Transcript MICROCONTROLERE şi AUTOMATE PROGRAMABILE

MICROCONTROLERE
şi
AUTOMATE PROGRAMABILE
Facultatea de Inginerie Electrică
Departamentul de Inginerie electrică, energetică şi aerospaţială
Microcontrolere şi Automate programabile
Anul IV, IEC
Informaţii utile
CURS – 2h/săptamână: anul IV Inginerie electrică şi calculatoare
LABORATOR - 1h/săptamână- sala Lab. Fiabilitate
PROIECT - 1h/săptamână- sala Lab. Fiabilitate
PROIECT - promovat
NOTA_final= 0.40 x NOTA_semestru + 0.60 x NOTA_Examen
unde:
NOTA_semestru = NOTA_lab x Nr_Prez_curs / 14
Bibliografie: Note de curs
Facultatea de Inginerie Electrică
Departamentul de Inginerie electrică, energetică şi aerospaţială
Microcontrolere şi Automate programabile
Anul IV, IEC
MICROCONTROLERE. GENERALITĂŢI
• Controler ("controller") - structură electronică destinată controlului
unui proces sau unei interacţiuni caracteristice cu mediul exterior, fără
să fie necesară intervenţia operatorului uman.
Tehnologii controlere:
•
•
•
•
•
•
•
- Pe baza logicii cablate: circuite integrate numerice standard SSI
(Small Scale Integration) şi MSI (Medium Scale Integration);
dimensiuni mari,
consum energetic mare,
fiabilitate scăzută;
- În prezent: tehnologie CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor);
structuri cu o mare densitate de integrare,
consum energetic redus (eventual alimentare de la baterie),
imunitate mai mare la perturbaţii,
domeniu extins al temperaturii de funcţionare (–40C  85  C).
Microprocesoare de uz general:
Z80 (Zilog), 8086/8088 (Intel), 6809 (Motorola), etc.
Facultatea de Inginerie Electrică
Departamentul de Inginerie electrică, energetică şi aerospaţială
Microcontrolere şi Automate programabile
Anul IV, IEC
MICROCONTROLER
MICROCIRCUIT
(microprocesor)
UNITATE CENTRALĂ
(CPU)
+
MEMORIE
Facultatea de Inginerie Electrică
Departamentul de Inginerie electrică, energetică şi aerospaţială
+
RESURSE
Interacţiune cu mediul exterior
Microcontrolere şi Automate programabile
Anul IV, IEC
MICROCONTROLER
• unitate centrală (CPU) + oscilator intern pentru ceasul de
sistem;
• memorie locală ROM/PROM/EPROM/EEPROM/FLASH +
memorie de tip RAM;
• intrări/ieşiri numerice - I/O (de tip port paralel);
• port serial de tip asincron şi/sau sincron, programabil;
• sistem de "timere“: temporizatoare/numărătoare
programabile
• sistem de întreruperi.
Facultatea de Inginerie Electrică
Departamentul de Inginerie electrică, energetică şi aerospaţială
Microcontrolere şi Automate programabile
Anul IV, IEC
CARACTERISTICI SPECIFICE DE CONTROL
• sistem de conversie analog numerică (una sau mai multe intrări
analogice);
• sistem de conversie numeric analogică şi/sau ieşiri PWM
(Pulse Width Modulation - cu modulare în durată);
• comparator analogic;
• memorie de date nevolatilă de tip EEPROM;
• facilităţi suplimentare pentru sistemul de temporizare
/numărare (captare şi comparare);
• un ceas de gardă ("timer" de tip "watchdog");
• facilităţi pentru optimizarea consumului propriu.
Facultatea de Inginerie Electrică
Departamentul de Inginerie electrică, energetică şi aerospaţială
Microcontrolere şi Automate programabile
Anul IV, IEC
SISTEM COMPLET
microcontroler + interfaţă cu mediul exterior
• subsisteme de prelucrare analogică
redresare, filtrare, protecţie-limitare);
• elemente pentru
transformatoare);
izolare
galvanică
(amplificare,
(optocuploare,
• elemente de comutaţie de putere (tranzistoare de putere,
relee electromecanice sau statice).
Facultatea de Inginerie Electrică
Departamentul de Inginerie electrică, energetică şi aerospaţială
Microcontrolere şi Automate programabile
Anul IV, IEC
DOMENIILE DE UTILIZARE ALE MICROCONTROLERELOR
•
Robotică şi mecatronică:
- sisteme încapsulate-integrate ("embedded systems");
•
Automatizarea proceselor de fabricaţie ale produselor:
- CNC ("Computerised Numerical Controls");
- comenzi numerice pentru maşinile unelte;
- automate programabile;
- linii flexibile de fabricaţie, etc;
•
Industria de automobile:
- controlul aprinderii/motorului, climatizare, diagnoză, sisteme de alarmă;
•
Electronică de consum:
- sisteme audio, televizoare, camere video şi videocasetofoane, telefonie mobilă, GPS-uri, jocuri
electronice, etc.
•
Aparatura electrocasnică:
- maşini de spălat, frigidere, cuptoare cu microunde, aspiratoare, etc.
•
Controlul mediului şi climatizare
- sere, locuinţe, hale industriale, etc.
•
•
Industria aerospaţială
Mijloacele moderne de măsurare/instrumentaţie:
- aparate de măsură, senzori şi traductoare inteligente etc.
•
Medicină
- aparate de diagnosticare, proteze, etc.
Facultatea de Inginerie Electrică
Departamentul de Inginerie electrică, energetică şi aerospaţială
Microcontrolere şi Automate programabile
Anul IV, IEC
Aplicaţii ale microcontrolerelor
• Roboţi umanoizi
1. Robotul „Big Dog” - noul animal de povară al
viitorului (Boston Dynamics -Massachusetts Institute of
Technology-MIT). Robotul patruped poate merge prin
zăpadă şi apă, poate alerga cu 6,5 km/h şi poate căra
peste 150 de kg, deşi el cântăreşte aproape 110 kg;
2.
Jucării inteligente: robotul umanoid ASIMO (Honda)
ASIMO - 26 de microcontrolere numai pentru controlul
individual al celor 26 de elemente de acţionare
inteligente (motoare). Robotul arată ca un astronaut şi
poate merge, poate alerga şi chiar îţi poate aduce ceva
de băut, dacă îl rogi. Robotul poate interpreta gesturi şi
poziţii umane, recunoaşte chipul interlocutorilor şi le
poate spune pe nume.
Facultatea de Inginerie Electrică
Departamentul de Inginerie electrică, energetică şi aerospaţială
Microcontrolere şi Automate programabile
Anul IV, IEC
Aplicaţii ale microcontrolerelor
• Roboţi umanoizi
3. Cel mai uman robot din lume: HRP-4C”
Arată ca o fată japoneză, merge la fel ca un om şi
comunică folosind tehnologie de recunoaştere a
limbajului uman ;


Un exemplu din industria de automobile:
un BMW seria 7 utiliza 65 de microcontrolere
un Mercedes din clasa S utiliza 63
microcontrolere.
Facultatea de Inginerie Electrică
Departamentul de Inginerie electrică, energetică şi aerospaţială
de
Microcontrolere şi Automate programabile
Anul IV, IEC
Unitatea centrală de calcul CPU (Central Processing Unit)
Caracteristici arhitecturale
a.
Arhitecturi de tip “von Neumann"
- o unitate centrală (CPU);
- spaţiu de memorie unic pentru instrucţiuni
şi date;
- o magistrală internă ( instrucţiuni + date);
- preluarea instrucţiunilor şi a datelor
separat, în mod secvenţial, are ca efect,
încetinirea operaţiilor;
- cele mai multe microcontrolere sunt astfel
realizate;
- este arhitectura cea mai des întâlnită
pentru microprocesoarele de uz general.
Facultatea de Inginerie Electrică
Departamentul de Inginerie electrică, energetică şi aerospaţială
MEMORIE
UNITATE
DE CONTROL
UNITATE
ARITMETICĂ
LOGICĂ
Acumulator
INTRARE
IEŞIRE
Microcontrolere şi Automate programabile
Anul IV, IEC
Unitatea centrală de calcul CPU (Central Processing Unit)
Caracteristici arhitecturale
b. Arhitecturi de tip "Harvard "
- o unitate centrală (CPU)
- spaţii de memorie separate pentru
program şi date.
- magistrale separate (de adrese şi
date).
-posibilitatea execuţiei simultane a
celor două tipuri de operaţii: cu
instrucţíuni şi cu date.
- este arhitectura cea mai des întâlnită
pentru procesoarele numerice de
semnal - DSP
(Digital Signal Processing).
Facultatea de Inginerie Electrică
Departamentul de Inginerie electrică, energetică şi aerospaţială
Memorie
date
Memorie
instrucţiuni
Date
Intrare
ALU
Control
i
n
s
t
r
u
c
ţ
i
u
n
i
Control
Ieşire
Ceas
Stare
Microcontrolere şi Automate programabile
Anul IV, IEC
Unitatea centrală de calcul CPU (Central Processing Unit)
Caracteristici arhitecturale
c. Arhitecturi de tip "CISC" (Complex Instruction Set Computer)
Microcontrolerele cu această arhitectură:
- Un set uzual de peste 80 instrucţiuni, multe din ele foarte puternice şi
specializate;
- Aceste instrucţiuni sunt foarte diferite între ele: unele operează numai cu
anumite spaţii de adrese sau registre, altele permit numai anumite moduri de
adresare, etc.
- Avantaje: utilizarea unei singure instrucţiuni complexe în locul mai multor
instrucţiuni simple.
Facultatea de Inginerie Electrică
Departamentul de Inginerie electrică, energetică şi aerospaţială
Microcontrolere şi Automate programabile
Anul IV, IEC
Unitatea centrală de calcul CPU (Central Processing Unit)
Caracteristici arhitecturale
d. Arhitecturi de tip "RISC" (Reduced Instruction Set Computer)
- arhitectură Harvard modificată sau von Neumann;
- viteză mărită de execuţie prin implementarea unui “pipeline” pentru instrucţiuni:
subdivizarea fiecărei instrucţiuni într-un număr de etape sau segmente, fiecare
etapă fiind executată de câte o unitate funcţională separată a procesorului.
Segmentele “pipeline” sunt conectate între ele într-un mod analog asamblării
unei conducte din segmente de ţeavă.
- set de instrucţiuni ortogonal (simetric): orice instrucţiune operează cu orice
spaţiu de adrese (de memorie) sau orice registru, instrucţiunile nu prezintă
combinaţii speciale, excepţii, restricţii sau efecte colaterale.
Facultatea de Inginerie Electrică
Departamentul de Inginerie electrică, energetică şi aerospaţială
Microcontrolere şi Automate programabile
Anul IV, IEC
Facultatea de Inginerie Electrică
Departamentul de Inginerie electrică, energetică şi aerospaţială
Microcontrolere şi Automate programabile
Anul IV, IEC