7

1 ОБГРУНТУВАННЯ ДОЦІЛЬНОСТІ РОЗРОБКИ

1.1 Суть технічної проблеми

Важливе місце у схемотехніці електронних систем посідають системи

керування з мікропроцесорами та мікроконтролерами, які дозволяють реалізувати

складні закони керування електронними пристроями. Знання схемотехніки

аналогових та цифрових систем створює базу для вивчення принципів побудови

мікропроцесорних систем керування. Перевага мікропроцесорних систем керування

- їх гнучкість: систему, розроблену для виконання конкретного завдання керування,

легко пристосувати для вирішення інших завдань зміною програмного забезпечення.

Сучасні мікропроцесорні великі інтегральні схеми (ВІС), наприклад одно-

кристальні мікроконтролери (ОМК), містять усі складові ЕОМ - МП, пам'ять даних,

пам'ять програм, інтерфейсні схеми - та ефективно використовуються в системах

керування промислового та побутового обладнання [5].

По оцінках компанії Semico Research кожна людина щодня має справу з близько

350 мікроконтролерами, встановленими в домашньому і офісному устаткуванні,

автомобільних системах, а також в пристроях особистого користування.

Довкола можна виявити безліч пристроїв під управлінням мікроконтролерів в

найрізноманітніших приладах - телевізорі, безпровідному або стільниковому

телефоні, відеомагнітофоні, DVD-плеєрів, комп'ютері, в іграшках для дітей. Навіть

звичайні побутові пристрої – електрична праска, холодильник, мікрохвильова піч –

не можуть обійтися без мікроконтролера.

У промисловій автоматиці ця тенденція проявляє себе широким застосуванням

інтелектуальних датчиків – пристроїв, що проводять збір інформації, її первинну

обробку і подальшу пересилку або зберігання. Такі датчики можуть працювати

автономно, збираючи інформацію про об'єкт вимірювання і накопичуючи її до

моменту передачі операторові (реалізуються зазвичай на основі батарейного

живлення), або можуть бути об'єднані в сенсорну мережу, здійснюючи постійну

8

взаємодію з центральним вимірювальним блоком. У другому випадку для

підключення датчиків застосовується один із стандартизованних промислових

інтерфейсів. Живлення датчика при цьому проводиться по інтерфейсному кабелю

(іноді за допомогою сигнальних ліній), що також накладає обмеження на

максимальну споживану потужність[6-8].

Загальними функціями подібного класу пристроїв є прийом інформації з

датчиків або елементів управління, обробка інформації, відображення отриманого

результату або передача його по лінії зв'язку.

Спектр застосування пристроїв подібного класу достатньо широкий зокрема в

побутовій, комп’ютерній, вимірювальній техніці, в медичних приладах, засобах

зв’язку та в інших системах.

Стають зрозумілими основні вимоги, що визначають принципи побудови даних

пристроїв:

- обчислювальна потужність, має бути достатня для вирішення

поставлених перед пристроєм завдань;

- мінімізація енергії живлення, що дозволяє збільшити термін автономної

роботи пристрою;

- мінімальна вартість комплектуючих, що визначає мінімальну вартість

готового пристрою;

- достатня наявність необхідних апаратних засобів для передачі або

прийому інформації;

- при необхідності – наявність засобів індикації, що дозволяють

відображати вихідну інформацію або статус роботи пристрою.

Більшість виробників мікроконтролерів останніми роками орієнтують свою

продукцію на ринок пристроїв з малим споживанням потужності. Це виявляється в

безперервному зменшенні енергоспоживання нових сімейств, зменшенні допустимої

напруги живлення, збільшенні числа режимів зниженого споживання енергії

(«сплячих» режимів). Набір периферії нових сімейств розрахований на їх

застосування в пристроях з автономним (батарейним) живленням – драйвер

рідкокристалічного індикатора, підтримка популярних інтерфейсів, таких як USB,

9

TCP/IP, CAN. Крім того, відбувається розширення числа аналогових периферійних

модулів, таких як аналогові компаратори, програмовані підсилювачі, датчики

температури, аналого-цифрові перетворювачі [9].

Розширення функцій мікропроцесорних систем (МПС) потребує

вдосконалення знань спеціалістів різних профілів у цьому напрямі. Тому вивчення

основ побудови та програмування мікропроцесорів є неодмінною складовою

підготовки спеціалістів вищих навчальних закладів.

Незважаючи на велику різноманітність типів МП та функцій, що вони

виконують, логіка побудови систем і створення програмного забезпечення

залишається незмінною. Вивчення загальних принципів побудови, особливостей

архітектури, використання різних видів пам'яті та програмування мікропроцесорних

комплектів дає теоретичну базу для розробки і використання мікропроцесорних

систем різних типів. програмування мікропроцесорних комплектів дає теоретичну

базу для розробки і використання мікропроцесорних систем різних типів. А при

відсутності сучасної лабораторної бази, що дозволить вивчати передові світові

технології у галузі мікропроцесорної техніки, студенти не будуть мати належних

знань про передові технологій у галузі [10-11].

1.2 Існуючі способи вирішення технічної проблеми, їх аналіз

Для вирішення технічної проблеми використаємо популярні в даний час на

ринку сімейства мікроконтролерів.

Контролери сімейства AVR фірми Atmel володіють високою продуктивністю

(до 16 MIPS), достатньою для вирішення більшості обчислювальних завдань, і

розвиненим набором периферії. Це сімейство має велику популярність серед

розробників і забезпечене гарною інформаційною підтримкою виробника.

Контролери PIC фірми Microchip давно зарекомендували себе високою

надійністю, малим споживанням і хорошою підтримкою. Крім того, Microchip

продовжує випуск існуючих сімейств досить довгий час, що допомагає розробникам

10

при організації супроводу і ремонту випущених на ринок продуктів. Молодші серії

PIC (наприклад, PIC16) відрізняє також низька вартість (правда, при невисокій

продуктивності) [12].

Як представника архітектури 8051 розглянемо контролери фірми Silicon Labs.

Вони мають процесорне ядро, сумісне за системою команд з ядром MCS-51.

Збільшенням тактової частоти і застосуванням конвеєризації продуктивність

контролера вдалося підняти до 50-100 MIPS (мільйонів операцій в секунду).

Контролери цієї фірми відрізняються дуже багатим набором периферії. Особливо це

стосується блоків для аналогової обробки сигналу. Окрім звичних АЦП і аналогового

компаратора до складу контролера можуть входити ЦАП, керований підсилювач,

термодатчик і АЦП високої розрядності. Це все дозволило компанії Silicon Labs

називати контролери цієї серії «аналоговими сигнальними процесорами». Це,

зрозуміло, вплинуло на ціну чіпів, але дозволило розробникам реалізовувати

більшість функцій пристрою без застосування додаткових компонентів [13-14].

8-розрядні контролери фірм Zilog (сімейство Z8) і NEC (сімейство 78K0S)

часто бувають обділені увагою розробників. Насправді 8-розрядні контролери цих

фірм відрізняють достатній для більшості завдань набір периферії і продуктивність, а

крім того – дуже невисока вартість. Останній чинник, а також те, що більшість

виробів цих фірм доступна у версії з одноразово програмованою пам'яттю програм

або масковою пам'яттю, і визначає те, що більшість оточуючих нас побутових

пристроїв побудовано на основі саме цих контролерів [15].

Одним із найкращих способів вирішення даної технічної проблеми є

мікроконтролери фірми Atmel.

Компанія Atmel - світовий лідер в індустрії розробки і виробництва

мікроконтролерів і пов'язаних з ними рішень, включаючи пристрої ємнісного

сенсорного введення, пристрої зі складною логікою, незалежну пам'ять, пристрої

обробки змішаних сигналів і радіочастотні компоненти. Володіючи найширшим в

галузі асортиментом технологій і знань, а також розвиненою екосистемою, компанія

Atmel дозволяє розробникам проектувати готові повноцінні рішення для таких сфер,

11

як промисловість, споживча електроніка, системи безпеки, комунікації, ринки

обчислювальної і автомобільної електроніки.

Компанія Atmel вже десятки років займає провідні позиції в своїй галузі, і

досвід, отриманий за цей час, дозволив створити оптимізовані архітектури, що

забезпечують низьке споживання енергії, високошвидкісне взаємодія, відмінну

пропускну здатність і підтримку безлічі інтерфейсів. Широкий вибір варіантів

конфігурації дає розробникам можливість проектувати готові системні рішення для

будь-яких сфер застосування [16].

Мікроконтролери Atmel об'єднують в собі ефективні вбудовані рішення,

перевірені технології та революційні ідеї, будучи ідеальним вибором для сучасних

інтелектуальних мережевих продуктів. В епоху Інтернету речей мікроконтролерні

технології - ключовий аспект розвитку міжмашинної (M2M) комунікацій.

Концепція нових швидкісних мікроконтролерів була створена групою

розробників дослідного центру ATMEL у Норвегії, ініціали яких потім сформували

марку AVR. Перші мікроконтролери AVR AT90S1200 з'явилися в середині 1997 р. і

швидко здобули визнання споживачів. Ці 8-розрядні RISC-мікроконтролери для

вбудованих додатків є найбільш затребуваними та прогресивними у галузях, що

стрімко розвиваються.

Термін RISC (Reduced Instruction Set Computer - обчислювач з скороченим

набором команд) означає, що процесорне ядро оперує з мінімізовані набором

машинних команд, і, отже, кількість різних машинних циклів невелика. Це дозволяє

в значній мірі скоротити час виконання машинного циклу, і команди відповідно.

Таким чином, відношення тривалості машинного циклу до тривалості такту

зменшується - від 12 у класичних контролерів сімейства MCS-51 до 1-4 у контролерів

сімейства AVR. Таким чином, при однаковому значенні тактової частоти

продуктивність зростає в кілька разів [17].

AVR-мікроконтролери фірми Аtmel – це 8-розрядні RISC мікроконтролери для

вбудованих застосувань. Вони привертають увагу розробників якнайкращим

співвідношенням показників швидкодія/енергоспоживання, зручними режимами

12

програмування, доступністю програмно-апаратних засобів підтримки і широкою

номенклатурою кристалів, що випускаються.

До складу мікроконтролера входять:

- генератор тактового сигналу (GCK);

- процесор (CPU);

- постійний запам'ятовуючий пристрій для збереження програми

виконаний за технологією Flash, (FlashROM);

- оперативний запам'ятовуючий пристрій статичного типу для збереження

даних (SRAM);

- постійний запам'ятовуючий пристрій для збереження даних, виконаний

за технологією EEPROM, (EEPROM);

- набір периферійних пристроїв для введення/виведення даних і керуючих

сигналів, і виконання інших функцій.

До складу процесора (CPU) входять:

- лічильник команд (PC);

- арифметико-логічний пристрій (ALU);

- блок регістрів загального призначення (GPR, General Purpose Regіsters) і

інші елементи.

Усі AVR мають також блок енергонезалежної пам'яті даних EEPROM, що

електрично стирається. Цей тип пам'яті, доступний програмі мікроконтролера

безпосередньо в ході її виконання, зручний для збереження проміжних даних, різних

констант, таблиць перекодувань, каліброваних коефіцієнтів і т.п. EEPROM також

може бути завантажена ззовні як через SPІ інтерфейс, так і за допомогою звичайного

программатора. Число циклів перезапису - не менш 100000. Два програмувальних

біти таємності дозволяють захистити пам'ять програм і енергонезалежну пам'ять

даних EEPROM від несанкціонованого зчитування. Внутрішня оперативна пам'ять

SRAM мається у всіх AVR сімейств "classіc" і "mega" [18].

Системи на кристалі споживають менше енергії, коштують дешевше й

працюють надійніше, ніж набори мікросхем з тією же функціональністю. Менша

кількість корпусів спрощує монтаж. Проте, створення однієї занадто великої й

13

складної системи на кристалі може виявитися більш дорогим процесом, ніж серії з

маленьких через складність розробки й налагодження та зниження відсотку

придатних виробів.

Отже, зрозуміло, що кращим рішенням є використання даних

мікроконтролерів в лабораторному стенді для збільшення в студентах навичок в

галузі мікропроцесорної техніки [19].

1.3 Вибір і обґрунтування аналогу

В якості аналогів до лабораторного стенду на основі мікроконтролерів

сімейства AVR обираємо наступні аналоги: лабораторний стенд «EV8031/AVR»,

лабораторний стенд «НТЦ-02.31.1» та лабораторний стенд Atmel.

а) Лабораторний стенд «EV8031/AVR».

Програмно-апаратний комплекс «EV8031/AVR», зображений на рисунку 1.1,

призначений для застосування у навчальних цілях з курсів програмування (мови

Асемблер, С), а також як засіб розробки програмного забезпечення для контролерів

на базі мікроконтролерів архітектури AVR. Стенд побудований на сучасній

елементній базі. У складі стенду є два стандартних RS-232C порту, послідовна Flash-

пам'ять з інтерфейсом I2C, пам'ять програм і пам'ять даних по 64кб. Наявність

системного і периферійного інтерфейсів дозволяє використовувати стенд для

налагодження будь-яких систем.

Системний інтерфейс містить повну шину адреси (16 ліній), шину даних, лінії

переривань і сигнали управління пам'яттю, а також ланцюги живлення.

Периферійний інтерфейс складається з мікросхеми паралельного прийомопередавача

(24 лінії введення-виведення), лінії порту Р1 однокристальної ЕОМ (8

двонапрямлених ліній), лінії переривань, а також лінії таймерів-лічильників і

ланцюги живлення. Наявність інтерфейсу RS485,4-х розрядна динамічна індикація,

можливість розширення, установка датчиків температури, годинника реального часу,

14

роз'єм програмування, для процесорів AVR, роз'єм для підключення РКІ

індикатора[20].

Стенд складається з:

- EEPROM (AT24C02);

- Статична 4-x разрядна індикація:

- Інтерфейс RS-232 (2 канала);

- Інтерфейс RS-485;

- Матрична клавіатура 3х4;

- Дискретні кнопки - 2 шт (лінії INT0,INT1)

- Кабель підключення до ПК COM DB-9або USB;

- Інтегральний цифровий датчик температури DS1621;

- Часи реального часу DS1307;

- Мікроконтролер AVR ATmega8515;

- Кабель програмування для AVR.

Перевагою даного програмно апаратного комплексу є його

багатофункціональність. Завдяки великій кількості складових частин та

лабораторних робіт, лабораторний стенд дає можливість більш повного вивчення

властивостей мікроконтролера ATmega8515 та його взаємодію з масою зовнішніх

периферій.

Недоліком даного пристрою є його ціна.

Рисунок 1.1 – Лабораторний стенд «EV8031/AVR»

15

б) Лабораторний стенд «НТЦ-02.31.1»

Навчальний стенд, що зображений на рисунку 1.2, призначений для вивчення

пристрою мікроконтролерів сімейства AVR, сучасної елементної бази, що входить до

складу типових пристроїв, що базуються на застосуванні мікропроцесорної техніки.

Стенд дозволяє досліджувати пристрої на базі програмованих

мікроконтролерів, вирішувати специфічні завдання з управління об'єктами, збору,

зберігання і обробки інформації.

Робота стенду можлива в наступних режимах:

- режим завантаження програми користувача;

- режим внутрішньосхемного налагодження програми користувача;

- режим виконання програми користувача в реальному часі (Real Time Mode).

Режим внутрішньосхемного налагодження програми користувача забезпечує

наступні можливості:

- відстеження виконання програми з її початкового тексту (розробленим як на

асемблері так і мовою С);

- покрокове налагодження програми;

- зупинку програми, запущеної в режимі реального часу, за допомогою

програмних і апаратних точок зупинок;

- модифікацію «на льоту» користувача змінних і регістрів введення

виведення[21].

Стенд призначений для використання у складі комп'ютерних класів.

Завантаження користувальницької програми, перемикання режимів роботи стенду

здійснюється по інтерфейсу RS 232 з персонального комп'ютера. Навчальний стенд

комплектується повним технічним описом і набором методичних вказівок до

лабораторних робіт. Методичні вказівки орієнтовані на використання інтегрованого

середовища розробки AVR Studio спільно з компілятором мови програмування С, що

входять в програмний пакет WinAVR, що дозволяють розробляти програми на мові

асемблера і на мові високого рівня С з можливістю налагодження в режимі

симулятора. Все програмне забезпечення є безкоштовним і може вільно

використовуватися в освітніх цілях.

16

Рисунок 1.2 – Лабораторний стенд «НТЦ-02.31.1»

Перевагою даного навчального стенду є те, що він створений для вивчення та

вирішення специфічних завдань таких як: управління об’єктами автоматики збір

інформації та інше.

Недолік даного лабораторного стенду це його ціна та значно менша кількість

видів лабораторних робіт.

в) Лабораторний стенд Atmel

Лабораторний стенд Atmel, зображений на рисунку 1.3, являє собою комплекс

апаратних засобів для вивчення типових застосувань і прийомів програмування

однокристальних мікроконтролерів архітектури 8051. В якості досліджуваного

встановлений мікроконтролер АТ89S8252 фірми Atmel, який може бути замінений як

на інші контролери цього сімейства, так і на деякі контролери сімейства AVR

(ATMega 8515).

В якості периферійних пристроїв для керування то контролера встановлені

наступні компоненти: 8-й розрядний світлодіодний BarGraph, чотири світлодіодних

семисегментних індикатора, світлодіодна двоколірна матриця 7х5, клавіатура 4х3,

LCD індикатор 2х20 символів, кроковий двигун, динамік, зовнішня мікросхема АЦП

(паралельне) зі входом від потенціометра або аналогового термодатчика, передбачена

можливість підключення цифрового термодатчика по інтерфейсу 1-wire.

