Разработка блока АЦП на МК

    Микроконтроллеры  отличаются наличием энергонезависимой  памяти данных, возможности многократного  перепрограммирования памяти программ, небольшим количеством внешних  выводов и низким энергопотреблением.

    Микроконтроллер КР1878ВЕ1 является представителем семейства  ТЕСЕЙ и обладает следующими характеристиками:

• производительность до 4 MIPS на тактовой частоте 8 МГц;
• перепрограммируемая память программ 1Кґ16;
• память данных RAM 128ґ8, EEPROM данных 64ґ8;
• периферия: сторожевой таймер, 16-бит таймер-счётчик с предделителем, 12 линий ввода/вывода и поддержка прерываний;
• ток потребления меньше 2 мА при напряжении питания 5 В и тактовой частоте 5 МГц.

    Микроконтроллер выпускается в 18-выводном исполнении. 

8. Микроконтроллеры фирмы Atmel

    Компания ATMEL Corp. — один из мировых лидеров в производстве широкого спектра микросхем энергонезависимой памяти, FLASH - микроконтроллеров и микросхем программируемой логики, взяла старт по разработке RISC – микроконтроллеров в середине 90-х годов, используя все свои технические решения, накопленные к этому времени. Концепция новых скоростных микроконтроллеров была разработана группой разработчиков исследовательского центра ATMEL в Норвегии, инициалы которых затем сформировали марку AVR. Первые микроконтроллеры AVR AT90S1200 появились в середине 1997 г. и быстро снискали расположение потребителей.

    AVR-архитектура,  на основе которой построены  микроконтроллеры семейства AT90S, объединяет мощный гарвардский  RISC-процессор с раздельным доступом  к памяти программ и данных, 32 регистра общего назначения, каждый  из которых может работать  как регистр- аккумулятор, и  развитую систему команд фиксированной  16-бит длины. Большинство команд  выполняются за один машинный  такт с одновременным исполнением  текущей и выборкой следующей  команды, что обеспечивает производительность  до 1 MIPS на каждый МГц тактовой  частоты.

    32 регистра общего назначения образуют  регистровый файл быстрого доступа,  где каждый регистр напрямую  связан с АЛУ. За один такт  из регистрового файла выбираются  два операнда, выполняется операция, и результат возвращается в  регистровый файл. АЛУ поддерживает  арифметические и логические  операции с регистрами, между  регистром и константой или  непосредственно с регистром.

    Регистровый файл также доступен как часть  памяти данных. 6 из 32-х регистров  могут использоваться как три 16-разрядных  регистра-указателя для косвенной  адресации. Старшие микроконтроллеры семейства AVR имеют в составе АЛУ  аппаратный умножитель.

    Базовый набор команд AVR содержит 120 инструкций. Инструкции битовых операций включают инструкции установки, очистки и  тестирования битов.

    Все микроконтроллеры AVR имеют встроенную FLASH ROM с возможностью внутрисхемного программирования через последовательный 4-проводной интерфейс.

    Периферия МК AVR включает: таймеры-счётчики, широтно-импульсные модуляторы, поддержку внешних прерываний, аналоговые компараторы, 10-разрядный 8-канальный  АЦП, параллельные порты (от 3 до 48 линий  ввода и вывода), интерфейсы UART и SPI, сторожевой таймер и устройство сброса по включению питания. Все эти качества превращают AVR-микроконтроллеры в мощный инструмент для построения современных, высокопроизводительных и экономичных контроллеров различного назначения.

    В рамках единой базовой архитектуры AVR-микроконтроллеры подразделяются на три подсемейства:

• Classic AVR — основная линия микроконтроллеров с производительностью отдельных модификаций до 16 MIPS, FLASH ROM программ 2–8 Кбайт, ЕEPROM данных 64–512 байт, SRAM 128–512 байт;
• mega AVR с производительностью 4–6 MIPS для сложных приложений, требующих большого обьёма памяти, FLASH ROM программ 64–128 Кбайт, ЕEPROM данных 64–512 байт, SRAM 2–4 Кбайт, SRAM 4 Кбайт, встроенный 10-разрядный 8-канальный АЦП, аппаратный умножитель 8ґ8;
• tiny AVR — низкостоимостные микроконтроллеры в 8-выводном исполнении имеют встроенную схему контроля напряжения питания, что позволяет обойтись без внешних супервизорных микросхем.

    AVR-микроконтроллеры  поддерживают спящий режим и  режим микропотребления. В спящем  режиме останавливается центральное  процессорное ядро, в то время  как регистры, таймеры-счётчики, сторожевой  таймер и система прерываний  продолжают функционировать. 

 

    В режиме микропотребления сохраняется  содержимое всех регистров, останавливается  тактовый генератор, запрещаются все  функции микроконтроллера, пока не поступит сигнал внешнего прерывания или аппаратного сброса. В зависимости  от модели, AVR-микроконтроллеры работают в диапазоне напряжений 2,7–6 В  либо 4–6 В (исключение составляет ATtiny12V с напряжением питания 1,2 В).

    3.1.9 Описание выбранного микроконтроллера

    Особый  интерес представляют малогабаритные микроконтроллеры с микромощным  потреблением. Среди них можно  выделить серию AT90S фирмы Atmel.

    Данное  семейство микроконтроллеров рекомендуется для использования в устройствах управления и регулирования.

    К числу отличительных особенностей МК серии AT90S относятся:

 •  производительность, приближающаяся к 1 МIРS/МГц;

 •  усовершенствованная  AVR RISС архитектура;

 •  разделены шины памяти команд и данных , 32 регистра общего назначения;

 • flash ПЗУ программ, с возможностью внутрисистемного перепрограммирования и загрузки через SРI последовательный капал,  1000 циклов стирание/запись;

 • ЭСППЗУ данных, с возможностью внутрисистемной загрузки через SРI последовательный капал, 100 000 циклов стирание/запись;

 •  блокировка режима программирования;

 • встроенные аналоговый компаратор, сторожевой таймер, порты SPI и UART, таймеры/счетчики;

 •  полностью статические приборы, работают на частоте от 0 Гц до 20 МГц;

 •  диапазон напряжений питания от 2,7 В  до 6,0 В;

 •  режимы энергосбережения: пассивный (idle) и стоповый (power down).

    КМОМ  микроконтроллеры семейства АТ905 выполнены  по AVR™ RISС архитектуре с раздельной памятью программ и данных и раздельными шинами для памяти программ и данных (Гарвардская архитектура). AVR ядро объединяет мощную систему команд с 32 регистрами общего назначения и конвейером (в одном цикле одна команда выполняется а другая выбирается) выборки из памяти программ. Все 32 регистра напрямую связаны с АЛУ, что позволяет выполнять обращение к двум независимым регистрам и возвращать результат одной командой, выполняемой в одном тактовом цикле. Шесть регистров могут использоваться как три 16-разрядных указателя адреса данных (кроме АТ9051200). Выполняя команды за один тактовый цикл, прибор обеспечивает производительность, приближающуюся к 1 МIРS на МГц, что на порядок больше, чем у СISС микроконтроллеров. Архитектура эффективно поддерживает как языки высокого уровня, так и программы, написанные на экстремально плотных языках ассемблера.

    Микроконтроллеры  семейства оснащены встроенной загружаемой  Flash памятью программ, обеспечивающей внутрисистемное перепрограммирование с использованием интерфейса SР1 или программирование внешними стандартными программаторами энергонезависимой памяти. Поскольку все команды 16-разрядного или 32-разрядного формата, то Flash  память программ имеет 16-разрядную организацию. В качестве памяти данных в микроконтроллерах семейства используется комбинация СОЗУ и ЭСППЗУ (у прибора АТ9051200 только ЭСППЗУ) в которых размещается также и пространство памяти ввода/вывода. Стек, предназначенный для хранения адресов возврата из подпрограмм и прерываний располагается в памяти данных (у прибора АТ9051200 стек выполнен аппаратно). Ряд AVR микроконтроллеров имеют встроенный в арифметическую часть АЛУ перемножитель.

    Классификация микроконтроллеров семейства ATS90 представлена в таблице 1.

 

    Таблица 1 - Основные характеристики микроконтроллеров  семейства ATS90

    

    Согласно  данным, представленным в таблице 1, был выбран микроконтроллер AT90S8535.

    Отличительные особенности микроконтроллера AT90S8535:

• AVR К15С архитектура - архитектура высокой производительности и малого потребления;
• 118 команд, большинство которых выполняется за один машинный цикл;
• 8 Кбайт Flash ПЗУ программ, с возможностью внутрисистемного перепрограммирования и загрузки через SРI последовательный канал,1000  циклов стирание/запись;
• 512 байтов ЭСППЗУ данных, с возможностью внутрисистемного перепрограммирования и загрузки через SРI последовательный канал, 100000 циклов стирание/запись;
• 512 байтов встроенного СОЗУ;
• 32 х 8 бит регистра общего назначения;
• 32 программируемые линии ввода/вывода;
• 8-канальный 0-разрядный аналого-цифровой преобразователь;
• 16-разрядный и 32-разрядный формат команд;
• программируемый полный дуплексный UАRТ;
• диапазон напряжений питания от 4,0 В до 6,0 В;
• полностью статический прибор - работает при тактовой частоте от 0  Гц до 8 МГц;
• производительность до 8 МIРS при частоте 8 МГц;
• два 8-разрядных таймера/счетчика с отдельным прескалером и режимом сравнения;
• 16-разрядный (с режимами сравнения и захвата) таймер/счетчик с отдельным прескалером;
• три ШИМ канала;
• внешние и внутренние источники сигналов прерываний;
• программируемый сторожевой таймер с собственным встроенным генератором; 
  
• встроенный аналоговый компаратор;
• встроенные часы реального времени с собственным встроенным генератором и режимом счёта;
• блокировка режима программирования;
• режим энергосбережения: пассивный (idle), экономичный (power save) и стопорный (power down);
• встроенная схема сброса по подаче питания;
• промышленный (-4°С...85°С) и коммерческий (0°С...70°С)   диапазоны температур.
• 40-выводной корпус РDIР и 44-выводные РLLС и ТQFР.

    Встроенная  Flash память программ и ЭСППЗУ данных может быть перепрограммирована непосредственно в системе посредством интерфейса SPI программаторами энергонезависимой памяти (в 12-вольтовом параллельном режиме). Программирование микроконтроллеров ведется по-байтово.

    Максимальное  потребление приборов в активном режиме составляет 3,0 мА и 1,2 мА в пассивном режиме (при VСС =3 В и f=4 МГц). В стоповом режиме, при работающем сторожевом таймере, микроконтроллер потребляет 15 мкА. Объединение на одном кристалле усовершенствованного 8-разрядного RISC ЦПУ с загружаемым Flash ПЗУ позволило фирме создать мощный микроконтроллер, обеспечивающий высокую гибкость и экономичность в использовании прибора в качестве встраиваемого контроллера.

    На  рисунке 6 приведена обобщенная структурная схема МК.

 

    Рисунок 6 - Архитектура микроконтроллера AT90S8535

    3.2 Обоснование выбора схемы сопряжения

    Схемы сопряжения контроллера должны удовлетворять  следующим условиям:

• максимальная реализация всех возможных функций контроллера;
• точное выполнение поставленной задачи с высокой скоростью;
• наименьшие потери с энергетической точки зрения;
• низкая стоимость. 
  

    Заданными характеристиками обладает схема, представленная в приложении A.

    Операционный  усилитель LF355B выбран из-за его низкого напряжения смещения на входе и из-за высокой скорости работы.

    В качестве внешнего цифро-аналогового  преобразователя используется микросхема К1118ПА1, представляющая собой восьмиразрядный  скоростной ЦАП, со временем установления нс. Данное устройство имеет достаточные скоростные характеристики, для того, чтобы использовать микроконтроллер на максимальной тактовой частоте, к тому же микросхема отечественного производства, что обуславливает её низкую стоимость и широкую доступность.

    Определим номинальное значение напряжения, которое может быть подано для преобразования на АЦП. Для этого найдем сначала опорный ток через опорный резистор, связанный с выводом 12 ЦАП: