Проектирование позиционера на микроконтроллере

ВВЕДЕНИЕ

Современная электронная техника представляет собой технические системы, реализованные на базе микроэлектроники и средств вычислительной техники. Вычислительные средства являются важнейшей составной частью различных устройств электронной техники: радиоэлектронной аппаратуры, стиральных машин, холодильников, машин химической чистки одежды и прочих технических устройств разнообразного назначения. Такой широкий спектр применения вычислительных средств во многом определяется появлением у конструкторов доступных по цене и миниатюрных по размерам микропроцессоров.

Появление в 1971 г. первого четырехразрядного микропроцессора было настолько стремительно, что он опередил появление в 1972 г. нового технического термина «микропроцессор». Влияние нового устройства на технические системы можно сравнить лишь с транзисторами, которые своим появлением открыли новую техническую эру.

Сегодня, спустя сорок лет, микропроцессоры представляют собой сложнейшую продукцию массового производства и выполняют сотни миллионов операций в секунду. Усилия разработчиков МП были сосредоточены на повышении быстродействия, разрядности АЛУ и совершенствовании архитектуры микропроцессоров. Области применения микропроцессоров не имеют границ. Товары народного потребления – потенциально наиболее массовая сфера их применения. Высокая надежность и постоянно снижающаяся стоимость МП являются факторами, решающими в их пользу вопрос о выборе элементной базы для систем автоматизации управления бытовыми приборами. Привлекательна также и возможность получения бытовыми приборами наряду с традиционными новых функций при незначительном увеличении стоимости, что также определяет преимущества микропроцессорных систем перед другими системами управления.

Наибольший эффект применения микропроцессоров достигается при встраиваемом варианте его использования, когда микропроцессор встраивается внутрь приборов, устройств или машин. В таком варианте использования от МП требуется не столько вычислительная производительность (операции умножения, деления и пр.), так свойственные обычным ЭВМ, сколько логическая оперативность, столь необходимая в задачах управления. Именно в этом направлении и совершенствовались разработки первых типов микропроцессоров.

Исследования, показали, что в каждом доме незаметно для нас «живёт» около 100 микроконтроллеров и микропроцессоров. Они присутствуют буквально всюду: в персональных компьютерах, стиральных машинах, электрочайниках, микроволновых печах, телевизорах, телефонах и других устройствах. Даже в самом обыкновенном автомобиле скрывается более двадцати таких элементов, которые не только контролируют состояние мотора и управляют его работой, но и препятствуют угону и взлому с помощью системы сигнализации, а также обеспечивают функционирование систем безопасности (воздушная подушка  и другие устройства) и т.д.

На процессор возлагается  задача выполнения всех программных  действий, необходимых в соответствии с алгоритмом работы устройства. В  блоке памяти хранятся команды программы  функционирования процессора, а также  значения констант и переменных величин, участвующих в вычислениях. Блок ввода-вывода выполняет функцию сопряжения микропроцессорной системы с объектом управления.

 Широкое использование  микропроцессорной техники именно  для задач управления привело  к появлению на рынке специализированных микропроцессорных устройств, ориентированных для подобного рода применения. Особенностью этих микросхем является то, что помимо собственно процессора, на этом же кристалле расположена и система ввода-вывода, что позволяет снизить функциональную сложность и габаритные размеры микропроцессорной системы управления. Подобные устройства называются микроконтроллерами.

Обычно микроконтроллер строится на базе выбранного типа микропроцессора, лучшим образом обеспечивающего требуемые функции микропроцессорной системы в целом.

Особенностью управляющих  контроллеров является то, что в  его состав не входят средства отладки  программ, так как основной набор  программных модулей, составляющих библиотеку программ МК, заносится  в его память в заводских условиях и изменению не подлежит. Пользователь имеет только возможность из имеющегося набора программных модулей составить конфигурацию контура направления. Для этой цели МК снабжается пультом управления, с помощью которого оператор, используя специальные команды на панели пульта управления, осуществляет выбор требуемого алгоритма управления.