17

Деякі елементи схеми підключені до одних і тих же портів мікроконтролера -

вибір необхідного елемента здійснюється перемиканням dip-перемикачів на платі

стенду[22].

Рисунок 1.3 – Лабораторний стенд Atmel

Конструктивно стенд складається з двох плат (процесорної та периферійної),

живлення стенду - від джерела 5 - 9 В, 500 мА. У комплект входить шнур для

програмування (підключається до LPT порту комп'ютера) з комплектом ПЗ.

Середовище програмування (Keil muVision) може поставлятися окремо. Методичні

матеріали можуть бути також поставлені за погодженням.

Проаналізувавши аналоги ми можемо зробити висновок, що наш лабораторний

стенд, враховуючи покладену на нього задачу, хоч і поступається деякими

параметрами і функціями, задовольняє наші вимоги. Його переваги над аналогами:

- значно менші витрати на виробництво;

- компактність яка забезпечується тим що в данному приладі

реалізовується тільки програмування МК.

- легкість виготовлення (можлива навіть в домашніх умовах, що зручно для

радіолюбителів що цікавляться МК і хочуть покращити свої навики в

роботі з МК).

18

В порівняні з аналогами до недоліків можна віднести те, що в даному пристрої

МК не змінний і порівняно малої потужності, але враховуючи ціль розробки ми

можемо спокійно знехтувати даним недоліком.

1.4 Висновки по розділу

В даному розділі було зроблено аналіз сучасної технічної проблеми та шляхи її

вирішення, також розглянуто та проаналізовано найбільш популярні лабораторні

стенди для дослідження RISC мікроконтролерів фірми ATMEL, визначені їхні

переваги та недоліки.

В сучасній техніці надзвичайно широкого використання набули

мікропроцесорні засоби. Особливо поширений принцип використання

мікроконтролерів в ролі основного інтелектуального керуючого пристрою

радіоелектронного приладу. Тому підготовка висококваліфікованих фахівців є

однією з найважливіших задач в сучасних умовах стрімкого розвитку науки і техніки.

Одним із важливих засобів глибокого засвоєння навчального матеріалу, а також

придбання практичних навичок програмування є комплексне виконання студентами

практичних завдань моделювання, а також та практичної апробації проектованих

схем з використанням учбових апаратно-технічних засобів.

Не дивлячись не те, що кількість плюсів, у розглянутих в даному розділі

лабораторних стендів, переважає мінуси, в кожній конкретній ситуації кожен з

зазначених факторів може бути вирішальним. Тому спираючись на недоліки

популярних лабораторних стендів, можна зробити висновок, по те що потрібно

створити програмно апаратний засіб для дослідження та вивчення властивостей

мікроконтролерів, який буде використовуватися у предметах по вивченню

мікропроцесорної техніки.

19

2 ОГЛЯД ІСНУЮЧИХ ТИПІВ ARV-МІКРОКОНТРОЛЕРІВ ФІРМИ ATMEL

2.1 Пристрій і структура мікроконтролерів AVR

Мікроконтролери сімейства AVR мають єдину базову структуру. Узагальнена

структурна схема мікроконтролера (МК) зображена на рисунку 2.1.

Рисунок 2.1 – Структурна схема мікроконтролерів AVR

20

2.1.1 Процесор

Серцем мікроконтролерів AVR є 8-бітове мікропроцесорне ядро або центральне

процесорний пристрій (ЦПУ), побудована на принципах RISС-архітектури. Основою

цього блоку служить арифметико-логічне пристрій (АЛП). За системного тактовою

сигналу з пам'яті програм відповідно до вмістом лічильника команд (Program Counter

– PC) вибирається чергова команда і виконується АЛП. Під час вибору команди з

пам'яті програм відбувається виконання попередньої обраної команди, що й дозволяє

досягти швидкодії 1 MIPS на 1 МГц [23].

АЛП підключено до регістрів загального призначення РОН (General Purpose

Registers – GPR). Регістрів загального призначення всього 32, вони мають байтовий

формат, тобто кожен з них складається з восьми біт. РОН знаходяться на початку

адресного простору оперативної пам'яті, але фізично не є її частиною. Тому до них

можна звертатися двома способами (як до регістрів і як до пам'яті). Таке рішення є

особливістю AVR і підвищує ефективність роботи і продуктивність мікроконтролера.

Відмінність між регістрами і оперативною пам'яттю полягає в тому, що з

регістрами можна робити будь-які операції (арифметичні, логічні, бітові), а в

оперативну пам'ять можна лише записувати дані з регістрів [24].

2.1.2 Пам'ять

У мікроконтролерах AVR реалізована Гарвардська архітектура, відповідно до

якої розділені не тільки адресні простори пам'яті програм і пам'яті даних, але й шини

доступу до них. Кожна з областей пам'яті даних (оперативна пам'ять і EEPROM)

також розташована в своєму адресному просторі.

Пам'ять програм призначена для зберігання послідовності команд, що

управляють функціонуванням мікроконтролера, і має 16-ти бітну організацію. Всі

AVR мають Flash-пам'ять програм, яка може бути різного розміру – від 1 до 256

КБайт. Її головна перевага в тому, що вона побудована на принципі електричного

21

перепрограмування, тобто допускає багатократне стирання і запис інформації.

Програма заноситься в Flash-пам'ять AVR як за допомогою звичайного програматора,

так і за допомогою SPI-інтерфейсу, у тому числі безпосередньо на зібраній платі.

Можливістю внутрішньо схемного програмування (функція ISP) через

комунікаційний інтерфейс SPI володіють всі мікроконтролери AVR, крім Tiny11 і

Tiny28 [25].

Всі мікроконтролери сімейства Mega мають можливість самопрограмування,

тобто самостійної зміни вмісту своїй пам'яті програм. Ця особливість дозволяє

створювати на їх основі дуже гнучкі системи, алгоритм роботи яких буде змінюватися

самим мікроконтроллером в залежності від будь-яких внутрішніх умов або зовнішніх

подій.

Гарантоване число циклів перезапису Flash-пам'яті у мікроконтролерів AVR

другого покоління становить не менше 10 тис. циклів при типовому значенні 100 тис.

циклів. (В офіційній технічної документації Atmel Corp. вказується значення 10 тис.

циклів.)

Пам'ять даних розділена на три частини: регістрова пам'ять, оперативна пам'ять

(ОЗУ – оперативний запам'ятовуючий пристрій або RAM) і енергонезалежна пам'ять

(ЕСППЗУ або EEPROM).

Реєстрова пам'ять (РОН і РВВ). Реєстрова пам'ять включає 32 регістра

загального призначення (РОН або GPR), об'єднаних в файл, і службові регістри

введення / виводу (РВВ). І ті й інші розташовані в адресному просторі ОЗУ, але не є

його частиною [26].

В області регістрів вводу / виводу розташовані різні службові регістри (реєстри

управління мікроконтролером, регістри стану і т. п.), а також регістри управління

периферійними пристроями, що входять до складу мікроконтролера. По суті,

управління мікроконтролером полягає в управлінні цими регістрами.

Незалежна пам'ять даних (EEPROM). Для довготривалого зберігання різної

інформації, яка може змінюватися в процесі функціонування мікроконтролерної

системи, використовується EEPROM-пам'ять. Всі AVR мають блок енергонезалежної

електрично перезаписувальної пам'яті даних EEPROM від 64 Байт до 4 КБ. Цей тип

22

пам'яті, доступний програмі мікроконтролера безпосередньо в ході її виконання,

зручний для зберігання проміжних даних, різних констант, коефіцієнтів, серійних

номерів, ключів і т.п. EEPROM може бути завантажена ззовні як через SPI інтерфейс,

так і за допомогою звичайного програматора. Число циклів стирання / запис – Не

менше 100 тис.

Оперативна пам'ять (ОЗУ або RAM). Внутрішня оперативна статична пам'ять

Static RAM (SRAM) має байтовий формат і використовується для оперативного

зберігання даних.

Розмір оперативної пам'яті може змінюватись у різних чіпів від 64 Байт до 4 КБ.

Число циклів читання і запису в RAM не обмежена, але при відключенні живлячої

напруги вся інформація втрачається.

Для деяких мікроконтролерів можлива організація підключення зовнішнього

статичного ОЗУ об'ємом до 64К [27 - 28].

2.1.3 Периферія

Периферія мікроконтролерів AVR включає: порти (від 3 до 48 ліній введення і

виведення), підтримку зовнішніх переривань, таймери-лічильники, сторожовий

таймер, аналогові компаратори, 10-розрядний 8-канальний АЦП, інтерфейси UART,

JTAG і SPI, пристрій скидання по зниженню харчування, широтно-імпульсні

модулятори.

Порти введення / виводу (I / O). Порти введення / виводу AVR мають число

незалежних ліній "вхід / вихід" від 3 до 53. Кожна лінія порту може бути

запрограмована на вхід або на вихід. Потужні вихідні драйвери забезпечують

струмовий навантажувальну здатність 20 мА на лінію порту (впадає струм) при

максимальному значенні 40 мА, що дозволяє, наприклад, безпосередньо підключати

до мікроконтролера світлодіоди і біполярні транзистори. Загальна струмова

навантаження на всі лінії одного порту не повинна перевищувати 80 мА (всі значення

наведено для напруги живлення 5 В) [29].

23

Архітектурна особливість побудови портів вводу / виводу у AVR полягає в

тому, що для кожної фізичної виводу (піна) існує 3 біти контролю / управління, а не

2, як у поширених 8-розрядних мікроконтролерів (Intel, Microchip, Motorola і т.д.). Це

дозволяє уникнути необхідності мати копію вмісту порту в пам'яті для безпеки і

підвищує швидкість роботи мікроконтролера при роботі з зовнішніми пристроями,

особливо в умовах зовнішніх електричних перешкод.

Переривання. Система переривань – одна з найважливіших частин

мікроконтролера. Всі мікроконтролери AVR мають багаторівневу систему

переривань. Переривання припиняє нормальний хід програми для виконання

пріоритетного завдання, обумовленою внутрішнім або зовнішнім подією.

Для кожного такого події розробляється окрема програма, яку називають

підпрограмою обробки запиту на переривання (для стислості – підпрограмою

переривання), і розміщується в пам'яті програм [30].

При виникненні події, що викликає переривання, мікроконтролер зберігає вміст

лічильника команд, перериває виконання центральним процесором поточної

програми і переходить до виконання підпрограми обробки переривання.

Після виконання підпрограми переривання здійснюється відновлення попередньо

збереженого лічильника команд і процесор повертається до виконання перерваної

програми.

Для кожної події може бути встановлений пріоритет. Поняття пріоритет

означає, що виконувана підпрограма переривання може бути перервана іншою

подією тільки за умови, що вона має більш високий пріоритет, ніж поточне. В іншому

разі центральний процесор перейде до обробки нової події тільки після закінчення

обробки попереднього.

Таймери та лічильники. Мікроконтролери AVR мають у своєму складі від 1 до

4 таймерів та лічильників з розрядністю 8 або 16 біт, які можуть працювати і як

таймери від внутрішнього джерела тактовою частоти, і як лічильники зовнішніх

подій[31].

Їх можна використовувати для точного формування тимчасових інтервалів,

підрахунку імпульсів на висновках мікроконтролера, формування послідовності

24

імпульсів, тактування прийомо-передавального послідовного каналу зв'язку. У

режимі ШІМ (PWM) таймер та лічильник може являти собою широтно-імпульсний

модулятор і використовується для генерування сигналу з програмованими частотою

і шпаруватістю. Таймери та лічильники здатні виробляти запити переривань,

переключаючи процесор на їх обслуговування з подій і звільняючи його від

необхідності періодичного опитування стану таймерів. Оскільки основне

застосування мікроконтролери знаходять у системах реального часу, таймери та

лічильники є одним з найбільш важливих елементів.

Сторожовий таймер. Сторожовий таймер (WatchDog Timer) призначений для

запобігання катастрофічних наслідків від випадкових збоїв програми. Він має свій

власний RC-генератор, що працює на частоті 1 МГц. Як і для основного внутрішнього

RC-генератора, значення 1 МГц є наближеним і залежить насамперед від величини

напруги живлення мікроконтролера і від температури [32].

Ідея використання сторожового таймера гранично проста і полягає в

pегуляpному його скиданні під куруванням пpогpамм або зовнішнього впливу до

того, як не відбудеться скидання процесора. Якщо пpогpамма працює ноpмально, то

команда скидання сторожового таймеpа повинна pегуляpно виконуватися, для

запобігання процесора від скидання. Якщо ж мікpопpоцесоp випадково вийшов за

межі програм (наприклад, від сильної перешкоди по ланцюгу живлення) або

зациклився на якій-небудь ділянці програма, команда скидання сторожового таймеpа

скоріше за все не буде виконана протягом достатнього часу і вийде повне скидання

пpоцесоpа, ініціалізіуючи всі регістри і приводячи систему в pобочий стан.

Аналоговий компаратор. Аналоговий компаратор (Analog Comparator)

порівнює напруги на двох висновках мікроконтролера. Результатом порівняння буде

логічне значення, що може бути прочитане з програми.

Вихід аналогового компаратора можна включити на переривання від

аналогового компаратора. Користувач може встановити спрацьовування переривання

по наростаючому чи спадаючому фронту або з переключення. Присутній у всіх

сучасних AVR, крім Mega8515 [33].

25

Аналого-цифровий перетворювач. Аналого-цифровий перетворювач (АЦП)

служить для отримання числового значення напруги, поданого на його вхід. Цей

результат зберігається в регістрі даних АЦП. Який з висновків мікроконтролера буде

входом АЦП, визначається числом, занесеним до відповідного регістру.

Універсальний послідовний приймач. Універсальний асинхронний або

універсальний синхронно / асинхронний приймач (Universal Synchronous /

Asynchronous Receiver and Transmitter – UART або USART) – зручний і простий

послідовний інтерфейс для організації інформаційного каналу обміну

мікроконтролера із зовнішнім світом. Здатний працювати в дуплексному режимі

(одночасна передача і прийом даних). Він підтримує протокол стандарту RS-232, що

забезпечує можливість організації зв'язку з персональним комп'ютером. (Для

стикування МК і комп'ютера обов'язково знадобиться схема поєднання рівнів

сигналів. Для цього існують спеціальні мікросхеми, наприклад MAX232.)

Послідовний периферійний інтерфейс. Послідовний периферійний

трьохпровідний інтерфейс SPI (Serial Peripheral Interface) призначений для організації

обміну даними між двома пристроями. З його допомогою може здійснюватися обмін

даними між мікроконтролером і різними пристроями, такими, як цифрові

потенціометри, ЦАП / АЦП, FLASH-ПЗУ та ін. За допомогою цього інтерфейсу

зручно проводити обмін даними між кількома мікроконтролерами AVR [34 - 35].

Крім того, через інтерфейс SPI може здійснюватися програмування

мікроконтролера.

Двохпровідний послідовний інтерфейс. Двохпровідний послідовний інтерфейс

TWI (Two-wire Serial Interface) є повним аналогом базової версії інтерфейсу I2C фірми

Philips. Цей інтерфейс дозволяє об'єднати разом до 128 різних пристроїв з допомогою

двобічної шини, що складається з лінії тактового сигналу (SCL) і лінії даних (SDA).

Інтерфейс JTAG. Інтерфейс JTAG був розроблений групою провідних фахівців

з проблем тестування електронних компонентів (Joint Test Action Group) і був

зареєстрований як промислового стандарту IEEE Std 1149.1-1990. Даний інтерфейс

використовується для тестування друкованих плат, внутрішньо схемного

налагодження, програмування мікроконтролерів.

26

Багато мікроконтролери сімейства Mega мають сумісний з IEEE Std 1149.1

інтерфейс JTAG або debugWIRE для вбудованої налагодження. Крім того, всі

мікроконтролери Mega з флеш-пам'яттю ємністю 16 кбайт і більше можуть

програмуватися через інтерфейс JTAG [36].

Тактовий генератор. Тактовий генератор виробляє імпульси для синхронізації

роботи всіх вузлів мікроконтролера. Внутрішній тактовий генератор AVR може

запускатися від декількох джерел опорної частоти (Зовнішній генератор, зовнішній

кварцовий резонатор, внутрішня чи зовнішня RC-ланцюжок). Мінімальна допустима

частота нічим не обмежена (аж до покрокового режиму). Максимальна робоча

частота визначається конкретним типом мікроконтролера і вказується Atmel в його

характеристиках, хоча практично будь AVR-мікроконтролер із заявленою робочою

частотою, наприклад, в 10 МГц при кімнатній температурі легко може бути

"розігнаний" до 12 МГц і вище.

Система реального часу. Система реального часу (RTC) реалізована у всіх

мікроконтролерах Mega і в двох кристалах "classic" – AT90 (L) S8535. Таймер та

лічильник RTC має окремий визначник, який може бути підключений програмним

способом або до джерела основної тактової частоти, або до додаткового

асинхронного джерела опорної частоти (кварцовий резонатор або зовнішній

синхросигнал). Для цієї мети зарезервовані два виходи мікросхеми. Внутрішній

осцилятор оптимізований для роботи з зовнішнім "вартовим" кварцовим резонатором

32,768 кГц [37].

2.1.4 Живлення

AVR функціонують при напрузі живлення від 1,8 до 6,0 Вольт. Струм

споживання в активному режимі залежить від величини напруги живлення і частоти,

на якій працює мікроконтролер, і становить менше 1 мА для 500 кГц, 5 … 6 мА для 5

МГц і 8 … 9 мА для частоти 12 МГц.

27

AVR можуть працювати в економічному режимі в якому продовжує працювати

тільки генератор таймера, що забезпечує збереження тимчасової бази. Всі інші

функції відключені [38].

