Глава 6. Проектирование устройств на микроконтроллерах

1. Лекция: Особенности разработки цифровых устройств на основе микроконтроллеров

6.1. Разработка микропроцессорной системы на основе микроконтроллера

6.1.1. Основные этапы разработки

МПС на основе МК используются чаще всего в качестве встроенных систем для решения задач управления некоторым объектом. Важной особенностью данного применения является работа в реальном времени, т.е. обеспечение реакции на внешние события в течение определенного временного интервала. Такие устройства получили название контроллеров.

Технология проектирования контроллеров на базе МК полностью соответствует принципу неразрывного проектирования и отладки аппаратных и программных средств, принятому в микропроцессорной технике. Это означает, что перед разработчиком такого рода МПС стоит задача реализации полного цикла проектирования, начиная от разработки алгоритма функционирования и заканчивая комплексными испытаниями в составе изделия, а, возможно, и сопровождением при производстве. Сложившаяся к настоящему времени методология проектирования контроллеров может быть представлена так, как показано на рис. 6.1.

В техническом задании формулируются требования к контроллеру с точки зрения реализации определенной функции управления. Техническое задание включает в себя набор требований, который определяет, что пользователь хочет от контроллера и что разрабатываемый прибор должен делать. Техническое задание может иметь вид текстового описания, не свободного в общем случае от внутренних противоречий.

Рис. 6.1. Основные этапы разработки контроллера.

На основании требований пользователя составляется функциональная спецификация, которая определяет функции, выполняемые контроллером для пользователя после завершения проектирования, уточняя тем самым, насколько устройство соответствует предъявляемым требованиям. Она включает в себя описания форматов данных, как на входе, так и на выходе, а также внешние условия, управляющие действиями контроллера.

Функциональная спецификация и требования пользователя являются критериями оценки функционирования контролера после завершения проектирования. Может потребоваться проведение нескольких итераций, включающих обсуждение требований и функциональной спецификации с потенциальными пользователями контроллера, и соответствующую коррекцию требований и спецификации. Требования к типу используемого МК формулируются на данном этапе чаще всего в неявном виде.

Этап разработки алгоритма управления является наиболее ответственным, поскольку ошибки данного этапа обычно обнаруживаются только при испытаниях законченного изделия и приводят к необходимости дорогостоящей переработки всего устройства. Разработка алгоритма обычно сводится к выбору одного из нескольких возможных вариантов алгоритмов, отличающихся соотношением объема программного обеспечения и аппаратных средств.

При этом необходимо исходить из того, что максимальное использование аппаратных средств упрощает разработку и обеспечивает высокое быстродействие контроллера в целом, но сопровождается, как правило, увеличением стоимости и потребляемой мощности. Связано это с тем, что увеличение доли аппаратных средств достигается либо путем выбора более сложного МК, либо путем использования специализированных интерфейсных схем. И то, и другое приводит к росту стоимости и энергопотребления. Увеличение удельного веса программного обеспечения позволяет сократить число элементов контроллера и стоимость аппаратных средств, но это приводит к снижению быстродействия, увеличению необходимого объема внутренней памяти МК, увеличению сроков разработки и отладки программного обеспечения. Критерием выбора здесь и далее является возможность максимальной реализации заданных функций программными средствами при минимальных аппаратных затратах и при условии обеспечения заданных показателей быстродействия и надежности в полном диапазоне условий эксплуатации. Часто определяющими требованиями являются возможность защиты информации (программного кода) контроллера, необходимость обеспечения максимальной продолжительности работы в автономном режиме и другие. В результате выполнения этого этапа окончательно формулируются требования к параметрам используемого МК.

При выборе типа МК учитываются следующие основные характеристики:

разрядность;

быстродействие;

набор команд и способов адресации;

требования к источнику питания и потребляемая мощность в различных режимах;

объем ПЗУ программ и ОЗУ данных;

возможности расширения памяти программ и данных;

наличие и возможности периферийных устройств, включая средства поддержки работы в реальном времени (таймеры, процессоры событий и т.п.);

возможность перепрограммирования в составе устройства;

наличие и надежность средств защиты внутренней информации;

возможность поставки в различных вариантах конструктивного исполнения;

стоимость в различных вариантах исполнения;

наличие полной документации;

наличие и доступность эффективных средств программирования и отладки МК;

количество и доступность каналов поставки, возможность замены изделиями других фирм.

Список этот не является исчерпывающим, поскольку специфика проектируемого устройства может перенести акцент требований на другие параметры МК. Определяющими могут оказаться, например, требования к точности внутреннего компаратора напряжений или наличие большого числа выходных каналов ШИМ.

Номенклатура выпускаемых в настоящее время МК исчисляется тысячами типов изделий различных фирм. Современная стратегия модульного проектирования обеспечивает потребителя разнообразием моделей МК с одним и тем же процессорным ядром. Такое структурное разнообразие открывает перед разработчиком возможность выбора оптимального МК, не имеющего функциональной избыточности, что минимизирует стоимость комплектующих элементов.

Однако для реализации на практике возможности выбора оптимального МК необходима достаточно глубокая проработка алгоритма управления, оценка объема исполняемой программы и числа линий сопряжения с объектом на этапе выбора МК. Допущенные на данном этапе просчеты могут впоследствии привести к необходимости смены модели МК и повторной разводки печатной платы макета контроллера. В таких условиях целесообразно выполнять предварительное моделирование основных элементов прикладной программы с использованием программно-логической модели выбранного МК.

При отсутствии МК, обеспечивающего требуемые по ТЗ характеристики проектируемого контроллера, необходим возврат к этапу разработки алгоритма управления и пересмотр выбранного соотношения между объемом программного обеспечения и аппаратных средств. Отсутствие подходящего МК чаще всего означает, что для реализации необходимого объема вычислений (алгоритмов управления) за отведенное время нужна дополнительная аппаратная поддержка. Отрицательный результат поиска МК с требуемыми характеристиками может быть связан также с необходимостью обслуживания большого числа объектов управления. В этом случае возможно использование внешних схем обрамления МК.

На этапе разработки структуры контроллера окончательно определяется состав имеющихся и подлежащих разработке аппаратных модулей, протоколы обмена между модулями, типы разъемов. Выполняется предварительная проработка конструкции контроллера. В части программного обеспечения определяются состав и связи программных модулей, язык программирования. На этом же этапе осуществляется выбор средств проектирования и отладки.

Возможность перераспределения функций между аппаратными и программными средствами на данном этапе существует, но она ограничена характеристиками уже выбранного МК. При этом необходимо иметь в виду, что современные МК выпускаются, как правило, сериями (семействами) контроллеров, совместимых программно и конструктивно, но различающихся по своим возможностям (объем памяти, набор периферийных устройств и т.д.). Это дает возможность выбора структуры контроллера с целью поиска наиболее оптимального варианта реализации.

Нельзя не упомянуть здесь о новой идеологии разработки устройств на базе МК, предложенной фирмой «Scenix». Она основана на использовании высокоскоростных RISC-микроконтроллеров серии SX с тактовой частотой до 100 МГц. Эти МК имеют минимальный набор встроенной периферии, а все более сложные периферийные модули эмулируются программными средствами. Такие модули программного обеспечения называются «виртуальными периферийными устройствами», они обеспечивают уменьшение числа элементов контроллера, времени разработки, увеличивают гибкость исполнения. К настоящему времени разработаны целые библиотеки виртуальных устройств, содержащие отлаженные программные модули таких устройств как модули ШИМ и ФАПЧ, последовательные интерфейсы, генераторы и измерители частоты, контроллеры прерываний и многие другие.