Проектирование цифровых систем передачи

Оглавление

Введение и постановка задачи

 

1. Введение

С течением времени минимизация персональных компьютеров (ПК) дошла до такой степени, что полнофункциональный ПК может помещаться на ладони. Такие компьютеры называют “карманными персональными компьютерами” (КПК) или иначе “наладонниками”. КПК обладает меньшим быстродействием, но может выполнять многие функции обычного ПК, такие как: набор и редактирование текстов, работа с Internet, работа с электронной почтой, работа с базами данных, и многое другое. С помощью плат расширения КПК можно наделить цифровой камерой, модемом, mp3-плейером, сканером бар-кода, GPS-приемником и модулем Bluetooth. Однако, в данной бочке мёда существует и ложка дёгтя - это устройства ввода информации. Стандартно, на КПК есть шесть кнопок, которые можно запрограммировать на выполнение определённых действий, и стилус – перо, с помощью которого можно вводить текст, используя панель Graffiti или экранную клавиатуру. Использование подобных органов управления часто вызывает неудобства, связанные с тем, что работать с программным обеспечением приходится двумя руками. Одной рукой удерживается КПК, а другой рукой вводится информация с помощью стилуса. Большинство операций, которые пользователи обычных ПК привыкли делать с помощью клавиатуры, не могут быть реализованы на малом количестве кнопок КПК. В связи с этим остро встаёт проблема расширения органов ввода для КПК, которые бы могли совмещать в себе компактность и возможность оперирования одной рукой. Практически каждая фирма-производитель КПК имеет свои разработки в этой области, но ни одна из них этих разработок ещё не внедрена. Одним из перспективных направлений развития органов управления и ввода информации является ввод информации с помощью пространственных жестов руки, удерживающей КПК. Однако данный метод ввода информации ещё не реализован, нет информации как по сенсорам, с помощью которых можно реагировать на изменение угловой ориентации КПК, так и по организации взаимодействия этих сенсоров с программным обеспечением КПК. В рамках данного дипломного проекта реализована идея управления программным обеспечением КПК фирмы Palm Inc. с помощью инерционных сенсоров и специального программного обеспечения, позволяющего по показаниям этих сенсоров судить о выполнении определённых жестов.

 

2. Техническое задание на дипломный проект

• Разработать модуль сенсора, по показаниям которого можно однозначно определить угловую ориентацию его чувствительных осей в трёхмерной системе координат. Модуль сенсора должен передавать свои показания по последовательному интерфейсу RS-232C.
• Разработать алгоритмы опроса модуля сенсора и распознавания совершения определённых жестов руки показанных на рис. 1.1.

Рис. 0.1 Базовые движения. Push (сверху) и Flip (снизу)

 

• Разработать методику взаимодействия  программного обеспечения для КПК с инерционным сенсором посредством разделяемого ресурса базы данных инерционного сенсора.
• Разработать программу, наглядно демонстрирующую возможности управления приложениями для КПК с помощью пространственных жестов руки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Разработка модуля инерционного сенсора

1. Предложение и обоснование подхода к созданию сенсора

 

Для решения задачи определения угловой ориентации в трёхмерном пространстве, необходимы сенсоры, которые были бы чувствительны к изменению углового положения объекта. Стандартным подходом для решения таких задач является использование гироскопов, но из-за их дороговизны и больших размеров необходимо искать другие пути решения поставленной задачи. Одним из перспективных методов определения ориентации в пространстве является использование акселерометров – сенсоров, которые измеряют суперпозицию векторов гравитации и линейного ускорения на свою чувствительную ось. Для решения задачи ориентации в трёхмерном пространстве потребуется не менее трех акселерометров, и их следует расположить так, чтобы их чувствительные оси были взаимно ортогональны. Сенсоры, построенные на базе акселерометров, получили название “инерционных сенсоров”. Однако, только с помощью акселерометров исходную задачу ориентации решить невозможно, так как по проекциям вектора гравитации на чувствительные оси акселерометров нельзя определить угол поворота модуля инерционного сенсора в горизонтальной плоскости. Необходимо использовать дополнительные типы датчиков для измерения некой физической величины, в основе анализа которой можно было бы определить угловую ориентацию в пространстве. Причем координаты новой физической величины должны образовывать вектор, который будет неколлинеарен вектору гравитации. В качестве такой величины будем использовать вектор естественного магнитного поля Земли, так как его проекцию можно измерить с помощью магниторезистивных сенсоров, а сам геомагнитный вектор неколлинеарен вектору гравитации в подавляющем большинстве поверхности Земли.

