Автоматизация проектирования систем и средств управления

ВВЕДЕНИЕ

 

Важнейшим направлением в развитии проектирования систем и  средств управления является автоматизация  большинства рутинных, вычислительных и оформительных операций, путем  внедрения средств вычислительной техники и электроники. Автоматизация  производственных процессов и внедрение в них средств вычислительной техники позволяет увеличить производительность труда, сократить сроки подготовки конструкторской документации, уменьшить количество ошибок при проектировании, сократить расход на изготовление макетов и качественно изменить условия труда.

При проектировании систем управления оборудованием и автоматизированных комплексов широко применяется САПР. Основные функции этих систем являются: автоматизация выполнения различных  проектных процедур с целью нахождения оптимальных вариантов проектирования объекта, автоматизация выбора схем или конструкции, автоматизация составления проектных и технических документаций. Примером САПР в системе управления являются автоматизированные системы проектирования принципиальных электрических схем, печатных плат, электронных устройств, фильтров (корректирующих устройств) систем автоматики, инженерного анализа электрических процессов в цепях и состояние регистров микроконтроллера

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

 

1.1 AI8S-5A Модуль аналогового ввода-вывода

 

Модуль AI8S-5 выполнен в  стандарте MicroPC и предназначен для одновременного измерения 8-ми аналоговых сигналов напряжения или тока. Все входы-выходы платы гальванически изолированы от системы (групповая изоляция), кроме того, аналоговые входы имеют защиту от перенапряжения.

Рис. 1 – внешний вид Модуля AI8S-5

 

Основные характеристики платы :

• Подключение кабелем CMA-20 или через разъемные клеммы
• 14-разрядный АЦП + 10 В;
• Шунтирующие резисторы для измерения токов + 80 мА;
• Время преобразования АЦП 6 мкс;
• Время установления (0.01%) входов и/или изменения коэффициента усиления 7 мкс1;
• Защита от перенапряжения +40В;
• Входное сопротивление каналов > 10 Мом;
• Коэффициент усиления каналов 110,1002;
• Точность измерения +2 МЗР;
• Скорость преобразования по любому каналу 100000 выб/сек;
• Скорость считывания данных 800000 выб/сек3;
• 2×12-разрядных ЦАП 0..5/+ 5/0..10 В; 0..20/4..20 мА;
• 16-разрядный таймер с частотой 0.1/ 1 МГц;
• 16 изолированных цифровых выходов;
• Совместимость с платами расширения AIMUX-32, MUX-16;
• Автосканирование каналов плат AIMUX-32, MUX-16;
• ОЗУ коэффициентов усиления входов для платы AIMUX-32;
• Запуск АЦП: программный или по таймеру;
• Считывание из АЦП: в режиме опроса, по прерыванию или по каналу DMA;
• 5 линий разделяемых аппаратных прерываний ( IRQ3.7 );
• 2 линии разделяемых запросов канала DMA (DRQ/DACK1,3);
• Групповая опто-изоляция от системы 1000В;
• Работа от -40 C до +85C;

 

 

Рис. 2 - Подключение аналоговых сигналов

 

Подсоединение входных ( +AI0 .. +AI7) и выходных (DAC0, AC1)аналоговых сигналов производится либо отдельными проводами к разъемному клеммному соединителю J1, либо кабелем CMA-20 к вилкам J2, J3. Для улучшения работы модуля неиспользуемые входы следует соединить на разъеме J1 с линией AGND. Модуль позволяет измерять до 8-ми дифференциальных сигналов напряжения или тока. Дифференциальные сигналы подключаются парой проводов к соответствующим линиям: +AIx, -AIx , где x=0...7, а общий провод или плавающая земля, если необходимо, соединяется с линией AGND .Однопроводные сигналы подключаются к соответствующим контактам: +AIx, где x=0...7, общий провод соединяется с линиями -AIx, AGND.

