49409

Устройство сбора телеметрической информации

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Конструктивная реализация устройства включает в себя 30 модулей аналогового ввода с подключенными к ним дешифраторами, основной микроконтроллерный модуль, включающий в себя микроконтроллер, а так же при необходимости и дополнительную память (ОЗУ).

Русский

2013-12-26

713 KB

7 чел.

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. А.Н. Туполева

Кафедра радиоэлектроники и телекоммуникационных систем

Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине:

“Вычислительная техника”

на тему:

“Устройство сбора телеметрической

информации ”

Выполнил студент гр. 5192

Ерошкин Д.В.

Проверил

КАЗАНЬ  2005

Содержание:                      стр.

1. ВВЕДЕНИЕ             4

2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ          5

3. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ          7

3. 1. Структурная схема           7

3. 2. Описание работы схемы          8

3. 3. Алгоритм обработки          10

3. 4. Программа обработки с распределением                                        команд по ячейкам памяти          11

3. 5. Расчет емкости требуемой памяти          12

3. 6. Расчет времени выполнения программы               12

4. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И КРАТКИЕ ВЫВОДЫ                                13

5. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ              14

1. ВВЕДЕНИЕ.

Данная курсовая работа направлена на разработку «Устройства сбора телеметрической информации». Устройство сбора информации предназначено для опроса 300 аналоговых датчиков с проверкой порога превышения, снятых с них значений, в допустимую область и записи в буфер при необходимости.

Конструктивная реализация устройства включает в себя 30 модулей аналогового ввода с подключенными к ним дешифраторами, основной микроконтроллерный модуль, включающий в себя микроконтроллер, а так же при необходимости и дополнительную память (ОЗУ).

2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

Предлагаемая система сбора телеметрической информации состоит из следующих компонентов или модулей:

  •  основной модуль системы,
  •  модуль дополнительной памяти,
  •  модули аналогового ввода.

2. 1. Основной модуль системы.

Основной модуль системы реализован на микроконтроллере (MCU) ATmega128 фирмы ATMEL.

ATmega128 - низкопотребляющий 8-разрядный КМОП-микроконтроллер, построенный с использованием расширенной RISC-архитектуры AVR® второго поколения. Выполняя команду за один период тактовой частоты, ATmega128 имеет производительность около 16 миллионов операций в секунду, что позволяет разработчикам создавать оптимальные по скорости и потребляемой мощности системы.

Основные технические характеристики

  •  Тактовая частота 0…16 МГц (0…8 МГц для ATmega128L)
  •  Встроенный RC- генератор 1/2/4/8 МГц с возможностью калибровки
  •  4 внешних источника тактирования
  •  Программно выбираемая частота генератора
  •  133 команды (большинство команд выполняется за 62,5 наносекунды)
  •  Аппаратный умножитель (время выполнения команды умножения 8 х 8 - 125 наносекунд)
  •  128 Кбайт загружаемой в системе Flash-памяти (не менее 10000 циклов перезаписи)
  •  4 Кб EEPROM (не менее 100 000 циклов перезаписи)
  •  4 Кб ОЗУ
  •  32 рабочих регистра
  •  SPI-интерфейс для внутрисхемного программирования
  •  53 программируемых линии ввода/вывода
  •  Два 8-битных таймера/счетчика с раздельными делителями, режимами сравнения и ШИМ
  •  Два 16-битных таймера/счетчика с режимами сравнения, захвата и ШИМ
  •  Таймер часов реального времени с отдельным внешним тактовым генератором
  •  Программируемый сторожевой таймер со встроенным генератором
  •  Два полнодуплексных последовательных порта UART/USART (скорость до 2 Мбит/с)
  •  Master/Slave SPI-интерфейс (скорость до 8 Мбит/с)
  •  Двухпроводный интерфейс TWI, совместимый со стандартом I2C (частота до 400 кГц)
  •  Встроенная схема сброса при подаче напряжения питания и схема слежения за питанием
  •  Аналоговый компаратор
  •  8-канальный 10-битный АЦП, время преобразования 65 - 270 мкс
    •  8 одиночнах входов
    •  7 псевдодифференциальных входов
    •  2 дифференциальных входа с предусилителем 1х, 10х и 200х
    •  внутренний источник опорного напряжения 2,56 В
  •  JTAG-порт для подключения внутрисхемного эмулятора ATJTAGICE
  •  Типовой потребляемый ток в активном режиме:
    •  8 МГц, 2,7 В – 7,0 мА
    •  1 МГц, 2,7 В – 1,5 мА
    •  32 кГц, 2,7 В – 90 мкА
  •  Шесть программируемых режимов пониженного энергопотребления
  •  Диапазон напряжения питания от 4,5 до 5,5 В (от 2,7 до 5,5 В для ATmega128L)
  •  Высоконадежная защита от несанкционированного копирования содержимого ПЗУ
  •  64-выводной корпус TQFP и MLF

