Электронные системы ускорителей



Семинар 2. Схемотехника с использованием микропроцессора

Под схемотехникой с МП понимается рассмотрение схем подачи питающих напряжений, обеспечения тактовыми сигналами синхронизации, организации сброса в исходное состояние и защиты от сбоя питания, обеспечения мультиплексированных выходов и увеличения их нагрузочной способности. Для этих целей могут использоваться дополнительные микросхемы такие, как генераторы тактовых импульсов, системные контроллеры, супервизоры, буферные регистры и шинные формирователи.

Фильтрация помех в цепи питания

Питание микросхем осуществляется от стабилизированного источника питания с низкочастотным сглаживающим фильтром, использующим конденсаторы большой емкости – сотни микрофарад. Этот фильтр выполняет также функцию сохранения рабочего питания микросхем определенное время после потери входного нестабилизированного питания. Кроме того, конденсаторы большой емкости распределены по плате для фильтрации низкочастотных помех.

Микросхемы сами являются источниками высокочастотных помех. Для защиты цепей питания от них применяются конденсаторы, называемые "развязывающими" (decoupling). Они ставятся как можно ближе к выводам питания микросхем. По традиции ставятся конденсаторы емкостью 0.1 мкФ, можно использовать 0.047мкФ или 0.068мкФ.

Современные микросхемы стали более быстродействующими, поэтому 0.1мкФ постепенно уходит в прошлое - сейчас принято ставить конденсаторы 0.01мкФ, а для высокочастотных схем рекомендуется ставить 1нФ и даже 100пФ, или цепочку конденсаторов разной емкости: небольшой емкости ближе к выводам микросхемы, большой емкости подальше.

Синхронизация микропроцессора

Синхронизация в МП обеспечивается как дополнительными микросхемами, так и встроенными схемами на его кристалле. При наличии встроенного генератора, он имеется у большинства современных микропроцессоров, для его функционирования достаточно к соответствующим выводам на корпусе подключить резонатор или другие пассивные элементы, как показано на рис.2.1

Синхр

Рис. 2.1. Схемы тактирования:
а) с кварцевым резонатором;
б) с LC-контуром; в) с RC-цепочкой

Частота генератора определяется резонансной частотой колебательного контура.

Кварцевый резонатор имеет преимущества перед другими решениями: большое значений добротности (104−106) эквивалентного колебательного контура, малые размеры, высокая температурная стабильность и долговечность.

Запуск генератора возможен и без кварцевого резонатора. На рис. 2.1б показана схема, обеспечивающая частоту колебаний по формуле:

Формула

где Сin - входная емкость между Х1 и Х2.

Если задание стабильной тактовой частоты не обязательно, то применяется RC-цепь, показанная на рис. 2.1в, которая обеспечивает частоту колебаний для указанных номиналов около 3 МГц.

Сброс МП и защита от сбоя электропитания

Сброс МП в исходное состояние должен происходить всегда после подачи на него напряжения питания, а также, в случае необходимости, должен быть предусмотрен ручной сброс. Схема сброса МП низким уровнем напряжения изображена на рис. 2.3. Длительность сигнала сброса определяется номиналами RC-цепи. В случае, когда требуется осуществлять сброс высоким уровнем напряжения, схема сброса имеет вид, изображенный на рис. 2.4.

Рис2.3

Рис.2.3. Схема сброса низким уровнем напряжения

Рис2.4

Рис.2.4. Схема сброса высоким уровнем напряжения

В настоящее время разработаны микросхемы, так называемые супервизоры МП, например MAX703 фирмы Maxim, которые обеспечивают сброс МП как при подачи питания, так и ручным способом (см. рис. 2.5)

Рис2.5

Рис. 2.5. Типовая схема включения супервизора MAX703

При выключении системы или в процессе ее работы, если возникнет аварийная ситуация, когда напряжение питания снижается ниже номинального, необходима защита системы от ее непредсказуемого поведения. Возможная потеря информации должна быть исключена посредством запуска программы, так называемой "свертки", которая сохранит данные в энергонезависимой памяти. При восстановлении питания другая программа должна будет восстановить состояние системы на момент отключения питания. Диаграммы сигналов при выключении и включения электропитания приведены на рис. 2.6.