Рис. 3 – расположение компонентов платы

 

Технические характеристики

Напряжение питания +5 В +/- 5% ; 300 мА

Рабочий температурный диапазон -40°C...+85°C

Температура хранения -55°C...+95°C

Относительная влажность  воздуха 95% при +25°C

 

Установка и  настройка

Модуль может быть установлен в монтажные корзины Micro PC, в слоты компьютеров IBM PC или объединен гибким шлейфом с краевыми разъемами к другим модулям. Плата содержит чувствительные элементы. Установка, снятие модуля или подключение к разъемам при включенном питании, а также статический заряд рук могут вывести их из строя. При установке в слоты ISA компьютеров или другие крейты необходимо соблюдать правильную ориентацию модуля относительно 62-х контактного разъема (ряды A, B). Неправильная установка (с разворотом на 180°) приводит к выходу модуля из строя.

 

Режимы работы модуля

Модуль AI8S-5A позволяет  работать в следующих режимах запуска/ считывания АЦП:

• программный пуск/считывание в режиме опроса [FIFO][n++]

• пуск от таймера/считывание по биту готовности [FIFO][n++]

• пуск от таймера/считывание по прерыванию [FIFO][n++]

• пуск от таймера/считывание по каналу DMA [n++][ ] = дополнительные опции режима[n++] = аппаратное переключение каналов плат расширения AIMUX-32, MUX-16 (автосканирование[FIFO] = запись выборок в FIFO

Программный запуск/ Считывание в опросе

В этом режиме запуск АЦП  производится программно - записью 1 в бит ST_RDY ( Start /Ready) контрольного регистра, а считывание данных производится после установки того же бита ST_RDY, который сбрасывается на время преобразования

Запуск таймера 

AI8S-5A имеет 16-разрядный  таймер, который может быть использован для периодического запуска аналого-цифрового преобразования. Для включения таймера необходимо записать требуемый период счета в регистр MAXC и установить бит TMR контрольного регистра. Выключение таймера производится сбросом бита TMR. Если бит FAST контрольного регистра не установлен, запуск преобразования от таймера (кроме первого после включения таймера) осуществляется только после чтения данных АЦП.

Пуск от таймера/ Считывание в опросе

В этом режиме запуск АЦП  производится от таймера, а считывание данных - по биту ST_RDY. Для перехода в данный режим достаточно запустить таймер. Если установлен бит n++, то после преобразования произойдет автоматическое переключение AIMUX-32 на следующий вход. Для режимов с запуском от таймера (кроме опции FIFO) бит ST_RDY устанавливается по завершению аналого-цифрового преобразования. Сброс бита ST_RDY – только после чтения регистра данных АЦП7

 Пуск от  таймера/ Считывание по прерыванию 

В этом режиме запуск АЦП  производится от таймера, а считывание по прерыванию запуска:

• 8 выборок завершено

• верхняя граница FIFO достигнута (опция [FIFO])

Прерывание снимается  после чтения данных АЦП7 или FIFO.

Для перехода в этот режим  необходимо установить бит INT контрольного регистра и запустить таймер. Если бит n++ установлен, то переключение AIMUX-32 на следующий аналоговый вход происходит автоматически с циклом 32.

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2 AI16-5A Модуль изолированных аналоговых входов

 

Модуль AI16-5A выполнен в  стандарте MicroPC и предназначен дляпреобразования 16-ти аналоговых сигналов напряжения или 8-мисигналов тока в 14-ти разрядный цифровой код.Все входы-выходы платы гальванически изолированы от системы(групповая изоляция), а аналоговые входы имеют защиту отперенапряжения.Основные характеристики платы :

 

Аналоговые  входы

• 16 однопроводных или 8 дифференциальных входов

(программируемый тип  подключения входов)

• 14-разрядный АЦП (AD7894-10)
• Программируемый коэф. усиления по любому входу

(хранится в регистре):

1, 2, 4, 8 (диапазон I , PGA206)

1,10,100,10001 (диапазон II, PGA204)

• Диапазоны входных напряжений/ токов (с учетом усиления)

диапазон I: 10 В ; 5 В; 2.5 В; 1.25 В;

80 мА; 40 мА; 20 мА; 10 мА

диапазон II1: 10 В; 1 В; 0.1 В; 0.01 В;

80 мА; 8 мА; 0.8 мА; 0.08 мА

• Защита от перенапряжения (ADG439F): -35/+50 В
• Пропускная способность (по DMA или при работе с FIFO) :

