Разработка системы сбора и обработки информации

Электрические параметры:

 
 

Расчет  элементов устройства гальванической развязки:

Выбираем оптрон АОТ174В (Iвх=20 мА,  Iвых=1 мА, U_П=5 В)

Сопротивление резисторов на входе  оптронов R6,R7,R8:

Ом

Сопротивление резистора R9,R10,R11:

 кОм 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.5 Микроконтроллер.

     Микроконтроллер — микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Использование одной микросхемы вместо целого набора, как в случае обычных процессоров, применяемых в персональных компьютерах, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость устройств, построенных на базе микроконтроллеров.

     В качестве микроконтроллера выбираем микросхему AT43USB325. Это законченная микропроцессорная  система для построения устройств  регистрации сигналов, которая может принимать сигналы от всевозможных устройств, и в цифровом виде выдавать  результаты преобразования, как в параллельном, так и последовательном формате. 

Функциональный  контроллер на основе ядра AVR (AT43USB325)

Особенности:

• 8-разр. RISC-микроконтроллер AVR с длительностью выполнения такта инструкции 83 нс.
• КМОП технология.
• USB-размножитель с одним присоединенным и четырьмя внешними портами
• Функция USB-клавиатуры с четырьмя программируемыми конечными точками
• 16 кбайт памяти программ, 512 байт памяти данных на статическом ОЗУ
• 32 8-разр. рабочих регистров общего назначения
• 42 программируемых линии ввода-вывода
• Поддержка матрицы клавиатуры 20 x 8
• Входы сканирования клавиатуры с подтягивающими резисторами
• Четыре светодиодных драйвера
• Один 8-разр. таймер-счетчик с отдельным предделителем
• Один 16-разр. таймер-счетчик с отдельным предделителем и двумя 8, 9 или 10-разр. ШИМ-генераторами
• Внутренние и внешние источники прерываний
• Программируемый сторожевой таймер
• Генератор 6 МГц со встроенной схемой ФАПЧ
• Работа от 5В при внутреннем напряжении питания 3,3В
• 64-выв. корпус LQFP.

 

Рис.2.5.1 Структурная схема AT43USB325.

рис.2.5.2 Расположение выводов AT43USB325 в 64-выв. корпусе LQFP

Назначение  ножек:

Vcc – 5В питание.

CS – 8-ми разрядный двунаправленный порт I/O (PA0).

HOLD – 8-ми разрядный двунаправленный порт I/O (PA1).

СEXT1 – контакт программируемого массива счетчиков.

XTAL1/XTAL2 – ножки  подключения внешнего генератора.

DPO/DMO – ножки  дифференциального сигнала USB I/O.

MISO – В режиме ведущего является входом последовательного регистра сдвига интерфейса SPI, а в режиме ведомого выходом.

MOSI – В режиме ведущего является выходом последовательного регистра сдвига интерфейса SPI, а в режиме ведомого входом.

SS - вход выбора  кристалла (включение схемы).

SCK - вход/выход  периферийного последовательного  тактового сигнала.

RST – ножка общего сброса.

GND – земля (Vss). 

Общее описание:

     AT43USB325 - 8-разр. микроконтроллер, выполненный  по архитектуре AVR RISC. За счет  выполнения большинства инструкций  за один машинный цикл AT43USB325 достигает  производительности 12 млн. оп. в сек.  Ядро AVR сочетает обширный набор инструкций с 32 рабочими регистрами общего назначения. Все 32 регистра непосредственно подключены к АЛУ, позволяя осуществить доступ к двум отдельным регистрам при выполнении одной инструкции за один машинный цикл. В результате данная архитектура обладает большей эффективностью программного кода и обладает быстродействием на порядок выше по сравнению с традиционными CISC-микроконтроллерами.

     AT43USB325 содержит 16 кбайт памяти программ  и 512 байт памяти данных. Он  поддерживает стандартный набор периферийных устройств, в т.ч. модули таймеров-счетчиков, сторожевой таймер и внутренние/внешние источники прерываний. Главным периферийным устройством, входящим в состав AT43USB325, является USB-размножитель со встроенной функцией и портами ввода-вывода, разработанные для реализации контролера клавиатуры. Встроенная функция имеет четыре конечных точки, что делает AT43USB325 идеально подходящим для применения в клавиатурах.

