Назначение отдельных функциональных блоков.

Блок ЦПУ предназначен для преобразования входного аналогового сигнала в цифровое представление, сравнения этого значения с константами и в зависимости от результата сравнения осуществлять управление устройством индикации, предварительно преобразовав информацию о уровне аналогового входного сигнала в форму пригодную для блока индикации.

 

Блок индикации предназначен для вывода информации о уровне входного аналогового сигнала, в виде десятичных чисел, с заданными количеством знакомест и частотой обновления данных. Кроме того блок индикации с помощью двух светодиодов и динамика информирует попадает ли уровень сигнала в область, ограниченную константами Кі1 и Кі2.

 

 

          КІТ.ЗІ0.011.021.421.012 ПЗ Лист                     2.2 Описание принципа действия и общий алгоритм работы. Аналоговый сигнал, поступающий на вход АЦП микроконтроллера, преобразовывается в цифровое представление. Затем микроконтроллер сравнивает уровень входного сигнала с двумя константами, хранящимися в ПЗУ, и в зависимости от результата сравнения подает сигналы на динамик и светодиоды, по линиям СД. Кроме того микроконтроллер преобразовывает информацию о уровне аналогового входного сигнала в форму пригодную для блока индикации, эта информация передается по линиям СД. Обновление информации на блоке индикации целиком зависит от МК, оно происходит с заданной частотой 44 Гц. По линиям УС, от микроконтроллера в блок индикации, передаются сигналы, предназначенные для выбора знакоместа.   3.3 Функциональная схема устройства и ее краткое описание         Рисунок 3.1 Функциональная схема МКУ   Тактирование поскольку на устройство наложены достаточно жесткие меры по скорости измерения мы будем использовать кварцевый генератор, кроме того с помощью замены кварца мы можем варьировать временем выполнения программы .             КІТ.ЗІ0.011.021.421.012 ПЗ Лист           Изм Лит № докум Подпись Дата   4. Расчет потребляемой мощности и определение требований к источникам питания. 4.1 Расчет потребляемых токов Расчет потребляемых токов сводится к тому, что необходимо определить суммарное потребление тока всеми микросхемами, то есть: (4.1) где Iобщ - общий ток, потребляемый устройством, Ik - ток, потребляемый k-той микросхемой, m - общее число микросхем, n - число микросхем данного типа. Токи, потребляемые каждой микросхемой, показаны в таблице 5.1.   Потребление токов микросхемами Таблица 5.1

№ п/п	Тип микросхемы	Количество	Ток одной микросхемы, mA	Общий ток,mA
	PIC 16C72
	RС		35*
	VD
	Динамик ТОН2
ВСЕГО

*При условии индикации «8». Поскольку у нас динамическая индикация, то одновременно горит только один индикатор, поэтому общий потребляемый ток равен 35 mA( тоже самое и со светодиодами).

Получаем общий ток потребления:

I_{общ =} 25 + 35 + 10+ 25 = 95 mA

 

 