AVR можуть бути переведені програмним шляхом в один з трьох режимів

зниженого енергоспоживання.

Режим холостого ходу. Припиняє роботу тільки процесор і фіксується вміст

пам'яті даних, а внутрішній генератор синхросигналів, таймери, система переривань

і сторожовий таймер продовжують функціонувати. Струм споживання не перевищує

2,5 мА на частоті 12 МГц.

Стоповий режим. Зберігається вміст реєстрового файлу, але зупиняється

внутрішній генератор синхросигналів, і, отже, зупиняються всі функції, поки не

надійде сигнал зовнішнього переривання або апаратного скидання. При включеному

сторожовому таймері струм споживання в цьому режимі складає близько 80 мкА, а

при вимкненому – менше 1 мкА. (Всі наведені значення справедливі для напруги

живлення 5 В).

Скидання при зниженні напруги живлення. Схема BOD (Brown-Out Detection)

відстежує напругу джерела живлення. Якщо схема включена, то при зниженні

живлення нижче деякого значення вона переводить мікроконтролер в стан скидання.

Коли напруга живлення знову збільшиться до порогового значення, запускається

таймер затримки скидання. Після формування затримки внутрішній сигнал скидання

знімається і відбувається запуск мікроконтролера [39].

2.2 Порівняльна характеристика AVR мікроконтролерів

Нова лінія мікроконтролерів до теперішнього часу налічує більше 20 різних

типів, які об'єднані в чотири групи:

а) Mega AVR (префікс ATmegaXXX);

б) Classic AVR (префікс AT90SXXX);

в) Tiny AVR (префікс ATtinyXXX)

28

г) AVR для Smart Cards (префікс AT90SCC).

Mega AVR мають найбільші об'єми пам'яті, найбільшу кількість виводів і

найповніший набір периферійних вузлів.

Група Classic AVR містить мікроконтролери з різним поєднанням

периферійних вузлів, різними об'ємами вбудованої пам'яті і різною кількістю виводів.

Таким чином, розробник має можливість зробити оптимальний вибір і не

переплачувати за невживані вузли [40].

Мікроконтролери групи Tiny AVR з'явилися останніми. Це дешеві кристали,

вартістю порядка 1 долар США, в маленьких 8-вивідних корпусах, здатних

працювати від джерела зниженої напруги і що при цьому мають такі функціонально

важливі периферійні вузли, як, наприклад, АЦП.

У таблиці 2.1 здійснено порівняння Сlassic AVR мікроконтролерів по складу

периферійних вузлів. Всі вони (окрім AT90C8534) володіють можливістю

перепрограмування безпосередньо в робочій системі через послідовний SPI-

интерфейс, мають блок переривання і сторожовий таймер, а відрізняються об'ємами

вбудованої пам'яті і набором периферійних вузлів.

Таблиця 2.1 – Периферійні вузли Classic AVR мікроконтролерів AT90

Пристрої 'S12

00

'S23

13

'S23

23

'S23

33

'S23

43

'S44

14

'S44

33

'S44

34

'S85

15

'S85

35

'C85

34

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

FLASH 1 KB 2 KB 2 KB 2 KB 2 KB 4 KB 4 KB 4

KB

8 KB 8 KB 8 KB

SRAM - 128

B

128

B

128

B

128

B

256

B

128

B

256

B

512

B

512

B

512

B

EEPROM 64 B 128

B

128

B

128

B

128

B

256

B

256

B

256

B

512

B

512

B

512

B

Таймер Т1

(16 біт)

- + - + - + + + + + +

29

Продовження таблиці 2.1 - Периферійні вузли Classic AVR

мікроконтролерів AT90

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Таймер Т2

(8 біт)

- - - - - - - + - + -

Асинхронний

послідовний

адаптер, UART

- + - + - + + + + + -

Синхронний

послідовний

адаптер, SPI

(Master/Slave)

- - - + - + + + + + -

АЦП,

10 розрядів,

8 каналів

6 - - 6 8 - 8 6

Мікроконтролер AT90S1200 був першим. Тактування його роботи може

здійснюватися як з використанням зовнішнього кварцового резонатора, так і від

внутрішнього RC-кола. У останньому випадку мікроконтролер AT90S1200 працює

без єдиного зовнішнього елементу. Недолік периферії AT90S1200 окупається його

ціною. Це – найдешевший AVR-мікроконтролер.

Історично наступними були AT90S2313, AT90S4414, AT90S8515. Вони мають,

відповідно до таблиці, більші обcяги пам'яті, другий потужніший 16-розрядний

таймер і послідовний асинхронний адаптер (UART). У мікроконтролерах AT90S4414

і AT90S8515, крім того, послідовний синхронний інтерфейс (SPI) може

використовуватися не лише для послідовного програмування внутрішньої пам'яті, але

і в режимах master і slave як самостійний швидкодіючий синхронний канал зв'язку

між декількома мікроконтролерами. Важливою функціональною особливістю

AT90S4414 і AT90S8515 є також можливість підключення зовнішньої SRAM об'ємом

до 64 Кb, яка з'явилася за рахунок виготовлення цих мікроконтролерів в корпусах з

великою кількістю виводів [41-42].

30

У 1998 році з'явилися мікроконтролери AT90S2323 і AT90S2343 у

вісьмививідних корпусах. Відмінність між ними полягає в способі того, що тактує і

кількості програмованих входів/виходів. Перший має 3 програмовані цифрові

входи/виходи і призначений для роботи із зовнішнім кварцовим резонатором в

системах, що пред'являють високі вимоги до стабільності тактової частоти, а другий

може синхронізуватися тільки від внутрішнього RC-генератора (або від зовнішнього

генератора), що збільшує кількість програмованих входів/виходів до 5(4). AT90S2323

теж може працювати від внутрішнього RC-генератора, але кількість цифрових

програмованих виводів при цьому залишається рівною 3.

Найбільш багату периферію зі всіх Сlassic AVR має той, що з'явився в січні 1999

року, – мікроконтролер AT90S8535. Він має додатково до перерахованих вузлів 10-

розрядний АЦП з мультиплексором на 8 каналів і третій 8-розрядний таймер. Цей

таймер має режими порівняння і широтно-імпульсного модулятора, але головна його

особливість полягає в тому, що він може працювати в асинхронному від всієї системи

режимі, використовуючи додатковий зовнішній годинниковий кварц частотою 32,768

кГц, що дозволяє вести відлік реального часу в мікропроцесорній системі в

астрономічних одиницях.

У травні 1999 року став доступний мікроконтролер AT90S4433. Він так само,

як і AT90S8535, має вбудований АЦП, але розміщений в 28-вивідному корпусі і

містить всього 6 аналогових входів. Третього таймера AT90S4433 не має, проте він

забезпечений новим периферійним вузлом – схемою скидання мікроконтролера при

пониженні рівня живлячої напруги (Brown-Out Protection).

У таблиці 2.1 присутній мікроконтролер AT90С8534, що не має можливості

програмування по послідовному каналу. Він був розроблений фірмою Atmel по

спеціальному замовленню якоїсь японської фірми, яка на його основі проводить

зарядні пристрої для LAPTOP.

Мікроконтролери AT90S2333 і AT90S4434 є подібністю найбільш розвинених

кристалів AT90S4433 і AT90S8535 відповідно, але містять менші об'єми вбудованої

пам'яті, що знижує їх вартість.

31

У групі Mega AVR (таблиця 2.2) анонсовано два типи мікроконтролерів

ATmega103 і ATmega603, але доступний для замовлення поки тільки ATmega103 [43].

Можна назвати наступні відміні особливості Mega AVR в порівнянні з

Classic AVR:

а) рекордні розміри вбудованої пам'яті програм і даних;

б) 6 цифрових програмованих портів введення/виводу;

в) практично повний набір периферійних вузлів, перерахованих при

обговоренні Classic AVR (немає тільки схеми скидання при пониженні

живлення). Так, наприклад, мікроконтролери Mega AVR мають

одночасно і 8 аналогових входів, і можливість підключення зовнішньої

SRAM, тоді як кристали підродини Classic AVR мали ту або іншу

можливість вибірково, залежно від типа;

г) простий 8-розрядний таймер біля Mega AVR має розвиненіші режими

роботи, чим біля Classic AVR;

Таблиця 2.2 – Периферійні вузли Mega AVR мікроконтролерів

Периферійні вузли ATmega103 ATmega603

1 2 3

FLASH 128 KB 64 KB

SRAM 4 KB 4 KB

EEPROM 4 KB 2 KB

Число виводів 64 64

Зовнішня SRAM до 64 KB до 64 KB

Режими зниженого

енергоспоживання 3 3

Робота від зовнішнього кварцу + +

Робота від внутрішнього RC-цепи - -

Аналоговий компаратор + +

32

Продовження таблиці 2.2 – Периферійні вузли Mega AVR

мікроконтролерів

1 2 3

Схема скидання при пониженні напруги

живлення - -

Таймер Т0 (8 біт, порівняння, ШИМ,

асинхронна робота) + +

Таймер Т1 (16 біт, порівняння,

захоплення, двохканальний ШИМ) + +

Таймер Т2 (8 біт, порівняння, ШИМ) + +

Асинхронний послідовний адаптер,

UART + +

Синхронний послідовний адаптер, SPI

(Master/Slave) + +

АЦП, 10 розрядів, 8 каналів 8 8

д) є можливість управління системною тактовою частотою за допомогою

програмованого дільника, що дозволяє по ходу виконання програми

знижувати тактову частоту і зменшувати тим самим енергоспоживання

кристала;

е) за допомогою зовнішнього сигналу, що подається на вхід PEN, можна

дозволяти/забороняти програмування кристала по послідовному

інтерфейсу.

У травні 1999 року стали доступні перші Tiny AVR мікроконтролери – ATtiny11

і ATtiny22. Крім того, як видно з таблиці 2.3, фірма ATMEL анонсувала ще п'ять типів

Tiny AVR [44].

Відміна ATtiny10 і ATtiny11 полягає лише в організації Flash-памяти. Обидва ці

мікроконтролери не мають можливості програмування в системі, проте, ATtiny11

33

допускає паралельне перепрограмування, а ATtiny10 має QuickFlash пам'ять програм,

тобто є однократно програмованим кристалом.

Важливою особливістю Tiny AVR є ефективне використання виводів кристала.

Так, за рахунок того, що Tiny AVR можуть бути запрограмовані на роботу без

зовнішнього кварцу і без зовнішнього виводу "Скидання", можна мати 6 (16)

цифрових програмованих входів/виходів при 8 (20) -виводному корпусі.

Також відмітною особливістю Tiny AVR є можливість зниження напруги

живлення для деяких типів до 1,8 В.

Як видно з таблиці 2.3, набір вбудованих периферійних вузлів Tiny AVR

багатший, ніж для 8-вивідних кристалів підродини Classic AVR.

Залежно від складу периферійних вузлів Tiny AVR містять від 4 до 8 джерел

переривання. Серед них є такий оригінальний тип переривання, як переривання при

будь-якій зміні сигналів на зовнішніх виводах мікроконтролера.

Вибираючи тип AVR-мікроконтролера, розробник, окрім складу вбудованих

периферійних вузлів, повинен також визначитися з типом виконання кристала

(таблиці 2.4, 2.5, 2.6). Фірма ATMEL пропонує реалізацію AVR-микроконтроллеров

в різних корпусах.

Таблиця 2.3 – Периферійні вузли Tiny AVR мікроконтролерів

Пристрої tiny10 tiny11 tiny12 tiny15 tiny19 tiny22 tiny28

1 2 3 4 5 6 7 8

FLASH 1 KB 1 KB 1 KB 1 KB 1 KB 2 KB 2 KB

SRAM - - - - - 128 B -

EEPROM 64 B 64 B 64 B 64 B - 128 B -

Число виводів

в корпусі

8 8 8 8/20 28 8 28

Число

програмованих

входів/виходів

6 6 6 6/16 20 5 20

Режими

зниженого

енергоспоживання

2 2 2 2 2

34

Продовження таблиці 2.3 – Периферійні вузли Tiny AVR мікроконтролерів

1 2 3 4 5 6 7 8

Робота от внутрішнього RC-

кола

+ + + + +

Робота від

зовнішнього кварцу

+ + + - -

Калібрування внутрішнього

RC-кола

- - + + -

Схема скидання при

зниженні напруги живлення

- - + + -

Аналоговий

компаратор

+ + + + -

АЦП (10 розрядів), каналів - - - 4 - - -

Таймер Т0 (8 біт) + + + + +

Watchdog Timer + + + +

Можливість програмування

внутрішньої системи (ISP)

- - + + - + -

Діапазон напруги

живлення, В

2,7-

5,5

1,8-

5,5

2,7-

5,5

2,7-

6,0

AVR можуть мати різні діапазони живлячої напруги, від якої залежить можлива

робоча частота мікроконтролера і, нарешті, існують AVR промислового (маркування

"I" – Industrial) і комерційного (маркіровка "C" – Commercial) виконання.

Мікроконтролери комерційного виконання працюють при температурах 0°C ...

+70°C, а мікроконтролери промислового виконання мають температурний діапазон -

40°C ... +85°C [45].

Покращена RISC (enhanced RISC) архітектура AVR-мікроконтролерів

(рисунок 1.1) об'єднує в собі комплекс рішень, направлених на підвищення швидкодії

мікропроцесорного ядра AVR [46].

Арифметико-логічний пристрій (ALU), в якому виконуються всі обчислювальні

операції, має доступ до 32-х оперативних регістрів, об'єднаних до регістрового файлу.

Вибірка вмісту регістрів, виконання операції і запис результату назад в регістровий

файл виконуються за один машинний цикл.

35

Таблиця 2.4 – Виконання Classic AVR мікроконтролерів

Значення 'S1200 'S2313 'S2323

'S2343

'LS2323

'LS2343

'S4414

'S8515

'S4433 'S8535

'S4434

'LS8535 'C8

534

Корпус SOIC20

PDIP20

SSOP20

SOIC

20

PDIP2

0

SOIC8

PDIP8

SOIC8

PDIP8

PDIP40

PLCC44

TQFP44

PDIP28

TQFP32

PDIP40

PLCC44

TQFP44

PDIP40

PLCC4

4

TQFP44

VQ

FP

4

8

Частота,

Мгц

vcc: 4,0-

6,0 B

0 - 12 0 - 10 0 - 10 N/A 0 - 8 0 - 8 0 - 8 N/A N/

A

Частота,

Мгц

vcc: 2,7-

6,0 B

0 - 4 0 - 4 N/A 0 - 4 0 - 4 N/A N/A 0 - 4 0 -

1,5

Темпера

турний

діапазон

З, I З, I З, I З, I З, I З, I З, I З, I З, I

Таблиця 2.5 – Виконання Mega AVR мікроконтролерів

Значення ATmega103 ATmega603 ATmega103L ATmega603L

Корпус TQFP64 TQFP64 TQFP64 TQFP64

Vcc, B 4,0 - 6,0 4,0 - 6,0 2,7 - 6,0 2,7 - 6,0

Частота, Мгц 0 - 6 0 - 6 0 - 4 0 - 4

Температурний

діапазон

З, I C З, I C

Таблиця 2.6 – Виконання Tiny AVR мікроконтролерів

Значення ATtiny

11L-2

ATtiny

11-6

ATtiny

12V-1

ATtiny

12L-4

ATtiny

12-8

ATtiny

22L-4

ATtiny

22-8

Корпус SOIC8

PDIP8

SOIC8

PDIP8

SOIC8

PDIP8

SOIC8

PDIP8

SOIC8

PDIP8

SOIC8

PDIP8

SOIC8

PDIP8

Vcc, B 2,7 -

5,5

4,0 -

5,5

1,8 -

5,5

2,7 -

5,5

4,0 -

5,5

2,7 -

6,0

4,0 -

6,0

Частота, Мгц 0 - 2 0 - 6 0 - 1 0 - 4 0 - 8 0 - 4 0 - 8

Температурний

діапазон

C, I C, I C, I C, I C, I C, I C, I

36

Для порівняння корисно пригадати, що більшість вбудовуваних

мікроконтролерів мають тільки один такий регістр, безпосередньо доступний ALU, –

акумулятор, що вимагає включення в програму додаткових команд його

завантаження і зчитування.

Основною ідеєю всіх RISC (Reduced Instruction Set Computer), як відомо, є

збільшення швидкодії за рахунок скорочення кількості операцій обміну з пам'яттю

програм. Для цього кожну команду прагнуть умістити в один елемент пам'яті

програм. При обмеженій розрядності елементу пам'яті це неминуче приводить до

скорочення набору команд мікропроцесора[47-48].

Для AVR-мікроконтролерів відповідно до цього принципу практично всі

команди (виключаючи ті, у яких одним з операндів є 16-розрядна адреса) також

спаковані в один елемент пам'яті програм. Але зробити це вдалося не за рахунок

скорочення кількості команд процесора, а шляхом розширення елементу пам'яті

програм до 16 розрядів. Таке рішення є причиною багатства системи команд AVR в

порівнянні з іншими RISC-мікроконтролерами.

Організація пам'яті AVR виконана по схемі Гарвардського типу, в якій розділені

не лише адресні простори пам'яті програм і пам'яті даних, але також і шини доступу

до них.

Вся програмна пам'ять AVR-мікроконтролерів виконана за технологією FLASH

і розміщена на кристалі. Вона є послідовністю 16-розрядних чарунок і має ємкість від

512 слів до 64K слів залежно від типу кристала.

У FLASH-память, окрім програми, можуть бути записані постійні дані, які не

змінюються під час функціонування мікропроцесорної системи. Це різні константи,

таблиці знакогенераторів, таблиці лінеаризації датчиків тощо.

