Розробка програмного забезпечення

 

 

 

 

 

 

 

     2.2.  Вибір елементної бази

     2.2.1. Цифровий датчик температури  Як було зазначено вище, вже на первинному етапі розробки цифрового пристрою за основу було обрано цифрові датчики компанії Dallas Semiconductor. Цей вибір є практично обґрунтованим через такі основні переваги температурних датчиків цієї фірми:

• Пряме перетворення температури в цифровий код без застосування додаткових АЦП;
• Можливість роботи з мережею MіcroLAN, що дозволяє приєднувати по двох проводах практично необмежену кількість датчиків;
• Відсутність додаткових зовнішніх компонентів;
• Заводське калібрування і корекція нелінійності;
• Широкий діапазон вимірювання температури (-55°C...+125°C);
• Помилка виміру температури не більш 0,5°C (крім DS1821 - 1,0°C)
• Час перетворення температури в цифрове значення не більш 1 секунди.

 

Проаналізуємо параметри основних моделей датчиків компанії Dallas Semiconductor (табл. 1):

Таблиця 1

Модель Крок вимі-рювання, °C/бит Uжив., В Інтерфейс Корпус Примітки Короткий опис DS1620 0,5 / 9 4,5...5,5 3W DIP8, SO8 FT Цифровий термометр і термостат DS1621 0,5 / 9 2,7...5,5 2W (I2C) DIP8, SO8 FT Цифровий термометр і термостат DS1624 0,03125 / 13 2,7...5,5 2W (I2C) DIP8, SO8 256 байт ЕСППЗП Цифровий термометр DS18B20 0,5...0,0625 / 9...12 3,0...5,5 MicroLAN TO92, SO8 ML 16 біт ЕСППЗП, FT Однопроводний цифровий термометр DS18S20 0,5 / 9 3,0...5,5 MicroLAN TO92, SO8 ML 16 біт ЕСППЗП, FT Однопроводний цифровий термометр DS1821 1,0 / 8 2,7...5,5 1W TO92, SO8 FT Програмуємий цифровий термостат

Скорочення: FT - функція термостата; ML - цифровий термометр дозволяє побудову протяжних систем дистанційного вимірювання температури шляхом об’єднання по мережі MicroLAN; Типи інтерфейсу: 3W - 3-х провідний послідовний; 2W (I2C) - 2-х провідний послідовний; 1W - 1- провідний послідовний; MicroLan - 1-провідна мережа.

     Враховуючи задані початкові  вимоги щодо побудови термометра, в якості внутрішнього термодатчика  оберемо  модель  DS1820, в якості зовнішнього - DS1821.

     Розглянемо особливості роботи  даних термодатчиків. 

     DS1820 є сумісним з мережею 9-розрядним цифровим термометром. Діапазон вимірюваних температур складає -55 +125°С з кроком 0,5°С. DS1820 складається з ПЗП з унікальним ідентифікаційним номером, контролера MіcroLAN, температурного датчика і двох регістрів для збереження верхнього і нижнього порогів температури (рис.2).

Рис. 2 Структурна схема цифрового датчика DS1820

 

    Термометр не містить внутрішнього джерела, а використовує "паразитне" живлення від однопровідної шини. Застосування зовнішнього джерела  живлення прискорює перетворення температури, оскільки від ведучої шини не потрібне очікування протягом  максимально  можливого часу перетворення. У цьому випадку всі прилади DS1820, розташовані на шині, можуть виконувати перетворення температури одночасно і під час обміну даними шини MіcroLAN.    Після завершення перетворення отримане значення порівнюється з величинами, що зберігаються в регістрах TH і TL. Якщо вимірювана температура виходить за встановлені межі, встановлюється сигнальний "прапор" (утім, його установка виробляється після кожного виміру). При встановленому "прапорі" датчик відповідає на команду "Пошук сигналу". Це дозволяє швидко ідентифікувати точку з відхиленнями температури понад припустимі межі і відразу вважати показання відповідного термометра. Якщо команда "Пошук сигналу" не застосовується, регістри TH і TL можуть бути використані як регістри загального призначення. 

