MICROCONTROLERE şi AUTOMATE PROGRAMABILE

1. MICROCONTROLEREşiAUTOMATE PROGRAMABILE

2. Informaţii utile CURS – 2h/săptamână: anul IV Inginerie electrică şi calculatoareLABORATOR - 1h/săptamână- sala Lab. FiabilitatePROIECT - 1h/săptamână- sala Lab. Fiabilitate PROIECT - promovatNOTA_final= 0.40 x NOTA_semestru + 0.60 x NOTA_Examenunde: NOTA_semestru = NOTA_lab x Nr_Prez_curs / 14 Bibliografie: Note de curs

3. 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.

4. UNITATE CENTRALĂ (CPU) RESURSE Interacţiune cu mediul exterior + + MEMORIE MICROCONTROLER MICROCIRCUIT (microprocesor)

5. 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.

6. CARACTERISTICI SPECIFICE DE CONTROL • sistem de conversieanalog numerică (una sau mai multe intrări analogice); • sistem de conversienumeric 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.

7. sistem completmicrocontroler + interfaţă cu mediul exterior • subsisteme de prelucrare analogică (amplificare, redresare, filtrare, protecţie-limitare); • elemente pentru izolare galvanică (optocuploare, transformatoare); • elemente de comutaţie de putere (tranzistoare de putere, relee electromecanice sau statice).

8. 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.

9. Aplicaţii ale microcontrolerelor • Roboţi umanoizi • 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; • 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.

10. Aplicaţii ale microcontrolerelor • Roboţi umanoizi • 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 de microcontrolere.

11. MEMORIE UNITATE DE CONTROL UNITATE ARITMETICĂ LOGICĂ Acumulator INTRARE IEŞIRE 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.

12. Memorie date Memorie instrucţiuni i n s t r u c ţ i u n i Date Intrare ALU Control Control Ieşire Ceas Stare 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).

13. 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.

14. 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.