Устройство сбора аналоговых данных

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время, в связи с созданием и широким внедрением в инженерную практику микропроцессорных устройств и систем, не ослабевает и вновь стимулируется интерес к цифровым методам обработки и передачи информации. Названные методы, в свою очередь, придают системам ряд положительных свойств и качеств. Повышается верность передаваемой информации, достигается высокая скорость и производительность систем обработки информации, обеспечивается приемлемая их стоимость, высокая надёжность, малое потребление энергии и т. д.

Решаемые этими системами задачи весьма разнообразны и предопределяют функции устройств, образующих конкретную систему. Поэтому устройства и их функции целесообразно рассматривать именно в свете тех задач, которые решаются системами и, в частности, тех подзадач, которые выполняются отдельными устройствами либо блоками.

Основными типовыми задачами, возникающими при автоматическом или автоматизированном управлении и контроле производственными или иными процессами, являются:

• сбор информации (её получение);
• преобразование информации (масштабирование, фильтрация, кодирование);
• передача-приём информации;
• обработка и использование информации;
• хранение информации.

В зависимости от целевого назначения и основных функций различают:

Системы автоматического (либо автоматизированного) управления и контроля.

Системы передачи информации.

Системы обработки информации (вычислительные системы).

1 ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

1.1 Микроконтроллер PIC16F876A

Система команд микроконтроллеров семейства PIC состоит из относительно небольшого набора команд. Каждая команда состоит из одного 12, 14 или 16-разрядного слова, разделенного на код операции (OPCODE) - она задает тип операции одного или нескольких операндов, являющихся частью команды.

Высокопроизводительный RISC-процессор:

• всего 35 простых для изучения инструкции;
• все инструкции исполняются за один такт (200 нс), кроме инструкций перехода, выполняемых за два такта. Минимальная длительность такта 200 нс;

• 14 битовые команды;
• 8 - битовые данные;
• вход внешних прерываний;
• 8-уровневый аппаратный стек;
• прямой, косвенный и относительный режимы адресации для данных и инструкций.

Периферия:

• 22 линий ввода/вывода с индивидуальным контролем направления;
• Timer0: 8-разрядный таймер/счетчик;
• Timer1: 16-разрядный таймер/счетчик;
• Timer2: 8-разрядный таймер/счетчик;
• 2 ШИМ модуля;
• последовательные интерфейсы;
• 5 каналов 10-битного АЦП;
• 2 аналоговых компаратора;
• Интегрированный программируемый источник опорного напряжения.

Особенности микроконтроллера:

• сброс при включении питания (POR);
• таймер включения питания (PWRT) и таймер запуска генератора (OST);
• сброс по снижению напряжения питания (BOR);
• сторожевой таймер (WDT) с собственным встроенным RC-генератором для повышения надежности работы;
• режим экономии энергии (SLEEP);
• выбор источника тактового сигнала;
• программирование на плате через последовательный порт (ICSPT) (с использованием двух выводов);
• отладка на плате через последовательный порт (ICD) (с использованием двух выводов);
• возможность самопрограммирования;
• программируемая защита кода;
• 1000 циклов записи/стирания FLASH памяти программы;
• 100 000 циклов записи/стирания памяти данных ЭСППЗУ;
• период хранения данных ЭСППЗУ > 40 лет.

Технология КМОП:

• экономичная, высокоскоростная технология КМОП;
• полностью статическая архитектура;
• широкий рабочий диапазон напряжений питания - от 2,0В до 5,5В;
• промышленный и расширенный температурный диапазоны;
• низкое потребление энергии.

Совместимость:

• Полная совместимость по выводам с семействами микроконтроллеров (только 28-выводными):
  - PIC16CXXX;
  - PIC16FXXX.

Рисунок 1.1 - Расположение контактов PIC16F628 в SOP корпусе

Рисунок 1.2 - цоколевка

2 ПРИНЦИПИАЛНАЯ СХЕМА УСТРОЙСТВА СБОРА АНАЛОГОВЫХ ДАННЫХ

       Схема устройства приведена в приложение А. Данная схема предназначена для изучения возможностей комплекса УМ-АЦП1.

Устройство собрано на базе микроконтроллера PIC16F876A. Скорость обмена по RS-232 – 9600.