 

2. Разработка структурной схемы модуля инерционного сенсора

 

Промышленность выпускает достаточно большое количество акселерометров в интегральном исполнении. Друг от друга они отличаются сравнительно большим набором характеристик, из этого набора нас интересуют следующие:

• Диапазон измерений
• Количество осей
• Цифровые выходы
• Смещение нуля
• Ошибка
• Полоса пропускания

Исследования рынка микросхем показали, что можно найти цифровые акселерометры довольно маленьких размеров, с двумя чувствительными осями, ортогональными друг другу.

С магнитными сенсорами ситуация немного другая. Из большого количества магнитных сенсоров можно выделить магниторезистивные сенсоры в интегральном исполнении. Они компактны, но у них аналоговые выходы. Можно подобрать магниторезистивный сенсор с тремя чувствительными, ортогональными друг другу осями. Следовательно, для реализации модуля инерционного сенсора с использованием магниторезистивных сенсоров потребуется АЦП, для перевода данных полученных с сенсора в цифровую форму, и ЦАП для перевода начального смещения в аналоговую форму, также следует использовать блоки усилителей, для согласования уровней сигналов аналоговых выходов магниторезистивного сенсора и аналоговых выходов ЦАП. Для получения достоверных данных с магниторезистивного сенсора необходимо проводить его размагничивание перед каждым снятием данных. Для этого следует разработать схему сброса.

Также следует учесть, что на показания акселерометров и магниторезистивных сенсоров будет влиять температура окружающего воздуха. Для корректировки показаний сенсоров в зависимости от температуры окружающего воздуха необходимо использовать температурный датчик. Исследования рынка микросхем показали, что достаточно легко подобрать компактный цифровой температурный датчик в интегральном исполнении.

Для реализации последовательного опроса акселерометров, магниторезистивных сенсоров и температурного датчика, а также для учёта начального смещения сенсоров и размагничивания магниторезистивного сенсора, будем использовать ПЛИС.

Для инициации опроса сенсоров и подготовки и фильтрации данных к передаче по последовательному интерфейсу будем использовать микроконтроллер.

Для согласования уровней сигналов микроконтроллера и интерфейса RS-232C будем использовать преобразователь уровня.

Следует также учесть, что ПЛИС и микроконтроллер нуждаются во внешнем тактировании. Для них нужно предусмотреть наличие генератора тактовых импульсов.

Конструктивно модуль инерционного сенсора следует выполнять на трёх платах. Первая плата будет содержать ПЛИС, АЦП, ЦАП, усилители для магниторезистивного сенсора, магниторезистивный сенсор, акселерометр и температурный датчик. Вторая плата будет содержать микроконтроллер, генератор тактовых импульсов и преобразователь уровней. Третья плата будет содержать акселерометр. Это обусловлено тем, что:

• Один из акселерометров должен быть установлен таким образом, чтобы его оси были ортогональны осям другого акселерометра.
• Аналоговая и цифровая части модуля инерционного следует разделить, для предотвращения взаимных наводок.
• Разместив две, из трёх, плат одна над другой мы сделаем модуль инерционного сенсора компактнее.

В результате проведённого анализа составим структурную схему модуля инерционного сенсора изображенную на рис. 2.1.

 

Рис. 2.1 Структурная схема модуля инерционного сенсора

 

 

 

3. Обоснование выбора элементной базы

 

1. Акселерометр

В качестве акселерометра лучше всего использовать микросхему ADXL202AE фирмы Analog Devices. Это -  двухосевой цифровой акселерометр, работающий от напряжения питания 3, или 5.25В. Отличительными особенностями микросхемы являются:

• Наличие двух акселерометров, с перпендикулярными друг другу осями.
• Сверхмаленький размер (5mm x 5mm x 2mm).
• Разрешение 2mg на 60Гц.
• Шокоустойчивость до 1000g.
• Низкая цена.