Основной модуль системы обеспечивает следующие функции:

  •  последовательный выбор модулей аналогового ввода и организацию информационного канала с ними, для считывания результатов измерения в бинарном (двоичном) коде,
  •  преобразование бинарных значений в значения напряжения в вольтах,
  •  проверка порога превышения полученных значений,
  •  сохранение результатов во внутреннем ОЗУ,
  •  при необходимости, сохранение результатов во внешнем ОЗУ.

Последовательный выбор модулей аналогового ввода обеспечивают два дешифратора 4 в 16. Первый дешифратор служит для выбора модулей аналогового ввода с 1 по 15, второй – с 16 по 30.

Информационный канал считывания данных с аналоговых модулей реализован с помощью последовательного периферийного интерфейса SPI.

Последовательный периферийный интерфейса SPI обеспечивает высокоскоростной синхронный обмен данными.

Основные характеристики интерфейса:

  •  дуплексный 3-хпроводный синхронный обмен данными со скоростью: fSCKmax = fCK/2,
  •  режим работы: ведущий или ведомый,
  •  старший или младший бит в начале посылки,
  •  установка флага прерывания по окончании передачи.

2. 2. Модуль дополнительной памяти.

При необходимости, реализовано сохранение результатов во внешнем ОЗУ.

Для организации данного режима используются Порт А и Порт С основного модуля системы. Порт А (РА0…РА7) при наличии внешней памяти (ОЗУ) используется для организации мультиплексируемой шины адреса/данных, поэтому для работы с младшими адресами ОЗУ используется регистр-защелка, а данные с этого же порта, поступают непосредственно на микросхему ОЗУ. Порт С (РС0…РС7) при наличии внешней памяти данных используется для организации старших разрядов шины адреса. Для управления режимами чтения/записи внешней памяти используются сигналы:

  •  ALE  - строб разрешения фиксации адреса внешней памяти. Строб используется для фиксации младшего байта адреса с выводов РА0…РА7 в защелке адреса в течении первого цикла обращения. В течение второго цикла обращения выводы РА0…РА7 используются для передачи данных.
  •  WR и RD – стробы записи и чтения внешней памяти данных.

2. 3. Модули аналогового ввода.

Данная система сбора телеметрической информации содержит 30 модулей аналогового ввода. Все модули идентичны и взаимозаменяемые.

Каждый модуль аналогового ввода системы реализован на микроконтроллере (MCU) ATtiny26 фирмы ATMEL. Микроконтроллер ATtiny26 оснащен 10-разрядным АЦП последовательного приближения.

Аналого-цифровым преобразователем (АЦП) называется схема, предназначенная для преобразования входной аналоговой величины напряжения в выходной цифровой (бинарный) код.

Блок АЦП ATtiny26 включает 11-канальный аналоговый мультиплексор.

Основные характеристики встроенного блока АЦП:

  •  Разрешение 10 разрядов
  •  Точность ±1/2 LBS
  •  Время преобразования 104 мксек
  •  10 мультиплексируемых входных каналов
  •  Режим однократного преобразования
  •  Прерывание по завершению ADC преобразования
  •  Диапазон входного напряжения от 0 до AVCC

Для питания АЦП используются два отдельных вывода AVCC и AGND. Вывод AGND должен быть подсоединен к выводу GND, а напряжение AVCC не должно отличатся от напряжения VCC более чем на 0,3 вольта.

АЦП работает в режиме однократного преобразования, каждое преобразование должно инициироваться пользователем. Работа АЦП разрешается установкой бита ADEN в регистре ADCSR. Первому преобразованию после разрешения АЦП предшествует пустое стартовое преобразование. Для пользователя это означает, что первое преобразование будет занимать на 13 циклов больше, чем обычно.

Преобразование инициируется записью логической единицы в бит ADSC. Этот бит остается установленным всё время преобразования и сбрасывается аппаратно, когда преобразование завершено. Если во время преобразования производится смена выбранного канала, АЦП завершит текущее преобразование перед переходом на новый канал.

