🏠 Главная · Микропроцессорные системы · 4 курс · Практические задания · Практическая работа 9

---

Практическая работа № 9

Разработка технического задания и структурной схемы микропроцессорной системы управления

Дисциплина: МДК.02.01 «Микропроцессорные системы»
Специальность: 09.02.01 «Компьютерные системы и комплексы»
Курс: 4
Рекомендуемая продолжительность: 4 академических часа

1. Цель работы

Научиться переводить описание объекта управления в формализованные требования к микропроцессорной системе, разрабатывать техническое задание, выбирать состав основных функциональных блоков и изображать их взаимодействие на структурной схеме.

2. Планируемые результаты

После выполнения работы студент должен уметь:

• анализировать объект управления и выделять его основные состояния;
• определять входные и выходные сигналы системы;
• формулировать функциональные и технические требования;
• задавать нормальный, аварийный и сервисный режимы;
• выбирать обобщённую структуру микропроцессорной системы;
• определять назначение процессора или микроконтроллера, памяти, интерфейсов ввода-вывода, средств индикации и связи;
• оформлять ведомость сигналов I/O Map и рассчитывать требуемые аппаратные ресурсы с резервом;
• разрабатывать читаемую структурную схему с обозначением направлений сигналов;
• составлять критерии приёмки и план проверки системы;
• обосновывать принятые инженерные решения.

3. Теоретические сведения

Микропроцессорная система управления получает сведения об объекте с помощью датчиков, обрабатывает их по заданному алгоритму и формирует управляющие воздействия на исполнительные устройства.

Проектирование начинается не с выбора конкретной платы или микросхемы, а с анализа задачи:

1. Что является объектом управления?
2. Какова цель управления?
3. Какие величины необходимо измерять?
4. Какие воздействия система должна формировать?
5. Какие режимы и аварийные ситуации необходимо учитывать?
6. По каким признакам можно проверить правильность работы?

Рисунок 1 — Последовательность разработки технического задания и структурной схемы

3.1. Техническое задание

Техническое задание, ТЗ — документ, в котором определены назначение системы, условия её работы, функции, требования, состав результатов и критерии приёмки.

Хорошее требование должно быть:

• однозначным — допускает только одно толкование;
• измеримым — содержит проверяемый параметр или состояние;
• реализуемым — может быть выполнено при заданных ограничениях;
• необходимым — связано с назначением системы;
• непротиворечивым — согласовано с другими требованиями.

Фраза «система должна работать быстро» не является проверяемым требованием. Корректнее: «после достижения аварийного уровня система должна отключить насос не позднее чем через 1 с».

3.2. Декомпозиция исходного условия

Рисунок 2 — Преобразование описания объекта в разделы технического задания

Измеряемые величины преобразуются во входные сигналы, управляющие воздействия — в выходные сигналы, а ограничения и аварийные ситуации — в проверяемые требования.

3.3. Структурная схема

Структурная схема показывает основные функциональные блоки системы и связи между ними. Она отвечает на вопросы:

• из каких частей состоит система;
• что поступает на вход каждого блока;
• какой результат блок формирует;
• в каком направлении передаются данные и управляющие сигналы.

Рисунок 3 — Обобщённая структура микропроцессорной системы управления

На структурной схеме не требуется изображать каждый резистор или вывод микросхемы. Эти сведения относятся к принципиальной электрической схеме. Однако необходимо показать функционально значимые интерфейсы: аналоговый вход, дискретный вход, GPIO, ADC, UART, I²C, SPI, силовой драйвер, релейный модуль и другие применённые средства.

3.4. Минимальный состав проектируемой системы

В зависимости от варианта структурная схема должна включать:

• объект управления;
• датчики и органы ручного ввода;
• согласование входных сигналов и защиту входов;
• процессор или микроконтроллер;
• память программы и данных;
• выходные интерфейсы и силовые драйверы;
• исполнительные устройства;
• интерфейс оператора;
• питание, тактирование и сброс;
• интерфейс связи или диагностики, если он требуется вариантом.

Если выбрана однокристальная микроЭВМ, встроенные Flash, RAM, GPIO, таймеры и ADC следует показать внутри границы блока микроконтроллера. Если выбрана система на отдельном микропроцессоре, внешнюю память и порты ввода-вывода следует показать отдельными блоками.

3.5. Связь структурной схемы с организацией шин

Для системы на отдельном микропроцессоре необходимо показать системную магистраль:

• шина адреса определяет выбранную память или порт;
• двунаправленная шина данных переносит команды и значения;
• шина управления содержит RD, WR, CS, RESET, CLK и при необходимости READY/WAIT, IRQ/INT.

Рисунок 4 — Адрес, данные и управление связывают вычислительное ядро, память и периферию

Для микроконтроллерной реализации внешние датчики и исполнительные устройства обычно подключаются через GPIO, ADC, PWM, UART, I²C или SPI. При этом внутренняя связь ядра, памяти и периферийных модулей также имеет шинную организацию, хотя отдельные линии адреса и данных не выведены из корпуса.

4. Задание

Для объекта управления, заданного вариантом:

1. Проанализировать назначение и условия работы системы.
2. Составить перечень исходных данных и принятых допущений.
3. Выделить управляемые параметры, входные воздействия и выходные команды.
4. Разработать техническое задание по шаблону раздела 6.
5. Составить таблицу входных сигналов.
6. Составить таблицу выходных сигналов.
7. Описать нормальный, ручной, сервисный и аварийный режимы.
8. Рассчитать требуемые ресурсы: GPIO, каналы ADC, таймеры, PWM, интерфейсы и память; предусмотреть резерв.
9. Выбрать обобщённую аппаратную структуру МПС методом Top-Down.
10. Разработать структурную схему и подписать связи между блоками.
11. Обосновать выбор основных блоков, интерфейсов и способов согласования сигналов.
12. Составить не менее восьми проверок для приёмочных испытаний.
13. Сформулировать вывод по работе.

5. Требования к результату

Работа оформляется в одном отчёте. Отчёт должен содержать:

1. название и цель работы;
2. номер и условие варианта;
3. исходные данные и допущения;
4. техническое задание;
5. ведомость сигналов I/O Map;
6. расчёт ресурсов МПС с резервом;
7. структурную схему;
8. обоснование состава системы;
9. алгоритм работы верхнего уровня;
10. план испытаний;
11. ответы на контрольные вопросы;
12. вывод.

Обязательные правила оформления схемы

• каждый блок имеет краткое и однозначное название;
• стрелками показано направление передачи сигналов;
• возле стрелок указаны типы сигналов или интерфейсы;
• датчики расположены со стороны входов, исполнительные устройства — со стороны выходов;
• показаны питание, RESET и тактирование;
• указаны средства защиты для опасных или мощных нагрузок;
• линии не должны проходить через подписи и блоки;
• схема должна читаться без обращения к пояснительному тексту.

6. Шаблон технического задания

6.1. Наименование системы

Указать полное название проектируемой микропроцессорной системы.

6.2. Назначение и цель создания

Описать объект, пользователя и ожидаемый результат автоматизации.

6.3. Характеристика объекта управления

Указать:

• назначение объекта;
• управляемые процессы;
• диапазоны контролируемых величин;
• внешние воздействия;
• опасные и недопустимые состояния.

6.4. Функции системы

Сформулировать не менее шести функций. Использовать проверяемые глаголы: «измерять», «сравнивать», «включать», «отключать», «поддерживать», «регистрировать», «отображать», «передавать», «сигнализировать».

6.5. Входные сигналы

Заполнить таблицу.

№	Обозначение	Источник и назначение	Тип и диапазон	Электрический уровень	Интерфейс / ресурс	Обработка и защита	Период / время реакции
1
2
3

Типы сигналов могут быть аналоговыми, дискретными, импульсными или цифровыми интерфейсными. Не следует автоматически назначать интерфейс датчику без проверки принципа его работы.

6.6. Выходные сигналы

№	Обозначение	Получатель и действие	Тип сигнала	Напряжение / ток нагрузки	Интерфейс или драйвер	Развязка / защита	Безопасное состояние
1
2
3

Для двигателя, нагревателя, насоса, клапана или другой мощной нагрузки необходимо предусмотреть силовой драйвер, реле, транзисторный ключ или частотный преобразователь. Подключение такой нагрузки непосредственно к выводу микроконтроллера недопустимо.

6.7. Режимы работы

Описать:

• автоматический режим — основной алгоритм;
• ручной режим — допустимые действия оператора;
• сервисный режим — диагностика датчиков и выходов;
• аварийный режим — безопасная реакция на отказ или выход параметра за пределы.

6.8. Функциональные требования

Каждое требование получает идентификатор: FR-01, FR-02 и далее.

Пример:

FR-01. Система должна измерять температуру не реже одного раза в 2 с.
FR-02. При температуре выше 35 °C система должна включить вентилятор.
FR-03. При отказе датчика система должна отключить нагреватель и включить аварийную индикацию.

