5.2. Разработка принципиальной схемы системы управления объектом электропотребления

В этом разделе необходимо выбрать микроконтроллер, рассчитать датчики и функции преобразования для АЦП, выбрать ЖКИ и сформировать для него информационные сообщения, обосновать выбор устройств ввода информации (кнопки управления или матричная клавиатура), а также произвести расчет элементов гальванической развязки.

5.2.1. Выбор микроконтроллера

Учитывая тот факт, что придется использовать микропроцессорное устройство необходимо произвести анализ современных микропроцессорных устройств (МПУ), а именно микроконтроллеров, способных реализовать поставленную задачу.

При выборе микроконтроллера системы управления объектом электропотребления необходимо определить минимальные параметры микроконтроллера.

Определим параметры микроконтроллера исходя из функциональной схемы:

• программируемая память Flash не менее 2 кбайт;

• высокое быстродействие;

• наличие прерываний от внешних источников;

• наличие встроенного аналого-цифрового преобразователя с тремя каналами для оцифровки;

• не менее двух портов ввода вывода;

• наличие аналогового компаратора:

• низкая стоимость.

В соответствии с вариантом задания выбрать по прил. 2 для анализа пяти микроконтроллеров. Их основные параметры занести в таблицу и сравнить между собой применительно к поставленной задаче.

В табл. 5.1 приведены основные параметры наиболее часто используемых микроконтроллеров различных производителей. Для анализа были выбраны следующие микроконтроллеры:

• АТТту2313 (производитель фирма Atmel);

• ATMega16 (производитель фирма Atmel);

• ATMega103 (ATMega603) (производитель фирма Atmel);

• PIC16C926 (производитель фирма Microchip);

• РIС18С452 (производитель фирма Microchip).

Как видно из табл. 5.1, встроенным АЦП обладают все указанные в ней микроконтроллеры кроме АТTiпу2313. Поэтому при использовании АТTiпу2313 необходимо к нему подключить АЦП, а это в свою очередь заберет один из векторов внешнего прерывания. Кроме этого данный микроконтроллер оснащен всего лишь двумя портами, причем один из них семиразрядный.

Иная ситуация с микроконтроллером ATMega16, здесь уже имеется встроенный 8-канальный 10-разрядный АЦП и аналоговый компаратор и зарезервированные под них вектора прерываний. Данный микроконтроллер имеет четыре порта ввода-вывода, причем один порт используется для АЦП. Оставшихся трех портов достаточно для подключения к контроллеру остальных устройств.

Табл. 5.1.

Основные технические параметры наиболее часто применяемых микроконтроллеров

Параметр микросхемы	ATTiny2313	ATMega16	ATMega103	PIC16C926	PIC18С452
Предельная тактовая частота, МГц	20	8	6	8	40
Производительность, MIPS	20	8	6	2	10
Объем программного ПЗУ, Кб	2	16	128	32	14
Объем ЭСППЗУ данных, байт	128	1К	4К	Нет	Нет
Объем СОЗУ, байт	512	1K	4К	336	1536
Разрядность АЦП	Нет	10	10	10	10
Количество каналов для АЦП	-	8	8	5	8
Режимы пониженного энергопотребления	есть	есть	есть	есть	есть
Число тактов необходимое для выполнения одной команды (в среднем)	1	1	1	4	4
Количество двунаправленных портов (однонаправленных)	2(0)	4(0)	5(1)	5(1*)	4(1**)
Тип корпуса	TQFP, PDIP, PLCC	TQFP, PDIP, PLCC	TQFP	TQFP, PDIP, PLCC	TQFP, PDIP, PLCC

* – пятиразрядный порт подключения АЦП.

** – трехразрядный порт подключения АЦП.

Для микроконтроллера PIC16C926 характерно наличие пяти портов, позволяющих подключить индикатор и устройство ввода, а так же использовать один порт для управления двигателем. Один порт (5-разрядный) используется как входы АЦП для аналоговых сигналов и опорного напряжения. Имеется так же аналоговый компаратор. Два порта остаётся не задействованными.

Микроконтроллер PIC18C452 имеет программируемую память 14 Кб, этого более чем достаточно, встроенный АЦП использует трехразрядный и восьмиразрядный порт как входы АЦП для аналоговых сигналов и опорного напряжения. Кроме этого имеется встроенный аналоговый компаратор. Поэтому для подключения индикатора и устройство ввода, а так же для управления двигателем используется четыре порта.

Микроконтроллер ATMega103 имеет почти в 64 раза больше объем программируемого ПЗУ чем у АТTiпу2313. Здесь уже имеется встроенный 8-канальный 10-разрядный АЦП и аналоговый компаратор и зарезервированные под них вектора прерываний. Встроенный АЦП использует выводы одного порта для приема аналоговых сигналов. Кроме этого в ATMega103 при преобразовании АЦП используется технология шумоподавления, как и в остальных AVR-микроконтроллерах фирмы ATMEL, которая обеспечивает надежную работу АЦП. Данный микроконтроллер имеет пять двунаправленных портов ввода-вывода, причем один порт используется для АЦП. Оставшихся четырех портов более чем достаточно для подключения к контроллеру остальных периферийных устройств.

Как видно из табл. 5.1., наибольшую предельную тактовую частоту имеют микроконтроллеры PIC18C452 и АТTiпу2313, однако, одна команда в них выполняется за 4 и 1 такт соответственно. Поэтому необходимо сравнивать не тактовые частоты, а производительность микроконтроллеров, которая показывает частоту выполнения команд.

Сравнивая производительность микроконтроллеров можно сказать, что предельная частота выполнения команд PIC18C452 и АТTiпу2313 будет составлять 10 MIPS и 20 MIPS, а для контроллеров фирмы ATMEL она равна тактовой частоте – 6 или 8 MIPS соответственно. Р1С18С452 имеет лучшую производительность относительно ATMega16 и ATmega103, однако, из-за высокой цены Р1С18С452 и ATmega103, необходимо отказаться от их использования.

Проанализировав, вышеуказанные микроконтроллеры можно сделать вывод, что наиболее приемлемым вариантом является микроконтроллер ATMega16, так как для него не нужны дополнительные устройства и его цена достаточно низкая.

Ниже приведены основные характеристики и описание микроконтроллера ATMega16, на рис. 5.2. представлена его архитектура.

ATMega16 – это 8-разрядные КМОП RISC микроконтроллеры с внутрисиетемно программируемым Flash ПЗУ

Отличительные особенности:

• AVR RISC архитектура - архитектура высокой производительности и малого потребления.

• 121 команд, большинство которых выполняется за один машинный цикл

• 16 Кбайт Flash ПЗУ программ, с возможностью внутрисистемного перепрограммирования и загрузки через SPI последовательный канал, 1000 циклов стирание/запись.

• 1024 байт ЭСППЗУ данных, с возможностью внутрисистемного перепрограммирования и загрузки через SPI последовательный канал, 100000 циклов стирание/запись.

• 1024 байтов встроенного СОЗУ.

• 32 х 8 бит регистра общего назначения.

• 32 программируемые линии ввода/вывода.

• 8-канальный 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь.

• 16-разрядный и 32-разрядный формат команд.

• Программируемый полный дуплексный UART.

• Диапазон напряжений питания от 2,7 В до 6,0 В (ATMega16L) и от 4,0 В до 6,0 В (ATMega16).

• Полностью статический прибор – работает при тактовой частоте от 0 Гц до 8 МГц (ATMega16) и при тактовой частоте от 0 Гц до 4 МГц (ATMega16L).

• Производительность до 8 MIPS при частоте 8 МГц.

• Два 8-разрядных таймера/счетчика с отдельным предделителем и режимом сравнения.

• 16-разрядный (с режимами сравнения и захвата) таймер/счетчик с отдельным предделителем.

• Три ШИМ канала.

• Внешние и внутренние источники сигналов прерывания.