АЦП формирует10-разрядный результат в дух регистрах – ADCH и ADCL. Для чтения правильного результата из этих регистров существует специальный механизм. При чтении результата регистр ADCL должен читаться первым. После этого доступ к регистрам данных блокируется. Это означает, что если следующее преобразование завершено между чтением регистров ADCH и ADCL, его результат будет потерян. После чтения регистра ADCH доступ АЦП к регистрам данных восстанавливается.

АЦП имеет свои флаг и вектор прерывания. Флаг запроса ADIF устанавливается после завершения прерывания. Флаг устанавливается, даже если результат преобразования потерян из-за запаздывания с чтением регистра ADCH.

3. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

3. 1. Структурная схема.

3. 2. Описание работы схемы.

Чтобы считать с определенного датчика сигнал необходимо выбрать коммутатор, его канал и запустить АЦП.

Коммутатор должен обеспечить выполнение теоремы Котельникова – Найквиста: fкоммутация = fд  = N·2fв, где N – число датчиков. В наших условиях fв = =30Гц, N = 100. fкоммутация = 60 · 100 = 6 кГц. Из справочника выберем коммутатор серии К591КН3, выполненный в виде микросхемы с 16 входными каналами для 100 датчиков. Поэтому нам понадобиться 7 таких микросхем.

Программа выдает управляющий 8-и разрядный код по ШД, у которой старшие 4 разряда определяют номер коммутатора, а младшие номер канала коммутатора

Таким образом, мы включили требуемый коммутатор и выбрали необходимый нам канал, в результате чего сигнал с датчика попадает на АЦП.

Далее происходит программная обработка сигнала и если сигнал удовлетворяет необходимым требования, то его значение сохраняется в так называемом буфере, по крайней мере, до считывания следующего сигнала. Буфер реализуется программным способом, путем использования ячейки памяти с определенным адресом.

В дальнейшем программа изменяет общий код управления для опроса следующего датчика и процесс, описанный выше, полностью повторяется.

 АЦП должен предоставлять информацию для МП в виде 8 разрядного параллельного 2-го код, в диапазоне напряжений несколько больших, чем пороговое значение и с частотой не менее fд.

 Наш АЦП 8-и разрядный с входным напряжением 5В.

Итак, с помощью этого можно сказать что сигнал, прошедший через АЦП (в 10-ном коде) равен (2n · x)/Uвх. Где n – это разряд АЦП, x – значение выходного сигнала, Uвх – входное напряжения.

Значит, сигналы после АЦП будут выглядеть:

2       -  10210 =  11001102                                     

5  -  25610 =  1000000002                                     

3. 3. Алгоритм обработки.

3. 4. Программа обработки с распределением команд по ячейкам памяти.

Адрес команды

Метка

Оператор команды

Операнд команды

Комментарий

8000H

LXI D 

4000H

Данные области памяти

8001H

 

8002H

 

8003H

 

MVI B

64H

Опросы на канал

8004H

 

 

 

8005H

 M0:

MVI C

64H

Число каналов

8006H

 

 

 

8007H

 

 MVI M

 00H

Передаем код управления на ДШ.

8008H

 

 

8009H

M1: 

 MOV A,M

 

Передать код управления из М в аккумулятор

800АH

 

OUT

00H

С выхода МПС передаем ко входу УПР коммутатора

800BH

 

 

 

800CH

 

 IN

 01H

Снимаем напряжение с АЦП Uxi и загружаем в аккумулятор

800DH

 

800EH

 

 STAX D

 

Uxi из аккумулятора загружаем в память

800FH

 

 JNR M

 

Переходим к следующей ячейки памяти

8010H

 INX  D

Увеличить на 1 указатель памяти

8011H

 DCR B

Уменьшаем число опросов на 1

8012H

 JNZ

M1

Переходим на метку М1

8013H

 

8014H

8015H

DCR C

 Уменьшаем число каналов на 1

8016H

JNZ

M0

Переходим на метку М0

8017H

8018H

8019H

HLT

Завершение программы

3. 5. Расчет емкости требуемой памяти.

Количество ячеек для записи программы:

8019H - 8000H = 19H16 = 2510 

Т.к. одна ячейка памяти имеет емкость 1 байт, то объем требуемой памяти:
V
K = 25 байт

3. 6. Расчет времени выполнения программы.

Найдем количество тактов, за которое выполняется программа. Для этого сложим тактовое выполнение каждой из команд с учетом числа их повторений:

ТТ = ( 10 + 7 + 7+ 7 + 5+10+10+7+5+5+5+10+5+10+7100 =11000

Примем, что длительность одного такта равна 0.5 мкс, тогда можем вычислить время полного выполнения программы:

Т = ТТ · 0.5 = 11000 · 0.5 =5500 мкс.

