Вибір елементної бази

1.2  Вибір елементної бази

 

1.2.1  Мікроконтролер ATmega8

Популярність мікроконтролерів AVR на ринку, серед 8- розрядних мікроконтролерів, постійно збільшується, тому що вони мають найкращі співвідношення показників "ціна/швидкодія/енергоекономічність". Крім цього постійно збільшується кількість програмних та апаратних засобів підтримки створення приладів на їх основі.

В рамці однієї базової архітектури мікроконтролери AVR поділяються на три сімейства:

-  Classic AVR;

-  Mega AVR;

-  Tiny AVR;

Мікроконтролери сімейства Classic мають об’єм Flash пам’яті програм від 1 до 8 Кбайт (число циклів стирання/запису не менше 1000). В сімейство Classic входять мікроконтролери з різним набором периферійних пристроїв та різної кількості виводів.

Мікроконтролери сімейства Tiny мають найбільший об’єм пам’яті програм (1-8 Кбайт) та доволі обмежену кількість периферійних пристроїв. Майже всі вони виготовляються в 8-вихідних корпусів та призначенні для так званих «бюджетних» рішень, використовуваних в умовах важких фінансових обмежень. Межі використання цих мікроконтролерів – інтелектуальні датчики різного призначення (контрольні, пожарні та охороні), іграшки, зарядні прилади, різні побутові прилади та інші подібні прилади.

Мікроконтролери сімейства Mega також мають найбільший об’єм пам’яті програм та даних, але вони й мають і найбільш розвинену периферію серед всіх мікроконтролерів AVR. Mega призначенні для використання в мобільних телефонах, в контролерах різних периферійних пристроях (принтери, сканери, сучасні дискові накопичувачі) важкої офісної техніки.

Мікроконтролери обох сімейств підтримують декілька режимів зниженого використання енергії, мають блок переривання, сторожовий таймер та дозволяють програмувати безпосередньо в зібраному приладі.

До особливостей мікроконтролерів AVR сімейства MEGA можна віднести:

-  FLASH пам’ять програм від 8 до 256 Кбайт;

-  Оперативна пам'ять (статичний ОЗП) об’ємом від 512 байт до 8 Кбайт;

-  Пам'ять даних на основі EEPROM об’ємом від 256 байт до 4 Кбайт (число циклів стирання/запису не менше 100000);

-  Можливість захисту від зчитування та модифікації пам’яті програм та даних;

-  Можливість програмування безпосередньо в системі через послідовні інтерфейси SPI та JTAG;

-  Можливість само програмування;

-  Різні способи синхронізації: вмонтований RC –генератор з внутрішньою та зовнішньою часу задаючою RC – ланцюгом, вмонтований генератор з зовнішнім кварцовим або п’єзокерамічним резонатором, зовнішній сигнал синхронізації;

Мікроконтролери сімейства MEGA мають великий набір периферійних пристроїв:

-   Один або два 8-бітних таймера/лічильника. В усіх моделях з двома 8-бітними таймерами/лічильниками один з них може працювати в якості годинників реального часу (в асинхронному режимі);

-   Від одного до 16-бітних таймерів/лічильників;

-   Сторожовий таймер;

-   Аналоговий компаратор;

Послідовний синхронний інтерфейс SPI;

1.2.2  Дешифратор SN74LS145N

Мікросхема SN74LS145N – являє собою двіково-десяткові монолітні дешифратори/драйвери, які складаються з восьми інверторів і десяти логічних елементів І-НІ, с чотирма входами. Інвертори підключені в парах, щоб зробити дані входів двійково-десяткового коду доступними для декодування на логічних елементах І-НІ. Повне і правильне декодування логіки входів двійково-десяткового коду гарантує, що всі виводи залишаться захищеними для всіх недопустимих комбінацій двійкового коду. Ця високоефективна особливість дешифраторів, які побудовані на n-p-n транзисторах, дає змогу використовувати їх як для управління індикатором, так і для інших електричних пристроїв. Кожен з транзисторних виводів дешифратора SN74LS145 витримує напругу до 15 вольт і силу струму – до 80 міліампер, і кожен вхід відповідно витримує таке навантаження. Пристрій потребує близько 215 міліват потужності. Входи і виходи дешифратору повністю сумісні для роботи з ТТЛ схемами або логічними каналами ліній передачі даних, також виводи сумісні с більшістю інтегральних схем.

