Выбор блока питания - LMS
advertisement
Оглавление 1. Введение..................................................................................................... 7 2. Цель работы ............................................................................................... 8 3. Анализ существующих учебных стендов ............................................. 10 3.1. Стенды производства компании «Учебная техника» ................... 10 3.1.1. ОЦМТ1-Н-К ................................................................................ 11 3.1.2. ОЭ2-С-Р ....................................................................................... 12 3.1.3. ЭЦОЭ1-Н-Р.................................................................................. 14 3.1.4. ОЦЭ1-Н-Р .................................................................................... 16 3.2. Стенды производства компании «National Instruments»............... 18 3.3. Стенды производства компании «MikroElektronika» .................... 20 3.4. Стоимость .......................................................................................... 22 4. Анализ дисциплин................................................................................... 24 5. Определение характеристик базового комплекта оборудования ...... 27 6. Разработка алгоритма совместной работы узлов комплекта оборудования ......................................................................................................... 30 6.1. Узел преобразования и стабилизации питания ............................. 32 6.2. Узел ввода и обработки аналоговой информации. ........................ 34 6.3. Модуль связи с персональным компьютером................................ 36 6.4. Узел генерации сигналов ................................................................. 37 6.5. Вспомогательный модуль измерения, управления и отображения. .............................................................................................................................. 38 7. Выбор схемотехнических решений....................................................... 40 7.1. Узел преобразования и стабилизации питания ............................. 40 4 7.1.1. Импульсный блок питания и фильтр питания ......................... 40 7.1.2. Управляемый импульсный преобразователь с измеряемыми значениями тока и напряжения ..................................................................... 43 7.1.3. Импульсные стабилизаторы +5В, +3.3В, +2.8В, +1.8В .......... 47 7.1.4. Преобразователь питания аналоговых и цифровых частей ... 51 7.2. Узел ввода и обработки аналоговой информации ......................... 54 7.2.1. Определение схемы аттенюатора и сумматора ....................... 56 7.2.2. Аналого-цифровой преобразователь ........................................ 60 7.2.3. Нормализатор .............................................................................. 61 7.2.4. Выбор компонентов и полная схема узла ................................ 62 7.3. Модуль связи с персональным компьютером................................ 64 7.3.1. Интерфейс GPIF .......................................................................... 65 7.4. Узел генерации сигналов ................................................................. 67 7.4.1. Усиление сигнала........................................................................ 67 7.4.2. Повторитель ................................................................................ 68 7.5. Вспомогательный модуль ................................................................ 70 7.5.1. Технические требования к вспомогательному микроконтроллеру .......................................................................................... 71 7.5.2. Выбор компонентов и полная схема узла ................................ 72 8. Разработка протокола обмена ................................................................ 74 8.1. Принцип работы шины USB ............................................................ 74 8.2. Разработка протокола обмена персонального компьютера с комплектом оборудования. ............................................................................... 75 9. Разработка прикладного программного обеспечения узлов комплекта оборудования ......................................................................................................... 79 5 9.1. Логика организации работы комплекта оборудования................. 79 9.2. Алгоритм работы прикладного программного обеспечения ....... 82 9.3. Алгоритм работы программы основного контроллера ................. 83 9.4. Алгоритм работы программы вспомогательного контроллера ... 86 10. Анализ полученных результатов ......................................................... 88 Заключение .................................................................................................. 90 Список литературы ..................................................................................... 91 6 1. Введение С 2009 года в России официально введена двухуровневая система высшего образования, пришедшие на смену а именно «Бакалавриат» специалитету. Окончив и «Магистратура», обучение, бакалавры технических специальностей столкнуться с проблемой трудоустройства, так как работодатели отдают предпочтение специалистам, которые прошли ту же программу, но учились на один год больше. В связи с этим следует уделять повышенное внимание практической подготовке бакалавров. Практическая подготовка осуществляется в учебных лабораториях на специализированных учебных стендах. Также важно научить студента пользоваться измерительным оборудованием разного типа. Универсальных стендов для каждого предмета не существует. Типовым подходом администрации учебных заведений является закупка нескольких узкоспециализированных стендов для каждого предмета. Эти стенды во многом различны, но набор измерительного оборудования, встроенного в стенд, в большинстве случаев одинаков. Так как измерительные приборы не дешевы – стоимость стендов возрастает. Некоторые крупные компании, например National Instruments, выпускают стенды, сделанные по модульной системе – существует основа с измерительным оборудованием, на которой меняются модули, в зависимости от текущей задачи. Такие стенды позволяют изучить продукцию только компании, выпускающей стенд. Данные требования ограничивают будущих разработчиков в выборе элементной базы. Одним из решений вышеуказанных проблем является создание комплекса контрольно-измерительного оборудования, который мог бы использоваться для проведения необходимых измерений в рамках лабораторных работ. 7 2. Цель работы Целью выпускной квалификационной работы является разработка базового комплекта контрольно-измерительных приборов для проведения лабораторных работ, которые выполняются студентами при обучении в рамках образовательной программы «Информатика и вычислительная техника». Разрабатываемый комплект приборов может быть использован как учебными лабораториями для комплектования лабораторных стендов, так и для разработки и отладки макетов электронных устройств, в рамках самостоятельной работы, междисциплинарных курсовых работ и выпускных квалификационных работ. В рамках работы требуется решить следующие задачи: 1. Провести анализ существующих учебных стендов для организации учебного процесса в лабораториях по направлению «Информатика и вычислительная техника». 2. Провести анализ дисциплин, контрольно-измерительного требующих оборудования применение в рамках образовательной программы «Информатика и вычислительная техника». 3. На основании проведенных анализов определить список базовых контрольно-измерительных приборов и их характеристики. 4. Разработать алгоритм совместной работы узлов комплекта оборудования. 5. Провести выбор схемотехнических решений, определить элементную базу. 6. Разработать принципиальные схемы узлов комплекта оборудования. 7. Разработать протокол обмена между персональным компьютером и комплектом оборудования. 8 8. Разработать прикладное программное обеспечение для узлов комплекта оборудования 9. Провести анализ полученных технических характеристик и определить пригодность для использования в качестве базового комплекта оборудования к лабораторному стенду. 9 3. Анализ существующих учебных стендов Рассмотрим стенды производства компании «Учебная техника», «National Instruments», «mikroElektronika». Все вышеуказанные компании производят стенды, которые подходят для подготовки бакалавров по специальности «Информатика и вычислительная техника». 3.1. Стенды производства компании «Учебная техника» Данная компания предоставляет большое количество различных стендов, которые подходят для многих программ обучения. Конкретно, для программы «Информатика и вычислительная техника» подходят следующие стенды[1]: 1. Основы цифровой и микропроцессорной техники – ОЦМТ1-Н-К 2. Основы электроники – ОЭ2-С-Р 3. Электрические цепи и основы электротехники – ЭЦОЭ1-Н-Р 4. Основы цифровой электроники – ОЦЭ1-Н-Р 10 3.1.1. ОЦМТ1-Н-К Рис. 3.1 Стенд 3.1.1. ОЦМТ1-Н-К В состав данного стенда входят: 1. Мультиметр 2. Ноутбук 3. Блок питания 4. Набор блоков «Основы цифровой техники» 5. Набор блоков «Микроконтроллеры» 6. Дополнительные аксессуары и компоненты Стенд выполнен в настольном исполнении. Для управления стендом требуется использовать компьютер. Мультиметр является отдельным устройством без жесткого крепления со стендом. Стенд позволяет провести следующие лабораторные работы: 1. Логические элементы, их тестирование. 2. Простейшие цифровые устройства. Сборка, тестирование. 3. Последовательные каналы связи. 4. Микроконтроллеры. Применение в прикладных задачах. 11 3.1.2. ОЭ2-С-Р Рис. 3.2 Стенд 3.1.2. ОЭ2-С-Р В состав данного стенда входят: 1. Блок питания 2. Генератор напряжений 3. Мультиметры 4. Набор блоков «Основы цифровой техники» 5. Набор блоков «Аналоговая электроника» 6. Осциллограф двухканальный ОСУ-20 7. Дополнительные аксессуары и компоненты 12 В комплекте поставляется стол, на котором установлен данный стенд. Управление стендом – ручное. Мультиметров три, два из них жестко закреплены на стенде. Стенд позволяет провести следующие лабораторные работы: 1. Электронные цепи 2. Источники питания 3. Логические элементы, их тестирование. 4. Простейшие цифровые устройства. Сборка, тестирование. 