Перевагою технології FLASH є високий ступінь запаковки, а недоліком те, що

вона не дозволяє стирати окремі чарунки. Тому завжди виконується повне очищення

всієї пам'яті програм. При цьому для AVR гарантується, як мінімум, 1000 циклів

перезапису FLASH-пам’яті.

Крім того, для зберігання даних AVR-мікроконтролери можуть мати, залежно

від типа кристала, внутрішню (від 0 до 4K байт) і зовнішню (від 0 до 64 Кбайт)

37

оперативну пам'ять і незалежну внутрішню пам'ять EEPROM SRAM (від 0 до

4K байт).

Розділення шин доступу (рисунок 2.1) до FLASH-пам'яті і SRAM-пам'яті дає

можливість мати шини даних для пам'яті даних і пам'яті програм різної розрядності а

також використовувати технологію конвеєризації. Конвеєризація полягає в тому, що

під час виконання поточної команди програмний код наступною вже вибирається з

пам'яті і дешифрується.

Для порівняння пригадаємо, що для мікроконтролерів сімейства MCS-51

вибірка коду команди і її виконання здійснюються послідовно, що займає один

машинний цикл, який триває 12 періодів кварцового резонатора.

В разі використання конвеєра приведену тривалість машинного циклу можна

скоротити. Наприклад, для PIC-мікроконтролерів фірми Microchip за рахунок

використання конвеєра удалося зменшити тривалість машинного циклу до 4 періодів

кварцового резонатора. Тривалість же машинного циклу AVR складає один період

кварцового резонатора. Таким чином, AVR здатні забезпечувати задану

продуктивність при нижчій тактовій частоті. Саме ця особливість архітектури і

дозволяє AVR-мікроконтролерам мати якнайкраще співвідношення

енергоспоживання/продуктивність, оскільки споживання КМОП мікросхем, як

відомо, визначається їх робочою частотою [49].

EEPROM – блок електрично стираної пам'яті AVR, призначений для зберігання

незалежних даних, які можуть змінюватися безпосередньо на об'єкті. Це

калібрувальні коефіцієнти, різні уставки, конфігураційні параметри системи.

EEPROM-память має меншу, в порівнянні з FLASH, ємкість (до 4К байт), але при

цьому допускає можливість побайтного перезапису вічок, який може відбуватися як

під управлінням зовнішнього процесора, так і під управлінням власне AVR-

микроконтроллера під час його роботи за програмою.

Програмування незалежних блоків пам'яті AVR може здійснюватися як

паралельно, так і послідовно через SPI (Serial Peripheral Interface) інтерфейс.

38

Управління і обмін даними з EEPROM-памятью і зі всіма периферійними

вузлами здійснюється за допомогою регістрів введення/виводу, які є в кожному

периферійному вузлі.

Простота архітектури RISC-процесора забезпечує його компактність,

практична відсутність проблем з охолодженням кристала, чого немає в процесорах

фірми Intel, що наполегливо дотримуються шляху розвитку архітектури CISC.

Формування стратегії CISC-архітектури відбулося за рахунок технологічної

можливості перенесення "центру тяжіння" обробки даних з програмного рівня

системи на апаратний, так як основний шлях підвищення ефективності для CISC-

комп'ютера бачився, в першу чергу, у спрощенні компіляторів та мінімізації

виконуваного модуля. На сьогоднішній день CISC-процесори майже монопольно

займають на комп'ютерному ринку сектор персональних комп'ютерів, однак RISC-

процесорів немає рівних у секторі високопродуктивних серверів і робочих станцій

[50-51].

Основні риси RISC-архітектури з аналогічними за характером рисами CISC-

архітектури відображаються у таблиці 2.7.

Таблиця 2.7 - Основні риси архітектури

CISC-архітектура RISC-архітектура

Багатобайтові команди Однобайтові команди

Мала кількість регістрів Велика кількість регістрів

Складні команди Прості команди

Одна команда за один цикл

процесора

Кілька команд за один цикл

процесора

Традиційно один виконавчий

пристрій

Кілька виконавчих пристроїв

39

Одним з важливих переваг RISC-архітектури є висока швидкість арифметичних

обчислень. RISC-процесори першими досягли планки найбільш поширеного

стандарту IEEE 754, що встановлює 32-розрядний формат для представлення чисел з

фіксованою точкою і 64-розрядний формат "повної точності" для чисел з плаваючою

крапкою. Висока швидкість виконання арифметичних операцій в поєднанні з

високою точністю обчислень забезпечує RISC-процесорів безумовне лідерство за

швидкодією у порівнянні з CISC-процесорами [52].

Іншою особливістю RISC-процесорів є комплекс засобів, які забезпечують

безупинну роботу арифметичних пристроїв: механізм динамічного прогнозування

розгалужень, велика кількість оперативних регістрів, багаторівнева вбудована кеш-

пам'ять.

2.3 Висновок по розділу

В даному розділі було зроблено аналіз та розглянуто основні види AVR RISC

мікроконтролерів ATMEL, розглянуто основні характеристики AVR архітектури, в

таблицях порівняно основні мікроконтролери усіх чотирьох основних класів AVR

мікроконтролерів. Основне призначення проаналізованих мікроконтролерів -

забезпечити за допомогою недорогих коштів гнучке (програмне) управління

об'єктами і зв'язок із зовнішніми пристроями. Ці мікроконтролери не призначені для

реалізації комплексу складних функцій, але вони здатні забезпечити ефективне

управління в багатьох галузях застосування.

Всі розглянуті можливості значно збільшують гнучкість застосування

мікроконтролерів і роблять більш простим процес розробки систем на їх основі.

40

3 РОЗРОБКА СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ

В додатку А даної дипломної роботи представлено схему електричну

структурну.

На схемі позначено:

“IOP” – блок вводу/виводу інформації;

“HL” – блок світлодіодів;

“RAM” – блок зовнішньої пам’яті;

“PORT A” – блок вводу/виводу інформації;

“PORT B” – блок вводу/виводу інформації;

“PORT C” – блок вводу/виводу інформації;

“KB” – блок матричної клавіатури;

“СPU” – блок мікроконтролера ATMega8515;

“HG” – блок чотирьох розрядного семисигментного індикатора.

“SD” – блок карти пам’яті.

Головний пристрій цієї схеми – мікроконтролер ATMega8515 “CPU”.

ATmega8515 - економічний 8-розрядний мікроконтролер, заснований на посиленій

AVR RISC архітектурі структурна схема якого зображена на рисунку 3.1.

ATmega8515 забезпечує продуктивність 1 млн. Оп. в сек на 1 МГц синхронізації за

рахунок виконання більшості інструкцій за один машинний цикл і дозволяє

оптимізувати споживання енергії за рахунок зміни частоти синхронізації.

Основні параметри мікроконтролера Atmega8515 наведені в таблиці 3.1.

Таблиця 3.1 – Основні параметри мікроконтролера Atmega8515

1 2

Ядро

F, Мгц від 0 до 16

Пам’ять: FLESH, Кбайт 8

Пам’ять: RAM, Кбайт 0.5

41

Продовження таблиці 2.1 – Основні параметри мікроконтролера Atmega8515

1 2

Пам’ять: EEPROM, Кбайт 0.5

I/O (макс.), шт. 35

Таймери: 8 – біт, шт. 1

Таймери: 16 – біт, шт. 1

Таймери: Каналів ШІМ, шт. 3

Таймери: RTC Відсутні

Інтерфейси: UART, шт. 1

Інтерфейси: SPI, шт. 1

Аналогові входи: Аналоговий компаратор, шт 2

Vcc , B від 2.7 до 5.5

Icc , mA 10

AVR ядро об'єднує багатий набір інструкцій з 32 робочими регістрами

загального призначення. Усі 32 регістра безпосередньо підключені до АЛП

(арифметико-логічний пристрій), що дозволяє вказувати два регістри в одній

інструкції і виконати її за один цикл. Дана архітектура володіє більшою ефективністю

коду і в 10 разів більшою продуктивністю в порівнянні з CISC

мікроконтролерами[53].

ATmega8515 володіє наступними можливостями: 8 Кбайт внутрішньо схемної

програмованої флеш-пам'яті з можливістю читання під час запису, 512 байт ЕППЗУ,

512 байт статичного ОЗУ, зовнішній інтерфейс пам'яті, 35 ліній введення-виведення,

32 робочих регістрів загального призначення, два універсальних таймера-лічильника

з режимами компаратора, внутрішні і зовнішні запити на переривання, послідовний

програмований УСАПП, програмований сторожовий таймер з внутрішнім

генератором, послідовний порт SPI і три програмно настроюються режими

управління енергоспоживанням. Режим холостого ходу (Idle) зупиняє ЦПУ, але

залишає в роботі статичне ОЗУ, таймери-лічильники, порт SPI і систему переривань.

42

Режим зниженого споживання (Power-down) зберігає вміст регістрів, але зупиняє

генератор, вимикає всі вбудовані функції до появи наступного запиту на переривання

або апаратного скидання. У черговому режимі (Standby) генератор на кварцовому

резонаторі запущений, а інша частина відключена. Даний режим дозволяє реалізувати

швидкий запуск в комбінації з малим споживанням [54].

Рисунок 3.1 – Структурна схема мікроконтролера ATmega8515.

43

Для того, щоб задіяти вбудовані таймер (див. рис. 3.2) та компаратор (див. рис.

3.7), їх попередньо треба налаштувати, встановленням відповідних бітів

мікроконтролера, згідно з довідником до нього.

Для налаштування таймера, щоб вимірювати часу заряду ємності, треба задати

джерело тактування таймера. Для цього потрібно встановити наступні біти (див. рис.

3.3).

Так як таймер 16-бітний, переповнюватися він буде кожні 65535 відділків.

Тому, він буде переповнюватися з частотою

𝐹𝐾 =𝐹𝑀𝐾∗𝐶𝐿𝐾

65535; (3.1)

де:

FMK— частота мікроконтроллера,

CLK — дільник частоти таймера/лічильника.

Рисунок 3.2. — Схема будови таймера

44

Підберемо частоту мікроконтролера та CLK таким чином, щоб

таймер/лічильник переповнювався один раз в секунду. При CLK = 1/64 та частоті

мікроконтролера рівної 222=4194304 Гц, ця умова виконується. CLK = 1/64

підтримується мікроконтролером и виставляється бітами CS10, CS11, CS12 (CS10=1,

CS11=1, CS12=0). Ці біти виставляються у регістрі управління таймером TCCR1B

(див. рис. 3.4).

Рисунок 3.3. — Налаштування бітів для встановлення джерела таймера

Рисунок 3.4 — Регістр управління таймером TCCR1B

Для того щоб виникали переривання таймера, необхідно настроїти регістр

масок переривань TIMSK:

Рисунок 3.5— Регістр масок переривань TIMSK

45

В цьому регістрі треба встановити біт TOIE1, для дозволу переривання по

переповненню 16-бітного таймера. Також для зручності треба виставити біт TICIE1

підключення компаратора до схемі переривання 16-бітного таймера (див. рис. 3.6).

При цьому при спрацюванні компаратора, значення таймера автоматично

зберігається у спеціальний регістр ICR1 [55-56].

Рисунок 3.6— Блок схема будови підключення компаратора до схеми

переривання таймера

Також треба виставити біт ICES1, для переривання по фронту імпульсу від

схеми підключення компаратора до 16-бітного таймера в регістрі TCCR1B (див. рис.

2.4).

Для того щоб переривання працювали, необхідно виставити глобальний дозвіл

переривань бітом I, в регістрі стану SREG (див. рис. 3.7)

Рисунок 3.7— Регістр стану SREG

46

Для налаштування компаратора (див. рис. 3.8), треба встановити біти ACD,

ACIE ACIS1, ACIS0 (див. рис. 3.9).

Рисунок 3.8 — Схема будови компаратора

Рисунок 3.9 — Регістр налаштування компаратора

Біти ACD відповідає за включення компаратора, ACIE за переривання від

компаратора [57].

ACIS1, ACIS0 відповідають за умову спрацювання компаратора, при

виставленні їх в нуль, компаратор спрацює при однаковому рівні вхідних сигналів.

Для розрахунок дільника напруги треба визначити опорну напругу. Напруга

живлення складає п’ять вольт. При часу виміру рівного 3τ, опорна напруга складає 95

% від максимальної. Звідти опорна напруга буде складати:

оп 0 95 5 4 75В.U , ,    

Для розрахунок ємності для кожного діапазону, треба взяти максимальне

значення опору для цього діапазону, та підібрати ємність таким чином, щоб вона

47

встигала заряджатися до заданого рівня приблизно половину максимального часу

виміру рівного одній секунді.

При ємності 2000 мкФ, на першому діапазоні виміру до 100 Ом, час

вимірювання буде складати:

6

вим max 3 2000 10 100 0 6с. t ,  

Так як, максимальні значення діапазонів більші на порядок, тоді треба вибрати

для другого та третього діапазону ємність 200 та 20 мкФ відповідно. Також, з

наявності лише одного входу компаратора для порівняння з опорною напругою,

необхідно місця підключення до ємностей об’єднати за допомогою діодів,

врахувавши падіння напруги на них. Тобто, опорна напруга буде складати:

оп 4 75 0 24 4 51В.U ,   , ,  

Внутрішній ОЗП мікроконтролера розташований за адресом 0060h та

закінчується 025Fh. Починаючи з адреси 0260h до FFFFh можна адресувати зовнішню

пам’ять. На відміну від внутрішньої пам’яті доступ до зовнішньої триває довше на 1

такт(або на 2 такти у залежності від налаштовувань) [58].

Порти вводу/виводу можуть робити на вхід та на вихід. За це відповідає

відповідний регістр напрямку DDRx(x-назва порту A, B…). Також порт має регістр

стану PORTx запис даних у який відображається на порт, якщо порт знаходиться у

режимі видачі. А якщо порт працює у режимі читання цей регістр вмикає/вимикає

підтягуючі резистори. Для читання порту використовується регістр PINx. Також

більшість портів мають альтернативні функції і коли порт їх виконує, відповідні

регістри DDRx, PORTx та PINx не впливають на роботу порту.

Найважливіша характеристика будь-якого мікроконтролера це - час відгуку на

переривання. Відгук на виконання усіх дозволених переривань AVR складає мінімум

4 тактових цикла. Впродовж 4 тактових циклів вміст лічильника команд(2 байта)

48

зберігається у стек, та вказівник стеку зменшується на 2. Вектор вказує перехід на

підпрограму обробки переривання та цей перехід займає 3 тактових циклу. Якщо

переривання виникає за час виконання багато циклової команди, то команда закінчує

виконання, а потім обслуговується переривання. Вертання з підпрограми обробки

переривання (як і виклик підпрограми) займає 4 тактових цикла. Впродовж цих 4

циклів стан лічильника команд (2 байта) відновляється зі стеку та вказівник стеку

збільшується на 2. Коли мікроконтроллер виходить з перервання, він завжди

вертається у основну програму та виконує ще одну команду, перш ніж почати

обслуговувати якесь відкладене переривання.

Відзначимо, що регістр статусу SREG не обробляється апаратними

можливостями AVR, як для переривань так і для підпрограм.

При обробці підпрограм переривань, які потребують збереження SREG,

збереження потрібно виконувати програмними засобами користувача. Для

переривань, які запускаються статичними подіями (наприклад співпадання вмісту

регістру зрівняння 1А із станом таймеру/лічильника1). Прапорець переривання

встановлюється у момент виникнення події. Якщо прапорець скинутий, але умови

виникнення переривання продовжують існувати, прапорець не буде встановлюватись

до тих пір, доки ця подія не виникне знову.

Мікроконтролер має один 8-розрядний та один 16-розрядний таймери

лічильники. Вони можуть тактуватися, як від внутрішнього, так і від зовнішнього

генератора. Кожний таймер має свій окремий попередній дільник із чотирма

ступенями ділення: CK/8, CK/64, CK/256, CK/1024, де CK – це вхідний тактовий

сигнал. Цей тактовий сигнал, за замовчуванням, з’єднаний із головним тактовим

сигналом системи. Обидва таймери мають загальний регістр стану таймерів, у якому

зберігаються такі прапори стану, як: переповнення, співпадання за зрівненням та

захвату події. Встановлення дозволення/недозволення переривань виконується у

регістрі масок переривань таймерів/лічільників TIMSK. При тактуванні

таймеру/лічильника від зовнішнього генератора цей сигнал синхронізується із

тактовою частотою CPU. Для запеспечення правильної синхронізації зовнішнього

сигналу необхідно, щоб мінімальний час між двома вхідними тактовими тактовими

49

циклами був не менш одного циклу внутрішнього тактового сигналу CPU. Зовнішній

тактовий сигнал синхронізується за підніманням фронту внутрішнього тактового

сигналу CPU. Точність таймерів росте зі зменшенням коєфіцієнту попереднього

ділення. Аналогічним чином, високий коефіцієнт попереднього ділення зручно

використовувати при реалізації функцій із низькою швидкістю виконання, або точної

синхронізації рідко виникаючих дій. Дані таймери підтримують зрівнення.

Пристрій випускається за розробленою Atmel технології незалежної пам'яті

високої ємності. Вбудована ISP флеш-пам'ять може перепрограмуватися через

послідовний інтерфейс SPI, звичайним програматором енергонезалежній пам'яті або

запущеною програмою в секторі початкового завантаження AVR ядра. Програма в

секторі початкового завантаження може використовувати будь-який інтерфейс для

запису програми. Програма в секторі початкового завантаження виконується навіть

при оновленні флеш-пам'яті програми, забезпечуючи дійсну можливість читання під

час запису. За рахунок комбінування 8-розрядного RISC ЦПУ з внутрішньосхемною

флеш-пам'яттю на одному кристалі, дозволило ATmega8515 бути потужним

мікроконтролером, що забезпечує високу універсальність і володіє низькою вартістю,

що робить його застосування ідеальним для побудови вбудованих систем управління

[59-60].

