Микропроцессорное устройство управления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Ивановский государственный энергетический университет им. В. И. Ленина

Кафедра электроники и микропроцессорных систем

Курсовой проект

по дисциплине "Микропроцессоры и Микро-ЭВМ"

на тему: «Микропроцессорное устройство управления»

Выполнил: студент гр. 4-35

Баранов В.А.

Проверил: Софронов С.В.

Иваново 2007

Содержание

микроконтроллер микропроцессор автоматизация интерфейс

Введение

1. Функциональная схема

2. Описание принципиальной схемы

2.1 Микроконтроллер Atmel AT90USB1286

2.1.1 Карта памяти

2.1.2 Реализация интерфейса USB

2.2 Блок АЦП

2.3 Блок ЦАП

2.4 Клавиатура и дисплей

3. Разработка блока питания

4. Программная часть

5. Список использованных источников

Введение

Одной из характерных особенностей нынешнего этапа научно-технического прогресса является все более широкое применение микроэлектроники в различных отраслях промышленности и народного хозяйства.

Особое внимание в настоящее время уделяется внедрению микропроцессоров, обеспечивающих решение задач автоматизации управления механизмами, приборами и аппаратурой. Адаптация микропроцессора к особенностям конкретной задачи осуществляется, в основном, путем разработки соответствующего программного обеспечения, записываемого затем в память процессора. Аппаратная адаптация в большинстве случаев осуществляется путем подключения необходимых интегральных схем и организации систем ввода-вывода, соответствующих решаемой задаче.

В микропроцессорной технике выделился самостоятельный класс больших интегральных схем (БИС) - микроконтроллеров, которые предназначены для «интеллектуализации» оборудования различного назначения. Архитектура однокристальных микроЭВМ - результат эволюции архитектуры микропроцессоров и микропроцессорных систем, обусловленной стремлением существенно снизить их аппаратные затраты и стоимость.

Однокристальный микроконтроллер представляет собой устройство, конструктивно выполненное в виде одной БИС и включающее в себя все устройства, необходимые для реализации цифровой системы управления минимальной конфигурации: процессор, запоминающее устройство данных, запоминающее устройство команд, внутренний генератор тактовых сигналов, а также программируемые интегральные схемы для связи с внешними устройствами. Использование микроконтроллеров в системах управления обеспечивает достижение исключительно высоких показателей эффективности при столь низкой стоимости, что им, видимо, в ближайшем времени не будет альтернативной элементной базы для построения управляющих и/или регулирующих систем умеренного быстродействия.

1. Функциональная схема

Рис. 1 Функциональная схема устройства

Микропроцессорная система включает в себя:

а) микроконтроллер AT90USB1286 со встроенным модулем интерфейса USB;

б) 8-канальный 10-разрядный АЦП с интерфейсом SPI TLV1548;

в) одноканальный 14-разрядный умножающий ЦАП с интерфейсом SPI AD5446;

г) входные каскады АЦП и выходной каскад ЦАП на ОУ OP4177 и OP2177 соответственно;

д) клавиатуру 20 клавиш (неполная матрица 6*4);

е) дисплей на 6 знакомест на светодиодных семисегментных индикаторах.

Ввод данных в устройство может осуществляться тремя способами:

1) аналоговые сигналы (8 каналов) - через АЦП;

2) числовые данные и управление функциями - через клавиатуру;

3) цифровая информация с персонального компьютера, в том числе потоки цифровых данных, - через интерфейс USB.

Вывод данных из устройства может осуществляться также тремя способами:

1) аналоговый сигнал управления (напряжение, 1 канал) - через ЦАП;

2) цифровая и частично буквенная информация - через дисплей;

3) данные о текущем состоянии устройства, а также потоки цифровых данных для персонального компьютера - через интерфейс USB.

2. Описание принципиальной схемы

Ниже приводится описание основных блоков устройства, основные соображения по выбору элементной базы и общее описание функционирования.

