ПЗ (1230212), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

Расчетная схема для определения времени отключения главного выключателя от промежуточного реле изображена на рисунке 2.9.

Рисунок 2.9 – Расчетная схема для определения собственного времени отключения от промежуточного реле

Вольтметр V1 включается в цепь управления главного выключателя, а вольтметр V2 в силовую цепь между контактами с дугогашением и разъединителем. Временные диаграммы напряжений на зажимах вольтметров отображены на рисунке 2.10.

Рисунок 2.10 – Временные диаграммы напряжений V1 и V2 для определения собственного времени отключения от промежуточного реле

Диаграмма V2 по длине соответствует времени перелёта ножей разъединителя. Время от заднего фронта V1 до переднего фронта V2 и будет являться измеряемым временем T, следовательно, необходимо использовать логический элемент “И–НЕ”, входы которого подключаются к зажимам вольтметров V1 и V2, а выход к сигнальному проводу прибора.

3 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ПРИБОРА

В соответствии с техническим заданием, необходимо разработать цифровой миллисекундомер с диапазоном измерения времени от 0 до 999 мс на базе микроконтроллера ATmega8, на сигнальный вход которого будет поступать импульс напряжения, длина которого должна быть измерена.

Проектируемый миллисекундомер должен быть функциональным, и в тоже время простым в использовании. Минимально необходимый набор кнопок должен включать кнопки “Включение/Выключение” и “Сброс”.

Машинный цикл микроконтроллера намного меньше разрешающей способности индикации, следовательно, погрешность прибора будет минимальной.

3.1 Разработка источника питания устройства

В качестве питания для проектируемого миллисекундомера используется источник постоянного напряжения, а именно – две батарейки типа АА. Напряжение на выходе от двух батареек равно 2,6 В, а как известно для корректной работы микроконтроллера необходимо 5 В, следовательно, необходимо повысить напряжение на входе микроконтроллера до 5 В. В разрабатываемом приборе будет использоваться повышающий преобразователь MAX756.

MAX756 является ступенчатыми повышающими CMOS DC-DC стабилизаторами с питанием от источника с низким напряжением или с питанием от батареи представлен на рисунок 3.1.

Рисунок 3.1 – Внешний вид (а) и расположение выводов (б) преобразователя напряжения MAX756

MAX756 может работать с входным напряжением от 0,7 В и преобразовывать его в выбираемое по состоянию вывода, напряжение с уровнем 3,3 В или 5 В. Типовой коэффициент полезного действия преобразования при полной загрузке для MAX756 превышает 87 %.

Типовая схема включения MAX756 без использования индикации низкого заряда батареи изображена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 – Типовая схема включения MAX756

3.2 Микроконтроллер ATmega8

По мере того как люди распознали и научились использовать вычислительную мощь компьютеров и микропроцессоров, они поняли, что эти устройства можно использовать и по-другому, например, для контроля и управления. Поэтому инженеры начали встраивать микропроцессоры во всевозможные устройства, не имеющие ничего общего с компьютером. Но здесь уже не требовалась большая вычислительная мощность, много памяти или большое быстродействие. Поэтому появилась особая категория микропроцессоров, предназначенная для контроля за определенными действиями, а не для обработки больших чисел. Некоторое время спустя эти микропроцессоры приобрели собственную идентичность и стали называться микроконтроллерами. Микроконтроллер ATmega8 – один из самых успешных микроконтроллеров AVR представлен на рисунок 3.3.

Рисунок 3.3 – Внешний вид микроконтроллера ATmega8

Семейство микроконтроллеров AVR было создано в 1996 г. корпорацией Atmel, а разработчиками архитектуры микроконтроллеров являются Alf-Egil Bogen и Vegard Wollan. Отсюда и происходит название семейства – от первых букв имен разработчиков – A и V, и первой буквы аббревиатуры RISC – типа архитектуры, на которой базируется архитектура микроконтроллера. Также эту аббревиатуру часто расшифровывают как Advanced Virtual RISC (модернизированный эффективный RISC).

Диаграмма размещения выводов ATmega8 показана на рисунке 3.4. Микроконтроллер в отличие от своих предшественников имеет 28 выводов, поэтому нет необходимости использовать одни и те же контакты для различных функций. Например, отдельные выводы отведены под тактовый генератор (выводы 9 и 10) и сигнал сброса (вывод RESET). Тем не менее, в сравнении с большинством других моделей, ATmega8 остается небольшим микроконтроллером.