Рисунок 3 Графічне зображення SN74LS145N

Для побудови мікропроцесорної системи недостатньо мікроконтролера та дешифратора. Всі мікропроцесорні та навіть елементарні системи будуються за допомогою таких складових як конденсатори, резистори, діоди та інших елементів. Кожен з них виконує свою власну функцію. Стабілізації, згладжування, та збільшення опору або очищення від шумів на схемі.

2 СПЕЦІАЛЬНИЙ РОЗДІЛ

 

2.1 Розробка принципової схеми годинника

 

2.1.1 Етапи створення принципової схеми

Для реалізації теми дипломного проекту, а саме проектування мікропроцесорної системи для багатоканального інформаційного табло, необхідно створити годинник та під’єднати його до табло.

Розпочнемо з створення годинників. Для стабільної роботи та виконання відповідних функцій необхідно було обрати елементи для реалізації завдання. На даному етапі розвитку мікроелектроніки широке розповсюдження отримали AVR мікроконтролери. Однією з переваг мікроконтролерів на відмінність від мікросхем є те, що вони можуть виконувати велику кількість підпрограм завдяки потужному контролеру, який містить великий об’єм оперативної пам’яті (від 512 Кбіт), а також мікроконтролери володіють багатим різноманіттям периферійних пристроїв і великою кількістю портів вводу виводу даних. Тому в дипломному проекті було обрано саме мікроконтролер серії ATmega.

ATMega-8 - 8-розрядний КМОП мікроконтролер заснований на архітектурі Atmel AVR. Контролер виконує більшість інструкцій за 1 такт, тому обчислювальна потужність контролера рівна 1MIPS на 1 Мгц. Блок схема процесора показана на рисунку 4.

Рисунок 4 Блок – схема процесора ATMega 8

Мікроконтролер має RISC – архітектуру, але формат команди двооперандний, за один такт може бути звернення тільки до двох регістрів. Контролер містить 32 регістри, які можуть рівноправно використовуватися в арифметичних операціях.

Основні апаратні характеристики мікроконтролера:

-  8 кб флеш пам’яті команд;

-  512 байт електричнопрограмовної пам’яті;

-  1 кбайт статичної пам’яті;

-  23 лінії ввода/вивода загального призначення;

-  32 регістра загального призначення;

-  три багатоцільових таймера – лічильника з режимом порівняння;

-  підтримка внутрішніх і зовнішніх переривань;

-  універсальний асинхронний адаптер;

-  байт орієнтований двох провідний послідовний інтерфейс;

-  6/8 канальний АЦП з точністю до 8 і 10 двійкових розрядів;

-  сторожовий таймер;

-  послідовний порт SPI;

-  розширені режими управління енергоспоживання.

Основні елементи архітектури мікроконтролера ATmega8.

Ядро мікроконтролера, що зображене на рисунку 5, виконує команди програми.

Рисунок 5 Блок – схема ядра AVR

Ядро включає елементи гарвардської архітектури з незалежними шинами, тому вибірка інструкцій проводиться незалежно від операцій в арифметично логічному пристрої (АЛП).

Старші 6 8-ми бітових регістрів утворюють 3 регістрові пари, які використовуються для адресації пам'яті - X,Y,Z.

АЛП проводить арифметико-логічні операції між регістрами (без обмежень) і регістром і константою. Кожна арифметико-логічна операція встановлює прапори в регістрі прапора (рис. 6).

Рисунок 6 Регістр прапора контролера

I - прапор дозволу переривання;

T - прапор-хранитель біта - встановлюється і аналізується тільки спецінструкціями;

H - прапор додаткового перенесення з 3-го розряду в 4-й;

S - прапор знаку результату;

V - прапор переповнювання;

N - прапор негативного результату операції;

Z - прапор нуля;

С - прапор перенесення.

В АЛП підтримується апаратний стек у внутрішній статичною пам'яттю.

Структура регістрового файлу показана на рисунку 7.