100000 выборок в сек. ( для диапазонов I )

40000 / 33000 / 7500 / 800 выборок  в сек. ( для диапазона II)

• Входное сопротивление:

>10 M (напряжение)

125 (ток)

• Аппаратное усреднение 2, 4, 8, 16 выборок
• Случайная погрешность измерения без усреднения: }2 МЗР
• Случайная погрешность измерения с усреднением : }0.5 МЗР
• FIFO (CY7C429): 1 Кслов (программируемая верхняя граница )
• Авто-сканирование входов

 

Аналоговые  выходы

• 2 однопроводных выхода (AD7249 + AD6941)
• 12-разрядная точность
• Диапазон (установка перемычками):

0-5 В; }5 В; 0-10 В;

0-20 мА; 4-20 мА; 1

Дополнительно

• Таймер: 16-бит (1 s or 10 s)
• Цифровые выходы: 8 (время установки 1.6 s)

(совместимость с AIMUX-32, MUX-16)

• Разделяемые линии прерываний (5) и каналы DMA (2)
• Напряжение изоляции: 1000 В (все входы-выходы от системы)
• Работа от -40 до +85 C
• Подключение кабелем CMA-20 (с терминальными платами) или напрямую (без терминальных плат )

Режимы работы

• Старт АЦП:

программный

аппаратный (от таймера)

• Считывание из АЦП:

опрос (ADC ready, FIFO/SRAM full )

по прерыванию (ADC ready, FIFO/SRAM full)

по каналу DMA (ADC ready)

• Старт ЦАП: программный

 

 

Установка и  настройка

Модуль может быть установлен в монтажные корзины Micro PC, в слоты компьютеров IBM PC или объединен гибким шлейфом с краевыми разъемами к другим модулям. Плата содержит чувствительные элементы. Установка, снятие модуля или подключение к разъемам при включенном питании, а также статический заряд рук могут вывести их из строя. При установке в слоты ISA компьютеров или другие крейты необходимо соблюдать правильную ориентацию модуля относительно 62-х контактного разъема.

Неправильная установка (с разворотом на 180градусов) приводит к выходу модуля из строя.

Режимы работы модуля

Модуль AI16-5A позволяет работать в  следующих режимах запуска/считывания АЦП:

• программный пуск/считывание в режиме опроса [FIFO][AVG][n++]
• пуск от таймера/считывание по биту готовности [FIFO][AVG][n++]
• пуск от таймера/считывание по прерыванию [FIFO][AVG][n++]
• пуск от таймера/считывание по каналу DMA [AVG][n++]

[ ] = дополнительные опции  режима

[n++] = аппаратное переключение входов  и соответствующего ему коэффициента усиления (автосканирование)

[AVG] = аппаратное усреднение выборок

[FIFO] = запись выборок в FIFO

Выбор входа и установка  коэффициента усиления

Перед запуском аналого-цифрового  преобразования необходимо выбрать требуемый вход (код n[4:0]) и установить коэффициент усиления соответствующий этому входу. Номер входа может устанавливаться программно (в регистре канала) или аппаратно по +1 , если установлен бит n++ в контрольном регистре (автосканирование).Коэффициент усиления для каждого входа устанавливается автоматически из оперативного запоминающего устройства (номер входа является адресом ОЗУ), запись в которое должна производится перед началом измерения входов. При программном изменении номера входа перед запуском АЦП необходима пауза не менее 6 мкс (при коэф. усиления ≤10) для установления канала измерения.