Высокая эффективность микроконтроллеров ATmega8 достигается за счет архитектуры ядра, подобная архитектура обычно применяется в RISC микропроцессорах.

Рисунок 3.4 – Расположение выходов на микроконтроллере АTmega8

Основные особенности архитектуры микроконтроллера ATmega8:

- 8-разрядный высокопроизводительный AVR микроконтроллер с малым потреблением;

- прогрессивная RISC архитектура;

- 130 высокопроизводительных команд, большинство команд выполняется за один тактовый цикл;

- 32 8-разрядных рабочих регистра общего назначения полностью статическая работа. Приближающаяся к 16 MIPS (при тактовой частоте 16 МГц);

- энергонезависимая память программ и данных;

- 8 Кбайт внутри системно программируемой Flash памяти (In-System Self-Programmable Flash);

- обеспечивает 1000 циклов стирания/записи, дополнительный сектор загрузочных кодов с независимыми битами блокировки. Обеспечен режим одновременного чтения/записи (Read-While-Write) 512 байт EEPROM;

- обеспечивает 100000 циклов стирания/записи ,1 Кбайт встроенной SRAM;

- программируемая блокировка, обеспечивающая защиту программных средств пользователя;

- встроенная периферия;

- два 8-разрядных таймера/счетчика с отдельным предварительным делителем, один с режимом сравнения;

- один 16-разрядный таймер/счетчик с отдельным предварительным делителем и режимами захвата и сравнения;

- счетчик реального времени с отдельным генератором;

- последовательный интерфейс SPI (ведущий/ведомый);

- программируемый сторожевой таймер с отдельным встроенным генератором;

- встроенный аналоговый компаратор;

- специальные микроконтроллерные функции.

- встроенный калиброванный RC-генератор;

- внутренние и внешние источники прерываний;

- пять режимов пониженного потребления: Idle, Power-save, Power-down, Standby и снижения шумов ADC;

- 23 программируемые линии ввода/вывода;

- 28–выводной корпус PDIP;

- рабочие напряжения 4,5–5,5 В;

- рабочая частота 0–16 МГц.

Особенностью гарвардской архитектуры является наличие раздельных адресных пространств для хранения команд и данных как показано на рисунке 3.5. Эта архитектура почти не использовалась до конца 1970-х годов, пока разработчики микроконтроллеров наконец-то поняли, что именно она даёт им определённые преимущества. В частности, анализ реальных программ показывает, что объём памяти данных микроконтроллера, используемый для хранения промежуточных результатов, примерно на порядок меньше требуемого объёма памяти программ. Значит, можно сократить разрядность шины данных, а заодно и ускорить доступ к информации сразу в обоих частях памяти. Как следствие, сейчас большинство современных микроконтроллеров используют RISC – архитектуру гарвардского типа.

Рисунок 3.5 – Гарвардская архитектура организации памяти

На рисунке 3.6 показаны основные функциональные узлы микроконтроллеров серии ATmega8, а также связи между ними.

Рисунок 3.6 - Функциональная схема микроконтроллера ATmega8

Память микроконтроллера ATmega8 содержит не менее четырех областей представленная в таблице 3.1. Каждая область памяти поддерживает при этом определенную функцию или средства доступа.

Таблица 3.1 – Особенности памяти микроконтроллера ATmega8

В идеальном варианте считывание из памяти и запись в нее должно происходить за ничтожно малый промежуток времени, она должна занимать ничтожно малое пространство и потреблять как можно меньше энергии. На практике же ни одна из технологий памяти не соответствует этим требованиям. Обычно каждая технология имеет преимущество по какому-то одному критерию, но по другим критериям уступает остальным технологиям. Не существует самой лучшей технологии памяти, и разные технологии при­меняются согласно разным потребностям.

В статической памяти RAM (SRAM) каждая ячейка памяти представляет собой обычный триггер с использованием встречно-параллельного включения двух транзисторных пар. Два дополнительных транзистора дают ячейке возможность подключиться к главному массиву. Таким образом каждая из ячеек содержит шесть транзисторов, поэтому можно сделать вывод, что память SRAM не является компактной. Данные сохраняются до тех пор, пока подается питание. Таким образом, память SRAM – энергозависимая. Однако если ее выполнить по технологии комплементарной логики на транзисторах металл-оксид-полупроводник, то она будет потреблять очень мало электроэнергии и сможет сохранять данные при пониженном напряжении (около 2 В). В результате данная технология очень популярна в системах с питанием от батареек. Память SRAM главным образом используется в качестве памяти данных микроконтроллера.

