Реферат: Устройство контроля за уровнем аналоговых сигналов

--PAGE_BREAK--Источниками информации могут служить любые устройства, выдающие плавно изменяющиеся во времени  аналоговые сигналы уровень которых лежит в пределах 0-5 В ( уровни ТТЛ ).
1.3 Приемники информации (выходных сигналов)
Приемниками  информации служат семисегментные светодиодные индикаторы, светодиоды и динамик.
1.4 Возможные пути (варианты) решения поставленной задачи
Все МКУ разрабатываются с помощью программных и аппаратных способов реализации.
Преимущества аппаратной реализации заключаются в том, что:
а) использование специальных БИС упрощает разработку и обеспечивает высокое быстродействие системы в целом;
б) уменьшается время на разработку и отладку устройства.
Преимущества программной реализации такие;
а) меньшая стоимость и потребляемая мощность системы;
б) меньшее количество компонент в системе, а значит выше надежность системы в целом;
в) время жизни системы значительно выше по сравнению с аппаратной реализацией;
г) возможность простой модификации системы (путем перепрограммирования).
Не смотря на то, что численно преимуществ программной реализации больше, чем у аппаратной, бывают случаи, где без аппаратной части просто не обойтись. Но не в данной задаче.
Глобальная задача обработки входных данных и принятия решения будет реализована программным путем, так как именно для этого предназначен микроконтроллер. Если же входные данные обрабатывать аппаратно (собрать схему на жесткой логике), тогда ТЗ теряет свой смысл, в нем оговорено спроектировать микроконтроллерное устройство, а значит для МК останется только задача формирования выдачи выходного сигнала. Хотя эту задачу нельзя назвать слишком уж простой, и осуществить ее решение на жесткой логике было бы затруднительно и дороговато.
И зачем пытаться что-то реализовать аппаратно, если можно без особых усилий достичь того же результата, используя микроконтроллер. Поэтому обработкой входных сигналов будет заниматься МК под управлением соответствующей программы.
К тому же чем меньше элементов будет в проектируемом устройстве тем оно будет надежнее и дешевле.

1.5. Возможные варианты структурных схем и их сравнительный анализ
Для реализации данного устройство можно предложить следующие варианты:
1)                                          на микроконтроллере со встроенным  АЦП;
2)                                           
<img width=«472» height=«162» src=«dopb252927.zip» v:shapes="_x0000_s1051 _x0000_s1052 _x0000_s1053 _x0000_s1054 _x0000_s1055 _x0000_s1056 _x0000_s1057 _x0000_s1058 _x0000_s1059 _x0000_s1060 _x0000_s1061 _x0000_s1062 _x0000_s1063 _x0000_s1064 _x0000_s1065 _x0000_s1066 _x0000_s1067 _x0000_s1068 _x0000_s1069">  

 
рис. 1.5.1 Структурная схема устройства на микроконтроллере со встроенным  АЦП.
где:
ВС – входной аналоговый сигнал,
СД – сигналы данных для индикации (в том числе звуковой),
УС – сигналы  управления индикацией 
3)                                          внешний АЦП + 3 портовый микроконтроллер без АЦП
<img width=«507» height=«174» src=«dopb252928.zip» v:shapes="_x0000_s1070 _x0000_s1071 _x0000_s1072 _x0000_s1073 _x0000_s1074 _x0000_s1075 _x0000_s1076 _x0000_s1077 _x0000_s1078 _x0000_s1079 _x0000_s1080 _x0000_s1081 _x0000_s1082 _x0000_s1083 _x0000_s1084 _x0000_s1085 _x0000_s1086 _x0000_s1087 _x0000_s1088 _x0000_s1089 _x0000_s1090 _x0000_s1091 _x0000_s1092">  

рис. 1.5.2 Структурная схема устройства на микроконтроллере с внешним АЦП.
где:
ВС – входной аналоговый сигнал,
СД – сигналы данных для индикации (в том числе звуковой),
УС – сигналы  управления индикацией 
4)                                          внешний АЦП + компоратор + дешевый 2 портовый
   микроконтроллер.
<img width=«266» height=«196» src=«dopb252929.zip» v:shapes="_x0000_s1098 _x0000_s1095 _x0000_s1094">      

