Разработка и оптимизация синтезатора частоты

19

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Самарский государственный аэрокосмический университет имени

академика С.П. Королева

Тольяттинский филиал

Кафедра РТУ

Пояснительная записка к курсовому проекту

на тему:

«Разработка и оптимизация синтезатора частоты»

Выполнил:

Студент гр. 54048

Болоян А.Н.

Проверил: Кудрявцев И.А.

2003

Задание на курсовой проект №3

по курсу

Цифровые устройства и микропроцессоры

Студенту Болояну А.Н. гр.54048

Разработать синтезатор частоты со следующими параметрами:

1) Форма напряжения - прямоугольные импульсы(меандр);

2) Диапазон изменения частоты - 1 Гц ч 1 кГц;

3) Амплитуда - 5В;

4) Максимальная погрешность задания частоты - 5%;

5) Задание частоты - через интерфейс CENTRONICS;

6) Минимальное сопротивление нагрузки - 100Ом.

Реферат

Курсовой проект.

Пояснительная записка 22 с.,11 рис., 3 табл., 3 источника

МИКРОКОНТРОЛЛЕР, CENTRONICS, ПАМЯТЬ, ПОРТ, ШИНА, КАРТА ПАМЯТИ, АССЕМБЛЕР

Осуществлена разработка синтезатора частоты на основании выданного технического задания. Приведены алгоритм и текст программы синтезатора прямоугольных импульсов заданной амплитуды с помощью интерфейса CENTRONICS.

Перечень условных обозначений и сокращений

МК -- микроконтроллер;

БП -- блок питания;

БИС -- большая интегральная схема;

УС - универсальные средства;

Содержание

Введение

1. Разработка функциональной схемы устройства и выбор типа микроконтроллера

1.1 Анализ технического задания и обоснование функционального состава устройства

1.2 Выбор типа микроконтроллера

1.2.1 Стандартная схема включения

1.2.2 Назначение основных выводов

2. Разработка принципиальной схемы устройства

2.1 Блок питания

2.2 Разъем CENTRONICS

2.3 Формирователи сигналов

2.4 Выходной усилитель

3. Разработка алгоритмов и программы

3.1 Разработка алгоритма программы работы синтезатора частоты

3.2 Разработка подпрограммы формирования частоты

3.2.1 Листинг подпрограммы формирования частоты

Заключение

Список использованных источников

Введение

Развитие микроэлектроники и широкое применение ее изделий в промышленном производстве, в устройствах и системах управления самыми разнообразными объектами и процессами является в настоящее время одним из основных направлений научно-технического прогресса.

Использование микроэлектронных средств в изделиях производственного и культурно-бытового назначения не только приводит к повышению технико-экономических показателей изделий (стоимости, надежности, потребляемой мощности, габаритных размеров), но и придает им принципиально новые потребительские качества (расширенные функциональные возможности, модифицируемость, адаптивность и т.д.).

Широкое распространение получили микроконтроллеры и микроЭВМ. Предназначенные для “интеллектуализации” оборудования различного назначения, они применяются в тестовых и контрольно-измерительных системах; системах управления технологическими процессами; программного управления станками; контроля состояния линии связи; подсистемах управления периферийным оборудованием вычислительных систем и комплексов; специализированных вычислительных устройствах и др.

Микроконтроллер -- система с относительно небольшими вычислительными возможностями, направленными не на производство вычислений, а на выполнение процедур логического направления различного оборудования.

Микроконтроллеры представляют собой приборы, конструктивно выполненные в виде БИС и включающие в себя все составные части микроЭВМ: микропроцессор, память программ и данных, а также программируемые интерфейсные схемы для связи с внешней средой. Для микроконтроллеров характерно: незначительная емкость памяти, физическое и логическое разделение памяти программ и памяти данных, упрощенная система команд, примитивные методы адресации команд и данных, а также специфическая организация ввода/вывода информации.

В данной работе разработана функциональная и принципиальная электрические схемы синтезатора частоты прямоугольных импульсов на базе однокристального микроконтроллера MC68HC908JK1/1/ фирмы “Motorola”, а также программа, ее алгоритм в виде блок схемы, карта памяти с размещением программы. Первая глава работы включает в себя анализ технического задания и обоснование функционального состава синтезатора частоты прямоугольных импульсов. Вторая глава содержит выбор элементной базы и разработку принципиальной схемы устройства. В третьей главе -- разработка программы, ее алгоритма в виде блок схемы и карты памяти.

