48706 (Разработка цифрового спидометра для ГИБДД)

Министерство образования Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра промышленной электроники(ПрЭ)

ЦИФРОВОЙ СПИДОМЕТР ДЛЯ ГИБДД

Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «Микропроцессорные устройства и системы»

ФЭТ КП.ХХХХХХ.006 ПЗ

Студент группы

«__» _________ 200 г

Руководитель проекта

профессор кафедры ПрЭ

_______

«__» _________ 2007 г

CОДЕРЖАНИЕ

1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2. Конкретизация технического задания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3. Разработка функциональной схемы устройства . . . . . . . . . . . . . 9

1. Радиолокационная установка (РЛУ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2. Микропроцессорная часть . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1. Обоснование алгоритма работы устройства . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2. Разработка управляющей программы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1. Схема алгоритма . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2. Пояснения к программе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

Список использованной литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

Приложение А. Листинг управляющей программы . . . . . . . . . . . . . 20

Приложение Б. Карта прошивки памяти программ . . . . . . . . . . . . 22

ФЭТ КП.XXXXXX.006 Э3 Плата микроконтроллера.

Схема электрическая принципиальная . . . 23

ФЭТ КП.XXXXXX.006 ПЭ3

Плата микроконтроллера. Перечень элементов . . . . . . . . . . . . . . . . 24

ВВЕДЕНИЕ

Микропроцессоры как основа совершенно нового поколения интеллектуальных машин встречаются повсюду: в детских игрушках, карманных калькуляторах для бытовых целей, промышленных роботах, бытовых электронагревательных приборах и т. д. В настоящее время микропроцессорные системы широко внедряются во все сферы учебной, научной и производственной деятельности. Вследствие создания программируемого элемента, называемого микропроцессором, теперь можно рассчитывать на ускорение разработок искусственного интеллекта.

Электронные вычислительные машины широко используются с 50-х годов. Вначале это были ламповые и дорогие машины, предназначенные для административно-управленческих целей, доступные только крупным предприятиям. Из-за появления нового элемента - микропроцессора структура и формы вычислительных машин изменились. Микропроцессор - это интегральная схема (ИС), обладающая такой же производительностью при переработке информации, что и большая ЭВМ. Более точно - это очень сложное программируемое устройство малых размеров, представляющее собой большую интегральную схему (БИС). Электронные вычислительные машины работают в соответствии - с загружаемой в них программой, микро-ЭВМ действуют по такому же принципу, она содержит микропроцессор и, по меньшей мере, один какой-либо либо тип полупроводниковой памяти.

Выполнение курсового проекта требует от будущего специалиста по промышленной электроники обязательных знаний не только о микропроцессорах и микропроцессорных системах в общем, т. е. сведениями о её аппаратной и программной частях, но и различных аспектов архитектуры, функционирования и применения микропроцессоров и микропроцессорных систем. Курсовой проект позволит студентам укрепить знания в области цифровой и микропроцессорной техники, почувствовать себя специалистами в области разработки этой аппаратуры и её программного обеспечения.

Кроме того, проектирование микропроцессорных систем наряду с организацией центрального процессора, подключением памяти и устройств ввода/вывода информации связано с разработкой прикладных программ на языке ассемблера используемого микропроцессора. Для успешного и эффективного построения микропроцессорных систем необходимо в совершенстве знать их программные возможности и предоставляемые ими средства. На этапе разработки прикладной программы используются различные компьютерные средства поддержки проектирования: кросс-трансляторы, эмуляторы, редакторы текстов, программаторы.

При выполнении курсового проекта по ЦиМПТ прямые интересы проектировщика электронного устройства замыкаются на решении специальных технических проблем: математического моделирования технического объекта, его эксплуатации и управления, разработки различных видов технологии и оборудования и т. д. В проекте раскрываются сложные вопросы структуры, функционирования, принципов построения аппаратных и программных средств микропроцессоров и микропроцессорных систем.

В курсовом проекте по ЦиМПТ микропроцессор является основой для построения электронного устройства с заданными в техническом - задании функциональными свойствами. Применение однокристальных микроконтроллеров в цифровых электронных устройствах обеспечивает достижение исключительно высоких показателей эффективности при низкой стоимости. В данном курсовом проекте таким электронным устройством является радар для ГИБДД с цифровой индикацией скорости автомобиля. Измерения скорости движущегося автомобиля основано на использовании эффекта Доплера. Суть эффекта заключается в следующем. Если источник (излучатель) электромагнитных волн (ЭМВ) и их приёмник движутся относительно друг друга, т. е. если расстояние между ними увеличивается или уменьшается, то приёмник будет воспринимать частоту, отличную от частоты источника, появляется доплеровский сдвиг частот. Естественно, что сдвига частот не будет, если расстояние между источником и приёмником не меняется. Самое главное то, что сдвиг частот жёстко связан со скоростью движущегося объекта.

Необходимо заметить, что прямой источник ЭМВ (радар) направленно излучает их на движущейся объект (автомобиль), а он, согласно принципу Гюйгенса, является источником вторичных ЭМВ. Это происходит за счёт эффекта отражения ЭМВ. Приёмник на этом же радаре улавливает отражённые от автомобиля ЭМВ, а по доплеровскому сдвигу частот микропроцессорная система определяет скорость авто и выводит её на трёхразрядный индикатор в км/ч.

Кроме того, микропроцессорной системой будет предусмотрена возможность контролировать превышение водителем скорости, задаваемой на трёх программных переключателях. В этом случае система осуществит фотографирование автомобиля, превысившего допустимую скорость движения. Фотоаппаратура должна иметь достаточно высокую чувствительность для того, чтобы фотоснимок обладал высоким качеством, так как на нём должен быть виден государственный номер автомашины.

Такого типа радары широко используются органами ГИБДД для измерения и контроля скорости движущихся автомобилей. Такие радары могут применятся как в стационарном варианте: излучатель, приёмник, микропроцессорная система, аппаратура для фотосъёмки, работающих автономно, независимо от человека; так и передвижном варианте. В этом случае радиолокационные приборы могут монтироваться на кузове автомобиля сотрудников ГИБДД, а микропроцессорная система - в салоне этого автомобиля, при этом необходимость в фотосъёмке автомашины отпадает, так как контроль за превышением водителями максимально допустимой скорости осуществляет непосредственно сотрудник ГИБДД, тут же останавливающий водителя, превысившего скорость.

1. Конкретизация технического задания

Задано, что разрабатываемым цифровым устройством является цифровой спидометр для органов государственной автомобильной инспекции (радиолокационный прибор с цифровой индикацией скорости). Контролируемая скорость должна быть не менее 200 км/ч, для измерения скорости можно использовать эффект Доплера. Проектируемое устройство должно измерять скорость автомобиля, индицировать его в км/ч очевидно на трёх семисегментных индикаторах, осуществлять контроль за превышением скорости и осуществлять фотосъёмку автомашины, превысившей максимально допустимую скорость. Допустимую скорость можно задавать на программных переключателях.

Применение здесь микроконтроллера полностью оправдано, т. к. скорость автомобиля математически выражается через доплеровский сдвиг частоты .

В передвижном варианте радара особых требований к рабочему температурному режиму не предъявляется, т. к. микропроцессорная часть проектируемого устройства размещается внутри салона автомобиля, снабжённого отопительной установкой. В стационарном варианте необходимо обеспечить температурный режим, не нарушающий работоспособность микропроцессорной системы.

Предполагаемое конструктивное исполнение проектируемого устройство - отдельное изделие.

1. Разработка функциональной схемы устройства

1. Радиолокационная установка (РЛУ)

Радиолокационные приборы излучатель и приёмник могут быть устроены по супергетеродинной схеме, основанной на двухканальном, амплитудно-импульсном методе, так, как показано на рисунке 3.1. На этом рисунке приведён пример доплеровской радиолокационной установки с непрерывным излучением.

Эхо сигнал от движущейся цели принимается приемниками канала 1 и канала 2. После преобразования в первом канале первичная частота:

fпч = fпр ± Fd1, соответственно во втором канале fпч = fпр ± Fd2, где Fd1 и Fd2 – доплеровские добавки, а fпр – первоначальная частота, задающаяся гетеродинами 1 и 2 каналов.

С игналы с выходов каналов складываются в сумматоре, где выделяется частота биения Fб = Fдоп = Fd1 – Fd2. Следовательно:

Р исунок 3.1 - Функциональная схема радиолокационной установки

, где с – скорость света.

Рассмотрим подробную работу схемы РЛУ.

Р исунок 3.2. – Тракт зондирующего импульса

Тракт зондирующего импульса рис 3.2 предназначен для формирования высокочастотных зондирующих импульсов из маломощного непрерывного сигнала. Непрерывный сигнал с кварцевого генератора блока перестройки частот П1 усиливается усилителем мощности (в блоке П1 задается частота fзад). В смесителях происходит сложение несущей частоты f1 в первом канале и f2 во втором канале с частотой fзад. Затем образованные частоты складываются в блоке сложения мощностей для последующего усиления в пятикаскадной усилительной цепочке. Ферритовый циркулятор служит для переключения РЛУ с приема на передачу и обратно.

Р исунок 3.3. – Тракт эхо сигнала

Тракт эхо сигнала (сигнала поступающего от движущегося автомобиля) рис 3.3. выполнен по супергетеродинной схеме с двойным преобразованием частоты. Отраженные от автомобиля сигналы f1 ± Fd1 и f2 ± Fd2 поступают на фильтры первого и второго каналов через переключатель сигналов и усилитель высоких частот. В этих фильтрах происходит разделение сигнала на два канала, после этого в первых смесителях под действием частоты fзад выделяются промежуточные частоты fпр. Дальше эхо сигнал поступает на вторые смесители где формируется оптимальная ширина пропускания. В сумматоре происходит совмещение двух импульсов и компенсация помех. На выходе сумматора имеем сигнал с частотой Доплера Fдоп.

Данная схема РЛУ свободна от таких недостатков как малочувствительность, потому что в ней отсутствуют тепловые и дробовые шумы, а так же мерцательные шумы, вносимые полупроводниковыми и электронными приборами. Мощность мерцательных шумов обратно пропорциональна частоте, и именно на низких доплеровских частотах шумы кристаллического смесителя могут значительно снизить чувствительность приёмника.

1. Микропроцессорная часть

Устройство можно спроектировать с применением однокристального микроконтроллера семейства МК48. Микросхемы семейств МК48 и МК51 получили наибольшее распространение среди микросхем такого класса. Использование микросхемы DD3 К1830ВЕ35 в данном случае - самый экономичный вариант реализации устройства. Функциональная схема устройства изображена на рисунке 3.4. Прикладную программу можно разместить во внешней памяти программ - микросхеме DD9 ПЗУ К556РТ5. Адрес очередной ячейки ПЗУ фиксируется во внешнем регистре DD4. Микроконтроллер содержит на кристалле три 8-разрядных порта. Линии порта P1 и линии P2.4-P2.7 используются для трёхразрядной индикации скорости (км/ч). Для индикации можно использовать тройку светодиодных семисегментных цифровых индикаторов HG1..HG3, например, типа АЛС324А. Индикаторы подключаются к портам микроконтроллера через дешифраторы DD6..DD8 (514ИД1), преобразующие двоично-десятичное содержимое портов в коды управления цифровыми индикаторами.

В данном варианте решения предполагается использование расширителя ввода/вывода DD5 - микросхемы К580ВР43. Расширитель ввода/вывода обеспечивает подключение четырёх дополнительных четырёхразрядных портов P4-P7. Порты P4, P5, P6 используются для ввода в микроконтроллер инверсного двоично-десятичного кода максимально допустимой скорости на данном участке дороги, для этого к ним подключаются три программных переключателя SA1..SA3 типа ПП10-ХВ, на лимбах которых и задаётся максимальная скорость. Линия 0 порта P7 используется для подачи управляющего импульса на аппаратуру фотосъёмки, которая запускается при появлении на линии P7.0 нулевого уровня.

У микроконтроллера задействованы входы T0 и T1. Со входом Т1 связан фотодатчик. Фотоэлемент формирует на входе T1 импульс с нулевым уровнем в тот момент, когда автомобиль проезжает мимо него, это используется для того, чтобы сделать фотоснимок автомобиля именно в нужный момент, если водитель превысил максимально допустимую скорость.