Микропроцессорная система управления объектом

 

Рисунок 2.1 – Структурная схема микропроцессорного устройства

 

Описание блоков структурной схемы и модулей МК (Рис. 2.1):

ADC – аналого-цифровой преобразователь;

TMR0 – тактируемый вход нулевого таймера;

MCLR – сброс микроконтроллера;

INT – внешние прерывания;

MSSP – модуль ведущего синхронного последовательного порта;

USART – унив-ный асинхронно - синхронный ресивер трансмиттер;

P5 – восьмиразрядный регистр с тумблеров кода К;

ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь;

РИ – регистр индикации;

СК – схема контроля питания;

БОЗП – блок объединения запросов прерывания;

МР – модуль расширения;

УС – устройство сопряжения;

ПУ – преобразователь  уровней.

Таблица 2.1 – Характеристики PIC16F886

Назначение линий	Направление Ввода/вывода	Тип сигнала	Кол-во вводов
Сигналы с цифровых датчиков	I	D	5
Сигналы с аналоговых датчиков	I	A	3
Сигнал с импульсных датчиков	I (вход TMR0)	D	1
USART:    Tx    Rx	O I	D	1 1
MSSP:    SCL    SDA	O I/O	D	1 1
Аварийный индикатор	O	D	1
Тумблер “останов”	I	D	1
Прерывание оператора	I	D	1
Схема контроля питания	I	D	1
INT	I	D	1
Количество линий ввода/вывода микроконтроллера			18

 

В качестве микроконтроллера выбираем микроконтроллер из среднего семейства PIC16F фирмы Microchip - PIC16F883, который представляет собой восьмиразрядную однокристальную микро ЭВМ. Данный МК выбран на основании того, что в нем есть необходимые нам модули, кол-во линий ввода/вывода, необходимый объем памяти 7 кбайт, выполненной по “flash” технологии, что позволяет перезаписывать программы, а сама микросхема выполнена по “nanoWatt” технологии, что позволяет сократить потребляемую энергию схемы в целом.

 

Описание используемых выводов выбранного микроконтроллера:

AN0, AN1, AN3 – аналоговые входы АЦП;

RA2 – выход для формирования сигнала Y5;

RA5 – вход для схемы контроля питания (см. схему питания);

T0CLK – вход для импульсного датчика P(t);

INT – вход внешних прерываний;

RB1- RB5 – входы для цифровых датчиков (включая аварийный X0);

RB6 – вход для тумблера “Останов”;

RB7 – вход для прерывания оператора с пульта управления;

MCLR – вход сброса микроконтроллера (активный низкий уровень);

RC0 - RC2 – выходы для формирования сигналов Y1, Y2, Y3;

RC5 – выход для аварийного индикатора;

SCL – вывод тактового сигнала в режиме I2C;

SDA – двунаправленная линия данных в режиме I2C;

TX – выход передатчика в асинхронном режиме USART;

RX – вход приемника в асинхронном режиме USART;

OSC1 - OSC2 – входы тактового генератора. 

3. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ БЛОКА ЧТЕНИЯ С ДАТЧИКОВ

1. Чтение  информации с бинарных датчиков

 

Дискретными датчиками здесь  являются (X1- X4), а аварийным датчиком (X0). Значения уровней входных сигналов:

Нижний (‘0’): -18В;

Верхний (‘1’): 325В.

 

Схема сопряжения обеспечивает гальваническую развязку цифровых датчиков и микроконтроллера. Для согласования уровня дискретного сигнала  с входами микроконтроллера будем использовать оптроны.

 

Рисунок 3.1 – Схема сопряжения с цифровыми датчиками

 

В схеме используем транзисторный  оптрон с подключенным последовательно  его светодиоду гасящим резистором R. Оптрон выполняет функцию гальванической развязки.

Сопротивление резистора R рассчитывается по формуле:

  (1)

 

где  |U_вх|_max – максимальное из модулей входных напряжений, В;

U_пр – прямое падение напряжения на светодиоде оптрона, В;

I_пр – прямой ток через светодиод оптрона, А.