 

Основные характеристики микросхемы приведены в табл. 2.1. Конфигурация выводов изображена на рис. 2.1. Описания выводов даны в табл. 2.2.

 

Таблица 2.1

Основные характеристики микросхемы ADXL202AE

Характеристика	Условия	Мин. значение	Типичное значение	Макс. значение	Единица измерения
Диапазон измерений	На каждую ось	±2			g
Ошибка осей	Разброс реальной и изображенной оси		±1		°
Ошибка осей	Перпендикулярность осей		0.01		°
Суммарная ошибка по осям			±2		%
Температурный дрейф			±0.5		%
Чувствительность каждой оси	При VDD=5В При VDD=3В	10	12.5	15	%/g
Плотность шума	При 25°С		200	1000	mg rms
Напряжение питания		3		5.25	В
Потребляемый ток			0.6	1	mA
Время включения			160xCFILT+0.3		ms
Рабочая температура		-40		+85	°C

 

Рис. 2.2 Микросхема ADXL202AE, вид снизу

 

Таблица 2.2

Описание выводов микросхемы ADXL202AE

Pin	Мнемоника	Описание вывода
1 2 3 4 5 6 7 8	ST T2 COM YOUT XOUT YFILT XFILT VDD	Само-тест Установка T2 периода Общий Выход канала Y Выход канала X Канал фильтра X Канал фильтра Y Питание

 

2. Магниторезистивный сенсор

В качестве магниторезистивного сенсора целесообразно будет использовать микросхему HMC1023 фирмы Honeywell. HMC1023 – это трех осевой магниторезистивный сенсор, отличительными особенностями которого являются:

Широкий диапазон измеряемого магнитного поля.

Маленький размер

Прочный корпус

Низкое энергопотребление

Невысокая цена

 

Основные характеристики микросхемы приведены в табл.2.3. Расположение выводов показано на рис. 2.1. Описание выводов микросхемы приведено в табл.2.4.

 

Таблица 2.3

Основные характеристики микросхемы HMC1023

Характеристика	Условия	Мин. значение	Типичное значение	Макс. значение	Единица измерения
Питание мостов		3	5	12	В
Сопротивление мостов	При токе 5mA	250	350	450	Ом
Рабочая температура		-40		+125	°С
Диапазон измеряемого магнитного поля		-6		+6	Гс
Ошибка линейности	При температуре 25 °С и поле: ±1 Гс ±3 Гс ±6 Гс		0.05 0.4 1.6		%FS
Ортогональность осей	Отличие от 90°		±1		°
Чувствительность	При питании мостов 5В	0.8	1.0	1.2	мВ/В/Гс
Разрешение	Частота 10Гц, питание мостов 5В			85	µГс
Наводки осей одна на другую			+0.3		%FS
Максимально допустимое поле				200	Гс

 

Рис. 2.3 Микросхема HMC1023, вид снизу.

 

Таблица 2.4

Описание выводов микросхемы HMC1023

Pin	Мнемоника	Описание вывода
1	Y-Out-	Отрицательный вывод моста Y
2	S/R-	Установка/Сброс -
3	Y-Off+	Положительный вывод моста смещения по оси Y
4	Z-Off+	Положительный вывод моста смещения по оси Z
5	Z-Off-	Отрицательный вывод моста смещения по оси Z
6	X-Off+	Положительный вывод моста смещения по оси X
7	X-Off-	Отрицательный вывод моста смещения по оси X
8	X-Out+	Положительный вывод моста X
9	X-Out-	Отрицательный вывод моста X
10	S/R+	Установка/Сброс +
11	Z-Out+	Положительный вывод моста Z
12	Z-Out-	Отрицательный вывод моста Z
13	VCC	Питание
14	Y-Out+	Положительный вывод моста Y
15	GND	Общий
16	Y-Off-	Отрицательный вывод моста смещения по оси Y

 

3. АЦП

В качестве АЦП лучше всего использовать микросхему AD7864AS-2 фирмы Analog Devices. Это 4-х канальный, высокоскоростной, 12-и битный АЦП, отличительными особенностями которого являются:

Высокая скорость (1.25 ms).

