Микроконтроллеры

Содержание

Содержание

1 Техническое задание

2 Структурная схема микропроцессорной системы управления

3 Блок чтения информации с датчиков

4 Блок вывода управляющих сигналов

5 Блок последовательного канала связи

6 Пульт управления

7 Общий алгоритм управления

8 Алгоритм работы блока чтения информации с цифровых датчиков

9 Алгоритм работы блока чтения информации с аналоговых датчиков

10 Алгоритм работы блока обмена информацией по последовательному каналу связи

11 Алгоритм работы блока взаимодействия с оператором

12 Алгоритмы обработки аварийных ситуаций

13 Расчет электрических параметров микропроцессорной системы управления

14 Разработка блока питания

Приложение А Схема электрическая принципиальная микропроцессорной системы управления

Приложение Б Листинг управляющей программы

1 Техническое задание

Обработка цифровой информации

Микропроцессорная система опрашивает двоичные датчики Х1-Х5, Х8, вычисляет значение функции Y1=.

При единичном значении функции система вырабатывает выходной сигнал Y1 = 1 длительностью 262 мкс.

В системе имеется также двоичный датчик аварийной ситуации X0, единичный сигнал с которого должен вызывать аварийный останов системы в любой момент времени.

Обработка аналоговой информации

Сигналы с аналоговых датчиков V1, V2 преобразуются в цифровую форму в АЦП. С выхода АЦП 8-разрядные коды N1 и N2, представляющие собой целые числа без знака, поступают на обработку. Величина К — 8-разрядный код уставки, поступающий от оператора. Далее система вычисляет функцию N=max(N1+N2;K). Полученное значение функции сравнивается с константой Q, хранящейся во внутренней памяти.

Если N меньше Q, то система выводит двоичный управляющий сигнал Y2 длительностью 143 мкс.  Если N больше Q, то система выводит двоичный управляющий сигнал Y3 длительностью 394 мкс.

Управляющее воздействие Y4 формируется в виде аналогового сигнала V4 и с выхода ЦАП и поступает на исполнительный механизм. Значение Y4 определяется как восьмиразрядное двоичное число по формуле

Y4=A0+A1*N2,

где А0 и А1 — 8-разрядные коэффициенты, хранящиеся во внутренней памяти микроконтроллера;

N2 — 8-разрядный код, поступающий с выхода АЦП.

Исходные величины, поступающие с АЦП, меньше единицы и представляются двоичным числом с фиксированной запятой.

Если после умножения значение Y4 превышает 8 разрядов, но необходимо принимать значение Y4 равное младшему байту.

Обработка запросов на прерывания

Система обрабатывает пять запросов на прерывание:

–     запрос на прерывание по сигналу отказа источника питания IRQ0;

–     запрос на прерывание по сигналу аварийного датчика IRQ1;

–     запрос на прерывание от терминала внешней ЭВМ IRQ2;

–     запрос на прерывание от таймера IRQ3;

–     запрос на прерывание от пульта управления IRQ4.

Прерывание работы системы при отказе источника питания имеет высший приоритет. Система при этом переходит на резервный источник питания (батарейка), вырабатывает сигнал Y5 установки внешних устройств в исходное состояние и передает в последовательный канал связи (если он был активен) код символа «!». Сигнал Y5 представляет собой два прямоугольных импульса длительностью 30 мкс, следующие с интервалом 30 мкс. После выполнения указанных действий микроконтроллер необходимо перевести в режим пониженного энергопотребления.

Прерывание сигнала аварийного датчика включает на пульте управления аварийную сигнализаци(световую с частотой 2 Гц) и обеспечивают выдачу на индикацию сигналов двоичных датчиков Х1 —Х5 и цифрового кода N1. После этого микроконтроллер необходимо перевести в режим пониженного энергопотребления.

Прерывания от терминала внешней ЭВМ осуществляются при приеме последовательным каналом связи символа управления обменом.

Приемник последовательного адаптера выставляет при этом запрос на прерывание работы основной программы с целью передачи в последовательный канал связи запрашиваемой информации. Запрашиваемая информация формируется в зависимости от принятого из канала символа. При приеме символа «D» в канал передается значение Y1, при приеме символа А - значение Y4. После загрузки в буфер передатчика последовательного адаптера запрашиваемой информации управление передается в прерванную программу.

Прерывание от пульта управления влечет за собой выполнение следующих действий:

–     выдать на регистр индикации РИ1 значения следующих четырех булевых переменных: Y1; результат сравнения N>Q; значение выражения ; значение выражения ;

–     выдать на регистр индикации РИ2 значение сохраняемой во внутренней памяти константы Q;

–     организовать выход из прерывания на начало программы обработки.

Пульт управления

Пульт управления должен содержать следующие элементы:

–     устройство индикации;

–     входной 8-разрядный регистр для приема с тумблеров пульта кода К;

–     светодиод аварийной сигнализации, на который подается меандр с частотой 2 Гц;

–     кнопку «Сброс», при нажатии на которую производится начальная установка элементов системы;

–     тумблер «Останов», опрашиваемый в конце каждого цикла выполнения программы.

2 Структурная схема микропроцессорной системы управления

Структурная схема микропроцессорной системы управления представлена на рисунке 1.

Входными сигналами для системы являются:

–     сигналы бинарных датчиков X1-Х5,Х8;

–     сигналы аналоговых датчиков V1-V2.

Выходными управляющими сигналами для системы являются:

–     цифровые сигналы Y1-Y3, Y5;

–     аналоговый сигнал V4, формируемый ЦАП из кода Y4.

Рисунок 1 — Структурная схема микропроцессорной системы управления

В качестве микроконтроллера выбрана микросхема AT89С51IС2 со следующими характеристиками:

–     ядро MCS-51;

–     четыре 8-разрядных цифровых порта ввода-вывода;

–     2 отдельных вывода встроенного порта шины I2С, скорость передачи до 400 Кбит/с;

–     256 байт памяти данных;

–     10 источников прерываний с 4-мя уровнями приоритета;

–     встроенная система отладки программы на чипе;

–     тактовая частота до 60 МГц;

–     32 Кбайта встроенной флэш-памяти с ресурсом 100 тысяч циклов записи;

–     дополнительные 1024 Кбайта расширенной памяти данных, доступные с помощью специальных команд;

–     порт клавиатуры, совмещенный с портом 1, каждая линия которого может генерировать низкоприоритетное прерывание;

–     встроенный порт SPI;

–     встроенный в чип резонатор с частотой 32 КГц;

–     5-канальный программируемый счетный массив;

–     полнодуплексный УАПП;

–     специальный регистр для задания скорости передачи УАПП;

–     встроенный охранный таймер;

–     напряжение питания от плюс 2,7 до плюс 5 В;

–     маскимальный ток потребления — 8 мА при напряжении питания плюс 5 В;

–     коммерческий (от 0 до 70°С ) и промышленный (от минус 40 до плюс 85°С) температурные диапазоны;

–     корпуса PLC44 или VQFP44.

Микроконтроллер является центральным блоком системы управления. Он обрабатывает входные сигналы с бинарных датчиков, сигналы прерывания, вырабатывает цифровые управляющие сигналы, сигналы управления периферийными устройствами.

Т.к. микроконтроллер имеет только два входа для внешних прерываний, то два из трёх таких прерываний (IRQ1, IRQ4) будут обрабатываться с использованием линий порта 3.

Блок чтения информации с датчиков предназначен для согласования уровней сигналов датчиков с уровнями ТТЛ и ввода этих сигналов в микроконтроллер. Для этого используются схемы согласования и АЦП.

Блок вывода управляющих сигналов предназначен для вывода цифровых сигналов управления Y1-Y3, Y5. Для вывода аналогового управляющего сигнала V4 в схеме блока присутствует ЦАП.

Пульт управления служит для управления системой. Он содержит блок тумблеров для задания кода уставки, схему индикации, аварийную сигнализацию и тумблер «Останов».

Блок канала с последовательным доступом состоит из микросхемы преобразователя уровней и разъёма.

3 Блок чтения информации с датчиков

Согласно задания нижний уровень входного сигнала составляет плюс 60 В, верхний — плюс 42 В. Чтобы МК мог принимать информацию с датчиков, необходимо преобразовать эти уровни в уровни ТТЛ.

Схема согласования с бинарным датчиком представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 — Схема согласования с бинарным датчиком

Для корректной обработки цифровых входных сигналов воспользуемся схемой сопряжения, выполненной на оптронах. На выходе цифровые сигналы также требуется преобразовать в заданный формат, и для этой цели воспользуемся транзисторным оптроном АОТ101АС. На рисунке 2 изображена схема сопряжения для входных цифровых сигналов.

Формула расчета сопротивления резистора R2:

;

где Uпр – прямое падение напряжения на светодиоде оптрона при прямом токе Iпр. Для оптрона АОТ101АС Uпр = 1,6 В при Iпр.= 5 мА. – напряжение стабилизации стабилитрона. Произведя вычисления получим R2=8,68 кОм. Такого номинала нет в ряду Е24. Примем номинал R2 равным 8,2 кОм.

Учитывая, что все входные схемы сопряжения имеют одинаковую структуру, резисторы остальных входных схем сопряжения будут соответственно равны написанным выше.

Резистор R3 используется для ограничения тока в цепи и равнен 2кОм. Учитывая, что входные схемы сопряжения одинаковы, следовательно, и номиналы резисторов равны.

В качестве операционных усилителей возьмем  ОУ AD 202 имеющих гальваническую развязку входа и выхода

Для согласования аналоговых сигналов с АЦП используем инвертирующий сумматор напряжений:

Рисунок 5 – Схема инвертирующего сумматора с гальванической развязкой

расчет сопротивлений резисторов:

;

;   

Принимаем R2=470 Ом

R4=1/3,404=0.293 кОм.  Принимаем R4=0,3 кОм

Где Uпит – напряжение источника питания, подключаемого к резистору R2.

Это напряжение выбирается следующим образом:

Если Uвхmin > 0 В, то Uпит = -7,5 В (резистор R2 соединяется с выводом 5 ОУ (-Viss));

Преобразование входных аналоговых сигналов V1 и V2 в цифровую форму производится с помощью АЦП.

Характеристики АЦП AD7999:

–          встроенный 4-канальный аналоговый коммутатор;

–          использование напряжения питания в качестве опорного напряжения;

–          возможность использовать внешний источник опорного напряжения;

–          скорость преобразования — 100 тыс. отсчетов в секунду при скорости обмена по шине I2C 400 Кбит/с;

–          однополярное питание;

–          низкая цена.

АЦП имеет 4 аналоговых входа, 2 вывода шины I2С, выводы питания и земли. Назначение выводов АЦП дано в таблице 1.

Таблица 1 — Назначение выводов АЦП AD7999