Разработка устройства регистрации сигналов с датчиков
Нижегородский Государственный Технический Университет
Дисциплина «Аппаратно-программное обеспечение ВС»
Курсовой проект
Разработка устройства регистрации
Сигналов с датчиков
Выполнил: ст. гр. 95-В-3 Межевой С.В.
Проверил : Саладаев Е.Н.
Нижний Новгород, 1999
Содержание
Дисциплина «Аппаратно-программное обеспечение ВС» 1
Величина сигнала датчика 4
Поведенческая модель устройства. 5
6.1. Основная блок-схема программы 14
6.2. Формат данных 15
6.2.1. Управляющее слово 15
6.3. Инициализация блоков микроконтроллера 16
6.4. Инициализация АЦП 18
6.5. Основная часть программы 19
6.6. Передача данных в ЭВМ 20
1. Техническое задание.
· Разработать устройство регистрации сигналов (УРС) с датчиков. в соответствии с заданием на курсовую работу. Проект должен закончиться принципиальной схемой УРС, описанием работы схемы, перечнем элементов.
· УРС – система реального времени, которое представляет собой периферийное устройство для ЭВМ. Оно должно снимать информацию с пьезодатчиков ускорения (ПДУ) и передавать ее в ЭВМ.
Остальные параметры устройства:
| Тип датчика | ПДУ |
| Контролируемый параметр | Скорость |
| Величина сигнала датчика | 0,4В |
| Импеданс датчика | 1,5 нФ |
| Диапазон частот сигнала датчика | 2 Гц-2 кГц |
| Количество сигналов | 16 |
| Количество диапазонов | 8 |
| Уровней контроля | 128 |
| Температурный диапазон эксплуатации | -100 – +400С |
| Допустимая погрешность | 2 % |
| Расстояние до компьютера | 20 м |
| Интерфейс | RS-232 |
Декомпозиция на функциональные узлы.
Общая структура устройства.
Аналоговая часть проектируемого устройства
К аналоговой части проектируемого устройства относятся пьезо-датчики ускорения, измерительные преобразователи, коммутатор и АЦП.
В состав ИП входят:
· усилитель заряда (УЗ), для для усиления сигнала с выхода высокоимпедансных датчиков
· масштабный усилитель (МУ). МУ должен иметь восемь коэффициентов усиления для восьми диапазонов
· интегрирующий усилитель (ИУ)
· аналоговый коммутатор для переключения диапазонов и регистр состояния диапазонов.
Поскольку существует немало микросхем АЦП, которые имееют несколько аналоговых входов и осуществляют переключение между ними, то можно подключить сразу несколько ИП к одному АЦП. Исходя из ТЗ и главным образом из задачи макимально возможной аппаратной минимизации возможно использовать два 8-ми разрядных АЦП, к которым будет подключено по 8 ИП.
Устройство управления
Для того, чтобы выделить узлы УУ, опишем работу УРС. От пользователя поступает команда «Начать», которой является управляющее слово, задающее диапазон и уровень контроля. После этой команды, которая передается устройству управления через ИМ, УУ запускает все блоки УРС. В регистре состояния запоминается диапазон (1-8). Сигналы с датчиков подаются на входы ИП. На входы АЦП попадает отфильтрованный, отмасштабированный, проинтегрированный сигнал. Внутри АЦП производится поочередный выбор входов (каждому датчику соответствует свой вход АЦП) и идет преобразование аналоговой величины в цифровую. С выхода АЦП цифровая величина попадает в блок сравнения. УУ формирует на входе УС код, соответствующий пороговому уровню текущего канала В нем сравнивается это измерение с уровнем контроля, и, в зависимости от результата, передает байт соответствия контрольному уровню через ИМ по каналу связи в ЭВМ. Работа, как уже упоминалось, начинается и заканчивается по командам пользователя: команда окончания работы попадает в ИМ, который передает ее УУ.
В итоге в устройстве управления можно выделить три блока:
· блок установки и сравнения уровня контроля управляющий работой УС
· блок управления выбором диапазона
· блок запуска и окончания работы УРС
Выбор АЦП
Ядром аналоговой части является АЦП. Выделим требования, предъявляемые к АЦП:
· Как уже говорилось, АЦП должен иметь 8 аналоговых входа с внутренним переключением.
