Введение
В наши дни, развитие цифровых устройств происходит гигантскими шагами. Очевидно и преимущество применения цифровой обработки сигнала наряду с аналоговым: улучшается помехозащищенность канала связи, бесконечные возможности кодирования информации. Применение микропроцессоров в радиотехнических системах существенно улучшает их массогабаритные, технические и экономические показатели, открывает широкие возможности реализации сложных алгоритмов цифровой обработки сигналов.
Микропроцессоры находят применение при решении широкого круга радиотехнических задач, таких как построение радиотехнических измерителей координат, сглаживающих и экстраполирующих фильтров, устройств вторичной обработки сигналов, специализированных вычислительных устройств бортовых навигационных комплексов, устройств кодирования и декодирования сигналов, весовой обработки пачечных сигналов в радиолокации, различного рода измерительных устройств и т.п. К таким устройствам относятся и цифровые фильтры, для которых стало возможным построение разнообразных частотных характеристик путём их аналитической задачи. При этом реализуемы и фильтры традиционных типов: нижних частот, верхних частот , полосовые и режекторные.
Задачей курсовой работы является приобретение практических навыков по проектированию цифровых устройств и направлено на достижение следующих целей:
Спроектировать цифровой элемент;
Общая часть
1.1 Общие сведения о микроконтроллере
Микропроцессорная система представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств, главным образом из микропроцессора и/или микроконтроллера.
Микропроцессор — процессор(устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде), реализованный в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких специализированных микросхем (в отличие от реализации процессора в виде электрической схемы на элементной базе общего назначения или в виде программной модели).
Микроконтроллер - компьютер на одной микросхеме. Предназначен для управления различными электронными устройствами и осуществления взаимодействия между ними в соответствии с заложенной в микроконтроллер программой. В отличие от микропроцессоров, используемых в персональных компьютерах, микроконтроллеры содержат встроенные дополнительные устройства.
PIC — микроконтроллеры Гарвардской архитектуры, производимые американской компанией Microchip Technology Inc.Название PIC является сокращением от Peripheral Interface Controller, что означает «контроллер интерфейса периферии». Название объясняется тем, что изначально PIC предназначались, для расширения возможностей ввода-вывода 16-битных микропроцессоров CP1600.
Отличительной особенностью PIC-контроллеров является хорошая преемственность различных семейств. Это и программная совместимость (единая бесплатная среда разработки MPLAB IDE), и совместимость по выводам, по периферии, по напряжениям питания, по средствам разработки, по библиотекам и стекам наиболее популярных коммуникационных протоколов.
В настоящее время компания Microchip выпускает пять основных семейств 8-разрядных RISC-микроконтроллеров, совместимых снизу вверх по программному коду:
PIC12CXXX – семейство микроконтроллеров, выпускаемых в миниатюрном 8-выводном исполнении. Эти микроконтроллеры выпускаются как с 12-разрядной (33 команды), так и с 14-разрядной (35 команд) системой команд. Содержат встроенный тактовый генератор, таймер/счетчик, сторожевой таймер, схему управления прерываниями. В составе семейства есть микроконтроллеры со встроенным 8-разрядным четырехканальным АЦП. Способны работать при напряжении питания до 2,5 В;
PIC16C5X – базовое семейство микроконтроллеров с 12-разрядными командами (33 команды), выпускаемое в 18-, 20- и 28-выводных корпусах. Представляют собой простые недорогие микроконтроллеры с минимальной периферией. Способность работать при малом напряжении питания (до 2 В) делает их удобными для применения в переносных конструкциях. В состав семейства входят микроконтроллеры подгруппы PIC16HV5XX, способные работать непосредственно от батареи в диапазоне питающих напряжений до 15 В;
PIC16CXXX – семейство микроконтроллеров среднего уровня с 14-разрядными командами (35 команд). Наиболее многочисленное семейство, объединяющее микроконтроллеры с разнообразными периферийными устройствами, в число которых входят аналоговые компараторы, аналогово-цифровые преобразователи, контроллеры последовательных интерфейсов SPI, USART и I2C, таймеры-счетчики, модули захвата/сравнения, широтно-импульсные модуляторы, сторожевые таймеры, супервизорные схемы и так далее;
PIC17CXXX –семейство высокопроизводительных микроконтроллеров с расширенной системой команд 16-разрядного формата (58 команд), работающие на частоте до 33 МГц, с объемом памяти программ до 16 Кслов. Кроме обширной периферии, 16-уровневого аппаратного стека и векторной системы прерываний, почти все микроконтроллеры этого семейства имеют встроенный аппаратный умножитель 8х8, выполняющий операцию умножения за один машинный цикл. Являются одними из самых быстродействующих в классе 8-разрядных микроконтроллеров;
PIC18CXXX – семейство высокопроизводительных микроконтроллеров с расширенной системой команд 16-разрядного формата (75 команд) и встроенным 10-разрядным АЦП, работающие на частоте до 40 МГц. Содержат 31-уровневый аппаратный стек, встроенную память команд до 32 К слов и способны адресовать до 4 Кбайт памяти данных и до 2 Мбайт внешней памяти программ. Расширенное RISC-ядро микроконтроллеров данного семейства оптимизировано под использование нового Си-компилятора.
Наиболее распространенными семействами PIC-контроллеров являются PIC16CXXX и PIC17CXXX.
1.2 Архитектура микроконтроллераPIC16F84
PIC16C84 (или PIC16F84) фирмы Microchip- миниатюрный, но мощный микроконтроллер. Он основан на EEPROM или FLASHтехнологии, позволяющей перепрограммировать его буквально за секунды. Типовое количество циклов перезаписи - около 1000. Из его 18-ти выводов 13 могут использоваться как разряды ввода/вывода общего назначения. Когда они программируются на вывод, то допускают ток "1" до 20 мА и ток "0" до 25 мА (более чем достаточный для подключения, например, светодиодов). Это позволяет разрабатывать на данном микроконтроллере простые и недорогие электронные устройства и делает его идеальным для желающих изучить принципы работы микроконтроллеров.
Таблица 1 - Характеристики микроконтроллера PIC16С84
Характеристики Показатели
1 2
Тактовая частота 10 МГц
Память программ (FLASH) 1K слов
Память данных ОЗУ 68 байт
Память данных ЭСППЗУ 64 байт
Продолжение таблицы 1
1 2
Программирование на плате через последовательный порт
Сброс при включении питания POR
Таймер включения питания и таймер запуска генератора PWRT и OST
Сброс по падению напряжения питания
Сторожевой таймер с собственным встроенным RC-генератором для повышения надежности работы WDT
Программируемая защита кода
Режим экономии энергии SLEEP
Выбираемые режимы тактового генератора
Напряжение питания от 2,0 В до 6,0 В
1.3 Набор регистров PIC 16С84
Данный микроконтроллер имеет следующие регистры:
F0 регистр косвенной адресации ind0физически не существует. Он использует регистр выбора f4 для косвенной выборки одного из 64 возможных регистров. Любая команда, использующая f0, на самом деле обращается к регистру данных, на который указывает f4.
F1 регистр таймера/счетчика tmr0может быть записан и считан как и любой другой регистр. TMR0 может увеличиваться по внешнему сигналу, подаваемому на вывод RTCC, или по внутренней частоте, соответствующей частоте команд. Основное применение таймера/счетчика - подсчет числа внешних событий и измерение времени. Сигнал от внешнего или внутреннего источника также может быть предварительно поделен при помощи встроенного в PIC программируемого делителя.
F2 программный счетчик pc используется для генерации последовательности адресов ячеек ПЗУ программы, содержащих 14-pазpядные команды. PC имеет разрядность 13 бит, что позволяет прямо адресовать 8Кх14 ячеек ПЗУ. Для PIC16F84 однако, только 1К ячеек физически доступно. Младшие 8 разрядов PC могут быть записаны и считаны через регистр f2, старшие 5 разрядов загружаются из регистра PCLATCH, имеющего адрес 0Ah.