     Цифровий термометр підвищеної точності DS18S20 має параметри, аналогічні DS1820, і програмно сумісний з ним. Основна відмінність DS18S20 полягає в тому, що в діапазоні вимірюваних температур від -10 до +85°С точність виміру складає ±0,5°С. Крім цього, старший байт регістра температури містить біт знака (S), що вказує на позитивну або негативну температуру.    Цифровий термометр із програмувальним дозволом DS18B20 призначений для виміру температури з заданою користувачем точністю. Для цього в його склад уведений регістр конфігурації, що встановлює один з дозволів: 0,5; 0,25; 0,125 або 0,0625°С.

     DS1821 є програмуємим цифровим термостатом, що призначений для роботи в системах терморегулювання на виробництві, у побутових пристроях, термометрах і т.п.  Термостат формує сигнал високого рівня ("1"), якщо температура в зоні виміру перевищить встановлену користувачем. Сигнал залишається в стані "1" доти  , поки температура не знизиться до рівня нижнього порога, також встановлюваного користувачем. Задані значення верхніх і нижнього температурних порогів зберігаються в енергонезалежній пам'яті.      

Рис. 3. Структурна схема програмуємого  термостата DS1821

 

     2.2.2. Мікроконтроллер

     В процесі розробки апаратних засобів у якості блока керування було обрано мікроконтролер сімейства АТ89 фірми Atmel. В загальному випадку контролер АТ89 являє собою восьмирозрядну однокристальну мікроЕОМ із системою команд MCS-51 фірми Іntel. Мікроконтролери виготовляються по КМОП (CMOS) технології і мають повністю статичну структуру. До складу сімейства входять мікроконтролери 15-ти типів. Розглянемо основні типи контролерів, запам'ятовуючі і периферійні пристрої і деякі вузли, що входять до складу мікроконтролерів кожного типу, а також їх основні характеристики та подамо результати аналізу таблично (табл.2, табл.3):

Таблиця 2

Тип МК	IROM	IRAM	IDROM	EM	I/O	SP	T/С	IS	IV	SPI	WDT	AC	DPTR
АТ89С1051	1K	64	-	-	15	-	1	3	3	-	-	+	1
АТ89С1051U	1K	64	-	-	15	+	2	6	5	-	-	+	1
АТ89С2051	2K	128	-	-	15	+	2	6	5	-	-	+	1
АТ89С4051	4K	128	-	-	15	+	2	6	5	-	-	+	1
АТ89С51  АТ89LV51	4K	128	-	+	32	+	2	6	5	-	-	-	1
АТ89С52  АТ89LV52	8K	256	-	+	32	+	3	8	6	-	-	-	1
АТ89С55  АТ89LV55	20K	256	-	+	32	+	3	8	6	-	-	-	1
АТ89S53  АТ89LS53	12K	256	-	+	32	+	3	9	6	+	+	-	2
АТ89S8252  АТ89LS8252	8K	256	2K	+	32	+	3	9	6	+	+	-	2
АТ89S4D12	4K	256	128K	-	5	-	-	-	-	+	-	-	2

ІROM - Іnternal ROM - внутрішній постійний запам'ятовуючий пристрій, призначений для зберігання команд програми та констант,

IRАM - Internal RАM - внутрішній оперативний запам'ятовуючий пристрій, призначений для зберігання даних.

IDROM - Internal Data ROM - внутрішній репрограмуємий запам'ятовуючий пристрій для зберігання даних

EM - External Memory - зовнішня пам'ять/ відсутність можливості підключення зовнішньої пам'яті відзначене знаком <->/

   Контролери, що не мають IDROM та EM , містять такі  периферійні пристрої: відносяться восьмирозрядні паралельні порти введення-виведення Р0, Р1, Р2, Р3, послідовний порт SP, таймери-лічильники Т/С0, Т/С1, Т/С2 і контролер переривань.

I/O -  сумарна кількість входів-виходів паралельних портів;

Т/С -  кількість таймерів-лічильників;

IS- Interrupt Source- кількість джерел запитів переривання

IV- Interrupt Vector- кількість векторів переривання

SPI- блок послідовного периферійного інтерфейсу

WDT - сторожовий таймер

АС - аналоговий компаратор

Таблиця 3

Тип МК	Vcc (В)	Fosc (МГц)	Icc (мА)	N
АТ89С1051	2,7-6,0	0-24	15	20
AT89C1051U	2,7-6,0	0-24	15	20
АТ89С2051	2,7-6,0	0-24	15	20
АТ89С4051	2,7-6,0	0-24	15	20
АТ89С51	4,0-6,0	0-24	20	40
АТ89LV51	2,7-6,0	0-12	20	40
АТ89С52	4,0-6,0	0-24	25	40
АТ89LV52	2,7-6,0	0-12	25	40
AT89C55	4,0-6,0	0-33	25	40
АТ89LV55	2,7-6,0	0-12	25	40
АТ89S53	4,0-6,0	0-33	25	40
АТ89LS53	2,7-6,0	0-12	25	40
АТ89S8252	4,0-6,0	0-33	25	40
АТ89LS8252	2,7-6,0	0-12	25	40
АТ89S4D12	3,3 (+-10%)	12-15	20	10

Vcc, В       - діапазони значень напруги живлення;

Fosc, МГц - діапазони значень тактової частоти;

Icc, мА   - значення струму споживання в робочому режимі при максимальному значенні напруги живлення і Fosc=12 Мгц.

N           - число виводів, що використовуються для підключення мікроконтролера до схеми пристрою.

 

     Враховуючи постановку задачі, оберемо мікроконтролер АТ89С2051.

     Мікроконтролер AT89C2051 містить: 4 Кбайти Flash, 128 байтів RAM, 15 ліній вводу/виводу загального призначення, два 16-бітових таймери/лічильники, 5 дворівневих систем переривань, повний дуплексний послідовний порт, аналоговий прецизійний компаратор, сторожовий таймер з внутрішнім генератором; розробляється зі статичною логікою операцій. Програмно управляються два режими енергозбереження. В пасивному режимі  (idle) центральний процесор зупиняється, але RAM, таймери/лічильники, порт SPI, сторожовий таймер і система переривань залишаються активними. Зобразимо структурну схему контролера:   

     Рис.4 Структурна схема мікроконтролера AT89C2051

 

      Розглянемо розводку виводів мікросхеми та призначення кожного з портів (рис.5):

  VCC   -  напруга живлення;

  GND   -  земля;

  Port 1 - 8-розрядний двунаправлений порт введення/виведення. Для портів P1.2 - P1.7 необхідні вбудовані навантажувальні резистори; для P1.0, P1.1 – також і зовнішні. Вихідні буфери забезпечують втікаючий струм 20 мА. При використанні виводів порта P1.2 - P1.7 в якості входів та при підключених вбудованих навантажувальних резисторах буде забезпечений струм витоку. Port 1також отримує дані щодо кодів протягом  програмування і перевірки Flash.

Port 3 – (для P3.0 … P3.5, P3.7) 7-розрядний двунаправлений порт I/O із вбудованими навантажувальними резисторами. Вихідні буфери забезпечують втікаючий струм 20 мА.                Рис.5 Розводка виводів

При використанні виводів  порта в якості входів і установці  зовнішнім сигналом в низький стан, струм буде витікати тільки при підключених вбудованих навантажувальних резисторах. Port 3 також використовується при реалізації різноманітних спеціальних функцій, крім того отримує спеціальні управляючі сигнали щодо програмування і перевірки Flash.

  RESET - вхід скидання. Для виконання скидання необхідно утримувати високий рівень на вході протягом двох машинних циклів.

   XTAL1 -вхід інвертуючого підсилювача генератора і вхід схеми вбудованого генератора тактової частоти.

   XTAL2      - вихід інвертуючого підсилювача генератора