Рисунок 7 Структура регістрового файлу AVR

На рисунку 7 видно, що 6 старших регістрів утворюють регістрові пари - індексні регістри. Ядро процесора за допомогою цих регістрів допускають автоінкрементну, атодекрементну адресацію і адресацію з малим зсувом.

Ядро процесора ATmega працює в декілька таймерів 0-му та 1-му.

0-й таймер загального призначення має 8-бітовий лічильник з 10-бітовим додатковим дільником частоти. Таймер може генерувати переривання по переповнюванню, або по досягненню значення.

1-й таймер має 16-бітовий лічильник. Він може бути використаний для генерації сигналів із змінною шин (широко імпульсні модуляції), генерації частоти і визначення часу надходження зовнішніх подій.

2 регістри, які порівнюють значення таймера можуть використовуватися для генерації імпульсів із змінною шин. Вхідний регістр використовується для завантаження значення таймера в момент надходження зовнішньої події.

Таймера можуть тактуватися різними сигналами 2-й таймер є 8-ми бітовим, і може генерувати частоту і сигнали із змінною шин, генерувати переривання по переповнюванню і досягненню значення.

Аналоговий компаратор використовує 2 вхідні сигнали і виставляє біт порівняння в "1". Компаратор може бути сполучений з таймером для фіксації моменту переходу біта з результатом компаратора в інше значення. Всього мультиплексор може комутувати до 8 входів.

В флеш-пам'яті виділена область завантажувача, яка може бути захищена від стирання, а також в неї існує програма, що може використовуватися як завантажувач виконуваних кодів за допомогою будь-якого інтерфейсу контролера. Природно внутрішня флеш-пам'ять може програмуватися ззовні програматором в двох режимах – паралельному і послідовному [2].

З урахуванням особливостей мікроконтролера було обрано відповідні елементи. Одним із них є дешифратор SN74LS145. Потім слід обрати блок живлення, який буде відповідати параметрам схеми.

Для створення схеми блока живлення, перш за все, необхідно визначитися початковими параметрами – напругу, яка буде видавати наш блок живлення та максимальний струм, який він буде спроможний видавати в навантаженні. Тобто, наскільки потужне навантаження можливо до нього під’єднати. Наш блок живлення буде мати вихідну напругу 12 V. А струм навантаження візьмемо рівним 1 А.

Рисунок 8 Схема блока живлення

Для того щоб спаяти схему блока нам знадобляться елементи, які зображенні на рисунку 8. Перш за все, знадобиться трансформатор з напругою на вторинній обмотці 11 – 13 V та струмом навантаження неменше 1 ампера (він позначений на схемі Т1). Також знадобиться діодний міст VD1 з максимальним струмом 1 ампер. Далі – С1 – електричний конденсатор, яким будемо фільтрувати та згладжувати вирівняний діодним містом напругу, його параметр зображено в таблиці 1. D1 – стабілітрон – від відповідає за стабілізацію напруги, для того щоб при зміні напруги в мережі, змінювалася напруга і в самій схемі. При створенні схеми обрано стабілітрон Д814Д але й можливо обрати будь-який інший з напругою стабілізації 13 вольт. Також нам знадобиться постійний резистор R1, а також два транзистори – КТ 315 з будь-якою літерою в назві та КТ 817 також з будь-якою літерою. Всі елементи зображені в таблиці 1.

Таблиця 1 Елементи схеми блоку живлення

Позначення на схемі	Номінал	Ознаки
Т1	Будь-який з напругою вторинної обмотки 11-13V
VD1	КЦ405Б	Діодний міст. Максимальний вирівнювальний ток не менше 1 ампера
C1	4700мкФ х 50V	Електричний конденсатор
R1	470 ом	Постійний резистор
R2	1 Ком	Постійний резистор
D1	Д814Д	Стабілітрон. Напруга стабілізації 14В
VT1	КТ315	Транзистор. З будь-яким літерним позначенням
VT2	КТ817	Транзистор. З будь-яким літерним позначенням

Транзистор VT2 необхідно встановити на радіатор. Оптимальна площа радіатора можна обрати експериментально, але вона повинна буди неменше 30 кв. см. При правильному зібранні схема не потребує налагоджування та починає відразу працювати. Але для переконання роботи необхідно провірити її тестером.

