Разработка микроконтроллера

(4.7)

где d_э - максимальное значение диаметра навесного элемента, мм;

r - разность между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным диаметром вывода устанавливаемого элемента, мм;

Дd_н.о - нижнее предельное отклонение номинального значения отверстия, мм.

Максимальный диаметр вывода навесного элемента d_э равен 1,5 мм, разность между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным диаметром вывода устанавливаемого элемента r равна 0,25 мм, нижнее предельное отклонение номинального значения отверстия Дd_н.о = -0,10 мм. Тогда диаметр монтажного отверстия по формуле (3.7) равен .

Рассчитаем номинальное значение ширины проводника по следующей формуле

(4.8)

где t_МД - минимально допустимая ширина проводника, мм;

Дt_н.о. - нижнее предельное отклонение ширины проводника, мм.

Для 3 класса точности минимально допустимая ширина проводника t_МД равна 0,25 мм, а нижнее предельное отклонение ширины проводника Дt_н.о. равно -0,05 мм.

Тогда по формуле (4.8) номинальное значение ширины проводника равно .

Рассчитаем значение расстояния между элементами проводящего рисунка

(4.9)

где и S_МД - минимально допустимое расстояние между элементами проводящего рисунка, мм;

Дt _в.о. - верхнее предельное отклонение ширины проводника, мм.

Минимально допустимое расстояние между элементами проводящего рисунка S _МД равно 0,235 мм, а верхнее предельное отклонение ширины проводника Дt _в.о. равно +0,03 мм, в соответствии с 3 классом точности. Тогда расстояние между элементами проводящего рисунка равно: .

Позиционный допуск на расположение центров отверстий относительно номинального положения узла координатной сетки д_d, согласно 3 классу точности равен 0,08 мм.

Значение позиционного допуска на расположение контактных площадок д_р на ОПП (односторонних печатных платах) и ДПП (двусторонних печатных платах) при размере платы менее 180 мм, в соответствии с 3 классом точности равно 0,20 мм

Рассчитаем минимальный диаметр контактной площадки

(4.10)

где Дd_в.о. - верхнее предельное отклонение номинального значения отверстия, мм;

b_n - ширина гарантированного пояска, мм;

Дd_ТР - допуск на подтравливание диэлектрика, мм.

Верхнее предельное отклонение номинального значения отверстия Дd_в.о. равно +0,05 мм, ширина гарантированного пояска b_n равна 0,10 мм, допуск на подтравливание диэлектрика Дd_ТР =0,03 мм. Тогда по формуле (4.10) имеем

.

Сборочный чертеж платы приведен в приложении В

4.3 Оценка показателей надежности модуля

энергосбережение банковский микроконтроллер надежность

Одним из основных эксплуатационных параметров электронной аппаратуры является надежность, которая зависит от надежности используемой элементной базы и от применяемых схемотехнических и конструкторских решений.

Надежность устройства - это свойство выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в допустимых пределах в течение требуемого промежутка времени, и возможность возобновления функционирования, утраченного по тем или иным причинам.

Отказы подразделяют на внезапные и постепенные. Первые возникают вследствие скачкообразного изменения заданных параметров устройства, например, обрывов, коротких замыканий, пробоев, нарушений контактов, механических разрушений, расплавления или сгорания деталей конструкции или схемных компонентов. Постоянные отказы характеризуются постепенным изменением одного или нескольких заданных параметров, при котором последние выходят за установленные пределы.

Одной из наиболее важных количественных характеристик надежности является вероятность безотказной работы, то есть вероятность того, что при определенных условиях эксплуатации в заданном промежутке времени не произойдет ни одного отказа

(4.11)

где t - время, для которого определяется вероятность безотказной работы, ч;

T - промежуток времени от включения до первого отказа модуля, ч.

В случае последовательного соединения и экспоненциального распределения вероятности безотказной работы модуля определяют как

(4.12)

где - суммарная интенсивность отказов, ч^-1;

.

Расчет надежности показал, что при заданной наработке 20000 часов вероятность безотказной работы ТЭЗа Р(20000)=0,75, что удовлетворяет требованиям технического задания Р (20000) = 0,82 0,75.

5. Разработка программной части

5.1 Разработка программной части для микроконтроллера PIC12F628

Подсистема автоматической обработки данных разработана на основе микроконтроллера фирмы «Microchip» PIC12F628, спроектирована схема электрическая принципиальная, печатная плата и сборочный чертеж. Разработан алгоритм, написана программа сбора и обработки информации.