При выполнении задач  устройства, в основе которых лежит  микроконтроллер, отличаются высоким быстродействием. В настоящее время технология микроконтроллеров совершенствуется, и быстродействие микроконтроллеров возрастает. На сегодняшний день существует более двухсот модификаций микроконтроллеров, выпускаемых двумя десятками компаний.

Микроконтроллеры входят во все сферы жизнедеятельности человека, их насыщенность в нашем окружении растет из года в год и то что казалось нам входят во все сферы жизнедеятельности человека, их насыщенность в нашем окружении растет из года в год. То, что казалось нам 5 лет назад сказкой сейчас вполне возможно благодаря стремительному развитию технологии производства электронных компонентов.

В курсовом проекте разработан позиционер для спутниковой антенны  на микроконтроллере.

1. РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

1.1 Назначение позиционера для спутниковой антенны

Искусственные спутники Земли находятся на геостационарной орбите, которая представляет собой круговую орбиту, расположенную над экватором Земли, находясь на которой, искусственный спутник вращается вокруг планеты с угловой скоростью, равной угловой скорости вращения Земли вокруг оси.

Спутники расположены на так называемой полярной дуге на высоте приблизительно 36900 км над уровнем моря, высота нахождения спутника выбирается не случайно, а исходя из расчетов центробежной силы, чтобы спутник не упал на землю и не улетел в открытый космос. Надежность и экономичность спутниковых систем связи постоянно растут. Многопрограммным телевидением постепенно охватываются все новые районы, включая и самые отдаленные уголки России. Возросло значение ССС в системах массового обучения, оповещения о различного рода стихийных явлениях, оказания медицинской помощи. Массовое распространение получили мобильные средства спутниковой связи, позволяющие быстро и практически в любых районах страны организовать связь с помощью ИСЗ. Значительно расширилось международное сотрудничество в области применения спутниковых систем связи, еще более развились системы «Интерспутник», «Стационар», возросло их взаимодействие с системами «Интелсат», «Инмарсат» и другими ССС различных стран мира.

Связь спутника с Землей осуществляет спутниковая антенна.

Спутниковые антенны бывают различных типов, форм и размеров. Их выбор зависит от мощности сигнала со спутника и от его положения на орбите. Для приема сигнала с нескольких спутников чаще используют поворотную антенну.

Поворотная антенна – это моторизированная антенна, рассчитанная таким образом, что при движении она описывает точно такую же дугу, как и та, на которой расположены спутники в космосе. Благодаря силе притяжения Земли и противодействующей ей центробежной силе, спутники неподвижны относительно земной поверхности, поэтому достаточно установить устройство (мотор) для перемещения антенны по заданным позициям спутников. Существует два основных вида моторов – актуатор и мотоподвес.

Помимо установки мотора необходима также точная настройка антенны и фиксирование спутников. Можно выделить два основных этапа – настройка полярной оси антенны и настройка точных позиций спутников с одновременным запоминанием их на позиционере. Полярную ось начинают настраивать с нулевой отметки. Как правило, это самый верхний спутник. Так, один раз настроив антенну, абонент сможет управлять ей уже с пульта позиционера, в зависимости от выбранного пользователем типа мотора и модели позиционера.

Спутниковый позиционер должен будет управлять мотором спутниковой антенны, а так же будет предназначен для запоминания до 99 направлений спутниковой антенны в 99 ячейках внутренней энергонезависимой памяти и автоматической установки антенны в любое из этих положений.

Преимущества, которые должно давать это устройство – главное это широкий выбор телевизионных каналов (около 2500 российских и более 3000 зарубежных) со всех доступных спутников на орбите (от 5⁰з.д. до 90⁰в.д).

Такое устройство может использоваться как в быту, так и на военных объектах для более удобного наведения на интересующий пользователя спутник, как для приема информации, так и для её отсылки в другие точки Земли.

