Разработка PIC-контроллера устройства измерения временных величин сигналов

Разработка PIC-контроллера устройства измерения временных величин сигналов

Содержание

1. ОСНОВНАЯ ТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Обзор аналогичных устройств

1.1.1  Классификация цифровых измерительных приборов

1.1.2  Цифровые измерители времени

1.1.2.1  Цифровой хронометр с генератором нониусных импульсов

Цифровой хронометр с линией задержки импульсов

1.2 Разработка структурной схемы устройства

1.3 Описание базового микроконтроллера

1.3.1 Регистры

1.3.2 Стек

1.3.3 Порты ввода/вывода

1.3.4 Таймер

1.3.5 Предделитель

1.4 Разработка программного обеспечения

1.4.1 Обзор команд

1.4.2 Программа PIC-контроллерного устройства измерения временных величин сигналов

1.5 Выбор и обоснование элементов

1.5.1 Отличительные особенности микроконтроллера

1.5.2 Описание используемых транзисторов

1.5.3 Описание используемых диодов

1.6 Принцип работы программно–аппаратных средств

2 АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ УСТРОЙСТВА

2.1 Аппаратные средства контроля

2.1.1 Логический пробник (одноконтактный)

2.1.2 Осциллограф (С1-65А)

2.1.3 Вольтметр В7-16А

2.2 Алгоритм поиска неисправности

2.2 Алгоритм поиска неисправностей

3 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3.1 Расчет оптовой отпускной цены

3.1.1 Расчет затрат на основные материалы

3.1.2 Расчет затрат на покупные комплектующие изделия

3.2 Построение графика безубыточности

3.3 Расчет эксплуатационных показателей

3.3.1 Расчет величины капитальных затрат

3.3.2 Расчет показателей эксплуатационных расходов

ВВЕДЕНИЕ

Современная информационно–измирительная техника располагает совокупностью средств измерения различных физических величин электрических, магнитных, механических и др. Огромное количество из этих величин в процессе измерения преобразуется в величины электрические как наиболее удобные для передачи, усиления, сравнения, точного измерения. Поэтому в развитии современной информационно–измирительной техники преобладающее значение приобретает развитие средств измерений электрических величин.

Первые автоматические ЦИП были предложены и разработаны

Ф. Е. Темниковым в середине тридцатых годов. Первые серийноспособные цифровые приборы были разработаны и изготовлены в 1954—1956 гг. в Новосибирске и во Львовском политехническом институте под руководством М. П. Цапенко, К. Б. Карандеева и А. Я. Шрамкова.

Цифровая измерительная техника постепенно стала важнейшей отраслью измерительной техники. Номенклатура цифровых приборов непрерывно расширяется, выпускаются ЦИП различных классов точности от 0,0001 до 2% с различным числом десятичных знаков отсчета от 2 до 8 (в большинстве случаев 4—5 знаков).

Созданы автоматические цифровые приборы, основанные на новых принципах, отличающиеся дискретной, кодированной формой представления результата измерения, высокими точностью и быстродействием. Цифровые приборы решают многие новые задачи измерительной техники.

В настоящее время очень развита микропроцессорная техника и микропроцессоры имеют широкое применение. Поэтому использовать во многих случаях целесообразно микропроцессоры и заменять ими обычные логические схемы, что повышает надежность и долговечность устройства в целом за счет высокой интеграции логических элементов на кристалле полупроводника.

К микропроцессорным БИС относятся и микроконтроллеры т.к. содержат интегрированные ОЗУ, ПЗУ и подсистему ввода вывода.

1.ОСНОВНАЯ ТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Обзор аналогичных устройств

1.1.1 Классификация цифровых измерительных приборов

В каждом цифровом измерительном приборе определяется числовое значение измеряемой величины в определенной системе счисления, преобразование одного кода в другой, визуальная цифровая индикация или регистрация. Все эти операции занимают определенное время, поэтому ЦИП измеряют и выдают результат измерения дискретно во времени.