          КІТ.ЗІ0.011.021.421.012 ПЗ Лист           Изм Лит № докум Подпись Дата 4.2 Расчет потребляемой мощности Расчет потребляемой мощности сводится к тому, что необходимо определить мощность потребляемую устройством, то есть: (4.2) где Робщ - общая потребляемая мощность, Uпит - напряжение питания,Iобщ - общий ток потребления. Принимаем потребляемую мощность не более 0,5 Вт.   4.3 Расчет надежности Интенсивность отказов l характеризуется отношением числа изделий в единицу времени к числу изделий, продолжающих оставаться исправными к началу рассматриваемого промежутка времени: (4.3) где m - число изделий, отказавших за время t, N - число исправно работающих изделий к началу промежутка времени. Интенсивность отказов элементов следующая: микросхемы – 0.85×10^-6 (ч^-1), резисторы – 0.9×10^-6 (ч^-1), конденсаторы – 1.4×10^-6 (ч^-1). Тогда, (ч^-1)   Поскольку не учтена интенсивность отказа некоторых элементов примем что наработка на отказ составит около 35 000 часов. Такую надежность устройства можно считать приемлемой.           КІТ.ЗІ0.011.021.421.012 ПЗ Лист           Изм Лит № докум Подпись Дата   5. Расчет временных параметров. По ТЗ разрабатываемое устройство должно проводить динамическую индикацию с частотой 44Гц. И, в определенной ситуации, звуковую индикацию, с частотой последовательности импульсных сигналов 3730 Гц.   Для соблюдения поставленных в ТЗ условий нам потребуется выполнять процедуру динамической индикации через время t_ди=22727 мкс, а процедуру звуковой индикации через время t_зи=268 мкс.   Нам известно что скорость выполнения одной команды, при использовании PIC16C72, тактируемого от кварца 4Мгц, занимает четыре такта (не считая goto и т.п.), т.е скорость выполнение среднестатистической команды равна 1 МГц. Значит наша процедура динамической индикации должна срабатывать каждые 22727 командных циклов микроконтроллера, а процедура звуковой индикации каждые 268 командных циклов.   Кроме того нам известно, что АЦ преобразование в выбранном нами микроконтроллере (PIC16C72) длиться не более 20 мкс.   Эти данные будут нужны при настройке таймеров и задержек в программе.               КІТ.ЗІ0.011.021.421.012 ПЗ Лист           Изм Лит № докум Подпись Дата   6. Разработка и отладка рабочей программы . Возможно предложить следующие варианты решения поставленной задачи: 1. Написать программу которая в непрерывном цикле Производит АЦП преобразование, перевод результата в семисегментный код, и осуществляет динамическую индикацию. Преимущества : легко написать программу (не сложный алгоритм) Недостатки : труднее высчитывать задержки для обеспечения динамической и звуковой индикации с заданной частотой. Из-за не постоянного времени выполнения процедуры преобразования в семисегментный код, не получиться обеспечить точную частоту обновления. 2. Написать программу которая в непрерывном цикле Производит АЦП преобразование, перевод результата в семисегментный код. Складывает результаты в буффер. По прерываниям таймеров происходит динамическая и звуковая индикация. Преимущества : данный подход обеспечит точную частоту звуковой и динамической индикации. Не нужно подбирать задержки для индикаций. Можно чаще снимать данные с АЦП и выводить их позднее, а это уменьшает вероятность того, что мы пропустим резкое изменение уровня входного сигнала. Недостатки : разработка программы усложниться за счет использования таймеров и прерываний от них. Кроме того нужно каким-то образом организовать буфер для хранения результатов АЦП.   Учитывая все вышесказанное, мы выбираем 2 вариант, т.к. на наш взгляд он более приспособлен для решения поставленной задачи.           КІТ.ЗІ0.011.021.421.012 ПЗ Лист           Изм Лит № докум Подпись Дата   6.1. Блок-схемы алгоритмов и их описание.             КІТ.ЗІ0.011.021.421.012 ПЗ Лист           Изм Лит № докум Подпись Дата   6.2. Структура программы. Микроконтроллер выполняет следующие функции: - прием аналогового сигнала ; - АЦП преобразование ; - Преобразования результата АЦП в семисегментный код ; - принятие решения о выходе уровня входного сигнала за пороговые уровни. - Вывод преобразованных значений на светодиодные индикаторы(осуществление динамической индикации с заданной частотой) - выдача сигнальных сообщений на светодиоды и динамик. Программа содержит следующие участки программы: INIT – производит перевод всех портов и регистров устройства в исходное состояние; MAIN – основная программа; IRQTMR1 - подпрограммаобработки прерывания от таймера1 (для динамической индикации) IRQTMR2 - подпрограммаобработки прерывания от таймера2 (для звуковой индикации) INDICATION – подпрограмма обновления состояния индикатора; BINTOSEVEN – подпрограмма перевода числа из двоичного кода в семисегментный код. SOUNDINDICATION – подпрограмма звуковой индикации 6.3. Текст программы. Текст программы приведен в приложении А.               