ATmega8515 підтримується повним набором інструментальних і програмних

засобів для розробки додатків, в тому числі: C-компілятори, макроассемблер,

програмні симулятори, внутрішньосхемні емулятори, оціночні набори.

Адресна шина використовується в функції передавання адрес пристроїв, шина

даних в - функції передавання в різні напрямки (в залежності від режима Read чи

Write) даних, шині управління – в функції передавання спеціальних сигналів

управління:

- “INITL” – загальне скидання;

- “ALCO” – аварія живлення мережі;

- “SSYN” – відповідь від відомого та інші.

При виконанні обміну інформацією по магістралі працюють два пристрої:

активний і пасивний.

50

Для з’єднання блоку світлодіодів “HL”, блоку чотирьох розрядного

семисигментного індикатора “HG”, блоку матричної клавіатури з блоком

мікроконтролера ATMega8515 “CPU” використовуються три шини: шина адреси

(ША), шина даних (ШД), шина управління (ШУ). По шині даних в двохнапрямках

передаються сигнали інформаційного характеру. Ці сигнали визначають бінарні дані.

Однонаправлена адресна шина передає адреси для вибору певного пристрою системи.

Сигнали управління – вибір режиму роботи (читання/запис) та інші передаються по

шині управління, що також має однонаправлений характер.

Блок введення/виведення інформації “ IOP ” з`єднаний з блоком

центрального мікроконтролера “CPU” шинами адреси і управління, а також

двонаправленою шиною даних.

Блок оперативної зовнішньої пам’яті “RAM” з’єднаний з блоком центрального

мыкроконтролера “CPU” двонаправленою шиною даних, шинами адреса і

управління [61].

51

4 РОЗРОБКА ПРИНЦИПОВОЇ СХЕМИ

4.1 Розробка окремих модулів схеми

Основною задачею при складанні принципової схеми являється визначення

вхідних и вихідних портів, котрі підключаються к зовнішнім пристроям при

вводу/виводу інформації.

До порту B (PB0…1 та PB4…7) підключена матрична клавіатура 3х4. До порту

D та С підключений сегментний дисплей. Так як, вибраний сегментний індикатор зі

спільним анодом, тобто, щоб засвітити сегмент треба встановити рівень напруги

рівний логічному нулю, а щоб сегмент згас, треба встановити рівень напруги рівний

логічній одиниці. До порту А підключено світлодіодні індикатори [62].

До виводів 18 и 19 підключений кварцовий резонатор на частоту 16 МГц, схема

підключення взята з довідника (див. рис. 4.1).

Рисунок 4.1 — Схема підключення кварцового резонатора

USBASP Програматор AVR, схема електрична принципова зображена на

рисунку 4.2, підтримує всі мікроконтролери AVR з режимом послідовного

програмування ISP (In System Programming) - це мікроконтролери AVR у яких є

підтримка завантаження програми через порт SPI (Serial Peripheral Interface).

Актуальний список підтримуваних мікроконтролерів може зміняться і залежить від

керуючої програми для ПК і поточної версії прошивки програматора.

52

Рисунок 4.2 – Схема електрична принципова програматора USBASP

Призначення контактів ISP роз'єму : «1» – MOSI - вихід даних для послідовного

програмування; «2» VCC + 5V – вихід + 5В, для живлення зовнішнього пристрою від

шини USB (max = 200мА); «3» – NC - не використовується; «4» – GROUND загальний

або мінус живлення; «5» – RESET -підключається до RESET мікроконтролера; «6» –

GROUND - загальний або мінус живлення; «7» – SCK - вихід тактованих даних; «8»

– GROUND - загальний або мінус живлення; «9» – MISO - вхід даних для

послідовного програмування; «10» – GROUND - загальний або мінус живлення [63].

Для роботи з програматором знадобиться програмний інтерфейс для ПК.

Рекомендується використовувати GUI для AVRDUDE під назвою SinaProg - це

віконна оболонка призначена для роботи з консольним програматором. Всі

налаштування в SinaProg в тому числі прошивку мікроконтролера і конфігурацію

Fuse-бітів можна зробити декількома клацаннями миші в графічній оболонці.

Підключення SD і microSD карт до мікроконтролера

SD карти на даний момент є самим недорогим пристроєм великої ємності. Ці

пристрої ідеально підходять для вбудованих систем де необхідно збір великої

53

кількості даних, а також для простої можливості безпосереднього перенесення даних

на ПК. Схема підключення SD карти до мікроконтролера зображена на рисунку 4.4.

Карти пам'яті дозволяють виконувати обмін інформацією по SPI інтерфейсу,

який в основному присутня в будь-якому контролері. І дозволяє створити недорогий

інтерфейс обміну інформацією [64].

SPI (англ. Serial Peripheral Interface, SPI bus — послідовний периферійний

інтерфейс, шина SPI) — фактичний послідовний синхронний повнодуплексний

стандарт передачі даних, розроблений фірмою Motorola для забезпечення простого

сполучення мікроконтролерів та периферії. SPI також називають чотирьох-провідним

інтерфейсом.

На відміну від стандартного послідовного порту, SPI є синхронним

інтерфейсом, в якому кожна передача синхронізована з тактовим сигналом, що

генерується ведучим пристроєм (мікроконтролером). Периферійний пристрій

синхронізує отримання бітової послідовності з тактовим сигналом. До одного

послідовного периферійного інтерфейсу ведучого мікроконтролера можна під'єднати

декілька мікросхем. Головний пристрій вибирає ведений пристрій, активуючи сигнал

«вибір кристалу» на потрібній мікросхемі. Інші пристрої, не вибрані ведучим, не

беруть участі в передачі по SPI.

Для передачі даних в інтерфейсі SPI використовуються чотири сигнали, на

рисунку 4.3 зображено розташування контактів:

- MOSI - вихід ведучого, вхід веденого. Служить для передачі даних від

ведучого пристрою до веденого.

- MISO - вхід ведучого, вихід веденого. Служить для передачі даних від

веденого пристрою до ведучого.

- SCLK - послідовний тактовий сигнал. Служить для передачі тактового

сигналу для ведених пристроїв.

- CS - сигнал початку/завершення сеансу зв'язку (вибору веденого пристрою

для передачі/читання даних. По завершенні обміну даних має бути знятий,

що дозволить приймачу даних вийти з режиму читання/запису та перейти до

режиму обробки даних.

54

Рисунок 4.3 – Розміщення контактів карти пам’яті в SPI режимі

Таблиця 4.1 - Призначення контактів SD карти в SPI режимі

Номер Позначення Опис

1 SS Не використовується

2 MOSI Роз'єм «вибір веденого»

3 GND DI Роз'єм для передачі даних SD карти

4 VCC Роз'єм живлення, від 2.7 до 3.6 В.

5 SCLK Роз'єм для синхроімпульсів

6 SND Загальний

7 MISO Роз'єм для отримання даних з SD карти

8 RSV Зарезервований (не використовується)

55

Рисунок 4.4 – Схема підключення SD карти в SPI режимі.

56

4.2 Вибір елементної бази

Схема електрична принципова представлена в додатку Б.

Згідно структурної схеми для реалізації схеми потрібні 4 датчики, , 1

багатоканальний АЦП, процесор, та елементи індикації (їх кількість залежить від

кількості значень, які будуть виводитися на індикатори).

Для спрощення схеми, візьмемо процесор із вбудованим багатоканальним АЦП

Atmega8515 фірми ATMEL. Цей 8-бітний RISC-мікроконтролер має вбудований

восьмиканальний 10-бітний АЦП із послідовним порівнянням із дискретними

рівнями напруги (вхідне значення сигналів АЦП 2.7-5 В) [65].

Для індикації значень візьмемо чотирирозрядний семисегментний

світлодіодний індикатор FYQ-5641BSR-11 (із загальним анодом).

Таким чином у склад схеми входять:

- Мікроконтролер Atmega 8515;

- Роз’єм для microSD карти;

- Дві кнопки скидання;

- індикатори FYQ-5641BSR-11;

- 8 світлодіодів АЛ307Б;

- Матрична клавіатура 3х4;

- Резонатор кварцевий на 16 МГц HC-49S.

57

5 РОЗРОБКА ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

5.1 Інтерфейс JTAG

Для підключення, відлагоджування і програмування навчального стенду на

основі мікроконтролера Atmega8515 фірми Atmel використовується пристрій

USBASP, що працює по JTAG-інтерфейсу.

Технологія так названого граничного сканування (JTAG) була застосована для

доповнення методів перевірки правильності розведення друкованої плати і її

монтажу. Спочатку для цих цілей застосовувалися технології й устаткування,

засновані на підключенні до контрольних точок плати і виводам мікросхем [66].

Говорячи про JTAG-інтерфейс і про технології граничного сканування, варто

розрізняти ситуації, коли мікросхема може повністю підтримувати стандарт ІEEE

1149.х, маючи стандартний JTAG-інтерфейс і певну логіку підтримки методу

граничного сканування і не підтримувати технологію граничного сканування. В

останньому випадку JTAG-інтерфейс використається для інших цілей, чим для

тестування плат. Тому, крім коректного розведення друкованої плати і її монтажу

сьогодні компоненти технології граничного сканування використаються для

програмування й налагодження додатків [19].

Отже, JTAG (Joіnt Test Actіon Group) - спеціалізований апаратний інтерфейс,

розроблений для тестування зібраних друкованих плат (з використанням стандарту

ІEEE 1149.1). Через широку функціональність JTAG став широко використатися для

налагодження й програмування.

На даний момент JTAG-інтерфейс застосовується при периферійному

скануванні. Цей термін ставиться до тестування друкованих плат, із установленими

на них процесорами, флеш-мікросхемами, на наявність в електроланцюгах коротких

замикань, не припайок, западань на 0 або 1.

Порт тестування (Test Access Port) являє собою чотири або п'ять виділених

виводів мікросхеми: ТСК, TMS, TDІ, TDO, TRST [67].

58

Функціональне призначення цих виводів:

- TDІ (вхід тестових даних) - вхід послідовних даних периферійного

сканування. Команди й дані записуються в мікросхему із цього виводу по

передньому фронті сигналу TCK;

- TDO (вихід тестових даних) - вихід послідовних даних. Команди й дані

зчитуються з мікросхеми із цього виводу по задньому фронті сигналу

TCK;

- TCK (вхід тестового тактування) - тактує роботу вбудованого автомата

керування периферійним скануванням. Максимальна частота сканування

периферійних осередків залежить від використовуваної апаратної

частини й на даний момент обмежена 25...40 МГЦ;

- TMS (вхід керування тестуванням) - забезпечує вибір режиму тестування;

- у деяких випадках до перерахованих сигналів додається сигнал TRST для

ініціалізації порту тестування, що необов'язково, тому що ініціалізація

можлива шляхом подачі відповідної послідовності сигналів на вхід TMS.

Робота засобів забезпечення інтерфейсу JTAG залежить від сигналів автомата

керування, убудованого в мікросхему. Стан автомата визначається сигналами TDІ й

TMS порту тестування. Певне сполучення сигналів TMS і TCK забезпечує введення

команди для автомата і її виконання.

Якщо на платі встановлено кілька пристроїв, що підтримують JTAG, вони

можуть бути об'єднані в загальний ланцюжок. Унікальною особливістю JTAG є

можливість програмування не тільки самого мікроконтролера, але й підключеної до

його виводів мікросхеми флеш-пам’яті. Причому існує два способи програмування

флеш-пам’яті з використанням JTAG: через пам'ять процесора, і через пряме

керування виводами мікросхеми [68].

Для програмування через інтерфейс JTAG потрібно використати чотири

специфічних виводи JTAG-інтерфейсу: TCK, TMS, TDІ й TDO. Керування виводами

скидання й тактування мікроконтролера не потрібно. Для активізації JTAG-

інтерфейсу необхідно запрограмувати конфігураційний біт JTAGEN. У стані

поставки в мікроконтролер даний біт запрограмований. Крім цього, необхідно

59

скинути біт JTD у регістрі MCUCSR. Також біт JTD можна скинути шляхом

утримання входу скидання в низькому стані, після чого виводи JTAG-інтерфейсу

доступні для програмування.

Цим забезпечується можливість використати виводи JTAG-інтерфейсу, як

лінії виводу в процесі нормальної роботи, а при необхідності виконати

внутрішньосистемне програмування через JTAG-інтерфейс. Потрібно звернути увагу,

що даний метод не може використатися для граничного сканування або внутрішнього

налагодження через виводи JTAG-інтерфейсу. У такому випадку виводи JTAG-

інтерфейсу повинні використатися тільки для цих цілей. Також необхідно виділити,

що, як при послідовної передачі, так і при послідовному прийомі, першим

передається молодший розряд всіх зсувних регістрів [69].

При налагоджувані та програмуванні плату підключають до робочого місця

оператора (ПК, обчислювальної PXІ - або VXі - системи) через контролер, що

забезпечує сполучення даних між JTAG-інтерфейсом і портом введення/виведення

робочого місця (це може бути шина PCІ, порти Ethernet або USB). Цей контролер

забезпечує цілісність сигналів, їхню передачу на значні відстані, які можуть розділяти

плату і робоче місце оператора граничного сканування у виробничих умовах.

Для створення програми тестування для ПК потрібно мати вихідні дані, до

складу яких входять опис мікросхем, що підтримують технологію граничного

сканування, опис шляху сканування й опис тестувальної плати або системи в цілому.

Говорячи про опис мікросхем, ми маємо на увазі наявність спеціального файлу

мовою BSDL (Boundary-Scan Descrіptіon Language, мова опису граничного

сканування), що містить інформацію про те, яка структура логіки, що підтримує

технологію граничного сканування в мікросхемі, як організований шлях сканування

в елементі і які функції стандартом ІEEE 1149.х, підтримуються. Цей файл надається

виробником мікросхеми [70].

Таким чином, технологія граничного сканування забезпечує тестування

зв'язків між мікросхемами після того, як вони були змонтовані на друкованій платі, а

також забезпечує спостереження за роботою компонентів без втручання в їхню

нормальну роботу.

60

5.2 Розробка програми «Знайомство/Налаштування»

Для створення програми в середовищі Atmel Studio з початку потрібно

ініціалізувати середовище, а потім до нього підключити мікроконтролер.

Для інсталяції середовища розробки потрібно зайти в папку “Software” і

запустити файл “as-installer-7.0.1188-web”. Версія середовища розробки може

відрізнятися.

Підключаємо мікроконтролер програматор до USB-порту комп'ютера.

Комп'ютер повинен виявити новий USB-пристрій і почати шукати драйвера для

нього. По завантаженню драйвера повинно бути виявлено два нових пристрої й

установлені два драйвери для них із зазначеної директорії [71].

Отже, створимо перший програму (проект) в середовищі Atmel Studio з

стандартними налаштуваннями.

Для зберігання проектів на жорсткому диску краще створити окрему папку,

наприклад, “My Projects”. У цій директорії створимо ще одну, для першого проекту,

наприклад, “My Projects\First” (так, як роботою це є перша програма).

Далі поетапно представляємо процедури створення проекту в Atmel Studio і

одночасно знайомимось з даним середовищем:

1) потрібно відкрити програмне забезпечення Atmel Studio. В меню “File”

виберемо під меню “New” в якому використаємо пункт “Project”, як на

рисунку 2.6;

2) далі в меню вводимо назву вашого проекту та вибираємо директорію, як на

рисунку 2.7. Потрібно бути уважними й використовувати різні назви для

різних проектів, тому що робоча область є загальною для всіх проектів

Atmel Studio. Після визначення назви натисніть на кнопку “ОК”;

61

Рисунок 5.1 – Вибір пункту меню для створення проекту

Рисунок 5.2 – Введення ім’я проекту

62

3) установки за замовчуванням є коректними. Після створення нового проекту

потрібно вибрати потрібний мікроконтролер. В вікні “Device Selection”, яке

з’явилося після натиску на кнопку “ОК”, через пошук знаходимо

мікроконтролер ATmega8515 і натискаємо кнопку “ОК”;

Рисунок 5.3 – Вибір відповідного пристрою

4) тепер проект відображається в лівій області додатка на вкладці “C/C++

Projects”. Клацніть правою кнопкою миші на Ваш проект і виберіть

“Propertіes”;

5) тепер можна приступитися до додавання коду (файлу з розширенням “.c”

або “.asm”) у проект. Ще раз клацніть правою кнопкою миші свій проект і

виберіть “Add fіles to project”. В Atmel Studio є установки за замовчуванням,

63

сумісні із синтаксисом ІAR, або код створюємо тобто друкуємо самі за

допомогою пункту “к”;

Рисунок 5.4 – Відображення створеного проекту в програмі

6) після додавання файлу клацніть на його двічі в древі проектів для розгляду

коду в головному вікні набору вікон C/C++. Коли Ви будете готові

завантажити свій код, виберіть “Continue” у меню “Debug”. Як варіант,

можна вибрати кнопку “Start Debugging” у верхньому лівому куті екрана,

як зазначено нижче;

7) після успішної побудови й завантаження коду у ваш пристрій програма в

ньому відображається режим налагодження. На цьому етапі код повністю

завантажений у пристрій і може бути виконаний. Для виконання цього коду

натисніть F5 або виберіть операцію запуску в меню “ Debug ” [25];

8) після створення проекту та ознайомлення з середовищем Atmel Studio в

проекті набираємо наступний код або використовуємо пункт “з” який

представлено в додатку Г;

64

5.3 Розробка програми «Прошивка мікроконтролера»

Мікроконтролер (МК), як і комп'ютер, є апаратною частиною пристрою. Без

управляючої програми він працювати не буде. Цю програму пишуть і компілюють на

комп'ютері. Результат компіляції — HEX-файл, що містить двійковий (бінарний) код.