F3 регистр слова состояния statusпохож на регистр PSW, существующий в большинстве микропроцессоров. В нем находятся бит переноса, десятичного переноса и нуля, а также биты режима включения и биты страничной адресации.
F4 регистр выбора fsr используется вместе с регистром косвенной адресации f0 для косвенной выборки одного из 64 возможных регистров. Физически задействовано 36 регистров ОЗУ пользователя, расположенных по адресам 0Ch-2Fh и 15 служебных регистров, расположенных по различным адресам.
F5, F6 регистры ввода/вывода portА, port В соответствуют двум портам ввода/вывода, имеющимся у PIC16F84. Порт A имеет 5 разрядов PA4-PA0, которые могут быть индивидуально запрограммированы как входы или выходы при помощи регистра TRISA, имеющего адрес 85h. Порт B имеет 8 разрядов PB7-PB0 и программируется при помощи регистра TRISB, имеющего адрес 86h.
F8, F9 регистры eedata, eeadrPIC16F84 имеет встроенное электрически перепрограммируемое ПЗУ размером 64 байта, которое может быть считано и записано при помощи регистра данных EEDATA и регистра адреса EEADR. Запись нового байта длится около 10 мсек и управляется встроенным таймером. Управление записью и считыванием осуществляется через регистр EECON1, имеющий адрес 88h. Для дополнительного контроля за записью служит регистр EECON2, имеющий адрес 89h.
Регистры общего назначения представляют собой статическое ОЗУ, расположенное по адресам 0Ch-2Fh. Всего в PIC16C84 можно использовать 36 ячеек ОЗУ.
Специальные регистры w, intcon, option к ним относятся рабочий регистр W, используемый в большинстве команд в качестве регистра аккумулятора и регистры INTCON и OPTION. Регистр прерываний INTCON (адрес 0Bh) служит для управления режимами прерывания и содержит биты разрешения прерываний от различных источников и флаги прерываний. Регистр режимов OPTION (адрес 81h) служит для задания источников сигнала для предварительного делителя и таймера/счетчика, а также для задания коэффициента деления предварительного делителя, активного фронта сигнала для RTCC и входа прерывания. Кроме того при помощи регистра OPTION могут быть включены нагрузочные резисторы для разрядов порта B, запрограммированных как входы.
Для программирования микроконтроллеров семейства PIC применяется фирменный программатор-отладчик IC PROG, ICD-2, ICD-3, REAL ICE, Pickit. Эти программаторы позволяют, как программировать, так и отлаживать код: пошаговое выполнение, точки останова, просмотр оперативной и программной памяти, просмотр стека.
Специальная часть
2.1 Принцип работы схемы
Тахометр в автомобиле – это устройство, которое используется для определения количества оборотов двигателя. Количество оборотов изменяются за единицу времени или относительно скорости движения.
Основной функцией, которую выполняет тахометр, является то, что он помогает вам выбрать правильную передачу, а это может продлить ресурс двигателя. Другими словами, когда стрелка тахометра доходит до красной зоны, то следует немедленно переключаться на повышенную передачу. Также тахометр используется для работ по регулировке, как для холостого хода, так и для контроля вращения двигателя в движении.
Принцип действия тахометра основан на прямом измерении периода следования импульсов, снятых с контактов прерывателя, с последующим вычислением частоты вращения вала двигателя и выведением результата на дискретную шкалу. При этом измерение временных интервалов реализуется путем счета калиброванных промежутков времени - дискрет, формируемых программно из тактовых импульсов. Интервал осреднения - 10 периодов.
Центральный процессор выполнен на микроконтроллере DD1. Он имеет два порта: А с пятью и В с восемью выводами, которые могут быть программно сконфигурированы как на введение, так и на выведение информации. Входы RA0-RA3, RB2-RB5 сконфигурированы на выведение информации, RB0 и RB1 - на введение, а RA4, RB6 и RB7 не использованы. Центральный процессор тактирован встроенным тактовым генератором, частоту которого задает кварцевый резонатор ZQ1. Процессор обнуляется при включении питания цепью R2C1 по входу MCL. Резистор R3 служит для ограничения тока этого входа, а диод VD1 - для быстрой разрядки конденсатора С1 при отключении питания.
Входной формирователь собран на элементе DD2.1 и триггере DD3.1 по схеме из [3] и дополнен предварительным усилителем на транзисторе VT1. В цепь базы этого транзистора включены элементы, повышающие помехоустойчивость входного формирователя. С выхода формирователя импульсы поступают на вход элемента DD2.2, выполняющий функции буфера, и на вход D-триггера DD3.2, включенного делителем частоты на два. На выходе этого триггера формируется импульсная последовательность вида "меандр" с частотой следования, вдвое меньшей входной.
Буферный элемент DD2.2 предназначен для подключения к нему прочих устройств автомобильной электроники (например, блока зажигания). Выход этого элемента служит также для контроля работы входного формирователя. Частота следования импульсов на выходе элемента DD2.2 равна частоте искрообразования. Элемент DD2.2 и триггер DD3.2 не являются обязательными, они лишь придают техническому решению прибора дополнительную гибкость.
Сформированная импульсная последовательность поступает на вход RB0 процессора DD1, который обрабатывает ее по встроенной программе с использованием прерываний. Требуемый вид измерения выбирают тумблером SА1, изменяющим режим входа RB1 процессора.
Узел индикации состоит из двух светодиодных шкал HL1-HL4 и HL5-HL17 и дешифратора DD4, DD5. Обзорная шкала образована светодиодами HL6- HL17, которые подключены к выходам дешифратора, собранного на преобразователях кода DD4 и DD5 . На вход дешифратора с порта А процессора DD1 поступает сигнал, несущий двоичный код значения частоты вращения, что приводит к включению соответствующего числа светодиодов шкалы. Светодиод HL5 индицирует включение прибора, поскольку его свечение соответствует нулевому коду на входе дешифратора. Вторая шкала - растянутая - образована светодиодами HL1-HL4, которые подключены к выводам RB2-RB5 процессора через токоограничительные резисторы R5-R8.
Прибор питается от двенадцативольтной бортовой сети автомобиля. Через выключатель питания SA2 и входной фильтр R15C7 напряжение постоянного тока поступает на стабилизатор DA1, с выхода которого напряжение 5 В поступает на все узлы прибора.
Программу обработки вводят в память процессора с помощью программатора; она занимает около 400 байтов(приложение А).
Детали тахометра, за исключением светодиодов, тумблеров и стабилизатора DA1, смонтированы на печатной плате (приложение Б).
Табло тахометра, представляющее собой лицевую панель прибора, собрано на светодиодах серии КИПМ11. Здесь же смонтированы два тумблера SA1 и SA2 - годятся любые миниатюрные. Частота кварцевого резонатора ZQ1 определяет установки в программе так, чтобы значение дискреты времени с учетом предделителя процессора лежало в пределах 20...160 мкс. Большее значение частоты ведет к переполнению счетчика процессора, меньшее - снижает разрешающую способность прибора. Практически можно использовать резонаторы на частоту до 4 МГц, желательно в металлическом корпусе с проволочными выводами (например, РК-374). Резонатор крепят к плате проволочной скобой, впаиваемой концами в два отверстия А.
Контроллер PIC16C84-04/P можно заменить на PIC16C84-10/P и использовать кварцевый резонатор с частотой до 10 МГц. Возможно также применение более доступного микроконтроллера PIC16F84, отличающегося от PIC16C84 типом памяти программ (flash-память). Следует отметить, что рабочий температурный интервал указанной микросхемы - от 0 до +70°С. При необходимости использования тахометра и при минусовой температуре лучше использовать контроллер, имеющий в обозначении букву I (соответствующую температурному интервалу -40...+85°С).
2.2 Программирование
Для микроконтроллеров PIC существуют различные языки программирования, но, пожалуй, наиболее подходящими являются ассемблер и Си, поскольку в этих языках в наилучшей степени реализованы все необходимые возможности по управлению аппаратными средствами микроконтроллеров.
Ассемблер - это низкоуровневый язык программирования, использующий непосредственный набор инструкций микроконтроллера. Создание программы на этом языке требует хорошего знания системы команд программируемого чипа и достаточного времени на разработку программы. Ассемблер проигрывает Си в скорости и удобстве разработки программ, но имеет заметные преимущества в размере конечного исполняемого кода, а соответственно, и скорости его выполнения.
Си позволяет создавать программы сбольшим комфортом, предоставляя разработчику все преимущества языка высокого уровня.
Архитектура и система команд PIC создавалась при непосредственном участии разработчиков компилятора языка Си и в ней учтены особенности этого языка. Компиляция исходных текстов, написанных на Си, осуществляется быстро и дает компактный, эффективный код.
Основные преимущества Си перед ассемблером: высокая скорость разработки программ; универсальность, не требующая досконального изучения архитектуры микроконтроллера; лучшая документируемость и читаемость алгоритма; наличие библиотек функций; поддержка вычислений с плавающей точкой.
2.3 Расчет транзистора
Необходимо рассчитать транзистор VT1 согласно электрической схемы рис.1
Рисунок 2 – Транзистор VT1
Рассчитываем коэффициент тока транзистора по формуле
(1)
где - коэффициент тока;
- ток коллектора, мА;
- ток базы, мА.
Принимаем следующие значения
Рассчитанным характеристикам удовлетворяет транзистор КТ342А.
Понятие о надежности системы
3.1 Основные понятия надежности
Надёжность — свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.
Интуитивно надёжность объектов связывают с недопустимостью отказов в работе. Это есть понимание надёжности в «узком» смысле — свойство объекта сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки. Иначе говоря, надёжность объекта заключается в отсутствии непредвиденных недопустимых изменений его качества в процессе эксплуатации и хранения. Надёжность тесно связана с различными сторонами процесса эксплуатации. Надёжность в «широком» смысле — комплексное свойство, которое в зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации может включать в себя свойства безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости, а также определённое сочетание этих свойств.
Основныеопределения:
Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки
Показатели надежности являются:
Безопасность работы
P(t)=e^∫_0^t ℷ(t)dt (2)
Средние время безотказной работы
T=∫_0^∞▒P(t)dt (3)
Средняя наработка на отказ
f(t)=ℷ(t)*P(t) (4)
Частота отказа
ω(t)=f(t)+∫▒f(t-τ)ω(τ)dτ (5)
3.2 Расчет надежности
Рассчитываем коэффициент нагрузок Кn, для резистора по формуле
Kn=Pr/Pдоп (6)
где Pr – рабочая мощность резистора, Вт;
Рдоп. – допустимая мощность резистора, Вт.
Мощность резистора определена по формуле
Pr=U^2⁄R (7)
Рассчитываем резистор R1 по формуле: U=5(B), R1=1,5(кОм);
PR1=52/1500=25/1500=0,016 (Bm)
КHR1=0,016/0,125=0,128
Принимаем КH=0,2. Принимаем из таблицы α=0,2, λ0 =0,4.
λi=0,2*0,4=0,08
λс=0,08*3=0,24
Рассчитываем резисторы R2 и R3 по формуле, принимая U=5B; R2,3=1кОм, тогда
PR2,3=52/1000=25/1000=0,025 (Bm)
КHR2,3=0,025/0,125=0,2
Принимаем КH=0,2. Принимаем из таблицы α=0,2, λ0 =0,4.
λi=0,2*0,4=0,08
λс=0,08*3=0,24
Рассчитываем коэффициент нагрузок Кнс для конденсаторов по формуле,
Кнс=Uc/Uдоп (8)
где Кнс- коэффициент нагрузки конденсатора;
Uc- напряжение на конденсаторе, В;
Uдоп- допустимое рабочее напряжение конденсатора, В.
