Микропроцессорные устройства. 2

1.Техническое  задание

 

Разработать систему сбора и  обработки информации (СОИ), основной функцией которой является сбор информации с датчиков, контроль измеряемых параметров и сохранении измеренных значений.

 

Тип преобразователя	Номинальное сопротивление Ом	Диапазон рабочих температур 0С	Кол-во каналов	Вид развязки	Типовая выходная нагрузка
ТСМ	150	-260…1000	1	Гальваническая	RS232C Последов. порт

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.Введение

 

Современный этап развития человеческого общества характеризуется  все возрастающим проникновением электроники  во все сферы жизни и деятельности людей. Достижения в области электроники  в значительной мере способствуют успешному  решению сложнейших научно-технических проблем, повышению эффективности научных исследований, созданию новых видов машин и оборудования, разработки эффективных технологий и систем управления, получению материалов с уникальными свойствами, совершенствованию процессов сбора и обработки информации и др.

Охватывая широкий круг научных, технических и производственных проблем, электроника опирается  на достижения в различных областях знаний. При этом, с одной стороны, электроника ставит перед другими  науками и производством новые  задачи, стимулируя их дальнейшее развитие, а с другой -вооружает их качественно новыми техническими средствами и методами исследования. Результаты изучения электронных процессов и явлений, а также исследования и разработка методов создания электронных приборов и устройств получают свое воплощение в многообразных средствах электронной техники, развитие которой происходит по двум тесно переплетающимся направлениям. Первая из них связана с созданием электронных приборов различного назначения, технологией их производства и промышленным выпуском, второе - с созданием на основе электронных приборов различных видов аппаратуры, систем и комплексов для решения сложнейших задач в области вычислительной техники, информатики, связи, радиолокации, телевидения, телемеханики, и многих других областях научной практической деятельности человека.

Достижения  электронной науки и техники  используются почти без исключения во всех областях человеческой деятельности. Ускоренными темпами электроника внедряется в научные исследования, промышленность,     на     транспорт,     в     связь,     сельское     хозяйство,

 

 

здравоохранение, культуру, быт, военное дело и др. средства электронной техники стали неотъемлемой частью сложных приборов и устройств  самого широкого назначения.

Применение МП в современных цифровых устройствах управления и обработки информации стало обыденной реальностью. Массовый выпуск микропроцессорных наборов больших интегральных схем (БИС) с широкими функциональными возможностями и низкой стоимостью обеспечила исключительные преимущества цифровым методам информации.

МП техника не только существенно расширяет возможности  автоматизации, но и позволяет использовать принципиально новые методы управления на основе математических моделей объектов управления. Широкое использование самых различных средств электронной техники стало естественным и неотъемлемым условием жизни людей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Структурная схема  устройства

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1. Структурная  схема устройства

 

Наша система сбора  и обработки информации в соответствии с поставленной задачей должна состоять из следующих узлов:

Датчик (Д). В нашем случае предназначен для измерения температуры жидких и газообразных сред, твердого тела. Сигналы с датчика поступают на нормирующий усилитель.

Нормирующий усилитель (НУ). Поскольку напряжение на датчике  мало, его необходимо усилить.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Необходим для преобразования измеренного значения напряжения на датчике в цифровой код и его  последующей передачи в микроконтроллер. С выхода АЦП сигналы поступают на схему гальванической развязки под действием управляющих сигналов.

Гальваническая развязка необходима для защиты микропроцессора. Устраняет непосредственную электрическую  связь цепей измерительного блока  и микроконтроллера.

Микроконтроллер (МПК). Выполняет функции считывания данных из АЦП и записи их в оперативную память микроконтроллера, передачу данных по каналу RS232 в ЭВМ.

Интерфейс RS-232С предназначен для подключения микроконтроллера к компьютеру(ЭВМ). Данные в RS-232C передаются в последовательном коде побайтно. Каждый байт обрамляется стартовым и стоповыми битами.

