Разработка микропроцессорного путевого трансмиттера кодовой автоблокировки

Рис. 9. Упрощённый алгоритм функционирования кодового путевого трансмиттера КПТШ - 5, 8

Рис. 10. Упрощённый алгоритм функционирования кодового путевого трансмиттера КПТШ - 7, 9

Рис. 11. Алгоритм подпрограммы задержки на 10мс

Основная проблема такого алгоритма функционирования заключается в том, что используется подпрограмма таймера на 10мс (временная задержка), которая при непрерывной работе даёт отклонение сигналов, так как идёт сложение времени самой подпрограммы задержки и времени основной программы (Рис. 11). Подсчитать универсальную задержку для всего цикла работы кодового путевого трансмиттера, которая бы не давала искажений в передаче сигналов, является задачей не осуществимой.

3.2.3.1.2 Разработка алгоритма работы формирователя кодов с дешифрирующим устройством с функциями проверки и разрешения на передачу кодов

На основании приведенных алгоритмов были разработаны программы для формирователей КПТШ-5 и КПТШ -7 и для дешифратора КПТШ5/7. Программы были написаны на языке Ассемблер, адаптированном для микроконтроллеров PIC. Программы снабжены необходимыми комментариями и приведены в предложении.

4. Разработка функциональной и принципиальной схемы устройства

Как известно, для того чтобы повысить надёжность устройства, нужно его продублировать и каждый его модуль сравнивать с эталонным значением. В нашем случае, габариты микроконтроллера позволяют не только продублировать, но и ввести блок проверки генерируемых сигналов. Стала задача синтеза дешифрирующего устройства, позволяющего определять работоспособность кодового путевого трансмиттера и выбирать, какой из двух модулей шифрации, в данный момент, является исправным. Так же этот блок дешифрации и проверки должен сигнализировать о работоспособности устройства обслуживающему его механику СЦБ и КИПа. Функциональная схема такого устройства представлена на рис. 13.

Рис. 13. Функциональная схема устройства с дублированным количеством формирователей (шифраторов) и блока дешифрации, и проверки

На рис. 13. показано:

· ГТИ1, ГТИ2, ГТИ3 - генераторы тактовых импульсов;

· 1ФИ, 2ФИ - формирователи импульсов кодового трансмиттера;

· ДШ - дешифратор с функцией проверки работоспособности шифраторов;

· БРП1,БРП2 - блок разрешение на передачу сигналов;

· БИ - блок индикации

· ПК - индикация «правильный код»

· О - индикация «ошибка»

4.1 Микропроцессорный блок

Кварцевый генератор. В режимах тактового генератора XT, LP и HS кварцевый или керамический резонатор подключается к выводам OSC1, OSC2. Для микроконтроллеров PICmicro нужно использовать резонаторы с параллельным резонансом. Использование резонаторов с последовательным резонансом может привести к получению тактовой частоты, не соответствующей параметрам резонатора.

Рис. 14. Подключение кварцевого/керамического резонатора

Сброс микропроцессора. В микроконтроллере 16Р84А есть вход сигнала сброса, MCLR . До тех пор, пока на этом входе удерживается низкий уровень, микроконтроллер находится в состоянии сброса. Как только на нем появляется высокий уровень сигнала, сразу же на-чинается выполнение программы. Если на этом выводе появляется низкий уровень во время работы программы, то выполнение программы сразу же прерывается, и микроконтроллер переходит в режим сброса.

Мы еще пока не рассмотрели вопрос о том, когда же все-таки следует разрешать запуск программы на выполнение. Момент подачи питания опасен для любой встроенной системы. Как источнику питания, так и тактовому генератору требуется определенное время для того, чтобы стабилизироваться, а в сложной системе подача энергии в разные части схемы может быть стабилизирована за разное время. Думаю, ни у кого не вызывает сомнения, что в данной ситуации необходимо соблюдать большую осторожность. Как же задержать начало выполнения программы до стабилизации питания?