5. ЦАП и АЦП. Сборка, тестирование. 6. Схемотехника логических элементов. 7. ОЗУ и ПЗУ. Сборка, тестирование. Технические характеристики двухканального осциллографа ОСУ-20: 1. Полоса пропускания 0 - 20 МГц 2. Чувствительность прибора 5 мВ - 20В/дел., погрешность +/- 3% 3. Коэффициент развертки: 0.2 мкс - 0.2 с/дел., погрешность +/- 3% 4. Входной импеданс 1 МОм/30пФ 5. Входное напряжение 400В макс. 6. Режим развертки внешним сигналом (Х - Y вход) 7. Модуляция яркости луча (Z - вход) 8. ТВ синхронизация 13 3.1.3. ЭЦОЭ1-Н-Р Рис. 3.3 Стенд 3.1.3. ЭЦОЭ1-Н-Р В состав данного стенда входят: 1. Блок питания 2. Генератор напряжений 3. Набор электронных компонентов 4. Осциллограф ОСУ-10В 5. Мультиметры 6. Дополнительные аксессуары и компоненты Стенд выполнен в настольном исполнении. Управление стендом – ручное. Два мультиметра жестко закреплены на стенде. Стенд позволяет провести следующие лабораторные работы: 1. Основы электроники 2. Электрические цепи 3. Технические характеристики одноканального осциллографа ОСУ-10В: 4. Полоса пропускания 0 - 10 МГц 14 5. Чувствительность прибора 5 мВ - 5В/дел., погрешность +/- 3% 6. Коэффициент развертки: 0.1 мкс - 0.1 с/дел., погрешность +/- 3% 7. Входной импеданс 1 МОм/30пФ 8. Входное напряжение 400В макс. 9. Режим развертки внешним сигналом (Х - Y вход) 10.ТВ синхронизация 15 3.1.4. ОЦЭ1-Н-Р Рис. 3.4 Стенд 3.1.4. ОЦЭ1-Н-Р В состав данного стенда входят: 1. Блок питания 2. Мультиметр 3. Набор блоков «Основы цифровой техники» 4. Блок испытания цифровых устройств 5. Дополнительные аксессуары и компоненты Стенд выполнен в настольном исполнении. Управление стендом – ручное. Мультиметр является отдельным устройством без жесткого крепления со стендом. Стенд позволяет провести следующие лабораторные работы: 1. Логические элементы, их тестирование. 2. Простейшие цифровые устройства. Сборка, тестирование. 3. ЦАП и АЦП. Сборка, тестирование. 4. Схемотехника логических элементов. 5. ОЗУ и ПЗУ. Сборка, тестирование. 16 Рассмотренные выше стенды выполнены в настольном форм-факторе. В качестве модулей используются такие законченные устройства, как ноутбук, осциллограф, мультиметр. 17 3.2. Стенды производства компании «National Instruments» Компания National Instruments производит стенды на основе модульной системы. Основой является рабочая станция NI ELVIS II, включающей в себя систему сбора данных. На стенд можно подключить модули расширения. Рис. 3.5 Стенд NI ELVIS II На рабочей станции находятся аппаратно реализованные функциональный генератор, цифровой мультиметр и регулируемые блоки питания. Все остальные контрольно-измерительные устройства реализованы в среде LabVIEW с помощью системы сбора данных(DAQ).[2] Реализованы следующие виртуальные приборы: 1. Осциллограф 2. Функциональный генератор 3. Переменные источники напряжения 4. Анализатор амплитудно-частотной характеристики 5. Анализатор спектра 6. Измеритель импеданса 7. Измеритель ВАХ 18 Модули расширения: 1. Модуль аналоговой схемотехники 2. Модуль цифровой схемотехники 3. Модуль силовой схемотехники 4. Модуль работы с ПЛИС 5. Модуль изучения датчиков 6. Модули изучения мехатроники, динамики и термодинамики 7. Модуль аналого-цифровой коммуникации 8. Модуль оптико-электронной коммуникации Характеристики контрольно-измерительного оборудования: Таблица 1 Наименование прибора Осциллограф Функциональный генератор +15В источник питания -15В источник питания Технические параметры Количество каналов 2 Полоса пропускания 1.7 МГц Максимальная 1.25 MS/s (один частота канал); 500 kS/s (два дискретизации канала) Количество каналов 1 Форма сигнала синус, меандр, треугольник Частотный диапазон 0.186 Гц to 5 МГц (синус); от 0.186 Гц до 1 МГц (меандр и треугольник) Максимальная 10Vp-p амплитуда Смещение ±5В Выходное +15В ±5% напряжение (без нагрузки) Максимальный 500мА выходной ток Выходное -15В ±5% напряжение (без нагрузки) Максимальный 500мА 19 +5В источник питания Положительный переменный источник питания АЧХ/ФЧХ анализатор Анализатор спектра Анализатор импеданса Анализатор вольтамперных характеристик двухполюсников Анализатор вольтамперных характеристик четырехполюсников выходной ток Выходное напряжение Максимальный выходной ток Выходное напряжение Шаг установки напряжения Максимальный выходной ток Разрешение источника Разрешение по амплитуде +5В ±5% 2А От 0В до +12В 100мВ 500мА 10бит 12 или 16 бит, зависит от модуля ввода-вывода Разрешение по фазе 1 градус Диапазон частот 5 Гц ÷ 35 кГц Входной диапазон ±10В Разрешение по входу 12 или 16 бит Диапазон частот 5 Гц – 35 кГц измерения Диапазон значений ±10 мА силы тока Диапазон изменения ±10В напряжения развёртки Минимальный шаг 15 мкА изменения тока базы Максимальный ток 10 мА коллектора Максимальное 10В напряжение на коллекторе 3.3. Стенды производства компании «MikroElektronika» Компания MikroElektronika производит большое количество стендов для разработки различных устройств на микроконтроллерах таких фирм как Atmel, Microchip, NXP, ST microelectronics и других фирм. Существует универсальная линейка стендов UNI-DS, позволяющая разработчикам 20 использовать любую элементную базу. Последний стенд в этой линейке – UNI-DS6.[3] Рис. 3.6 Стенд UNI-DS6 Вся линейка стендов содержит необходимый набор компонентов для полноценного изучения таких курсов как микропроцессорные системы и интерфейсы периферийных устройств. Стенд ориентирован не только на использование в учебном процессе, но и для разработок в производственных условиях. В составе стенда отсутствует измерительное оборудование. При использовании стенда в учебном процессе стенд должен комплектоваться измерительными приборами, к которым не предъявляется высоких технических требований, так как основная цель учебного процесса – научить базовым принципам разработки устройств и познакомить студентов с базовым набором контрольно-измерительного оборудования. 21 3.4. Стоимость Сравним стоимость рассмотренных выше стендов: Таблица 2 Наименование стенда ОЦМТ1-Н-К И ЭЦОЭ1-Н-Р NI ELVIS II UNI-DS6 Наличие контрольноизмерительных приборов Да, мультиметры, осциллограф, блок питания Да, Осциллограф Функциональный генератор Переменные источники напряжения Анализатор амплитудночастотной характеристики Анализатор спектра Измеритель импеданса Измеритель ВАХ Стоимость стенда Дополнительные расходы 251500 Р. Нет 4 340 $. или 270052 Р. по курсу на 16 марта 2015 года. Да, обучающий курс для работы со стендом. Нет 150 $. или 9333,6 Р. по курсу на 16 марта 2015 года. Да, необходима макетная плата, либо печатная плата с исследуемыми компонентами. Для того чтобы полностью охватить все проводимые лабораторные работы по обучающей программе «Информатика и вычислительная техника» придется использовать как минимум два стенда компании «Учебная техника». 22 Поскольку компания «National Instruments» - монополист в данном сегменте модульных стендов – стоимость их стенда достаточно высока. Компания ограничивает студентов конкретной элементной базой и средой разработки, программирования. Это сужает возможности обучения, особенно на последних циклах лабораторного практикума и при выполнении междисциплинарных лабораторных работ и выпускных квалификационных работ. На этом фоне идеология стендов от компании «MikroElektronika» выгодно отличаются. Данные стенды подходят, как и для учебного, так и для производственного процесса. Различие только в применяемом комплекте контрольно-измерительного оборудования. 23 4. Анализ дисциплин В рамках образовательной программы «Информатика и вычислительная техника» изучаются следующие предметы технической направленности[4]: 1. Электротехника и электроника 2. Аналоговая схемотехника 3. Микропроцессорные системы 4. Интерфейсы периферийных устройств 5. RISC-микроконтроллеры Дисциплина «Электротехника и электроника» включает в себя следующие лабораторные работы: 1. Переходные процессы в цепях с конденсаторами, резисторами, катушками индуктивности и источником напряжения. 2. Резонанс напряжения 3. Постоянный ток 4. Изучение статических вольт-амперных характеристик биполярного транзистора и определение параметров его модели для схемотехнических расчетов. 5. Изучение статических и динамических характеристик логических интегральных схем на комплементарных МОП-транзисторах (КМОП) и транзисторно-транзисторных схем 6. Изучение статических характеристик ключа на БИП Дисциплина «Аналоговая схемотехника» включает в себя следующие лабораторные работы: 1. Измерение основных параметров операционных усилителей и исследование работы инвертирующей и не инвертирующей схем включения ОУ 24 2. Исследование характеристик интегратора и дифференциатора Дисциплины «Микропроцессорные системы», «Интерфейсы периферийных устройств» и «RISC-микроконтроллеры» предлагают изучить на лабораторных работах различные интерфейсы и архитектуры процессоров. Так как микропроцессоры питаются малым напряжением в диапазоне от 1.2 до 5 вольт, следует использовать блок постоянных источников напряжения с типовыми значениями напряжения. Список необходимого оборудования для проведения вышеуказанных лабораторных работ приведен в таблице 3: Таблица 3 Дисциплина Электротехника и электроника Аналоговая схемотехника Микропроцессорные системы RISC-микроконтроллеры Оборудование Осциллограф Генератор сигналов специальной формы Мультиметр Регулируемый источник питания Набор простейших электронных цепей и компонентов Осциллограф Генератор сигналов специальной формы Мультиметр Источник питания Плата с ОУ Осциллограф Мультиметр Источник питания Блок постоянных источников напряжения Стенд линейки UNI-DS Персональный компьютер Осциллограф Мультиметр Источник питания Блок постоянных источников напряжения Стенд линейки UNI-DS 25 Интерфейсы периферийных устройств Персональный компьютер Осциллограф Генератор сигналов специальной формы Мультиметр Источник питания Стенд линейки UNI-DS Персональный компьютер На основании вышеприведенного анализа в базовый комплект контрольно-измерительного оборудования необходимо включить: 1. Осциллограф 2. Генератор сигналов 3. Регулируемый источник питания 4. Блок постоянных источников напряжения 5. Мультиметр 26 5. Определение характеристик базового комплекта оборудования Для проведения вышеуказанных работ осциллограф должен обладать следующими характеристиками: Таблица 