Цей код записується у мікроконтролер і називається прошивкою.

Прошивка — це двійковий код, який виконується мікроконтролером і

записаний (“зашитий”) у його постійну пам'ять програм (Flash-пам'ять).

Програматор — це пристрій для запису прошивки у мікроконтролер.

Програматор під'єднується до мікроконтролера і до комп'ютера. На комп'ютері

працює програма, яка зчитує файл з прошивкою і передає її у програматор.

Програматор, в свою чергу, записує прошивку у постійну пам'ять програм (Flash-

пам'ять) мікроконтролера [72].

Два принципи програмування МК

На рисунку 5.5 зображено схеми запису прошивки в пам’ять мікроконтролера

а) Автономний програматор має панельку, куди вставляється

мікроконтролер. МК прошивають, потім виймають з панельки і вставляють у

пристрій, в якому він буде працювати.

б) Внутрішньосхемний програматор програмує МК прямо в схемі. Він

підключається до спеціальних виводів МК. Після прошивання програматор

відключається і схема одразу починає працювати. Внутрішньосхемний програматор

значно зручніший для відладки програм, оскільки не треба переставляти МК зі схеми

у програматор і навпаки.

65

Рисунок 5.5 – Схеми запису прошивки в пам’ять мікроконтролера

Програми — програматори

Існує багато різних програм-програматорів для різних операційних систем. В

лабораторних роботах використовуються деякі з них.

PonyProg. Програма підтримує велику кількість мікроконтролерів AVR, а також

інші мікросхеми. Працює з програматорами, що підключається до портів COM та

LPT, має графічний інтерфейс.

Avrdude. Входить до пакету WinAVR, тож її не потрібно окремо скачувати і

встановлювати на комп'ютер. Підтримує COM, LPT, а також USB-програматори.

Працює в операційних системах Windows, Linux, MacOS та ін. Не має графічного

інтерфейсу (GUI), проте існують графічні оболонки, наприклад, avrdude-gui, AVR8

Burn-O-Mat.

Щоб прошити МК, використовується найпростіший програматор. Він

підключається до USB порту та роз’єму на навчальній платі. Отже, він є

внутрішньосхемним програматором. Всього 4 резистори знаходяться у роз’ємі USB.

Для прошивки цим програматором використовується комп'ютерна програма Avrdude.

66

Для роботи Avrdude з програматором потрібно в меню Programming встановити

налаштування відповідно до рисунку 5.6.

Для того, щоб прошити МК, потрібно вибрати файл з розширенням HEX та

натиснути кнопку «Программирование» [73].

Рисунок 5.6 – Налаштування AvrDude для програматора

67

5.4 Розробка програми «Перша програма. Управління світлодіодами»

Порти введення / виведення МК AVR мають число незалежних ліній "Вхід /

Вихід" від 3 до 53. Кожен розряд порту може бути запрограмований на введення або

на виведення інформації. Вихідні драйвери забезпечують струмову навантажувальну

здатність 20 мА на лінію порту при максимальному значенні 40 мА, що дозволяє,

наприклад, безпосередньо підключати до мікроконтролера світлодіоди і біполярні

транзистори. Загальна струмова навантаження на всі лінії одного порту не повинна

перевищувати 80 мА (всі значення наведено для напруги живлення 5 В). Для роботи

з будь-яким портом «х» існують три регістра управління :DDRx, PORTx, PINx.

DDRx (The Port X Data Direction Register) – визначає напрям передачі даних

кожної лінії порту X: 1 - вихід, 0 - вхід. Регістр DDRx містить 8 біт DDx0 .. DDx7,

кожен з яких відповідає за свою лінію порту, яка збігається з номером Px0 .. Px7.

PORTx (The Port X Data Register) – регістр даних порту «х». Принцип роботи з

цим регістром залежить від того, в якому режимі, входу або виходу працює лінія

порту. Якщо лінія порту працює на вхід, то біти даного регістра відповідають за

підключення до лінії внутрішнього опору, який підтягує напругу лінії до напруги

живлення. Якщо лінія порту працює на вихід, то біти даного регістра керують станом

вихідної лінії.

PINx (The Port X Input Pins Address) – діапазон адрес, читання по яким надає

доступ до інформації з буферних регістрів на вході порту «х». Даний регістр

призначений тільки для зчитування станів ліній порту. Навчальна плата має 4 лінійки

світлодіодів (8 світлодіодів, запаяних в рядок). Світлодіоди ввімкнені по схемі з

спільним анодом з струмообмежувальним резистором для кожного світло діода

окремо. Відповідно, катоди світлодіодів підключені безпосередньо до портів

мікроконтролера. Щоб засвітити світлодіоди деяким чином, потрібно записати в “0”

у відповідний біт, а для вимкнення – “1”.

Приклад програми. Наступна програма забезпечує таку функцію: світлодіод

приєднано до виходу PA4. Він блимає з частотою близько 1 Гц [74].

68

#include <avr/io.h>

#include <util/delay.h>

int main(void)

{

DDRA = 0xFF;

PORTA = 0xFF;

DDRD = 0xFF;

PORTD = 0xFF;

for(;;)

{

PORTA=0b00000000;

for(unsigned char d = 50; d>0; d--) _delay_ms(10); //delay 500 ms

PORTB=0b00010000;

for(unsigned char d = 50; d>0; d--) _delay_ms(10); //delay 500 ms

}

return 0;

}

У бібліотеці avr/io.h знаходяться деякі функції вводу-виводу та описи регістрів

МК. Без цієї бібліотеки не обходиться жодна програма для AVR. У бібліотеці

util/delay.h розміщені функції затримки (паузи).

Головна функція – main. Мікроконтролер виконує її після скидання або

ввімкнення живлення. Вона закінчується нескінченним циклом та поверненням нуля.

Перш за все відбувається налаштування портів. Команда DDRх вказує напрям

роботи. При передачі команді «1» – відповідний пін порту налаштовується на «вихід».

При передачі «0» - відповідний пін порту налаштовується на «вхід». Команда PORTx

налаштовує стан порту на початку програми.

Далі йде нескінченний цикл for(;;). На відміну від комп'ютерної програми,

програма мікроконтролера працює у нескінченному циклі до вимкнення живлення

або скидання МК.

69

Функція _delay_ms(10) з бібліотеки util/delay.h організує затримку 10

мілісекунд. Написати _delay_ms(500) не можна, бо максимальне значення аргументу

262.14 мс, поділене на тактову частоту в МГц. Безпечне значення для усіх

мікроконтролерів AVR та тактових частот є 10 мс. Щоб зробити затримку 0,5 с (500

мс), потрібно повторити 50 разів затримку 10 мс.

Цикл, у якому змінна зменшується, for(unsigned char d = 50; d>0; d--) займає

значно менше місця в пам'яті мікроконтролера та виконується значно швидше, ніж

цикл, у якому змінна збільшується, for(unsigned char d = 0; d++ ), тому що порівняння

з нулем виконати простіше, ніж з числом, відмінним від нуля.

5.5 Розробка програми «Організації динамічної індикації»

Дуже часто МК використовується не тільки для керування роботою

конструкції, але й для того, щоб повідомити що-небудь користувачеві. Наприклад,

електронний годинник, крім власне відліків часу, повинен його ще відображати, а

також дозволяти змінювати покази (встановлювати точний час). Якщо вся

"інформація" зводиться до мигання парою світлодіодів, яких-небудь спеціальних

зусиль з відображення інформації з боку розробника конструкції не вимагається, але

якщо таких світлодіодів виявляється два-три десятки, тут вже потрібне застосування

додаткових засобів (як апаратних, так і програмних). Як правило, в цьому випадку

відображення інформації виконують у режимі динамічний індикації – це найбільш

економний за кількістю використовуваних ліній спосіб.

Найбільш часто динамічну індикацію застосовують при здійсненні

відображення інформації на семисегментних індикаторах, в яких стилізоване

зображення цифр (і деякого набору букв) складають із семи лінійних сегментів,

розташованих у вигляді цифри вісім рисунок 5.7. Висвічування сегмента, що

вибирається, чи групи сегментів при отриманні зображення знаку забезпечується

ввімкненням їх в коло проходження струму.

70

Рисунок 5.7 – Зображення знаків на основі семисегментного індикатора

Кожен сегмент світлодіодного індикатора є звичайним світло діодом, рисунок

5.8. А їх спільне ввімкнення визначає тип індикатора (з спільним анодом чи катодом).

Якщо використовується одноцифровий елемент – при підключенні можна

обмежитись одним портом для управління сегментами і приєднанням спільного

електрода до плюса чи мінуса. В разі використання декількох цифрових елементів –

використовують динамічну індикацію. При такому режимі розряди індикатора

працюють не одночасно, а по черзі. Переключення розрядів відбувається з великою

швидкістю (50 Гц), через це людське око не помічає, що індикатори працюють по

черзі.

Рисунок 5.8 – Цифрові світлодіодні індикатори та їх схемні рішення

71

Рисунок 5.9 – Режим динамічної індикації

Так як у світлодіодів дуже мала інерційність, розряди, що змінюються

зливаються в одне зображення. У цьому режимі в кожен момент часу працює тільки

один розряд, вмикаються по черзі починаючи з першого закінчуючи останнім, потім

все починається спочатку.

Динамічний спосіб відображення інформації базується на тому, що будь- який

світловий індикатор є інерційним приладом, а для людського ока зображення на

дисплеї , якщо його оновлювати із частотою приблизно 20 разів в секунду,

представляється незмінним.

Схема реалізації динамічної індикація без додаткових елементів наведена на

рисунку 5.10. До порту В МК підключені катоди всіх світлодіодів матриці, а до порту

А – аноди кожного з індикаторів, що створюють матрицю. На лініях порту А

організовується одиниця, що "біжить". На лінії порту В при кожному положенні

одиниці, що біжить, виводиться семисегментний код того символу, який повинен

горіти в даному знакомісці. Для індикаторів із загальним катодом замість одиниці, що

біжить, використовується нуль, що біжить. Перевага такого способу індикації – у

відсутності яких-небудь додаткових компонентів (окрім самих світлодіодних

індикаторів), головний недолік – значна перевитрата ліній портів.

72

Рисунок 5.10 – Підключення світлодіодного індикатора без допоміжних елементів

На навчальній платі використовується семи сегментний чотирьох розрядний

світлодіодний індикатор з спільним катодом, підключений до порту В. Це значить,

що в разі його приєднання за схемою, приведеною на рисунку 5.9 – керувати

засвічуванням одного елемента ми повинні були низьким рівнем сигналу («0») [75].

Наведемо приклад виведення на світлодіодний індикатор номеру кожного з

сегментів. (На першому сегменті – цифра «1», на другому – «2», і т.д.)

#include <avr/io.h>

#include <util/delay.h>

int main(void) {

DDRC = DDRD = 0xFF;

PORTC = PORTD = 0xFF;

unsigned char i=20; //затримка мікросекунд

for(;;) {

PORTD = 0b00000100; //вмикаємо розряд "1", всі інші – вимикаємо

PORTC = 0b00000110; // комбінація вмикає цифру "1"

_delay_us(i); //часова затримка в мікросекундах на свічення даного розряду

PORTD = 0b00001000; //вмикаємо розряд "2", всі інші – вимикаємо

PORTC = 0b11011011; // комбінація вмикає цифру "2"

_delay_us(i);

PORTD = 0b00010000; //вмикаємо розряд "3", всі інші – вимикаємо

PORTC = 0b01001111; // комбінація вмикає цифру "3"

73

_delay_us(i);

PORTD = 0b00100000; //вмикаємо розряд "4", всі інші – вимикаємо

PORTC = 0b01100110; // комбінація вмикає цифру "4"

_delay_us(i);

}

return 0;

}

На початку програми усі лінії портів C та D встановлюються як виходи з

високим рівнем вихідного сигналу. В нескінченному циклі відбувається почергове

засвічення кожного з розряду індикатора (порт D) з одночасним вмиканням на портові

В комбінації пінів, яка створює на екрані ту чи іншу цифру.

74

6 ЕКОНОМІЧНИЙ РОЗДІЛ

6.1 Технологічний аудит проведеного дослідження RISC-мікроконтролерів фірми

АTMEL та розробленого лабораторного стенда

Характерною особливістю сучасного етапу розвитку людської цивілізації є

широке використання мікропроцесорної техніки в усіх сферах людської діяльності,

що пояснюється підвищенням ефективності функціонування мікропроцесорних

систем, розвитком багатьох суміжних технічних напрямів та масовою підготовкою

фахівців найрізноманітніших спеціальностей.

В даний час переважна більшість мікроконтролерів, які являють собою по суті

однокристальний комп’ютер, використовуються для керування електронними

пристроями. Використання однієї мікросхеми значно зменшує розміри пристроїв,

знижує величину енергоспоживання та вартість пристроїв. Сьогодні мікроконтролери

можна зустріти в багатьох сучасних приладах, телефонах, пральних машинах тощо,

вони відповідають на роботу двигунів і систем гальмування в сучасних автомобілях,

з їх допомогою створюються системи контролю і системи збирання інформації.

Для якісного проектування нових, ще більш потужних та досконалих

мікропроцесорних систем студенти – майбутні розробники таких систем – повинні

досконало вивчити роботу мікроконтролерів різних модифікацій. З цією метою нами

був спроектований та створений лабораторний стенд на базі мікроконтролера

Atmega8515 фірми ATMEL з ядром AVR. Вивчення дії саме такого контролера,

встановленого в місцях виникнення певної інформації, дозволяє створювати

децентралізовані у функціональному та топологічному відношенні системи, які

доповнюють та інтенсивно витісняють централізовані інформаційно-обчислювальні

системи [76].

Проведемо технологічний аудит виконаної нами роботи та розробленого

лабораторного стенда. Технологічний аудит передбачає оцінювання потенційних

можливостей для їх подальшого комерційного використання. Для проведення

75

технологічного аудиту запросимо 3-х експертів: к.т.н., Гармаша В.В., к.т.н., доцента

Компанця М.М. та к.т.н., доцента Папінова В.М.

Оцінювання комерційного потенціалу нашої розробки будемо здійснювати за

критеріями, наведеними в таблиці 6.1.

Таблиця 6.1 – Критерії оцінювання комерційного потенціалу розробки та їх

бальна оцінка

Критерії оцінювання та бали (за 5-ти бальною шкалою) Кри-

тер.

0 1 2 3 4

Технічна здійсненність концепції: 1 Достовірність

концепції не

підтверджена

Концепція

підтверджена

експертними

висновками

Концепція

підтверджена

розрахунками

Концепція

перевірена на

практиці

Перевірено

роботоздатність

продукту в

реальних умовах

Ринкові переваги (недоліки): 2 Багато

аналогів на

малому ринку

Мало

аналогів на

малому ринку

Кілька

аналогів на

великому

ринку

Один аналог

на великому

ринку

Продукт не має

аналогів на

великому ринку

3 Ціна продукту

значно вища

за ціни

аналогів

Ціна

продукту

дещо вища за

ціни

аналогів

Ціна продукту

приблизно

дорівнює

цінам

аналогів

Ціна

продукту

дещо нижче

за ціни

аналогів

Ціна продукту

значно нижче за

ціни

аналогів

4 Технічні та

споживчі

властивості

продукту

значно гірші,

ніж в аналогів

Технічні та

споживчі

властивості

продукту

трохи гірші,

ніж в аналогів

Технічні та

споживчі

властивості

продукту на

рівні аналогів

Технічні та

споживчі

властивості

продукту

трохи кращі,

ніж в аналогів

Технічні та

споживчі

властивості

продукту значно

кращі, ніж в

аналогів

Ринкові перспективи

5 Експлуатацій

ні витрати

значно вищі,

ніж в аналогів

Експлуатацій

ні витрати

дещо вищі,

ніж в аналогів

Експлуатаційні

витрати на

рівні

експлуатаційни

х витрат

аналогів

Експлуатацій

ні витрати

трохи нижчі,

ніж в аналогів

Експлуатаційні

витрати значно

нижчі, ніж в

аналогів

6 Ринок малий і

не має

позитивної

динаміки

Ринок малий,

але має

позитивну

динаміку

Середній

ринок з

позитивною

динамікою

Великий

стабільний

ринок

Великий ринок з

позитивною

динамікою

7 Активна

конкуренція

великих

компаній на

ринку

Активна

конкуренція

Помірна

конкуренція

Незначна

конкуренція

Конкурентів

немає

76

Продовження таблиці 6.1 – Критерії оцінювання комерційного

потенціалу розробки та їх бальна оцінка

Критерії оцінювання та бали (за 5-ти бальною шкалою)

Кри-

тер.

0 1 2 3 4

Практична здійсненність

8 Відсутні

фахівці як з

технічної, так

і з

комерційної

реалізації ідеї

Необхідно

наймати

фахівців або

витрачати

значні кошти

та час на

навчання

наявних

фахівців

Необхідне

незначне

навчання

фахівців та

збільшення їх

штату

Необхідне

незначне

навчання

фахівців

Є фахівці з

питань як з

технічної, так і з

комерційної

реалізації ідеї

9 Потрібні

значні

фінансові

ресурси, які

відсутні.

Джерела

фінансування

ідеї відсутні

Потрібні

незначні

фінансові

ресурси.

Джерела

фінансування

відсутні

Потрібні

значні

фінансові

ресурси.

Джерела

фінансування

є

Потрібні

незначні

фінансові

ресурси.

