Встроенные в микропроцессор средства отладки.
Каждый современный микроконтроллер (МК) имеет встроенные средства отладки, которые обеспечивают «неразрушающую» внутрисхемную отладку в режиме реального времени с использованием МК, установленного в конечное изделие. В мощных микроконтроллерах имеющих интерфейс JTAG доступ к встроенным средствам отладки осуществляется через него. В более простых прибора используются упрощённые (обычно фирменные) интерфейсы.
Программные средства разработки часто распространяются бесплатно и доступны для скачивания на сайте производителя. В среду разработки интегрируются и трансляторы одного или нескольких языков программирования, обеспечивающие отладку на уровне имён переменных и процедур.
Основные свойства операционной системы реального времени
Операционные системы реального времени обеспечивают много-задачность системы управления при помощи сервисов, предоставляемых ядром, что заметно упрощает разработку систем управления и обеспечивает рациональное использование ресурсов процессора.
Свойства:
· время реакции системы на события
· время переключение контекста
· время перезагрузки системы
· размер системы (Размеры ядра и обслуживающих модулей системы должны быть невелики)
· возможность исполнения системы из ПЗУ
Дополнительные свойства:
· Наличие необходимых драйверов устройств
· Поддержка процессоров различной архитектуры
· Специальный кроссплатформенный инструментарий разработчика
· Механизмы реального времени.
Микроконтроллеры. Общие характеристики. Выбор микроконтроллера по его функциональным возможностям и внутренней архитектуре. Выбор среды разработки программ (ассемблер или языки высокого уровня). Определение этапов разработки приложений. Требования к программному обеспечению разработки
Микроконтро́ллер— микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами.
Типичный микроконтроллер сочетает на одном кристалле функции процессора и периферийных устройств, содержит ОЗУ и (или) ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять относительно простые задачи. Отличается от микропроцессора интегрированными в микросхему устройствами ввода-вывода, таймерами и другими периферийными устройствами.
Первый патент на однокристальную микроЭВМ был выдан в 1971 году инженерам М. Кочрену и Г. Буну, сотрудникам американской Texas Instruments. Именно они предложили на одном кристалле разместить не только процессор, но и память с устройствами ввода-вывода.
Основные характеристики микроконтроллеров (в скобочках средние значение для данной характеристики):
· Разрядность (8 бит).
· Емкость внутренней памяти команд и памяти данных, возможности и пределы их расширения:
o внутренняя память команд — (4 Кбайт. в среднем команда имеет длину 2 байта, таким образом, во внутренней памяти может быть размещена программа длиной около 2000 команд); возможность наращивания за счет подключения внешней памяти (до 64 Кбайт);
o память данных на кристалле (128 байт, можно подключить внешнюю память общей емкостью до 64 Кбайт).
· Тактовая частота:
o внешняя частота (12 МГц);
o частота машинного цикла (1 МГц).
· Возможности взаимодействия с внешними устройствами: количество и назначение портов ввода-вывода, характеристики системы прерывания, программная поддержка взаимодействия с внешними устройствами.
Выбор микроконтроллера по его функциональным возможностям и внутренней архитектуре основывается на требованиях к устройству, в котором предполагается использовать МК. У производителей есть выбор из следующих блоков, которые содержит МК:
· арифметико-логический блок (АЛБ), включающий в себя:
o 8-разрядное АЛУ, регистр-аккумулятор A, битовое АЛУ, битовый аккумулятор;
· внутреннюю память программ емкостью;
· внутреннюю память данных емкостью;
· двунаправленные интерфейсные линии, индивидуально настраиваемых на ввод или вывод информации и организованных в виде четырех 8-разрядных портов P0-P3;
· многорежимных таймера/счетчика, используемых для организации временных задержек, внешних событий (и тактирования последовательного порта;
· двунаправленный дуплексный асинхронный последовательный порт;
· устройство управления (УУ);
· встроенный тактовый генератор (ТГ),
Функциональные возможности контроллера- функции циклового программно-логического управления, поддержание интерфейсов связи, задание большого количества независимых временных интервалов (программных таймеров), реализация счетных функций (программных счетчиков), выполнение математических операций .
Для микроконтроллеров AVR существуют различные языки программирования, но, наиболее подходящими являются ассемблер и С, поскольку в этих языках в наилучшей степени реализованы все необходимые возможности по управлению аппаратными средствами микроконтроллеров.
Ассемблер - это низкоуровневый язык программирования, использующий непосредственный набор инструкций микроконтроллера. Программирование на языке ассемблер оправдано с точки зрения быстродействия и оптимизации, но онпривязан к конкретному типу устройств и логике его работы.
Преимуществами использования Си следующие: сокращенное время проектирования, более простые поиск ошибок и переносимость, а также легкость повторного применения. Главные недостатки: более громоздкий результирующий код и сниженное быстродействие. (Для изменения этого предусмотрена эффективная дешифрация Си-компилятором.)
Так же часто используют Паскаль или Бейсик. Эти языки более удобны для восприятия и изучения. Их выбирают разработчики программно-аппаратных платформ, нацеленных на упрощенную разработку электронных устройств.
И еще существуют визуальные языки программирования, которые позволяют разрабатывать программы в виде изображений. ( FlowCODE или Scratah). Достоинством является хорошо воспринимаемая структура алгоритма. Это позволяет просто разобраться в его функционировании любому человеку. Но требуется много сил для компиляции полученного результата в машинный код для прошивки МК.
Процесс разработки новых приложений состоит из 4-х основных этапов:
1. Проектирование. Определяются цели и задачи, способы их решения, а также определяется структура данных и язык программирования, на котором будет написано приложение.
2. Создание интерфейса. В программную среду разработки вводятся необходимые управляющие элементы: кнопки, текстовые поля, флажки, переключатели и другие элементы.
3. Отладка. Все управляющие элементы связываются программным кодом и путем ввода конкретных значений происходит проверка работоспособности кода и отлавливание возможных ошибок. Логические ошибки самые коварные в этом плане. Этот этап по времени самый длительный.
4. Заключительный этап. Идет компиляция кода и создание дистрибутива. Компиляция - процесс перевода программного кода в машинный язык, понятный каждому компьютеру. Здесь же идет подключение необходимых программных библиотек для полной работоспособности приложения. На выходе получаем законченный продукт - файл с расширением ".ехе".
Требований к программному обеспечению (Я ТАК ПОНЯЛА ЧТО ВОПРОС ПРО МИКРОКАП).
Главными требованиями являются: обширные библиотеки, в которых содержатся большинство популярных цифровых и дискретных элементов; возможность моделировать процесс работы разработки (устройвства) и возможность проводить анализ схемы (при помощь встроенных осциллографа, логического анализатора и т.д.); понятный интерфейс (желатьльно русифицированный, однако многие производители не рекомендуют переводит интерфейс с оригинального языка, так как при его изучение при помощи спец. Документации, это усложнит дело); обильно количество инструкций и сценариев использования обеспечения.
30. 
Структура микроконтроллера. Использование портов ввода-вывода микроконтроллера. Управление светодиодами через параллельный порт микроконтроллера. Схема включения. Пример программы с комментариями. Реле. Общая классификация. Принцип управления. Выбор микросхемы для управления реле. Схема управления защитой. Принципиальная схема. Подключение реле к микроконтроллеру. Схема включения
В структуру микроконтроллера входят:
■ генератор тактового сигнала (GCK);
■ процессор (CPU);
■ постоянное запоминающее устройство для хранения программы, выполненное по технологии FlashROM;
■ оперативное запоминающее устройство статического типа для хранения данных (SRAM);
■ постоянное запоминающее устройство для хранения данных, выполненное по технологии EEPROM;
■ набор периферийных устройств для ввода и вывода данных и управляющих сигналов и выполнения других функций.
