Устройство контроля за уровнем аналоговых сигналов

а) использование специальных БИС упрощает разработку и обеспечивает высокое быстродействие системы в целом;

б) уменьшается время на разработку и отладку устройства.

Преимущества программной реализации такие;

а) меньшая стоимость и потребляемая мощность системы ;

б) меньшее количество компонент в системе, а значит выше надежность системы в целом;

в) время жизни системы значительно выше по сравнению с аппаратной реализацией;

г) возможность простой модификации системы (путем перепрограммирования).

Не смотря на то, что численно преимуществ программной реализации больше, чем у аппаратной, бывают случаи, где без аппаратной части просто не обойтись. Но не в данной задаче.

Глобальная задача обработки входных данных и принятия решения будет реализована программным путем, так как именно для этого предназначен микроконтроллер. Если же входные данные обрабатывать аппаратно (собрать схему на жесткой логике), тогда ТЗ теряет свой смысл, в нем оговорено спроектировать микроконтроллерное устройство, а значит для МК останется только задача формирования выдачи выходного сигнала. Хотя эту задачу нельзя назвать слишком уж простой, и осуществить ее решение на жесткой логике было бы затруднительно и дороговато.

И зачем пытаться что-то реализовать аппаратно, если можно без особых усилий достичь того же результата, используя микроконтроллер. Поэтому обработкой входных сигналов будет заниматься МК под управлением соответствующей программы.

К тому же чем меньше элементов будет в проектируемом устройстве тем оно будет надежнее и дешевле.

1.5. Возможные варианты структурных схем и их сравнительный анализ

Для реализации данного устройство можно предложить следующие варианты:

1) на микроконтроллере со встроенным АЦП;

2)

рис. 1.5.1 Структурная схема устройства на микроконтроллере со встроенным АЦП.

где :

ВС - входной аналоговый сигнал,

СД - сигналы данных для индикации (в том числе звуковой),

УС - сигналы управления индикацией

3) внешний АЦП + 3 портовый микроконтроллер без АЦП

рис. 1.5.2 Структурная схема устройства на микроконтроллере с внешним АЦП.

где :

ВС - входной аналоговый сигнал,

СД - сигналы данных для индикации (в том числе звуковой),

УС - сигналы управления индикацией

4) внешний АЦП + компоратор + дешевый 2 портовый

микроконтроллер.

рис. 1.5.3 Структурная схема устройства на микроконтроллере с внешним АЦП и блоком компорации.

где :

ВС - входной аналоговый сигнал,

СД - сигналы данных для индикации (в том числе звуковой)

УС - сигналы управления индикацией

ФК - флаг компорации (результат сравнения)

Кі1, Кі2 - константы нижнего и верхнего пороговых уровней

1.6 Обоснование выбора структурной схемы

Учитывая все аспекты, рассмотренные в п.1.4 ПЗ, мы выбираем 1 вариант реализации (на микроконтроллере со встроенным АЦП).

1.7. Обоснование выбора ОМК для решаемой задачи

Для решения данной задачи необходим МК, который содержит в себе следующие характеристики в соответствии с ТЗ:

1) Встроенный АЦП с разрядностью 8р.

2) имеет 1 линий для ввода аналогового сигнала

3) имеет 14 линий вывода (8 - входные данные для семисегментные световые индикаторы, 3 - для выбора индикатора, 2-для светодиодов и 1- для динамика );

4) позволяет использовать кварцевый и внешний генератор;

5) имеет в наличии ПЗУ;

6) будет доступным и сравнительно недорогим.

7) иметь достаточное быстродействие

Еще одним немаловажным моментом является наличие документации на МК, чтобы правильно его запрограммировать.

Учитывая все требования, нами был выбран микроконтроллер PIC16C72, так как он в наибольшей степени удовлетворяет всем вышесказанным условиям.

Но поскольку оценить нужное быстродействие без написания программы трудно, возможно нам придется заменить его на микроконтроллер того же семейства 16с7х но более быстродействующий.

2. Структурная схема устройства и её описание

2.1Структурная схема

После обоснования выбора структурной схемы устройства останавливаемся на схеме с микроконтроллером со встроенным АЦП. Структурная схема приведена на рисунке 2.1.

рис. 2.1 Структурная схема устройства на микроконтроллере со встроенным АЦП.

где :

ВС - входной аналоговый сигнал,

СД - сигналы данных для индикации (в том числе звуковой),

УС - сигналы управления индикацией

2.1.1 Назначение отдельных функциональных блоков

Блок ЦПУ предназначен для преобразования входного аналогового сигнала в цифровое представление, сравнения этого значения с константами и в зависимости от результата сравнения осуществлять управление устройством индикации, предварительно преобразовав информацию о уровне аналогового входного сигнала в форму пригодную для блока индикации.

Блок индикации предназначен для вывода информации о уровне входного аналогового сигнала, в виде десятичных чисел, с заданными количеством знакомест и частотой обновления данных. Кроме того блок индикации с помощью двух светодиодов и динамика информирует попадает ли уровень сигнала в область, ограниченную константами Кі1 и Кі2.

2.2 Описание принципа действия и общий алгоритм работы

Аналоговый сигнал, поступающий на вход АЦП микроконтроллера, преобразовывается в цифровое представление. Затем микроконтроллер сравнивает уровень входного сигнала с двумя константами, хранящимися в ПЗУ, и в зависимости от результата сравнения подает сигналы на динамик и светодиоды, по линиям СД. Кроме того микроконтроллер преобразовывает информацию о уровне аналогового входного сигнала в форму пригодную для блока индикации, эта информация передается по линиям СД.

Обновление информации на блоке индикации целиком зависит от МК, оно происходит с заданной частотой 44 Гц. По линиям УС, от микроконтроллера в блок индикации, передаются сигналы, предназначенные для выбора знакоместа.

Тактирование

поскольку на устройство наложены достаточно жесткие меры по скорости измерения мы будем использовать кварцевый генератор, кроме того с помощью замены кварца мы можем варьировать временем выполнения программы.

4. Расчет потребляемой мощности и определение требований к источникам питания.

4.1 Расчет потребляемых токов

Расчет потребляемых токов сводится к тому, что необходимо определить суммарное потребление тока всеми микросхемами, то есть:

(4.1)

где Iобщ - общий ток, потребляемый устройством,

Ik - ток, потребляемый k-той микросхемой,

m - общее число микросхем,

n - число микросхем данного типа.

*При условии индикации «8». Поскольку у нас динамическая индикация, то одновременно горит только один индикатор, поэтому общий потребляемый ток равен 35 mA( тоже самое и со светодиодами).

Получаем общий ток потребления:

Iобщ = 25 + 35 + 10+ 25 = 95 mA

4.2 Расчет потребляемой мощности

Расчет потребляемой мощности сводится к тому, что необходимо определить мощность потребляемую устройством, то есть:

(4.2)

где Робщ - общая потребляемая мощность,

Uпит - напряжение питания,Iобщ - общий ток потребления.

Принимаем потребляемую мощность не более 0,5 Вт.

4.3 Расчет надежности

Интенсивность отказов характеризуется отношением числа изделий в единицу времени к числу изделий, продолжающих оставаться исправными к началу рассматриваемого промежутка времени:

(4.3)

где m - число изделий, отказавших за время t,

N - число исправно работающих изделий к началу промежутка времени.

Интенсивность отказов элементов следующая:

микросхемы - 0.8510-6 (ч-1),

резисторы - 0.910-6 (ч-1),

конденсаторы - 1.410-6 (ч-1).

Тогда,

(ч-1)

Поскольку не учтена интенсивность отказа некоторых элементов примем что наработка на отказ составит около 35 000 часов. Такую надежность устройства можно считать приемлемой.

5. Расчет временных параметров

По ТЗ разрабатываемое устройство должно проводить динамическую индикацию с частотой 44Гц. И, в определенной ситуации, звуковую индикацию, с частотой последовательности импульсных сигналов 3730 Гц.

Для соблюдения поставленных в ТЗ условий нам потребуется выполнять процедуру динамической индикации через время tди=22727 мкс, а процедуру звуковой индикации через время tзи=268 мкс.

Нам известно что скорость выполнения одной команды, при использовании PIC16C72, тактируемого от кварца 4Мгц, занимает четыре такта (не считая goto и т.п.), т.е скорость выполнение среднестатистической команды равна 1 МГц. Значит наша процедура динамической индикации должна срабатывать каждые 22727 командных циклов микроконтроллера, а процедура звуковой индикации каждые 268 командных циклов.

Кроме того нам известно, что АЦ преобразование в выбранном нами микроконтроллере (PIC16C72) длиться не более 20 мкс.

Эти данные будут нужны при настройке таймеров и задержек в программе.

6. Разработка и отладка рабочей программы .