4 Технические характеристики Количество каналов Частота дискретизации Максимальная чувствительность Значение 2 10 МГц Не менее 100мВ/дел. Генератор сигналов должен обладать следующими характеристиками: Таблица 5 Технические характеристики Количество каналов Форма сигнала Амплитуда выходного сигнала Значение 1 синус, меандр, треугольник 5В, 3.3В, 1.8В Источник питания должен обладать следующими характеристиками: Таблица 6 Технические характеристики Количество каналов Диапазон напряжений Максимальный выходной ток Блок постоянных Значение 1 от +1.5В до +12В Не менее 1.5А источников напряжения должен обладать следующими характеристиками: Таблица 7 Технические характеристики Требуемые напряжения Максимальный выходной ток Значение +5В, +3.3В, +2.8В,+1.8В Не менее 300мА 27 Напряжение +5В используется большинством микроконтроллеров разных производителей, таких как Atmel, Microchip, ST Microelectronics, Intel и другие. Также от этого напряжения питается подавляющее большинство микросхем стандартной логики. Для уменьшения энергопотребления, некоторые линейки микроконтроллеров позволяют применять питание +3.3 вольт. Так как это напряжение соответствует напряжению типичного аккумулятора, наличие данного напряжения на стенде позволит разрабатывать портативные устройства. Напряжение +2.8 вольт необходимо для специфичных микросхем, таких как контроллер LCD дисплеев, контроллер сенсорного экрана и ряда других узкоспециализированных микросхем. Напряжение 1.8 вольт используются быстродействующими микроконтроллерами на базе ядер ARM и Cortex-M. Для сокращения занимаемого места на лабораторном столе целесообразнее объединить вышеуказанное оборудование в едином корпусе, за исключением мультиметра, так как данное устройство имеет широкий спектр применений и не теряет полезности в отсутствии вышеуказанных приборов. Для удешевления проектируемого комплекта в качестве средства отображения и обработки информации целесообразно использовать персональный компьютер, так как им комплектуется каждое рабочее место в технической лаборатории. В качестве мультиметра предполагается использовать любое из существующих решений, обладающих следующими возможностями: 1. Измерение напряжения 2. Измерение тока 28 3. Измерение сопротивления 4. Проверка транзисторов и диодов 29 6. Разработка алгоритма совместной работы узлов комплекта оборудования Разрабатываемый комплект контрольно-измерительного оборудования логически можно поделить на пять функциональных узлов: 1. Преобразование и стабилизация питания. 2. Узел ввода и обработки аналоговой информации. 3. Модуль связи с персональным компьютером. 4. Узел генерации сигналов. 5. Вспомогательный модуль измерения, управления и отображения. Полная структурная схема комплекта представлена на рисунке 6.1: Рис. 6.1 Структурная схема комплекта оборудования 30 Так как, согласно техническому заданию, необходимо использовать персональный компьютер, как устройство обработки и отображения информации, необходимо реализовать данный функционал. Этим занимается узел №3, основная задача которого – сопряжение компьютера и остальных узлов комплекта оборудования. Также данный узел принимает данные с АЦП из узла №2. Так, как обмен данными между узлом №3 и персональным компьютером будет отнимать большое количество процессорного времени контроллера, следует применить вспомогательный контроллер (узел №5), который будет контролировать работу остальных узлов. Информацию от контролируемых узлов вспомогательный микроконтроллер будет передавать основному контроллеру через один из стандартных интерфейсов микроконтроллеров. 31 6.1. Узел преобразования и стабилизации питания Целью данного узла является преобразование сетевого переменного напряжения в постоянное однополярное напряжение. Далее данное напряжение необходимо подать на три модуля, реализующих следующие функции: 1. Преобразование в четыре заданных напряжения программно задаваемым +5В,+3.3В,+2.8В,+1.8В. 2. Переменный преобразователь с выходным напряжением 3. Модуль питания аналоговых и цифровых частей прибора. Существует два основных пути решения проблемы питания – использование либо трансформаторного, либо импульсного блока питания. Для уменьшения габаритов разрабатываемого устройства целесообразнее применить импульсный блок питания. Стоит отметить, что импульсный блок питания в силу своей особенности работы добавляет в выходное напряжение шум, который, обычно находится в диапазоне от 50 до 150 милливольт. Для уменьшения шума следует применить фильтр. Преобразование в заданные напряжения можно осуществить либо импульсным, либо линейным стабилизатором. Так как к прибору не предъявлено высоких требований к содержанию шума в выходных параметрах для заданных напряжений, целесообразно использовать четыре импульсных стабилизатора. Данный подход позволит повысить плотность монтажа на печатной плате и уменьшить количество тепла, выделяемого стабилизаторами при таком же выходном токе, как и у аналогичного по параметрам линейного стабилизатора. Реализацию целесообразнее требования, программно-управляемого осуществлять предъявляемые на к преобразователя импульсном данному также стабилизаторе. преобразователю, Под подходит 32 внушительное количество мощных импульсных стабилизаторов. Измерение выходного напряжения и тока, а также управление преобразователем целесообразнее реализовать с помощью вспомогательного модуля (узел 5). Для питания аналоговых частей прибора потребуется двуполярное стабильное питание, положительного с малым шумом стабилизированного питания. питания Для реализации целесообразнее воспользоваться линейным стабилизатором. Реализацию отрицательного питания целесообразнее выполнить на инвертирующем импульсном преобразователе, после которого также следует установить линейный стабилизатор мощности отрицательного на питания. стабилизаторах Для уменьшения выделяемой необходимо подобрать напряжение стабилизации максимально приближенным к выходному напряжению импульсного блока питания. Для стабильного напряжения питания цифровой части также следует применить линейный стабилизатор. Полная схема узла питания показана на рисунке 6.2: Рис. 6.2 Схема узла питания 33 6.2. Узел ввода и обработки аналоговой информации. Основная задача данного узла – захват аналогового сигнала и его преобразование в дискретные значения для дальнейшей обработки. Согласно заданным характеристикам, частота дискретизации должна быть не менее 10 мегагерц. Такой частотой дискретизации обладают лишь быстродействующие восьмиразрядные АЦП. Полный размах входного сигнала данных АЦП обычно не превышает одного-двух вольт. Для приведения входного значения к приемлемому для АЦП диапазону необходим аттенюатор, для ослабления сигнала и сумматор, для сдвига ослабленного сигнала к приемлемому входному диапазону. Также целесообразно применить нормализатор непосредственно перед АЦП, для защиты входа АЦП от перенапряжения. Полная схема данного узла показана на рисунке 6.3: Рис. 6.3 Схема узла ввода и обработки аналоговой информации Аттенюатор целесообразнее реализовать на резистивных делителях, а переключение между резисторными сборками осуществлять с помощью 34 твердотельных оптореле. Непосредственно перед аттенюатором необходимо применить операционный усилитель в режиме повторителя, для того чтобы при переключении аттенюатора не менялись входные параметры узла. Сумматор также следует реализовывать на операционном усилителе. Дополнительный сигнал, необходимый для произведения его суммирования с основным можно получить либо с помощью цифро-аналогового преобразователя, либо с помощью широтно-импульсной модуляции с последующей фильтрацией. Конструкция нормализатора зависит от параметров АЦП. 35 6.3. Модуль связи с персональным компьютером Задача данного модуля – организовать связь с персональным компьютером. Также данный узел организовывает работу АЦП. Так как АЦП быстродействующий, необходим контроллер, способный эффективно управлять данным АЦП. Заданная частота дискретизации АЦП – 10 мегагерц. Разрядность АЦП – 8 бит. Необходимая расчетная скорость передачи данных должна равняться 76 мегабитам в секунду. Для такой скорости передачи данных подходит интерфейс USB, расчетная максимальная скорость которого составляет 480 мегабит в секунду. Но так как интерфейс USB имеет топологию шины и в большинстве персональных компьютеров к этой шине уже подключены некоторые периферийные устройства, следует рассчитывать на скорость не выше 300 мегабит в секунду. Также данный модуль должен сообщаться с вспомогательным модулем по одному из стандартных интерфейсов. Полная схема данного узла представлена на рисунке 6.4: Рис. 6.4 Схема модуля связи с персональным компьютером 36 6.4. Узел генерации сигналов Основная задача данного узла – генерация сигналов заданной формы. Один из способов реализовать генерацию сигналов – использовать прямой цифровой синтезатор частоты (DDS). Прямой цифровой синтезатор частоты синтезирует выходной сигнал цифровыми методами. За последние десятилетия стоимость микросхем цифрового синтеза сократилась на несколько порядков, что, соответственно, позволяет использовать повсеместно, в том числе и в разрабатываемом устройстве. В зависимости от выходных параметров цифрового синтезатора, меняется реализация схемы приведения выходного сигнала к необходимым значениям. Общий принцип реализации заключается в следующем: усиление выходного сигнала операционным усилителем и операционный усилитель с единичным коэффициентом усиления для стабильных выходных параметров схемы. Для получения различных значений диапазонов выходных сигналов требуется управлять усилением операционного усилителя. Полная схема данного узла представлена на рисунке 6.5: Рис. 6.5 Схема узла генерации сигналов 37 6.5. Вспомогательный модуль измерения, управления и отображения. Данный узел реализует возможность управления остальными узлами. Также узел производит необходимые измерения с выхода программноуправляемого импульсного блока питания и выводит на устройство отображения информацию о состоянии остальных узлов, кроме узла ввода и обработки аналоговой информации, так как управление вышеуказанным узлом осуществляет модуль №3. В качестве устройства отображения целесообразнее применить графический монохромный дисплей. Данное решение позволяет достаточно наглядно организовать отображение необходимой информации. Для проведения необходимых измерений целесообразнее применить внешний модуль АЦП, для уменьшения помех со стороны микроконтроллера и повышения скорости обработки. Для связи АЦП и микроконтроллера целесообразнее использовать один из стандартных интерфейсов вспомогательного микроконтроллера. Для управления остальными узлами целесообразнее пользоваться возможностями вспомогательного микроконтроллера, такими, как широтноимпульсная модуляция, с последующей фильтрацией с помощью RCцепочки, а также возможностью управления твердотельными оптореле с помощью портов ввода-вывода. Для предоставления пользователю возможности управления узлами непосредственно на приборе, целесообразнее применить некоторую комбинацию кнопок и датчиков угла поворота, что позволит создать интуитивно понятную модель управления. Так как данный узел не является единственным устройством отображения в разрабатываемом комплекте, необходимо предусмотреть 38 возможность сообщения вспомогательного микроконтроллера с основным из узла №3. Для реализации данной возможности целесообразнее воспользоваться одним из стандартных интерфейсов передачи данных, предоставляемым микроконтроллером. Полная схема узла представлена на рисунке 6.6: Рис. 6.6 Схема вспомогательного модуля 39 7. Выбор схемотехнических решений 7.1. Узел преобразования и стабилизации питания Функционально, данный узел можно поделить на следующе блоки: 1. Импульсный блок питания и фильтр питания 2. Управляемый импульсный преобразователь с измеряемыми значениями тока и напряжения 3. Импульсные стабилизаторы +5В, +3.3В, +2.8В, +1.8В 4. Преобразователь питания аналоговых и цифровых частей 7.1.1. Импульсный блок питания и фильтр питания Для данной разработки целесообразнее применить готовый импульсный блок питания, нежели заниматься его разработкой. На данный момент существует большое количество компаний, предоставляющее готовые решения импульсных блоков питания. Одна из самых известных – компания MeanWell. Блоки питания данной компании известны высоким соотношением цена/качество и предоставляют на выбор огромное количество различных по параметрам блоков питания. 7.1.1.1. Технические требования к импульсному блоку питания Для управляемого импульсного преобразователя импульсный блок питания обязан обеспечить выходное напряжение, превышающее 12В, а ток должен быть более 1.5 ампер. Поскольку управляемый импульсный преобразователь не является единственным потребителем, необходимо также предусмотреть запас по току для остальных потребителей. Таким образом, выходной ток должен быть не менее 3А. Выходной шум блока питания должен быть как можно более низким. 40 Импульсные преобразователи компании MeanWell производят импульсные блоки питания с фиксированным выходным напряжением. Следующее выходное напряжение после двенадцати вольт: +15В. 7.1.1.2. Выбор блока питания Рассмотрим импульсные блоки питания данной компании, имеющие фиксированное выходное напряжение + 15 вольт и выходной ток не менее 3А: Таблица 8 Название Выходной ток, А. Мощность, Вт. Шум, мВ. RS-75-15 NES-75-15 NES-100-15 NES-150-15 5 5 7 10 75 75 100 150 120 150 150 150 Габаритные размеры, ДхШхВ, мм. 129x97x38 159x97x38 159x97x38 199x98x38 Цена, руб. 1270 1390 1330 2520 Цены на данные блоки питания взяты с сайта «Чип и Дип»[5]. Как видно из таблицы 8, лучшим выбором будет являться блок питания RS-75-15, так как он обладает меньшими шумами и меньшими габаритами по сравнению с аналогичным блоком питания из линейки NES. Выходной ток данного блока питания – 5А, что, соответственно, подходит под наши технические требования. 7.1.1.3. Фильтр питания Для уменьшения шума выходного напряжения компания MeanWell рекомендует фильтровать выходной сигнал с данных блоков питания. Для фильтрации предлагается использовать LC-фильтр. В качестве фильтра целесообразнее применить уже готовый модуль производства компании Murata. 41 Компания Murata производит блочные LC-фильтры, которые эффективно подавляют электромагнитные помехи в широком диапазоне частот. В качестве примера рассмотрим блочный фильтр BNX016-01. Фильтр спроектирован для подавления электромагнитных помех в силовых цепях постоянного тока. Номинальное постоянное напряжение – 25 вольт. Номинальный ток – 15 ампер. Фильтр осуществляет эффективное подавление шума в диапазоне частот от 100 килогерц до 1 гигагерца. На рисунке 7.1 показана зависимость подавления помех от частоты сигнала: Рис. 7.1 График зависимости подавления помех от частоты сигнала для фильтра BNX016-01 Стоимость данного фильтра в магазине «Чип и Дип» равняется 150 рублям [6]. Использование данного фильтра позволит значительно сократить помехи импульсного блока питания RS-75-15. 42 7.1.2. Управляемый импульсный преобразователь с измеряемыми значениями тока и напряжения Каждый регулируемый импульсный преобразователь имеет вход обратной связи напряжения с (Feedback), на преобразователя. который подается Логика работы часть выходного данного принципа стабилизации выходного напряжения такова: импульсный преобразователь поддерживает на выходе обратной связи некое постоянное опорное напряжение. Если данное напряжение изменить внешним сигналом, преобразователь начнет изменять выходное значение напряжения до тех пор, пока напряжение на входе обратной связи не примет значение опорного. Чаще всего, подаваемое на вход обратной связи напряжение является частью входного, пропущенного через резистивный делитель. Если вместо резистивного делителя установить операционный усилитель, и на его неинвертирующий вход подать выходное напряжение преобразователя, а на инвертирующий вход подать требуемое выходное напряжение, то на выходе операционного усилителя получится разница этих напряжений. Подключая выход операционного усилителя к входу обратной связи преобразователя, мы получим регулируемый импульсный преобразователь напряжения. Значение требуемого выходного напряжения легче всего получить с помощью широтно-импульсной модуляции, с последующей фильтрацией на двух RC-цепочках и усилением до требуемого значения на операционном усилителе. Измерение выходного напряжения логичнее всего производить с помощью резистивного делителя. Для упрощения расчета в качестве резистивного делителя логичнее всего применить подстроечный резистор и опытным путем настроить его на требуемое значение деления. 43 Для измерения тока следует применить токовый шунт. В качестве шунта можно применить мощный резистор с сопротивлением в диапазоне от 0.01 ома до 1 ома. Так как падение напряжения при таких значениях сопротивления очень мало, после шунта следует применить операционный усилитель, который усилит данное значение для его последующей обработки. 7.1.2.1. Технические требования К управляемому импульсному преобразователю предъявлены следующие требования: Диапазон выходных напряжений: от +1.5В до +12В Максимальный выходной ток: не менее 1.5А 7.1.2.2. Выбор необходимых компонентов Существует два основных семейства импульсных стабилизаторов, подходящие нам по параметрам. Это стабилизаторы LM257X и LM259X. Конкретно нам подходят стабилизаторы LM2576 и LM2596. Данные стабилизаторы на первый взгляд абсолютно идентичны, но стабилизатор LM2596T обладает меньшими требованиями к внешним компонентам, таким как индуктивность и конденсаторы, за счет чего уменьшается размер разрабатываемого модуля. В таблице 9 указаны основные параметры данных преобразователей: Таблица 9 Название LM2596T LM2576T Диапазон выходных напряжений, В. 1.23 – 37 1.23 – 37 Выходной ток, А Цена, руб. 3 3 170 120 Целесообразнее выбрать преобразователь LM2596T, так как нам важен не только ценовой параметр, но и объем занимаемого места. Для более 44 эффективного пассивного охлаждения производитель данного преобразователя рекомендует использовать радиатор. 7.1.2.3. Схема блока импульсного преобразователя Рис. 7.2 Схема блока импульсного преобразователя На рисунке 7.2 представлена схема электрическая принципиальная блока импульсного преобразователя. Разъем J1 служит для предварительной настройки данного блока. В дальнейшем средний вывод данного разъема будет подключен к вспомогательному микроконтроллеру для управления LM2596T. Резистор R2 служит для разряда выходной емкости при отключенной нагрузке. Стабилитрон D2 служит для защиты входа АЦП при скачках тока. Разъемы J2 и J3, соответственно, вход и выход данного блока. Разъем J4 подключается к вспомогательному узлу. Первый контакт – выход ШИМ после фильтрации. Второй – усиленное на операционном усилителе падение напряжения после шунта. Третий контакт – напряжения с резистивного делителя. 45 Номиналы конденсаторов, индуктивности, диода Шоттки выбраны согласно справочному руководству по микросхеме LM2596T[7]. 7.1.2.4. Номиналы компонентов Таблица 10 Обозначение Тип Микросхема U1 Операционный U2, U3 усилитель Электролитический С1, С2 конденсатор Керамический С3, С4 конденсатор Диод Шоттки D1 Стабилитрон D2 R1, R4, R10 Подстроечный резистор Мощный резистор R2 Мощный резистор R3 R9, R11, R12 Резистор Резистор R5, R6, R7, R8 Индуктивность L1 Разъем J1 Разъем J2, J3 Разъем J3 Номинал LM2596T LM358DT Количество Примечание 1 2 470 мкФ 2 0.1 мкФ 2 SR540 1N4731A 10 кОм 1 1 2 1 кОм 0.1 Ом 470 Ом 100 кОм 1 1 3 4 20 мкГ PLS – 3 MPW – 3 PLS – 4 1 1 2 1 5 Вт 5 Вт 46 7.1.3. Импульсные стабилизаторы +5В, +3.3В, +2.8В, +1.8В К данному блоку предъявлены следующие технические требования: 1. Выходные напряжения: +5В, +3.3В, +2.8В, +1.8В 2. Максимальный ток: не менее 300мА. 7.1.3.1. Выбор импульсных стабилизаторов Проведем преобразователей, анализ доступных подходящих под импульсных описанные стабилизаторов выше и технические характеристики: Таблица 11 Название MC34063A LM3670MF-ADJ NJM2360D L5973D013TR Выходное напряжение, В. От +1 до + 40 0.7В, 1.2В, 1.5В, 1.6В, 1.8В, 1.875, 2.5В, 3.3В 1.25…40 1.24…36 Выходной ток, мА 500 350 Цена, руб. 1500 2000 84 110 23 50 Как видно из таблицы 11, лучшим выбором будет микросхема MC34063A. Она обеспечивает выходной ток до 500 мА в заданном диапазоне выходных напряжений. Также данная микросхема является более дешевой, нежели остальные рассмотренные преобразователи. 7.1.3.2. Расчет параметров Микросхема MC34063A является повышающим / понижающим / инвертирующим преобразователем напряжения. Нам потребуется включить данную микросхему в понижающем режиме. Типичное включение данной микросхемы в понижающем режиме показано на рисунке 7.3. Нам потребуется четыре таких преобразователя. Для расчета необходимых значений электронных компонентов стоит воспользоваться специальным калькулятором для данной микросхемы [8]. 47 Рис. 7.3 Типовое включение MC34063A в понижающем режиме Параметры, одинаковые для всех четырех преобразователей: Таблица 12 Наименование Входное напряжение Выходной ток Уровень пульсаций на выходе Значение +15В 450мА 35мВ Расчет параметров необходимых компонентов: Таблица 13 Параметр Ct Ipeak Rsc Lmin Co R1 R2 Fosc Напряжение + 5В 390пФ 900мА 0.33 Ом 97 мкГ 83 мкФ 1 кОм 3 кОм 38.5 кГц Напряжение + 3.3В 300 пФ 900мА 0.33 Ом 90 мкГ 95 мкФ 11 кОм 18 кОм 34 кГц Напряжение + 2.8В 270 пФ 900мА 0.33 Ом 84 мкГ 98 мкФ 1.3 кОм 1.6 кОм 33 кГц Напряжение + 1.8В 180 пФ 900мА 0.33 Ом 61 мкГ 95 мкФ 7.5 кОм 3.3 кОм 34 кГц 48 Сt – емкость, которая задает частоту для преобразователя. Ipeak – максимальный пиковый ток, проходящий через индуктивность L. Rsc – резистор, использующийся в роли токового шунта, защищает микросхему от короткого замыкания, и при любом другом превышении тока. Lmin – минимальное значение индуктивности. Со – фильтрующий конденсатор. Fosc – частота преобразования, зависит от емкости Сt. R1 и R2 – плечи резистивного делителя. 7.1.3.3. Схема блока импульсных стабилизаторов Схема электрическая принципиальная для одного стабилизатора данного блока представлена на рисунке 7.4: Рис. 7.4 Схема импульсного стабилизатора 49 7.1.3.4. Номиналы компонентов Таблица 14 Обозначение U1, U2, U3, U4 D1, D2, D3, D4 C3, C4, C5, C6, C8, C9, C11, C12 C1 C2 C7 C10 Тип Импульсный преобразователь Диод Шоттки Номинал MC34063A Кол-во Прим. 4 VS-11DQ10 4 Электролитический конденсатор 100 мкФ 8 Керамический конденсатор Керамический конденсатор Керамический конденсатор Керамический конденсатор Резистор 390 пФ 1 300 пФ 1 270 пФ 1 180 пФ 1 0.33 Ом 4 1 Вт 100 мкГ 4 Ток не менее 900мА 1 1 1 1 1 1 1 1 5 R1, R2, R6, R10 L1, L2, L3, L4 Индуктивность R3 R4 R5 R7 R8 R9 R11 R12 J1, J2, J3, J4, J5 Резистор Резистор Резистор Резистор Резистор Резистор Резистор Резистор Разъем 11 кОм 18 кОм 1 кОм 1.3 кОм 1.6 кОм 3 кОм 7.5 кОм 3.3 кОм MPW – 3 50 7.1.4. Преобразователь питания аналоговых и цифровых частей Для получения двуполярного источника питания для аналоговых цепей необходимо применить инвертор напряжения. В качестве инвертора применим импульсный преобразователь, рассмотренный выше – MC34063A. Рис. 7.5 Типовая схема включения MC34063A в инвертирующем режиме Типовая схема включения данной микросхемы в качестве инвертора представлена на рисунке 7.5. Расчет параметров произведем при помощи калькулятора [8]: Таблица 15 Наименование Входное напряжение Выходное напряжение Выходной ток Напряжение пульсаций Частота преобразования Ct Ipeak Rsc Значение +15В -15В 214.5 мА 23 мВ 94.5 кГц 220пФ 901 мА 0.33 Ом 51 85 мкГ 470 мкФ 1 кОм 11 кОм Lmin Co R1 R2 Для дальнейшей стабилизации целесообразнее применить линейные стабилизаторы L7805 и L7905. 7.1.4.1. Схема преобразователя питания аналоговых и цифровых частей На рисунке 7.6 представлена схема электрическая принципиальная преобразователя однополярного напряжения в двуполярное с последующей стабилизацией. Выходное напряжение узла: ±5 вольт. Рис. 7.6 Схема преобразователя напряжений 7.1.4.2. Номиналы компонентов преобразователя питания 52 Номиналы компонентов для линейных стабилизаторов выбраны согласно справочному руководству[9]. Номиналы для импульсного преобразователя выбраны в таблице 15. Таблица 16 Обозначение Тип Импульсный U1 преобразователь Линейный U2 стабилизатор Линейный U3 стабилизатор Индуктивность L1 Диод Шоттки D1 D2 C1 C5 C6 C2 C3, C4, C7, C8 R1 R5 R9 J1, J2 Диод Конденсатор керамический Конденсатор электролитический Конденсатор электролитический Конденсатор керамический Конденсатор танталовый Резистор Резистор Резистор Разъем Номинал Количество Примечание MC34063A 1 MС7805 1 MС7905 1 100 мкГ VS11DQ10 1N4001 220 пФ 1 1 100 мкФ 1 470 мкФ 1 0.33 мкФ 1 1 мкФ 4 0.33 Ом 1 кОм 11 кОм MPW – 3 1 1 1 2 1 1 1 Вт Полная схема узла преобразования и стабилизации питания в приложении 1. 53 7.2. Узел ввода и обработки аналоговой информации Как было указано в разделе 6.2, данный узел состоит из повторителя, аттенюатора, сумматора и АЦП. Для приборов подобного рода входной импеданс должен составлять: 1 МОм, 30 пФ. Для обеспечения данных параметров следует применить следующую схему: Рис. 7.7 Схема обеспечения неизменного входного импеданса Данная схема обеспечивает неизменный входной импеданс, в независимости от последующих преобразований сигнала. Для того, чтобы отсеивать постоянную составляющую сигнала – применена емкость С1. Если требуется наблюдать постоянный сигнал, замыкается ключ U1. В качестве ключа планируется использовать твердотельное оптореле. С2 – подстроечный конденсатор в диапазоне 10-30 пФ. Резисторы R3 и R4 имеют сопротивление 510 и 481 кОм соответственно, точность резисторов – 1%. Конденсатор С3 имеет емкость 2.2 нФ. Сопротивление резистора R5 – 54 10 кОм. Номиналы компонентов подобраны так, чтобы входной импеданс схемы равнялся выбранным значениям: 1 МОм, 30 пФ. Компонент U2 – операционный усилитель, который включен в режиме повторителя. Данный операционный усилитель должен иметь очень высокое входное сопротивление и малую емкость по входу. Коэффициент передачи данного усилителя равняется единице. 55 7.2.1. Определение схемы аттенюатора и сумматора Для ослабления сигнала необходимо применить аттенюатор. В качестве аттенюатора было решено применить сборку из резистивных делителей. Выбраны следующие коэффициенты деления: 1. 1/1x 2. 1/2x 3. 1/5x 4. 1/10x 5. 1/20x 6. 1/50x Схема резистивного делителя показана на рисунке 7.8: Рис. 7.8 Схема аттенюатора на резистивных делителяю Номиналы резисторов указаны в таблице 17: Таблица 17 R1 R2 510 Ом 1% 300 Ом 1% R3 R4 100 Ом 1% 51 Ом 1% R5 30 Ом 1% R6 20 Ом 1% Для коммутации аттенюатора с сумматором можно применить либо мультиплексор, либо твердотельные оптореле. Так как стоимость одного мультиплексора примерно равняется стоимости одного оптореле (стоимость компонентов взята на сайте компании «Чип и Дип» [10]), целесообразнее применить мультиплексор 74НС4051. 56 Схема включения мультиплексора в цепь аттенюатора показана на рисунке 7.9: Рис. 7.9 Схема аттенюатора Управление мультиплексором осуществляется с помощью всего трех выводов вспомогательного микроконтроллера. В зависимости от поданной комбинации на входы А, В, С, мультиплексор подключает один из входов, чей номер равен поданной комбинации к выходу Х. Сумматор логичнее всего реализовать с помощью дифференциального операционного усилителя. Данное решение позволит отфильтровать помехи входного сигнала, а также упростит схему смещения сигнала. Типичный представитель дифференциального операционного усилителя – усилитель AD8129. Типичная схема включения данного операционного усилителя показана на рисунке 7.10: 57 Рис. 7.10 Типовая схема включения ОУ AD8129 Выходное напряжение данной схемы рассчитывается следующим уравнением: Vout = Vin *(1+Rf/Rg) + Voffset Voffset – напряжение смещения. Коэффициент усиления входного сигнала зависит от резисторов Rf и Rg. Напряжение Voffset проще всего получить с помощью широтно-импульсной модуляции с последующей фильтрацией на двух RC-цепочках, причем земля первой цепочки будет цифровой, а земля второй – аналоговой. Данное решение позволит максимально стабилизировать сигнал Voffset. Напряжение питания аналоговой части ±5 вольт, соответственно диапазон входных напряжений составляет чуть менее 10, так как выходной сигнал операционного усилителя не может равняться напряжению питания. Для использования всего диапазона аттенюатора и повышения максимальной чувствительности, следует принять коэффициент усиления на сумматоре равным 8. В таблице 18 показана зависимость амплитуды входных напряжений от коэффициента ослабления аттенюатора. Коэффициент усиления сумматора равен 8, а максимальная выходная амплитуда сигнала равняется 1 вольту. 58 Таблица 18 1/1 Амплитуда 0.125 входного сигнала, Делитель щупа 1/1х Амплитуда 1.25 входного сигнала, Делитель щупа 1/10х 1/2 0.25 1/5 0.625 1/10 1.25 1/20 2.5 1/50 6.25 2.5 6.25 12.5 25 62.5 Как видно из таблицы, при применении щупа с делителем, диапазон измеряемых значений достаточно велик. А максимальная чувствительность составляет 500 микровольт на каждый отсчет АЦП при делителе 1/1 на аттенюаторе и внешнем щупе. Значение амплитуды входного сигнала при коэффициенте деления на щупе – 1/1, не превышает амплитуду питания, соответственно, является приемлемым значением. 59 7.2.2. Аналого-цифровой преобразователь Как было определено в разделе 6.2, необходим восьмиразрядный аналого-цифровой преобразователь, способный дискретизации не менее 10 мегагерц. обеспечить частоту Рассмотрим преобразователи, подходящие по описанным выше параметрам: Таблица 19 Наименование Частота выборок, Мвыб/сек. 80 AD9057 100 AD9288 60 ADS830 130 MAX19507 35 TLV5535 Амплитуда входного сигнала, В 1 0 … 3.1 1.5 … 3.5 0.4 … 1.4 0.8 … 3.6 Количество каналов Цена, руб. 1 2 1 2 1 220 2080 540 1982 629 Цены на данные микросхемы взяты на сайте компании «EInfo»[11]. Как видно из таблицы 19, все представленные АЦП подходят нам по параметрам, соответственно логичнее выбрать самый дешевый вариант – AD9057. АЦП AD9057 является простым восьмиразрядным аналого-цифровым преобразователем с полосой пропускания 120 мегагерц, низким потреблением и малогабаритным размером. Внутри данный преобразователь содержит источник опорного напряжения, выдающий 2.5 вольт и цепь удержания входного сигнала, что упрощает разработку схем с данным АЦП. Управление данным АЦП осуществляется с помощью выхода Encode. При подаче на вход тактового сигнала прямоугольной формы, при возрастании сигнала начинается преобразование АЦП. При спаде тактового сигнала АЦП гарантирует, что на параллельной шине находится измеренное значение. 