2.1 Микроконтроллер Atmel AT90USB1286

Основой системы служит микроконтроллер AT90USB1286 фирмы Atmel. Наличие в задании требования реализации интерфейса USB привело к решению применить микроконтроллер со встроенным модулем этого интерфейса. Выбор архитектуры AVR вызван предыдущим опытом работы с процессорами данного типа, богатым функциональным оснащением и высоким быстродействием кристалла при умеренной цене. На рисунке 2 приведена структурная схема, а на рисунке 3 - расположение выводов данного микроконтроллера.



Рис. 2 Структурная схема Atmel AT90USB1286



Рис. 3 Расположение выводов Atmel AT90USB1286 в корпусе TQFP64

Основные особенности микроконтроллера:

1) 8-разрядная RISC архитектура AVR: 135 команд (большинство выполняется за 1 такт), 32 8-разрядных регистра общего назначения, производительность до 16 миллионов операций в секунду при тактовой частоте 16 МГц;

2) 128 кБайт FLASH-памяти программ, программируемой внутрисхемно: возможность выделения области начального загрузчика, возможность одновременного чтения и записи данных;

3) 4 кБайт энергонезависимой памяти данных;

4) 8 кБайт встроенной статической оперативной памяти;

5) возможность подключения до 64 кБайт внешней памяти;

6) отладочный интерфейс JTAG IEEE.1149;

7) модуль контроллера USB 2.0 Full Speed/Low Speed с поддержкой режима USB On-the-Go;

8) 2 8-разрядных и 2 16-разрядных таймера-счетчика, 2 8-разрядных канала ШИМ, таймер реального времени с отдельным асинхронным тактовым генератором, 6 каналов ШИМ с программируемым разрешением (до 16 разрядов);

9) контроллеры интерфейсов SPI и I2C;

10) 8-канальный 10-разрядный АЦП;

11) программируемый сторожевой таймер;

12) встроенный генератор сигнала сброса при включении питания и по снижению уровня напряжения питания;

13) 6 режимов энергосбережения.

Программирование контроллера осуществляется любым программатором, совместимым с процессорами AVR, через стандартизованный разъем XP2 по интерфейсу SPI.

2.1.1 Карта памяти

Общие сведения о памяти контроллера AT90USB1286 приведены в таблице 1.

Таблица 1

Тип памяти	Мнемоника	AT90USB1286
Flash	Размер	Flash size	128 KB
	Начальный адрес	0x00000
	Конечный адрес	Flash end	0x1FFFF
32 регистра общего назначения	Размер	32 B
	Начальный адрес	0x0000
	Конечный адрес	0x001F
Регистры ввода-вывода	Размер	64 B
	Начальный адрес	0x0020
	Конечный адрес	0x005F
Внешние регистры ввода-вывода	Размер	160 B
	Начальный адрес	0x0060
	Конечный адрес	0x00FF
Внутренняя память данных	Размер	ISRAM size	8 KB
	Начальный адрес	ISRAM start	0x0100
	Конечный адрес	ISRAM end	0x20FF
Внешняя память	Размер	XMem size	0 - 64 KB
	Начальный адрес	XMem start	0x2100
	Конечный адрес	XMem end	0xFFFF
Энергонезависимая память данных	Размер	E2 size	4 KB
	Начальный адрес	0x0000
	Конечный адрес	E2 end	0x0FFF

Пользовательское программное обеспечение располагается во встроенной Flash-памяти программ. Поскольку команды в архитектуре AVR являются 16-разрядными, она имеет организацию 64К*16. Загрузка ПО в память программ осуществляется внутрисхемно через интерфейсы SPI или JTAG. В конце памяти программ может быть выделена область для программы начального загрузчика (bootloader), которая может осуществлять запись ПО через любой из имеющихся в контроллере интерфейсов (например, через USB). Константы могут располагаться в любой части памяти программ.

В регистрах общего назначения хранятся данные, обрабатываемые в данный момент. Регистры ввода вывода - это регистры данных и управления, относящиеся к периферийным устройствам микроконтроллера (портам, контроллерам интерфейсов и т.д.). Внешние регистры ввода-вывода - это регистры внешней периферии, подключенной через интерфейс внешней памяти, отображающиеся на адресное пространство внутренней памяти данных. В памяти данных хранятся различные переменные, относящиеся к пользовательскому ПО.

Энергонезависимая память данных предназначена для длительного хранения констант, которые могут подстраиваться процессе наладки и/или работы устройства, например, различные настроечные параметры или данные о состоянии устройства перед выключением питания.

2.1.2 Реализация интерфейса USB

В состав AT90USB1286 входит аппаратный контроллер шины USB, соответствующий спецификации версии 2.0. Он поддерживает полноскоростной (Full-speed, 12 Мбит/с) и низкоскоростной (Low-speed, 1,5 Мбит/с) режимы передачи данных. Контроллер может работать в режиме USB On-the-Go, который позволяет производить обмен данными между устройствами без участия персонального компьютера.

Большая часть необходимых аппаратных средств интегрирована на кристалле контроллера, поэтому из внешних элементов требуются лишь защитные резисторы R1, R2 сопротивлением 22 Ом и блокировочный конденсатор С29, подключаемый к выводу микроконтроллера. Вывод PE3/IUID в режиме ведомого устройства должен быть подключен к общему проводу. На плате устройства устанавливается стандартный разъем USB тип B XS1.

2.2 Блок АЦП

Блок аналого-цифрового преобразователя функционально состоит из трех частей: собственно АЦП, входных делителей/повторителей и источника опорного напряжения (является общим для блоков АЦП и ЦАП).

По заданию устройство должно иметь 8 входных аналоговых каналов, рассчитанных на диапазон напряжений от 0 до 10 В, разрядность АЦП 10 бит. Поскольку требуется подключение ЦАП через интерфейс SPI, было решено использовать этот же интерфейс для подключения АЦП, что позволяет сократить число используемых портов ввода-вывода и число соединений, а также упростить программное обеспечение контроллера.

Исходя из этих соображений, был выбран АЦП TLV1548 фирмы Texas Instruments (DA6). Его структурная схема представлена на рисунке 5.



Рис. 4 Структурная схема АЦП TLV1548

Микросхема изготовлена по КМОП технологии, способна работать с частотами преобразования до 85 кГц, может питаться от источников однополярного напряжения в диапазоне от 2,7 до 5,5 В, имеет КМОП-совместимые логические уровни цифровой части.

Данный АЦП имеет 8 входных каналов, управляется через интерфейс SPI или подобный (стандартный SPI, SPI процессоров ЦОС TMS320, QSPI). Также есть несколько отдельных линий управления:

/CSTART - вход сигнала начала преобразования,

/INVCLK - вход переключения фазы тактового сигнала,

FS - вход сигнала тактирования кадров.

Последние два сигнала используются только при подключении АЦП к процессорам ЦОС и в разрабатываемом устройстве должны быть подключены к напряжению питания +5 В.

Интерфейс SPI использует четыре линии:

DATA IN (MOSI) - вход данных ведомого устройства,

DATA OUT (MISO) - выход данных ведомого устройства,

IOCLK (SCK) - сигнал тактирования битов,

/CS - сигнал выбора кристалла.

Эти линии подключаются к порту B микроконтроллера (выводы PB2, PB3, PB1, PB0 соответственно).

АЦП имеет вывод флага окончания преобразования EOC, который подключен к линии PB5, сигнал управления началом преобразования /CSTART подключен к линии PB4.

Конструктивно АЦП представляет собой аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения с ЦАП на переключаемых конденсаторах и имеет встроенное устройство выборки-хранения (УВХ).

Для нормального функционирования АЦП требует наличия источника опорного напряжения, о нем будет рассказано ниже.

Для согласования источников входных сигналов устройства и входов АЦП используются входные формирователи на элементах R6-R21, R26-R33, C1-C8, VD3-VD10, DA1, DA2.

