Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство высшего и профессионального образования Российской федерации

Московский Государственный Открытый Университет

Коломенский Институт

Кафедра «Автоматики и электроники в машиностроении»

Курсовой проект по курсу

МПУ СУ

(пояснительная записка)

Выполнил: ст. гр. И-41

Шандров Д.С.

Проверил: преподаватель

Григорченко С.А.

г. Коломна, 2000 г.



Задание на курсовой проект

Разработать микропроцессорный модуль локальной системы, обеспечивающий сбор данных и осуществляющий управление.

Тип МК - 80C196NU.

Тип внешней шины информационного обмена - демультиплексированная, 8 р.

Тип и объём ВПП - перепрограммируемая с электрическим стиранием, 4 кБ.

Тип и объём ВПД - статическая, 16 кБ.

Количество измерительных непрерывных сигналов - 4.

Максимальная приведённая погрешность преобразования непрерывных сигналов без учёта шумовой составляющей - 0.26 %.

Параметры измерительных непрерывных сигналов:

динамический диапазон - 50…500 мВ;

максимальная частота в спектре - 15 Гц;

внутреннее сопротивление источника - 300 Ом.

Количество цифровых донесений - 6, вид донесения - «сухой контакт».

Количество командных сигналов - 1.

Приведённая погрешность формирования командных сигналов - 0.4%.

Параметры командных сигналов:

вид сигнала - гармонический;

диапазон частот - 30…30000 Гц;

динамический диапазон - 0…5 В.

Связь с системой управления верхнего уровня по последовательному каналу информационного обмена.

Задание на программирование - формирование командного сигнала.



Введение

Новый этап в развитии микроэлектронной техники, наступивший с появлением первого, разработанного компанией Intel, микропроцессора, изменил подход к проектированию и реализации цифровых схем, потребовал использования новых архитектурных и структурных решений. Для большинства этот этап ассоциируется с бурным развитием персональных компьютеров, которые всего за 15 лет прошли путь от простейших PC/XT до современных Pentium-систем, использующих конвейерное выполнение команд, параллельную обработку информации, внутреннюю кэш-память и другие решения, характерные для высокопроизводительных вычислительных систем. Достижения в этой области действительно впечатляющи. Однако не менее яркой иллюстрацией прогресса микроэлектроники является развитие встраиваемых микроконтроллеров, сфера применения которых оказалась во много раз шире, чем микропроцессоров.

Встраиваемый или однокристальный микроконтроллер (embedded microcontroller), который в отечественной литературе раньше называли однокристальной микроЭВМ, представляет собой изготовленную на одном кристалле микропроцессорную систему, ориентированную на реализацию алгоритмов цифрового управления различными объектами и процессами. Микроконтроллер содержит центральный процессор, внутреннюю постоянную и оперативную память, параллельные и последовательные порты ввода-вывода данных, набор периферийных устройств: таймеры, аналого-цифровые преобразователи, широтно-импульсные модуляторы, контроллер прерываний, модули обработки сигналов (событий) в реальном времени. Таким образом, на базе микроконтроллера с включением минимального количества дополнительных компонентов можно построить сложно функциональную цифровую систему.

По совокупности функциональных возможностей и технических характеристик микроконтроллеры ориентированы, в первую очередь, на реализацию управления различными приборами и устройствами. Они используются также как компоненты в системах управления технологическими процессами, информационно-измерительных и контрольно-диагностических системах. Огромная номенклатура выпускаемых микроконтроллеров, их значительные функциональные возможности, высокие технические параметры, относительно низкая стоимость позволяют удовлетворить запросы широкого круга потребителей - разработчиков разнообразной электронной аппаратуры .

В семейство MCS-196 фирмы Intel входит более 30 разновидностей микроконтроллеров. Это 16-разрядные, быстродействующие ИС высокой степени интеграции, ориентированные на решение задач управления процессами в реальном масштабе времени. Типичные области применения для этих микроконтроллеров - управление двигателями, модемы, тормозные системы, контроллеры жестких дисков, медицинское оборудование.

История MCS-196 насчитывает более 12 лет. За это время специалисты фирмы Intel увеличили адресное пространство с 64 КБайт до 6 Мбайт, повысили тактовую частоту с 10 до 50 МГц, улучшили быстродействие в 16 раз и добились понижения цены на базовый кристалл примерно в 4 раза.

Микроконтроллеры 80C196 фактически стали индустриальным стандартом для 16-разрядных встроенных систем управления, обеспечивая сочетание высоких технических показателей и экономической эффективности. Например, именно благодаря этим микроконтроллерам, установленным в системе управления зажиганием, специалистам концерна Ford удалось существенно снизить потребление топлива, уменьшить выбросы вредных веществ и одновременно повысить скоростные характеристики своих машин.

Микропроцессорные системы, по сравнению с системами с жесткой логикой имеют ряд значительных преимуществ:

1. большая гибкость получаемой интегрированной системы;

2. упрощение проектирования (практическое отсутствие логической части);

3. меньшие размеры получаемого изделия.

Единственным недостатком микропроцессорных систем по сравнению с системами с «жесткой логикой» является меньшее быстродействие, но корпорация Intel® и этот недостаток данных систем делает все меньше, год от года увеличивая тактовую частоту своих микроконтроллеров (для 80С196NU она уже 50 МГц).

Краткое описание разделов курсового проекта.

В разделе структурная схема модуля МК расчитывается разрядность аналого-цифрового преобразователя (АЦП), ошибка вносимая АЦП в результат преобразования сигнала, определяется разрядность цифро аналогового преобразователя, а также вносимая им ошибка в формирование командного сигнала.

В разделе функциональная схема модуля МК производится, уточнеие расчётов произведённых в предыдущем раздере. Окончательно уточняется, из каких узлов будет состоять модуль. Также оговаривается как будет осуществлятся управление отдельными узлами модуля.

В разделе принципиальная схема МК ведётся расчёт и выбор всех элементов входящих принципиальную электрическую схему модуля МК.

В разделе фрагмент управляющей программы написана программа управление и формирование командного сигнала.

1. Структурная схема модуля

На структурной схеме представлен модуль микроконтроллера локальной системы сбора данных и управления.

В качестве входных сигналов в модуль МК поступают:

четыре аналоговых сигнала;

шесть цифровых донесений в виде сухого контакта.

По результу принятых данных МК вырабатывает командный сигнал. Он представляет собой гармонический сигнал.

Для преобразования входной аналоговой информации в цифровую необходимо использование аналого-цифрового преобразователя (АЦП). При этом разрядность АЦП найдем из допустимой погрешности преобразования

приведённая погрешность;



из данной формулы найдём разрядность АЦП;

Полученное значение округлим до ближайшего большего значения NАЦП=9.

Расчёт частоты дискритизации АЦП

где: m>2;

Fmax - максимальная частота в спектре;

принимаем m=5.

Частота дискритизации с учётом коэффициента запаса по частоте Кзапаса=7

Расчёт полосы пропускания фильтра

Данные аналого-цифрового преобразования будут поступать на внешнюю шину данных и считываться микроконтроллером в ВПД по мере надобности.

Погрешность вносимая АЦП

Ошибка квантования

Ошибка полной шкалы

Ошибка от смещения нуля АЦП

Ошибка от интегральной нелинейности

Полная ошибка

Так как входных аналоговых каналов много, а использование АЦП для каждого из них нерационально, для этого будет использован аналоговый коммутатор (АК).

Для коммутации 4х непрерывных сигналов необходим как минимум 4х канальный аналоговый коммутатор.

Так как динамический диапазон сигналов от датчиков невелик необходимо использование усилителя, который также может выполнять функции ФВЧ, для согласования частотной характеристики тракта со спектром входного сигнала (УФ). Тоесть нужно использовать усилитель.

Для формирования выходного командного непрерывного сигнала необходимо использование цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).

Разрядность ЦАП найдём из приведённой погрешности формирования командных сигналов

Исходя из рассчётов, необходимо применить 10ти разрядный ЦАП.

Расчёт частоты преобразования ЦАПа

где: m>2 принимаем m=2;

fmax=30000Гц максимальная частота командного сигнала;

Расчёт полосы пропускания

Ошибка вносимая ЦАПом в формированиии командного сигнала. Она состоит из ошибки: смещения нуля, полной шкалы, обусловленная дифференциальной нелинейностью.

Ошибка смещения нуля

Ошибка полной шкалы

Ошибка обусловленная дифференциальной нелинейностью

Полная ошибка ЦАП

В состав модуля МК входит внешняя память данных объёмом 16 кБ и внешняя память программ 4 кБ.

Обмен с потребителем обеспечивается с помощью блока последовательного обмена, включенного в состав микроконтроллера (БПО).

Схема аппаратного сброса осуществляет перевод микроконтроллера в начальное состояние.

Структурная схема модуля МК изображена в Приложении 1.

2. Функциональная схема модуля

В текущем разделе производится уточнение вышепроизведённых расчётов.

Для управления аналоговым коммутатором рассчитывается

микроконтроллер цифровой преобразователь сигнал

где: NАК - разрядность управляющего кода;

Nк - число коммутируемых каналов ( Nк=4 ).

Для управления коммутатором будем использовать 2 -адресных линии, для задания номера выбираемого канала и 2 - линии управления, первая для выбора режима работы (выбор канала), вторая для записии и сохранения адреса в регистре канала.

В качестве усилителя и фильтра высокой частоты буде использован интегральный операционный усилитель.

Так как при расчете разрядности АЦП была учтена только одна ошибка квантования, прибавляется несколько разрядов для погашения других видов ошибок.

По результатам расчёта выбираю 12ти разрядное АЦП.

Для управления АЦП необходимы три линии управления первая - для выбора режима работы (аналогово-цифровое преобразование), две для запуска преобразования и сигнала его окончания.

Микроконтроллер будет функционировать в режиме 8ми-разрядного демультиплексированного обмена (по условию задания). Для адресации 2*2 кБ памяти необходимо 11 адресных линий и соответственно 8 линий данных.

Для отключения от шины данных будем использовать ВПП с тремя состояниями на выходе. Для управления третьим состоянием необходима 1 линия управления.

Аналогично ВПП будем пользоваться раздельными стробами записи. Для адресации 2*8 кБ памяти необходимо 13 адресных линий и 8 линий данных. Для управления, аналогично необходима 1 линия управления.

Внешняя память данных управляется сигналами чтения (RD), записи (WR) и выборки кристалла (CS) микроконтроллера. Внешняя память программ и данных управляется сигналом выборки кристалла (CS)и старшими разрядами адресной линии микроконтроллера.

Схема аппаратного сброса. Схема подключена непосредственно к выводу аппаратного сброса микроконтроллера и некоторое время подает низкий потенциал на этот вывод.

Загрузка первого байта конфигурации. При загрузке певого байта конфигурации используется мультиплексированная шина. Для правильной загрузки необходимо защёлкнуть адрес в 8ми разрядном регистре, чтобы контроллер смог прочитать данные. Защёлкнутый адрес подаётся на микросхему памяти, которая селектируется CS0.

Информация от двоичных датчиков типа «сухой контакт» постапают в порт МК.

Функциональная схема модуля МК изображена в Приложении 2.

3. Принципиальной схемы модуля

Принципиальная схема разрабатывается исходя из необходимой точности преобразования.

Определив в первом разделе разрядность которую должен иметь АЦП, и вносимую им погрешность применим АЦП AD7892-1B. Основные технические характеристики

разрядность NАЦП=12;

интегральная нелинейность INL=1 MP;

дифференциальная нелинейность DNL=1 MP;

ошибка полной шкалы ?П.ШК.?4 MP;

ошибка от смещения нуля ?СМ.0? 2 MP;

разность вх.напр. ?Uвх=5.12 В;

полное время преобразования tпр = 1.6*10 с.

Для использования внутреннего источника питания необходимо подключить к входу Ref заземленный конденсатор С14 = 50 мкФ

В качестве усилителя ифильтра высокой частоты применим прецизионный операционный усилитель используемый для усиления малых электрических сигналов. К140УД17.

Основные технические характеристики усилителя

1.

напряжение питания

2.

максимальный выходной ток

3.

напряжение смещения нуля

4.

разность входных токов

5.

дрейф напряжения смещения нуля

6.

дрейф разности входных токов

скорость нарастания выходного сигнала

8.

Собственный коэффициент усиления усилителя



Расчёт коэффициента усиления усилителя

Диапазон входного напряжения

Разность входного напряжения

Коэффициент усиления

Расчёт пассивеых элементов усилителя.

Входное сопротивление источника Rвх.И=300Ом;

Из стандартного ряда выбираем R5=330кОм.

Из стандартного ряда выбираем R4=27кОм.

Определим подходит ли этот усилитель по своим динамическим параметрам для нашего случая. При этом должно выполнятся условие, максимальная частота пропускания операуионного усилителя должна быть больше или равна частоте сигнала подаваемого на вход усилителя.

Условие нормального функционирования усилителя

Расчитывается максимальная частота пропускания гармонического сигнала усилителем

Исходя из полученных расчётов условие выполняется, следовательно усилитель по динамическим параметрам подходит.

Погрешность вносимая усилителем



Ё

Погрешность от смещеия нуля

Ё

Погрешность от изменения входного тока

Ё

Приведённая относительная погрешность, вызванная дрейфом напряжения смещения нуля

Ё

Погрешность вызванная дрейфом разности входных токов с изменением температуры



Полная погрешность вносимая усилителем

Для коммутации аналоговых сигналов применяется АК - К590КН19. Основные технические характеристики АК

прямое входное сопротивление rпр=100Ом;

ток утечки входной Iут.вх.=50*10-9А;

ток утечки выходной Iут.вых.=70*10-9А;

полное время переключения tпер=100*10-9С.

Погрешность вносимая аналоговым коммутатором

где КП-коэффициент передачи;

Пусть

Суммарная погрешность вносимая аналоговым коммутатором, усилителем и АЦП

Расчётная величина полной погрешности меньше заданной величины.

В качестве ЦАП применяется 10ти разрядный умножающий цифро - аналоговый преобразователь. Предназначенный для преобразования 10 - разрядного прямого параллельного двоичного кода на цифровых входах в напряжение на аналоовом выходе, который пропорционален значениям кода и опорного напряжения. ЦАП включён по схеме с операционным усилителем. Тип К572ПА1А.

Основные технические параметры ЦАП

номинальное напряжение питания Uпит=15В;

дифференциальная нелинейность от полной шкалы -0,1…+0,1%ПШ;

абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы -30…+30%ПШ;

время установления выходного тока (менее) 5мкс;

выходной ток менее 2мА.

Должно выполнятся условие. При нулевом коде (N=0) на выходе должно быть 0В. При единичном коде (N=210) на выходе должно быть - 5В.

Расчёт образцового напряжения.

Источник образцового напряжения представляет собой простейший парамтрический стабилизатор.

Условия для расчёта параметрического стабилизатора

входное напряжение Eп =15 В;

ток стабилизации стабилитрона Iст =10*10-3 А;

ток потребляемый ЦАП Iн =0.5 *10-3 А;

напряжение стабилизации Uст = 9 В;



Расчитывается баластный резистор параметрического стабилизатора

Из стандартного ряда выбирается ближайшее значение этого сопротивления R1=300 Ом.

Расчитывается мощность рассеиваиваемая на баластном резисторе

Мощность баластного резистора принимается равной 0,125Вт

Ошибки вносимые источником опорного напряжения

Еп=15 В.

Из-за нестабильности Еп

где rдст.=18Ом - дифференциальное сопротивление стабитрона.

Из-за нестабильности температуры

Суммарная ошибка источника опорного напряжения

По току стабилизации и напряжению стабилизации из справочника выбирается стабилитрон КС191Т. Для уменьшения влияния пульсаций выходного напряжения параллельно стабилитрону подключим кондесатор ёмкостью 50мкФ.

Из-за того, что выходной ток ЦАП небольшой - применяется усилитель на базе операционного усилителя (ОУ). Расчитывается коэффициент усиления усилителя

В качестве операционного усилителя применяется К544УД1А с внутреннй частотной коррекцией, обеспечивающая устойчивую работу при любых режимах отрицательной обратной связи, обладает малой погрешностью, малым значением шумового тока.

Цепь из R6C3 подавляет высокочастотные переходные процессы и сглаживает «ступеньки» выходного напряжения.

R6=470Ом;

С3=100Пф.

Расчитывается гасящий резистор (на каждую линию R7 - R12) для задания «чёткого» уровня логического нуля и единицы - поступающих с двоичных датчиков в порт микроконтроллера (Р2.0 - Р2.5).

Из стандартного ряда выбираем ближайшее значение 240 Ом.

Рассчитывается мощность рассеиваемая на данном сопротивлении

Мощность резисторов принимается равной 0,125Вт.

Во избежания «дребезга контактов» параллельно ключу включается конденсатор (на каждой линии С4 - С9)ёмкостью 0,01мкФ. Также для уменьшения влияния «дребезга контактов» вводится программная задержка.

Начальное состояние микроконтроллера устанавливается при поступлении на вход RESET# низкого потенциала, который должен поддерживаться в течение не менее 16 периодов синхросигналов. Необходимое время обеспечивается при подключении конденсатора С1 ёмкостью 4.7 мкФ к выводу RESET#, который через внутренний резистор соединён с шиной питания.

Синхронизация микроконтроллера обеспечивается с помощью внутреннего генератора тактовых импульсов, который функционирует при подключении к выводам XTAL1, XTAL2 кварцевого генератора с резонансной частотой 25 МГц. При подключении кварцевого резонатора необходимо включение двух фильтрующих емкостей С15 и С16 ёмкостью 20 пФ.

Так как в микропроцессорном модуле используютсяустройства с различными значениями питающего напряжения то источник питания должен выдавать три напряжения

Для питания интегральных микросхем - +5 В ? 5%

Для питания операционного усилителя - +15 В ? 5%

-15 В 5%

Ток потребляемый всеми цифровыми элементами модуля МК сотавляет 600мА. По данному значению тока расчитывается мощность источника питания модуля МК на напряжение +5В, , с учётом коэффициента запаса по мощности

Источник питания цифровых микросхем должен быть не менее 6Вт.

Ток потребляемый операционными усилителями, параметрическим стабилизатором и АК составляет 50мА. По данному значению тока расчитывается мощность источника питания модуля МК на напряжение +15В, с учётом коэффициента запаса по мощности

Источник питания на +15В, -15В должен быть не менее 1,5Вт.

Для фильтрации питания используем фильтрующие электролитические конденсаторы C36 - C38=50 мкф.

Для фильтрации питания микросхем от высокочастотных помех используем дополнительно неэлектролитические конденсаторы С17..С35 = 0,047 мкФ.

Для соглосования уровня (ТТЛ) блока последовательного обмена микроконтроллера с уровнем (КМОП) блока последовательного обмена внешнего устроуства применяется микросхема (D3) - преобразователь уровня RS-232.

Принципиальная схема модуля МК изображена в Приложении 3.

Фрагмента управляющей программы модуля МК

Фрагмент управляющей программы, формирование командного сигнала.

P1_MOD equ 1FD0:byte ;Регистр режима порта 1

P1_DIR equ 1FD1:byte ;Регистр направления порта 1

P1_REG equ 1FD2:byte ;Регистр вывода и ;маскировки ввода порта 1

P1_PIN equ 1FD3:byte ;Регистр данных для ввода ;порта 1

P4_MOD equ 1FDC:byte ;Регистр режима порта 4

P4_DIR equ 1FDD:byte ;Регистр направления порта 4

P4_REG equ 1FDE:byte ;Регистр вывода и ;маскировки ввода порта 4

P4_PIN equ 1FDF:byte ;Регистр данных для ввода ;порта 4

;------------------------------------------------------

LDB P1_MOD,#00000000b ;Для стандартного || обмена

LDB P1_DIR,#00000000b ;Использовать для вывода

ELDB P1_REG,[ТМР] ;Выводимый байт

LDB P4_MOD,#00b ;Для стандартного || обмена

LDB P4_DIR,#00b ;Использовать для вывода

ELDB P4_REG,[ТМР+1];Выводимый байт



Выводы

Разработанный модуль микроконтроллера локальной системы сбора данных и управления полностью удовлетворяет заданию.

Модуль имеет возможность собирать данные: 4 - аналоговых сигнала , 6 сигналов с двоичных датчиков (типа сухой контакт).

По собранной информации микропроцессорный модуль вырабатывает аналоговый командный сигнал который подаётся на внешнее управляемое устройство.



Литература

1. Козаченко В.Ф. Микроконтроллеры. Руководство по применению 16 разрядных микроконтроллеров Intel MSC - 196/296 во встроенных СУ.-М.: ЭКОМ, 1997.

2. Бродин В.Б., Шагурин М.И. Микроконтроллеры. Архитектура, программирование, интерфейсы.-М.: ЭКОМ, 1999.

3. Якубовский С.В., Ниссельсян Л.И., Кулешёв В.И. и др., под ред. Якубовского С.В..-М.: Радио и связь, 1990.

4. Нефёдов А.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги. Справочник.-М.: Радиософт, 1999.

5. Новиков Ю.В. Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM PC.-М.:Эконом., 1998.

6. Сташин В.В., Урусов А.В., Мологонцева О.Ф. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах.-М.:Эконом., 1990.

7. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника.-М.:Радио и связь , 1990.

8. Чернышова А.А. Диоды и Тиристоры.Справочник.-М.:Энергия, 1976.

9. Алексеева И.Н. В помощь радиолюбителю. Выпуск 109. Резисторы и конденсаторы.Справочник.-М.:Патриот, 1991.

10. Пашин В.А. Микросхемы типа ТТЛ, ТТЛШ.-М.:Радио и связь, 1989.

Размещено на Allbest.ru

...