Применение САПР при проектировании микропроцессорных

Применение САПР при проектировании
микропроцессорных систем
дистанционного контроля и управления
технологическим оборудованием
Автор статьи: Журова Лариса Борисовна, ГОУ СПО «Юргинский
техникум машиностроения и информационных технологий»,
преподаватель, krcsro@mail.ru
Аннотация. Статья посвящена краткому описанию программных
инструментальных средств,
используемых при проектировании
микропроцессорных систем.
Компьютерные среды разработки и
отладки программ для микроконтроллеров FlowCode for AVR и
схемотехнического моделирования Proteus VSM позволяют без сборки
реального устройства на стадии проектирования найти ошибки,
полученные при написании программы для микроконтроллера,
отладить работу аппаратно-программного комплекса в целом.
Современные системы дистанционного контроля и управления
режимами работы технологического оборудования строятся на основе
использования микропроцессорных систем сбора и обработки данных,
максимально
приближенных
к
объекту.
Современные
микропроцессорные системы строятся на базе микроконтроллеров.
Возможности микроконтроллеров семейства AVR позволяют решать
множество типовых задач, возникающих перед разработчиками
встраиваемых систем управления динамическими объектами в режиме
реального времени. Интенсивный рост продаж AVR во всем мире и
устойчивый рост их популярности, в том числе и в России,
предполагает дальнейшее развитие этого направления. [1]
Применение САПР при проектировании микропроцессорных систем
предъявляет высокие требования к интеллектуальному уровню,
психологической и профессиональной подготовке выпускников,
которые должны не только понимать основные принципы работы
САПР, но и хорошо знать все ее возможности, уметь свободно
пользоваться средствами общения с ЭВМ и, кроме того, постоянно
ставить задачи и осмысливать их результаты. Применение САПР на
всех этапах проектирования приводит к
снижению затрат на
проектирование в связи с сокращением сроков, повышению качества
расчетных и конструкторских работ, уменьшению числа макетов и
-1-
опытных образцов, а также позволит улучшить качество проекта
вследствие снижения ошибок в проектной документации.
В процессе автоматизации проектирования микропроцессорных
систем дистанционного контроля и управления режимами работы
технологического оборудования студенты специальности 230113
Компьютерные системы и комплексы применяют САПР на этапах
схемотехнического и конструкторского проектирования.
Процесс проектирования микропроцессорных систем кроме
разработки функциональных и принципиальных схем узлов и блоков
включает
разработку
программного
обеспечения
для
микроконтроллеров.
Поэтому
прежде,
чем
приступить
к
схемотехническому моделированию, нужно получить программные
коды
для
микроконтроллера
микропроцессорной
системы,
расположенной вблизи технологического объекта контроля и
управления, и микроконтроллера микропроцессорной системы,
расположенной на диспетчерском пункте, в виде двух hex-файлов.
Рассмотрим применение САПР на курсовом и дипломном
проектировании студентов 4 курса специальности Компьютерные
системы и комплексы на примере курсового проекта «Проектирование
аппаратно-программного комплекса дистанционного контроля режимов
работы периферийного оборудования
с использованием оптикомеханического датчика на базе микроконтроллера Atmega16».
В проекте для контроля режимов работы периферийного
оборудования предлагается использовать квадратурный оптикомеханический датчик – энкодер, применяемый для определения
положения и скорости вращения вала. Энкодер представляет собой
закрепленный на валу диск с расположенными в определенном порядке
прорезями/выступами, которые либо замыкают механические контакты
при вращении, либо перекрывают световой поток в оптопаре.
Структурная
схема
аппаратно-программного
комплекса
дистанционного
контроля
режимов
работы
периферийного
оборудования представлена на рис.1. В схеме можно выделить три
основных модуля:
 модуль контроля технологических параметров на производственном
участке;
 модуль дистанционного контроля за технологическими параметрами
на диспетчерском пункте;
 блок питания, обеспечивающий питание микросхемам и датчикам
+5В.