• Программируемый сторожевой таймер с собственным встроенным генератором.

• Встроенный аналоговый компаратор.

• Встроенные часы реального времени с собственным встроенным генератором и режимом счетчика.

• Блокировка режима программирования.

• Режимы энергосбережения: пассивный (idle), экономичный (power save) и пониженного энергопотребления (power down).

• Встроенная схема сброса по подаче питания.

• Промышленный (-40°С...85°С) и коммерческий (0°С...70°С) диапазоны температур.

• 40-выводной корпус PDIP и 44-выводпые PLCC и TQFP (рис. 5.3).

КМОП микроконтроллеры ATMega16 реализованы по AVR-RISC архитектуре (Гарвардская архитектура с раздельной памятью и раздельными шинами для памяти программ и данных). Выполняя команды за один тактовый цикл, приборы обеспечивают производительность, приближающуюся к 1 MIPS/МГц. AVR ядро объединяет мощную систему команд с 32 8-разрядными регистрами общего назначения и конвейерное обращение к памяти программ. Шесть из 32 регистров могут использоваться как три 16-разрядных регистра-указателя при косвенной адресации пространства памяти. Выполнение относительных переходов и команд вызова реализуется с прямой адресацией всего объема (16К) адресного пространство. Адреса периферийных функций содержатся в пространстве памяти ввода/вывода. Архитектура эффективно поддерживает как языки высокого уровня, так и программы на языке ассемблер.

Микроконтроллеры ATMega16 содержат: 16 Кбайт внутрисистемно программируемого Flash ПЗУ (16Kх16), 1024 байтов СОЗУ и 1024 байтов внутрисистемно программируемого ЭСППЗУ (микроконтроллеры), 32 линии ввода/вывода общего назначения, 32 регистра общего назначения, два 8-разрядных таймера/счетчика и один 16-разрядный таймер/счетчик с режимом захвата и сравнения, часы реального времени, 8-канальный 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь, систему внутренних и внешних прерываний, программируемый последовательный UART, программируемый сторожевой таймер с внутренним генератором, последовательный порт с интерфейсом SPI для внутрисистемной загрузки и для связи с внешними устройствами. Программно управляются три режима энергосбережения. В пассивном режиме (idle) ЦПУ останавливается, но СОЗУ, таймеры/счетчики, порт SPI, сторожевой таймер и система прерываний остаются активными. В режиме пониженного энергопотребления (power down) останавливается тактовый генератор и, следовательно, останавливаются все функции, пока не поступит сигнал внешнего прерывания или аппаратного сброса, но сохраняется содержимое регистров. В экономичном режиме (power save), при остановленном микроконтроллере, продолжает работать генератор таймера, что обеспечивает сохранность временной базы.

Рис. 5.2. Архитектура микроконтроллера ATMega16

Встроенная Flash помять программ и ЭСППЗУ данных могут перепрограммироваться непосредственно в системе посредством интерфейса SPI (в последовательном низковольтном режиме) или программироваться стандартными программаторами энергонезависимой памяти (в 12-вольтном параллельном режиме). Программирование микроконтроллеров ведется побайтово.

Максимальное потребление приборов в активном режиме составляет 3,0 мА и в пассивном режиме 1,2 мА (при VCC =3 В и f=8 МГц). В режиме пониженного энергопотребления, при работающем сторожевом таймере, микроконтроллер потребляет 15 мкА.

Объединение на одном кристалле усовершенствованного 8-разрядного RISC ЦПУ с загружаемым Flash ПЗУ позволило создать мощный микроконтроллер, обеспечивающий высокую гибкость и экономичность в его использовании в качестве встраиваемого МК.

Рис. 5.3. Типы корпусов микроконтроллера ATMegal6.

*Размеры в миллиметрах и (дюймах)

Рис. 5.4. Габаритные размеры корпуса TQFP микроконтроллера ATMega103.

Следует заметить, что установочные размеры для корпуса TQFP микроконтроллера ATmega103 и ATMega16 совпадают, а отличаются только количеством выводов.