В перспективе планируется использовать беспроводную связь с ЭВМ, что позволит решить целый ряд проблем, таких как:

- обеспечение надежности и долговечности линии связи;

- обеспечение безопасности и защиты от несанкционированного доступа;

- обеспечить доступ к датчикам и контроллерам, размещенным на подвижных объектах;

В зависимости от требуемой дальности радиолинии могут быть использованы либо радиомодемы малых дистанций, либо модемы, предназначенные для передачи данных на большие расстояния с помощью ЧМ радиостанций.

Программа для МК PIC12F628 представляет собой совокупность инструкций с входными или выходными данными.

Для управления и обработки информации с МК PIC12F628 через СОМ порт был разработан алгоритм, по которому была написана программа для ПК.

Данная программа работает под Windows 9x/XP/NT, что позволяет использовать ее практически на всех современных машинах. Она обладает всеми необходимыми функциями для управления и наблюдением за работой датчиков. Разработанная программа позволяет управлять подключением новых датчиков, регистрирует изменение их статуса и отключает их.

5.2 Принцип работы микроконтроллера PIC12F628 фирмы Microchip Technologies

Архитектура микроконтроллера PIC12F628 фирмы Microchip Technologies основана на концепции раздельных шин и областей памяти для данных и для команд (Гарвардская архитектура).

Среди архитектуры микропроцессорных систем, лежащих в основе устройств управления техническим средствами банковских систем, можно выделить два основных типа:

- архитектура с общей, единой шиной для данных и команд (одношинная, или принстонская, фон-неймановская архитектура);

- это архитектура с раздельными шинами данных и команд (двухшинная, или гарвардская, архитектура).

Архитектура с общей шиной (рис. 5.1) распространена гораздо больше, она применяется, например, в персональных компьютерах и в сложных микрокомпьютерах. Архитектура с раздельными шинами применяется в основном в однокристальных микроконтроллерах.

Рисунок 5.1 - Архитектура с общей шиной данных и команд

Рассмотрим некоторые достоинства и недостатки обоих архитектурных решений.

Архитектура с общей шиной (принстонская, фон-неймановская) проще, она не требует от процессора одновременного обслуживания двух шин, контроля обмена по двум шинам сразу. Наличие единой памяти данных и команд позволяет гибко распределять ее объем между кодами данных и команд. Например, в некоторых случаях нужна большая и сложная программа, а данных в памяти надо хранить не слишком много. В других случаях, наоборот, программа требуется простая, но необходимы большие объемы хранимых данных. Перераспределение памяти не вызывает никаких проблем, главное - чтобы программа и данные вместе помещались в памяти системы. Как правило, в системах с такой архитектурой память бывает довольно большого объема (до десятков и сотен мегабайт). Это позволяет решать самые сложные задачи.

Архитектура с раздельными шинами данных и команд сложнее, она заставляет процессор работать одновременно с двумя потоками кодов, обслуживать обмен по двум шинам одновременно (рис. 5.2). Программа может размещаться только в памяти команд, данные - только в памяти данных. Такая узкая специализация ограничивает круг задач, решаемых системой, так как не дает возможности гибкого перераспределения памяти. Память данных и память команд в этом случае имеют не слишком большой объем, поэтому применение систем с данной архитектурой ограничивается обычно не слишком сложными задачами.

Рисунок 5.2 - Архитектура с раздельными шинами данных и команд

Преимущество архитектуры с двумя шинами (гарвардской) состоит в быстродействии.

При единственной шине команд и данных процессор вынужден по одной этой шине принимать данные (из памяти или устройства ввода / вывода) и передавать данные (в память или в устройство ввода / вывода), а также читать команды из памяти. Естественно, одновременно эти пересылки кодов по магистрали происходить не могут, они должны производиться по очереди. Современные процессоры способны совместить во времени выполнение команд и проведение циклов обмена по системной шине. Использование конвейерных технологий и быстрой кэш-памяти позволяет им ускорить процесс взаимодействия со сравнительно медленной системной памятью. Повышение тактовой частоты и совершенствование структуры процессоров дают возможность сократить время выполнения команд. Но дальнейшее увеличение быстродействия системы возможно только при совмещении пересылки данных и чтения команд, то есть при переходе к архитектуре с двумя шинами.

В случае двухшинной архитектуры обмен по обеим шинам может быть независимым, параллельным во времени. Соответственно, структуры шин (количество разрядов кода адреса и кода данных, порядок и скорость обмена информацией и т.д.) могут быть выбраны оптимально для той задачи, которая решается каждой шиной. Поэтому при прочих равных условиях переход на двухшинную архитектуру ускоряет работу микропроцессорной системы, хотя и требует дополнительных затрат на аппаратуру, усложнения структуры процессора. Память данных в этом случае имеет свое распределение адресов, а память команд - свое.