6.9. Нефункциональные требования

Сформулировать требования к:

• времени реакции;
• точности измерения;
• напряжению питания и потребляемой мощности;
• условиям эксплуатации;
• надёжности и поведению после сброса;
• электрической и функциональной безопасности;
• интерфейсу оператора;
• диагностике и хранению настроек.

Требования получают идентификаторы NFR-01, NFR-02 и далее.

6.10. Требования к аппаратной структуре

Указать:

• тип вычислительного ядра: микропроцессор или микроконтроллер;
• минимально необходимые объёмы Flash/ROM и RAM на уровне обоснованной оценки;
• требуемое количество аналоговых и дискретных входов;
• количество выходов и типы драйверов;
• таймеры, счётчики и каналы PWM;
• интерфейсы связи;
• средства индикации и управления;
• требования к питанию, сбросу и защите.

Конкретную модель микроконтроллера разрешается выбрать после определения требований. Выбор необходимо обосновать количеством входов-выходов, наличием нужных интерфейсов, таймеров, памяти и диапазоном питания.

После заполнения I/O Map выполнить сводный расчёт ресурсов.

Ресурс	Требуется по I/O Map	Резерв	Итоговое требование
Дискретные входы DI
Дискретные выходы DO
Аналоговые входы AI/ADC
Импульсные входы / входы счётчика
Каналы PWM
Таймеры
UART, I²C, SPI, другие интерфейсы
Flash/ROM
RAM

Для GPIO, памяти и каналов периферии рекомендуется предусмотреть обоснованный резерв. В учебной работе допустимо принять резерв 20 %, округляя число линий вверх, если условием не задано иное.

6.11. Критерии приёмки

Для каждого критического требования определить проверку и ожидаемый результат. Проверка должна учитывать не только правильное логическое действие, но и допустимое время реакции системы.

№	Проверяемое требование	Начальные условия	Действие	Ожидаемый результат
1
2
3

7. Порядок выполнения работы

Этап 1. Анализ объекта

Выписать существительные и глаголы из условия варианта. Существительные обычно указывают на датчики, исполнительные устройства и элементы интерфейса; глаголы — на функции системы.

Этап 2. Определение границ системы

Отделить проектируемую МПС от объекта управления. Например, резервуар относится к объекту, датчик уровня — к измерительной части системы, а насос — к исполнительной части.

Этап 3. Разработка таблиц ввода-вывода

Составить единую ведомость I/O Map. Для каждого сигнала определить направление, форму представления, физический уровень, диапазон, способ обработки, защиту и требуемый интерфейс. Для кнопок предусмотреть антидребезг; для аналоговых каналов — согласование диапазона и фильтрацию; для длинных линий — помехозащиту; для силовых цепей — драйвер и при необходимости гальваническую развязку.

Этап 4. Формирование требований

Записать не менее:

• 8 функциональных требований;
• 5 нефункциональных требований;
• 3 требований безопасности или отказоустойчивости;
• 8 критериев приёмки.

Этап 5. Выбор структуры

Применить нисходящее проектирование Top-Down: функция системы → требования → сигналы → ресурсы → архитектура → конкретные элементы. Определить, какие функции выполняет каждый блок. Не заменять обоснование фразой «выбрана плата Arduino». Сначала рассчитываются необходимые ресурсы, затем выбирается подходящее устройство.

Этап 6. Разработка структурной схемы

Нанести блоки и связи. Для цифровых интерфейсов указать название протокола, для аналоговых сигналов — наличие ADC, для мощных нагрузок — драйвер и отдельную цепь питания. Если выбрана микропроцессорная архитектура с внешней памятью, отдельно показать шины адреса, данных и управления и обозначить направление передачи.

Этап 7. Проверка проекта

Сопоставить каждый вход и выход из таблиц с блоком на схеме. Проверить наличие реакции на отказ датчика, обрыв связи, пропадание питания и недопустимое состояние объекта.

8. Пример фрагмента выполнения

Объект: камера хранения материалов.
Цель: поддержание температуры и контроль доступа.

Фрагмент требования:

FR-01. Система должна измерять температуру в диапазоне от 0 до 50 °C.
FR-02. При температуре выше 28 °C система должна включить вентилятор.
FR-03. При открытии двери более чем на 60 с система должна включить звуковую сигнализацию.
NFR-01. Время реакции на аварийное открытие двери — не более 1 с.