Рассмотрим работу формирователя на примере 1го канала. Резисторы R1 и R14 образуют делитель напряжения с коэффициентом деления 2, что приводит входной диапазон 0-10 В к диапазону входных напряжений АЦП 0-5 В. Сопротивление резисторов выбрано равным 10 кОм. Совместно с конденсатором C1 они образуют фильтр низших частот, частота среза которого выбрана равной половине максимальной частоты преобразования АЦП, т.е. 42 кГц. Исходя из этого условия, номинал этого конденсатора равен:

Соответственно, выбрано ближайшее значение из стандартного ряда - 750 пФ.

Стабилитрон VD1, во-первых, защищает вход устройства от перенапряжений, а во-вторых, от приложения отрицательного напряжения. Исходя из этих соображений и выбранной схемотехники, был выбран стабилитрон BZX55-5V1 с напряжением стабилизации 5,1 В.

Ослабленный сигнал затем поступает на неинвертирующий вход ОУ DA1.1, включенного повторителем. Это необходимо для согласования сопротивлений, а также для исключения влияния процессов заряда входной емкости УВХ АЦП на входное напряжение. С целью обеспечения устойчивости ОУ в момент начала преобразования, когда его выход подключается к разряженной емкости устройства выборки-хранения, между выходом ОУ и входом АЦП включен защитный резистор R26 сопротивлением 100 Ом.

В устройстве использованы прецизионные счетверенные ОУ OP4177 фирмы Analog Devices, характеризуемые низкими шумами, токами и напряжениями смещения, а также их температурными дрейфами и высоким входным сопротивлением (2 на 8 каналов).

Конденсаторы С15, С16, С20, С24 обеспечивают блокировку питания ОУ, а конденсаторы С25 и С28 блокировку опорного напряжения и напряжения питания АЦП соответственно.

2.3 Блок ЦАП

Блок ЦАП функционально состоит из трех частей: источника опорного напряжения (общий для блоков АЦП и ЦАП), собственно ЦАП и преобразователя ток-напряжение/выходного каскада.

По заданию устройство должно иметь один аналоговый выходной канал с разрешением 14 разрядов и диапазоном выходных напряжений ±5 В. Исходя из этого, было принято решение использовать умножающий ЦАП в режиме четырехквадрантного умножения, что позволяет получить двуполярное выходное напряжение с амплитудой, равной опорному напряжению.

В качестве ЦАП был выбран прибор AD5446 фирмы Analog Devices. Его структурная схема приведена на рисунке 7.

Рис. 5 Структурная схема ЦАП AD5446

Он представляет собой R-2R ЦАП разрешением 14 разрядов, изготовленный по КМОП технологии. Он допускает использование в схемах как двухквадрантного, так и четырехквадрантного умножения. ЦАП имеет токовый выход, что требует применения внешнего ОУ для преобразования ток-напряжение.

ЦАП способен работать на частотах дискретизации до 2,7 МГц, допускает использование источников опорного напряжения в пределах ±10 В. AD5446 имеет стандартный интерфейс SPI, что требуется по заданию.

В конкретном случае сигнал /SYNC выполняет двоякую функцию: синхронизации загрузки данных в регистр ЦАП и выбора кристалла. Эта линия подключена к выводу PB6 микроконтроллера DD1. Сигналы SCLK, SDIN, SDO подключены к выводам PB1/SCK, PB2/MOSI, PB3/MISO соответственно.

Временные диаграммы интерфейса ЦАП представлены на рисунке 8.



Рис. 6 Временная диаграмма интерфейса ЦАП

К выходу ЦАП подключена схема на ОУ DA9.1 и DA9.2. Первый из них выполняет функцию преобразователя ток-напряжение, а второй - усилителя с коэффициентом усиления -2 и смещением от источника опорного напряжения, что и позволяет получить биполярное выходное напряжение. При этом соответствие выходного напряжения входному двоичному коду определяется по следующей формуле:

где D - десятичный эквивалент входного двоичного кода, V_REF - образцовое напряжение.

В качестве источника опорного напряжения выбрана микросхема ADR02 фирмы Analog Devices. Это малошумящий высокостабильный прецизионный источник опорного напряжения 5 В. В качестве ОУ в выходном усилителе ЦАП использован сдвоенный ОУ OP2177 фирмы Analog Devices. Выбор ИОН и ОУ, а также номиналов пассивных элементов сделан по рекомендациям в документации на микросхему ЦАП [3, стр. 16, 19].