Джерела

фінансування

є

Не потребує

додаткового

фінансування

10 Необхідна

розробка

нових

матеріалів

Потрібні

матеріали, що

використовуют

ься у

військово-

промисловому

комплексі

Потрібні

дорогі

матеріали

Потрібні

досяжні та

дешеві

матеріали

Всі матеріали для

реалізації ідеї

відомі

та давно

використовуються

у виробництві

11 Термін

реалізації ідеї

більший

за 10 років

Термін

реалізації ідеї

більший

за 5 років.

Термін

окупності

інвестицій

більше

10-ти років

Термін

реалізації ідеї

від 3-х до 5-ти

років.

Термін

окупності

інвестицій

більше

5-ти років

Термін

реалізації ідеї

менше

3-х років.

Термін

окупності

інвестицій від

3-х до

5-ти років

Термін реалізації

ідеї

менше

3-х років.

Термін окупності

інвестицій менше

3-х років

12 Необхідна

розробка

регламентних

документів та

отримання

великої

кількості

дозвільних

документів на

виробництво та

реалізацію

продукту

Необхідно

отримання

великої

кількості

дозвільних

документів на

виробництво та

реалізацію

продукту, що

вимагає

значних коштів

та часу

Процедура

отримання

дозвільних

документів для

виробництва та

реалізації

продукту

вимагає

незначних

коштів та часу

Необхідно

тільки пові-

домлення

відповідним

органам про

виробництво та

реалізацію

продукту

Відсутні будь-які

регламентні

обмеження на

виробництво та

реалізацію

продукту

77

Для визначення загального рівня комерційного потенціалу нашої розробки

скористаємося даними таблиці 6.2.

Таблиця 6.2 – Рівні комерційного потенціалу розробки

Середньоарифметична сума балів СБ ,

розрахована на основі висновків

експертів

Рівень комерційного

потенціалу розробки

0 – 10 Низький

11 – 20 Нижче середнього

21 – 30 Середній

31 – 40 Вище середнього

41 – 48 Високий

Результати оцінювання комерційного потенціалу нашої розробки, зробленого

запрошеними експертами, зведемо в таблицю 6.3.

Таблиця 6.3 – Результати оцінювання комерційного потенціалу розробки

Критерії Прізвище, ініціали експерта

Гармаш В.В. Компанець М.М. Папінов В.М.

Бали, виставлені експертами:

1 4 4 3

2 4 4 4

3 3 3 4

4 4 3 4

5 2 4 4

6 4 3 3

7 3 3 4

8 4 2 4

9 4 3 4

10 4 3 4

11 3 2 4

12 4 4 3

Сума балів СБ1 = 43 СБ2 = 38 СБ3 = 45

Середньоарифме

тична сума балів

СБ 3

СБ

СБ

3

1

і = 42

3

126

3

453843

78

Оцінка у 42 бали свідчить, що розроблений нами лабораторний стенд має

рівень комерційного потенціалу, який вважається «високим».

Це пояснюється тим, що розроблений нами лабораторний стенд дозволяє

дослідити сучасний RISC-мікроконтролер сімейства Atmega і буде

використовуватися з персональним комп’ютером для галузі мікропроцесорної

техніки. Кінцевим результатом вивчення дії мікроконтролера є набуття студентами

вмінь оцінювати ефективність застосування мікропроцесорних пристроїв, формувати

технічні вимоги до електротехнічних пристроїв з мікропроцесорним керуванням, а

також формувати взаємозв’язки між окремими вузлами та пристроями, що

об’єднуються мікропроцесорною системою.

6.2 Розрахунок витрат на виконання даної роботи

Розрахунок витрат на проведення досліджень та проектування лабораторного

стенда складається з 3-х основних етапів:

1-й етап: розрахунок витрат, які безпосередньо стосуються виконавців даного

розділу роботи.

2-й етап: розрахунок загальних витрат на виконання всіх етапів даної роботи.

3-й етап: розрахунок загальних витрат на виконання та впровадження

результатів всієї роботи [77].

1-й етап:

1. Основна заробітна плата розробників Зо розраховується за формулою:

З0 =М

Тр ∙ 𝑡, (6.1)

де М – місячний посадовий оклад конкретного розробника, грн.

Величини окладів знаходиться в межах від 1000 грн (для студента-магістранта)

до 8000 грн. за місяць;

Тр – число робочих днів в місяці; приймемо Тр = 20 днів;

79

t – число робочих днів роботи розробника (дослідника).

У виконанні даної роботи брали участь науковий керівник (місячний оклад 8000

грн.), студент (1200 грн.) та консультант (оклад 7500 грн.).

Погодинна оплата праці Пнк наукового керівника складає:

33,53150

8000Пнк грн. /годину,

де 150 – середня кількість годин роботи працівника у місяці.

Витрати на оплату праці Внк наукового керівника будуть такі:

25,13332533,53ВОПнк ≈ 1333 грн.,

де 25 – кількість годин керівництва магістерською роботою.

Погодинна оплата праці Пкон наукового консультанта складає:

50150

7500ПОП кон грн. /годину,

де 150 – середня кількість годин роботи у місяці.

Витрати на оплату праці Внк наукового консультанта будуть такі:

1255,250Внк грн.,

де 2,5 – кількість годин консультування магістерської роботи.

80

Зроблені розрахунки зведемо до таблиці:

Найменування посади

виконавця

Місячни

й

посадов

ий

оклад,

грн.

Оплата за

робочий

день (або

за

годину),

грн.

Число

днів

(годи

н)

робот

и

Витрати

на оплату

праці,

грн.

Примітка

1. Керівник

магістерської роботи

8000 53,33 25

годин

1333

2. Студент-магістрант 1200 60 80 4800

3. Консультант 7500 50 2,5

годин

125

Всього 6258

2. Додаткова заробітна плата Зд всіх розробників розраховується як (10…12)%

від величини основної заробітної плати, тобто:

од З)12,0...1,0(З . (6.2)

Для нашого випадку:

Зд = 0,1 × 6258 = 625,80 ≈ 626 грн.

3. Нарахування на заробітну плату Нзп фахівців, які беруть участь у виконанні

роботи, розраховуються за формулою:

,100

)ЗЗ(Н дозп

(6.3)

де Зо – основна заробітна плата фахівців, грн.;

Зд – додаткова заробітна плата фахівців, грн.;

β – ставка єдиного внеску на загальнообов’язкове державне соціальне

страхування, β = 22. Тоді:

81

6258(Нзп + 626) × 0,22 =1514,48 ≈ 1515 грн.

4. Амортизація обладнання, комп’ютерів та приміщень А, які

використовувались під час виконання даної роботи. У спрощеному вигляді

амортизаційні відрахування А в цілому можуть бути розраховані за

формулою:

12

Т

100

НЦА а

грн., (6.4)

де Ц – загальна балансова вартість всього обладнання, комп’ютерів, приміщень

тощо, що використовувались для виконання даної роботи, грн.;

На – річна норма амортизаційних відрахувань. Для нашого випадку можна

прийняти, що На = (10...25)%;

Т – термін, використання обладнання, приміщень тощо, місяці.

Вартість нашого комп’ютера 18000 грн. Щоденно він працює 6 годин.

Тоді балансова вартість комп’ютера БВк, яка використовується для розрахунку

амортизації, складе:

450024

618000БВк

грн,

де 24 – кількість годин у добі.

Вартість приміщення беремо із розрахунку 2000 грн. за 1 кв. м. При площі 15

кв. балансова вартість складе 30 тис. грн.

82

Інші розрахунки зведемо у таблицю:

Найменування

обладнання,

приміщень тощо

Балансо

ва

вартість,

грн.

Норма

амортиза

ції, %

Термін

використа

ння,

міс.

Величина

амортизаційних

відрахувань, грн.

1. Персональний

комп’ютер

4500 20 3 225

2. Приміщення

університету

30000 10 3 750

Всього А = 925

5. Витрати на матеріали М, що були використані під час виконання роботи,

розраховуються по кожному виду матеріалів за формулою [78]:

n

1

n

1

вiііі ЦВКЦНМ грн., (6.5)

де Нi – витрати матеріалу i-го найменування, кг;

Цi – вартість матеріалу i-го найменування, грн./кг.;

Кi – коефіцієнт транспортних витрат, Кі = (1,1…1,15);

Вi – маса відходів матеріалу i-го найменування, кг;

Цв – ціна відходів матеріалу i-го найменування, грн/кг;

n – кількість видів матеріалів.

6. Витрати на комплектуючі К, що були використані під час виконання роботи,

розраховуються за формулою:

n

1

iii КЦНК грн., (6.6)

де Ні – кількість комплектуючих і-го виду, шт.;

Ці – ціна комплектуючих і-го виду, грн.;

Кi – коефіцієнт транспортних витрат, Кі = (1,1…1,15);

83

n – кількість видів комплектуючих.

За прогнозними оцінками вартість всіх використаних та задіяних при виконанні

даної магістерської роботи ресурсів становить приблизно 2 тис. грн.

7. Витрати на силову електроенергію Ве розраховуються за формулою:

д

пe

К

КФПBB

, (6.7)

де В – вартість 1 кВт-год. електроенергії, в 2016 р. В ≈ 1,70 грн./кВт;

П – установлена потужність обладнання, кВт; П = 1,0 кВт;

Ф – фактична кількість годин роботи обладнання, годин. Приймемо, що Ф =

100 годин;

Кп – коефіцієнт використання потужності; Кп < 1 = 0,9.

Кд – коефіцієнт корисної дії, Кд = 0,7.

Тоді витрати на силову електроенергію складуть:

21957,2187,0

9,01000,17,1

К

КФПBB

д

пe

грн.

8. Інші витрати Він можна прийняти як (100…300)% від суми основної

заробітної плати фахівців, які виконували дану роботу, тобто:

Він = (0,1..3) × Зо. (6.8)

Для нашого випадку:

Він = 1 × 6258 = 6258 грн.

9. Сума всіх попередніх статей витрат дає витрати на виконання даного етапу

даної роботи безпосередньо самим розробником – В.

84

Для нашого випадку:

В = 6258 + 626 + 1515 + 925 + 2000 + 219 + 6258 = 17801 грн.

2-й етап: розрахунок загальних витрат на виконання даної роботи всіма

виконавцями, що були задіяні в даному проекті.

Загальна вартість даної роботи визначається за Взаг формулою:

В

Взаг , (6.9)

де – частка витрат, які безпосередньо здійснює виконавець даного етапу роботи,

у відн. одиницях.

Для нашого випадку = 0,9.

Тоді:

89,197789,0

17801Взаг грн.

3-й етап: розрахунок загальних витрат на розробку та можливе впровадження

результатів виконаної роботи.

Розрахунок загальних витрат здійснюється за формулою:

загВЗВ , (6.10)

де – коефіцієнт, який характеризує етап (стадію) виконання даної роботи. Так,

якщо розробка знаходиться: на стадії науково-дослідних робіт, то ≈ 0,1; на стадії

технічного проектування, то ≈ 0,2; на стадії розробки конструкторської

85

документації, то ≈ 0,3; на стадії розробки технологій, то ≈ 0,4; на стадії розробки

дослідного зразка, то ≈ 0,5; на стадії розробки промислового зразка, ≈ 0,7; на

стадії впровадження, то ≈ 0,8-0,95.

Для нашого випадку ≈ 0,9.

Тоді:

54,219769,0

89.19778ЗВ грн. або приблизно 22 тис. грн.

Тобто прогнозовані витрати на проведення досліджень та розробку

лабораторного стенда складають приблизно 22 тис. грн.

6.3 Прогнозування комерційного результату від можливої реалізації результатів

розробки

Як було зазначено вище, комерційний ефект від розробки та впровадження

розробленого нами лабораторного стенда дозволяє дослідити сучасний RISC-

мікроконтролер сімейства Atmega. Кінцевим результатом вивчення дії

мікроконтролера є набуття студентами вмінь оцінювати ефективність застосування

мікропроцесорних пристроїв, формувати технічні вимоги до електротехнічних

пристроїв з мікропроцесорним керуванням, а також формувати взаємозв’язки між

окремими вузлами та пристроями, що об’єднуються мікропроцесорною системою.

Аналіз місткості ринку даної продукції показує, що в даний час в Україні

кількість потенційних користувачів подібних лабораторних стендів складає щороку

приблизно 12 шт. Середня ціна подібного стенду дорівнює приблизно 120 тис. грн.

Оскільки розроблений нами лабораторний стенд має значно кращі

функціональні характеристики, то це дозволяє реалізовувати нашу розробку дорожче,

86

ніж ціна аналогів, тобто в середньому за 150 тис. грн., або на 30 тис. грн. дорожче.

При цьому повинен збільшитися і попит на нашу розробку.

Припустимо, що наша розробка буде користуватися попитом на ринку протягом

3-ти років після впровадження. Після цього високою є ймовірність, що іншими

фахівцями будуть розроблені ще більш ефективні лабораторні стенди для вивчення

мікроконтролерів.

За нашими передбаченнями, результати нашої розробки можуть бути

впроваджені у виробництво з 1 січня 2017 року, а її результати будуть виявлятися

протягом 2017-го, 2018-го та 2019-го років.

Прогноз зростання попиту на нашу розробку складає по роках:

1-й рік після впровадження (2017 р.) – приблизно 20 шт.;

2-й рік після впровадження (2018 р.) – приблизно 30 шт.;

3-й рік після впровадження (2019 р.) – приблизно 25 шт.

Після завершення 2019 р. ми не плануємо отримання прибутків від

комерційного використання нашої розробки, оскільки високою є ймовірність, що

з’являться нові, більш якісні розробки.

Розрахуємо очікуване збільшення прибутку іП , що його можна отримати

інвестор від фінансування та впровадження результатів нашої розробки для кожного

із років, починаючи з першого року впровадження:

іП )100

1()NЦNЦ( іоо

n

1

, (6.11)

де Цо – покращення основного оціночного показника від впровадження

результатів розробки у даному році. Зазвичай таким показником є збільшення ціни

нової розробки, грн.;

N – основний кількісний показник, який визначає обсяг діяльності у даному

році до впровадження результатів наукової розробки;

87

N – покращення основного кількісного показника від впровадження

результатів розробки;

Цо – основний оціночний показник, який визначає обсяг діяльності у даному

році після впровадження результатів розробки, грн.;

n – кількість років, протягом яких очікується отримання позитивних результатів

від впровадження розробки;

– коефіцієнт, який враховує сплату податку на додану вартість; 8333,0 ;

– коефіцієнт, який враховує рентабельність продукту. Рекомендується

приймати = 0,2...0,3; візьмемо = 0,3;

– ставка податку на прибуток; = 18%.

Тоді, збільшення чистого прибутку для потенційного інвестора П1 протягом

першого року від реалізації нашої розробки (2017 р.) складе:

320)100

181(3,08333,0)]1220(1501230[П1 тис. грн.

Збільшення можливого чистого прибутку П2 для потенційного інвестора від

реалізації даної розробки протягом другого (2018 р.) року складе:

627)100

181(3,08333,0)]1230(1501230[П2 тис. грн.

Збільшення можливого чистого прибутку П3 для потенційного інвестора

протягом третього (2019 р.) року складе:

474)100

181(3,08333,0)]1225(1501230[П3 тис. грн.

Розрахуємо теперішню вартість інвестицій PV, що вкладаються в нашу

розробку. При цьому:

88

PV – теперішня вартість інвестицій PV = (1…5) × ЗВ.

Для нашого випадку PV = (1…5) × 22 = 4 × 22 = 88 тис. грн.

Розрахуємо абсолютний ефект вкладених інвестицій Еабс.

Для цього користуються формулою:

Еабс = ПП – PV, (6.12)

де ПП – приведена вартість всіх чистих прибутків від реалізації результатів

розробки, грн.

Приведена вартість всіх потенційних чистих прибутків ПП розраховується за

формулою:

т

1t

і

)1(

ППП , (4.13)

де іП – збільшення чистого прибутку у кожному із років, протягом яких

виявляються результати виконаної та впровадженої роботи, грн.;

т – період часу, протягом якого виявляються результати впровадженої роботи,

роки;

– ставка дисконтування. Для України цей показник знаходиться на рівні =

(0,1…0,3). Для наших розрахунків приймемо, що = 0,15 (або 15%);

t – період часу (в роках) від моменту отримання прибутків до точки „0”.

Далі будуємо вісь часу, на яку нанесемо всі платежі (інвестиції та прибутки),

що мають місце під час виконання даної роботи та впровадження її результатів (рис.

6.1).

89

Рік впровадження

Тис. грн

РV

0 1 2 3 4 роки

Базовий рік Період отримання прибутків

Життєвий цикл розробки

Рисунок 6.1 – Вісь часу з фіксацією платежів (у тис. грн):

«0» – 1 січня 2016 р., «1» – 1 січня 2017 р., «2» – 1 січня 2018 р.,

«3» – 1 січня 2019 р., «4» – 1 січня 2020 р.

Тоді приведена вартість всіх можливих чистих прибутків ПП, що їх може

отримати потенційний інвестор від реалізації розробки, складе:

432 )15,01(

474

)15,01(

627

)15,01(

320ПП 242 + 413 + 271 = 926 тис. грн.

Абсолютний ефект нашої розробки за 3 роки складе:

Еабс = 926 – 88 = 838 тис. грн.

Оскільки Еабс > 0, то вкладання коштів на виконання та впровадження

результатів нашої розробки може бути доцільним.

Далі розрахуємо відносну ефективність Ев вкладених у розробку коштів. Для

цього скористаємося формулою:

1PV

Е1Е жТ абс

в , (6.14)

де Еабс – абсолютний ефект вкладених інвестицій; Еабс = 838 тис. грн;

474 627 320 88

90

PV – теперішня вартість інвестицій PV = 88 тис. грн.;

Тж – життєвий цикл нашої розробки, роки.