· Погрешность преобразования должна составлять не более 10% полной погрешности устройства, заданной на уровне 2%, т.е. 0,2%.
· АЦП должен преобразовывать биполярный входной сигнал.
· АЦП должен иметь малую дифференциальную нелинейность и небольшую абсолютную погрешность полной шкалы.
Т.к. мы решили УУ и блок УС реализовать на микропроцессоре, то удобнее всего использовать МП имеющий встроенное АЦП. Всем перечисленным требованиям удовлетворяет микроконтроллер MC68HC16Z3 (его характеристики см. в Приложении №1). Однако данный микроконтроллер имеет лишь один АЦП. Поэтому необходим еще один внешний АЦП. По характеристикам подходит К572ПВ4. Данный восьмиразрядный АЦП имеет 64бит (8х8) статическое ОЗУ для хранения результатов преобразования. Характеристики микросхемы при температуре 25± 10°С:
| Интегральная нелинейность | -0.5…+0.5 EMP |
| Изменение интегральной нелинейности от температуры | 10-3 ЕМР/°С |
| Дифференциальная нелинейность | -0.5…+0.5 EMP |
| Изменение дифферинциальной нелинейности от температуры | 10-3 ЕМР/°С |
| Абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы | -1…+1 ЕМР |
| Время преобразования | < 30 мкс на частоте 1,6МГц |
| Диапазон входных сигналов | –2.5…+2.5В |
| Напряжение смещения нуля на входе | -30…+30мВ |
| Изменение смещения нуля от температуры | не более 6мкВ/°С |
| Напряжение источника питания | 4.5…6.5В |
| Опорное наряжение | -2.5…2.5В |
| Потребляемый ток | 400мкА. |
Интерфейс передачи данных.
На выбор способа передачи влияют в основном два фактора. Это необходимая дальность и скорость передачи. Дальность определена в задании – 20м. Тогда как скорость передачи выбирается нами по собственному усмотрению. Так как 20м – это расстояние на 5м превышающее предельно допустимую дистанцию соединения ПЭВМ напрямую через COM порты, необходимо выбрать другой способ передачи нежели стандартный. Наиболее простой и то же время легко реализуемый – это интерфейс радиальный последовательный (ИРПС) , который осуществляет к тому же гальваническую развязку компьютера от объекта управления (см РИС 6.).
РИС 6.
Реализацию интерфейса облегчает наличие серийно выпускаемых микросхем гальванической развязки. Это микросхемы АОТ 127 и 249ЛП1. Рассчитаем параметры “навесных” элементов:
Ток передачи рассчитывается как:
,
где U=5B
Ck = L*100пФ/м - емкость кабеля (L - длина линии связи). При расстоянии 20м: Ck=20м*100пФ/м=2нФ.
Длительность фронта t=T/10, где T длительность импульса.
При скорости передачи в 19200 бит/сек: T=1/19200=52мкс,
тогда t=52мкс/10=5.2мкс. Рассчитаем Iтп:
Наиболее близким стандартным значением
тока в интерфейсе ИРПС является Iтп=20мА.
Выберем R1=200 Ом
Далее, для того чтобы транзистор не вошел в насыщение R3 должен быть R3кбо
Iкбо»0,1мА, тогда R3кбо=0.1В/0.1мА=1кОм. Возьмем R3=500Ом
Е2 = 5В. Тогда R4=E2/Iтп=5В/20мА=250 Ом.
E2=UR4+UR5+UD4.
I2=10мА, UD4=1.5В.
E2=I2*R5+I2*R4+UD4, тогда R5=(E2-I2*R4-UD4)/I2,
R5=(5В-10мА*250Ом-1.5В)/10мА=100Ом.
R2=UR2/I1. I1=10мА.
UR2=E1-(0.5+UD), UD=1.5B. E1 возьмем 5В, тогда
UR2=5-(0.5+1.5)=3B. Тогда R2=3.1B/10мА=300 Ом.
Последовательный порт QSM
Для передачи данных мы будем использовать асинхронный последовательный порт (АПП). Как только мы получим управляющее слово, это будет для нас сигналом пользователя о начале работы. Когда пользователю вздумается завершить работу, он пошлет пакет со всеми единицами во время передачи данных от УРС в ЭВМ, когда связь ЭВМ®УРС запрещена. В АПП микроконтроллера установится флаг прекращения обмена ТС и выполнится программное прерывание, прекращающее работу устройства.
Управление портом производится с помощью регистров SCCR0, SCCR1, SCSR, а данные считываются из SCDR. Нам нужно обеспечить следующие характеристики передачи:
1. Передача производится на скорости 19.2 Кбит/с. В регистр SCCR0 при этом записывается период следования синхроимпульсов (один синхроимпульс – один бит) Tt = 32´Ks/Ft в виде коэффициента Ks. Частота Ft =25,17МГц, тогда Ks будет равно 41.
2. Разрешаются прерывания при поступлении сигнала прекращения обмена
3. Устанавливается контроль четности
4. Размерность данных – 8 бит
5. Активизация приемника, находящегося в режиме холостого хода, при поступлении управляющего слова.
После записи информации в регистры, приемник автоматически переводится в режим «холостого хода» и ждет команды пользователя.
Программирование УРС.
Формат данных
Назовем данные, которые будем передавать в ЭВМ – кадром. Так как очередь у нас общая, а в ЭВМ необходимо установить принадлежность данных к конкретному каналу, то в кадре должен присутствовать номер канала. Мы имеем шестнадцать каналов, поэтому потребуется четыре бита Так как интерфейс передачи - RS232C, то за один сеанс связи мы можем передать максимум 8 бит информации.
Управляющее слово
Д 
ля запуска УРС необходимо передать выбранный диапазон и код уровня контроля для каждого канала, поэтому управляющее слово имеет следующий формат:
Первые четыре бита NC задают номер канала (1-16).
Три остальных бита из четырех задают диапазон от 1-8, при 8 обеспечивается максимальная точность.
| Диапазон | Sw1 | Sw2 | Sw3 |
| 1 | 0 | 0 | 0 |
| 2 | 0 | 0 | 1 |
| 3 | 0 | 1 | 0 |
| 4 | 0 | 1 | 1 |
| 5 | 1 | 0 | 0 |
| 6 | 1 | 0 | 1 |
| 7 | 1 | 1 | 0 |
| 8 | 1 | 1 | 1 |
Семь из восьми бит отводится под указание кода контроля. В следующей таблице приведено соответствие кода СС уровню контроля.
| Уровень | СС1 | СС2 | СС3 | СС4 | СС5 | СС6 | СС7 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 3 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 4 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 5 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 6 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| … | … | … | … | … | … | … | … |
| 128 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
Так как интерфейс передачи - RS232C, то за один сеанс связи мы можем передать максимум 8 бит информации, поэтому передача слова должна производиться в два этапа. Сначала передаем диапазон (четыре младших бита лучше нули), а затем необходимый уровень контроля (один младший бит ноль).
Инициализация АЦП
П 
осле того, как пришла команда от пользователя и произведена установка диапазонов, начинается инициализация двух АЦП. Считывание цифровой информации с СОЗУ внешнего АЦП осуществляется при подаче на на вход CS сигнала логический 0. При этом адрес выбора канала определяется в соответствии с значением цифрового кода, записанного в адресные шины А0-А2. При высоком уровне ALE, адрес сначала поступает в регистр адреса, а затем фиксируется низким уровнем ALE. Для подключения памяти данного АЦП и работы с ней нам необходимо выработать сигналы выборки кристалла CS. Блок формирования вырабатывает сигналы CS, для периферийных устройств автоматически, когда мы обращаемся по адресу из адресного пространства, закрепленного за ПУ. Мы имеем СОЗУ размером 64бита. В качестве сигнала выборки кристалла у нас выступает CSBOOT. Далее следует блок схема инициализации:
Частота на которой работает внешний АЦП равна 1,6 Мгц. На вход CLK поступает синхроимпульсы с выхода ECLK, частота работы которого равна Ft/16. Скорость преобразования при этом не более 30 мкс. Что касательно внутреннего АЦП, то он работает на частоте Ft/48, равной 0,5 Мгц. И скорость преобразования АЦП микроконтроллера также 30 мкс. Далее следует диаграмма работы внутреннего АЦП:
З 
десь видно количество циклов за которое идет 8 битное преобразование. Сначала идет время инициации, которое у нас равно 16 циклам ADC, потом время перевода и резолюции. Всего для преобразования в нашем АЦП потребуется 29 циклов.