Память (П). Сюда записываются регистрируемые данные. Как только память заполнится, то из буфера сигналы передаются по последовательному порту RS232 в персональную ЭВМ для последующей обработки.

 

 

 

 

 

 

 

 

Принципиальная  электрическая схема.

 

Датчик

В качестве датчика используем термометр сопротивления медный (ТСМ) марки ТСМ 9203 разработчика и  изготовителя ОАО НПП Эталон.

Он предназначен для  измерения температуры жидких и газообразных сред, твердого тела.

 

Технические характеристики	ТСМ 9203
Диапазон измеряемых температур, °C	-50…+180
Номинальная статическая  характеристика (НСХ)	100М
Класс допуска	С
Показатель тепловой инерции, с	30
Степень защиты от пыли и воды	IP55
Материал защитной арматуры	Ст.12Х18Н10Т
Номинальное значение α, °Cˉ¹; (W100)	0,00428 (1,4280)
Диапазон условных давлений, мПа	0,4 ... 4,0
Устойчивость к вибрации	группа исп. N3
Вид климатического исполнения	УЗ, ТВ2, Т3

 

  

 

Схема соединения:

Термометр сопротивления  медный — датчик измерения температуры. Принцип действия основан на измерении  калиброванного медного сопротивления. Зависимость сопротивления датчика  от температуры — называется градуировка. В нашем случае градуировка 100М. В схеме подключения простейшего термометра сопротивления используется два провода. Такая схема используется там, где не требуется высокой точности, так как сопротивление соединяющих проводов несколько искажает входной сигнал. При использовании такой схемы появляется возможность использования проводов длиной в 100 метров.

 

Преимущества  термометров сопротивления:

• Высокая точность измерений (обычно лучше ±1 °C), может доходить до 0,001 °C.
• Компенсация сопротивления линий при использовании 4-х проводной схемы измерений
• Практически линейная характеристика

 

Недостатки  термометров сопротивления:

• Низкий диапазон измерений (по сравнению с термопарами)
• Не могут измерять высокую температуру (по сравнению с термопарами)

Нормирующий усилитель

 

Выбираем  операционный  усилитель.   Так  как  напряжение  на  датчике намного ниже величины опорного напряжения, то для обеспечения использования всей разрядности оцифровки АЦП используем операционный усилитель. Операционные усилители представляют собой усилители постоянного тока с низкими значениями напряжения смещения нуля и входных токов и с высоким коэффициентом усиления. По размерам и цене они практически не отличаются от отдельного транзистора. В то же время, преобразование сигнала схемой на ОУ почти исключительно определяется свойствами цепей обратных связей усилителя и отличается высокой стабильностью и воспроизводимостью. Кроме того, благодаря практически идеальным характеристикам ОУ реализация различных электронных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах. Выберем в качестве усилителя MAX409 фирмы Maxim. Это одноканальный операционный усилитель с униполярным питанием.

 

Отличительные особенности:

• Потребляемый ток в холостом режиме 1.2 мкА (макс)
• Диапазон униполярного напряжения питания от +2.5 В до +10 В
• Максимальное напряжение смещения 500 мкВ
• Типичное значение входного тока смещения ±0.1 пА
• Диапазон входных напряжений включает отрицательную шину питания

 

Области применения:

• Системы с автономным питанием
• Медицинское оборудование
• Электрометрические усилители
• Системы внутренней безопасности
• Предусилители фотодиодов
• Измерители pH

 

 

 

 

 

Расположение выводов:

                

 

 

I.C  не подключается.

IN(+)  не инвертированный  вход.

IN(-)  инвертированный  вход.

NULL  обнуление , подключаются к потенциометру.

V(+)  напряжение питания.

V(-)  напряжение питания

 

ИС MAX409 являются одно канальными, низковольтными, микромощными, прецизионными, операционными усилителями, разработанными для приложений с автономным питанием. Они обладают потребляемым током, менее 1.2 мкА на усилитель, который относительно постоянен, во всем диапазоне напряжений питания, что являет собой 15…20 – ти кратное улучшение, по сравнению со стандартными, широко – используемыми, микромощными ОУ. Уникальная реализация выходной ступени ОУ позволяет данным ОУ иметь ультра – малые потребляемые токи, при одновременном обеспечении линейности под нагрузкой. Имеют типичный диапазон 150 кГц, скорость нарастания напряжения 75 В/мс, и стабильное усиление 10 В/В, или более.

Расчет операционного  усилителя:

Известные данные:

Номинальное сопротивление 

• Ток мА (номинальный измерительный ток для ТС с номинальным сопротивлением (R0) 50 и 100 Ом по ГОСТ Р 8.625-2006).
• Номинальное сопротивление Ом.
• Напряжение питания датчика (термометра сопротивления) В.
• Минимальное напряжение срабатывания АЦП В.

 

Для понижения выходного напряжения с датчика поставим последовательно  в цепь с термометром сопротивления дополнительное сопротивление .

 

Расчет выходного напряжения датчика :

В;

Расчет дополнительного  сопротивления  :

;

кОм.

Расчет коэффициента усиления ОУ:

Резисторы ,

Для обеспечения  симметрии по дифференциальному  сигналу выбираем резисторы: Ом

Резисторы обратной связи  ,

кОм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

 

В последние годы в  микроконтроллерной технике получили широкое развитие микросхемы, управляемые  по последовательному каналу. Одной из

таких микросхем является экономичный, 8-ми разрядный, последовательный АЦП с однополярным питанием MAX1107.

 

Блок - схема:

                  

Расположение выводов:

 

                      

 

 

VDD - напряжение питания

IN(+)  не инвертированный  вход.

IN(-)  инвертированный  вход.

SHDN - вход отключения (инверсный), который позволяет отключать, цифровым сигналом нагрузку от источника питания и переводить АЦП в режим малого потребления при этом ток сокращается.

REFOUT - выход опорного напряжения

REFIN – вход опорного напряжения

GND – земля

DOUT - цифровой выход

SCLK - ножка синхронизации.

CONVST - Выборка входного сигнала и цикл преобразования

Отличительные особенности:

• Однополярное питание:

     - От +4.5 В до + 5.5 В (MAX1107)

• Низкий потребляемый ток:

96 мкА при +3 В и  25 К выборок/с 

0.5 мкА в режиме отключения (Power-Down Mode)

• Программируемая, с помощью выводов, конфигурация
• Диапазон напряжения входных сигналов от 0 В до VDD
• Встроенная система выборки/фиксации
• Встроенный источник опорного напряжения:

     - +4.096 В (MAX1107)

• диапазон входного напряжения ИОН от 1 В до VDD
• SPI/QSPI/MICROWIRE- совместимый последовательный интерфейс
• Малогабаритный корпус типа 10-pin µMAX

 

Области применения:

• Системы регистрации данных
• Измерительные приборы ручного применения
• Медицинское оборудование
• Диагностические системы
• Автономные системы с питанием от солнечной энергии
• Системы с автономным питанием 4-20 мА
• Индикаторы уровня принимаемого сигнала (RSSI)

 

АЦП имеют встроенную систему выборки/фиксации (T/H), источник опорного напряжения (ИОН), тактовый генератор и последовательный интерфейс. ИС MAX1107 предназначена для питания напряжением в диапазоне от +4.5 В до +5.5 В и потребляет ток всего 107 мкА. Аналоговые входы имеют возможность конфигурации выводами ИС, для реализации униполярного и одиночного, или дифференциального режимов работы. ИС MAX1106/MAX1107, также, имеют вход управления режимом пониженного энергопотребления, который снижает потребляемый ток до 0.5 мкА, когда не требуется использование ИС. Трех- проводной, последовательный интерфейс непосредственно стыкуется с устройствами стандартов SPI™, QSPI™, MICROWIRE™, без необходимости применения внешней логики. Преобразования со скоростями до 25 К выборок/с производятся с применением встроенного тактового генератора. ИС MAX1106/MAX1107 выпускается в корпусе 10-Pin µMAX, с занимаемой площадью, составляющей 20% от корпуса типа 8-pin plastic DIP.

 

 

 

 

 

 

 

 

Гальваническая  развязка

Гальваническая развязка выполняется на оптопаре. Оптопара  -  это  электронный  компонент,   содержащий комбинацию светоизлучающих и светочувствительных элементов помещенных в один корпус. Принцип работы такого устройства заключается в преобразовании электрического сигнала в свет, его передаче по оптическому каналу и последующему преобразованию обратно в электрический сигнал. Оптопары широко используются в различных радиотехнических устройствах, где требуется гальваническая развязка между отдельными узлами. Оптопары позволяют осуществлять бесконтактное управление электрическими цепями. Оптопары выпускаются как в стандартных DIP корпусах, так и в корпусах  SOIC  для поверхностного монтажа. Выбираем транзисторную оптопару марки АОТ174В фирмы Протон.

 

1 – Анод

2 – Катод

3 – Эмиттер

4 – Коллектор

 

Оптопара состоит из  кристаллов инфракрасного AsGaAl светодиода и кремниевого n-p-n фототранзистора.  Кристаллы расположены в одной  плоскости, оптически связаны полусферическим  световодом.Такая конструкция обеспечивает отсутствие полевых утечек при длительном приложении Uиз. Внутренние межсоединения выполнены золотой проволокой. 

Поставляется в корпусах DIP4 и DIP4SMD.

Предельно-допустимые режимы эксплуатации:

Параметр	Обозн.	Мин.	Макс.	Примечание
Входной прямой ток, мА	Iвх.	-	50	от 60ºС до 100ºС снижается  с коэффициентом 0.8 мА/ºС
Входной импульсный кратковременный   ток, А	Iвх. и	-	1	-
Входное обратное напряжение, В	Uвх.обр.	-	6	-
Выходное напряжение колл.-эмиттер, В	Uк-э	-	35	-
Выходное напряжение эмиттер-колл., В	Uэ-к	-	6	-
Выходной ток, мА	Iвых	-	50	-
Входная рассеиваемая мощность, мВт	Рвх.рас.	-	70	-
Выходная рассеиваемая мощность, мВт	Рвых.рас	-	150	от 35ºС до 100ºС снижается  с коэффициентом 1мВт/ºС
Рассеиваемая  мощность, мВт	Ррас.	-	200	-
Напряжение  изоляции, В	Uиз	-	5000	-
Рабочий диапазон температур,ºС	Токр	-45	100	-
Температура пайки, ºС	Тп	235		Расстояние до корпуса  не менее 1.5 мм, время пайки 2+0.5 с

Электрические параметры:

Параметр	Обо-  знач.	Ед. изм.	Мин.	Тип.	Макс.	Режим измерения
Входное напряжение	Uвх	В	-	-	1.5	Iвх=20 мА
Входное импульсное напряжение	Uвх. и	В	-	-	3	Iвх=0.5 А, t=1 мс
Выходное остаточное напряжение	Uвых.ост	В	-	-	0.2	Iвх=20 мА, Iвых=1 мА
Входной обратный ток	Iвх.обр	мкА	-	-	10	Uвх.обр.=4 В
Ток утечки на выходе	Iут.вых	мкА	-	-	0.1	Iвх=0, Uвых=20 В
Коэффициент передачи по току	Кi	%	200	-	400	Uвых=5 В, Iвх=5 мА
Напряжение  изоляции (ср. кв.)	Uиз	В	5000	-	-	1 мин, отн. вл.<50%
Время нарастания сигн. при вкл.	tнар	мкс	-	-	18	Iвх=5 мА, Uвых=2 В, Rн=100 Ом
Время спада  сигн. при выкл.	tсп	мкс	-	-	18	Iвх=5 мА, Uвых=2 В, Rн=100 Ом
Проходная емкость	Спр	пФ	-	-	1	Uиз=0, F=1 МГц

 

Расчет элементов  устройства гальванической развязки:

Выбираем оптрон АОТ174В (Iвх=20 мА,  Iвых=1 мА, U_П=5 В)

Сопротивление резисторов на входе оптронов R6,R7,R8:

Ом

Сопротивление резистора R9,R10,R11:

 кОм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Микропроцессорный контроллер (МПК)

 

В качестве микропроцессорного контроллера будем использовать микроконтроллер марки PIC16C63 фирмы Microchip. Одно из достоинств сообщества микроконтроллеров PIC это то, что его представители сочетают два трудно совместимых качества. С одной стороны существует довольно большое разнообразие микроконтроллеров PIC, каждый из которых имеет свои индивидуальные свойства и особенности, оптимальное сочетание которых позволяет наилучшим образом решать конкретную задачу. А с другой стороны все микроконтроллеры PIC в определенной мере стандартны. Из "всего набора выпускаемых сегодня микроконтроллеров PIC выделяются две наиболее развитые и популярные серии PIC16 и PIC18. Семейство        PIC16 представляет        множество        недорогих, высокопроизводительных 8-разрядных микроконтроллеров, выполненных по КМОП технологии с очень малым потреблением энергии и полностью статической архитектурой.

 

OSC1/CLKIN - вход кристалла генератора, RC-цепочки или внешнего тактового сигнала.

OSC2/CLROUT - выход кристалла генератора.

MCLR - инверсный вход для микроконтроллера

VDD - положительное напряжение питания

VSS - общий провод (земля)

RAO-3, RBO-7, RC0-7 (ввод/вывод) - программируемые пользователем линии. Они могут быть входами и/или выходами под прямым управлением программы.

 

 

 

 

 

 

 

Предоставляемые ресурсы:

ТИП	ПЗУ/ППЗУ	ОЗУ	АЦП	ШИМ	USART
PIC16C63	4Кх14	192х8	–	2	есть

 

 

 

• 8-ми уровневый аппаратный стек адресов возврата из подпрограмм 
• тактовая частота 0...20 МГц
• возможно использование 21-го контакта для ввода-вывода и одного контакта для ввода, подачи тактового сигнала таймера или вывода с выходом типа "открытый коллектор" без верхнего защитного диода

 

Высокопроизводительное  процессорное ядро с сокращенным  набором команд (RISC):

• Гарвардская архитектура:

-длина слов памяти программ - 14 бит

-длина слов памяти данных - 8 бит

• 35 сравнительно легко запоминающиеся команды
• непосредственная, прямая, косвенная и относительная адресация
• все команды выполняются за один цикл (четыре периода тактового генератора), кроме команд перехода, которые выполняются за два цикла

 

Особенности внутренней конфигурации и схем ввода-вывода:

• программируемый выбор типа тактового генератора:  - внешний RC генератор

-высокочастотный кварцевый резонатор

   -кварцевый или керамический резонатор

   -микропотребляющий низкочастотный резонатор

• блок таймеров-счетчиков с внешней или внутренней синхронизацией:  - 8-ми разрядный с программируемой длиной предварительного делителя до 8-ми разрядов:

-16-ти разрядный (регистр защелки и компаратора) - может увеличиваться в режиме останова процессорного ядра

-8-ми разрядный со вспомогательным регистром загрузки (регистр ШИМ)

• выводы ШИМ/защелки/компаратора  - 16-ти разрядный регистр защелки с разрешением 12,5 нс