1. Разработка функциональной схемы устройства и выбор типа микроконтроллера

1.1 Анализ технического задания и обоснование функционального состава устройства

Решение задачи, связанной с разработкой какого-либо технического устройства, в нашем случае синтезатора частоты прямоугольных импульсов,

во-первых, предполагает начертание этого устройства в виде отдельных законченных блоков или устройств. Ими могут быть различные буферы (буфер управления, включая блок питания; буфер вывода информации и т.д.), а также блоки, которые осуществляют сбор, обработку, хранение информации. Блоком, осуществляющим сбор информации, может быть клавиатура или АЦП. За сбор, обработку, выведение информации на дисплей отвечает микроконтроллер.

Синтезатор частоты прямоугольных импульсов предназначен для управления объектами самого различного назначения, и должен обеспечивать:

-- ввод оператором информации о задании частоты, посредством интерфейса CENTRONICS;

--формирование импульсной последовательности встроенными аппаратно-программными средствами;

--вывод управляющих воздействий на исполнительное устройство.

Исходя из анализа технического задания и возможностей МК, можно сделать вывод, что в функциональный состав синтезатора частоты прямоугольных импульсов должны входить:

--БП;

--МК;

--разъем CENTRONICS;

--формирователи сигналов;

--выходной усилитель

Структурная схема заданного устройства приведена на рис. 1

Рисунок 1 - Структурная схема синтезатора частоты прямоугольных импульсов

Блок питания нужен непосредственно для питания микроконтроллера (оно выбирается стандартным, 5В), формирователей сигналов и выходного усилителя (на схеме представлен в виде блока, “связывающего” микроконтроллер с нагрузкой).

Блок, осуществляющий сбор информации -- интерфейс. В данном задании используется интерфейс CENTRONICS, посредством которого данные поступают с клавиатуры.

1.2 Выбор типа микроконтроллера

При выборе типа микроконтроллера, его тактовой частоты и элементной базы следует руководствоваться комплексом соображений -- современность, экономичность, сложность дополнительных аппаратных средств, доступность на отечественном рынке. Выберем восьмиразрядный микроконтроллер семейства HC08 -- MC68HC908JK1/1/. Основное его достоинство - высокопроизводительное 8-разрядное АЛУ, частота обмена внутренней шины до 8 МГц.

1.2.1 Стандартная схема включения

Микроконтроллеры MC68HC908JK3/JK1 выпускаются в двадцативыводных PDIP/SOIC-20 корпусах. Их стандартная схема включения приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Стандартная схема включения микроконтроллера MC68HC908JK1

1.2.2 Назначение основных выводов

Вывод 2 - Vss (земля). Она соединяется с общим проводом. Вывод 5 (Vdd) соединяется с шиной питания (+3..5В). К выводам 3 (OSC1) и 4 (OSC2) подключается кварцевый резонатор или RC-цепь/1/.

Могут использоваться кварцевые резонаторы с частотами от 2 ч 32 МГц. Выберем резонатор на 4 МГц. Выводы кварцевого резонатора соединены с общим проводом через конденсаторы C3 и C4 емкостью 27пФ. Резистор R1 (3МОм), подключенный параллельно резонатору, облегчает запуск тактового генератора МК при низких температурах.

Вывод 20 - это вход RST, или сброс. Низкий логический уровень на этом входе приводит к сбросу в начальное состояние регистров микроконтроллера и к началу исполнения программы с начального адреса. Конденсатор С2 (0.1мкФ) используется для формирования импульса сброса МК при включении питания. А конденсатор С1 (0.1мкФ) используется для блокирования помех МК по цепи питания.

Прерывание по внешнему запросу возникает при поступлении сигнала низкого логического уровня на вход IRQ (вывод 1).

Оставшиеся 14 выводов - это линии ввода/вывода информации. Они сгруппированы таким образом: 8 линий ввода/вывода порта PTB, и 6 линий ввода/вывода порта PTD. Каждая линия любого из них может использоваться либо как вход, либо как выход, независимо от использования остальных линий.