Простой способ решения этой проблемы показан на рис. 15. Его можно применить для любого микроконтроллера с активным низким уровнем сигнала на входе Reset (Сброс). Если к входу сброса подключить резистивно-емкостную схему, то при подаче питания напряжение на конденсаторе возрастает согласно постоянной времени КС-цепи, которую можно сделать сколь угодно большой. Поскольку уровень сигнала нарастает сравнительно медленно, определенный промежуток времени на входе Reset (Сброс) будет логический 0. Таким образом микроконтроллер может удерживаться в режиме сброса, пока не стабилизируется его питание, и не будет готов к работе тактовый генератор. Простая внешняя схема сброса показана на рис. 15, а.

С этой схемой возникает проблема, если сначала отключить питание, а затем сразу же опять подать его (тяжелая ситуация для любого электронного прибора). В случае схемы, изображенной на рис. 15, а, конденсатор не имеет достаточно времени для разрядки, и при повторной подаче питания состояние сброса может оказаться некорректным. Что еще опаснее, напряжение на конденсаторе может превысить напряжение, подаваемое на микроконтроллер, в результате через конденсатор на вход Reset будет подан ток чрезмерной силы. Добавив простой разряжающий диод (рис. 15, б), мы гарантируем, что конденсатор будет разряжаться примерно с той же скоростью, что и скорость изменения напряжения питания V_DD.

a) б) с)

Рис. 15. Внешние схемы сброса -- общий вид микроконтроллера со входом Reset: а) -- сброс по подаче питания, самый простой вариант; б) -- сброс по подаче питания с разряжающим диодом и защитным резистором; с) -- кнопка сброса, нажимаемая пользователем

Также следует, для ограничения тока через вход Reset включить в схему резистор R_S -- на тот случай, если напряжение на конденсаторе значительно превышает уровень напряжения питания микроконтроллера, или возникает какой-либо другой сбой.

Если разработчик хочет задействовать кнопку сброса, то тогда нужно применить схему, изображенную на рис. 15, с. Она особенно удобна при применении макетных схем, для которых предполагается большое количество тестов. Кроме того, кнопка -- это очень удобный способ перезагрузки "зависшей" программы. В данном случае R -- это подтя-гивающий резистор, номинал которого следует выбирать в диапазоне 10-100 кОм. В промышленных изделиях кнопку сброса обычно не используют, поскольку ее функции должны быть скрыты от пользователя внутри самого устройства.

Одной из целей компании Мicrochip является минимизация количества внешних компонентов микроконтроллеров, что напрямую относится и к компонентам, изображенным на рис. 15. По этой причине микроконтроллер 16F84А содержит ряд сложных, встроенных на кристалл схем сброса, благодаря чему компоненты, изображенные на рис. 15, а и рис. 15, б, обычно излишни. Кроме того, на кристалле встроен таймер включения питания (PWRT). Микроконтроллер 16F84А определяет подачу питания, а таймер включения удерживает микроконтроллер фиксированное время в состоянии сброса. По истечении этого времени микроконтроллер выходит из состояния сброса и начинается выполнение программы. На практике, схема, показанная на рис. 15, б, применяется только в том случае, если напряжение питания возрастает очень медленно.

4.2 Электропитание устройства

Для питания кодового путевого трансмиттера, как сказано выше, применяются напряжения величиной 110 и 220В, частотой 50 Гц. Для обеспечения этих условий было решено использовать модуль питания, где в качестве первичного преобразователя выбран трансформатор, с выводами в первичной обмотке на 110 и 220В, так как он обладает достаточной долговечностью работы, являясь статическим элементом.

Для выпрямления переменного напряжения выбран стандартный диодный мост. В качестве фильтра низкой частоты выбран конденсатор с достаточно высокой ёмкостью (1000 мкФ), а для фильтрации импульсов высокой часто-ты конденсатор с малой ёмкостью (100 нФ). И для стабилизации выходного напряжения выбрана микросхема КР142ЕН5, которая на выходе обеспечивает стабильное напряжение величиной 5 В и поддерживающей ток нагрузки в 2А. принципиальная схема блока питания приведена на рис. 16.

Рис. 16. Принципиальная схема блока питания устройства.

Спецификация элементов приведена в таблице 2.

Таблица 2

4.3 Принципиальная схема устройства

4.3.1 Разработка принципиальной схемы формирователя кодов

Исходя из алгоритмов функционирования кодового шифратора, была составлена принципиальная схема, приведённая на рис. 17.

Рис. 17. Принципиальная схема формирователя кодов.

В качестве устройства формирователя кодов применён микроконтроллер PIC16F84A компании Microchip Technology Incorporated.. Кварцевый резона-тор Х1 обеспечивает стабильную выработку тактовых импульсов для работы микроконтроллера. Светодиоды Vd1-Vd3 обеспечивают индикацию поступления сигналов с микроконтроллера, по ним так же можно определить работоспособность самого устройства формирования кодов. Транзисторы Q1-Q3 служат для увязки микропроцессора с устройствами СЦБ, которые поддерживают нагрузку до 3А.

Спецификация элементов приведена в таблице 3

Таблица 3

4.3.2 Разработка принципиальной схемы формирователя кодов с дешифрирующим устройством с функциями проверки и разрешения на передачи кодов

При разработке устройства формирователя кодов была применена принципиальная схема показанная выше. В качестве дешифрирующего устройства так же применён микроконтроллер фирмы Microchip Technolo-gy Incorporated. PIC16F876A, а для блока разрешения на передачу логические элементы «И» (микросхема К155ЛИ1). Принципиальная схема Формирователя кодов с дешифрирующим устройством с функциями проверки и разрешения на передачу представлена на рис. 18. Спецификация элементов приведена в таблице 4.

Таблица 4

Рис. 18. Принципиальная схема формирователя кодов с дешифрирующим устройством с функциями проверки и разрешения на передачу.

4.3.3 Разработка принципиальной схемы формирователя кодов с дешифрирующим устройством с функциями проверки и разрешения на передачи кодов с добавлением принципиальной схемы гальванической развязки (увязки) устройств от устройства СЦБ

После разработки всех вышеприведённых принципиальных схем стала задача, более надёжно отделить микропроцессорное устройство от аппаратуры СЦБ, так как разрабатываемый формирователь кодов должен выдерживать один год непрерывной работы при нагрузке 150 мА и напряжении 12 В постоянного тока при температуре (20±5)°С без проверки и настройки. При попадании такого тока на выводы микроконтроллера, вызывает полный вы-ход из строя всего устройства формирования.

Для увязки микропроцессорного устройства с релейной системой применены оптроны. Практически распространение получили лишь оптроны, у которых имеется прямая оптическая связь от излучателя к фотоприемнику и, как правило, исключены все виды электрической связи между этими элементами. Такой прибор выполняет функцию элемента связи, в котором в то же время осуществлена электрическая (гальваническая) развязка входа и выхода.

Исходя из всех положительных свойств оптрона, он был выбран для гальванической развязки релейной системы и микроконтроллера. Принципиальная схема блока оптронной развязки формирователя кодов представ-лен на рис. 19., а на рис. 20 показана гальваническая развязка формирователя кодов с дешифрирующим устройством с функциями проверки и раз-решения на передачу где использован транзисторный оптрон 4N37. Спецификация элементов приведена в таблице 5.

Рис. 19. Принципиальная схема блока гальванической развязки формирователя кодов.

Таблица 5

Рис. 20. Принципиальная схема формирователя кодов с дешифрирующим устройством с функциями проверки и разрешения на передачи кодов с добавлением гальванической увязки устройств от устройства СЦБ.

4.4 Имитация работы микропроцессорного устройства в системе PROTEUS

4.4.1 Общие понятие о среде PROTEUS

Чтобы запустить ISIS, надо кликнить на кнопке Пуск и выберить Программы, Proteus 7 Professional, а затем ISIS 7 Professional.

Наибольший участок экрана называется окном редактирования (Editing Window) и действует как окно для черчения (здесь Мы размещаем и соединяете элементы схемы). Наименьший участок в левом верхнем углу экрана называется окном краткого обзора (Overview Window). Обычно окно предпросмотра используют, как и предполагает его название, для краткого обзора полного рисунка. Синий контейнер показывает границы текущей схемы, а зеленый - участок схемы, в настоящее время отображенный в окне редактирования. Однако, когда выбирается новый объект в переключателе объектов, окно краткого обзора используется для предварительного просмотра выбранного объекта (рис.21).