На наступному етапі розробки нашої схеми потрібно створити схему на якій будуть розміщуватися мікроконтролер та інші елементи.

Є декілька можливих способів зібрання схеми: збирання на монтажній платі або ж створити свою власну, яка буде набагато зручніша та виглядати набагато краще. Також це зменшить витрати на нашу схему.

В даному проекті схему було спроектовано за допомогою програми PonyProg. Головною задачею програми PonyProg – це програмування логічних мікросхем. В даний час програма дозволяє працювати не тільки з Code Vision, а також з AVR Studio.

PonyProg може бути встановлена, як на ОС Windows так і на ОС Linux. Для початку роботи необхідно відкрити нове вікно де буде зображено вміст мікросхеми або файлу. Потім необхідно відкрити файл з програмою. PonyProg підтримує 4 різних файлових форматів e2p, intel hex, motorola S-record та двійковий. Але потрібно правильно обрати тип мікросхеми, тому що для кожного типу розширення відповідають свої мікросхеми. Для нашого мікроконтролера програма збережена з розширення .hex. Наступним етапом було сконфігуровано асемблер AVR для генерації формата intel hex з розширенням .hex для FLASH та .eep для EEPROM. (яким чином. Вміст EEPROM повинно виводитися на екран після вмісту FLASH в даному вікні.

І так почнемо прошивати нашу програму в мікроконтролер. Виводиться діалогове вікно для підтвердження необхідної операції. Якщо запис проходить доволі довго, то виводиться індикатор виконання. Якщо необхідно завершити запис, слід натиснути кнопку "Abort". Після запису проводиться автоматична перевірка прошивки програми. Після закінчення виводиться вікно з результатом запису.

Головна панель програми містить лише одне головне вікно (рис.9), де в свою чергу можуть бути відкриті одне або декілька вікон з різним варіантом прошивки. У верхній частині головної панелі традиційно розташовується меню та дві панелі інструментів.

Рисунок 9 Головне вікно програми PonyProg

Перше, що потрібно зробити відразу після ввімкнення програми - обрати тип мікросхеми, який необхідно програмувати. Для цього в рядку меню знаходяться: "Select device family" (вибір типа мікросхеми), " Select device type" (вибір типу мікросхеми). Назви появляються у вигляді випливаючих підказок при наведенні курсору миші на відповідне поле.

В полі вибору сімейства необхідно обрати "AVR micro", а в полі вибору типа – необхідний тип мікросхеми. Другий спосіб за допомогою якого також можна обрати сімейство та тип мікросхем – скориставшись меню "Device"(пристрій). Вибраний тип мікросхем автоматично зберігається, а при повторному запуску програми викликається знову.

Тепер нам необхідно провести налаштування інтерфейсу та виправлення програми. Ці дві операції потрібно виконувати тільки один раз, при першому запуску програми. Повторне налаштування та виправлення може знадобитися лише при збою програми. Спочатку виконаємо налаштування інтерфейсу. Для цього потрібно вибрати пункт "Interfeca Setup" меню "Setup" (таблиця 2). Відкриється вікно налаштування(рис 10).

Рисунок 10 Вікно налаштування вводу – виводу

В цьому вікні необхідно обрати порт, до якого підключений наш програматор. Крім того, в цьому вікні можна проінвертувати будь-який із керуючих сигналів програматора, що інколи буває корисним при роботі з нестандартними схемами. Обираємо послідовний порт (Serial). Якщо комп’ютер має декілька COM – портів, слід оберати конкретний порт (зазвичай СОМ1). В спадаючому списку необхідно обрати спосіб програмування. В даному випадку це послідовне програмування по ISP – інтерфейсу. Якщо в комп’ютері тільки один послідовний порт СОМ1, тоді всі налаштування повинні виглядати так, як зображено на рисунку 11.

Після прошивання мікроконтролера та зібрання блоку живлення можна почати збирати схему, але потрібно ще створити саму плату на якій будуть знаходитися елементи. Розглянемо створення самої плати.

Для створення плати було використано стеклотекстоліт. За допомогою програми Sprint-Layout були зображенні доріжки на схемі.

