Разработка и макетирование микропроцессорных систем

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ 

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение высшего образования 

«Южный федеральный университет»

Инженерно-технологическая академия

А.Л. Береснев, М.А. Береснев

РАЗРАБОТКА И МАКЕТИРОВАНИЕ 

МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ 

Учебное пособие

Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2016

УДК 004.318 (075.8)
ББК 32.973я73

Б485

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Южного федерального университета

Рецензенты:

доктор технических наук, зав. кафедрой систем автоматического 

проектирования ИТА ЮФУ Финаев В.И.;

кандидат технических наук, заведующий отделом №4 

ЗАО «ОКБ «РИТМ» Черчаго А.Я.

Береснев, А.Л. 

Разработка и макетирование микропроцессорных систем : учебное 

пособие / Береснев А.Л., Береснев М.А. ; Южный федеральный 
унверситет.
–
Таганрог
: Издательство
Южного федерального 

университета, 2016. – 106 с.

ISBN 978-5-9275-2168-5

В пособии укрупненно рассмотрен процесс разработки сложных 

технических систем и подробно описан этап макетирования. Проведен обзор 
доступных аппаратных средствсемейства Arduino. На примере реализации 
макета 
системы управления 
микроклиматом рассмотрены особенности 

использования аналоговых и цифровых датчиков, кнопочных и инфракрасных 
пультов, текстовых дисплеев, реле и сервоприводов. Кроме того детально 
представлены возможности беспроводного подключения модулей по wi-fiи 
bluetooth.

Пособие предназначено для 
бакалавров
направления 13.03.02 –

Электроэнергетика и электротехника. 

Работа поддержана Министерством образования и науки РФ, НИР 

№114041540005 по государственному заданию высшим учебным заведениям и 
научным организациям в сфере научной деятельности.

ISBN 978-5-9275-2168-5
УДК 004.318 (075.8)
ББК 32.973я73

© Южный федеральный университет, 2016
© Береснев А.Л., Береснев М.А, 2016

Б485

ВВЕДЕНИЕ

Без микропроцессорных систем в наше время редко когда обходится 

электронное устройство. И это касается не только высоких технологий. 

Микропроцессоры глубоко проникли и в бытовые области. Они используются в 

светодиодных лампочках, часах, пылесосах, микроволновых печах и т.д. и т.п. 

При разработке любого устройства обязательным этапом является сборка 

макета, демонстрирующего основные его функции. Появившиеся недавно 

платы Arduinoпозволили значительно снизить трудоемкость этого этапа за счет 

«дружелюбного отношения» к разработчикам, и, следовательно, сократить весь 

цикл разработки, что в полной мере отвечает требованиям времени к 

наращиванию объемов производства микропроцессорных устройств. В данном 

пособии описано, как именно теперь проходит этап макетирования.

В первой главе пособия приведена общая картина разработки 

микропроцессорных систем и показано, какое место занимает в этом процессе 

этап макетирование и как он связан с предшествующими и последующими 

этапами. Во второй главе описаны программные и аппаратные средства 

начинающего разработчика. Приведено сравнение самых популярных плат 

Arduino,
описана среда программирования и даны советы по отладке 

программы. Третий раздел посвящен описанию базовых возможностей плат 

Ардуино. На примере реализации макета системы управления микроклиматом 

показано, как подключать к плате кнопки, светодиоды, цифровые и аналоговые 

датчики, инфракрасные приемники и клавишные панели, текстовые дисплеи, 

релейные блоки и сервоприводы. Параллельно приводятся алгоритмы работы и 

фрагменты исходных кодов программ. В четвертом разделе описываются 

расширенные возможности плат Ардуино по организации беспроводных 

каналов передачи данных. Подробно рассмотрена передача информации по 

терминалу, используемая в качестве логического уровня связи. Затем описаны 

устройства и протоколы для передачи по bluetoothи wi-fi, используемые в 

качестве физического уровня связи.

1. Этапы разработки микропроцессорных систем

Проектирование микропроцессорных систем обычно выполняется в 

несколько этапов. Это связано с необходимостью проработки вопросов 

организации взаимодействия микропроцессорной системы с ее окружением, в 

том числе выбор и компоновка элементов управления и индикации, подбор 

необходимых датчиков, проработку структуры системы и т.п. 

Как правило, при разработке микропроцессорной системы выделяют 

следующие этапы:

1. Определение требований к системе. На данном этапе необходимо 

выявить как можно более полный перечень требований к системе и составить 

техническое задание на разработку, а также определить дальнейшие этапы 

разработки. Требования к системе могут включать: описание предметной 

области, решаемой системой задачи или набора задач, примерный алгоритм 

функционирования, примерные требования к интерфейсу пользователя (т.е. 

замысел системы, как ее представляет себе заказчик).

2. Поиск ближайших аналогов. Решение любой технической задачи 

предполагает поиск уже существующих решений. Любое существующее 

решение, даже если оно не в полной мере удовлетворяет требованиям, 

позволяет сэкономить время и средства на последующих этапах разработки, 

особенно если известны затруднения, с которыми встретились разработчики 

аналогичных систем.

3. Выбор элементной базы для реализации. На данном этапе выбираются 

датчики и исполнительные механизмы (если предполагается разработка 

системы управления некоторым объектом или процессом). С развитием 

технологий все большее предпочтение отдается датчикам со встроенной 

электроникой, имеющих цифровой интерфейс обмена данными и сопрягаемых 

непосредственно с микропроцессором, без использования аналоговых схем. 

Основными требованиями к таким датчикам являются: диапазон измерения 

величины, предельная точность измерения (дискретность), быстродействие 

(максимальная частота опроса или выдачи показаний), диапазон условий, в 

которых обеспечивается нормальная работа датчика (например, диапазон 

рабочих температур или влажности воздуха). В случае отсутствия готовых 

технических решений, удовлетворяющих заявленным требованиям, может 

понадобиться этап разработки собственных схемотехнических решений. 

Основное требование к исполнительным механизмам – они должны быть 

согласованы 
с 
объектом 
управления. 
Остальные 
требования 
также 

справедливы. Если устройства сопряжения уже разработаны или выбраны, то 

их 
характеристики 
должны 
быть 
определены 
в 
требованиях 
к 

микропроцессорной системе.

4. Выбор архитектуры микроконтроллера. Современные производители 

предлагают широкий выбор микроконтроллеров, отличающихся разрядностью 

(8, 16, 32), архитектурой, объемом и организацией памяти, набором периферии 

и т.п. До недавнего времени при проектировании микропроцессорных систем, 

особенно в системах автоматического управления доминировали 8 и 16
разрядные контроллеры с самыми различными архитектурамии системами 

команд. Исключение составляли может быть только i8051 – совместимые 

(MCS-51)микроконтроллеры. В настоящее время появились реализации 32
разрядных микроконтроллеров на основе де факто стандартизированных 

архитектур (ARM, SPARC, MIPS), обладающие производительностью 32
разрядного процессора, достаточным объемом периферии и низкой ценой. 

Примером 
может 
служить 
семейство 
микроконтроллеров 
STM32 
от 

STMicroelectronics на ядре ARMCortexM0, M3, M4. Таким образом, основными 

критериями при выборе микроконтроллера являются – наличие необходимого 

функционала и периферии в соответствии с требованиями к системе и 

стоимость.

Выбор микроконтроллера на начальном этапе разработки – задача 

достаточно сложная. Анализируя различные готовые изделия, можно сделать 

следующие 
выводы: 
в 
современных 
микропроцессорных 
устройствах 

используются в основном 8 и 16 – разрядные микроконтроллеры, несмотря на 

то, что тот же ARMсоставляет им все большую конкуренцию в плане 

соотношения 
цена/производительность. 
Выбор 
32-разрядных 

микроконтроллеров обусловлен наличием в системе развитого интерфейса 

пользователя, либо требованиями быстродействия. В проектах со значительным 

объемом кода также начинают проявляться ограничения, присущие 8 и 16
разрядным контроллерам, что также является аргументом в пользу выбора 32
разрядных архитектур. 

5. Разработка структуры микропроцессорной системы. 

В процессе разработки может возникнуть необходимость вернуться на 

предыдущий шаг или даже начать проектирование “с нуля”, если выбранное 

решение по тем или иным причинам не удовлетворяет требованиям к системе

(рис. 1.1).

В структурной схеме системы отражаются связи между элементами 

будущей микропроцессорной системы – датчиками, элементами интерфейса, 

микропроцессором, 
дополнительной 
памятью 
различного 
типа, 

периферийными устройствами. Система может быть организована на основе 

одного 
или 
нескольких 
микропроцессоров, 
требующих 
разработки 

программного 
обеспечения. 
Например, 
в 
системе 
может 
быть 

специализированный процессор или ПЛИС для обработки интенсивного потока 

данных.

Современные 
микропроцессоры 
включают 
широкий 
выбор 

периферийных устройств, но не все из них и не всегда могут быть доступны 

одновременно. Ограничения на используемые ресурсы следует учитывать уже 

на этапе разработки структурной схемы системы, чтобы при необходимости 

внести необходимые коррективы в проект.

Рис. 1.1. Основные этапы разработки системы

6. 
Этап 
моделирования. 
Как 
показывает 
практика 
разработки 

микропроцессорных устройств, применение макетирования и моделирования 

сокращает затраты на разработку тем более, чем сложнее проект. Даже 

макетирование и отладка отдельных элементов системы является достаточно 

полезным этапом, на выходе которого уже могут присутствовать элементы 

тестового или даже реального программного обеспечения будущей системы. 

Этап моделирования включает:

1) Математическое моделирование. В том случае, если разрабатываемая 

система является системой автоматического управления или содержит 

замкнутые контуры автоматического управления, а также, если система 

содержит аналоговые элементы обработки сигналов, то данный этап является 

обязательным. На этапе математического моделирования определяются 

требования к контурам автоматического управления – выбираются структуры 

регуляторов, 
вычисляются 
коэффициенты, 
оценивается 
устойчивость, 

определяются коэффициенты цифровых и аналоговых фильтров, выполняется 

моделирование аналоговых схем и элементов, если разработка таковых входит 

в задачи проектирования системы.

2) 
Компьютерное 
моделирование 
микропроцессорной 
системы. 

Существует 
ряд 
программных 
продуктов, 
позволяющих 
выполнять 

моделирование цифровых и смешанных типов устройств целиком на ЭВМ, 

включая моделирование работы микропроцессоров и сложных логических 

схем. Например, у радиолюбителей пользуется популярностью ProteusVSMот 

LabcenterElectronicsименно в связи с наличием подобной подсистемы 

моделирования в данной САПР. Компьютерная модель позволяет выполнять 

отладку программного обеспечения микропроцессоров и контроль работы 

схемы с помощью виртуальных инструментов. К сожалению, полностью 

компьютерное моделирование не может заменить натурное моделирование и 

макетирование, так как еще имеется ряд сложностей, особенно при 

моделировании аналоговых и цифроаналоговых цепей, а также отсутствием 

требуемых моделей и отставанием их выпуска производителем ПО.

3) Макетирование. Разработка макета устройства или его части обычно 

выполняется 
с 
использованием 
оценочных, 
либо 
отладочных 
плат, 

поставляемых 
производителями 
микросхем, 
либо 
сторонними 

производителями. Для ряда распространенных микропроцессоров разработаны 

специальные платы для макетирования и прототипирования, на основе которых 

могут быть собраны реально действующие прототипы устройств.

На этапе макетирования целесообразно использовать микроконтроллер 

выбранного семейства с наибольшим объемом доступных возможностей с тем, 

чтобы 
потом 
можно 
было 
осуществить 
выбор 
конкретной 
модели 

микроконтроллера для конечного устройства.

При использовании отладочных плат следует использовать плату в 

конфигурации, наиболее близкой к конфигурации будущего устройства, либо 

плату 
с 
минимальным 
числом 
установленных 
внешних 
устройств 

(производители часто устанавливают в оценочные платы большое количество 

устройств, предназначенных для демонстрации возможностей контроллера, но 

не применяемых при разработке вашего устройства).

7. Выбор микроконтроллера. После выполнения этапа моделирования и 

макетирования будут известны требования к ресурсам микроконтроллера, что 

позволяет выбрать конкретную модель контроллера. Ряд производителей МК, 

например, ST, предлагает модельный ряд контроллеров, совместимых по 

расположению выводов и отличающихся объемом памяти, доступной 

периферией и энергопотреблением, что позволяет при необходимости 

расширить 
возможности 
уже 
разработанного 
устройства. 
Если 
такой 

возможности нет, то приходится на этапе разработки макетного образца 

устанавливать избыточный по возможностям МК.

8. Разработка устройства. В процедуру разработки входят этапы, 

которые при необходимости можно выполнять параллельно:

1. Разработка принципиальной схемы устройства.

2. Разработка и изготовление печатной платы (или набора плат с учетом 

межсхемных связей).

3. Подбор и заказ комплектации.

4. Разработка и заказ в производство клавиатуры.

5. Разработка программного обеспечения для проверки функциональных 

блоков устройства (первичное тестовое ПО).

6. Сборка устройства (для сложных проектов велика вероятность ошибок 

в проекте на данном этапе, поэтому сборку и тестирование первого образца 

целесообразно выполнять последовательно, законченными функциональнами 

блоками, например: подсистему питания, микропроцессор, внешнюю память, 

периферийные устройства).

7. Отладка устройства, в том числе тестирование работы МП и внешних 

устройств после их установки, с применением первичного тестового ПО.

8. Разработка базового ПО.

9. Разработка диагностического ПО (для тестирования устройства в 

условиях производства).

10. Комплексная проверка и настройка.