На выходе DA9.2 включена Т-образная цепь R47C39R48. Она выполняет три функции: во-первых, ФНЧ R47C39 сглаживает ступеньки выходного напряжения ЦАП, во-вторых, ФНЧ R48C39 защищает цепь ООС ОУ DA9.2 от высокочастотных наводок на соединительный кабель, улучшая стабильность, в-третьих, резисторы R47, R48 защищают выход ОУ от короткого замыкания.

Конденсаторы С26-С27, С32, С36-С37 блокируют питание соответственно ИОН, ЦАП и ОУ.

2.4 Клавиатура и дисплей

В целях упрощения аппаратной реализации было принято решение реализовать процесс вывода информации на индикаторы и опроса клавиатуры с использованием общих линий для выбора знакоместа индикатора и столбца клавиатуры с программным управлением от микроконтроллера.

Система индикации включает в себя микроконтроллер DD1, индикаторы HG1, HG2 и драйверы сегментов DA10 и знакомест VT1(#A).

В качестве HG1, HG2 используются трехразрядные семисегментные индикаторы с общим анодом для схем динамической индикации CA56-12EWA фирмы Kingbright. Индикаторы имеют красно-оранжевый цвет свечения и высоту цифры 14,2 мм. Экспериментально установлено, что удовлетворительная яркость свечения достигается при прямом токе через сегмент 10 мА, что при динамической индикации 6 разрядов дает значение 60 мА для импульсного тока сегмента.

Поскольку используется динамическая индикация, токи сегментов индикатора в разы превышают токи при статической индикации, что делает невозможным прямое подключение индикаторов к портам микроконтроллера. Для увеличения нагрузочной способности используются драйверы (транзисторные ключи).

Выбор текущего знакоместа индикатора осуществляется активным низким уровнем на линиях PC0-PC5 микроконтроллера DD1. Линии порта нагружены ключами с общим эмиттером на составных транзисторах структуры p-n-p типа КТ973А. Резисторы R37 (#A) ограничивают ток базы транзисторов и рассчитываются следующим образом:

где U_ПИТ - напряжение питания схемы, U_БЭ - падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора, I_{СЕГ ИМП} - импульсный ток сегмента, в - коэффициент передачи тока базы транзистора. Из ряда Е24 выбран ближайший номинал 6,8 кОм.

Управления сегментами осуществляется с помощью записи логических «1» в соответствующие разряды порта F. В качестве драйвера сегментов применена сборка 8 ключей на составных транзисторах с открытым коллектором ULN2803 (DA10), имеющая в своем составе все необходимое для согласования с логикой КМОП, а также матрицу защитных диодов с объединенными катодами (вывод COM). Резисторы R39-R46 ограничивают ток через сегменты индикаторов и рассчитываются следующим образом:

Конденсатор С38 блокирует напряжение питания драйверов дисплея.

Одновременно с анодом выбранного знакоместа напряжение питание подается на соответствующий столбец клавиатуры через защитные диоды VD11-VD16, предотвращающие выход из строя драйверов дисплея при одновременном нажатии двух и более клавиш. При этом ряды клавиатуры подключены к линиям PD4-PD7. Резисторы R22-R25 создают на входах микроконтроллера низкий уровень, если не нажата клавиша в данном ряду. Поскольку в данном устройстве применяется индикация с 6 знакоместами, клавиатура в соответствии с выбранной схемотехникой построена по схеме неполной матрицы 6*4, у которой отсутствуют 4 последние клавиши в четвертом ряду. При нажатии клавиши в выбранном столбце на одном из входов PD4-PD7 появляется высокий уровень, что затем обрабатывается программой микроконтроллера.

3. Разработка блока питания

Для нормального функционирования устройство требует три напряжения питания: +5 В для питания цифровых микросхем, индикации и АЦП/ЦАП и ±12 В для питания операционных усилителей и ИОН. Для выбора элементов блока питания необходимо предварительно определить потребляемые схемой токи.

Ток, потребляемый от источника +5 В:

Ток, потребляемый от источников ±12 В равен сумме токов покоя ОУ, т.е. 0,5 мА на один канал усилителя, т.е. суммарно 0,5·10 = 5 мА.

Используется трансформатор с обмотками на напряжения 8 В и 2*15 В, интегральные стабилизаторы напряжения типов LM7805 (+5 В), LM7812 (+12 В), LM7912 (-12 В), с минимальной разностью напряжений вход-выход, равной 2,5 В. Исходя из этих условий, определим допустимые амплитуды пульсаций на выходе С-фильтров выпрямителей.

Исходя из этого, определяем емкости фильтров:

Ввиду малого расчетного значения емкостей фильтров в каналах ±12 В целесообразно увеличить требования к амплитуде пульсаций и выбрать C10, C11 100 мкФ.

Определим номинальные напряжения конденсаторов фильтров:

Конденсаторы С12-С14, С17-С19 выбираются по рекомендациям в документации на стабилизаторы DA3-DA5 равными 0,1 мкФ, аналогично конденсаторы C21-C23 выбираются 47 мкФ*16 В.

4. Программная часть. Программа опроса клавиатуры

4.1 Блок-схема алгоритма

4.2 Листинг программы (CodeVision AVR C)

#define dig1 PORTC.0

#define dig2 PORTC.1

#define dig3 PORTC.2

#define dig4 PORTC.3

#define dig5 PORTC.4

#define dig6 PORTC.5

#define COMA PORTF.0

#define COMB PORTF.1

#define COMC PORTF.2

#define COMD PORTF.3

#define COME PORTF.4

#define COMF PORTF.5

#define COMG PORTF.6

#define COMPT PORTF.7

#define KBR0 PORTD.4

#define KBR1 PORTD.5

#define KBR2 PORTD.6

#define KBR3 PORTD.7

unsigned char const decode[16]={

0b00111111, 0b00000110, 0b01011011, 0b01001111,

0b01100110, 0b01101101, 0b01111101, 0b00000111,

0b01111111, 0b01101111, 0b01110111, 0b01111100,

0b00111001, 0b01011110, 0b01111001, 0b01110001

};

unsigned char digits[8]={1,2,3,4,5,6,7,8};

unsigned char place_count=1;

unsigned char key_buff=0;

unsigned char key=0;

interrupt [TIM1_OVF] void timer1_ovf_isr(void)

{

// Reinitialize Timer 1 value

TCNT1H=0xFB;

TCNT1L=0x1D;

set_place(place_count);

PORTC=dec_7seg(digits[place_count]);

key_buff=PORTD & 0xF0;

switch(key_buff)

{

case 0x10:

key=0x10;

break;

case 0x20:

key=0x20;

break;

case 0x40:

key=0x30;

break;

case 0x80:

dig4=0x40;

break;

default:

key=0;

}

key+=place_count;

if (place_count != 6)

{

place_count++;

}

else

{

place_count=1;

}

}

void set_place(unsigned int place)

{

PORTA=0xFF;

switch(place)

{

case 1:

dig1=0;

break;

case 2:

dig2=0;

break;

case 3:

dig3=0;

break;

case 4:

dig4=0;

break;

case 5:

dig5=0;

break;

case 6:

dig6=0;

break;

}

}

unsigned char dec_7seg(unsigned char val_hex)

{

val_hex=decode[val_hex];

return val_hex;

}

5. Список использованных источников

1. Atmel AT90USB646/647/1286/1287 Preliminary Datasheet 7593D-AVR-07/06.

2. Texas Instruments TLV1544, TLV1548 Low Voltage 10-bit Analog-to-Digital Converters Datasheet.

3. Analog Devices AD5446 Datasheet, Revision C.

4. Kingbright Cx56 Datasheet.

5. ULN2803A Datasheet.

6. Транзисторы средней и большой мощности. Справочник, М. Радио и связь, 1989.

Размещено на Allbest.ru