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无线电电子与电气工程百科全书 我们在微控制器上设计设备。 无线电电子电气工程百科全书
在创建基于微控制器 (MC) 的设备的最初想法和其程序的开发之间，有一个重要的阶段 - 绘制算法框图。 它经常被遗忘，或更糟糕的是，被忽视。 编程本质上是“启发式”进行的——通过反复试验。 结果是一个繁琐的程序，不知何故有效，甚至连它的创建者也没有完全理解，并且很难现代化。 然而，程序员早已知道并使用相当简单的方法，这些方法允许从算法的口头表述开始，正确设计其框图。 本文作者的专业兴趣在于Z8系列MK的开发领域，但他提供的材料同样适用于其他类型的MK。 任何MC系统与操作员和控制对象的交互可以如图1所示。 1方案[XNUMX]。 一般情况下，控制对象配备有执行器和传感器。 操作员在主设备的帮助下对 MC 进行操作，并从显示设备的读数中接收有关对象状态的信息。 前者是开关、按钮、可变电阻器，后者是灯光（包括图形和字母数字）指示器、发声和其他信号装置。
图中所示的所有功能节点和连接仅在复杂的交互式控制和管理系统中才需要。 在所谓的开环控制系统中，MC“盲目”操作，不接收任何有关对象状态的信息。 有时，他甚至不向操作员提供有关工作的任何信息（包括他自己的信息和物体的信息），特别是如果可以通过观察物体本身来评估控制结果的话。 在封闭控制系统中，MC根据传感器的读数来纠正对对象的控制动作，但这里也不需要显示设备。 控制系统不包含执行器，操作人员借助设定装置仅选择受控参数或切换指示器的工作模式。 在 MC [2, 3] 上设计系统的方法包括问题的表述和分析、工程解释、算法流程图的开发和应用程序的文本。 在此类系统中，他们倾向于将最大数量的功能分配给软件工具。 电路中系统所需的内存量、速度和可靠性最终取决于其实现的有效性。 当然，概念的开发和产品本身的设计仍有待完成，但我们只会在 MK 程序开发所需的范围内涉及它们。 问题陈述是对正在设计的系统的需求的口头表述。 首先，它们描述了其目的、控制对象的特性、传感器、指示器、执行和设定装置。 接下来，您应该详细讨论系统在所有可能情况下的期望行为，包括“异常”情况。 在任何情况下，您都不能依赖操作员的无差错操作。 例如，听到紧急信号后，他很可能按下开始按钮而不是规定的“停止”按钮，或者随机地连续按下所有按钮。 当然，不可能预见到所有这些情况，但必须努力做到这一点。 请务必指定所设计系统的参数数值。 首先，任务通常是“在用户级别”制定的。 例如，开发风扇控制系统的初始任务可能听起来像这样：“打开和关闭风扇，调节气流的强度并改变其方向（排气/排出）”。 工程分析将把这项任务简化为控制风扇驱动器（直流电机）的速度和旋转方向。 由于MK输出信号的功率显然不足以直接控制发动机，因此必须在它们之间安装特殊的驱动装置，产生所需功率的信号，而该任务由MK来解决。 仅限于向驾驶员提供控制动作。 我们不会详细讨论电源控制、传感器以及与 MC 接口的设备的选择。 如今，专门为这些目的而生产的微电路，比用分立元件构建系统的使用效率要高得多。 假设将使用美国国家半导体的集成直流电机驱动器 LMD18200。 其包含的典型电路如图 2 所示。 XNUMX.它包含一个大功率MOSFET桥，其对角线连接有电机。