Цифровые приборы делятся на цифровые приборы прямого преобразования, уравновешивания (рисунок 1.1) и комбинированные.

Цифровые приборы прямого преобразования в зависимости от характера преобразования делятся на приборы непрерывного действия, выходной код которых следует за измеряемой величиной при каждом ее изменении, превышающем ступень квантования, и на приборы циклического действия, в которых процесс измерения циклически повторяется по заданной программе и новое значение выходного кода определяется после сброса на нуль предыдущего значения.

Рисунок 1.1

К цифровым приборам непрерывного действия прямого преобразования относятся, например, цифровые приборы с кодирующими преобразователями угол—код, в которых измеряемая электрическая величина в измерительном механизме преобразуется в угол а поворота подвижной части прибора, а угол а кодирующим преобразователем преобразуется в код.

Большинство цифровых приборов прямого преобразования являются приборами циклического действия. К ним, например, относятся цифровые приборы с вантующими преобразователями угол–код, работающими с фиксированным циклом, цифровые приборы с частотными преобразователями, с преобразователями в интервал времени.

Цифровые приборы уравновешивания построены по замкнутой схеме. В таких приборах в процессе измерения производится сравнение известной компенсирующей величины Хк и неизвестной по значению величины Х или величины, пропорциональной мгновенному значению или интегралу величины X. При этом в процессе уравновешивания одна из величин — Хк или величина, пропорциональная X, изменяется во времени.

Этот процесс уравновешивания продолжается до момента уравнивания величин Х и Хк, который обнаруживается одним измерительным устройством сравнения и усилителем некомпенсации УН.

Цифровые приборы уравновешивания подразделяются на приборы следящего уравновешивания, или следящие приборы, и приборы развертывающего уравновешивания.

1.1.2 Цифровые измерители времени

Интервал времени Тх измеряется цифровым хронометром (рисунок 1.2 а) путем сравнения с интервалом NT0. Для снижения погрешности необходимо уменьшение Т0, т. е. повышение скорости счета импульсов счетчиком. Максимальная скорость прямого счета счетчиками импульсов достигает 109 имп/сек, однако у большинства серийных счетчиков импульсов не превышает 107 имп/сек.

Снижение погрешности измерения интервала Тx возможно не только путем уменьшения T0 т. е. ступени квантования, но и путем уменьшения погрешностей d1t и d2t, возникающих при квантовании интервала времени Тх

1.1.2.1 Цифровой хронометр с генератором нониусных импульсов

Схема цифрового хронометра с генератором нониусных импульсов состоит из генератора квантующих импульсов с периодом Т0 (рисунок 1.1 б),

ключа К1 управляемого старт- и стоп-импульсами, схемы совпадения СС и ключа K2, который открывается стоп-импульсом и закрывается импульсом на выходе СС, и генератора нониусных импульсов ГНИ с периодом:

TН = T0                (1.1)

где

n — номинальный отсчет счетчика СИ2 (обычно равен 10).

Генератор ГНИ запускается стоп-импульсом, и импульсы с периодом Тн поступают на схему совпадения СС и через открытый стоп-импульсом ключ К2 на СИ2. На второй вход схемы совпадения непрерывно поступают импульсы Т0. В момент совпадения импульсов Т0 и Тн срабатывает СС и закрывает рлюч К2, поступление импульсов Тн на СИ2 прекращается.

Уравнение связи между d2t и числом импульсов N2, поступивших на счетчик СИ2, находим из равенства:

N2Tн = (T0 - d2t) + T0(N2 - 1)             (1.2)

После подстановки находим:

d2t = N2T0/n          (1.3)

Тогда измеряемый интервал Тх определяется по сумме отсчетов обоих счетчиков импульсов:

Tx = N1T0 + d2t = N1T0 + N2T0/n                (1.4)

Следовательно, если d1t = 0, то погрешность от дискретности уменьшается в n раз.