Порты ввода/вывода ( ПВВ) – предназначены для общения микроконтроллера с внешними устройствами. С их помощью передается информация другим устройствам и принимаем информацию от них. Микроконтроллер может иметь на своем борту 1-7 ПВВ. Каждому порту присвоено буквенное обозначение ( A-G). Все порты восьмиразрядные двунаправленные – могут как передавать, так и принимать информацию.
Порты бывают: цифровые порты (работают лог с 0 или 1), аналоговые порты (использует весь диапазон U от лог 0 до U питания МК), смешанные порты(и цифровые и аналоговые).
Управление светодиодами могут производиться через парралельные порты, которыепредназначены для обмена многоразрядной двоичной информацией между микроконтроллером и внешними устройствами. Каждый из таких портов содержит восьмиразрядный регистр, в который записываются сигналы установки “1” или сброса “0” с помощью программного обеспечения. Выходы этих регистров соединены с внешними ножками микросхемы. Поэтому управление светодиодами производиться программно.
Схема включения (через ПВВ)
Подключение светодиодов в мк представляет собой передачу сигналов с портов ввода/вывода МК на светодиоды. Чаще всего, приходиться использовать интерфейс для согласования выходных токов портов и входных токов каждого светодиода. Соответсвенно, резисторы уменьшают силу тока, а транизсторы требуются для обеспечения более стабильного и яркого свечения диодов. Сам МК получает питание через 2 порта в размере +5В.
/***************** Задание №3. Мигание светодиодом ***************/
int led = 8; //объявление переменной, содержащей номер порта с светодиодом
void setup() //объявление процедур
{
pinMode(led, OUTPUT); //объявление порта, led на выход
}
void loop() //запускаем циклично процедуру
{
digitalWrite(led, HIGH); // включение подачи напряжения на порт led;
delay(1000); //задержка в миллисекундах
digitalWrite(led, LOW); // выключение подачи напряжения на порт led;
delay();
}
Реле́ — электрическое или электронное устройство (ключ), предназначенное для замыкания или размыкания электрической цепи при заданных изменениях входных воздействий.
Классификация реле
· По начальному состоянию контактов выделяются реле (нормально замкнутое/разомкнутое или переключающееся)
· По типу управляющего сигнала (постоянный ток или переменный)
· По допустимой нагрузке на контакты.
· По времени срабатывания.
· По типу исполнения (Электромеханические, статическое)
· По контролируемой величине (реле напряжения, тока, мощности)
· Специальные виды электромагнитных устройств (шаговый искатель, защитное/автоматическое отключение, реле времени и счетчик)
Принцы управления реле.
Для того, что бы включить нагрузку микроконтроллер выставляет на своем выходе (в данном случае на выходе PB4) сигнал логической единицы. Напряжение через резистор R1 поступает на базу транзистора. Танзистор открывается и реле срабатывает. Его контакты замыкают цепь нагрузки. Для отключения нагрузки микроконтроллер выставляет на своем выходе сигнал логического нуля. На базе VT1 напряжения снижается до нуля. Транзистор закрывается и реле отключается. Диод VD1 служит для защиты схемы от напряжения самоиндукции, которое возникает в обмотке реле при снятии с нее напряжения. Резистор R2 нужен для более надежного закрывания транзистора VT1.
Подключение реле к мк производиться через специальных интерфейс, состоящий из резистора и транзистора. Сигнал от порта МК через резистор поступает на базу транзистора, который открывается и реле срабатывает. Его контакты замыкают цепь нагрузки.
Реле включается в цепь параллельно диоду.
Принцип работы реле производиться подачей напряжение на катушку. Замыкающее и/или размыкающее механические электрические контакты при подаче в обмотку реле электрического тока, порождающего магнитное поле, которое вызывает перемещения ферромагнитного якоря реле, связанного механически с контактами, и последующее перемещение контактов коммутирует внешнюю электрическую цепь.
Основные части электромагнитного реле: электромагнит, якорь и переключатель. Электромагнит представляет собой электрический провод, намотанный на катушку с ярмом из ферромагнитного магнитомягкого материала. Якорь это обычно пластина из магнитного материала, через толкатели воздействующая на контакты.