Одновременное аналого-цифровое преобразование с четырёх каналов.

Несколько диапазонов входных значений (от 0 до 2.5В, и от 0 до 5В).

Высокоскоростной параллельный интерфейс.

Низкое энергопотребление.

Энергосберегающий режим.

Защита от превышения диапазона входного напряжения на аналоговых входах.

 

Основные характеристики микросхемы приведены в табл. 2.5. расположение выводов изображено на рис. 2.3. Описание выводов микросхемы приведено в табл. 2.6.

 

 

 

 

 

Таблица 2.5

Основные характеристики микросхемы AD7864AS-2

Характеристика	Значение	Единица измерения	Комментарий
Разрешение цифрового выхода	12	бит
Относительная точность	±1	LSB	Максимум
Нелинейность	±0.9	LSB	Максимум
Диапазон входных, аналоговых, напряжений	+2.5, +5	В
Входное сопротивление	9	кОм	В диапазоне входного напряжения: 0 – 5 В
Время преобразования	1.65	ms
Напряжение питания	+5	В
Потребляемый ток	24 20	mA mA	Нормальный режим Энергосберегающий режим
Потребляемая мощность	120 100 90 20	mW mW mW mW	Макс. Нормальный режим Макс. Энергосберегающий режим Тип. Нормальный режим Тип Энергосберегающий режим

 

Рис. 2.4 Микросхема AD7864, вид сверху.

 

Таблица 2.6

Описание выводов микросхемы AD7864AS-2

Pin	Мнемоника	Описание
1	BUSY	Выход занят. Сигнал установлен, пока идёт преобразование.
2	FRSTDATA	Первый цифровой выход. Когда сигнал установлен, указатель регистра выходных данных указывает на Register 1
3		Старт преобразования. Положительный перепад на данном входе сигнализирует о начале аналого-цифрового преобразования
4		Устройство выбрано. Устройство активно, когда на данном сигнале низкий потенциал.
5		Считка данных. Низкий потенциал на данном выводе говорит о том, что данные можно считывать.
6		Запись данных. Данный сигнал запирает выводы DB0 – DB3 и по их содержимому выбирает регистр канала.
7-10	SL1-SL4	Аппаратный выбор каналов. С помощью данных выводов можно задать последовательность каналов.
11	/S SEL	Аппаратный/Программный выбор каналов. В состоянии 0 – последовательность каналов устанавливается сигналами SL1-SL4, в состоянии 1 – последовательность каналов задаётся регистром каналов.
12	AGND	Общий (аналоговый).
13-16	VIN4X ,VIN3X	Аналоговые входы.
17	AGND	Общий (аналоговый).
18-21	VIN2X ,VIN1X	Аналоговые входы.
22		Переключатель в режим пониженного энергопотребления (пониженное энергопотребление включено при низком потенциале).
23	VREFGND	Reference Ground.
24	VREF	Reference Input/Output.
25	AVDD	Питание (аналоговое).
26	AGND	Общий (аналоговый).
27	/EXT CLK	Переключатель Внешнее/Внутреннее тактирование.
28	CLKIN	Тактовый вход (для внешнего тактирования).
29-34	DB11-DB6	Цифровые выходы. Биты 11-6.
35	DVDD	Питание (цифровое).
36	VDRIVE	Питание цепи цифровых выходов, сигналов BUSY, и FIRSTDATA.
37	DGND	Общий (цифроовой).
38,39	DB5, DB4	Цифровые выходы. Биты 5 и 4.
40-43	DB3-DB0	Цифровые выходы. Биты 3-0.
44		Преобразование завершено. Если сигнал имеет низкий уровень – преобразование завершено.

 

4. ЦАП

В качестве ЦАП будем использовать микросхему AD7305BRU фирмы Analog Devices. Это 4-х канальный 8-и битный ЦАП, отличительными особенностями которого являются:

4 8-и битных ЦАП в одном корпусе.

Компактный размер.

Быстрый параллельный интерфейс.