Возможно предложить следующие варианты решения поставленной задачи:

1. Написать программу которая в непрерывном цикле Производит АЦП преобразование, перевод результата в семисегментный код, и осуществляет динамическую индикацию.

Преимущества : легко написать программу (не сложный алгоритм)

Недостатки: труднее высчитывать задержки для обеспечения динамической и звуковой индикации с заданной частотой. Из-за не постоянного времени выполнения процедуры преобразования в семисегментный код, не получиться обеспечить точную частоту обновления.

2. Написать программу которая в непрерывном цикле Производит АЦП преобразование, перевод результата в семисегментный код. Складывает результаты в буффер. По прерываниям таймеров происходит динамическая и звуковая индикация.

Преимущества: данный подход обеспечит точную частоту звуковой и динамической индикации. Не нужно подбирать задержки для индикаций. Можно чаще снимать данные с АЦП и выводить их позднее, а это уменьшает вероятность того, что мы пропустим резкое изменение уровня входного сигнала.

Недостатки: разработка программы усложниться за счет использования таймеров и прерываний от них. Кроме того нужно каким-то образом организовать буфер для хранения результатов АЦП.

Учитывая все вышесказанное, мы выбираем 2 вариант, т.к. на наш взгляд он более приспособлен для решения поставленной задачи.

6.1. Блок-схемы алгоритмов и их описание

6.2. Структура программы

Микроконтроллер выполняет следующие функции:

прием аналогового сигнала ;

АЦП преобразование ;

Преобразования результата АЦП в семисегментный код ;

принятие решения о выходе уровня входного сигнала за пороговые уровни.

Вывод преобразованных значений на светодиодные индикаторы(осуществление динамической индикации с заданной частотой)

выдача сигнальных сообщений на светодиоды и динамик.

Программа содержит следующие участки программы:

INIT - производит перевод всех портов и регистров устройства в исходное состояние;

MAIN - основная программа;

IRQTMR1 - подпрограмма обработки прерывания от таймера1 (для динамической индикации)

IRQTMR2 - подпрограмма обработки прерывания от таймера2

(для звуковой индикации)

INDICATION - подпрограмма обновления состояния индикатора;

BINTOSEVEN - подпрограмма перевода числа из двоичного кода в семисегментный код.

SOUNDINDICATION - подпрограмма звуковой индикации

6.3. Текст программы.

Текст программы приведен в приложении А.

6.4. Технология отладки программы

При разработке и отладке программы была использована бесплатная программа Mplab предоставляемая фирмой Microchip.

MPLAB - это интегрированная среда разработки (IDE) для семейства микроконтроллеров PICmicro фирмы Microchip Technology Incorporated. MPLAB позволяет писать, отлаживать и оптимизировать программы для Ваших разработок. MPLAB включает текстовый редактор, симулятор (виртуальный отладчик), менеджер проектов и поддерживает эмуляторы (внутрисхемные отладчики) MPLAB-ICE и PICMASTER , программаторы PICSTART Plus и PRO MATE II и другие средства и инструменты разработок фирмы Microchip и других фирм.

Инструментальные средства MPLAB, организованные как ниспадающие меню и определяемые быстрые клавиши, позволяют:

- ассемблировать, компилировать исходный текст;

- отлаживать логику работы, наблюдая с помощью симулятора или, в реальном времени, с эмулятором MPLAB-ICE ;

- просматривать переменные в окнах просмотра;

- программировать кристаллы с помощью программаторов PICSTART Plus или PRO MATE II

- и многое другое.

Так как MPLAB не корректно работает с АЦП, отладка программы выполнялась путем замены результата АЦП числами, которые не выходили за пороговые значения(заданными константами К1 и К2) и на числа которые:

а) меньше нижней границы ;

б) больше верхней границы .

6.5. Технология отладки программы

6.5.1. Компиляция (с распечаткой всех файлов, полученных во время компиляции: obj, lst, erl, sym)

В ходе компиляции был получен объектный модуль и НЕХ - файл пригодный для прошивки в память микроконтроллера.

Приведем фрагменты файлов полученных во время компиляции:

Файл KURSOV.lst:

MPASM 02.50.02 Intermediate KURSOV.ASM 4-20-2006 9:09:06 PAGE 1

LOC OBJECT CODE LINE SOURCE TEXT

VALUE

00001 list p=16C72

00002 #include <P16C72.inc>

00001 LIST

00002 ; P16C72.INC Standard Header File, Version 1.01 Microchip Technology, Inc.

Страницы: 1, 2, 3