1 - окно редактирования 2 - переключатель объектов 3 - окно краткого обзора

Изменение вида, отображенного в окне редактирования, производится двумя операциями: настройка масштаба рисунка и настройка участка рисун-ка для отображения (панорамирование). Эти методы несколько пересекаются и обсуждены более подробно ниже:

Масштабирование. Есть несколько способов увеличить или уменьшить участок схемы:

Рис. 23. Принципиальная схема формирователя кодов с дешифрирующим устройством с функциями проверки и разрешения на передачи кодов с добавлением принципиальной схемы гальванической развязки (увязки) устройств от устройства СЦБ

а)

б)

Рис.24, а,б. Видимость кодов путового трансмиттера на мониторе оссцилографа в среде PROTEUS

4.5 Разработка печатной платы устройства

С помощью принципиальной схемы и после создания виртуальной модели в среде PROTEUS разрабатывается печатная плата устройства.. Для создании печатной платы использована среда Sprint-Layout-5.0. Печатная плата устройства приведена на рис.38.

Рис. 25 . Печатная плата устройства

Заключение

В данной магистерской диссертации произведен аналитический обзор существующих кодовых путевых трансмиттеров, его технические и электрические характеристики, а так же произведено описание алгоритмов работы и показаны технико-эксплуатационные нормы. Произведен анализ возможных вариантов реализации устройства с использованием микроконтроллеров семейства PIC-процессоров.

Разработаны алгоритмы функционирования микропроцессорного формирователя кодов с двумя видами измерения времени. На основе анализа возможных алгоритмов определен наиболее оптимальный, отличающийся отсутствием искажения сигналов в процессе формирования кодов. Так же разработан алгоритм функционирования формирователя кодов с дешифрирующим устройством с функциями проверки и разрешения на передачу кодов.

Приведены разработанные принципиальные схемы блока питания устройства, формирователя кодов и формирователя кодов с дешифрирующим устройством, а так же блок оптронной (гальванической) развязки. Для реализации устройства формирования кодов и дешифрирующего устройства был выбран микроконтроллеров компании PIC16F84A и PIC16F876A.

Список использованных источников

1. И.А.Каримов. Узбекистан на пороге XXI века. Угрозы безопасности: условия и гарантии прогресса. Ташкент. Ўзбекистон, 1997, с.220-230

2. Каримов И.А. Асосий вазифамиз - ватанимиз тара??иёти ва хал?имиз фаровонлигини янада юксалтиришдир/И.А.Каримов. - Т., «Ўзбекистон», 2010, 69 б.

3. Казаков А.А., Бубнов В.Д. и др., Системы интервального регулирования движения поездов - М.: «Транспорт», 1986 г., 77-79 с.

4. Казаков А.А., Бубнов В.Д. и др., Системы интервального регулирования движения поездов - М.: «Транспорт», 1986 г.,81-83 с.

5. Сороко, В.И. Аппаратура железнодорожной автоматики и телемехани-ки [Текст] : справ.: в 2 кн. - Изд. 3-е. / В.И. Сороко, В.А. Милюков. - М.: НПФ ”ПЛАНЕТА”, 2000. - Кн. 1. - 960 с.

6. Сороко, В.И. Аппаратура железнодорожной автоматики и телемехани-ки [Текст] : справ.: в 2 кн. - Изд. 3-е. / В.И. Сороко, Е.Н. Розенберг. - М.: НПФ ”ПЛАНЕТА”, 2000. - Кн. 2. - 1008 с.

7. Сороко, В.И. Аппаратура железнодорожной автоматики и телемехани-ки [Текст]: справ.: в 2 т. / В.И. Сороко, Б.А. Разумовский. - М.: Транспорт, 1981. - Т. 1. - 399 с.

8. Дмитриев, В.С. Основы железнодорожной автоматики и телемеханики [Текст] / В.С. Дмитриев. - М.: Транспорт, - 1982. - 269 с.

9. Сороко, В.И. Реле железнодорожной автоматики и телемеханики [Текст]: справ.: / В.И. Сороко. - М.: НПФ ”ПЛАНЕТА”, 2002. - 696 с.

10. Хилинский В.Н. Учимся программировать PIC на языке PicBasicPro.

Уфа 2007.

11. Справочник по среднему семейству микроконтроллеров PIC micro^TM . Раздел 29. Система команд., М.: «Микро-чип»,2002.

Размещено на Allbest.ru