При автосканировании пауза не требуется, т.к.подключение входа происходит одновременно с измерением в АЦП предыдущего

Программный запуск/ Считывание в опросе

В этом режиме запуск АЦП  производится программно - записью 1 вбит ST_RDY ( Start /Ready) контрольного регистра, а  считывание данных производится после установки того же бита ST_RDY, который сбрасывается на время преобразования

Запуск таймера

AI16-5A имеет 16-разрядный  таймер, который может быть использован для периодического запуска аналого-цифрового преобразования. Для включения таймера необходимо записать требуемый период счета в регистр MAXC и установить бит TMR контрольного регистра. Выключение таймера производится сбросом бита TMR

Пуск от таймера/ Считывание в опросе

В этом режиме запуск АЦП  производится от таймера, а считывание данных - по биту ST_RDY. Для перехода в данный режим достаточно запустить таймер. Если установлен бит n++, то после преобразования произойдет автоматическое переключение АЦП на следующий вход. Для режимов с запуском от таймера (кроме опции FIFO) бит ST_RDY устанавливается по завершению аналого-цифрового преобразования или n-выборок(если включено усреднение). Сброс бита ST_RDY -только после считывания из регистра данных АЦП или смене входа.

Пуск от таймера/ Считывание по прерыванию

В этом режиме запуск АЦП  производится от таймера, а считывание по прерыванию. Прерывание формируется в зависимости от используемых опций запуска

• 1 выборка завершена
• 2, 4, 8, 16-выборок завершены (опция [AVG] )
• верхняя граница FIFO достигнута (опция [FIFO])

Прерывание снимается  после чтения регистра данных АЦП  или FIFO.

Для перехода в этот режим  необходимо установить бит INT контрольного регистра и запустить таймер. Если установлен бит n++, то переключение АЦП на следующий аналоговый вход происходит автоматически с циклом 16

Рис.4 – расположение компонентов платы

Технические характеристики

Напряжение питания +5 В  5%

Ток потребления по +5 В (конфигурации –1,-3) до 350 мА

Ток потребления по +5 В(конфигурации –2,-4) до 400 мА

Рабочий температурный диапазон -40C...+85C

Температура хранения -55C...+90C

Относительная влажность  воздуха 95% при +25°C

ГЛАВА 2. КОНСТРУКТОРСКИЙ РАЗДЕЛ

 

2.1 Разработка структурной схемы устройства

В данной курсовой работе необходимо разработать и смоделировать  с помощью программы Proteus двухканальную  систему аналогового ввода данных на базе последовательного АЦП LTC1865 и микроконтроллера АТ89С51 с выводом на жидкокристаллический индикатор LM032.

 

Рис.5 - структурная схема устройства

 

2.2 Микроконтроллер АТ89С51

Основным элементом  будет являться микроконтроллер МК-51.

Однокристальные микроконтроллеры - отдельный класс микросистем. Полный набор их средств расположен на одном кристалле. Сюда кроме центрального процессора входят память, подсистема ввода-вывода, средства поддержки режима реального времени (РВ). Интеграция всех составных частей микро-ЭВМ на одном кристалле внесла ряд ограничений на принципы ее организации, потребовала новых решений в развитии ее архитектуры, не свойственных многокристальным компоновкам. В результате был получен новый класс микроконтроллеров (МК) с присущими только ему принципами построения архитектуры и структурной схемы.

Структурная организация, набор команд и аппаратурно-программные  средства ввода/вывода информации микроконтроллеров  лучше всего приспособлены для  решения задач управления и регулирования  в приборах, устройствах и системах автоматики, а не для решения задач обработки данных. Микроконтроллеры не являются машинами классического "фон-неймановского" типа, так как физическая и логическая разделенность памяти программ и памяти данных исключает возможность модификации и/или замены (перегрузки) прикладных программ микроконтроллеров во время работы, что сильно затрудняет их использование в качестве универсальных средств обработки данных.

МК51 имеет в своем составе: процессор, в состав которого входят 1-байтное  АЛУ и схема аппаратурной реализации команд умножения и деления; стираемое ПЗУ программ емкостью 4 Кбайта, ОЗУ данных емкостью 128 байт; два 16-битных таймера/счетчика; программируемые схемы ввода/вывода (32 линии); блок двухуровневого векторного прерывания от пяти источников; асинхронный канал дуплексного последовательного ввода/вывода информации со скоростью до 375 кбит/с; генератор, схему синхронизации и управления.

Микроконтроллер выполнен на основе высокоуровневой n-МОП технологии и выпускается в корпусе БИС, имеющем 40 внешних выводов. Через четыре программируемых порта ввода/вывода МК51 взаимодействует со средой в стандарте ТТЛ-схем с тремя состояниями по выходу. В современном исполнении микроконтроллер может быть выполнен также в К-МОП исполнении

 

Рис.6 - Структурная организация МК

 

Назначение выводов.