Для нашого випадку:

152,10152,91188

8381Е 444

в 1,80 – 1 = 0,80 = 80 %.

Далі визначимо ту мінімальну дохідність, нижче за яку кошти в розробку

нашого проекту вкладатися не будуть.

У загальному вигляді мінімальна дохідність або мінімальна (бар'єрна) ставка

дисконтування мін визначається за формулою:

d + f, (6.15)

де d – середньозважена ставка за депозитними операціями в комерційних банках;

в 2016-17 роках в Україні d = (0,20...0,30);

f – показник, що характеризує ризикованість вкладень; зазвичай, величина f =

(0,1...0,2).

Для нашого випадку отримаємо:

мін = 0,20 + 0,30 = 0,50 або мін = 50%.

Оскільки величина Ев = 80% > мін = 50%, то інвестор в принципі може бути

зацікавлений у фінансуванні нашої розробки.

Далі розраховуємо термін окупності вкладених у реалізацію проекту інвестицій

за формулою:

в

окЕ

1Т . (6.16)

91

Для нашого випадку термін окупності інвестицій Ток, вкладених у розробку

лабораторного стенда, складе:

25,180,0

1Ток років.

Оскільки Ток < 3…5-ти років, то фінансування даної розробки є доцільним.

Результати виконаної економічної частини магістерської кваліфікаційної

роботи зведено у таблицю:

Показники Задані у ТЗ Досягнуті у

магістерській

роботі

Висновок

1. Витрати на

розробку

Не більше

40 тис. грн

22 тис. грн. Досягнуто

2. Абсолютний

ефект розробки,

тис. грн.

шорічно не

менше 250

тис. грн

838 тис. грн

(за 3 роки)

Досягнуто

3. Внутрішня

норма дохідності

інвестицій, %

не менше 50% 80% Досягнуто

4. Термін

окупності, роки

до 3х років 1,25 роки Досягнуто

Таким чином, визначені у технічному завданні основні техніко-економічні

характеристики розробленого нами лабораторного стенда для вивчення

мікроконтролерів повністю виконані.

92

ВИСНОВОК

Так як мікропроцесорна техніка переживає бурхливий розвиток у всіх сферах

людської діяльності. Тому більшість мікроконтролерів можна зустріти в багатьох

сучасних приладах, починаючи від персональних комп’ютерів, телефони і

закінчуючи приладами побутової техніки (пральні машини, мікрохвильові печі,

чайники), а також з їх допомогою створюються системи контролю і системи збору

інформації.

В даній роботі було визначено проблему для сучасних мікропроцесорних

систем (те, що за відсутності сучасної лабораторної бази на буде можливості

вивчення нових технологій), розглянуто найпоширеніші аналоги. Було визначено їх

недоліки та переваги, порівнявши їх робимо висновок, що вони досить застарілі, не

мають такого розмаїття в підключені різних пристроїв до них, а також вини

поступаються в два рази своєю розрядністю.

Тому буде розглянутий сучасний мікроконтролер сімейства Atmega та

спроектований на його основі навчальний стенд. Даний навчальний практикум буде

використовуватися з персональним комп’ютером як лабораторний стенд для галузі

мікропроцесорних техніки.

Після аналізу лабораторних стендів зроблено висновок по розробці

лабораторного стенду для дослідження сучасних RISC мікроконтролерів фірми

Atmel. Розглянуті приклади зазначених приладів досить цікаві, але реалізація залишає

бажати кращого як в плані зручності використання (через великі габарити), так і в

плані ціни - всі вони достатньо дорогі.

В другому розділі роботи представляється загальна структура

мікроконтролерів з ядром AVR та аналіз існуючих видів сучасних мікроконтролерів

фірми Atmel.

У якості головного елементу, в розробленій системі, виступає мікроконтролер

Atmega8515 фірми Atmel. Цей мікроконтролер виявився найбільш оптимальним

93

варіантом, так як має вбудований восьмиканальний аналого-цифровий перетворювач,

що дозволяє використовувати його без інших зайвих пристроїв.

В наступних розділах проведено аналіз основних властивостей

мікроконтролера Atmega 8515 фірми Atmel, розроблено структірну і принципову

схеми лабораторного стенду, створено лабораторні роботи та розраховано

економічний ефект від впровадження нового лабораторного стенду в промисловість.

Також представляється опис створення програмного забезпечення та його

відлагодження на даній платі, тобто створення проекту та підключення відповідного

мікроконтролера до середовища розробки.

Крім того розроблені відповідні графічні матеріали, а саме:

- схема електрична структурна навчального стенду;

- схема електрична принципова навчального стенду;

- схеми програм;

- схема підключення навчального стенду до персонального комп’ютера.

94

ЛІТЕРАТУРА

1. Елементи локальних систем автоматики : Навчальний посібник / А.С.Васюра,

С.Г. Кривогубченко, А.Я.Кулик, М.М.Компанець:. – Вінниця: ВДТУ, 1999. –

104 с.

2. Каталог продукції фірми ATMEL [Електронний ресурс]. – Режим доступу:

www.atmel.com – Назва з екрану

3. Микроэлектронные устройства автоматики: Учебное пособие для ВУЗов/А.А.

Сазонов, А.Ю. Лукичев, В.Т. Николаев и др.; Под ред. А.А. Сазонова. – М.:

Энергоатомиздат, 1991. – 384 с.

4. Васюра А.С. Свідоцтво №59363 від 17.04.2015 на твір «Комп'ютерна програма

«Розрахунок електромагнітного поляризованого реле» / Васюра А.С.,

Кириленко О.М..

5. Голубцов М.С. Микроконтроллеры AVR: от простого к сложному. / Голубцов

М.С. Руководство пользователя. - М.: Солон-Пресс, 2006. – 155 с.

6. Бесекерский В.А. Цифровые автоматические схемы. / Бесекерский В.А. – М.:

Наука, 1976. – 232 с.

7. Бирюков С.А. Цифровые устройства на инегральных микросхемах. / Бирюков

С.А. – М.: Радио и связь, 1988. – 152 с.

8. Мальцева Л.А. Основы цифровой техники. / Мальцева Л.А., Фромьерг Э.М.,

Ямпольский В.С. – М.: Радио и связь, 1986. – 128 с.

9. Александров К.К. Электротехнические чертежи и схемы. / Александров К.К.,

Кузьмина Е.Г. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 288 с.

10. Claus Kuhnel AVR RISC Microcontroller Handbook / Kuhnel Claus, - 2005, - 318c.

11. Трамперт В. Измерение, управление и регулирование с помощью AVR

микроконтроллеров. / Трамперт В. Руководство пользователя. - К.: МК-Пресс,

2012.- 208 с.

12. Фромберг Э.М. Конструкции на элементах цифровой техники. / Фромберг Э.М.

– М.: Радио и связь, 1991. – 160 с.

95

13. Рынок Микроэлектроники [Електронний ресурс]. – Режим доступу:

http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/doc/ – Назва з екрану

14. Фирма Atmel – производитель микроконтроллеров семейства AVR:

[Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.atmel.com – Назва з екрану

15. Страничка компилятора AVR GCC, а также примеры программ [Електронний

ресурс]. – Режим доступу: http://www.avrfreaks.com – Назва з екрану

16. Евстифеев А.В. Микроконтролеры AVR семейства ClASSIC фирмы Mega. /

Евстифеев А.В. Руководство пользователя. - М.: Додека-ХХІ, 2013. - 288 с.

17. Muhammad Ali Mazidi AVR Microcontroller and Embedded Systems: Using

Assembly and C (Pearson Custom Electronics Technology) / Muhammad Ali Mazidi,

Sarmad Naimi, Sepehr Naimi., - Prentice Hall 2010, - 792р.

18. Евстифеев А.В. Микроконтролеры AVR семейства Mega. / Евстифеев А.В.

Руководство пользователя. - М.: Додека-ХХІ, 2014. - 592 с.

19. Клингман Э.Г. Проектирование специализированных микроп-роцессорных

устройств. / Клингман Э.Г. Руководство пользователя. - М.: Мир, 1985. - 380 с.

20. Водовозов А.М. Микроконтроллеры для систем автоматики. / Водовозов А.М.

Руководство пользователя. - Вологда: ВоГТУ, 2014. - 123 с.

21. Евстифеев А.В. Микроконтролеры AVR семейства Tiny и Mega фирмы Atmel. /

Евстифеев А.В. Pуководство пользователя. - М.: Додека-ХХІ, 2014. – 560 с.

22. Мікропроцесорні засоби передавання інформації / [Васюра А.С.,

Кривогубченко С.Г., Кулик А.Я., Компанець М.М., Возняк О.М] / . Нав-

чальний посібник. – Вінниця: ВДТУ, 1998. – 136 с

23. Мир микроконтроллеров. [Електронний ресурс]. – Режим доступу:

www.mirmk.net – Назва з екрану

24. Мирский Г.Я. Микропроцессоры в измерительных приборах / Г.Я. Мирский. -

М.: Радио и связь, 1984. - 160 с.

25. Шилейко А.В. Микропроцессоры / А.В. Шилейко, Т.И. Шилейко. - М.: Радио и

связь, 1986. - 112 с.

96

26. Сташин В.В. Проектирование цифровых устройств на однокристальных

микроконтроллерах / В.В. Сташин, А.В. Урусов, О.Ф. Мологонцева. - М.:

Энергоатомиздат, 1990. - 224 с.

27. Trevennor A., Practical AVR Microcontrollers: Games, Gadgets, and Home

Automation with the Microcontroller Used in the Arduino / A. Trevennor., - Apress

2012, - 256р.

28. Басманов А.С. Микропроцессоры и однокристалные микроЭВМ:

Номенклатура и функциональные возможности / А.С. Басманов, Ю.Ф.

Широков под ред. В.Г. Домрачёва.- М.: Энергоатомиздат, 1988. - 128 с.

29. Варламов И.В. Микропроцессоры в бытовой технике / И.В. Варламов, И.Л.

Касаткин. - М.: Радио и связь, 1990. - 104 с.

30. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы ATMEL

/ А.В. Евстифеев. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2004. - 560 с.

31. Лабораторний стенд «EV8031/AVR» [Електронний ресурс]. – Режим доступу:

http://www.dieselland.ru/index.php?index=garaaziseadmed&ala=spc5 – Назва з

екрану

32. Лабораторний стенд «НТЦ-02.31.1» [Електронний ресурс]. – Режим доступу:

http://spectrolab.com.ua/p35377264-stend. html – Назва з екрану

33. Лабораторный стенд Atmel [Електронний ресурс]. – Режим доступу:

http://texnoskb.ru/pages_9/index.html?group=7 – Назва з екрану

34. Денисов К.М. Микропроцессорная техника. Конспект лекций [Електронний

ресурс].. – Режим доступу: http://ets.ifmo.ru/denisov/lec/oglavlen.htm - Назва з

екрану

35. Белов А.В. Самоучитель разработчика устройств на микроконтроллерах AVR /

Белов А.В., Наука и техника 2008, 271c.

36. Elliot Williams Make: AVR Programming / Williams E. - Gravenstein Highway

North, Sebastopol, CA 2014, - 41р.

37. Никонов А.В. Однокристальные микроЭВМ и микроконтроллеры: учеб.

пособие / А.В. Никонов. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2009. - 56 с.

97

38. Предко М. Руководство по микроконтроллерам. Т. 1 / М. Предко. - М.:

Постмаркет, 2001. - 416 с.

39. Баранов В.Н. Применение микроконтроллеров AVR: схемы, алгоритмы,

программы. / Баранов В.Н. Руководство пользователя - М.: Додека-ХХІ, 2004. -

98 с.

40. Гребнев В.В. Микроконтроллеры семейства AVR фирмы Atmel. / Гребнев В.В.

Руководство пользователя. - М.: ИП РадиоСофт, 2012. - 176 с.

41. Рюмік С. М. Мікроконтролери. Крок 1-10 //журнал Радіоаматор № 3-12/2004,

с. 35–39.

42. Рюмік С. М. Мікроконтролери AVR. Ступінь 1-10 //Радіоаматор №1-7, 9-

11/2005, с. 35–39.

43. Евстифеев А. В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы

“Atmel” — М.: Издательский дом “Додэка-XXI”, 2004. – 560 с.

44. Баранов В. Н. Применение микроконтроллеров AVR: схемы, алгоритмы,

программы.—М.: Издательский дом “Додэка-XXI”, 2004. – 288 с.

45. Шелестов І.П. “Радіолюбителям: корисні схеми” книга 1 – М.: видавництво

«Слон-Р», 1998р.

46. Мортон Дж. “Мікроконтролери AVR. Вводний курс” – М.: видавницький дім

«Додека-XXI», 2006.

47. Баранов В.Н. “Застосування мікроконтролерів AVR: схеми алгоритми

програми” - видавницький дім «Додека-XXI», 2004.

48. Шелестов І.П. “Радіолюбителям: корисні схеми”. Книга 6. - М.: видавництво

«Слон-Р», 2005р.

49. Ю.А.Шпак "Програмування на мові С для АВRта PIC мыкроконтролерів”. K.:

МК-Прес, 2006.

50. Белов А.В. «Создаём устройства на МК». – СПб.: Наука и техника, 2007.

51. Зайцев М.И «Радеолюбительские конструкции на МК», М.: СЛОН-Прес, 2003.

52. Григорьев В. Л. Программное обеспечение микропроцессорных систем. – М.:

Энергоатомиздат, 1983.

98

53. Щелкунов Н. Н., Дианов А. П. Микропроцессорные средства и системы. – М.:

Радио и связь, 1989.

54. Сташин В. В. Проектирование цифровых устройств на однокристальных

микроконтроллерах. – М.: Энергоатомиздат, 1990.

55. Иванов В. И. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: Справочник – 2е

изд., перераб. И доп. – М.: Энергоатомиздат, 1989

56. Хвощ С. Т. Микропроцессоры и микроЭВМ в системах автоматического

управления. Справочник. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987.

57. Брамам П., Брамам Д. Микропроцессор 80386 и его программирование: Пер. с

англ. – М.: Мир, 1990. – 448 с.

58. Мячев А.А., Степанов В.Н. Персональные ЭВМ и микроЭВМ. Основы

организации: Справочник /Под ред. А.А. Мячева. – М.: Радио и связь, 1991. –

820 с.

59. Иванов Е.А. Совместимость ПЭВМ с помощью аппаратно-программных

сопроцессоров /Микропроцессорные средства и системы.– 1988. – N 4. – С.

60. Бєлов А.В. Самовчитель розробника пристроїв на мікроконтролерах AVR. -

Санкт-Петербург, В«Наука і технікаВ» 2010 р.

61. Гребньов В.В. Мікроконтролери сімейства AVR фірми Atmel. - М. В«ІП

РадіоСофтВ» 2002 р.

62. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах

/ В.В. Сташин, А.В. Урусов, О.Ф. Мологонцева. – М.: Энергоатомиздат, 1990. –

224 с.

63. Перспективы развития вычислительной техники: В 11 т.: Справ. Пособ. / Под

ред. Ю.М. Смирнова. Т.6: Специализированные ЭВМ / Ю.М. Смирнов, Г.Н.

Воробьев. – М.: Высш. шк., 1989. - 144 с.

64. Источники электропитанием радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Г.С.

Найвельт, К.Б. Мазель, Ч.И. Хусаинов и др.; Под ред. Г.С. Найвельта.–М.:

Радио и связь, 1985.–576 с.

99

65. Браун М. Источники питания. Расчет и конструирование.: Пер. с англ. – К.:

«МК-Пресс»,2007.–288с.,ил. 3. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR

семейства Mega. Руководство пользователя. – М; «Дадэка-ХХI», 2007.-592 с.

66. А.Л. Булычёв, В.И. Галкин, В.А. Прохоренко. - Аналоговые интегральные

схемы: справочник. Минск.: Беларусь, 1993.- 382с.

67. Быстродействующие интегральные микросхемы ЦАП и АЦП / под ред.

А.К.Марцинкявичуса. - М.: Радио и связь, 1990.

68. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.:

Энегроатомиздат, 1990.

69. П.М. Грицевский, А.Е. Мамченко. - Основы автоматики, импульсной и

вычислительной техники. - М.: - Радио, 1989.

70. Липовецкий Г.П. Однокристальные микроЭВМ. - М.: МП "БИНОМ",1992.

71. Литвинский Г.П. Однокристальные микроЭВМ. Техническое описание и

руководство по применению. М. - 1982.

72. Зубчук В.И. Справочник по цифровой схемотехнике.- К.: Техніка, 1990.

73. Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC / под

ред. У.Томпкинса и Дж. Уэбстера, Москва: Мир, 1992.

74. Хвощ С.Т. Микропроцессоры и микроЭВМ в системах автоматизации и

управления: справочник. - М.: Машиностроение, 1987.

75. Шевкопляс Б.В. Микропроцессорные структуры. - М.: Радио и связь, 1990.

76. Шило В.П. Популярные цифровые микросхемы. - М.: Радио и связь, 1988.

77. Методичні рекомендації з комерціалізації розробок, створених в результаті

науково-технічної діяльності – К.: Наказ Державного комітету України з питань

науки, інновацій та інформатики (Лист № 1/06-4-97 від 13.09.2010 р.).

78. Козловський В. О. Методичні вказівки до виконання студентами-магістрантами

економічної частини магістерських кваліфікаційних робіт. – Вінниця: ВНТУ,

2012.

100

ДОДАТКИ

101

Додаток А (обов’язковий) Технічне завдання.

102

Додаток Б (обов’язковий) Акт впровадження

103

Додаток В (обов’язковий) Схема електрична принципова

104

Додаток Г (обов’язковий) Схема електрична структурна

105

Додаток Д (обов’язковий) Перелік елементів