Конструктивно аппаратно-программный комплекс будет выполнен в
виде двух устройств:
-2-
 первое устройство размещается на объекте контроля и состоит из
датчиков, микроконтроллера, который принимает сигналы с
датчиков и выводит их значение на LCD экран, схемы UART для
передачи данных в канал связи по протоколу RS-232, блока
питания, обеспечивающего питание микросхемам и датчикам +5В.;
 второе устройство размещается на диспетчерском пункте и
позволяет удаленно контролировать технологический процесс,
состоит из схемы UART для приема данных из канала связи по
протоколу RS-232, микроконтроллера, организующего прием
данных и вывод для отображения на LCD экране диспетчера.
Рис1.Структурная схема аппаратно-программного комплекса
Программирование микроконтроллеров обычно осуществляется на
языке Ассемблера или языке высокого уровня Си. Для некоторых
студентов процесс программирования вызывает определенные
трудности.
Компьютерная среда разработки и отладки программ для
микроконтроллеров FlowCode позволяет процесс программирования
сделать более наглядным и доступным. Программа FlowCode в качестве
основного языка программирования использует графический язык. И,
как в объектно-ориентированном программировании, объекты
FlowCode выполняют ряд операций и наделены набором свойств.
Программная среда FlowCode в качестве основных компонентов
предлагает алгоритмические конструкции ввода, вывода данных,
вычислений,
ветвления,
цикла,
подпрограмм.
Графическое
программирование – отличительная черта и главное достоинство
программы FlowCode, особенно для начинающих. Программная среда
позволяет выполнить отладку алгоритмов с применением элементов
-3-
световой индикации, панели управления, эмуляторов периферийного
оборудования. [2]
Процесс эмуляции алгоритма программы в программной среде
FlowCode для первой микропроцессорной системы, реализующей прием
аналоговых сигналов с двух датчиков в порт, имеющий АЦП, и
передачу данных по протоколу RS-232 на вторую микропроцессорную
систему, в режиме моделирования приведен на рис.2. Процесс эмуляции
алгоритма программы в программной среде FlowCode для второй
микропроцессорной системы, реализующий прием данных от первой по
протоколу RS-232 с выделением двух видов сигналов и выводом этих
значений на LCD экран, в режиме моделирования показан на рис.3.
Рис.2. Алгоритм программы для приема аналогового сигнала с
датчиков и передачи данных на второй микроконтроллер протоколу
RS-232 в программной среде FlowCode
-4-
Рис.3. Алгоритм программы для приема данных с микроконтроллера
объекта управления по протоколу RS-232 в программной среде
FlowCode на диспетчерский пункт
Разработанные алгоритмы можно компилировать в программы на
языке СИ и в виде HEX-файлов. Это дает возможность получить
наиболее часто используемые коды фрагментов программы на языке
СИ, что позволит облегчить их освоение. Полученные в среде FlowCode
HEX-файлы далее загружаются в микроконтроллер в среде PROTEUS
VSM, что позволяет выполнить схемотехническое моделирование
микроконтроллерной системы в целом, проверить правильность
программ и далее загрузить их в реальную микропроцессорную
систему.
-5-
Программы – симуляторы позволяют, без сборки реального
устройства, отладить работу схемы, найти ошибки, полученные на
стадии проектирования схемы, снять необходимые характеристики и
многое другое. Одна из таких программных сред - PROTEUS VSM.
Режим
отладки
программ
микроконтроллерной
системы,
реализующей симплексный режим передачи данных показан на рис.4-5.
В первой строке LCD экрана отображается значение цифрового кода,
полученное с первого датчика-энкодера, во второй строке – со второго.
Рис.4. Схемотехническое моделирование режима контроля
параметров технологического процесса и передачи данных с объекта
управления на диспетчерский пункт
В результате схемотехнического моделирования проверена
правильность алгоритма и программы для двух микроконтроллеров
МПС АПК и реализация симплексного режима передачи данных между
двумя микропроцессорными системами, таким образом, смоделирован
режим дистанционного контроля параметров технологического
процесса.