AT43USB325 выпускается  в двух исполнениях. У AT43USB325E память программ выполнена на основе статического ОЗУ, которая при подаче питания автоматически перезагружается данными из внешнего последовательного ЭСППЗУ. AT43USB325M хранит код программы в масочном ПЗУ. Обе версии совместимы по расположению выводов и выполняемым функциям.  
 

 рис. 2.5.3 Временные графики работы микроконтроллера 

     В активном режиме микроконтроллер на частоте 12 МГц потребляет порядка 25 мА и в пассивном режиме, при  котором остановлено ЦПУ но система прерываний, ОЗУ, таймеры счетчики событий и последовательный порт остаются активными, потребление снижается до 15% от потребления в активном режиме. В стоповом режиме потребление не превышает 100 мкА.

Микроконтроллеры  семейства АТ43 ориентированы на использование в качестве встроенных управляющих контроллеров в промышленном (-40°С...85°С) и коммерческом (0°С...70°С) диапазонах температур.

Номиналы  навесных элементов:

C4 = C5 = 27 µF

R18 = 100 кОм

R17 = 15 кОм

Частота кварцевого резонатора 12 МГц. 
 
 
 

2.6 Энергонезависимое  запоминающее устройство.

     Энергонезависимая память - перезаписываемая или оперативная память в электронном устройстве, сохраняющая своё содержимое вне зависимости от подачи основного питания на устройство.

     В более общем смысле, энергонезависимая память — любое устройство или его часть, сохраняющее данные вне зависимости от подачи питающего напряжения. Однако попадающие под это определение носители информации, ПЗУ, ППЗУ, устройства с подвижным носителем информации (диски, ленты) и другие носят свои, более точные названия.

     Поэтому термин «энергонезависимая память» чаще всего употребляется более узко, по отношению к такой электронной памяти, которая обычно выполняется энергозависимой, и содержимое которой при выключении обычно пропадает.

     Энергонезависимое устройство — любое устройство в составе комплекса, прибора, компьютерной системы, которое не требует подключения к общему в данном комплексе источнику питания для своей работы

     В качестве Flash-память была использована 5-вольтовая микросхема флэш-памяти объемом 64 Кб с последовательным интерфейсом SPI  - 25LC640 фирмы Microchip. Данная микросхема памяти считывает данные необходимые для работы (в том числе и адреса памяти для чтения и записи) с входа SI  и выдает данные на выход SO. Данная серия ИМС при напряжении питания 5В работает с тактовой частотой интерфейса SPI до 3 МГц. Данная память подходит по технологии проекта КМОП.

Отличительные особенности:

• Технология КМОП;
• питание 4.5В - 5.5В;
• совместима с SPI;
• максимальная тактовая частота 3 MHz;
• 8192 * 8 bit организация памяти;
• 32 bit на страницу;
• Максимальное время чтения 5мс;
• низкое энергопотребление 5.0В-входы: SI, SCK, CS, и WP;
• 1,000,000 циклов записи/чтения;
• сохранение данных – 200 лет;
• побайтовая запись;
• постраничная запись;
• пит корпуса PDIP/SOIC;

   Управляется микросхема памяти командами посылаемыми по SPI интерфейсу. Порядок посылки данных следующий: сначала идет 8-битная команда операции, затем адреса памяти, а затем данные. 
 

Расположение  выводов:

рис.2.6.1 Корпус EEPROM.

Назначение  ножек:

SI – последовательный  вход данных;

SO - последовательный вход данных;

CS – выбор  кристалла, включение схемы (инверсный).

Vcc – 5В питание.

GND – земля (Vss).

SCK - вход/выход  периферийного последовательного  тактового сигнала.

HOLD – блокировка  входа (инверсный).

2.7 Выходная нагрузка.

     Согласно  ТС в качестве выходной нагрузки выступает интерфейс USB.

USB ( англ. Universal Serial Bus) - универсальная последовательная  шина, предназначенная для подключения  периферийных устройств. Шина USB представляет собой последовательный  интерфейс передачи данных для  среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств.

     Для подключения периферийных устройств  к шине USB используется четырёхпроводный кабель, при этом два провода (витая  пара) в дифференциальном включении используются для приёма и передачи данных, а два провода - для питания периферийного устройства. Благодаря встроенным линиям питания, USB позволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания (максимальная сила тока, потребляемого устройством по линиям питания шины USB, не должна превышать 500 мА).