 

Стабилитрон выбирается из соотношения:

(2)

 

В данной схеме будем использовать оптрон AOT101AC со следующими параметрами: U_пр = 1,6 В при I_пр= 5 мА. Выберем КС680А стабилитрон большой мощности, исходя из условия (2), со следующими параметрами:    и .

 

Рассчитаем сопротивление:

 

 

Будем использовать резистор по ряду E96: R1 = 28.7 кОм. Выходная цепь устройства согласования образованна транзистором оптрона VU1 и подтягивающим резистором R2. Транзистор выполняет функцию ключевого элемента, а резистор формирует на выходе схемы напряжение логической «1», когда транзистор закрыт. Так как к выходу устройства сопряжения подключен вход микросхемы ТТЛ, то сопротивление резистора R2 выбирается равным 10 кОм.

 

2. Чтение  информации с аналоговых датчиков

 

 

Функционально устройство сопряжения с аналоговыми датчиками  состоит  из одного основного и двух дополнительных блоков. Основным является блок гальванической развязки. Дополнительными являются входной делитель напряжения и выходной сумматор. Схема сопряжения обеспечивает гальваническую развязку аналогового датчика и вывода микроконтроллера, а так же преобразует аналоговый сигнал  с уровнем

-18…325В в выходной сигнал с уровнем 0 - 5 В.

Так как U_вхmin ≠ 0 В, причем U_вхmax > 0 > U_вхmin, то будем использовать не инвертирующий сумматор напряжений.

 

(3)

(4)

 

Рассчитав и подобрав сопротивления  R1 и R2, номинальные значения которых, будем выбирать по ряду Е96, получим следующее: 

 64,9 кОм;

 1 кОм.

Рисунок 3.2 - Схема сопряжения с аналоговым датчиком

 

Далее рассчитаем выходное, минимальное(максимальное) значения напряжения на DA1, по формуле (4):

;

.

Принимая сопротивление  R₅ равным 1 кОм, а , т.к. питание сумматора и питания микросхемы должно быть развязано, что бы ни оказывать воздействия на сигнал, рассчитаем остальные, оставшиеся сопротивления, не инвертирующего сумматора:

(5)

(6)

 

Рассчитав и подобрав сопротивления  R3 и R4, номинальные значения которых, будем выбирать по ряду Е96, получим следующее:

 

 

 

4. РАЗРАБОТКА  ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ БЛОКА ВЫВОДА УПРАВЛЯЮЩИХ СИГНАЛОВ

1. Блок  вывода аналогового управляющего сигнала

 

Для получения аналогового  управляющего сигнала необходимо использовать цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), преобразующий цифровой сигнал в аналоговый. В качестве ЦАП будем использовать микросхему AD5301.

Цифровой аналоговый преобразователя AD5301 представляет собой полный 8 разрядный цифроаналоговый преобразователь с выходом по напряжению. Диапазон изменения выхода OUT в пределах от 0,001 до 4,999В.

Рисунок 4.1 – Блок вывода аналогового управляющего сигнала

 

Возьмем конденсатор C1 по ряду E96 равным 0.1 мкФ, для обеспечения более стабильной работы микросхемы, так конденсатор служит своеобразным фильтром.

 

5. РАЗРАБОТКА  ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ БЛОКА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО  КАНАЛА СВЯЗИ

 

Протокол CAN является самый распространенный протокол в автомобильной электронике. Обеспечивает режим передачи: последовательный, широковещательный, пакетный. Все узлы в сети должны работать с одной скоростью. Стандарт CAN не определяет скоростей работы, но большинство как отдельных, так и встроенных в микроконтроллеры адаптеров позволяют плавно менять скорость в диапазоне, по крайней мере, от 20 килобит в секунду до 1 мегабита в секунду.

Методы контроля ошибок требуют, чтобы изменение бита при передаче успело распространиться по всей сети к моменту замера значения. Это  ставит максимальную длину сети в  обратную зависимость от скорости передачи: чем больше скорость, тем меньше длина.

Преимущества

• Простота реализации и минимальные затраты на использование.
• Высокая устойчивость к помехам.
• Надёжный контроль ошибок передачи и приёма.
• Широкий диапазон скоростей работы.

Недостатки

• Небольшое количество данных, которое можно передать в одном пакете (до 8 байт).
• Большой размер служебных данных в пакете (по отношению к полезным данным).