КІТ.ЗІ0.011.021.421.012 ПЗ Лист           Изм Лит № докум Подпись Дата   6.4. Технология отладки программы. При разработке и отладке программы была использована бесплатная программа Mplab предоставляемая фирмой Microchip. MPLAB - это интегрированная среда разработки (IDE) для семейства микроконтроллеров PICmicro фирмы Microchip Technology Incorporated. MPLAB позволяет писать, отлаживать и оптимизировать программы для Ваших разработок. MPLAB включает текстовый редактор, симулятор (виртуальный отладчик), менеджер проектов и поддерживает эмуляторы (внутрисхемные отладчики) MPLAB-ICE и PICMASTER , программаторы PICSTART Plus и PRO MATE II и другие средства и инструменты разработок фирмы Microchip и других фирм. Инструментальные средства MPLAB, организованные как ниспадающие меню и определяемые быстрые клавиши, позволяют: - ассемблировать, компилировать исходный текст; - отлаживать логику работы, наблюдая с помощью симулятора или, в реальном времени, с эмулятором MPLAB-ICE ; - просматривать переменные в окнах просмотра; - программировать кристаллы с помощью программаторов PICSTART Plus или PRO MATE II - и многое другое.   Так как MPLAB не корректно работает с АЦП, отладка программы выполнялась путем замены результата АЦП числами, которые не выходили за пороговые значения(заданными константами К1 и К2) и на числа которые: а) меньше нижней границы ; б) больше верхней границы .             КІТ.ЗІ0.011.021.421.012 ПЗ Лист           Изм Лит № докум Подпись Дата   6.5. Технология отладки программы. 6.5.1. Компиляция (с распечаткой всех файлов, полученных во время компиляции: obj, lst, erl, sym). В ходе компиляции был получен объектный модуль и НЕХ – файл пригодный для прошивки в память микроконтроллера. Приведем фрагменты файлов полученных во время компиляции: Файл KURSOV.lst: MPASM 02.50.02 Intermediate KURSOV.ASM 4-20-2006 9:09:06 PAGE 1     LOC OBJECT CODE LINE SOURCE TEXT VALUE   00001 list p=16C72 00002 #include <P16C72.inc> 00001 LIST 00002 ; P16C72.INC Standard Header File, Version 1.01 Microchip Technology, Inc. 00249 LIST 00000020 00004 TMP EQU 20H 00000021 00005 K1 EQU 21H 00000022 00006 K2 EQU 22H 00000023 00008 SOTNI EQU 23H 00000024 00009 DESYATKI EQU 24H 00000025 00010 EDINICI EQU 25H 00000028 00012 SAVEW EQU 28H 00000030 00013 SAVEW2 EQU 30H 00000029 00014 SAVESTATUS EQU 29H 00000031 00015 SAVESTATUS2 EQU 31H 00000026 00017 SV EQU 26H ; STACK VERTEX 00000027 00018 SP EQU 27H ; STACK POINTER 00000032 00021 DINAMIK EQU 32H 00000033 00023 CT EQU 33H ; FOR DELAY 00025 ;STK 40h-5Eh ; STACK ADDRES FOR TEN BCD TRIADS Warning[205]: Found directive in column 1. (ORG) 0000 00027 ORG 0x00 ; processor reset vector 0000 28B5 00028 GOTO Start ; go to beginning of program 00031 ; -------------IRQ Warning[205]: Found directive in column 1. (ORG) 0004 00032 ORG 0x04 ; обработка прерывания осуществляется за 9 циклов (4,5 мкс) 0004 1C0C 00033 BTFSS PIR1, TMR1IF ; анализ 0005 2818 00034 goto IRQTMR2 ; источника прерывания 0006 00036 IRQTMR1 ; обработчик прерывания от таймера               КІТ.ЗІ0.011.021.421.012 ПЗ Лист           Изм Лит № докум Подпись Дата   00037 ;------ PUSH REGISTERS--------- 0006 00A8 00038 MOVWF SAVEW 0007 0803 00039 MOVF STATUS,W 0008 00A9 00040 MOVWF SAVESTATUS 0009 0804 00041 MOVF FSR,W 000A 00A6 00042 MOVWF SV 00043 ;------------------------------ 000B 1010 00044 BCF T1CON,TMR1ON ; TIMER STPR 000C 3038 00045 MOVLW B'00111000' 000D 008E 00046 MOVWF TMR1L 000E 30A7 00047 MOVLW B'10100111' 000F 008F 00048 MOVWF TMR1H MPASM 02.50.02 Intermediate KURSOV.ASM 4-20-2006 9:09:06 PAGE 2   LOC OBJECT CODE LINE SOURCE TEXT   VALUE   0010 1410 00049 BSF T1CON,TMR1ON ; TIMER ON 0011 100C 00050 BCF PIR1, TMR1IF ; сброс флага переполнения от таймера 0012 2116 00051 CALL INDICATION 00053 ;------ POP REGISTERS --------- 0013 0826 00054 MOVF SV,W 0014 0084 00055 MOVWF FSR 0015 0829 00056 MOVF SAVESTATUS,W 0016 0083 00057 MOVWF STATUS 0017 0828 00058 MOVF SAVEW,W 00059 ;------------------------------   --------------------------------- ---------------------------------   Файл KURSOV.err: Warning[205] D:MPLABKURSOV.ASM 27 : Found directive in column 1. (ORG) Warning[205] D:MPLABKURSOV.ASM 32 : Found directive in column 1. (ORG) Warning[203] D:MPLABKURSOV.ASM 83 : Found opcode in column 1. (retfie) Warning[205] D:MPLABKURSOV.ASM 86 : Found directive in column 1. (ORG) Message[302] D:MPLABKURSOV.ASM 