2. Разработка принципиальной схемы устройства

2.1 Блок питания

Принципиальная схема источника питания приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Принципиальная схема источника питания (+5В)

Общее выходное напряжение вторичной обмотки равно 10В при номинальном токе 100мА. Диоды должны держать ток не менее 100мА и напряжение не менее 20В. Выберем маломощные диоды типа КД923А, рассчитанные на ток 0.3А и напряжение 50В. После выпрямления напряжение фильтруется конденсаторами С1 и С2, рассчитанными на напряжение не менее 25В. Выберем электролитический конденсатор типа К50-35 емкостью 220мкФ и номинальным напряжением 25В. В качестве стабилизатора используем микросхему К142ЕН5.

2.2 Разъем CENTRONICS

алгоритм синтезатор микроконтроллер

Основным назначением интерфейса CENTRONICS (аналог - ИРПР-М) является подключение к компьютеру принтеров различных типов. Поэтому распределение контактов разъема, назначение сигналов, программные средства управления интерфейсом ориентированы именно на это использование. В то же время с помощью данного интерфейса можно подключить к компьютеру и другие внешние устройства, имеющие разъем CENTRONICS, а также специально разработанные УС.

Назначение контактов разъема CENTRONICS приведено в таблице 1.

Таблица 1 - Назначение контактов разъема CENTRONICS

Контакт разъема компьютера	Цепь	Направление	Контакт разъема принтера
1	nSTROBE	OUT	1
2	D0	OUT	2
3	D1	OUT	3
4	D2	OUT	4
5	D3	OUT	5
6	D4	OUT	6
7	D5	OUT	7
8	D6	OUT	8
9	D7	OUT	9
10	nACK	IN	10
11	BUSY	IN	11
12	PE	IN	12
13	SELECT	IN	13
14	nAUTOFEED	OUT	14
15	nERROR	IN	32
16	nINIT	OUT	31
17	nSELECTIN	OUT	36
18…25	GND	-	16, 17, 19…30, 33

В рамках данного курсового проекта ограничимся описанием следующих контактов разъема CENTRONICS, которые будут использоваться далее:

D0…D7 - 8-разрядная шина для передачи данных из компьютера в принтер. Логика сигналов положительная.

nSTROBE - сигнал стробирования данных. Данные действительны как по переднему, так и по заднему фронту этого сигнала. Сигнал говорит приемнику (принтеру), что можно принимать данные.

nACK - сигнал подтверждения принятия данных и готовности приемника (принтера), принять следующие данные.То есть здесь реализуется асинхронный обмен.

BUSY - сигнал занятости принтера обработкой полученных данных и неготовности принять следующие данные. Активен также при переходе принтера в состояние off-line или при ошибке, а также при отсутствии бумаги.

Временная диаграмма цикла передачи данных представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Временная диаграмма цикла передачи данных

Перед началом цикла передачи данных компьютер должен убедится, что сняты сигналы BUSY и nACK. После этого выставляются данные, формируется строб и снимаются данные. Приемник должен успеть принять данные с выбранным темпом. При получении строба приемник формирует сигнал BUSY, а после окончания обработки данных выставляет сигнал nACK, снимает BUSY и снимает nACK. Затем может начинаться новый цикл.

2.3 Формирователи сигналов

Основное назначение формирователей - это использование их в качестве интерфейсной схемы в системах с магистральной организацией обмена информации, в системах цифровой автоматики и микропроцессорных устройствах/2/.

Рисунок 5 - Микросхема КР1533АП6

В нашем случае вполне применима микросхема КР1533АП6, представляющая собой восьмиразрядный двунаправленный приемопередатчик с тремя состояниями на выходе и без инверсии входной информации. Расположение выводов микросхемы представлено на рисунке 5. Вход COD - вход управления информации; COZ - вход управления третьим состоянием; 0V - общий вывод. На вход Ucc подается питание (+5В). Выводы D1.0 - D1.7 и D2.0 - D2.7 могут быть как входами так выходами, в зависимости от требуемого направления передачи данных (см. таблицу 2).

Режим работы определяется комбинацией сигналов на двух входах управления - COZ и COD. При низком уровне напряжения на входе управления третьим состоянием COZ, направление передачи определяется логическим уровнем на входе COD, а при высоком уровне напряжения на входе COZ выходы микросхемы переводятся в высокоимпедансное состояние/2/. Для обеспечения работы на относительно низкоомную или большую емкостную нагрузку выходы микросхемы умощнены по сравнению со стандартными. Таблица истинности представлена в таблице 2. Эту микросхему используем как буфер данных между интерфейсом CENTRONICS и МК.