驱动器由三个逻辑信号控制。 矩形脉冲被馈送到 PWM（脉冲宽度调制）输入，其持续时间与重复周期（占空比）的比率决定了发动机速度。 输入 DIR（方向 - 方向）处信号的逻辑电平设置提供给电机的电压的极性，即电机的旋转方向。 通过设置日志级别。 BR 输入（刹车）为 1 时，发动机停止，如果此时 PWM 输入有日志。 0 时，电机电源电路将简单地打开，否则电机输出也将相互连接，从而提供紧急制动。 驱动器内置有两个传感器。 其中之一产生从 CUR（电流 - 电流）引脚流出的电流，该电流与电机电流成比例，系数为 377 µA/A。 温度传感器输出 TF (Thermal Flag - 温度标志) - 离散集电极开路。 它进入日志状态。 0. 如果驱动器晶体被加热到 145 °C 以上。 让我们制定对风扇电机控制装置（本质上是电机驱动器）的要求。 控制装置必须配备按钮，操作员（用户）按下按钮可以打开和关闭发动机、改变方向、增加和减少速度。 应以不同颜色的光信号指示发动机的旋转方向，并针对事故（过热或过载）发出声音警报。 施加电源电压后，设备必须在不打开电机的情况下等待设置旋转方向的命令。 应通过光信号确认其收到。 在发出“START”命令时，电机必须打开并开始以平均频率（PWM 信号的占空比 = 0.5）沿指定方向旋转。 根据“SLOWER”和“FASTER”命令，占空比必须相应减小或增大，但不得超过 0.2 ... 1。“STOP”命令必须立即停止发动机，然后可以通过发出“开始”命令。 如果超过消耗电流的允许值，这可能是由于电机轴机械卡住等原因造成的，则必须关闭电机，并发出频率为 1000 Hz 的间歇性声音信号，其形式为短突发（它们的持续时间和它们之间的暂停为 1 秒）。 当微电路过热时，需要停止发动机并发出长脉冲声音信号（脉冲和暂停的持续时间为2秒）。 在此之前，声音警报必须保持开启状态。 直到操作员发出“停止”命令，使设备返回到原始状态。 在发出这样的命令之前，它不会响应任何其他命令。 在这一阶段，我们应该从对于 MC 程序的开发来说并不重要的细节中进行抽象。 例如，在这种情况下，这并不重要。 控制对象（电机）作为风扇驱动，通风类型（排气或送风）取决于其旋转方向，气流强度取决于频率。 此外，在开发算法时，您通常可以忘记电机及其驱动器，而专注于 PWM 控制信号的形成。 CUR 和 TE 传感器的 DIR、BR 和信号处理。 通过分析制定的任务，需要立即识别出一些在下一阶段不可避免地会出现的问题。 例如，如果旋转方向未预定义，系统是否应该响应“运行”命令？ 如果是。 这种情况下电机应该朝哪个方向旋转？ 停止并重新启动电机后是否应保持设定的频率和旋转方向？ 紧急情况发生后怎么办？ 所有这些问题都必须尽快得到解答。 根据口头描述，编制 MC 的输入和输出信号列表。 第一个包括操作员发出的命令和传感器信号：“EXHAUST”。 “推动”。 “开始”。 “快点”。 “慢点”。 “停止”。 “过载”（CUR）。 “过热”（TF）。 第二个是发动机驱动器和指示器的控制信号： PWM - 转速。 DIR - 旋转方向，BR - 关闭发动机。 G - 打开绿色 LED。 Y - 打开黄色 LED。 S——声音。 综上所述，可以得出结论： MK 需要什么。 具有至少 14 个用于连接外部电路的引脚（18 个输入和 86 个输出）。 由于 CUR 信号是模拟信号，因此您需要一个比较器来将传感器读数与可接受的值进行比较，并生成逻辑信号“OVERLOAD”。 因此，MK是优选的。 配备内置比较器。 例如，适用的是 Z86 系列 MK 的最小 02 针修改。 最便宜的选择是微芯片。 ZXNUMXEXNUMX。 目前为止就这样了。 关于设备的硬件。 在此阶段，输入和输出信号在 MK 输出上的分布并不重要。 此外，建议以所谓的有限自动机图的形式描述口头给出的算法。 如果分立器件能够枚举其所处的所有状态、导致状态变化的所有事件（外部影响）以及所有生成的输出信号，则该分立器件被视为有限状态机。 这些是基于MK的设备。 自动机图的示例如图 3 所示。 XNUMX.