Вычислим частоту F, равную 1/Т

F = 181.82 Гц

Мы получили возможную частоту обработки всей информации равную 181,82 Гц.

4. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И КРАТКИЕ ВЫВОДЫ.

   В данной курсовой работе произведена разработка устройство сбора телеметрической информации. Мы получили структурную схему устройства, алгоритм работы и таблицу размещения команд программы по ячейкам памяти микропроцессора.

   Аппаратная часть устройства представляет собой микропроцессорный блок, 7 коммутаторов, АЦП и дешифратор.

Для данной схемы мы составили наиболее оптимальную программу обработки входных сигналов, которая опрашивает датчики с частотой 181.82 Гц при длительности такта 0.5 мкс.

5. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Щербакова Т.Ф., Козлов С.В., Култынов Ю.И., Седов С.С., Коробков А.А. Разработка и отладка программного обеспечения микропроцессорных систем обработки информации: Учебное пособие. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2003. 176 c.

2. Калабеков Б.А. Микропроцессоры и их применение в системах передачи и обработки сигналов. М.: Радио и связь, 1998

3. Преснухин Л.Н. Микропроцессоры. М.: Высш. шк., 1986. – 495 с.: ил.

4. Корячко В.П. Микропроцессоры и микроЭВМ в радиоэлектронных средствах: Учеб. для вузов по спец. “Конструирование и технология радиоэлектронных средств”. – М.: Высш. шк., 1990. – 407с.; ил.

5. Якубовский С.В. Цифровые и аналоговые микросхемы: Справочник. – М.:

Радио и связь, 1990 – 496 c.:ил.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

61082. Рисуем Сосну 298.5 KB
  Сначала рисуем ствол. Прямой ствол как мачта и корявый. Наш ствол приобретает конусную форму. Теперь ствол и ветки.
61083. Проблеми довкілля (Environment and Greener Living). Захист довкілля 75.5 KB
  Today we’re starting a new unit in which we’ll continue talking about our planet but in some different aspects. In this unit we’re going to discuss the problems of pollution of the environment and the ways to protect it from pollution.
61084. Производство розовых вин 1.2 MB
  Розовые вина никогда не получают методом смешения белого и красного вин, за исключением розового шампанского. Точнее, вино, полученное смешением красного и белого, не считается натуральным розовым вином.
61085. СЛОВОСПОЛУЧЕННЯ. БУДОВА Й ВИДИ СЛОВОСПОЛУЧЕНЬ ЗА СПОСОБОМ ВИРАЖЕННЯ ГОЛОВНОГО СЛОВА 953 KB
  Мета: поглибити знання восьмикласників про словосполучення його будову; формувати загальнопізнавальні вміння знаходити прості й складні словосполучення розрізняти лексичні й фразеологічні словосполучення...
61086. Рисуем пейзаж 2.32 MB
  На этом слое наносим сетку на наш лист с помощью. Они оказываются каждое на своем слое. На новом слое который должен быть расположен под сеткой и стволами заливаем землю травяным цветом под линию горизонта...
61087. Основні види складнопідрядних речень. Розрізнення сполучників і сполучних слів 45.5 KB
  Мета: поглибити знання учнів про особливості будови складнопідрядного речення засоби звязку в ньому; ознайомити девятикласників з основними видами складнопідрядних речень; навчити розрізняти сполучники підрядності й сполучні слова...
61088. ВИДИ РЕЧЕНЬ ЗА МЕТОЮ ВИСЛОВЛЮВАННЯ. ОКЛИЧНІ РЕЧЕННЯ. РОЗДІЛОВІ ЗНАКИ В КІНЦІ РЕЧЕННЯ 53 KB
  Мета: повторити й узагальнити поняття про види речень за метою висловлювання про окличні речення; розвивати організаційноконтрольні вміння організовувати спеціальні спостереження над мовним матеріалом...
61089. Складнопідрядні речення з підрядними означальними 60 KB
  Мета: поглибити знання девятикласників про складнопідрядне речення його будову і засоби звязку; навчити визначати підрядну означальну частину її позицію відповідно до головної частини...
61090. Рисуем древесину. Она нам понадобиться в следующем уроке 333.5 KB
  Удерживайте кнопку Shift чтобы провести ровные линии. Когда переходите к новой линий Shift отпускаете иначе вы будете соединять линии между собой. Проделаем все то же самое еще инструментом осветление линии чтобы темные и белые линии чередовались слегка накладываясь.