PROTEUS VSM, созданная фирмой Labcenter Electronics является
так называемой программой сквозного проектирования.
-6-
Рис.5. Схемотехническое моделирование режима приема данных
микропроцессорной системы на диспетчерском пункте
Это означает создание устройства, начиная с его графического
изображения (принципиальной схемы) и заканчивая изготовлением
печатной платы устройства, с возможностью контроля на каждом этапе
производства.
Большая библиотека компонентов, начиная от пассивных ЭРЭ и
заканчивая современными типами микроконтроллеров, достаточный
набор инструментов и функций, среди которых вольтметр, амперметр,
осциллограф, всевозможные генераторы, возможность отлаживать
-7-
программное обеспечение микроконтроллеров, позволяют выполнять
схемотехническое моделирование как аналоговых, так и цифровых
схем.
После моделирования работы схемы выполняется трассировка
печатных плат в модуле ARES программной среды PROTEUS VSM,
результаты показаны на рис.6-7.
Рис.6. Трассировка печатной платы микропроцессорной системы на
диспетчерском пункте
Моделирование
теплового
режима
работы
МПС
АПК
осуществлялось в программном комплексе Триана v.2.00. С помощью
Триана v.2.00 осуществляется моделирование стационарных и
нестационарных тепловых режимов конструкций РЭС при различных
условиях охлаждения
путем формирования системы нелинейных
уравнений или системы обыкновенных дифференциальных уравнений
по заданным геометрическим и теплофизическим параметрам
конструкции РЭС, установленных в РЭС конструктивных узлов,
элементов.
-8-
Рис.7. Трассировка печатной платы микропроцессорной системы
на объекте управления технологическими параметрами
Исходные данные для моделирования на ПЭВМ теплового режима
МПС АПК при помощи Триана v.2.00 подготавливаются на основе
следующей информации:
–сборочный чертеж или деталировка конструкции;
–теплофизические параметры материалов, элементов конструкции и
холодоносителей;
–значения тепловых мощностей, рассеиваемых элементами схемы;
–параметры охлаждения конструкции;
-9-
–построенная
пользователем
модель
тепловых
процессов
анализируемого объекта.
Изотермы печатных плат МПС АПК представлены на рис.8-9.
Рис.8. Изотерма печатной платы микропроцессорной системы на
объекте управления технологическими параметрами
В результате проведенного теплофизического моделирования
определены тепловые потоки на печатных узлах, отсутствие перегрева
ЭРЭ и максимальная температура узла.
- 10 -
Рис.9. Изотерма печатной платы микропроцессорной системы на
диспетчерском пункте
Данная технология проектирования МПС АПК дистанционного
контроля параметров
работы периферийного оборудования
с
использованием
оптико-механического
датчика
на
базе
микроконтроллера Atmega16 выполнялась в рамках дипломного
проектирования и рекомендована для дальнейшего использования в
процессе освоения профессионального модуля «Проектирование
микропроцессорных систем» для студентов СПО специальности 230113
Компьютерные системы и комплексы.
Литература
1. Трамперт В. AVR-RISC микроконтроллеры.: Пер. с нем.-К.: «МК-Пресс»,
2006.- 464 с., ил.
2. URL:http://www.twirpx.com/files/informatics/mps/. Гололобов В.Н.
Микроконтроллер и FlowCode
3. Костров Б. В., Ручкин В. Н. Архитектура микропроцессорных систем. - М.:
Издательство Диалог-МИФИ, 2007 - 304 с.:ил.
4. Белов А.В. Самоучитель разработчика устройств на микроконтроллерах. —
СПб.: Наука и Техника, 2008. — 544 с.: ил.
5. Рюмик С. М. 1000 и одна микронтроллерная схема. Вып. 1 / С. М. Рюмик. —
М. : Додэка-ХХ1, 2010. — 356 с.: ил.
- 11 -