Цифровой частотомер

1. Специальные регистры  предназначены для хранения информации  о состоянии аппаратных блоков микроконтроллера, а так же для управления функционированием этих блоков путем изменения содержимого этих конфигурационных регистров. К специальным регистрам относят: регистр счетчика команд, регистр таймера, регистры конфигурации портов ввода-вывода, регистры для работы с EEPROM-памятью, регистры, используемые для косвенной адресации, а так же регистры для управления обработкой прерываний.

2. Регистр общего назначения микроконтроллера PIC16F84 представляет собой набор скоростных регистров (68 * 8 бит). Данные в регистровый файл могут поступить по следующим путям:

• из регистра инструкций через мультиплексор MUX1;
• от АЛУ;
• из памяти данных;
• из портов ввода/вывода и других периферийных устройств.

Регистры общего назначения представляют собой пользовательскую память данных (ОЗУ), которая служит для хранения операндов, промежуточных данных и результатов выполнения.

3. Встроенная EEPROM память выполнена по FLASH - технологии и представляет собой массив 64*8бит.  Для осуществления доступа к EEPROM памяти существует 4 специализированных регистра:

• EEDATA - регистр данных, куда помещаются данные при чтении/записи;
• EECON1, EECON2 - конфигурационные регистры для установки требуемого режима работы с EEPROM;
• EEADR - регистр адреса, определяющий адрес ячейки в EEPROM памяти, используется только 7 младших бит.

Обычно EEPROM память предназначена для хранения констант и инициализационных данных, которые надежно хранятся даже при отключенном питании, а содержимое EEPROM может быть изменено даже после записи программы в микроконтроллер, не требую перепрограммирования всего микроконтроллера.

Характеристики PIC16F84 позволяют использовать данный микроконтроллер как в любительских устройства, так и в профессиональных микроконтроллерных устройствах.

 

Таблица 2.1 - Электрическая  характеристика микроконтроллеров PIC16F84

Температурный диапазон эксплуатации	-55°С … +125°С
Температурный диапазон сохранения данных	-65°С … +150°С
Напряжение Vdd относительно Vss	-0.3 … +7.5В
Напряжение CMLR относительно Vss	-0.3 … +14В
Напряжение на всех выводах (кроме Vdd и CMLR)	-0.6В
Общее потребление электроэнергии	800мВт
Максимальный выходной ток на Vss	150мА
Максимальный входной ток с Vdd	100мА
Максимальный ток, входящий в PORTA	80мА
Максимальный ток питания от PORTA	50мА
Максимальный ток, входящий в PORTB	150мА
Максимальный ток питания от PORTB	100мА

Внешний вид микроконтроллера  PIC16F84 представляет  собой микросхему, реализованную  в DIP корпус с 18 выводами. Схема выводом микроконтроллера представлена на рисунке 2.2.

Рисунок - Подключение микроконтроллера PIC16F84

Пять выводов RA0…RA4 - цифровые порты ввода/вывода, объединенные в логический порт микроконтроллера PORTA, а восемь выводов RB0…RB7 - цифровые порты ввода/вывода, объединенные в логический порт микроконтроллера PORTB.  Совместно PORTA и PORTB представляют собой 13 цифровых линий ввода/вывода, программно независимо конфигурируемых как линии ввода или вывода. PORTA и PORTB представляют собой специальные регистровые файлы микроконтроллера, предоставляющие интерфейс для работы с физическими линиями ввода/вывода. Несмотря на то, что все регистры микроконтроллера PIC16F84 имеют размерность 8 бит, у регистра PORTA значащими являются только младшие 5 бит.

Внутренняя частота  микроконтроллера может задаваться несколькими способами, включая  использование внешнего RC контура, внешнего тактового генератора либо используя внешний кварцевый тактовый генератор. Питание микроконтроллер PIC16F84 получает от выводов Vss и Vdd.

Вывод MCLR предназначен реализации возможности аппаратно сброса. Заземление этого вывода приводит к очистке памяти микроконтроллера и перезапуску исполняемой программы, сохраненной в EEPROM [3].

 

Его основные характеристики: низкое потребление, сброс при включении питания, сильноточные схемы, все команды исполняются за один такт (200 нс), кроме инструкций перехода, выполняемых за два такта подходят  под нужды разрабатываемого устройства.