<img width=«26» height=«26» src=«dopb252930.zip» v:shapes="_x0000_s1099"><img width=«135» height=«12» src=«dopb252931.zip» v:shapes="_x0000_s1100">                                      
<img width=«579» height=«355» src=«dopb252932.zip» v:shapes="_x0000_s1109 _x0000_s1106 _x0000_s1127 _x0000_s1132 _x0000_s1130 _x0000_s1124 _x0000_s1116 _x0000_s1105 _x0000_s1119 _x0000_s1120 _x0000_s1121 _x0000_s1122 _x0000_s1128 _x0000_s1123 _x0000_s1133 _x0000_s1131 _x0000_s1104 _x0000_s1126 _x0000_s1125 _x0000_s1110 _x0000_s1103 _x0000_s1115 _x0000_s1113 _x0000_s1112 _x0000_s1111 _x0000_s1114 _x0000_s1129 _x0000_s1118 _x0000_s1117 _x0000_s1107 _x0000_s1108 _x0000_s1102">  

рис. 1.5.3 Структурная схема устройства на микроконтроллере с внешним  АЦП и блоком компорации.
где:
ВС – входной аналоговый сигнал,
СД – сигналы данных для индикации (в том числе звуковой)
УС – сигналы  управления индикацией 
ФК – флаг компорации (результат сравнения)
Кі1, Кі2 – константы нижнего и верхнего пороговых уровней
1.6 Обоснование выбора структурной схемы
Учитывая все аспекты, рассмотренные в п.1.4 ПЗ, мы выбираем 1 вариант реализации (на микроконтроллере со встроенным  АЦП).
1.7. Обоснование выбора ОМК для решаемой задачи
Для решения данной задачи необходим МК, который содержит в себе следующие характеристики в соответствии с ТЗ:
1)    Встроенный АЦП с разрядностью 8р.
2)    имеет 1 линий для ввода аналогового сигнала
3)    имеет 14 линий  вывода (8 – входные данные для семисегментные световые индикаторы,  3 – для выбора индикатора, 2-для светодиодов и 1- для динамика );
4)    позволяет использовать кварцевый и внешний генератор;
5)     имеет в наличии ПЗУ;
6)    будет доступным и сравнительно недорогим.
7)    иметь достаточное быстродействие
Еще одним немаловажным моментом является наличие документации на МК, чтобы правильно его запрограммировать.
Учитывая все требования, нами был выбран микроконтроллер PIC16C72, так как он в наибольшей степени удовлетворяет всем вышесказанным условиям.
Но поскольку оценить нужное быстродействие без написания программы трудно, возможно нам придется заменить его на микроконтроллер того же семейства 16с7х  но более быстродействующий.

2. Структурная схема устройства и её описание
2.1Структурная схема
После обоснования выбора структурной схемы устройства останавливаемся на схеме с микроконтроллером со встроенным АЦП. Структурная схема приведена на рисунке 2.1.
<img width=«472» height=«162» src=«dopb252933.zip» v:shapes="_x0000_s1134 _x0000_s1135 _x0000_s1136 _x0000_s1137 _x0000_s1138 _x0000_s1139 _x0000_s1140 _x0000_s1141 _x0000_s1142 _x0000_s1143 _x0000_s1144 _x0000_s1145 _x0000_s1146 _x0000_s1147 _x0000_s1148 _x0000_s1149 _x0000_s1150 _x0000_s1151 _x0000_s1152">  