Проще всего преимущества двухшинной архитектуры реализуются внутри одной микросхемы. В этом случае можно также существенно уменьшить влияние недостатков этой архитектуры. Поэтому основное ее применение - в микроконтроллерах, от которых не требуется решения слишком сложных задач, но зато необходимо максимальное быстродействие при заданной тактовой частоте.

Память микроконтроллера делится на 2 страницы В каждой странице расположены специальные функциональные регистры и регистры общего назначения. В регистрах общего назначения будет храниться массив считанных значений. Причем одно считывание будет храниться в одном байте, где каждый бит, соответствует своему датчику. Это позволит экономнее использовать память.

Специальные функциональные регистры описывают состояние различных периферийных устройств, в том числе универсального асинхронного приемопередатчика.

В начале работы программы необходимо выполнить с помощью специальных регистров инициализацию портов ввода-вывода, к которым подключены датчики на вход, и порта который отвечает за работу двигателя на выход.

5.3 Выбор языка программирования

Для разработки программы для микроконтроллера необходимо выбрать язык программирования и среду разработки, которая позволила бы решить поставленную задачу.

В настоящее время существует достаточно большое количество применяемых языков программирования для микроконтроллеров. Однако базовыми для них как правило являются языки Си и ассемблер. Среди достоинств языка Си можно выделить возможность более высокоуровневого программирования, что позволяет создавать программу значительно быстрее чем на языке ассемблер. Основными недостатками при использовании языка Си, можно назвать следующие: ассемблер позволяет строить программу на более низком уровне, что позволяет более оптимально обрабатывать данные датчиков, и экономнее расходовать память, которая будет использоваться для хранения данных о датчиках. Достоинство ассемблера:

- позволяет писать самый быстрый и компактный код, как минимум не хуже, чем генерируемый трансляторами языков более высокого уровня; всё зависит от способностей программиста;

- если код программы достаточно большой, данные, которыми он оперирует, не помещаются целиком в регистрах процессора, то есть частично или полностью находятся в оперативной памяти, то искусный программист, как правило, способен значительно оптимизировать программу по сравнению с высокоуровневыми трансляторами по одному или нескольким параметрам: скорость работы, объём кода;

- обеспечение максимального использования специфических возможностей конкретной платформы, что также позволяет создавать более эффективные программы с меньшими затратами ресурсов;

- при программировании на языке ассемблера возможен непосредственный доступ к аппаратуре, в том числе портам ввода-вывода, регистрам процессора и др.

К недостаткам относится:

- в силу машинной ориентации («низкого» уровня) языка ассемблера человеку сложнее читать и понимать программу на нём по сравнению с языком Си; программа состоит из слишком «мелких» элементов - машинных команд, соответственно, усложняются программирование и отладка, растёт трудоёмкость, велика вероятность внесения ошибок;

- требуется высокая квалификация программиста;

- как правило, меньшее количество доступных библиотек по сравнению с языком программирования Си;

- отсутствует переносимость программ на компьютеры с другой архитектурой и системой команд.

Исходя из вышесказанного, было принято решение для программирования микроконтроллера использовать язык программирования Си. Рассмотрим его особенности подробнее:

- обеспечивает полный набор операторов структурного программирования. Си предлагает необычно большой набор операций. Многие операции Си соответствуют машинным командам, и поэтому допускают прямую трансляцию в машинный код. Разнообразие операций позволяет выбирать их различные наборы для минимизации результирующего кода;

- поддерживает указатели на переменные и функции. Указатель на объект программы соответствует машинному адресу этого объекта. Посредством разумного использования указателей можно создавать эффективно-выполняемые программы, так как указатели позволяют ссылаться на объекты тем же самым путем, как это делает машина. Си поддерживает арифметику указателей, и тем самым позволяет осуществлять непосредственный доступ и манипуляции с адресами памяти.

- содержит препроцессор, который обрабатывает текстовые файлы перед компиляцией. Среди его наиболее полезных приложений при написании программ на Си являются: определение программных констант, замена вызовов функций аналогичными, но более быстрыми макросами, условная компиляция. Препроцессор не ограничен процессированием только исходных текстовых файлов Си, он может быть использован для любого текстового файла.

- гибкий язык, позволяющий принимать в конкретных ситуациях самые разные решения. Тем не менее, Си налагает незначительные ограничения в таких, например, действиях, как преобразование типов. Во многих случаях это является достоинством, однако программисты должны хорошо знать язык, чтобы понимать, как будут выполняться их программы.

Размещено на Allbest.ru