2.2.2 Выбор стабилизатора  напряжения

Стабилизаторы фиксированного положительного напряжения нужны для получения 5В из более высокого напряжения. Для использования в частотомере была выбрана микросхема КР142ЕН5, LM7805 или просто 7805.

Серия КР142ЕН5A (LM7805) трехвыводных стабилизаторов с фиксированным выходным напряжением в диапазоне от 5В до 27В могут найти применение в широком спектре радиоэлектронных устройств.

Диапазон напряжений, перекрываемых данной серией стабилизаторов, позволяет использовать их в качестве источников питания, логических систем, измерительной техники, устройств высококачественного воспроизведения и других радиоэлектронных устройств.

Рисунок - Расположение выводов стабилизатора  напряжения КР142ЕН5

Несмотря на то, что  основное назначение этих приборов - источники  фиксированного напряжения, они могут быть использованы и как источники с регулированием напряжения и тока путем добавления в схемы их применения внешних компонентов. Внешние компоненты могут быть использованы для успокоения переходных процессов.

Рисунок - Типовое включение  КР142ЕН5

Входной конденсатор  необходим только в том случае, если регулятор находится далеко от фильтрующего конденсатора источника  питания.

Особенности стабилизаторов серии КР142ЕН5A:

•  встроенная защита от перегрева;

•  встроенный ограничитель тока;

•  коррекция зоны безопасной работы выходного транзистора;

•  диапазон температур хранения -55 ... +150 ^oС;

•  рабочий диапазон температур кристалла -45 ... +125 ^oС.

2.2.3 Выбор делителя  частоты

Большинство частотомеров, собранных  на микроконтроллерах, не позволяют измерять частоты выше 40...50 МГц. Для измерения частот выше этого значения необходимо использовать предварительный СВЧ делитель.

Существует большое количество микросхем, на которых можно собрать такой предварительный делитель частоты, но, к сожалению, в магазинах их выбор довольно ограничен. Это объясняется тем, что в новых серийных разработках частотомеров и другой измерительной техники используются микросхемы все большей и большей степени интеграции - однокристальные синтезаторы, частотомеры и др.

Отдельно микросхемы делителей  частоты используются относительно редко, поэтому их стоимость высока и они довольно дефицитны.

Особо следует отметить SAB6456 фирмы «Philips Semiconductors», который будет использоваться в частотомере.

Рисунок -  СВЧ делитель частоты SAB6456

Это делитель с диапазоном рабочих частот от 70 до 1000 мГц. Потребляемый ток около 20 мА, а заявленная чувствительность 10 мВ. Двойная амплитуда выходного сигнала 1 В. Коэффициент деления равен 64, если вывод 5 (MC) никуда не подключен. Если соединить его с общим проводом, коэффициент деления будет 256. Схема включения показана на рисунке.

Рисунок - Схема включения SAB6456

Сигнал с выхода делителя подается по кабелю длиной до 1 м на входной  формирователь частотомера. Коэффициент  деления учитывается в программе  частотомера, поэтому на индикатор  будет выводиться истинная частота  измеряемого сигнала.

Схема состоит из входного усилителя, делителя с выбором коефициента разделения и выходного каскада. Входы (C1, C2)  дифференциальные входы, нужны измерения разности сигналов. Иногда неиспользуемый вход должен быть соединен с землей через конденсатор.

Режим контроля (MC) делителя предназначен для статического контроля коэффициент деления, либо на 64 либо на 256, тогда MC вывод подключен к земле. Делитель может колебаться в течении отсутствия сигнала, но это колебание подавляется, когда входные сигналы получены. Два дополнительных сигналов (QH, QL) обеспечивают выход дифференциального усилительного каскада.

2.2.4 Выбор цифрового индикатора

Для того, что бы микропроцессорное  устройство было способно выводить информацию в виде цифр и знаков удобно использовать семи сегментные светодиодные индикаторы.

Существует огромное множество  различных моделей светодиодных индикаторов, разных размеров, цвета  свечения. Существуют как индикаторы представляющие собой отдельный  один разряд, для индикации всего одной цифры, так и многоразрядные индикаторные панели.