Память EPROM (Erasable Programmable Read–Only Memory) – стираемая программируемая постоянная память. По этой технологии каждая ячейка памяти состоит из одного полевого транзистора, однако в данном случае внутри транзистора встроен "плавающий затвор". Заряжать плавающий затвор можно с помощью технологии под названием "инжекция горячих электронов". В незаряженном состоянии транзистор ведет себя как обычно и во время активации выход ячейки принимает одно логическое состояние. В заряженном состоянии транзистор уже не работает "корректно" и не реагирует на активацию. Заряд, помещенный на плавающий затвор, полностью удерживается окружающим изолятором. Таким образом, технология EPROM является энергонезависимой. Тем не менее, память EPROM может быть легко стерта, если ее подвергнуть влиянию сильного ультрафиолетового излучения. Это излучение дает удерживаемым электронам достаточную энергию для выхода из плавающего затвора.

Специальная версия памяти EPROM называется OTP (однократно программируемая). В данном случае пластиковый корпус микросхемы не оснащен окошком и, значит, память можно запрограммировать только один раз, без возможности последующего стирания.

Поскольку ячейка EPROM содержат только один транзистор, такая память – очень компактная и надежная. Требование к наличию кварцевого окошка и керамического кор­пуса, для возможности стирания, повышает ее себестоимость и снижает гибкость. Технологию EPROM часто использовали для реализации памяти программ, в результате чего весь корпус микроконтроллера приходилось делать керамическим, с кварцевым окошком. На сегодняшний день технология EPROM повсеместно уступает дорогу флэш-памяти.

Память EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read–Only Memory – электронно-перепрограммируемая постоянная память) также использует технологию плавающего затвора. Но размеры ее ячейки еще меньше, поскольку в ней применен иной метод удержания заряда плавающего затвора – туннелирование по Нордхайму-Файлеру. С помощью этой технологии возможно стирание ячейки памяти и запись в нее электрическим способом. Для этого необходимо, чтобы вокруг самого запоминающего элемента присутствовало несколько переключающих транзисторов, в результате чего теряется высокая плотность памяти EPROM.

В основном, в память EEPROMможно записывать и стирать побайтно. Это особенно удобно для сохранения отдельных блоков данных, наподобие телевизионных настроек или номеров мобильных телефонов. Как считывание, так и стирание данных происходит за ограниченный промежуток времени (до нескольких миллисекунд), хотя считывание занимает время, типичное для доступа к полупроводниковой памяти (то есть в пределах нескольких микросекунд). Как и в случае с памятью EPROM, плавающий затвор полностью улавливается изолятором, и потому память EEPROM также не является энергозависимой. Структура этой памяти очень точная, и поэтому страдает от своеобразного "износа". Принимая это во внимание, производители гарантируют только определенное количество циклов стирания/записи, которое можно воспроизвести с данным типом памяти.

Флэш-память представляет собой дальнейшую эволюцию технологии памяти с плавающим затвором. В ней каждая ячейка также содержит один транзистор, но одновременно применяются и технология инжекции горячих электронов, и технология туннелирования по Нордхайму-Файлеру (для записи и стирания электрическим способом). Флэш-память не содержит дополнительных переключающих транзисторов, как в памяти EEPROM, поэтому поддерживает только блочное стирание. Благодаря этому она реализуется с очень высокой плотностью, сравнимой с плотностью памяти EPROM. Как и память EEPROM, она подвержена "износу", и поэтому процесс записи и стирания – не бесконечен.

3.3 Тактирование прибора

Тактирование милисекундомера происходит при помощи внутреннего генератора микроконтроллера. Тактовый сигнал необходим для выполнения инструкций микроконтроллера и работы периферийных модулей. Внутренний машинный цикл микроконтроллера состоит из четырех периодов тактового сигнала.

Тактовый генератор микроконтроллера может работать в одном из восьми режимов. Существует два режима внутреннего RC генератора, отличающихся между собой режимом работы вывода микроконтроллера (вывод микроконтроллера работает как CLKOUT или как универсальный порт ввода/вывода). Режим работы тактового генератора определяется битами в слове конфигурации, расположенными в энергонезависимой памяти. Настроить биты конфигурации можно только при программировании микроконтроллера. Возможные режимы тактового генератора:

Характеристики

Список файлов ВКР