 

Для реализации последовательного  интерфейса CAN по модулю USART, выбранного микроконтроллера, будем использовать микросхему MCP2551.

Рисунок 5.1 – Схема включения  микросхемы MCP2551

 

Возьмем конденсатор C1 по ряду E96 равным 0.1 мкФ, для обеспечения более стабильной работы микросхемы, так конденсатор служит своеобразным фильтром. Резистор R1 равен 120 Ом по ряду Е96. Применяемые стабилитроны P6КЕ12 для выравнивания напряжение в линии, т.к. возможны скачки напряжения. Значения С1 и R1 выбраны в соответствии с рекомендациями производителя. 

6. РАЗРАБОТКА  ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ ПУЛЬТА УПРАВЛЕНИЯ

 

Для управления работой системы  служит пульт управления. В него входят следующие компоненты:

• Индикаторы РИ1 - РИ4;
• Восьмиразрядный регистр P5;
• Светодиод;
• Кнопка “СБРОС”
• Тумблер “ОСТАНОВ”
• Кнопка “ПРЕРЫВАНИЕ ОПЕРАТОРА”

 

Для использования пульта в нашем КМ, потребуется большое число контактов, для этого воспользуемся интерфейсом модуля MSSP шиной I²C. В качестве сопряжение с интерфейсом применим модуль расширения PCA9535. В качестве регистров индикации будем применять АЛ310.

Рисунок 6.1 – Схема включения  регистров индикации.

Выводы МР 21, 2, 3 используются для задания адреса в адресном пространстве MSSP. Схема построена следующим образом по рекомендации datasheet для светодиодов, т.к. ввод/вывод с открытым стоком.

Рисунок 6.2 – Схема включения  тумблеров P5 регистра, останова и сброса

 

Подтягивающие резисторы  будут указаны на общей схеме, подключенной к шине I²C. Внешний запрос прерывания формируется следующим образом: После установки необходимого значения К – регистра, кнопками SA1-SA7, необходимо нажать прерывание оператора, таким образом значение регистра будет занесено в память МК.

 

7. РАЗРАБОТКА  СТРУКТУРЫ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ  И ОБЩЕГО АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ

 

Рисунок 7.1 – Алгоритм работы микропроцессорной системы управления

 

Блок «инициализации»  выполняет начальную установку  системы: настройку периферийных модулей, посылку в выходные каналы начальных  значений управляющих воздействий  и т. д.

 

Блок «считывание информации с датчиков и регистра P5» считывает показания датчиков: цифровых, аналоговых и импульсных. Предполагается что значение регистра P5, переключателей ‘K’ пульта управления по прерыванию оператора уже хранится в памяти (регистр с именем P5REG).

Блок «обработки полученной информации» вычисляет необходимые функции, и в соответствии с ними выдает управляющие воздействия на управляющий механизм.

Блок «вывода информации на индикацию» осуществляет отображение информации на пульте управления в соответствии с техническим заданием.

Что же качается блоков «обработка аварийной ситуации» и «взаимодействие по последовательному каналу связи», то эти блоки выполняются в прерываниях, но включаются в алгоритм обработки.

В конце рабочего цикла  алгоритма, считывается с линии  порта, к которой подключен тумблер  “Останов”, значение линии и в соответствии с условием, программа либо зацикливается на проверке этой линии в ожидании изменения состояния, либо возвращается в начало к блоку «считывание информации с датчиков и регистра P5».

 

8. РАЗРАБОТКА  АЛГОРИТМА РАБОТЫ БЛОКА ЧТЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ С ЦИФРОВЫХ ДАТЧИКОВ

 

 

Рисунок 8.1 – Алгоритм работы блока чтения цифровой информации

 

После считывания информации с цифровых датчиков, значения записываются, каждый по своим регистрам, далее происходит вычисления булевой функции f(X1…X4). Далее система оценивает полученную в предыдущем блоке информацию f(x). Если функция не равна 1, то происходит переход к считыванию и обработке аналоговой информации. В случае равенства 1 происходит выработка сигнала Y1 = 1, длительностью T1= 1005 мкс. Затем следует конец обработки цифровой информации. Длительность машинного цикла: