Vorwort Bernd-Dieter Schaaf Mikrocomputertechnik Mit Mikrocontrollern der Familie 051 ISBN: 97-3-446-41761- Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/97-3-446-41761- sowie im Buchhandel. Carl Hanser Verlag, München
Vorwort des Herausgebers Was können Sie mit diesem Buch lernen? Wenn Sie dieses Lernbuch durcharbeiten, dann erwerben Sie umfassende Erkenntnisse und Qualifikationen, die Sie zur Handlungsfähigkeit in der Mikrocomputertechnik mit Mikrocontrollern führen. Der Umfang dessen, waswir Ihnen anbieten, orientiert sich an den Studienplänen der Fachhochschulen für Technik, den Lehrplänen der Fachschulen für Technik in den Bundesländern, den Anforderungen der beruflichen Praxis, dem Stand der Technik. Sie werden systematisch und schrittweise mit der spezifischen Hard- und Software eines Mikrocomputersystems mit Mikrocontrollern vertraut gemacht. Sie können Programme konstruieren und Anwenderprogramme der Automatisierungstechnik nutzen. Dabei gehen Sie folgenden Fragen nach: Welche Struktur der Baugruppen und ihrer Programmierung kennzeichnet einen Mikrocontroller? Wiekann man ein Entwicklungssystem konstruieren? Welche Erweiterungen lässt das Mikrocontrollersystem zu? Wieprogrammiert man das System mit der Hochsprache C? Wer kann mit diesem Buch lernen? Jeder, der sich weiterbilden möchte, die Grundlagen der Datenverarbeitung kennt, Kenntnisse in den Grundlagen der Elektrotechnik besitzt. Das können sein: Studenten an Fachhochschulen und Berufsakademien, Studenten an Fachschulen für Technik, Schüler an beruflichen Gymnasien und Berufsoberschulen, Schüler in der Assistentenausbildung, Facharbeiter, Gesellen und Meister während und nach der Ausbildung, Umschüler und Rehabilitanden, Teilnehmer an Fort- und Weiterbildungskursen, Autodidakten, vorallem in den Bereichen: Elektrische Energietechnik, Prozessautomatisierung, Prozessleittechnik Informations- und Kommunikationstechnik.
6 Vorwort des Herausgebers Wie können Sie mit diesem Buch lernen? Ganz gleich, ob Sie mit diesem Buch in Hochschule, Schule, Betrieb, Lehrgang oder zu Hause im stillen Kämmerlein lernen, es wird Ihnen Freude machen. Warum? Ganz einfach, weil Ihnen hier ein Buch empfohlen wird, das in seiner Gestaltung die Grundgesetze des menschlichen Lernens beachtet. Ein Lernbuch also! Sie setzen sich kapitelweise mit den Lerninhalten, Lehrstoffen auseinander,schrittweise dargestellt, in überschaubaren Lernsequenzen. Wo es möglich ist, wird der Lehrstoff ausführlich beschrieben auf der linken Spalte der Buchseite und umgesetzt in die technisch-wissenschaftliche Darstellung auf der rechten Spalte der Buchseite. Die weitgehende Zuordnung der behandelten Lerninhalte in den beiden Spalten erleichtert das Lernen wesentlich, Umblättern ist zum Beispiel in der Regel nicht nötig. An Beispielen konkretisiert und veranschaulicht der Autor die neuen Lerninhalte. Ein unterrichtsbegleitendes Lehrbuch mit Beispielen! Jetzt können und sollten Sie sofort die Übungsaufgaben lösen, um das Neugelernte zu festigen, zu vertiefen und mit bisher Gelerntem zu verknüpfen. Die wesentlichen Schritte der Lösung und das Ergebnis der jeweiligen Übung sind am Ende des Buches vom Autor für Sie aufgeschrieben. Also auch ein Arbeitsbuch mit Übungen und Lösungen! Für das Aufsuchen entsprechender Kapitel steht Ihnen das Inhaltsverzeichnis am Anfang des Buches zur Verfügung. Für die Suche bestimmter Begriffe hat der Autor für Sie am Ende des Buches das Sachwortregister angelegt. Selbstverständlich mit Inhaltsverzeichnis und Sachwortregister! Sicherlich werden Sie durch die intensive Arbeit mit dem Buch Ihre Bemerkungen zur Sache unterbringen wollen und die Lösungen der Übungen an den jeweiligen Stellen zuordnen, um so ein individuelles Arbeitsmittel an der Hand zu haben. AmEnde ist Ihr Buch entstanden! Möglich wurde dieses Lernbuch für Sie durch die Bereitschaft des Autors und die intensive Unterstützung des Verlages mit seinen Mitarbeitern. Ihnen sollten wir herzlich danken. Beim Lernen wünsche ich Ihnen nun viel Freude und Erfolg. Ihr Herausgeber Manfred Mettke
Leseprobe Bernd-Dieter Schaaf Mikrocomputertechnik Mit Mikrocontrollern der Familie 051 ISBN: 97-3-446-41761- Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/97-3-446-41761- sowie im Buchhandel. Carl Hanser Verlag, München
2 Der Mikrocontroller Der Mikrocontroller beinhaltet auf einem Chip einen kompletten Mikrocomputer, wie in Kapitel 1 beschrieben. Auf dem Chip sind die CPU, ein ROM-Speicher für das Programm, ein RAM-Speicher für die variablen Daten sowie parallele und serielle Ein- und Ausgabeports integriert. Die CPU ist über ein internes Bussystem mit dem Speicher und den Schnittstellen- Baugruppen verbunden. Der Controller wird hauptsächlich im Bereich der Automatisierungs-, Steuerungs- und Antriebstechnik eingesetzt. Speziell für diese Anwendungsgebiete sind außer den aufgeführten Standard-Baugruppen noch eine Reihe zusätzlicher Funktionseinheiten in den Controller integriert. Solche Funktionseinheiten sind z. B. schnelle Zähler (Timer), A/D- Wandler oder Interrupt-Controller. Werden zusätzliche Funktionseinheiten benötigt, lässt sich ein externes Bussystem aufbauen. Daran lassen sich dann weitere Speicher oder Ports anschließen. Mikrocomputer CPU Mikrocontroller interner Bus Parallele Ports externer Bus Speicher Parallele Ports Serieller Port Zähler (Timer) A/D- Wandler Interrupt- Controler Speicher Schnittstellen Dieses Buch stellt die meist verbreiteten Controller der 051-Familie vor und befasst sich speziell mit dem Controller 0515 bzw. 0535. Da die Controller dieser Familie aufwärtskompatibel sind, lassen sich die exemplarisch vermittelten Kenntnisse auf alle Bausteine dieser Familie übertragen. 2.1 Die Controller-Familie 051 Die 051-Controller-Familie hat sich weltweit als Marktführer durchgesetzt. Die Aufwärtskompatibilität der später entwickelten Typen zum Grundbaustein 051 gibt dem Anwender die Möglichkeit, auf vorhandene Entwicklungs-Hilfsmittel zurückgreifen zu können. An den externen Bus lassen sich Bausteine der Mikrocomputer-Familie 05 anschließen.
1 2Der Mikrocontroller Überblick über die 051-Familie Relative Leistung der Peripherie-Bausteine 0 C515 0 515 0 C517 + Mul/Div-Unit + Datapointer + UART + PWM + ADC + I/O 0 51 0 512 Eigenschaften der 051-Familie 0 C52 0 52 + ROM + RAM + T2 + ADC + I/O + PWM + WD-Timer Relative Leistung des CPU-Kerns Die Eigenschaften der 051-Familie sind in der Tabelle 2.1 zusammengefasst. Controller mit internem ROM-Speicher Die Controller 051, 052, und 0515 enthalten einen internen Programmspeicher,der als maskenprogrammierbares ROM ausgeführt ist. Das Programm wird bereits bei der Herstellung durch eine Maske festgelegt. Daher muss es fehlerfrei sein. Die Produktion lohnt sich erst ab großen Stückzahlen von ca. 5000 Stück. Controller ohne internen ROM-Speicher Die Controller 031, 032 und 0535 enthalten keinen verwendbaren internen Programmspeicher.Der nicht programmierte interne ROM-Bereich wird durch ein Low-Signal am Controller- Pin EA (External Access) abgeschaltet. Für diese Controller werden externe Programmspeicher benötigt, die an ein externes Bussystem anzuschließen sind. Dieses externe Bussystem beansprucht zwei Ports des Controllers, die damit als Ein- und Ausgabeports verloren gehen. Die ROM-losen Controller sind zu attraktiven Preisen zu beziehen und werden daher für Anwendungen mit niedrigen Stückzahlen und Neuentwicklungen eingesetzt. NMOS- und CMOS-Technologie Die Controller 051 bezw. 031 und 0515 bezw 0535 sind in NMOS-Technologie hergestellt. Diese Technologie ist kostengünstig. VonNachteil ist, dass Stromverbrauch und Verlustleistung wesentlich höher sind als bei der neueren CMOS-Technik, die etwas mehr kostet. Die CMOS-Technologie wird durch ein eingeschobenes C in der Typenbezeichnung gekennzeichnet (0C515 bzw. 0C535). Die später entwickelten Typen werden nur noch als CMOS-Typ hergestellt.
2.1 Die Controller-Familie 051 19 Tabelle 2.1 Features 051x-Familie Baustein Clock ROM RAM E/A- ADC Timer/ Watch- Inter- Serial PWM Div./ Data Gehäuse Rate (Kbyte) (byte) Ports Eingänge Counter dog rupt E/A Mult. Pointers (MHz) (-bit) (-bit (16-bit) Timer Vectors/ Unit (16-bit) resol.) Levels SAB 051 4 DIP-40 SAB 031 -- PL-CC-44 12,16 12 4 -- 2 -- 5/2 USART -- -- 1 SAB 052 12,16 DIP-40 SAB 032 256 4 -- 3 -- 6/2 USART -- -- 1 20 -- PL-CC-44 SAB 0C52 DIP-40 SAB 0C32 -- PL-CC-44 12,16 256 4 -- 3 -- 6/2 USART -- -- 1 SAB 0512 4 6(E/A) SAB 0532 -- +1(E) 12 12 2 -- 6/2 USART -- -- 1 PL-CC-6 SAB 0513 16 DIP-40 SAB 352-5 32 PL-CC-44 12,16 256 4 -- 3 -- 6/2 USART -- -- 1 SAB 0515 SAB 3515-4 12 16 256 6 3 1 12/4 USART 4-ch -- 1 PL-CC-6 SAB 0535 -- SAB 0C515 6(E/A) SAB 0C535 12,16 256 3 1 12/4 USART 4-ch -- 1 PL-CC-6 -- +1(E) SAB 0C517 7(E/A) USART PL-CC-4 SAB 0C537 -- +11/2 (E) + UART 21-ch Yes P-QFR-100 12 256 12 4 2 14/4 SAB 051 Eigenschaften zusätzliche Eigenschaften im Vergleich zu SAB 051 * ROM-lose Version
20 2Der Mikrocontroller Übung 2.1 Sie wollen ein elektrisch gesteuertes Gerät auf den Markt bringen, von dem Sie erwarten, dass ca. 200 Stück in absehbarer Zeit abzusetzen sind. Das Gerät wird am Netz betrieben. Zur Steuerung sehen Sie einen Mikrocontroller vor. 1. Für welche Controllerversion entscheiden Sie sich; mit internem ROM oder ROM-los? Skizzieren Sie das Schaltungskonzept als Blockschaltbild auf. 2. Welchen Controllertyp setzen Sie ein? Wovon hängt Ihre Entscheidung ab? 2.2 Der Controllerbaustein 0515/0535 Folgendes Blockschaltbild gilt für die Controller 0515 und 0535 sowie mit minimalen Unterschieden auch für die Typen 0C515 und 0C535. Der Controller 0515 hat einen programmierten ROM-Speicher, der 0535 ist ROM-los. Die Controller 0C515 und 0C535 sind die CMOS-Versionen. Blockschaltbild des Controllers 0515/0535 XTAL1 XTAL2 V V V V CC SS PO BB OSC and Timing RAM 256 x ROM Kx (SAB 0515 only) PSEN RESET EA ALE CPU Watchdog Port 0 Port 0 -Bit Timer 0 Port 1 Port 1 -Bit Timer 1 Port 2 Port 2 -Bit Timer 2 Port 3 Port 3 -Bit Serial Port Port 4 Port 4 -Bit AN 0... AN 7 -Bit Baud Rate Generator AN MUX S&H A/D Port 5 Port 5 -Bit V AREF V AGNO Programmable Ref.Vollages
2.2 Der Controllerbaustein 0515/0535 21 Das gezeigte Blockschaltbild ist dem Users-Manual der Fa. Siemens entnommen, so wie die meisten Datenblätter in diesem Buch. Das Users-Manual ist, wie alle Daten- und Handbücher, in Englisch geschrieben. Da Sie in der Praxis mit solchen Unterlagen arbeiten müssen, werden sie auch in diesem Buch im Original übernommen und nicht ins Deutsche übersetzt. 2.2.1 Interne Funktionseinheiten des Controllers Die CPU Die CPU ist über das interne Bussystem mit den übrigen Funktionseinheiten verbunden. Die CPU selbst wird von den Baugruppen OSC and Timing (Oszillator und Zeitablauf) gesteuert. Zwischen den Anschlüssen XTAL1 und XTAL2 wird der Quarz angeschlossen, der den Systemtakt erzeugt. XTAL1 Quarz OSC and Timing CPU XTAL2 Der Speicher Der Controller 0515/0C515 enthält einen internen Programmspeicher von K. Beim Controller 0535/0C535 ist der interne Programmspeicher nicht nutzbar. Er benötigt einen externen Speicher, der über ein externes Bussystem angesprochen wird. Zum Aufbau des externen Bussystems werden die Ports 0und 2benötigt. Beide Controllertypen enthalten jedoch einen internen RAM-Speicher,inden die variablen Daten abgelegt werden können. Die parallelen Ports Der Controller ist mit sechs digitalen parallelen Ports zu je Bit ausgestattet. Die Ports lassen sich sowohl zur Eingabe wie auch zur Ausgabe von Daten verwenden. Einige Ports haben zusätzliche Alternativfunktionen, auf die per Programm umgeschaltet werden kann. RAM 256 Port 0 Port 1 Port 2 Port 3 Port 4 Port 5 ROM K (0515 only) je Bit