状态由图的节点（顶点）表示。 在本例中，有四个：A、B、C 和 D。顶点由带有箭头的弧连接，箭头显示过渡的方向，导致此过渡的事件 Xi 在弧上方指示，在弧下方指示集合此时自动机生成的输出信号 Yi 保持不变，直到下一次转换。 理论上，图的每个顶点应该有那么多的弧。 对自动机尽可能多的不同外部影响。 如果某些事件没有改变自动机的状态，则显示相应的弧进入其离开时的同一顶点。 但为了不使图面杂乱，实际上只留下这样的弧线。 这与输出信号的变化相关。 例如，从图 3 所示的图表来看， 3. 可以删除弧线A-A 和B-B。 用普通语言来说，这意味着处于状态 A 和 B 的自动机不响应 XXNUMX 事件。 影响作为 MK 程序实现的自动机的事件。 不仅是由施加到 MK 外部输出的信号逻辑电平变化引起的“直接”，而且还是“间接”。 后者包括例如某个参数的计算值与给定值的比较的某个结果或完成某些冗长的操作。 直接事件和间接事件之间的界限有时很难划清。 例如，像MK内置的定时器的操作这样的常见事件，如果是固定的，则可以认为是间接的。 分析相应寄存器中的数字，或直接对计时器在计数结束时产生的信号做出反应。 输出信号也可以是间接的，不直接改变 MK 输出端的逻辑电平。 通常，当自动机的状态之间进行转换时，某些值仅分配给程序变量。 回到正在解决的问题，让我们构建一个发动机控制自动机的图表。 分析任务，可以区分以下状态：
构建的图如图所示。 四。
很容易看出，在不打开然后关闭发动机的情况下，不可能改变随机设置的错误旋转方向。 此外，要启动它，您始终需要发出两个命令 - 方向和启动。 通过拒绝 START 命令，可以排除 STOP2 状态。 并将“PRESSURE”和“EXHAUST”命令的弧线直接引导到WORK状态。 这样一来，控制面板上会少一个按钮，释放一个MK输入。 按下任何设置方向的按钮后，发动机将立即启动。 严格来说，对于指定控制算法的任何改变，都必须获得客户或设备未来用户的同意。 但在业余实践中，顾客、表演者和使用者往往是一个人，“与自己协商”就足够了。 值得注意的是，该图并未反映可变占空比 PWM 信号的生成方式。 在一般情况下，这可以通过 MC 控制的特殊设备来完成。 但我们努力纯粹以编程方式实现一切，因此我们必须将 WORK 状态一分为二。 在第一个 (WORK) 中，PWM=0，在第二个 (WORK 1) 中 - PWM = 1。 现在让我们提供导致它们之间转换的事件 - 两个定时器交替触发，其中一个设置 PWM 脉冲的持续时间，第二个设置它们之间的暂停，并且每个定时器在工作后启动另一个定时器。 由于在这种情况下“逻辑”定时器永远不会同时工作，因此可以使用一个“物理”定时器来实现它们，在每次操作后以编程方式更改其时间延迟。 “FASTER”和“SLOWER”命令调整定时器的时间延迟，使其总和保持不变并等于指定的 PWM 脉冲重复周期。 自动机可以在两种考虑的状态下响应这些命令。 然而，为了简化算法，允许将反应限制为仅其中之一。 由于这些状态的持续时间很短，操作员将无法察觉执行延迟。 另一个必要的澄清是检查时间延迟值的可接受性。 根据工作情况，确定PWM信号的占空比。 等于T1/(T1+T0)。 其中 T1 和 T0 是定时器的时间延迟，它必须始终保持在 0,2 ... 1 的间隔内。因此，在每次更改速度命令后，机器必须进入 CHECK 状态，并且只能从该状态返回到沿着两条弧线之一的工作状态。 第一个对应于检查的肯定结果；当您完成它时，会设置新的快门速度。 第二个 - 结果是否定的，之前有效的摘录保持不变。 继续分析该图，我们注意到 OVERHEAT 和 OVERLOAD 状态仅在声音信号的重复周期上有所不同。 将它们合二为一是个好主意，称之为意外。 音频信号S可以使用两个定时器来生成，类似于上面讨论的PWM信号。 此外，希望使用相同的“物理”定时器，该定时器在该状态下保持空闲。 要使声音断断续续，您可以使用另一个计时器，但没有它更容易，使用软件中实现的计数器来计算生成信号的周期，在达到一定数量后打开和关闭输出信号。 所有这些都需要提供自动机的附加状态以及它们之间的转换。 发动机自动控制的展开图如图 5 所示。 XNUMX.
