Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

Факультет «Робототехника и комплексная автоматизация»

Кафедра «Робототехника»

Зотов А.Н., Куренев П.Н.

Техническое описание

многофункционального устройства

URC220

Москва

2007

1. Общее описание платы

Рис.1.1 Внешний вид платы URC220

Плата URC220 представляет собой многофункциональное устройство, основанное на базе процессора AT91SAM7S64 и обладающее рядом различных функций.

На плате имеются логические порты ввода-вывода (1/0), кнопки, светодиоды, аналого-цифровые преобразователи, два потенциометра (переменных резистора), разъёмы для двух инкрементных датчиков угла (энкодеров), а также два силовых драйвера фирмы Allegro (A3949), что даёт возможность подключать к плате два небольших двигателя постоянного тока.

Для связи с компьютером на плате имеются интерфейсы RS232 (защищен магнитной развязкой) и USB 2.0

1.1 Технические характеристики

Процессор: AT91SAM7S64

- частота: 55 МГц

- объём памяти RAM: 16 КБ

- объём памяти ROM: 64 КБ

- максимальное число портов ввода-вывода: 32

- каналов ШИМ контроллера: 4

- каналов 10-битного АЦП: 8

- контроллеров USART: 3

- DMA каналов: 11

- число 16-битных таймеров: 3

- SPI контроллер: 1 (до 16 подключаемых устройств)

- TWI контроллер: 1

- SSC контроллер: 1

Приемопередатчик интерфейса RS232: MAX3221EEAE

Максимальная скорость RS232: 250 кбод/с

Развязка интерфейса RS232: ADuM1201

DC-DC преобразователь для развязки RS232: AM1D-0505SZ

Элементы на плате:

- 8 светодиодов

- 4 кнопки

- кнопка сброса

- 2 потенциометра

- стабилизатор напряжения на 5 В (LM2937IMP-5.0, до 500 мА)

- стабилизатор напряжения на 3.3 В (LM2937IMP-3.3, до 500 мА)

- самовосстанавливающиеся предохранители для защиты линий 5 и 3.3 В (ток срабатывания – 500 мА)

- 2 драйвера двигателя A3949SLB (максимальный ток ±2.8 А)

Разъемы на плате:

- стандартный разъём для JTAG (2 x 5), позволяет загружать и отлаживать программу в процессоре

- USB Client 2.0 (до 12 Мбит/с)

- разъем для интерфейса RS232 (DB9F)

- стандартный аксиальный разъем питания

Клеммники:

- клеммник питания (повторяет аксиальный разъем)

- контакты для 8-ми портов вывода (соответствуют светодиодам)

- 4 порта ввода (соответствуют кнопкам)

- два АЦП

- клеммник для вывода 2-х каналов ШИМ

- контакты для подключения 2-х энкодеров

- два клеммника для подключения двигателей

Питание платы: от 7 до 20 В через клеммник или от USB

Размер платы: 130х95 мм

1.2 Процессор AT91SAM7S64

Рис.1.2 Внешний вид процессора

В процессоре реализована так называемая SoC архитектура (System on Chip – система на чипе). Процессор включает в себя широко распространённое 32-х разрядное ядро, к которому подключен контроллер памяти (Memory controller). С помощью него происходит обмен данными с оперативной (RAM) и постоянной (ROM) памятью. Через шину данных APB, также подключенной к контроллеру памяти, происходит обмен информацией между ядром процессора и многочисленными периферийными устройствами, также установленными внутри процессора (см. рис. 1.3).

К периферийным устройствам относятся:

- системный контроллер (реализует прерывания (AIC - Advanced Interrupt Controller), таймер (PIT - Periodic Interval Timer), сторожевой таймер (WDT – Watchdog Timer), контроллер сброса, контроллер портов ввода-вывода (PIOA - Parallel Input/Output Controller A), контроллер UART интерфейса для отладки (DBGU) и т.д.)

- два контроллера интерфейса связи USART (Universal Synchronous/Asynchronous Receiver Transmitter - универсальный синхронный/асинхронный приемопередатчик)

- контроллер интерфейса связи SPI (Serial Peripheral Interface – последовательный периферийный интерфейс)

- восемь каналов АЦП (ADC)

- контроллер интерфейса связи TWI (Two-wire Interface – двухпроводной интерфейс)

- контроллер интерфейса связи SSC (Synchronous Serial Controller – синхронный последовательный контроллер)

- контроллер ШИМ (PWMC – Pulse Width Modulation Controller)

- контроллер USB интерфейса (Universal Serial Bus)

Большая часть периферийных устройств соединена с PDC контроллером (Peripheral Data Controller), что позволяет обмениваться данными между этими устройствами и ОЗУ, используя DMA (Direct Memory Access) архитектуру, минуя ядро процессора, что позволяет экономить вычислительные ресурсы.

Встроенная флэш-память может программироваться через интерфейс JTAG-ICE или через параллельный интерфейс с помощью производственного программатора, что выполняется перед монтажом на плату. Встроенные биты блокировки и бит защиты позволяют защитить прошивку микроконтроллера от несанкционированной перезаписи или хищения.

Благодаря встроенной программе SAM-BA, контроллер также можно программировать через COM порт (DBGU контроллер) и USB.

В состав системного контроллера микроконтроллеров AT91SAM7S64 входит контроллер сброса, который управляет последовательностью действий при подаче питания микроконтроллера и всей системы. Контроль за корректностью работы микроконтроллера выполняют детектор снижения напряжения питания и сторожевой таймер, тактируемый встроенным RC-генератором.

Более подробную информацию и полную документацию на данный процессор можно найти на сайте производителя (www.atmel.com).

Рис.1.3 Блок-схема процессора

1.3 Драйверы двигателей A3949

Рис.1.4 Внешний вид драйвера A3949

A3949SLB – мостовой ШИМ-драйвер управления электродвигателями постоянного тока, способный обеспечить до ±2,8А выходного тока при рабочем напряжении до 36В.

Выводы ENABLE и PHASE (см. рис. 1.5) используются для контроля за скоростью и направлением вращения электродвигателя соответственно дополнительно к внешнему ШИМ-сигналу. С помощью сигнала SLEEP драйвер можно перевести в экономичный режим «сна». Внутренняя управляющая цепь синхронного выпрямления уменьшает мощность рассеяния во время ШИМ-операций.

Отличительные особенности:

- напряжение питания: 36В

- выходной ток: ±2,8А

- функция перевода в режим "сна"

- защита от пониженного напряжения питания (UVLO)

- защита от сквозных токов

- защита от перегрева с гистерезисом

- температурный диапазон: –20°C...+85°C

Функциональная схема A3949 приведена на рисунке 5.

Выводы VREG, CP1, CP2, VCP, VBB и SENSE необходимы для корректной подачи питания к микросхеме. Подробное описание драйвера, включая все технические характеристики, можно найти на сайте производителя (www.allegromicro.com).

Выводы OUTA и OUTB – силовые выводы для двигателя – подведены на клеммники на плате для подключения нагрузки.

Выводы MODE, PHASE, ENABLE и SLEEP – это логические (1 или 0) входы микросхемы, управляют подачей тока на нагрузку. Ниже приведена таблица состояний в зависимости от значений на этих ножках:

PHASE	ENABLE	MODE	SLEEP	OUTA	OUTB	Функция
1	1	X1	1	H2	L3	движение вперед
0	1	X	1	L	H	движение назад
X	0	1	1	L	L	динамическое торможение4
1	0	0	1	L	H	динамическое торможение5
0	0	0	1	H	L	динамическое торможение5
X	X	X	0	Hi-Z6	Hi-Z	режим сна

¹ значение на логическом входе ни на что не влияет

² высокий уровень на силовом выходе («плюс»)

³ низкий уровень на силовом выходе («минус»)

⁴ динамическое торможение коротким замыканием катушки ротора

⁵ динамическое торможение противовключением, при достижении нулевого значения тока выводы OUTA и OUTB переходят в высокоимпедансное состояние

⁶ высокоимпедансное состояние выводов OUTA и OUTB, т.е. сопротивление между этими выводами равно бесконечности (разрыв цепи)

Вход MODE на плате у обоих микросхем уже подтянут на логическую 1, поэтому его значение менять нельзя. Остальные входы драйверов двигателей подведены к ножкам процессора AT91SAMS64, поэтому программа, выполняемая на данном процессоре, может менять состояние выводов OUTA и OUTB.

Таким образом, для включения микросхемы нужно подать логическую 1 на вход SLEEP. Далее, для регулирования скорости вращения двигателя, нужно подать ШИМ сигнал на вход ENABLE. Тогда, если PHASE = 1, то с большой скоростью меняются режимы «движение вперед» и «динамическое торможение». В зависимости от значения ШИМ (величина скважности), большую часть времени (или всё время целиком) занимает или «движение вперед», или «динамическое торможение». Таким образом, происходит регулирование скорости. Аналогично и для PHASE = 0.

Рис.1.5 Блок-схема драйвера A3949

2. Элементы на плате

2.1 Порты вывода и светодиоды

На плате размещено 8 портов вывода (клемник OUT[0..7]), продублированных светодиодами (см. рис. 2.1.1)

Рис 2.1.1 Клемник OUT[0..7].

Работа порта вывода заключается в том, что при установке в нем логической единицы на одном из выводов ("ножке") процессора появляется напряжение 3.3 вольта. Присоединённый к выводу светодиод начинает. При установке логического нуля в порту на этом же выводе процессора напряжение сбрасывается до 0 вольт (процессор замыкает этот вывод на землю), при этом светодиод гаснет. На рисунке 2.1 показана схема подключения светодиода к выводу процессора.

Рис. 2.1.2 Подключение светодиода к процессору

В таблице 2.1 показано соответствие между ножками процессора и клеммами.

Таблица 2.1.1

Номер клеммы	Назначение клеммы	Название ножки процессора	Номер ножки на процессоре
1	3.3 Вольта
2	OUT0	PA17	9
3	OUT1	PA18	10
4	OUT2	PA21	11
5	OUT3	PA19	13
6	OUT4	PA22	14
7	OUT5	PA23	15
8	OUT6	PA20	16
9	OUT7	PA16	19
10	GND (земля)

Клемма 3.3 Вольта подключена к линии с напряжением 3.3 Вольта, клемма может быть использована для питания внешних устройств с потреблением тока на более 100 мА. Клемма GND подключена к общей земле платы. Каждый вывод (OUT0..OUT7) может выдать не более 3 мА. К этим выводам недопустимо подключать двигатель и подобные мощные потребители.

2.2 Порты ввода и кнопки

На плате размещено 4 порта ввода (клеммник INPUNT[0..3]). Порты ввода продублированы кнопками на плате. На рисунке 2.2.1 показан клеммник с кнопками, и отмечена первая клемма.