рис. 2.1 Структурная схема устройства на микроконтроллере со встроенным  АЦП.
где:
ВС – входной аналоговый сигнал,
СД – сигналы данных для индикации (в том числе звуковой),
УС – сигналы  управления индикацией 
2.1.1                            Назначение отдельных функциональных блоков
Блок ЦПУ предназначен для преобразования входного аналогового сигнала в цифровое представление, сравнения этого значения с константами и в зависимости от результата сравнения осуществлять управление устройством индикации, предварительно преобразовав информацию о уровне аналогового входного сигнала в форму пригодную для блока индикации.
Блок индикации предназначен для вывода информации о уровне входного аналогового сигнала, в виде десятичных чисел, с заданными количеством знакомест и частотой обновления данных. Кроме того блок индикации с помощью двух светодиодов и динамика информирует попадает ли уровень сигнала в область, ограниченную константами Кі1 и Кі2. 
2.2            Описание принципа действия и общий алгоритм работы
Аналоговый сигнал, поступающий на вход АЦП микроконтроллера, преобразовывается в цифровое представление. Затем микроконтроллер сравнивает  уровень входного сигнала с двумя константами, хранящимися в ПЗУ,  и в зависимости от результата сравнения подает сигналы на динамик и светодиоды, по линиям СД. Кроме того микроконтроллер преобразовывает информацию о уровне аналогового входного сигнала в форму пригодную для блока индикации, эта информация передается по линиям СД. 
Обновление информации на блоке индикации целиком зависит от МК, оно происходит с заданной частотой 44 Гц. По линиям УС, от микроконтроллера в блок индикации, передаются сигналы, предназначенные для выбора знакоместа.
2.3 Функциональная схема устройства и ее краткое описание <img width=«614» height=«222» src=«dopb252934.zip» v:shapes="_x0000_s1153 _x0000_s1154 _x0000_s1155 _x0000_s1156 _x0000_s1157 _x0000_s1158 _x0000_s1159 _x0000_s1160 _x0000_s1161 _x0000_s1162 _x0000_s1163 _x0000_s1164 _x0000_s1165 _x0000_s1166 _x0000_s1167 _x0000_s1168 _x0000_s1169 _x0000_s1170 _x0000_s1171 _x0000_s1172 _x0000_s1173 _x0000_s1174 _x0000_s1175 _x0000_s1176 _x0000_s1177 _x0000_s1178 _x0000_s1179 _x0000_s1180 _x0000_s1181 _x0000_s1182 _x0000_s1183 _x0000_s1184 _x0000_s1185 _x0000_s1186 _x0000_s1187 _x0000_s1188 _x0000_s1189 _x0000_s1190 _x0000_s1191 _x0000_s1192 _x0000_s1193 _x0000_s1194 _x0000_s1195 _x0000_s1196 _x0000_s1197 _x0000_s1198 _x0000_s1199 _x0000_s1200 _x0000_s1201 _x0000_s1202 _x0000_s1203 _x0000_s1204 _x0000_s1205 _x0000_s1206 _x0000_s1207 _x0000_s1208 _x0000_s1209 _x0000_s1210 _x0000_s1211 _x0000_s1212 _x0000_s1213 _x0000_s1214 _x0000_s1215 _x0000_s1216 _x0000_s1217 _x0000_s1218 _x0000_s1219 _x0000_s1220 _x0000_s1221 _x0000_s1222 _x0000_s1223 _x0000_s1224 _x0000_s1225 _x0000_s1226 _x0000_s1227 _x0000_s1228 _x0000_s1229 _x0000_s1230 _x0000_s1231 _x0000_s1232 _x0000_s1233 _x0000_s1234"> 

          
          
Рисунок 3.1 Функциональная схема МКУ
Тактирование
поскольку на устройство наложены достаточно жесткие меры по  скорости измерения мы  будем использовать кварцевый генератор, кроме того с помощью замены кварца мы можем варьировать временем выполнения программы.

4.                             Расчет потребляемой мощности и определение требований к источникам питания.
4.1 Расчет потребляемых токов
Расчет потребляемых токов сводится к тому, что необходимо определить суммарное потребление тока всеми микросхемами, то есть:
<shapetype id="_x0000_t75" coordsize=«21600,21600» o:spt=«75» o:divferrelative=«t» path=«m@4@5l@4@11@9@11@9@5xe» filled=«f» stroked=«f»><path o:extrusionok=«f» gradientshapeok=«t» o:connecttype=«rect»><lock v:ext=«edit» aspectratio=«t»><shape id="_x0000_i1026" type="#_x0000_t75" o:ole=""><imagedata src=«57055.files/image012.wmz» o:><img width=«132» height=«55» src=«dopb252935.zip» v:shapes="_x0000_i1026">                                               (4.1)
где Iобщ — общий ток, потребляемый устройством,
Ik — ток, потребляемый k-той микросхемой,
m — общее число микросхем,
n — число микросхем данного типа.
*При условии индикации «8». Поскольку у нас динамическая индикация, то одновременно горит только один индикатор, поэтому общий потребляемый ток равен 35 mA( тоже самое и со светодиодами).
Получаем общий ток потребления:
Iобщ =  25 + 35 + 10+ 25 = 95 mA
4.2 Расчет потребляемой мощности
Расчет потребляемой мощности сводится к тому, что необходимо определить мощность потребляемую устройством, то есть:
<shape id="_x0000_i1027" type="#_x0000_t75" o:ole=""><imagedata src=«57055.files/image014.wmz» o:><img width=«168» height=«25» src=«dopb252936.zip» v:shapes="_x0000_i1027">                                       (4.2)
где Робщ — общая потребляемая мощность,
Uпит — напряжение питания,Iобщ — общий ток потребления.
<shape id="_x0000_i1028" type="#_x0000_t75" o:ole="" fillcolor=«window»><imagedata src=«57055.files/image016.wmz» o:><img width=«185» height=«25» src=«dopb252937.zip» v:shapes="_x0000_i1028">
Принимаем потребляемую мощность не более 0,5 Вт.

4.3 Расчет надежности
Интенсивность отказов l характеризуется отношением числа изделий в единицу времени к числу изделий, продолжающих оставаться исправными к началу рассматриваемого промежутка времени:
<shape id="_x0000_i1029" type="#_x0000_t75" o:ole=""><imagedata src=«57055.files/image018.wmz» o:><img width=«64» height=«55» src=«dopb252938.zip» v:shapes="_x0000_i1029">                                                   (4.3)
где m — число изделий, отказавших за время t,
N — число исправно работающих изделий к началу промежутка времени.
Интенсивность отказов элементов следующая:
микросхемы – 0.85×10-6 (ч-1),
резисторы – 0.9×10-6 (ч-1),
конденсаторы – 1.4×10-6 (ч-1).
Тогда,
<shape id="_x0000_i1030" type="#_x0000_t75" o:ole="" fillcolor=«window»><imagedata src=«57055.files/image020.wmz» o:><img width=«397» height=«27» src=«dopb252939.zip» v:shapes="_x0000_i1030"> (ч-1)
<shape id="_x0000_i1031" type="#_x0000_t75" o:ole="" fillcolor=«window»><imagedata src=«57055.files/image022.wmz» o:><img width=«234» height=«36» src=«dopb252940.zip» v:shapes="_x0000_i1031"> 
Поскольку не учтена интенсивность отказа некоторых элементов примем что наработка на отказ составит около 35 000 часов. Такую надежность устройства можно считать приемлемой.

5. Расчет временных параметров
По ТЗ разрабатываемое устройство должно проводить динамическую индикацию с частотой 44Гц. И, в определенной ситуации, звуковую индикацию, с частотой последовательности  импульсных  сигналов 3730 Гц.
Для соблюдения поставленных в ТЗ условий нам потребуется выполнять процедуру динамической индикации через время tди=22727 мкс, а процедуру звуковой индикации через время tзи=268 мкс.
Нам известно что скорость выполнения одной команды, при использовании PIC16C72, тактируемого от кварца 4Мгц, занимает четыре такта (не считая goto и т.п.), т.е скорость выполнение среднестатистической команды равна 1 МГц. Значит наша процедура динамической индикации должна срабатывать каждые 22727 командных циклов микроконтроллера, а процедура звуковой индикации каждые 268 командных циклов.
Кроме того нам известно, что АЦ преобразование в выбранном нами микроконтроллере (PIC16C72) длиться не более 20 мкс.
Эти данные будут нужны при настройке таймеров и задержек в программе.

6. Разработка и отладка рабочей программы.
Возможно предложить следующие варианты решения поставленной задачи:
1.                 Написать программу которая в непрерывном цикле Производит АЦП преобразование, перевод результата в семисегментный код, и осуществляет динамическую индикацию.
    продолжение
--PAGE_BREAK--