Рис2.6

Рис. 2.6. Диаграммы сигналов при выключении и включении напряжения питания

В момент t1 напряжение первичной питающей сети переменного тока падает ниже некоторого порогового напряжения, например ниже 150 В.

В момент t2 на линии ACLO формируется напряжение низкого уровня, которое может быть использовано в качестве сигнала запроса на прерывания МП для запуска программы "свертки". Время ее работы, например, не должно превышать 5 мс до момента исчезновения вторичного питания. Напряжение источника вторичного питания VCC поддерживается за счет запасенной энергии в конденсаторах фильтра.

В момент t3 на управляющей линии DCLO формируется напряжение низкого уровня, которое рассматривается всеми устройствами системы как общий сигнал последнего предупреждения перед уходом напряжения вторичного питания за допустимые границы. Этот сигнал должен закрыть входы статического ОЗУ, куда заносится данные, необходимые для последующего восстановления системы.

В момент t4 напряжение первичной питающей цепи достигает номинального значения.

В момент t5 напряжение на шинах вторичного питания достигает номинального значения.

В момент t6 сбрасывается сигнал DCLO, статическое ОЗУ открывается для доступа.

В момент t7 сбрасывается сигнал ACLO.

Микросхема супервизора фирмы Maxim предназначена для реализации процедуры защиты микропроцессорного устройства при потери электропитания. Типовая схема включения супервизора MAX703 приведена на рис. 2.5.

Рис2.7

Рис. 2.7. Добавление гистерезиса в формирование сигнала PFO’

При понижении напряжения на входе PFI ниже 1,25 В, полученное с помощью делителя R1R2 нестабилизированного напряжения питания системы, супервизор формирует сигнал низкого уровня PFO’, которое подается на вход NMI - немаскируемого запроса на прерывание МП. Кроме того с выхода VOUT на КМОП ОЗУ подается резервное питание от литиевой батарейки.

Для того чтобы исключить дребезг сигнала PFO’ при неустойчивом отключении питания, обеспечивается гистерезис при его включении и выключении с помощью схемы, изображенной на рис. 2.7:

Организация системных шин адреса и данных

При организации магистралей передачи данных следует учитывать нагрузочную способность выводов микропроцессора. Современные микропроцессоры (микроконтроллеры) обеспечивают достаточную нагрузку по току. Например, микроконтроллер AT89S51 имеет выходной ток при низком уровне напряжения до 10 мА на один вывод порта и максимально на 8-разрядный порт 15 - 26 мА в зависимости от порта. Такая нагрузочная способность позволяет подключить до 100 нагрузочных КМОП единиц, но для ТТЛ единиц - в 10 раз меньше. Если применяются энергоемкие приемники, то потребуется усилители, называемые шинными формирователями или драйверами. Выходной ток при низком уровне напряжения шинного формирователя КР1533ИР33 - 48 мА. Данная микросхема однонаправленная с функцией защелки данных и, следовательно, пригодна для организации адресной шины ADR. Для шины данных DAT потребуются двунаправленные драйверы, например, КР1533АП6.

Рис2.8

Рис. 2.8. Системная магистраль

С целью сокращения количества выводов на корпусе часто применяют мультиплексирование сигналов. В первых тактах машинного цикла микропроцессора на его выводах формируется код адреса. При активном сигнале ALE происходит защелкивание кода во внешнем регистре. В дальнейшем, на тех же выводах появляются сигналы данных. Направление передачи данных определяется сигналом R/W'. Для повышения помехоустойчивости применяются подтягивающие (pullup) резисторы 10К .

Задание для самостоятельной работы

Разработать электрическую схему микропроцессорного устройства на базе микроконтроллера AT89S51 с внешней памятью объемом 64 Кбайт типа 61C512 с использованием микропроцессорного супервизора max703.