В зависимости от модели и схема  подключения может быть разной. Кроме  того, все индикаторы делятся на две большие группы. Это индикаторы с общим анодом и индикаторы с общим катодом. Отличие в их подключении это использование транзистора.

Единственный способом подключения многоразрядных семи сегментных индикаторов к микроконтроллеру является матричный способ.

Этот способ очень похож на матричное  подключение кнопок клавиатуры. На рисунке  показан один из вариантов подключения дисплея из двух семи сегментных индикаторов.

Рисунок - Подключение цифрового  индикатора

Приведенная схема рассчитана на световые семи сегментные индикаторы небольшой  мощности с током потребления  не больше 40 мА.

Каждый из выходов порта RB микроконтроллера подключен к одноименным сегментам обоих индикаторов. Так вывод RB0 через резистор R8 подключен к выводу сегмента A индикатора HL1 и индикатора HL2 и так далее. Выбор одного из индикаторов осуществляется посредством двух старших разрядов порта RA. Общий анод индикатора HL1 подключен к выводу RA1, а общий анод индикатора HL2 к выводу RA2. Такая схема включения называется матрицей. Выводы порта RB можно рассматривать, как восемь горизонтальных линий, а два выхода порта RA, как вертикальные линии матрицы. В точках пересечения каждой линии включен один светодиодный сегмент.

Подобная схема включения индикатора всегда работает в режиме динамической индикации. Динамическая индикация состоит в том, что микропроцессор постоянно с достаточно высокой частотой высвечивает символ сначала в первом, а затем во втором разряде индикатора. При частоте переключения выше 24 герц глаз не замечает мерцания и воспринимает изображение на обоих индикаторах как одно статическое изображение.

На рисунке  приведена схема, содержащая всего два разряда индикации. Точно так же можно подключить три, четыре и более разрядов. В частотомере будет применяться четырех разрядный семи сегментный индикатор общим анодом серии  RL-F5620 зеленого цвета.

2.3 Программирование микроконтроллера PIC16F84

2.3.1 Выбор и  обоснования используемого программного  обеспечения

Для микроконтроллеров PIC любой серии можно использовать следующие языки  программирования  и программное обеспечение под них:

•   Ассемблер  -  низкоуровневый язык программирования, использующий непосредственный набор инструкций микроконтроллера. Создание программы на этом языке требует хорошего знания системы команд программируемого микроконтроллера, те знание DataSheet. Это главный документ при разработке на базе МК. Рекомендуется распечатывать основные таблицы и разделы для удобства пользования.

Можно использовать среду MPLAB, которая является полностью бесплатной. Это  среда разработки от Microchip. Содержит компилятор с языка ассемблера, позволяет провести полный цикл разработки, в том числе и прошивку (при наличии соответствующего программатора).

Ассемблер выигрывает Си в размере конечного исполняемого кода, а соответственно, и скорости выполнения;

• Си - является  более знакомым и привычным, предоставляя разработчику все преимущества языка высокого уровня. Компиляция исходных текстов, написанных на Си, осуществляется быстро и дает компактный, эффективный код.

Существуют следующие компиляторы: CCS PICC, Micro-C, Microchip C18. Все они являются платными и обладают разной степенью мощности. Некоторые можно скачать демо-версию, но функции его не в полной мере будут возможны.

Для дальнейшей работы был выбран Ассемблер, так как он является наиболее приемлемый  для использования при программировании микроконтроллера.

Его основные достоинства:

• Позволяет писать самый быстрый и компактный код;
• Если код программы достаточно большой, - данные, которыми он оперирует, не помещаются целиком в регистрах процессора, то есть частично или полностью находятся в оперативной памяти.
• Обеспечение максимального использования специфических возможностей конкретной платформы, что также позволяет создавать более эффективные программы, - в том числе менее ресурсоемкие.
• При программировании на языке ассемблера возможен непосредственный доступ к аппаратуре, и, в частности:
• портам ввода-вывода;
• регистрам процессора и др.
• С помощью дизассемблера «PICDisasm», который компилирует файл  .asm в  .hex,  что позволяет исследовать существующие программы при отсутствии исходного кода и скомпилировать в шестнадцатеричный файл для дальнейшей прошивки микроконтроллера.