Sprint-Layout звичайна програма для створення двухстороніх та багатосторонніх друкованих схем. До складу програмного забезпечення входять багато елементів, необхідні в процесі розробки повного проекту. До неї входять такі професійні можливості, як експорт Gerber – файлів та HPGL – файлів, в той час як основа програми була збережена.

Sprint-Layout дозволяє наносити на плату контакти, SMD – контакти, провідники, полігони, текст та багато іншого. Контактні площадки можуть бути вибрані із широкого набору. Існують два шара – міді та компонентів – для кожної сторони плати. Додатково можна використовувати шар форми плати, а також 2 внутрішні шара для багатошарових плат. Фотовид дозволяє побачити схему монтажної плати (рисунок 11). Це дозволяє знайти помилки при створенні плати. Бібліотека має можливість додавати елементи. Також програма надає можливість обрання варіантів зміни друку. Підтримка форматів Gerber (рис.12) та Excellon (рис.13) дозволяє передачу файлів розроблених плат на професійне виробництво.

Рисунок 11 Приклад монтажної плати

Рисунок 12 Створення експортного файлу в форматі Gerber

Рисунок 13 Налаштування плати для виготовлення на професійному рівні

Після ознайомлення з програмним забезпеченням програми Sprint-Layout була створена схема, яка зображена на рисунку 14.

Рисунок 14 Монтажна плата схеми годинника

Далі схема була роздрукована за допомогою лазерного принтера на фотобумазі. Для кращого перенесення рисунку схеми на стеклотекстоліт необхідно було мідну сторону плати зачистити ти знежирити. Наступним етапом було перенесення рисунка схеми на монтажну плату. За допомогою нагрівання було переведено рисунок з бумаги на монтажну плату.

Перед початком витравлення плати необхідно зробити отвори відповідно до розмітки елементів на схемі, так як після витравлення ця процедура буде недоречна через можливість псування плати.

Для отримання кінцевого результату монтажної плати годинника необхідно витравити схему. Є декілька способів витравки: перший – це за допомогою мідного купоросу, другий – за допомогою хлорного заліза. Використовувати мідний купорос краще новачкам у витравці. До переваг мідного купоросу можна віднести те, що він доступний для покупки, а до недоліків можна віднести лише те, що час витравлення схеми займає чимало часу, завдяки цього недоліку його використовують при перших витравленнях плат. При використанні хлорного заліза також є свої переваги та недоліки. Хлорне залізо навпаки важче знайти але при витравленні схеми займає мало часу. Саме заради економії часу було використано хлорне залізо. Після витравлення схеми необхідно знову зачистити плату для зняття наліту, який залишився після витравлення схеми, та для нанесення флюсу.

Флюс – це допоміжний матеріал, який призначений для видалення оксидної плівки з плати, що піддається пайці та забезпечує добре змочування поверхні деталі рідким припоєм. Самий розповсюджений вид флюсу це каніфоль – продукт переробки соснової смоли. Її неважко знайти в будь-якому господарчому магазині, вона використовується для пайки деталі із міді та мідних сплавів. Недоліків у неї як у флюсу багато. При пайці з каніфолю утворюється багато диму. На платі після пайки залишаються патьоки розплавленої каніфолі, які потім доводиться стирати, використовуючи спирт або бензин. Також іноді користуються паяльною кислотою. Її використання доцільно тільки тоді, коли необхідно паяти залізо. Після пайки деталі обов’язково потрібно промивати великою кількості води та ретельно сушити, інакше залишки кислоти можуть привести до корозії та руйнування паяних деталей та руйнування електричного контакту. Якщо під рукою відсутня паяльна кислота, але потрібно швидко облужити та припаяти залізну, або дуже сильно окислившу мідну, або латунну деталь, то в такому випадку може врятувати таблетка аспірину – це ацитилісаліцилова кислота, яка в багатьох випадках з успіхом може замінити хлорний цинк.

Для пайки електронних схем краще всього використовувати рідкий флюс. Простий рідкий флюс можна виготовити розтворивши каніфоль в спирті. На 10 частин спирту береться 1 частина каніфолю (по вазі). Декілька крапель такого флюсу наноситься безпосередньо перед пайкою на з’єднувальні деталі та проводиться пайка. Залишки флюсу стираються спиртом.