GND - потенциал земли;

EA/VPP - отключение резидентной  памяти программ/напряжение программирования (21В);

VCC - основное напряжение  питания +5В;

ALE/PROG - строб адреса внешней памяти/для подачи уровня GND при программировании;

PSEN - разрешение внешней  памяти программ;

RD - стробирующий сигнал  при чтении из внешней памяти  данных или устройства ввода/вывода;

WR - стробирующий сигнал  при записи во внешнюю память  данных или устройства ввода/вывода;

T0 - входной сигнал, опрашиваемый  по командам условного перехода, так же используется при программировании;

Т1 - входной сигнал, опрашиваемый по командам условного перехода, используется в качестве входа внутреннего  счетчика внешних событий;

INT0, INT1 - сигнал запроса  прерывания;

RST/VPD - сигнал общего  сброса/вход питания при пониженном  энергопотреблении;

RXD и TXD - входы последовательного  интерфейса;

XTAL1, XTAL2 - входы подключения  кварцевого резонатора;

P0, P1, P2, P3 - квазидвунаправленные порты параллельного ввода-вывода (порт P3 несет дополнительные функции)

В составе МК51 введен дуплексный периферийный связной адаптер, который может быть запрограммирован для работы в одном из четырех  основных режимов:

0 синхронный последовательный ВВ со скоростью OSC/12;

1 асинхронный с 10-битовым  кадром и переменной скоростью  передачи;

2 асинхронный с 11-битовым  кадром и фиксированной скоростью  передачи 

OSC/32 или OSC/64;

3 асинхронный с 11-битовым  кадром и переменной скоростью  передачи.

Через универсальный  асинхронный приемопередатчик (УАПП) осуществляется прием, передача информации, представленной последовательным кодом, в полном дуплексном режиме обмена. В состав УАПП входят принимающий  и передающий сдвигающие регистры, а также специальный буферный регистр (SBUF) приемопередатчика. Запись байта в буфер приводит к автоматической переписи байта в сдвигающий регистр и инициирует начало передачи байта. Наличие буферного регистра приемника позволяет совмещать операцию чтения ранее принятого байта с приемом очередного байта. Если к моменту окончания приема байта предыдущий байт не был считан из SBUF, то он будет потерян.

Управление режимом  работы УАПП осуществляется через специальный  регистр с символическим именем SCON. Этот регистр содержит не только управляющие биты, определяющие режим работы последовательного порта, но и девятый бит принимаемых или передаваемых данных (RB8 и TB8) и биты прерывания приемопередатчика (RI и TI).

 

2.3 АЦП LTC1865

Данные будут передаваться через АЦП LTC1865

Рис.7 - АЦП LTC1865

 

Назначения  выводов

CONV (контакт 1): преобразование  входов. Высокий логический уровень  на этом входе запускает A/D преобразования. Если вывод CONV остался  высоким, когда A/D преобразование  закончено, то часть полномочий  снимается.

CH0, CH1 (контакты 2, 3): аналоговые входы. Эти входы должны

быть свободным от шума по отношению к GND.

SDI (Pin 5): цифровой ввод  данных. A/D конфигурации слова сдвигаются  в этот вход.

SDO (Pin 6): цифровой выход  данных. Результат A/D преобразований  смещается из этого вывода.

SCK (Pin 7): вход сдвиг  часов. Эти часы синхронизируются  последовательной передачей данных.

 

Рис.8 - Функциональная блок-диаграмма

Разрешение, бит	16
Частота выборок (макс.),kSPS	250
Каналов, шт	2
Интерфейс	SPI
VIN,В	от 0 до 5
VREF	Ext.
INL (макс.),+/- LSB	8.5
SNR, дБ	87
THD, дБ	88
Напряжение питания: AVDD,В	от 4.75 до 5.25
ICC, мА	0.001
PD, Вт	0.00425
TA,°C	от -40 до 125
Корпус	MSOP-8 SOIC-8

Основные параметры       Таблица 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аналоговые входы

Два бита входного слова (SDI) назначены  MUX конфигурацией для  следующего запрошенное преобразование. Учитывая выбор канала, преобразователь будет измерять

напряжение между двумя  каналами обозначенными «+»

и «–», это знаки в  строке, выбранной в таблице ниже.