107 : Register in operand not in bank 0. Ensure that bank bits are correct. Message[302] D:MPLABKURSOV.ASM 109 : Register in operand not in bank 0. Ensure that bank bits are correct. Message[302] D:MPLABKURSOV.ASM 111 : Register in operand not in bank 0. Ensure that bank bits are correct. Message[302] D:MPLABKURSOV.ASM 167 : Register in operand not in bank 0. Ensure that bank bits are correct. Message[302] D:MPLABKURSOV.ASM 168 : Register in operand not in bank 0. Ensure that bank bits are correct. Warning[203] D:MPLABKURSOV.ASM 322 : Found opcode in column 1. (RETURN) Warning[203] D:MPLABKURSOV.ASM 399 : Found opcode in column 1. (RETURN) Warning[203] D:MPLABKURSOV.ASM 419 : Found opcode in column 1. (RETURN) Warning[203] D:MPLABKURSOV.ASM 434 : Found opcode in column 1. (RETURN) Warning[205] D:MPLABKURSOV.ASM 438 : Found directive in column 1. (END)               КІТ.ЗІ0.110.021.421.012 П3 Лист                       Файл KURSOV.hex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            КІТ.ЗІ0.110.021.421.012 П3 Лист                       6.5.2. Моделирование.   Моделирование производилось в интегрированной среде разработки MPLAB (кратко в разделе 6.5 этого документа). Для проверки состояния регистров мы использовали окно «watch», а для подсчета времени выполнения процедур в программе были расставлены breakpoint’ы и использовалось окно «stopwatch» . Вид программы в режиме моделирования с необходимыми для моделирования окнами представлен ниже : Рис. 6.6.2 MPlab в режиме моделирования. В результате моделирования установлена работоспособность программы. исследованы получившиеся временные характеристики: Процедура BINTOSEVEN– в худшем случае (при преобразовании уровня 5В) – 99 мкс. Процедура INDICATION– 7694 мкс Интервал между вызовами INDICATION – 22741 мкс (44Гц) Интервал между вызовами SOUNDINDICATION – 268 мкс (3731Гц) Данные временные характеристики полностью удовлетворяют ТЗ.             КІТ.ЗІ0.110.021.421.012 П3 Лист                       СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1) В.В.Скороделов "Проектирование устройств на однокристальных микроконтроллерах с RISC-архитектурой". Ч1,Ч2, Учебное пособие. 2) Угрюмов Е. П. Проектирование элементов и узлов ЭВМ. М.: Высшая школа, 1991. 3) Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы. М.: Радио и связь, 1988. 4) Тули М. Справочное пособие по цифровой электронике. М.: “Энергоатомиздат”, 1990. 5) Бирюков С.А. “Применение интегральных микросхем серии ТТЛ”. М.: “Патриот”, 1992. 6) Применение интегральных микросхем в электронной вычислительной технике. Справочник (под ред. Б.И.Файзулаева, –М, Радио и связь, 1989) 7) ГОСТ 2.102-68. Виды и комплектность конструкторской докуметации. М.: 1988. 8) ГОСТ 2.708-81. Правила выполнения электрических схем цифровой вычислительной техники. М.: 1988. 9) Разработка и оформление конструкторской документации. РЭА. Справочник (под ред. Э.Г.Романычевой – М.: Радио и связь, 1989) 10) Ю.В.Новиков, О.А.Калашников "Разработка устройств сопряжения". Издательство "ЭКОМ", Москва, 1998г. 355 с.               КІТ.ЗІ0.110.021.421.012 П3 Лист           Изм Лит № докум Подпись Дата   Заключение В данном проекте был разработано устройство контроля за уровнями аналоговых сигналов. Это устройство предназначено для измерения уровней входных аналоговых сигналов, проверки попадания уровня в определенные границы и отображения на цифровом табло текущего значения уровня сигнала. Устройство реализовано на однокристальном микроконтроллере типа PIC16С71. Применение в устройстве данного однокристального микроконтроллера привело к экономии элементов, возможности меняя программу работы в широких пределах корректировать алгоритм обработки данных. Также улучшились весогабаритные параметры. Устройство имеет следующие характеристики: Потребляемая мощность не более 0,5 Вт; Наработка на отказ около 35000 часов; Уровни входных сигналов 0-5 В. Промоделировав работу программы и проанализировав, полученные при моделировании, временные характеристики можем сказать что устройство полностью удовлетворяет требованиям, поставленным в ТЗ.   В качестве улучшения можно предложить доработать устройство, а конкретнее добавить возможность контроля за уровнями аналоговых сигналов, уровень которых выше 5В. В качестве решения можно предложить поставить на входе АЦП делитель уровня и учитывать его коэффициент деления в программе (для перевода результата отображения в семисегментный код ). При таком подходе получиться полноценный вольтметр постоянного тока.               КІТ.ЗІ0.110.021.421.012 П3 Лист           Изм Лит № докум Подпись Дата  