Рассчитываем конденсатор С1 по формуле: Uc=5(В); Uдоп=25(В);
Кнс1=5/25=0,2
Принимаем Кн=0,5.Принимаем из таблицы α=0,09, λ0 =2
α=0,09
принимаем α по таблице
λ 0=2
принимаем λ по таблице
λi=0,09*2=0,18
λс=0,18*2=0,54
Рассчитываем конденсатор С2,3 по формуле: Uc=5(В); Uдоп=50(В);
Кнс2,3=5/50=0,1
принимаем Кн=0,3
α=0,06
принимаем α по таблице
λ 0=2
принимаем λ по таблице
λi=0,06*2=0,12
λс=0,12*1=0,12
Рассчитываем коэффициент нагрузок Кнд для стабилитронов по формуле
Кнд=I/Imax (9)
где I- фактически выпрямленный ток, мА;
Imax- максимально допустимый выпрямленный ток, мА
Для стабилитрона VD1, VD2: Imax=252(мА); I=69(мА)
Кнд=69/252=0,27
принимаем Кн=0,25
α=0,45
принимаем α по таблице
λ 0=5
принимаем λ по таблице
λi=0,45*5=2,25
λс=2,25*4=9
Расчет микроконтроллера производим по формуле
λобщ=λ0*Кн*Кор*К1*К2*n (10)
λ 0=0,01
Кор=10
Кн=0,5
К1=К2=1
n=1
где Кн – коэффициент нагрузки, 0,5;
Кор – коэффициент интенсивности отказа, 10;
К1 – коэффициент механических нагрузок;
К2 – коэффициент механического напряжения
N – Количество микроконтроллеров.
λобщ=0,01*0,5*10*1*1*1=0,05
Рассчитываем места спаек:
λc= λ0*n (10)
Берем значение λ0 по таблице:
λ0=0,004
Считаем количество паек на схеме: n=34
λc=0,004*34=0,13
Результаты заносим в таблицу 2
Таблица 2-Расчет надежностиустройства
Рассчитываем периодичность отказов по формуле
T_0=1/(∑▒〖λ_c∙〖10〗^(-6) 〗) (12)
T_0=1/(10.316∙〖10〗^(-6) )=96936,79
Принимаем значение T0≅96937(ч)
Рассчитываем вероятность безотказной работы схемы по формуле
P(t)=e^(-λ_c∙t) (13)
гдеt - время работы схемы, ч.
Заключение
Во всём мира стали развиваться электронные устройства. Человек использует их в своей деятельности почти во всех сферах. Большая часть таких устройств выполняется на основе микроконтроллеров.
В настоящее время микропроцессоры развиваются в следующих направлениях:
уменьшение габаритов;
снижение энергопотребления;
совершенствование ПО;
снижение стоимости.
Микроконтроллеры используются в управлении различными устройствами и их отдельными блоками:
в вычислительной технике: материнские платы, контроллеры дисководов жестких и гибких дисков, CD и DVD, калькуляторах;
электронике и разнообразных устройствах бытовой техники, в которой используется электронные системы управления — стиральных машинах, микроволновых печах, посудомоечных машинах, телефонах и современных приборах.
В то время как 8-разрядные процессоры общего назначения полностью вытеснены более производительными моделями, 8-разрядные микроконтроллеры продолжают широко использоваться. Это объясняется тем, что существует большое количество применений, в которых не требуется высокая производительность, но важна низкая стоимость. В то же время, есть микроконтроллеры, обладающие большими вычислительными возможностями.
Список литературы
Ломакин Л.Электроника за рулем (аннотированный указатель). - Радио, 1996.
Ганженко Д., Кабаков Е., Коршун И. PIC и его применение. - Радио, 1995.
Бирюков С. Подавление импульсов "дребезга" контактов. - Радио, 1996.
Маслов А. Модернизация квазианалогового тахометра. - Радио, 1993.
Чуднов В. Линейная шкала в тахометре. - Радио, 1993.
Приложение А
(справочное)
Программатор
Приложение Б
(обязательное)
Печатная плата тахометра
Приложение В
(обязательное)
Блок – схема PIC16F8X