В однополярном режиме, все  входные каналы измеряют

относительно GND. Нулевой  код будет происходить, когда "+" входа

минус "-" входа равна нулю. Полная шкала происходит, когда

"+" входа минус  "-" входа VREF равна минус 1LSB. См. Рисунок 5.

 

Таблица 2 - Выбор канала мультиплексора

MUX адрес		Канал #		Земля
SGL/DIFF	ODD/SIGN	0	1
1	0	+		-
1	1		+	-
0	0	+	-
0	1	-	+

 

 

Рис. 9 - Последовательность операций

 

 

2.4 Жидкокристаллический индикатор LM032

 

Рис. 10 – внешний вид индикатора

Общие сведения:

• Размер модуля 137.1 мм х 109.0мм х 11.0 мм
• Размер точек 0,33 мм х 0,33мм
• Шаг между точками 0,36 мм х 0,36 мм
• Количество точек 320 х 240 точек
• Режимы отображения LCD:
1. серый режим 
2. желтый режим
3. синий
4. черный и белый (нормальный белый/положительный образ)
5. черный и белый (нормальный белый/негативный образ)
• Поляризатор
1. светоотражающие
2. Трансфлективный
3. пропускающий
4. транзисторный (высоко пропускающий)
• Вес: до 250гр

 

Безопасность

Если треснула ЖК-панель, нужно быть осторожным, чтобы жидкие кристаллы не коснулись кожи. Если это произошло, немедленно промыть кожу водой

 

Работа с  Жк-модулем

• Предотвращайте любой контакт со статическим элекстичеством. Жк -модуль упакован в защитную сумку для предотвращения повреждений во время транспортировки, складирования и удаления из картонной коробки.
• Не снимайте панель или рамку из модуля

 

• Поляризационные пластины на передней поверхности дисплея является очень хрупкими и легко царапаются. Модуль поставляется с защитной оболочкой, которая должна быть удалена из поляризационной пластины перед монтажом
• Не протирайте поляризационную пластины сухой тканью, она может поцарапать поверхность.

Хранение

• Храните модуль в темном месте, где температура 25-5 C и влажность ниже 65%
• Не устанавливайте модуль вблизи органических растворителей или коррозионных газов

 

 

2.5 Моделирование  и разработка устройства

Моделирование и разработку устройства будем выполнять в ECAD системе — программе  Proteus.

Proteus - это коммерческий  пакет программ класса САПР, объединяющий  в себе две основных программы: ISIS - средство разработки и отладки в режиме реального времени электронных схем и ARES - средство разработки печатных плат. В качестве автоматического встроенного трассировщика в ARES, начиная с версии 7.4, используется программа ELECTRA Autorouter. До этого она являлась дополнительным и самостоятельным средством трассировки и устанавливалась в отдельную папку. Для создания собственных VSM (программных) моделей с версиями до 6.3 распространялась библиотека VSM SDK (папка INCLUDE), которая в более поздних версиях отсутствует, т.к. разработчик посчитал необходимым закрыть данную информацию с целью предотвращения "плагиата" моделей другими фирмами.

Разработчиком пакета Proteus является фирма Labcenter Electronics (Великобритания).

Отличие от аналогичных  по назначению пакетов программ, например, Electronics Workbench Multisim, MicroCap, Tina и т.п. в развитой системе симуляции (интерактивной отладки в режиме реального времени и пошаговой) для различных семейств микроконтроллеров: 8051, PIC (Microchip), AVR (Atmel), и др. Протеус имеет обширные библиотеки компонентов, в том числе и периферийных устройств: светодиодные и ЖК индикаторы, температурные датчики, часы реального времени - RTC, интерактивных элементов ввода-вывода: кнопок, переключателей, виртуальных портов и виртуальных измерительных приборов, интерактивных графиков, которые не всегда присутствуют в других подобных программах.