 

 

          КІТ.ЗІ0.110.021.421.012 Э1                     .         ПРИСТРІЙ КОНТРОЛЮ ЗА РІВНЯМИ АНАЛОГОВИХ СИГНАЛІВ Схема электрическая структурная   Литера Масса Масшт Изм Лит № докум. Подп. Дата К           Разраб Куликов А.     Провер Скороделов В.                       Лист 1 Листов 1           НТУ “ХПИ”           Каф. ВТП Утв Домнин Ф. А.                                          

 

Обозначение

Наименование

Количество

Конденсаторы

С1

K50-6-20 мкФ – 16В

С2-С3

МРТ-111-20 пФ±10%-63В

С4

КМ – 6 – 9 - 0,47 +- 10% ОЖО 464. 023 ТУ

Микросхемы

DD1

PIC16С72

HG

АЛС324А

Кварц

ZQ1

4 МГц

Разъемы

ХТ1

СНО 4

Телефон

BF1

ТОН-2

Кнопки

SA1

П2К

Резисторы

R1

ОМЛТ 0,125 – 300 Ом

R2-R11

ОМЛТ 0,125 – 1,2 КОм

КІТ.ЗІ0.110.021.421.012 ПЭ

Изм

Лит

№ докум

Подпись

Дата

ПРИСТРІЙ КОНТРОЛЮ ЗА РІВНЯМИ АНАЛОГОВИХ СИГНАЛІВ   Перечень элементов

Лит

Лист

Листов

Разраб

Куликов А.C.

К

Провер

Скороделов В.

НТУ “ХПИ”   Кафедра ВТП

Утв.

Домнин Ф. А.