Делители R10-R19 определяют ширину диапазона и рассчитываются таким образом, чтобы на вход контроллера подавалось максимум и не более 5 вольт. Увеличение максимального напряжения на любом из входов ведёт к искажениям на других входах.

Можно использовать формулу, рассчитав для нашей схемы R15 и R10:

Ширина диапазона – 5 =

Возьмем  R10 = 5кОм, то R15 = (Ширина диапазона – 5) кОм.

Например, предполагается измерять максимум 25В, тогда сопротивление R10 по умолчанию 5 кОм, а R15 – 20 кОм. По другим входам, используются сопротивления с аналогичными номиналами, т.к. программно по всем входам задается одинаковое напряжение.

На приведенной схеме рисунка 2.1 делители R10-R19 задают ширину диапазона равную 10В.

AOT101 – сдвоенная оптопара, осуществляет гальваническую развязку, т.е. если с одной ее стороны происходит замыкание, то вторая половина остается в рабочем состоянии и предохраняет АЦП от высокого напряжения.

 Рисунок 2.1 – Принципиальная схема аналого-цифрового преобразователя

3 ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА

3.1 Основные сведения о конструирование печатных плат

Печатная плата (ПП) представляет собой плоское изоляционное основание, на одной или обеих сторонах которого расположены токопроводящие полоски металла (проводники) в соответствии с электрической схемой.

Печатные платы служат для монтажа на них электрорадиоэлементов (ЭРЭ) с помощью полуавтоматических и автоматических установок с последующей одновременной пайкой всех ЭРЭ погружением в расплавленный припой или на волне жидкого припоя ПОС-60. Отверстия на плате, в которые вставляются выводы ЭРЭ при монтаже, называют монтажными. Металлизированные отверстия, служащие для соединения проводников, расположенных на обеих сторонах платы, называют переходными.

Конструирование ПП осуществляют ручным, полуавтоматизированным и автоматизированным методами.

Ручной метод конструирования обеспечивает оптимальное распределение проводящего рисунка, так как размещение изделий электронной техники (ИЭТ) на ПП и трассировку печатных проводников осуществляет непосредственно конструктор.

Разработку конструкции ПП рекомендуется производить по следующим основным этапам:

• изучение технического задания (ТЗ) на изделие (печатный узел, электронный модуль), в состав которого входит конструируемая  ПП;
• определение условий эксплуатации и группы жесткости;
• выбор типа и класса точности ПП;
• выбор размеров и конфигурации;
• выбор материала основания;
• выбор конструктивного покрытия;
• размещение элементов проводящего рисунка и трассировка печатных проводников;
• выбор метода маркировки и ее расположения;
• разработка конструкторской документации.

3.2 Методы изготовления печатных плат

Изготовление печатных плат (ГОСТ 20406—75) осуществляется химическим, электрохимическим или комбинированным способом. В последнее время получили распространение новые способы изготовления — аддитивные.

Химический (субтрактивный) метод заключается в том, что на медную фольгу, приклеенную к диэлектрику с одной или двух сторон, наносят позитивный или негативный рисунок схемы проводников. Последующим травлением полностью удаляется медь и создается проводящий рисунок.

При электрохимическом (полуаддитивном) методе проводящий рисунок создается в результате электрохимического осаждения металла, а не вытравливания.

Комбинированный способ представляет собой сочетание первых двух способов. Проводящий рисунок получают вытравливанием меди, а металлизация отверстий осуществляется посредством химического меднения с последующим электрохимическим наращиванием слоя меди.

Аддитивный метод заключается в создании проводящего рисунка посредством металлизации достаточно толстым слоем химической меди (25-35 мкм), что позволяет исключить применение гальванических операций и операций травления.

Резка заготовок  для плат из диэлектрических материалов производится с помощью роликовых или гильотинных ножниц.

Фиксирующие и технологические отверстия получают  сверлением, а при крупносерийном производстве – штамповкой. Штамповочные операции при изготовлении ПП применяются при вырубке заготовок, штамповке отверстий различной формы и вырубке плат по контуру.

Получение металлического проводящего  рисунка,  как в отверстиях, так и на поверхности диэлектрических материалов осуществляется обычно в две стадии  химического меднения. Вначале диэлектрик металлизируется химическим (бестоковым) способом, а затем на полученный тонкий слой металла осаждается медь гальваническим способом до необходимой толщины металлического слоя.

В негативных процессах рисунок (защитный рельеф) защищает от вытравливания проводящие элементы ПП; в позитивном процессе рисунок необходим для защиты от электрохимического осаждения покрытий на пробельные места, т.е. на участки, с которых удаляется медь.

Гальваническим  меднением  получают слой меди в монтажных и переходных отверстиях, а также проводящий рисунок в полуаддитивной технологии.

       Конструирование плат происходит в специализированных программах автоматизированного проектирования. Наиболее известны из них P-CAD, OrCAD, TopoR, Altium Designer и др.

       Изготовление фольгированного материала. Фольгированный материал - плоский лист диэлектрика с наклеенной на него медной фольгой. Как правило, в качестве диэлектрика используют стеклотекстолит. Толщина диэлектрика определяется требуемой механической и электрической прочностью, наибольшее распространение получила толщина 1,5 мм.

       На диэлектрик с одной или двух сторон наклеивают сплошной лист медной фольги. Толщина фольги определяется токами, под которые проектируется плата.

       Получение рисунка проводников. При изготовлении плат используются химические, электролитические или механические методы воспроизведения требуемого токопроводящего рисунка, а также их комбинации.

       Химический способ изготовления печатных плат из готового фольгированного материала состоит из двух основных этапов: нанесение защитного слоя на фольгу и травление незащищенных участков химическими методами.

       В любительских условиях защитный слой в виде лака или краски может быть нанесен шелкотрафаретным способом или вручную. Радиолюбители для формирования на фольге травильной маски применяют перенос тонера с изображения, отпечатанного на лазерном принтере («лазерно-утюжная технология»).

       Под травлением фольги понимают химический процесс перевода меди в растворимые соединения. Незащищенная фольга травится, чаще всего, в растворе хлорного железа или в растворе других химикатов, например медного купороса, персульфата аммония, аммиачного медно-хлоридного, аммиачного медно-сульфатного, на основе хлоритов, на основе хромового ангидрида.

       После травления защитный рисунок с фольги смывается.

       Механический способ изготовления предполагает использование фрезерно-гравировальных станков или других инструментов для механического удаления слоя фольги с заданных участков.

       Металлизация отверстий. Переходные и монтажные отверстия могут сверлиться, пробиваться механически (в мягких материалах типа гетинакса) или лазером (очень тонкие переходные отверстия). Металлизация отверстий обычно выполняется химическим или механическим способом.

       Механическая металлизация отверстий выполняется специальными заклепками, пропаянными проволочками или заливкой отверстия токопроводящим клеем. Механический способ дорог в производстве и потому применяется крайне редко, обычно в высоконадежных штучных решениях, специальной сильноточной технике или радиолюбительских условиях.

       При химической металлизации в фольгированной заготовке сначала сверлятся отверстия, затем они металлизируются, и только потом производится травление фольги для получения рисунка печати. Химическая металлизация отверстий - сложный многостадийный процесс, чувствительный к качеству реактивов и соблюдению технологии.

       Нанесение покрытий. Возможны такие покрытия как: защитно-декоративные лаковые покрытия («паяльная маска»). Обычно имеет характерный зелёный цвет; лужение. Защищает поверхность меди, увеличивает толщину проводника, облегчает монтаж компонентов. Обычно выполняется погружением в ванну с припоем или волной припоя; гальваническое покрытие фольги инертными металлами (золочение, палладирование) и токопроводящими лаками для улучшения контактных свойств разъемов и мембранных клавиатур; декоративно-информационные покрытия (маркировка). Обычно наносится с помощью шелкографии, реже — струйным методом или лазером.

       Механическая обработка. На одном листе заготовки зачастую помещается множество отдельных плат. Весь процесс обработки фольгированной заготовки они проходят как одна плата и только в конце их готовят к разделению. Если платы прямоугольные, то фрезеруют несквозные канавки, облегчающие последующее разламывание плат. Если платы сложной формы, то делают сквозную фрезеровку, оставляя узкие мостики, чтобы платы не рассыпались. Для плат без металлизации вместо фрезеровки иногда сверлят ряд отверстий с маленьким шагом. Сверление крепежных (неметаллизированных) отверстий также происходит на этом этапе.

       По типовому техпроцессу отделение плат от заготовки происходит уже после монтажа компонентов.

4 ПРОГРАММИРОВАНИЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА

4.1 Классификация программаторов

По типу микросхем:

• программирующие микросхемы ПЗУ (ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием, ППЗУ, флэш-память);
• программирующие внутреннюю память микроконтроллеров;
• программирующие ПЛИС.

Универсальные программаторы могут поддерживать все вышеперечисленные типы.

По подключению микросхемы:

• параллельный;
• внутрисхемный.

Параллельные программаторы содержат разъём, в который и вставляется программируемая микросхема. Внутрисхемные пригодны только для тех микросхем, в которых поддерживается внутрисхемное программирование, но позволяют прошивать микросхему, не вынимая её из устройства.

При покупке параллельного программатора стоит обратить внимание на качество разъёма, в который устанавливается микросхема. Обычный одноразовый разъём долго не прослужит; программатор должен иметь цанговые разъёмы  — а ещё лучше ZIF. В дорогих программаторах есть несколько разъёмов  — под разные виды корпусов.

По подключению к компьютеру:

Первые программаторы были автономными  — для набора прошивки имелась клавиатура или коммутационная панель. С распространением ПК такие программаторы были полностью вытеснены подключаемыми к компьютеру  — специальная программа (которая также называется программатором) передаёт прошивку с компьютера, а программатору остаётся только записать её в память микросхемы.

Для подключения программаторов могут применяться:

• последовательный порт;
• параллельный порт;
• специализированная интерфейсная плата (ISA или PCI);
• USB;
• Ethernet.

Стоит заметить, что в самых простых параллельных и последовательных программаторах управляющему ПО приходится напрямую управлять логическим уровнем на выводах порта. Такое прямое управление в Windows NT запрещено, это обходится установкой специализированного драйвера; через адаптеры USB→COM bitbang-программаторы работают крайне медленно (единицы-десятки байт в секунду). Микроконтроллерные программаторы полностью поддерживают протокол COM- или LPT-порта и поэтому свободны от этих недостатков.

Специализированные платы изредка применялись до появления USB, так как позволяли достичь максимальных скоростей обмена данными. Впрочем, одновременно они делали программатор стационарным.

Современные программаторы подключаются через USB (лишь простые дешёвые конструкции используют COM- или LPT-порты). Высокопроизводительные промышленные программаторы используют Ethernet.

4.2 Программатор PIC контроллеров

EXTRAPIC - программатор PIC контроллеров и микросхем памяти I2C (IIC) EEPROM.

Особенности программатора EXTRAPIC:

• функционально совместим с П.О (Программным Обеспечением) программаторов JDM, но в отличие от них, благодаря более качественному схемотехническому решению, а также использованию внешнего источника напряжения питания:
• Работоспособен с любыми COM-портами, как стандартными (+/-12v; +/-10v) так и с нестандартными COM-портами некоторых моделей современных ноутбуков, имеющих пониженные напряжения сигнальных линий, вплоть до +/-5v.
• Не перегружает по току COM-порт компьютера, так как использует стандартный формирователь интерфейса RS232 (MAX232 или аналогичный), и при правильной эксплуатации не представляет опасности для COM-порта.
• Имеет разъём внутрисхемного программирования (ICSP - In Circuit Serial Programming).
• Поддерживается распространёнными программами  IC-PROG,  PonyProg  ,  WinPic 800 (WinPic800)  и другими,  как программатор JDM.
• Программатор подключается к COM-порту компьютера, через стандартный кабель-удлинитель COM-порта (DB9M - DB9F).  Кабель приобретается отдельно.
• Для питания программатора должен использоваться стабилизированный источник питания напряжением от +15,5v до +24,0v или от +13,0v до +14,0v. Источник питания должен быть оборудован стандартным разъёмом "Jack", центральный "+", толщина центрального вывода 2,1мм.  Источник питания приобретается отдельно.

На плате программатора имеются:

• Светодиоды, указывающие режим работы программатора (POWER, VPP).
• Встроенные интегральные стабилизаторы напряжений +5v(VDD) и +13,5v(VPP).
• Разъём внутрисхемного программирования (ICSP).
• Панельки для установки микросхем в распространённых корпусах DIP8, DIP18, DIP28, DIP40 (микросхемы в других корпусах подключаются через разъём ICSP).

Особенности программы ICPROG:

При записи микроконтроллеров  с установленным (включенным) битом защиты кода от считывания (CP = Code Protect и/или CPD = Code Protect Data), сразу, после записи кода, программа ICPROG может выдавать сообщение об ошибке  чтения/проверки  по адресу  0000h. Это связано с тем, что установки Конфигурационного Слова (Configuration Word) микроконтроллера,  начинают действовать сразу, после их изменения, и микроконтроллер осуществляет защиту кода от считывания (если эта защита включена). Данное сообщение об ошибке следует воспринимать скорее как подтверждение, что включена защита кода от считывания. При этом, код программы записан корректно и микроконтроллер работоспособен.

Для снятия защиты от считывания (для микроконтроллеров "Flash") достаточно "стереть" память микроконтроллера. При этом, естественно, стирается и прошивка. После этого, микроконтроллер можно использовать вновь и вновь, для записи новых программ.

5 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АЦП УМ-АЦП1

УМ-АЦП1 – универсальный многоканальный аналогово-цифровой преобразователь.

УМ-АЦП1 может использоваться для:

• мониторинга напряжения на входах;
• контроля крайних значений;
• регистрации показаний;
• управления выходами (нагрузкой).

К устройству можно подключать разнообразные датчики, например, температуры, давления, влажности и пр. Гибкие настройки комплекса могут найти широкое применение в различных сферах – от университетских измерений до автоматизации процессов и технологий "умного дома".

УМ-АЦП1 представляет собой программно-аппаратный комплекс, состоящий из:

• устройства приема и оцифровки аналоговых сигналов;
• программы сбора и обработки полученных сигналов.

Обмен осуществляется через интерфейс RS-232 (COM-порт). Устройство имеет гальваническую развязку и допускает "горячее" включение и выключение.

Подбор делителей на входе устройства позволяет измерять сигналы в широком диапазоне. Программно можно корректировать смещение сигнала +/- в случае погрешности номиналов сопротивлений делителя.

Точность измерения определяется по формуле:

Например, если делителями задан диапазон 10В, то точность составляет  10 / 1023 = 0,0097В или 9,7 мВ.

В программе каждый управляемый выход можно сопоставить с любым входом (каналом) и настроить напряжение срабатывания и отключения по показаниям выбранного канала. В программе имеется возможность эмулирования входного сигнала, что позволяет оценить сделанные настройки. Программно можно задать вывод данных в других единицах измерения и других числовых диапазонах, т.е. адаптировать в случае использования конкретных датчиков. В программе реализована визуальная и звуковая сигнализация, в случае пересечения допустимых границ сигнала. Графики данных можно сохранять в виде графических файлов. Возможен просмотр и печать данных. Гибкие настройки программы позволяют установить желаемую скорость регистрации, ширину измеряемого диапазона. Люди с ограниченными возможностями зрения могут настроить цветовую палитру программы под себя. Программа автоматически сохраняет сделанные настройки.

       

       

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения курсовой работы, был произведен выбор элементный базы, для реализации поставленной задачи. В качестве микроконтроллера был выбран  PIC16F628. Микроконтроллер был запрограммирован с помощью программатора, для PIC микроконтроллеров с помощью программы EXTRAPIC. Была рассмотрена принципиальная электрическая схема, принцип её работы, а так же был рассмотрен принцип изготовления печатной платы.

       

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1) Балакай В.Г. Интегральные схемы аналого-цифровых преобразователей.

2) Букреев И.Н., «Микроэлектронные схемы цифровых устройств»

3) Букреев И.Н., «Микроэлектронные схемы цифровых устройств 2-ое издание»

4) Микроконтроллеры PIC [Электронный ресурс] - http://ru.wikipedia.org

5) «Электроника», О.В. Миловзоров, И.Г. Панков - 2004;

6) «Электронные приборы и усилители», Ф.И. Вайсбурд, Г.А. Панаев, Б.Н. Савельев

7) Программирование PIC16F876A [Электронный ресурс] - http://habrahabr.ru/post/97703/

8) [Электронный ресурс]  http://chinapads.ru/c/s/analogo-tsifrovoy_preobrazovatel_-_tipyi_atsp

Приложения