1.2 Условия  эксплуатации позиционера для  спутниковой антенны

Позиционер для спутниковой антенны будет подключаться коаксиальным кабелем к ресиверу и к конвертеру (LNB), а так же к поворотной системе (мотору и актуатору) кабелем от мотора. Это в свою очередь позволяет устройство не устанавливать снаружи помещения и в любом случае поломки позиционера можно будет его без лишних затрат и проблем либо заменить, либо отремонтировать. Использовать такое устройство может любой пользователь, купивший его в торговой сети либо в специализированном магазине.

Спутниковый позиционер, будет устанавливаться специалистом стационарно, на вводе и рассчитан на непрерывный круглосуточный режим работы в закрытых отапливаемых помещениях. Может эксплуатироваться как в жилых домах, так и в офисных помещениях.

Воздействующие факторы, распространяющиеся на стационарную аппаратуру:

−  климатические (повышенная и пониженная температура, делящаяся на  предельную и рабочую температуры  -5 ÷ +35 С⁰);

−  относительная влажность (40 ÷ 75 % при температуре -25 ÷ +40 С⁰);

−  пониженное давление (61 кПа, время выдержки 2 ÷ 6 ч);

− радиоактивное воздействие (космическая радиация, солнечная радиация, ядерная радиация от реакторов, атомных двигателей, облучение потоком гамма –фотонов, быстрыми нейтронами и т. д.);

− механические (вибрация, механические и акустические удары, линейные ускорения).

Учитывая, что прибор будет использоваться в нормальных условиях, температура в доме (или в офисе) может быть ниже 0⁰С и может повыситься до +40⁰С. С понижением (повышением) температуры, параметры радиоэлементов в устройстве будут изменяться. Чаще всего повышенная температура радиоэлементов встречается в районах с тропическим климатом. Прибор должен быть разработан так, что бы в предельных минимальных и максимальных температурах, параметры спутникового позиционера оставались в заданных пределах. Превышение заданных пределов температуры, может негативно сказаться на работе устройства, вплоть до выхода его из строя.

Учитывая то, что спутниковый  позиционер может быть использован  в отапливаемых помещениях (домах, офисах, квартирах), то следует учесть пределы  внешних воздействий на проектируемое  устройство:

− диапазон температур эксплуатации +5⁰С  ÷ +40⁰С;

− атмосферное давление 680 ÷ 790 мм. рт. ст.;

− влажность воздуха 40 ÷ 75 %;

− пределы радиационного фона 15 ÷ 60 мР/ч

− вибрационные нагрузки 20 Гц с ускорением g не более 2;

− помехозащищенность электронного устройства в металлическом корпусе, при напряженности внешнего электромагнитного поля не менее 120 дБ;

При несоблюдении пользователем  условий  эксплуатации исправная  работа позиционера для спутниковой  антенны не может быть гарантирована.

1.3 Формирование технического задания

Для начала  рассмотрим несколько  аналогов спутниковых позиционеров, которые широко распространены и  имеют большой спрос у населения.

За аналоги можно взять приборы компаний «Moteck», «Super Power Jack» и «SuperJack», поскольку они являются самыми распространенными на рынке.

 Спутниковый DiSEqC позиционер  «Moteck» V – BOX II с поддержкой протоколов 1.0 и 1.2, а так же для ресиверов, не имеющих поддержки DiSEqC протокола. В комплект так же входит пульт ДУ. Кнопки управления на передней панели позволяют переводить позиционер в режим Standby, запоминать позиции и перемещать антенну при помощи актуатора или мотоподвеса в горизонтальной плоскости. Позиционер имеет авто настроечные функции и функции ресинхронизации, заключающиеся в возможности автоматического пересчета позиций спутников при изменении пределов. 