Низкое энергопотребление

 

Основные характеристики микросхемы AD7305BRU приведены в табл. 2.7. Расположение выводов изображено на рис. 2.4. Описание выводов приведено в табл. 2.8.

 

Таблица 2.7

Основные характеристики микросхемы AD7305BRU

Характеристика	Напр. пит 3В	Напр. пит. 5В	Напр. пит. ±5В	Единицы измерения
Разрешение	8	8	8	бит
Интегральная нелинейность	±1	±1	±1	LSB
Дифференциальная нелинейность	±1	±1	±1	LSB
Опорное входное сопротивление	7.5	7.5	7.5	кОм
Опорная входная емкость	5	5	5	пФ
Диапазон выходного напряжения	-5.5 - +3	-5.5 - +5	-5.5 - +5	В
Выходной ток	±3	±3	±3	мА
Напряжение логического нуля	0.6	0.8	0.8	В мин.
Напряжение логической единицы	2.1	2.4	2.4	В макс.
Положительный ток питания	6	6	6	мА
Отрицательный ток питания			6	мА
Потребляемая мощность	15	30	60	мВт

 

Рис. 2.5 Микросхема AD7305BRU, вид сверху.

 

 

 

 

 

Таблица 2.8

Описание выводов микросхемы AD7305BRU

Pin	Мнемоника	Описание
1 2 3 4 5 6 7-14 15 16 17 18 19 20	VOUTB VOUTA VSS VREF GND DB7-DB0 А1 А0/SHDN VDD VOUTD VOUTC	Выход канала B Выход канала A Отрицательное напряжение питания Опорный вход Общий Строб ЦАП преобразования Цифровые входы Запись данных в регистр Бит адреса №1 Бит адреса №0 / Аппаратное выключение Положительное напряжение питания Выход канала D Выход канала C

 

5. Температурный датчик

В качестве температурного датчика будем использовать микросхему TMP03 фирмы Analog Devices. Отличительными особенностями этой микросхемы являются:

Всего 3 вывода

Модулированный последовательный цифровой выход

Широкий диапазон измеряемой температуры

Низкое энергопотребление

 

Основные характеристики микросхемы TMP03 приведены в табл. 2.9. Расположение выводов изображено на рис. 2.5. Описания выводов приведены в табл. 2.10.

Таблица 2.9

Основные характеристики микросхемы TMP03

Характеристика	Мин. значение	Типичное значение	Макс. значение	Единицы измерения
Температурная ошибка		1	3	ºС
Температурная линейность		0.5		ºС
Стабильность показаний при постоянной температуре на 1000 часов работы		0.5		ºС
Напряжение питания	4.5		7	В
Ток питания		0.9	1.3	мА

 

Рис. 2.6 Микросхема TMP03, вид сверху.

 

 

 

 

 

Таблица 2.10

Описание выводов микросхемы TMP03

Pin	Мнемоника	Описание
1 2 3 4-8	DOUT V+ GND NC	Цифровой выход Питание Общий Не используется

 

6. Операционный усилитель

В качестве операционных усилителей будем использовать микросхемы AD8534AR и AD623BR фирмы Analog Devices. Отличительными особенностями микросхемы AD8534AR являются:

• Высокий выходной ток
• Маленький потребляемый ток
• Не переворачивает фазу
• Низкий входной ток

 

Основные характеристики микросхемы AD8534AR приведены в табл. 2.11. Расположение выводов изображено на рис. 2.6. Описание выводов приведено в табл. 2.12.

 

Таблица 2.11

Основные характеристики микросхемы AD8534AR

Характеристика	Мин. значение	Типичное значение	Макс. значение	Единицы измерения
Напряжение смещения			25	мВ
Входной ток		5	50	мВ
Входной ток смещения		1	25	пА
Диапазон входного напряжения	0		3	В
Высокое выходное напряжение	2.8	2.92		В
Низкое выходное напряжение		60	100	мВ
Выходной ток		±250		мА
Плотность шума по напряжению F = 1 кГц F = 10 кГц		45 30		нВ/ нВ/
Плотность шума по току F = 1 кГц		0.05		пА/