Таблица 2. Таблица истинности

COZ	COD	Операция
H	X	3-е состояние
L	H	D1 > D2
L	L	D2 > D1

Кроме КР1533АП6, в данном курсовом проекте используется микросхема КР1533ЛП8/3/ в качестве формирователя сигналов. Она представляет собой четыре логических элементов с повышенной нагрузочной способностью, выполняющих Булеву функцию в положительной логике. Расположение выводов микросхемы КР1533ЛП8 представлено на рисунке 6.

Входы EZ1 - EZ4 - входы разрешения третьего состояния; 0V - общий вывод; X1 - X4 - информационные входы; Y1 - Y4 - информационные выходы. На вход Ucc подается питание (+5В). Каждый логический элемент имеет отдельный вход управления третьим состоянием выхода, который переводит соответствующий выход в третье состояние при подаче на вход EZ напряжения высокого уровня/3/. Таблица истинности представлена в таблице 3.

Как видно из таблицы истинности, при подаче на вход EZ напряжения низкого логического уровня, микросхема становится повторителем сигнала. В нашем курсовом проекте эта микросхема будет играть роль формирователя сигналов управления данными (nSTROBE, BUSY и nACK) между МК и интерфейсом CENTRONICS.

Таблица 3. Таблица истинности

Входы	Выход
EZ	X	Y
L	L	L
L	H	H
H	L	Z
H	H	Z

Рисунок 6 - Микросхема КР1533ЛП8

2.4 Выходной усилитель

Основное назначение выходных усилителей - усиливать сигнал, поступающий, к примеру, от генератора к нагрузке. В нашей курсовой работе роль генератора играет МК. Для простоты реализации усилителя, выберем микросхему КР1533ЛН8 (рисунок 7). КР1533ЛН8 содержит шесть буферных логических элементов с умощненными выходными каскадами, выполняющих Булеву функцию . Где 1D - 2D - входы, 1Y - 6Y - выходы. На вход Ucc подается питание (+5В), 0V - общий провод.

Рисунок 7 - Микросхема К1533ЛН8

3. Разработка алгоритмов и программы

3.1 Разработка алгоритма программы работы синтезатора частоты

Исходя из того, что по заданию данного курсового проекта задание частоты осуществляется через интерфейс CENTRONICS (передатчик), а формирование частоты происходит посредством инициализации таймера МК (приемник) и последующего генерирования меандра, то алгоритм работы синтезатора частоты будет иметь две части: для передатчика и приемника. Алгоритм работы передатчика представлен на рисунке 8.

Перед началом цикла передачи данных передатчик (компьютер) должен убедится, что сняты сигналы BUSY и nACK. После этого выставляются данные, пауза 500нс, формируется строб.

Алгоритм работы приемника представлен на рисунке 9. Приемник (МК) должен успеть принять данные с выбранным темпом. При получении строба приемник формирует сигнал BUSY, а после сохранения данных, инициализации таймера и генерации частоты, выставляет сигнал nACK, снимает BUSY, генерация паузы и снятие nACK. Затем может начинаться новый цикл.

3.2 Разработка подпрограммы формирования частоты

В МК семейства HC08 (в нашем случае MC68HC908JK1) предусмотрен модуль процессора событий TIM08. Он состоит из 16-ти разрядного таймера-счетчика и двух полностью идентичных модулей захвата/сравнения. Эти модули в процессе инициализации могут быть настроены на один из пяти режимов работы:

? Входного захвата.

? Небуферированного выходного сравнения.

? Буферированного выходного сравнения.

? Небуферированной ШИМ.

? Буферированной ШИМ.

Рисунок 8 - Алгоритм работы передатчика

Каждый модуль захвата/сравнения связан с одним из выводов МК. Функция входного или выходного сигнала модуля захвата/сравнения процессора событий является альтернативной функцией линии какого-либо порта ввода/вывода. 16-ти разрядный таймер-счетчик служит временной базой для модулей захвата/сравнения. Он подсчитывает импульсы тактовой частоты fBUS, поступающие на вход через программируемый делитель частоты.

Для управления таймером-счетчиком модуля TIM08 предусмотрены пять регистров специальных функций, но мы будем использовать три:

· T0SC - регистр управления таймером-счетчиком 0, где “0” - имя модуля процессора событий для МК семейства HC08.

· T0MODH - регистр периода таймера-счетчика (старший байт).

· T0MODL - регистр периода таймера-счетчика (младший байт).

Выберем режим небуферированной ШИМ, который может быть использован для получения на выходе МК широтно-модулированного импульсного сигнала. С этой целью следует запрограммировать логику изменения сигнала на выходе МК следующим образом:

· При наступлении события выходного сравнения на выходе МК устанавливается низкий логический уровень.

· При переполнении таймера-счетчика уровень сигнала на выводе инвертируется.

В нашем случае, задание частоты происходит посредством интерфейса CENTRONICS, который формирует двухбайтовое число. Это число резервируется в ячейках памяти МК как DATAH (старший байт) и DATAL (младший байт).

Далее байты DATAH и DATAL помещаются в 16-ти разрядный регистр данных T0CH0 канала захвата/сравнения (T0CH0H и T0CH0L - старший и младший байты этого регистра.), который определяет коэффициент заполнения в режиме ШИМ. Помимо этого необходимо задать период, для этого поместим байты DATAH и DATAL в двухбайтовый регистр периода T0MOD (T0MODH и T0MODL - старший и младший байты этого регистра), предварительно умножив DATAH и DATAL на 2.



19

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 9 - Алгоритм работы приемника

После этого происходит сравнение. Временная диаграмма работы канала процессора событий в режиме небуферизованной ШИМ представлена на рисунке 10. Погрешность формирования импульсов составляет с.



Рисунок 10 - Диаграмма работы процессора событий в режиме небуферизованной ШИМ

DATAHequ$0100

DATALequ$0101

TMODHequ$0023

TMODLequ$0024

TCH0Hequ$0026

TCH0Lequ$0027

org F600

Init:BSET 5,T0SC; остановка таймера-счетчика

BSET 4,T0SC; сброс таймера-счетчика

BSET 2,T0SC; установка коэффициента деления внутренней шины (в 16)

BCLR 1,T0SC;

BCLR 0,T0SC;

GENERATE:

LDA DATAH; загрузить ст. байт в аккумулятор

ASL; сдвинуть содержимое аккумулятора влево

STA TMODH; сохранить содержимое аккумулятора в ячейке TMODH

LDA DATAL; загрузить мл. байт в аккумулятор

ASL; сдвинуть содержимое аккумулятора влево

BCC SUM; перейти по метке SUM, если бит переноса сброшен

INC TMODH; инкремент ячейки TMODH

SUM:STA TMODL; сохранить содержимое аккумулятора в ячейке TMODL

MOV TCH0H,DATAH; записать ст.байт в регистр TCH0H

MOV TCH0L,DATAL; записать мл. байт в регистр TCH0L

BCLR 5,T0SC1; разрешение режима небуферизованной ШИМ

BSET 4,T0SC1;

BSET 3,T0SC1; установка 0 при событии сравнения

BCLR 2,T0SC1;

BSET 1,T0SC1; выход изменяет состояние на противоположное(при переполнении)

BCLR 5,T0SC; работа таймера-счетчика разрешена

RTS

Рисунок 11 - Листинг подпрограммы формирования частоты

Заключение

Результатом данной работы стал разработанный формирователь частоты на базе однокристального микроконтроллера MC68HC908JK1.

В результате выполнения курсового проекта были закреплены теоретические знания, полученные при изучении курса “Цифровые устройства и микропроцессоры”, а также получены практические навыки работы со справочным материалом.

Список использованных источников

1. Ремизевич Т.В. Микроконтроллеры для встраиваемых приложений: от общих подходов - к семействам HC05 и HC08 фирмы Motorola./под ред Кирюхина И.С. - М.: ДОДЕКА,2000, - 109-235с.: ил.

2. И.И.Петровский, А.В Прибыльский, А.А. Троян, В.С Чувелов. Логические ИС КР1533, КР1554.Справочник. Часть 1. - М.: БИНОМ, 1993, - 40с.: ил.

3. И.И.Петровский, А.В Прибыльский, А.А. Троян, В.С Чувелов. Логические ИС КР1533, КР1554.Справочник. Часть 2. - М.: БИНОМ, 1993, - 288с.: ил.

Размещено на Allbest.ru