请注意，要执行的操作的口头表述已被为变量分配某些值所取代。 例如，代替短语“打开黄色 LED”，指示 Y = 1，并指定应关闭绿色 LED，G = 0。除了前面提到的输出信号和定时器延迟之外，常数T是PWM脉冲重复周期，变量N是直到声音信号形成的间隔结束为止剩余的脉冲S的数量。 下一步是将图转换为 MC 运算算法的框图。 首先，所有图顶点（自动机状态）都应该编号。 编号顺序在自动机的硬件实现中非常重要。 通过正确选择，您可以显着简化设备。 对于软件实现来说，这并不那么重要，并且在大多数情况下编号可以是任意的。 该程序必然提供所谓的“状态变量”，在工作过程中为该变量分配等于当前状态数的值。 在复杂的程序中，可能有多个这样的变量。 许多编程语言允许您为数值赋予符号名称。 这可以广泛使用，例如，程序中将值 RABOTA 分配给变量的行比分配值 6 的行更具描述性。 上图。 图6以最一般的形式呈现了控制算法的典型框图。 初始化后，程序循环运行。 解析完状态变量后，在每个周期执行相应的过程。 自动机状态的改变是通过给状态变量赋一个新值来表示的，因此，在下一个循环中将执行另一个过程。
实现自动机每个状态的程序是根据类似于图 7 所示的框图构建的。 XNUMX、首先分析外部影响（事件）。 接下来，该过程被分为与从自动机图的相应顶点出来的弧一样多的分支，每个分支都提供执行实现此转换所需的函数，最后，为状态变量分配一个值等于弧所指向的顶点的编号。 另一种方法也是可能的：首先，实现进入顶点的弧，然后它们对冲击做出反应。 它的主要缺点是程序必须“知道”自动机从哪个状态进入给定状态，这在前一种情况下是不需要的。
请注意，图中。 图 7 显示了状态过程的两种可能退出。 在第一个中，循环分析事件，直到发现其中一个事件导致退出该状态。 在第二种情况下 - 如果这些影响都不存在。 该过程如虚线所示结束。 如果外部影响很少，并且每个状态对它们的反应是特定的，则事件检测过程包含在状态处理块中。 例如，可以仅在机器应响应的状态下检查“开始”按钮是否被按下。 通常，事件过滤过程被放置在主循环中（在图6中用虚线示出）并提供一个变量，该变量被分配一个与所发生的事件唯一关联的值。 例如，轮询键盘的结果是按下的键的代码。 在状态处理块中，根据上述选项中的第二个执行，仅分析该变量的值。 与理论模型相反，真实事件经常同时发生。 在这种情况下，自动机必须首先对具有最高优先级的事件做出反应。 确定优先级的最简单方法是选择正确的事件分析顺序。 例如，根据如图所示的框图， 7、事件X1具有最高优先级。 最低 - 在 HZ。 如果高优先级事件比低优先级事件发生的频率高得多，则队列可能永远不会到达最后一个事件。 为了避免这种情况，应优先考虑罕见事件。 有时，必须在程序运行时更改后者的分布，例如，将每个新处理的事件放在队列的末尾。 MK 系统的不可预测行为通常是由于控件触点的噪音或弹跳造成的。 必须使用软件过滤器“筛选出”此类虚假事件。 大多数情况下，要识别事件已发生，只需确保 MK 相应输入处的信号逻辑电平在一定时间内保持不变即可。 在危急情况下，会使用更复杂的程序。 在众多事件中，通常可以挑出“紧急情况”，对此的反应应该是立即的。 一个典型的例子。 为了不错过定时器到期的时刻，程序必须不断检查其寄存器的状态，在定时器到期之前不能执行任何其他操作。 定时器在计数结束时产生的中断请求信号解决了这个问题。 通过接受它。 