Технические характеристики:                                                                    

– максимальная потребляемая мощность – 80/100Вт;

- входное напряжение – 230 В перем. ток /50Гц;

- выходное напряжение – 36 В;

- максимальная сила тока – 3,5 A/4,2 A;

- максимальный диаметр антенны – 3 – 5 М;

- протокол DiSEqC – 1,0/1,2;

- количество сохраняемых позиций – 60;

- управление DiSEqC 1,2 или пультом ДУ (опц.) – да;

- функция ресинхронизации – да;

– ручное управление – Питание Вкл./Выкл., Восток/Запад;

– защита – программная защита пределов;

– защита от перегрузки – да;

Следующий спутниковый позиционер фирмы «Super Jack» 01FO580 DiSEqC 1,0/1,2 позиционер и отдельно работающий позиционер с пультом.

Технические характеристики:

– максимальная потребляемая мощность – 70 Вт;

– напряжение питания  – 220 ÷ 240 В перем. ток / 50 Гц (доступно 110 В перем. ток / 60 Гц)

- максимальная сила тока, 3,5A/4,2A;

- максимальный диаметр антенны, 3 - 5М;

- протокол DiSEqC, 1.0/1.2;

- количество сохраняемых позиций – 24;

- управление DiSEqC 1,2 или пультом ДУ (опц.) – да;

- функция ресинхронизации, да;

– ручное управление, Питание  Вкл./Выкл., Восток/Запад;

– программная защита пределов, есть;

– защита от перегрузки, да;

Полнофункциональный удаленный  позиционер для спутниковой антенны «Super Power Jack» 01WL2000.

 Технические характеристики:

• Мощность – 80Вт ;
• Напряжение питания – 220 ÷ 240В перем. ток/ 50 Гц (доступно 110В перем. ток / 60Гц);
• Максимальный выходной ток – 3,5А;
• Запоминаемые позиции – 32;
• Удаленное управление – есть;
• Светодиодное табло – 2 знака;
• Защита от короткого замыкания – есть;
• Защита от перегрузок – электронная;

В табл. 1.1 приведены основные параметры проектируемого устройства и его приведенных аналогов.

        Таблица 1.1

Основные параметры  устройств

Продолжение таблицы 1.1

Исходя из табл. 1.1, можно сделать вывод, что разрабатываемое устройство будет иметь некоторые преимущества по сравнению с аналогами. Поэтому можно предположить, что устройство целесообразно разрабатывать далее.

2. ВЫБОР МИКРОКОНТРОЛЛЕРА

2.1 Обоснование  применения микроконтроллера

Любое электронное устройство можно создать не только на микроконтроллерах и микропроцессорах, но и на таких электронных компонентах как цифровые микросхемы и транзисторы. Но такое решение не всегда бывает оправдано, так как такой прибор может получиться дорогим, или что еще хуже, очень громоздким. Так же могут возникнуть сложности в настройке работы готового прибора.

Рассмотрим построение устройств на цифровых микросхемах. Интегральные микросхемы, содержат в своем составе десятки, сотни, тысячи, а в последнее время многие десятки и сотни тысяч и даже миллионы компонентов, цифровые ИМС позволили по новому подойти к проектированию и изготовлению цифровых устройств.

Достоинства ИМС:

• низкие первоначальные затраты при организации производства;
• возможность использования компонентов с требуемыми характеристиками;
• простота изготовления плат.

Недостатки ИМС:

• большая цена при массовом производстве;
• большие размеры;
• более сложная технология изготовления.

Также можно проектировать  электронные приборы на таких  радиоэлектронных компонентах как  диоды и транзисторы. При проектировании устройства с использованием этих компонентов, возникнет ряд трудностей (например, применение в схеме нескольких десятков управляющих элементов), что привлечет к удорожанию будущего устройства. Это можно объяснить тем, что большинство современных электронных устройств, считаются сложными устройствами, требующими максимально высокого качества, работой в экстремальных ситуациях (например, при повышенных температурах), а так же должны обладать рядом функций (например, управления и передачи информации другим устройствам). 

На данный момент времени  устройства чаще всего построены на микропроцессорах и микроконтроллерах, так как они потребляют мало электроэнергии по сравнению с некоторыми радиокомпонентами. Но если в схеме применить микропроцессор то выяснится, что цена на микропроцессоры окажется выше, чем на микроконтроллеры и половина параметров микропроцессоров может просто не выполняться.

 В таких случаях  целесообразнее применить в схеме  такое устройство как микроконтроллер. 

 Он является универсальным цифровым устройством с очень высоким быстродействием. Поэтому в некоторых ситуациях, применение МК будет гораздо удобнее и экономичнее, нежели применение цифровых микросхем и других элементов РЭС.

Достоинствами микроконтроллеров  являются:

• низкая стоимость;
• высокая надежность,
• высокая степень миниатюризации,
• малое энергопотребление,
• работоспособность в жестких условиях эксплуатации;
• достаточная производительность для выполнения всех требуемых функций.

В отличие от универсальных  компьютеров к управляющим контроллерам, как правило, не предъявляются высокие требования к производительности и программной совместимости.

Выполнение всех этих довольно противоречивых условий одновременно затруднительно, поэтому развитие и  совершенствование техники пошло  по пути специализации и в настоящее  время количество различных моделей управляющих микроконтроллеров чрезвычайно велико.

2.2 Выбор микроконтроллера 

В последнее время  появилось достаточно много новых 8-миразрядных микроконтроллеров, которые  по соотношению цена/производительность выглядят достаточно привлекательно. Однако в стоимость разработки входит не только стоимость самого микроконтроллера, но и стоимость средств отладки (без которых время разработки существенно возрастает) и стоимость уже существующего программного обеспечения (если разработка начинается не с нуля). Поэтому объяснима приверженность отечественных разработчиков интеловскому ряду процессоров MCS-51. На сегодняшний день существует большое количество фирм производителей управляющих микроконтроллеров (более десятка), рассмотрим наиболее популярные из них – Dallas Semiconductor, STMicroelectronics и Atmel.

2.2.1 Микроконтроллеры фирмы Dallas Semiconductor

Микроконтроллеры «High-Speed» фирмы Dallas Semiconductor полностью программно и аппаратно совместимы с процессорами MCS-51 однако имеют ряд дополнительных возможностей. Это повышенное быстродействие (в 2,5 ÷ 3 раза на той же тактовой частоте), второй последовательный порт, программируемый сторожевой таймер, мониторинг напряжения питания, два указателя данных (DPTR) для ускорения блоковых пересылок и четыре дополнительных внешних прерывания. Еще одна интересная особенность – это возможность уменьшения частоты работы процессора в 16 и 256 раза (уменьшается ток потребления). Для уменьшения электромагнитного излучения от процессора можно запретить ALE сигнал (когда он не требуется). Также еще имеется 1 Кбайт SRAM памяти на кристалле с доступом по MOVX.

В большинстве случаев DS87C520/530 можно устанавливать вместо 87С51/52 без модификации программного обеспечения. Это весьма существенная возможность, которая позволяет во-первых воспользоваться уже существующей аппаратной частью, во-вторых не переделывать «soft», затраты на который в большинстве случаев превышают затраты на «hard». При этом разработчик получает систему на порядок превосходящую существующую. Так на максимальной частоте (33 МГц) время выполнения одноцикловой команды – 121 нс (так называемая эффективная частота равна 82,5 МГц). Недорогие отечественные отладочные средства – внутрисхемные эмуляторы доступны разработчику в настоящее время.

Увеличение производительности «High-Speed» микроконтроллеров обусловлено тем, что их машинный цикл состоит не из 12-ти тактов, как у 87С51, а всего из 4-х. Поэтому простейшая одноцикловая команда выполняется в 3 раза быстрее (при одинаковой тактовой частоте). Однако не у всех инструкций возможно такое повышение – среднее  увеличение около 2,5 раз. Это объясняется тем, что некоторые инструкции выполняются за большее количество циклов, чем у 87С51. Так команда «MOV direct, direct» выполняется за 3 цикла, т.е. за 12 тактов, а у 87С51 она выполняется за 2 цикла т.е. за 24 такта. Увеличение все равно имеет место, однако, уже только в 2 раза.