60 7.2.3. Нормализатор Для защиты входа АЦП от перенапряжения целесообразнее применить некий нормализатор, который ограничит напряжение, когда оно выйдет за разрешенный диапазон. В качестве опорного напряжения будем использовать внутренний источник опорного напряжения на 2.5В. Амплитуда входного сигнала для данного АЦП – 1 вольт. Соответственно, диапазон входных напряжений равняется: от 2 до 3 вольт. В качестве нормализатора предлагается применить следующую схему: Рис. 7.11 Схема нормализатора Логика работы данной схемы использует свойства диода. Типичное падение напряжение на диоде 0.6 вольт. При напряжении в диапазоне от 2 до 3 вольт, весь сигнал подается на вход АЦП. Как только разница входного напряжения от опорного превысит падение напряжения на диоде, все «лишнее» напряжение потечет сквозь один из диодов, что защитит вход АЦП от перенапряжения. Усилитель U1 следует выбирать исходя из максимального выходного тока. Выходной ток усилителя должен быть больше, чем максимальный пропускаемый ток диода. Падение напряжения на диоде должно быть не 61 менее 0.5 вольт. Так как диоды обладают паразитной емкостью, необходимо компенсировать её резистором. При применении резистора получается RC фильтр. Номинал резистора выбирается исходя из необходимой частоты среза RC-цепочки, где C – емкость диода. Формула расчета: 1/(RC) = τ, где τ постоянная времени. Для уменьшения влияния данной цепи на исследуемый сигнал период сигнала должен быть больше τ не менее чем в 3 раза. 7.2.4. Выбор компонентов и полная схема узла Требуется выбрать операционные усилители для входного аттенюатора и нормализатора, а также их компоненты. Необходимые характеристики ОУ для аттенюатора: 1. Высокое входное сопротивление. 2. Малая емкость по входу. 3. Полоса пропускания не менее 10 МГц. Всем этим параметрам соответствует операционный усилитель AD8065ARZ, с полевыми транзисторами на входе, что обеспечивает входной импеданс равным: 1000 ГОм, 2.1 пФ. Полоса пропускания данного усилителя равняется 145 мегагерцам. В качестве диодов предлагается использовать сборку диодов BAV199. Схема данного компонента представлена на рисунке 7.12: Рис. 7.12 Схема диодной сборки BAV199 Падение напряжения на диоде при токе 1 миллиампер – 0.9 вольт, а значение паразитной емкости – 2 пФ. Максимальный прямой ток – 160 мА. В качестве номинала резистора, образующего RC цепь, выберем значение 300 62 Ом, соответственно, образованная RC цепь будет иметь частоту среза: 265 МГц, что во много раз больше расчетной частоты дискретизации АЦП. Операционный усилитель, входящий в состав нормализатора должен иметь значение выходного тока не менее 160 мА. Под это требование подходит операционный усилитель TCA0372, который имеет значение выходного тока – 1А. Полная схема данного узла в приложении 2. 63 7.3. Модуль связи с персональным компьютером В качестве интерфейса связи, согласно разделу 6.3, был выбран интерфейс USB. Лидерами в области связи устройств посредством интерфейса USB, являются компании FTDI и Cypress. Данные компании предоставляют линейки контроллеров, реализующие данный вид связи. Компания FTDI специализируется на аппаратных мостах, соединяющих шину USB с одним из стандартных интерфейсов, таких как UART или FIFO. Скорость передачи данных по USB – 12 мегабит в секунду, что соответствует скорости Full Speed стандарта USB 2.0. Существует линейка контроллеров, поддерживающий скорость 480 мегабит в секунду, соответствующий скорости High Speed стандарта USB 2.0. Максимальная скорость обмена таких модулей составляет 25 мегабит в секунду. Также для управления данным контроллером необходим внешний микроконтроллер, который организует работу интерфейса. В отличии от компании FTDI, компания Cypress выпускает линейку микроконтроллеров EZ-USB FX2LP, которые имеют встроенное ядро 8051. Контроллеры этой серии также в состоянии работать с шиной USB на скорости High Speed. Одним из примеров контроллеров данной серии является микроконтроллер CY7C68013A[12]. Данный контроллер в состоянии организовать обмен данными с внешним миром посредством либо Slave FIFO, либо GPIF интерфейса. При организации коммуникации через Slave FIFO, ядро 8051 не участвует в процессе передачи данных, а правильность данных и управление передачей осуществляется с помощью внешнего устройства. Данный режим работы похож на описанный выше режим работы контроллеров компании FTDI. Режим Master FIFO данного контроллера реализуется с помощью интерфейса GPIF. Интерфейс GPIF позволяет совершать обмен данными с персональным компьютером на высокой скорости. Контроллер 8051 в случае 64 работы с GPIF лишь конфигурирует данный интерфейс и остается свободен для других задач во время передачи данных. Из стандартных интерфейсов связи данный контроллер имеет интерфейс I2C. Данный интерфейс позволит соединить данный контроллер со вспомогательным микроконтроллером. Для уменьшения затрат на конечный комплект оборудования, целесообразнее использовать готовый модуль с контроллером CY7C68013A, например использовать модуль от компании Waveshare Electronics. Общий вид модуля показан на рисунке 7.13: Рис. 7.13 Модуль CY7C68013A, Waveshare Electronics 7.3.1. Интерфейс GPIF Интерфейс GPIF позволяет организовать обмен по 8 или 16 битной шине. Интерфейс также имеет 3 входа для внешних сигналов, а также 3 управляющих выхода. 65 Так как для АЦП требуется тактирующий сигнал, данный сигнал будет формироваться на одном из управляющих выходов. Данный выход одновременно подключается к тактирующим входам обоих АЦП. Шина данных АЦП первого канала будет подключена к младшим 8 разрядам 16 битной шины данных, а шина данных АЦП второго канала к 8 старшим разрядам шины. Полная схема модуля CY7C68013A от компании Waveshare Electronics в приложении 3. 66 7.4. Узел генерации сигналов В качестве ядра генератора сигналов предлагается использовать микросхему прямого цифрового синтеза частоты. Одним из решений данной проблемы является применение микросхемы AD9833, производства компании Analog Devices. Микросхема AD9833 позволяет синтезировать сигналы следующей формы: 1. Синус 2. Треугольник 3. Меандр Данные формы выходного сигнала удовлетворяют всем требованиям из раздела 5. Максимальная выходная частота равняется 12.5 МГц, при частоте тактового сигнала – 25 МГц. Размер задающего частоту регистра равняется 28 битам, что позволяет получить дискретность установки выходной частоты равную 0.1 Гц. Максимальная амплитуда выходного сигнала данной микросхемы равняется 0.65 вольтам. Соответственно, для получения необходимых напряжений из раздела 5, необходимо усилить выходной сигнал, причем коэффициент усиления будет различаться для каждого из выходных напряжений. 7.4.1. Усиление сигнала Для усиления сигнала целесообразнее применить операционный усилитель в неинвертирующем включении. Операционный усилитель должен иметь размах выходного напряжения близкий к напряжению питания. Это так называемые rail to rail операционные усилители. 67 В качестве усилителя с описанными параметрами можно применить усилитель AD8041. Данный усилитель имеет полосу пропускания аналогового сигнала равную 160 мегагерцам. Для получения необходимого коэффициента усиления предлагается использовать сборку из резистивных делителей, коммутацию которых производить с помощью твердотельных оптореле. Так как оптореле имеет некое внутренне сопротивление, обычно лежащее в пределах от 40 до 80 Ом, для более точной настройки усиления предлагается использовать подстроечные резисторы, которые необходимо настроить на необходимое сопротивление при первом тестировании узла. Схема усилителя показана на рисунке 7.14: Рис. 7.14 Схема усилителя выходного сигнала генератора Конденсатор С1 применен для фильтрации помех на выходе AD9833. Номиналы резисторов R2 и R3 – 2 и 4 кОм соответственно. Резисторы R4,R5,R6 – подстроечные резисторы на 2 кОм. Номинал резистора R1 – 10 кОм. U1, U2, U3 – твердотельные оптореле CPC1035N. Компонент U4 – операционный усилитель AD8041. 7.4.2. Повторитель Для неизменных выходных параметров схемы логичнее всего применить операционный усилитель, включенный в режиме повторителя. В 68 качестве операционного усилителя также возможно применение AD8041. Выходной ток данного усилителя равняется 50 мА, что является приемлемым значением. Полная схема данного узла в приложении 4. 69 7.5. Вспомогательный модуль Вспомогательный модуль должен осуществлять контроль и управление над узлами №1, №2, и №4. Все необходимые операции, которые должен выполнять вспомогательный модуль, перечислены в таблице 20: Таблица 20 Узел Выполняемые операции модуляция выходного №1, преобразование и Широтно-импульсная стабилизация питания сигнала. Замер выходного тока и напряжения. №2, узел ввода и Управление двумя оптореле. обработки аналоговой Широтно-импульсная модуляция напряжения смещения для двух каналов. информации Управление аттенюаторами. №3, модуль связи с ПК Связь с модулем по интерфейсу I2C №4, узел генерации Управление тремя оптореле. Управление AD9833 по интерфейсу SPI. сигналов Замер значений с узла №1 целесообразнее производить с помощью внешнего АЦП, так как чаще всего внутренний АЦП микроконтроллеров имеет неподходящие характеристики. В качестве интерфейса сопряжения АЦП с микроконтроллером целесообразнее выбрать SPI, так как данный интерфейс обладает большей возможной скоростью, нежели I2C, а также уже используется микросхемой AD9833. Так как программно-управляемый источник питания и генератор сигналов управляются только вспомогательным модулем, необходимо предусмотреть аппаратные средства управления данными узлами для пользователя. Данную возможность предлагается реализовать с помощью датчиков угла поворота (ДУП). Необходимо два ДУП: 1. Для изменения выходного напряжения импульсного преобразователя. 70 2. Для изменения частоты синтезируемого сигнала, формы сигнала, амплитуды сигнала. В качестве устройства отображения предлагается использовать монохромный графический жидкокристаллический дисплей производства компании «МЭЛТ» – MT–12864J [13]. Данный дисплей имеет разрешение 128х64 точки и управляется контроллером KS0108. Для подключения к микроконтроллеру данному дисплею требуется 14 линий передачи данных. Для звуковой индикации целесообразнее применить звуковой излучатель. Данное решение позволит сообщить пользователю о нештатной ситуации, а также позволит информировать пользователя по окончанию выполнения заданной задачи. 7.5.1. Технические требования к вспомогательному микроконтроллеру Микроконтроллер должен обладать следующими интерфейсами: 1. SPI 2. I2C Также, микроконтроллер должен обладать тремя выводами широтноимпульсной модуляции, с разрешением не менее 16 бит. Количество всех необходимых линий микроконтроллера и их назначение перечислены в таблице 21: Таблица 21 Подключение Дисплей Интерфейс SPI Линия выбора АЦП Линия выбора генератора сигналов Широтно-импульсная модуляция Два оптореле узла АЦП Мультиплексоры узла АЦП Три оптореле узла генератора сигналов Количество 14 3 1 1 3 2 6 3 71 Интерфейс I2C Линии управления двумя ДУП Линия включения импульсного преобразователя Звуковой излучатель Всего 2 6 1 1 43 Соответственно, микроконтроллер должен обладать следующими параметрами: 1. Стандартные интерфейсы: I2C, SPI. 2. Количество ШИМ каналов: не менее трех. 3. Разрешение ШИМ каналов: 16 разрядов. 4. Количество линий ввода\вывода: не менее 43. 5. Напряжение питания: +5 вольт. 7.5.2. Выбор компонентов и полная схема узла В качестве АЦП предлагается выбрать AD7811. Данный АЦП обладает разрешением 10 бит, и позволяет производить измерения входного сигнала с частотой около 430 кГц. Количество каналов данного АЦП – 4, что подходит нам, так как планируется использовать всего два. Оставшиеся каналы будет возможно использовать при дальнейших улучшениях разработки. В качестве микроконтроллера предлагается выбрать микроконтроллер AtMega64A[14], который обладает следующими параметрами: Таблица 22 Параметр Рабочая частота ШИМ каналы Наличие интерфейса SPI Наличие интерфейса I2C Количество линий ввода/вывода Количество внешних прерываний Значение 16 МГц 6, с программируемым разрешением от 1 до 16 бит Да Да 53 8 72 Данный микроконтроллер подходит по всем параметрам. Полная схема данного узла в приложении 5. 73 8. Разработка протокола обмена 8.1. Принцип работы шины USB Топологию USB шины можно представить в виде дерева (рисунок 8.1). Рисунок 8.1 Топология шины USB Корнем дерева является хост. В его задачи входит: 1. Подключение/отключение устройств. 2. Контроль статуса устройства. 3. Управление потоками данных. 4. Распределение питания. На шине USB всегда присутствует только один хост. В связи с этим принято указывать направление передачи пакета относительно хоста. Если пакет передается от хоста – поток имеет направление OUT, в обратном случае – IN. В нашем случае хостом является персональный компьютер. К хосту могут быть подключено до 127 подчиненных устройств. Подчиненные устройства не могут самостоятельно послать данные по шине USB. Для инициализации любой передачи устройство должно получить соответствующую команду от хоста.[15] Каждое починенное устройство представляет собой набор конечных точек (endpoints), с которыми хост обменивается информацией. Конечная 74 точка с нулевым номером всегда присутствует в каждом устройстве. Через нее хост производит изначальную конфигурацию устройства. Архитектура USB поддерживает четыре типа передачи данных: 1. Control. 2. Interrupt. 3. Bulk. 4. Isochronous. Тип Control используется для изначальной конфигурации и последующего контроля USB устройства. Тип Interrupt используется при необходимости обмена данными через установленный временной интервал. Самый распространенный тип передачи – Bulk. При таком типе передачи гарантируется целостность передачи данных, но не гарантируется время доставки. Максимальный размер передаваемого пакета на скорости High Speed – 512 байт. Последний тип передачи – Isochronous. Данный тип гарантирует фиксированное время доставки, но не гарантирует целостность данных. 8.2. Разработка протокола обмена персонального компьютера с комплектом оборудования. Для связи персонального компьютера и модуля используется интерфейс USB. Компания Cypress предоставляет библиотеку работы с данным интерфейсом, поставляемую вместе с контроллерами CY7C68013A, которая предоставляет функции для работы с данным контроллером, как на стороне самого контроллера, так и на стороне ПК. Данная библиотека организует реализацию протокола USB, так что необходимо всего лишь определить формат передаваемого пакета, тип передачи и конечную точку. 75 Контроллер CY7C68013A имеет 7 конечных точек. Возможная организация контрольных точек в памяти контроллера показана на рисунке 8.2: Рисунок 8.2 Возможные организации буферов контрольных точек микроконтроллера CY7C68013A Для отправки данных с ПК на контроллер воспользуемся конечной точкой EP1OUT. В качестве типа передачи – выберем Bulk, так как данный тип передачи гарантирует целостность передаваемых данных, что важно, так как мы передаем управляющие команды. Данная точка, на скорости High Speed имеет максимальный размер пакета равный 64 байтам. В физической реализации мы используем два одноканальных АЦП, но со стороны компьютера знать это не обязательно. Со стороны компьютера мы будем указывать один из каналов – первый или второй, а микроконтроллер сам определит, к какому АЦП обращаться. На микроконтроллер необходимо передать номер команды, номер выбранного канала и устанавливаемое значение. В первом байте будет передаваться номер команды и номер канала. Затем следует передать 76 устанавливаемое значение. Так как для смещения используется 16 битное число, для поля значения выделим два байта. Старшие шесть бит первого байта будут являться полем команды. Два младших бита первого байта будут являться номером канала. Данное решение позволяет передавать 32 различных команды для одного из четырех возможных каналов в одном байте. Нам потребуется определить всего три команды и два канала. Список необходимых команд: 1. Команда для переключения аттенюатора – 0000002. 2. Команда для выполнения смещения – 0000012. 3. Команда переключения входа – 0000102. Список каналов: 1. Первый канал – 002. 2. Второй канал – 012. В качестве значения для команды переключения аттенюатора будет передаваться номер канала, на который необходимо переключиться. В качестве значения для команды выполнения смещения будет передаваться 16 битное число. Старшие восемь бит числа будут записаны во второй байт, младшие восемь бит – в третий байт. В качестве значения для команды переключения входа будет передаваться одно из двух значений состояния данного входа. Для того чтобы длина значащих байт была одинаковая для всех команд, для команд №1 и №3 продублируем значение из второго байта в третий. Формат пакета передачи данных с ПК на контроллер показан на рисунке 8.3: Рисунок 8.3 Формат пакета передачи данных с ПК на основной контроллер 77 Для приема данных на ПК с контроллера выберем конечную точку EP6IN с размером буфера, равным 512 байт и двойной буферизацией. В качестве типа передачи – выберем Bulk. Формат передачи: каждый нечетный байт – значение первого модуля АЦП, каждый четный байт – значение второго модуля АЦП. Длина пакета – 512 байт. 78 9. Разработка прикладного программного обеспечения узлов комплекта оборудования 9.1. Логика организации работы комплекта оборудования Основным управляющим узлом является программное обеспечение на персональном компьютере. Основные задачи программного обеспечения: 1. Запрос данных от основного контроллера. 2. Обработка полученных данных. 3. Визуализация обработанных данных. 4. Передача управляющих команд на основной контроллер. Основной контроллер является ведомым узлом относительно программного обеспечения, но ведущим для вспомогательного контроллера. Задачи, выполняемые основным контроллером: 1. Непрерывный опрос аналого-цифровых преобразователей. 2. Передача данных по запросу от программного обеспечения. 3. Прием управляющих команд от программного обеспечения. 4. Трансляция управляющих команд вспомогательному микроконтроллеру. Задачи, выполняемые вспомогательным микроконтроллером можно разделить на две группы. В первой группе находятся следующие задачи: 1. Прием управляющих команд от основного контроллера. 2. Управление узлом ввода и обработки аналоговой информации. Выполнение данных задач инициируются только в случае получения соответствующей команды от ведущего контроллера. Вторая группа задач выполняется независимо от остальных управляющих узлов. 1. Контроль и управление импульсным источником питания. 2. Управление генератором сигналов. 79 3. Опрос аппаратных средств управления. 4. Вывод вспомогательной информации на дисплей. Структурная схема организации логического взаимодействия представлена на рисунке 9.1: Рис. 9.1 Структурная схема организации взаимодействия между узлами комплекта и ПК Со стороны программного обеспечения формируется запрос на получение данных. Если буфер основного контроллера полон, разрешается передача пакета от основного контроллера к программному обеспечению. 80 Если буфер не полон, программное обеспечение повторяет запрос, пока буфер не заполнится. Как только программное обеспечение получает пакет, начинается процесс обработки, а именно разбор данного пакета на значения первого и второго каналов. Независимо от этих операций пользователь может инициировать передачу управляющей команды. Команда формируется в зависимости от состояния элементов управления графического интерфейса. Основной контроллер осуществляет непрерывный опрос двух АЦП, и помещает их значения в буфер. При заполненном буфере разрешается передача пакета от контроллера к программному обеспечению. При получении управляющего пакета вызывается прерывание, в котором принятый пакет транслируется на вспомогательный контроллер по интерфейсу I2C. Вспомогательный контроллер осуществляет непрерывное получение значений выходных параметров программно управляемого импульсного преобразователя, а также реагирует на внешние прерывания с органов управления комплектом оборудования. При получении команды от основного контроллера, текущие задания прерываются, и управление передается функции выполнения принятой команды. 81 9.2. Алгоритм работы прикладного программного обеспечения После запуска программы производится поиск и инициализация комплекта оборудования. По команде пользователя стартует основной цикл программы. Если программа была запущена до подключения комплекта, произойдет попытка однократной инициализации. Если программе не удается найти или инициализировать комплект оборудования – выдается сообщение об ошибке. В основном цикле программа запрашивает данные с основного контроллера. Ожидаемый размер пакета – 512 байт. Если данные получены – программа переходит в режим обработки полученных данных. Если основной контроллер вместо данных прислал отказ – программа будет повторять запрос до тех пор, пока контроллер не пришлет ожидаемые данные. В режиме обработки программа разделяет полученные данные на два списка со значениями для каждого из двух каналов. Также реализуется программная синхронизация, в соответствии с заданными значениями на форме ввода. На форме ввода значений синхронизации пользователем выбирается срабатывание либо по фронту сигнала, либо по спаду, а также уровень синхронизации. Так как поток принимаемых данных имеет равный интервал, при анализе потока первое значение, удовлетворяющее условиям триггера, выводится в центр экрана с помощью функции визуализации. При дальнейшей обработке, при повторном срабатывании триггера, точка срабатывания становится центром экрана, а предыдущая точка смещается влево. Также есть возможность вывода данных на экран без синхронизации. По окончанию данного процесса программа переходит к процедуре запроса следующих данных. Данный цикл действий будет повторяться, пока не поступит прерывание от пользователя. 82 9.3. Алгоритм работы программы основного контроллера Основной контроллер управляет двумя АЦП с помощью интерфейса GPIF. Данный интерфейс представляет собой набор гибко конфигурируемых средств, позволяющих реализовать управление большинством интерфейсов. Ядро GPIF – программируемый цифровой автомат. Ядро тактируется от внутреннего генератора с частотой 48 или 30 мегагерц. Управление данным автоматом осуществляется с помощью дескрипторов диаграмм. Дескрипторы диаграмм описывают состояние линий модуля GPIF во время его работы. Компания Cypress предоставляет утилиту графической разработки дескрипторов под названием GPIF Designer, которая позволяет осуществить построение диаграмм для управления ядром GPIF. Общий вид данной утилиты показан на рисунке 9.2: Рис. 9.2 Общий вид утилиты GPIF Designer Для получения данных с АЦП на него необходимо подать тактовый сигнал, начиная с низкого уровня. При спаде сигнала на шине данных АЦП гарантированно находятся действительные данные. 83 Диаграмма, осуществляющая данный алгоритм показана на рисунке 9.3: Рис. 9.3 Диаграмма управления АЦП Линия CTL0 изначально имеет значение логического нуля. На первом такте данная линия переводится в состояние логической единицы. На втором такте линия опять принимает значение логического нуля. Таким образом, генерируется тактовый сигнал для микросхем АЦП. Частота полученного тактового сигнала – 24 мегагерц, при рабочей частоте ядра равной 48 мегагерц. Линия данных принимает значение единицы на втором такте, сигнализируя автомату, что данные выставлены на шину и доступны для чтения. В регистре Status осуществляется управление состоянием автомата после второго такта. Для нашего случая необходимо задать остановку выполнения автомата. Интерфейс GPIF может работать либо при контроле ядра 8051, либо как отдельное устройство. В нашем случае ядро 8051 будет осуществлять контроль над данным интерфейсом, принимая решения о его запуске, исходя о наличии не полного буфера данных. Контроллер после загрузки и инициализации необходимых регистров попадает в бесконечный цикл, в котором производится опрос буфера. Если буфер не полный – программа вызывает запуск временной диаграммы чтения 84 из АЦП. Как только буфер заполнится – разрешается передача данного буфера контроллеру USB для дальнейших манипуляций. При поступлении от программного обеспечения управляющей команды вызовется обработчик прерывания, в котором необходимо транслировать полученный байты на вспомогательный микроконтроллер через встроенный интерфейс I2C. В библиотеке, предоставляемой компанией Cypress, содержатся функции работы с данным интерфейсом. Для передачи данных следует воспользоваться функцией I2C_write(). 85 9.4. Алгоритм работы программы вспомогательного контроллера В основном подключенного по цикле программы интерфейсу SPI. производится Контроллер опрос получает АЦП, значение выходного напряжения импульсного преобразователя и значение падения напряжения, проходящего через токовый шунт, усиленного с помощью операционного усилителя. Далее, по закону Ома, производится расчет выходного тока и вызывается функция отображения результатов работы на дисплей. Также разрешено два внешних прерывания от кнопок датчиков угла поворота. При срабатывании одного из прерываний, программа переходит на постоянный опрос значений от датчиков угла поворота. Также запускается таймер, который начинает отсчитывать пять секунд. По окончании работы таймера программа перейдет в изначальное состояние и продолжит цикличный опрос АЦП. Первый датчик угла поворота управляет выходным напряжением импульсного преобразователя. При изменении значения этого ДУП вызывается функция, корректирующая выходное напряжение. Второй ДУП управляет узлом генерации сигналов. Поддерживается три режима управления: 1. Управление частотой выходного сигнала. 2. Управление амплитудой сигнала. 3. Управление формой сигнала. Смена режима управления осуществляется нажатием кнопки на втором ДУП. Любое изменение значения на любом ДУП обнуляет таймер. Для возвращения к стандартному режиму работы пользователю необходимо не использовать интерфейсы управления в течение пяти секунд. По окончанию работы таймера комплект оборудования выдаст долгий звуковой сигнал, сообщающий о возвращении в стандартный режим работы. 86 При получении команды от основного контроллера программа перейдет в функцию обработки полученной команды, предварительно запретив внешние прерывания, так как команды от основного контроллера имеют наивысший приоритет обработки. 87 10. Анализ полученных результатов Разработанный комплект контрольно-измерительного оборудования включает в своем составе следующие приборы: 1. Осциллограф. 2. Генератор сигналов. 3. Управляемый блок питания. 4. Блок постоянных источников напряжения. Разработанный осциллограф на базе узла ввода и обработки аналоговой информации обладает следующими техническими характеристиками: 1. Частота выборок – 24Мвыб/c. 2. Максимальная чувствительность – 15 мВ/дел. 3. Количество каналов – 2. 4. Полоса пропускания – 20 МГц. Данный осциллограф можно применить для исследования формы сигнала изменяющегося с частотой не выше 5 МГц. Генератор сигналов в состоянии синтезировать частоты следующей формы: синус, меандр, треугольник, и обладает следующими техническими характеристиками: 1. Максимальная частота генерации – 12.5 МГц. 2. Амплитуда выходного сигнала – +1.8В, +3.3В, +5В. 3. Дискретность установки частоты – 0.1 Гц Генератор в состоянии синтезировать образцовый синусоидальный сигнал с частотой 5 МГц. Дискретность установки напряжения управляемого блока питания – 0.1 вольт. Максимальный выходной ток – 2.5 ампера. Максимальный выходной 88 ток блока постоянных источников напряжения – 450 миллиампер на каждый канал. Технические полностью характеристики удовлетворяют базового требованиям, комплекта оборудования обозначенным ранее. Соответственно, данный базовый комплект оборудования можно применить на лабораторных работах образовательной программы «Информатика и вычислительная техника», перечисленных в разделе 4. 89 Заключение В рамках данной выпускной квалификационной работы проведено рассмотрение дисциплин направления «Информатика и вычислительная техника», а также определен набор и характеристики, необходимых для обучения, контрольно-измерительных приборов, входящих в состав комплекта. Произведен анализ схемотехнических решений, позволяющих реализовать базовый комплект оборудования лабораторного стенда, и проведен выбор соответствующей элементной базы. Разработан алгоритм совместной работы узлов комплекта, составлен протокол обмена данными между комплектом оборудования и компьютером. Также разработано программное обеспечение для всех узлов базового комплекта оборудования и прикладное программное обеспечение для компьютера. Спроектированный, в результате работы, базовый комплект оборудования лабораторного стенда может быть использован в ходе изучения множества дисциплин, входящих в состав образовательной программы «Информатика и вычислительная техника». Таким образом, в ходе лабораторных работ, студенты смогут получить практические навыки использования контрольно-измерительных приборов, что, в свою очередь, ведет к повышению уровня подготовки бакалавров. 90 Список литературы 1. Учебная техника: Каталог продукции. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.electrolab.ru. Дата обращения: 01.03.2015. 2. National Instruments: Образовательное оборудование. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.ni.com/ni-elvis/. Дата обращения: 05.03.2015. 3. MikroElektronika: Universal development tools. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.mikroe.com. Дата обращения: 08.03.2015. 4. Высшая школа экономики: Бакалаврская программа «Информатика и вычислительная техника». [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.hse.ru/ba/isct/. Дата обращения: 09.03.2015. 5. Чип и Дип: Источники питания в корпусе. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.chipdip.ru/catalog-show/cased-power-supply/. Дата обращения: 13.04.2015. 6. Чип и Дип: Фильтры. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.chipdip.ru/catalog-show/filters/ . Дата обращения: 13.04.2015. 7. LM2596SIMPLE SWITCHER ® Power Converter 150 kHz3A Step-Down Voltage Regulator, National Semiconductor, 2002. 8. Страничка эмбеддера: DC-DC на MC34063. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://bsvi.ru/dc-dc-na-mc34063/. Дата обращения: 17.04.2015. 9. MC7900 Series1.0 A Negative Voltage Regulators, Semiconductor Components Industries, 2006. 10.Чип и Дип: Реле твердотельные. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.chipdip.ru/catalog-show/solid-state-relays/. Дата обращения: 19.04.2015. 11.EInfo: Каталог компонентов. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.einfo.ru/catalog/ . Дата обращения: 22.04.2015. 12.CY7C68013A EZ-USB FX2LP™ USB Microcontroller High-Speed USB Peripheral Controller, Cypress Semiconductor, 2006. 13.Компания МЭЛТ: графические ЖК индикаторы. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.melt.com.ru/ Дата обращения: 24.04.2015. 14.ATmega64A Summary, Atmel Corporation, 2013. 15.Дмитрий Чекунов. Программисту USB устройств Часть 1. Знакомство с USB // Современная электротехника, 2004, №10. 91