MC立即（至少比同一事件的正常软件处理期间快得多）继续执行中断服务例程，其地址（向量）必须在专门分配的程序存储单元中指定。 绝大多数微控制器都提供了正在执行的程序的优先级向量中断装置。 中断可以是外部的，也可以是内部的。 在后一种情况下，中断请求输入没有外部输出，而是连接到直接位于MK芯片上的请求源。 通常，内部中断不仅由定时器提供，还由该 MK 内置的其他设备提供：串行端口控制器、模拟信号比较器、模数转换器。 现代 MK 的内部中断之一通常与所谓的看门狗定时器 (Watch Dog) 相关，该定时器用于防止意外故障。 这个定时器需要常数 通过将特定代码写入地址空间中的特定位置来进行初始化。 MC 程序的构建方式使得在其正常过程中经常执行这样的过程。 如果MK“挂起”，则看门狗定时器的初始化停止，并在一段时间后提交其中断请求，其处理旨在恢复系统的正常操作。 通常，对看门狗中断的响应是相同的。 作为将 MK 设置为其原始状态的外部信号。 根据所实现的自动机的状态，通过启用或禁用中断来控制中断。 如果同一中断在不同的状态下需要进行不同的处理，则处理过程像主程序循环一样构建，并在其中提供状态分析。 区别在于。 这样的过程不是封闭的。 完成后，MK将从中断处继续执行程序。 这充满了失败，因为在由于中断处理而改变的状态下，继续中断的操作可能会给出不正确的结果。 他们通过在程序移动的关键部分执行期间禁用中断来保护自己免受此类错误的影响。 无疑会减慢系统的反应速度。 如果系统中的中断请求源多于为其提供的 MC 输入，则通过根据 OR 方案组合多个源的输出，在硬件中实现组请求。 通过接受这样的请求。 MC 有义务查明是谁发送的并进行相应处理。 设备的整个算法有时由一组中断处理例程来实现。 在这种情况下，主循环退化为多个机器指令，直至单个无条件跳转指令到其自身。 许多 MK 专门为其提供 HALT 或 IDLE 命令。 基本上停止工作（有时甚至时钟发生器关闭）。 只有收到中断请求才能使 MK 脱离该状态。 处理完请求。 MC 无条件转换到主循环中提供的停止命令，并再次“进入睡眠状态”。 这种模式非常经济，因为停止的 MK 消耗的功率会减少很多倍，仅在对外部影响做出反应时才会增加。 考虑到上述情况而开发的风扇电机控制算法的框图由图 8 所示的两部分组成。 9（主循环）和图。 XNUMX（处理来自定时器的中断）。 它们基本上都对应于上面讨论的典型框图，只是将处理不同事件时执行的相同操作组合在一起。 定时器中断处理程序产生 PWM 和 S 信号，从 STOP 状态转换到 RUN 状态时，中断被使能，当返回到 STOP 状态时，中断被禁止。
该程序现在有一个状态变量 ST，为了清楚起见，它被分配了字符串值 - 相应状态的名称。 如上所述，在程序中这些将是数字 - 状态数字或其符号名称。 分配给变量 N0 的值是基于生成脉冲 PWR 和 S 的重复周期相同且等于 1 ms 的假设来选择的。 如果不是的话。 框图必须稍作修改。
现在您可以继续选择 MK、在其输出上分配输入和输出信号以及开发设备的完整电路图。 确定了 MK 的特定 I/O 端口的位将连接到哪些外部电路以及这些电路中信号的逻辑电平后，程序员就可以开始开发程序了。 文学
作者：雷宾斯克 M. Gladshtein
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