-16-ти разрядный регистр компаратора с разрешением 200 нс

  -разрешение ШИМ 1...10 бит, максимальная частота - 80 кГЦ для 8 бит и 20 кГЦ для 10 бит

• блок АЦП:  - 8-ми разрядный АЦП последовательного приближения с мультиплексором на входе и временем преобразования 16 мкс

-опорное напряжение, либо питающее, либо подаваемое вместо одного из аналоговых сигналов

• синхронный и последовательный порт с протоколами SPI и I2C
• асинхронный последовательный порт
• разнообразные источники прерываний
• таймер контроля работоспособности с собстенным внутренним RC генератором
• режим останова с микроэнергопотреблением и ожиданием условия запуска
• протокол последовательного программирования внутренней памяти программ по 2 информационным выводам

 

 

 

 

 

КМОП технология:

• высокое быстродействие - до 5 млн команд в секунду
• полностью статическая архитектура
• входные уровни:

- КМОП триггер Шмитта

- 1,4 В порог ТТЛ

• выходы с током нагрузки±25мА
• широкий диапазон напряжения питания:

- - 3,0...6,0 В

• малое энергопотребление:

- < 2 мА при 5 В и 4 МГц

   - типично 15 мкА при 3 В и 32 кГц

   - < 1 мкА 3 В и 0...70°C в режиме останова c выключенным устройством контроля работоспособности

 

В     качестве     тактового     генератора     воспользуемся ,  кварцевым генератором. Кварцевый   генератор   —   генератор   колебаний,   стабилизируемый кварцевым резонатором. Обычно обладает небольшой выходной мощностью. Внешнее напряжение на кварцевой пластинке вызывает её деформацию. А она, в свою очередь, приводит к появлению зарядов на поверхности "кварца (пьезоэлектрический эффект). В результате этого, механические колебания кварцевой пластины сопровождаются синхронными с ними колебаниями электрического заряда на её поверхности и наоборот. Для   обеспечения   связи   резонатора   с   остальными   элементами   схемы непосредственно на кварц наносятся электроды, либо кварцевая пластинка, помещается   между   обкладками   конденсатора.   Для   получения   высокой добротности и стабильности резонатор помещают в вакуум и поддерживают постоянной его температуру.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Память

 

В настоящее время Ramtron – мировой лидер в области  разработки сегнетоэлектрических ОЗУ (FRAM) – высокопроизводительной энергонезависимой  памяти, которая сочетает преимущества многих технологий памяти в одном  устройстве. FM25256 - Последовательная память FRAM размером 256 кбит и питанием 5В.

 

Структурная схема FM25256:

 

Расположение выводов FM25256:

/CS Выбор микросхемы

/WP Защита от записи

/HOLD Вход прерывания работы последовательного порта

SCK Синхронизация последовательной связи

SI Последовательный ввод данных

SO Последовательный вывод данных

VSS Общий

VDD Напряжение питания (4.0…5.5В)

Отличительные особенности:

• 256 кбит сегнетоэлектрического энергонезависимого ОЗУ

- Организация памяти 32768 x 8 бит 

- Неограниченное количество циклов чтение-запись

- Длительность хранения данных 10 лет 

- Технология записи NoDelay™ (без  задержек)

- Высоконадежная сегнетоэлектрическая  технология 

• Быстродействующий последовательный интерфейс SPI

- Частота до 25 МГц 

- Непосредственная аппаратная замена для ЭСППЗУ

- Поддержка режимов SPI 0 и 3 (CPOL, CPHA=0,0 и 1,1)

• Схема защита от записи

- Аппаратная защита 

- Программная защита 

• Широкий рабочий диапазон

- Напряжение питания 4.0…5.5В 

• Стандартные промышленные конфигурации

- Промышленный температурный диапазон -40°C…+85°C 

- 8-выв. корпус SOIC (-S)

- Экологически чистый 8-выв. корпус SOIC (-G)