроллера с использованием современной электронной базы. Данная схема должна обеспечить согласование уровней сигналов между СОМ – портом ПК и микроконтроллером, не должна требовать дополнительных источников питания, должна иметь небольшие масса - габаритные характеристики, должна быть дешевой и надежной. o Разработка схемы подключения памяти к микроконтроллеру.

Данная схема должна обеспечить возможность использования ОЗУ в качестве памяти программ.

Во время записи программы пользователя память программ должна использоваться, как память данных. Адресное пространство внешней памяти данных и памяти программ не должно перекрываться. o Вопросы программного обеспечения. o Разработать формат передачи данных между ПК и микроконтроллером.Этот формат должен использовать восемь информационных битов. o Разработать алгоритм записи программы, отлаженной на ПК, в память программ МК. o Разработать алгоритм запуска программы в режиме реального времени. o Разработать алгоритм выполнения программы в пошаговом режиме.

В этом режиме микроконтроллер на каждом шагу программы должен передавать в персональный компьютер содержимое всех программных узлов, а также следующую команду из памяти программ.При необходимости, по запросу из персонального компьютера микроконтроллер должен передать содержимое любой ячейки памяти данных, или любого блока ячеек памяти данных.

Кроме того микроконтроллер должен передавать в персональный компьютер содержимое ячеек памяти программ, если это необходимо. При необходимости должна обеспечиваться запись в программно доступные узлы микроконтроллера, в память программ и память данных.Алгоритм должен позволять запускать программу с любого адреса указанного пользователем, продолжать выполнение прерванной программы в пошаговом режиме, или в режиме реального времени. o Разработать алгоритм записи информации в программно – доступные узлы микроконтроллера. o Разработать алгоритм записи информации в память данных. o Разработать алгоритм чтения информации из программно – доступных узлов микроконтроллера. o Разработать алгоритм чтения информации из памяти данных. o Разработать алгоритм чтения информации из памяти программ. o Разработать алгоритм программы “Монитор”. Программа “Монитор” должна обеспечивать запуск всех рассмотренных выше подпрограмм в зависимости от кода, переданного из персонального компьютера.

Поэтому необходимо разработать управляющие слова, которые и будут задавать режим работы системы. Управляющие коды не должны превышать 8 бит. Для реализации гибкости системы, необходимо при получении неиспользуемых кодовых комбинаций обеспечить переход выполнения программы в область памяти программ на заранее зарезервированный адрес.

Этот адрес можно хранить в памяти программ по строго определенному адресу.

Чтобы избежать выполнение случайного кода, во время начальной установки.