2.2.2 Микроконтроллеры фирмы STM

Компания STMicroelectronics – один из мировых лидеров по производству 8 и 16-разрядных микроконтроллеров. Начиная с 2004 года, она стремительно расширяет свое семейство 16/32-разрядных микроконтроллеров с архитектурой на основе ядра ARM. Вся линейка ядер ARM обладает программной совместимостью, имеется большое число продуктов для выбора. Основными достоинствами ядра AVR являются:

– наименьшее энергопотребление  для обеспечения одинакового  значения производительности по сравнению  с другими ядрами при более  низкой тактовой частоте.

– возможность программирования с оптимизацией либо скорости 32-разрядного ядра ARM, либо с оптимизацией размера программного кода при использовании 16-разрядных команд, что обеспечивает большую гибкость при проектировании.

В семействе микроконтроллеров STR7 в качестве базового ядра используется ARM7IDMI, производительность и экономичность которого зависят от частоты и используемого напряжения.

Ядро ARM7 используют и другие производители микроконтроллеров, из которых на российском рынке можно выделить Motorola, Atmel, Philips и др. Однотипность ядра многих семейств микроконтроллеров производителей предопределяет их совместимость по аппаратно-программным средствам разработки, которые представляют большинство фирм поставляющих продукцию этого вида.

При выборе микроконтроллеров  решающую роль приобретают интеграционные характеристики микроконтроллеров, и в первую очередь, наличие и возможности встроенных периферийных устройств ARM микроконтроллеров, наличие и доступность библиотек программ для встроенной периферии, экономичность.

Обобщенные технические  характеристики микроконтроллеров серии STE73xFxx:

  – от 15 кбайт до 64 кбайт SRAM;

– от 128 до 256 кбайт flash-памяти с малым временем случайного доступа;

– 4 таймера, отдельный сторожевой таймер и часы реального времени.

– 5 режимов пониженного энергопотребления;

– встроенный стабилизатор напряжения 1,8 В;

– до 48 портов ввода/вывода.

– интерфейс JTAG для отладки;

– диапазон рабочих температур от -40 ⁰C до +85 ⁰C.

Микроконтроллер STR710FZ1 содержит в себе 128 кбайт flash-памяти, работает при температуре от -40 ⁰C до +85 ⁰C, количество портов ввода/вывода составляет 48 штук. Уже следующий микроконтроллер STR710FZ2 превосходит по параметрам предыдущего. Он содержит в себе 256 кбайт Flash-памяти, так же имеет 48 портов ввода/вывода и работает в том же диапазоне температур.

У микроконтроллеров серии STR73 основными отличительными характеристиками являются:

– рабочая частота ядра ARM – 36 МГц;

– одноканальное питание – 5 Вольт;

– до 20 таймеров, до 16 каналов ШИМ;

– до 112 портов ввода/вывода;

– диапазон рабочих температур: -40 ⁰C ÷ +105 ⁰C;

– встроенный загрузчик, который дает гибкость для программирования.

Микроконтроллер следующего семейства, STR730FZ1 содержит в себе 256 кбайт Flash-памяти. У него 48 портов ввода/вывода и работает в диапазоне температур от -40 ⁰C до +105 ⁰C. В проектируемом устройстве не будет применяться столь мощный микроконтроллер, так как устройство будет простым и будет выполнять одну и ту же функцию.

Существенным достоинством ARM – микроконтроллеров STM по сравнению с их аналогами является экономичность. Микроконтроллеры STM Гибкие в управлении. Каналами управления тактовой частоты могут служить внешний кварцевый резонатор и генератор.

2.2.3 Микроконтроллеры  фирмы Atmel

Микроконтроллеры фирмы Atmel приобрели большую популярность, привлекая разработчиков достаточно выгодным соотношением таких показателей, как цена, быстродействие и энергопотребление. Кроме того важными параметрами являются удобные режимы программирования, доступностью программно – аппаратных средств поддержки и широкая номенклатура выпускаемых кристаллов. Микроконтроллеры этой фирмы используются в автомобильной электронике, бытовой технике, сетевых картах и т.д.