Фрагмент структуры:

датчик температуры → входной интерфейс → MCU → драйвер → вентилятор
датчик двери → цифровой вход MCU → звуковой индикатор
клавиатура ↔ MCU ↔ дисплей

Этот пример показывает уровень детализации, но не является готовым решением вариантов.

9. Варианты заданий

Общее требование для всех вариантов: предусмотреть автоматический и ручной режимы, индикацию состояния, аварийную сигнализацию, безопасное состояние выходов после RESET и не менее восьми приёмочных проверок.

№	Объект и назначение	Обязательные входные данные	Управляющие воздействия	Специальное требование
1	Теплица: поддержание микроклимата	температура воздуха, влажность воздуха, влажность почвы, уровень воды	нагреватель, вентилятор, полив, освещение	вести журнал аварийных отклонений
2	Накопительный резервуар: поддержание уровня	нижний и верхний уровни, непрерывный уровень, состояние насоса	насос наполнения, сливной клапан	исключить сухой ход и переполнение
3	Конвейер сортировки деталей	наличие детали, цвет или метка, положение механизма, аварийная кнопка	двигатель ленты, исполнитель сортировки, сигнализация	подсчитывать изделия по категориям
4	Система контроля доступа в лабораторию	идентификатор пользователя, датчик двери, кнопка выхода, датчик вскрытия	электрозамок, световая и звуковая индикация	сохранять последние 20 событий
5	Учебный инкубатор	температура, влажность, датчик положения лотка, уровень воды	нагреватель, увлажнитель, вентилятор, привод поворота	при отказе датчика отключать нагрев
6	Сушильный шкаф	температура в двух точках, влажность, датчик двери	нагреватель, вентилятор, заслонка	реализовать профиль из трёх стадий с таймером
7	Автоматический шлагбаум	датчик автомобиля, концевики, фотобарьер, команда оператора	привод подъёма и опускания, светофор	запрещать закрытие при препятствии
8	Двухзонная пожарная сигнализация	дым и температура в каждой зоне, кнопка подтверждения	сирена, световые указатели, отключение вентиляции	различать предупреждение и пожар
9	Освещение учебной аудитории	освещённость, присутствие, команды панели, состояние окон	две группы светильников, жалюзи	автоматический режим не должен мешать ручному
10	Насосная станция	давление, расход, уровни в резервуаре, состояние двух насосов	два насоса, перепускной клапан	обеспечить чередование основного насоса
11	Аквариум	температура воды, уровень, мутность, время	нагреватель, аэратор, освещение, дозатор корма	запретить нагрев при низком уровне
12	Холодильная камера	температура в двух точках, датчик двери, ток компрессора	компрессор, вентилятор, нагреватель оттайки	регистрировать длительность выхода из нормы
13	Зерновой силос	температура в трёх точках, влажность зерна, уровень заполнения	вентилятор, заслонка, сигнализация	выявлять недостоверный датчик сравнением каналов
14	Двухосевой солнечный трекер	освещённость по четырём направлениям, концевики, скорость ветра	два привода, тормоз	при сильном ветре переходить в безопасное положение
15	Модель железнодорожного переезда	датчики приближения и удаления, положение шлагбаума, контроль ламп	шлагбаум, красные огни, звонок	предусмотреть безопасное состояние при отказе датчика
16	Автономная метеостанция	температура, влажность, давление, осадки, скорость ветра	обогрев датчика, привод защитной крышки, индикация	передавать измерения по последовательному интерфейсу
17	Лабораторный термостат	температура рабочего объёма, температура нагревателя, команда задания	нагреватель, вентилятор	ограничить перегрев независимо от основного алгоритма
18	Вентиляция склада	температура, влажность, качество воздуха, состояние двери	два вентилятора, воздушная заслонка	поддерживать ручное и автоматическое управление
19	Установка дозирования жидкости	масса или объём, наличие тары, положение клапана, аварийная кнопка	подающий насос, дозирующий клапан, конвейер	обеспечить остановку при отсутствии тары
20	Учебная модель лифта на четыре этажа	кнопки этажей, датчики положения, концевики дверей, перегрузка	двигатель кабины, привод дверей, индикация	движение разрешено только при закрытых дверях
21	Светофор регулируемого перекрёстка	кнопки пешеходов, датчики транспорта, аварийный вход	транспортные и пешеходные секции	исключить одновременный разрешающий сигнал конфликтующих направлений
22	Птичник: поддержание условий содержания	температура, влажность, освещённость, уровень корма и воды	вентиляция, нагрев, освещение, подача корма	формировать раннее предупреждение до аварийного порога
23	Холодильник для медицинских препаратов	два датчика температуры, датчик двери, наличие сетевого питания	компрессор, вентилятор, сирена	сохранять значения температуры при нарушении режима
24	Система полива участка из четырёх зон	влажность почвы по зонам, уровень резервуара, датчик дождя	насос, четыре электроклапана	не включать полив при дожде или пустом резервуаре
25	Контроллер резервного аккумулятора	напряжение, ток, температура, наличие внешнего питания	зарядный ключ, отключение нагрузки, вентилятор	предусмотреть защиту от перегрева, перезаряда и глубокого разряда

10. Указания по распределению вариантов

Номер варианта - номер по списку, номер можно вычислить:

Изменять обязательные входы, выходы и специальное требование нельзя. Дополнительные функции разрешены, если они не противоречат условию и отражены в техническом задании.

11. Критерии оценивания

Раздел работы	Максимум, баллов	Проверяемый результат
Анализ объекта и исходные данные	10	определены цель, границы системы, состояния и допущения
Таблицы входов и выходов	15	сигналы полны, направления и интерфейсы указаны корректно
Функциональные требования	15	требования однозначны, измеримы и связаны с вариантом
Нефункциональные требования и безопасность	10	учтены время реакции, питание, отказ датчиков и безопасные состояния
Расчёт ресурсов и обоснование МПС	15	составлена I/O Map, учтены GPIO, ADC, таймеры, интерфейсы, память и резерв
Структурная схема	20	схема полна, читаема, связи и направления обозначены
План испытаний	10	проверки воспроизводимы и содержат ожидаемый результат
Оформление и вывод	5	соблюдена структура отчёта, термины употреблены правильно
Итого	100

Перевод баллов в оценку:

• 90–100 баллов — «отлично»;
• 70–89 баллов — «хорошо»;
• 50–69 баллов — «удовлетворительно»;
• менее 50 баллов — «неудовлетворительно».

Существенные ошибки

Работа не может получить оценку выше «удовлетворительно», если:

• отсутствует структурная схема;
• не показан хотя бы один обязательный вход или выход варианта;
• мощная нагрузка подключена непосредственно к CPU или MCU;
• отсутствует безопасная реакция на критический отказ;
• техническое задание состоит только из описания устройства и не содержит проверяемых требований.

12. Контрольные вопросы

1. Чем техническое задание отличается от описания идеи устройства?
2. Почему выбор микроконтроллера выполняют после определения требований?
3. Какие требования называют функциональными?
4. Что относится к нефункциональным требованиям?
5. Как определить границы проектируемой системы?
6. Чем структурная схема отличается от принципиальной электрической схемы?
7. Какие блоки входят в минимальный состав МПС управления?
8. Когда необходим аналого-цифровой преобразователь?
9. Почему мощной нагрузке нужен отдельный драйвер?
10. Что такое безопасное состояние выхода?
11. Для чего системе необходим сигнал RESET?
12. Какие данные следует хранить в энергонезависимой памяти?
13. В каких случаях требуется таймер или канал PWM?
14. Что должно быть указано возле линии связи на структурной схеме?
15. Как превратить требование в приёмочную проверку?

13. Контрольный лист перед сдачей

• Указан номер варианта.
• Определены цель и границы системы.
• Все обязательные входы внесены в таблицу.
• Все обязательные выходы внесены в таблицу.
• Указаны типы сигналов и интерфейсы.
• Для сигналов указаны электрические уровни, обработка и защита.
• Сформулировано не менее 8 функциональных требований.
• Сформулировано не менее 5 нефункциональных требований.
• Описаны нормальный, ручной, сервисный и аварийный режимы.
• Определены безопасные состояния исполнительных устройств.
• Обоснованы вычислительное ядро, память и интерфейсы.
• Выполнен сводный расчёт ресурсов с резервом.
• На схеме показаны питание, тактирование и RESET.
• Силовые нагрузки подключены через драйверы.
• Все стрелки имеют направление, важные связи подписаны.
• Составлено не менее 8 приёмочных проверок.
• Вывод связан с целью работы.

14. Вывод

В выводе необходимо кратко указать:

• какой объект управления был проанализирован;
• какие функции должна выполнять разработанная МПС;
• какие блоки включены в структуру;
• какие требования определили выбор интерфейсов и средств защиты;
• каким способом будет проверяться соответствие проекта техническому заданию.

Пример выполнения практической работы

---

Практическая работа № 9 →

Оригинал материала на GitHub