Основная часть программы
После инициализации выполняется основная часть программы. Она достаточно подробно изображена на блок-схеме и в Приложении №5. Немного поясним ее. АЦП сразу после инициализации начинает считывать и преобразовывать данные последовательно с каждого канала, результат записывает в регистры RJURR0-7 (см. Приложение №4). Модуль ADC не вырабатывает запроса прерывания, поэтому контроль за его работой осуществляется путем программного опроса или с помощью периодического прерывания. При этом процессор считывает и анализирует содержимое регистра состояния ADSTAT, биты которого имеют следующее назначение:
S 
CF — признак, который принимает значение SCF = 1 после окончания цикла преобразования;
CCTR — поле, указывает номер регистра LJURR0-7, в котором будет располагаться результат следующего преобразования;
CCF0-7 — поле, i-й бит которого принимает значение CCFi = 1 после записи результата преобразования в регистр LJURRi; после считывания этого регистра устанавливается значение CCFi = 0.
После анализа регистра ADSTAT результат из ADRi считывается в промежуточный регистр D. Затем, согласно блок-схеме, сравнивается уровень для данного канала и, даллее происходит передача полученной информации в ЭВМ.
Передача данных в ЭВМ
Подпрограмма обслуживания прерывания от последовательного порта, когда пользователь решит закончить работу, в регистре ADCMR бит STOP=1 и передает управление на начало этой программы. То есть заново пройдет инициализация, и устройство будет ждать команды о начале работы.
6. Временные диаграммы
Н 
иже представлены временные диаграммы устройства.
Время реакции на команду пользователя t1 определяется временем ее передачи по каналу связи и временем выполнения подпрограммы обработки прерывания внутри микроконтроллера, которое инициируется командой пользователя. Подпрограмма состоит из одной команды безусловного перехода на основную программу. Поэтому время t1 примерно равно половине микросекунды, времени выполнения команды перехода, так как время физической передачи по каналу пренебрежительно мало. Время t2 определяется временем инициализации АЦП – также одна команда записи в регистр, следовательно, t2 приблизительно равно четверти микросекунды. Таким образом, время задержки от прихода команды пользователя до начала преобразования – три четверти микросекунды.
Цикл преобразования обоих АЦП составляет 30 мкс (частота 0,5 МГц и 1,6 МГц). За это время успеют преобразоваться сигналы со всех шестнадцати каналов, передаться измерения в ЭВМ, проанализироваться очередь. Соответственно, за это время можно передать более одного пакета с данными. Таким образом, цикл АЦП полностью определяет цикл работы нашей программы в целом. Сколько будет таких циклов, зависит от пользователя.
Литература.
1. И.И. Шагурин «Микропроцессоры и микроконтроллеры фирмы Motorola» Москва. «Радио и связь» 1998г.
2. «Сопряжение датчика и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC» ред. Томпкинса. 1992г.
3. Ю.В. Новиков, Щ.Ф. Калашников, С.Э. Гуляев «Разработка устройств сопряжения» Москва 1997г.
4. «Справочник по аналоговым и цифровым микросхемам» под ред. Якубовского
5. «Справочник по интегральным микросхемам» под ред. Тарабрина
6. M68HC16Z Series User’s Manual
7. Сайт компании Motorola www.mot-sps.com
8. Сайт компании Runet www.runet.ru
Разработка устройства регистрации сигналов с датчиков
Нижегородский Государственный Технический Университет
Дисциплина «Аппаратно-программное обеспечение ВС»
Курсовой проект
Разработка устройства регистрации
Сигналов с датчиков
Выполнил: ст. гр. 95-В-3 Межевой С.В.
Проверил : Саладаев Е.Н.
Нижний Новгород, 1999
Содержание
Дисциплина «Аппаратно-программное обеспечение ВС» 1
Величина сигнала датчика 4
Дата: 2019-05-29, просмотров: 166.