Известны хронометры с нониусным генератором импульсов с погрешностью измерения, равной 10-9 сек.

1.1.2.2 Цифровой хронометр с линией задержки импульсов

Схема этого прибора (рисунок 1.2 в) состоит из генератора квантующих импульсов ГКИ, счетчика импульсов СИ, цифрового отсчетнрго устройства ЦОУ, преобразователя кода ПКК, линии задержки Л3 с N2н выходами и N2н схем совпадения СС. Каждый квантующий импульс Т0 поступает на ЛЗ, и через интервалы Т0/ N2н на соответствующих выходах ЛЗ появляются выходные импульсы. К каждому из N2н выходов ЛЗ подключена схема совпадения. На вторые входы всех СС поступает стоп-импульс. До прихода стоп-импульса все СС закрыты, в момент прихода стоп-импульса открывается та схема СС, на которой совпадают во времени импульс с периодом повторения Т0/ N2н и стоп-импульс, тогда:

d2t = N2T0/ N2н               (1.5)

где

N2н — номер выходного канала линии задержки, к которому подключена сработавшая схема совпадения.

В преобразователе кода входной импульс от этой схемы совпадения по каналу N2 преобразуется в код управления младшей декадой цифрового отсчетного устройства.

Измеряемый интервал Тх равен:

Тх = N1T0 + d2t = N1T0 + N2T0/ N2н            (1.6)

где

N2н — число секций линий задержки (обычно равно 10);

N2 — отсчет младшей декады ЦОУ;

N1 — отсчет остальных декад ЦОУ.

Известны схемы цифровых хронометров, в которых для измерения d1t и d2t последние преобразуются в амплитуды импульсов напряжения, числовое значение которых определяется амплитудным анализатором.

1.2 Разработка структурной схемы устройства

Ссылаясь на рассмотренные методы и структуры аналогичных устройств, можно сказать, что основой прибора должен быть микроконтроллер, как ядро, где происходит обработка входной информации, а также индикация, на которой отображается информация в удобном для оператора виде.

Так как устройство стационарное, работающее в лабораторных условиях, то есть необходимость разработать источник питания.

Для достаточной чувствительности устройства необходимо применить усилитель–формирователь. Тогда устройство имеет вид (рисунок 1.3).

рисунок 1.3

Принцип работы структуры заключается в следующем. На вход устройства поступает сигнал с внешнего источника. Благодаря усилителю–формирователю происходит усиление сигнала и преобразование в удобную для счета форму. Преобразованный сигнал поступает в PIC через порт и благодаря ПО происходит обработка входного сигнала в виде временной величины, что в свою очередь выводится через порт на индикацию.

1.3 Описание базового микроконтроллера

1.3.1 Регистры

Память данных разбита на два банка, которые содержат регистры общего назначения РОН и регистры специального назначения РСН. Выбор банка определяется состоянием бита RРО в регистре STATUS. Когда RPO установлен в "1", выбран банк 1, иначе — 0. Первые 12 байт каждого банка отведены под РСН. Некоторые РСН отображаются одновременно на оба банка. РОН доступны из любого банка.

Регистры общего назначения могут быть адресованы прямо или косвенно с использованием регистра косвенной адресации FSR. Регистры специального назначения используются для управления ЦПУ и функциями ввода-вывода и представленны в таблице 1.1.

Регистр STATUS содержит флаги АЛУ, параметры сброса (RESET) и биты выбора банка памяти данных. Регистр STATUS так же, как и любой другой регистр, может быть операндом для любой команды. Если регистр STATUS используется в качестве операнда для команды, которая воздействует на биты Z, DC или С, то непосредственная запись в эти биты запрещена. Более того, запись в биты -ТО и -PD запрещена. Поэтому результат команды, использующей STATUS в качестве регистра назначения, может отличаться от ожидаемого.

Регистр OPTION доступен для чтения и записи и содержит различные управляющие биты для конфигурации предделителя TMRO/WDT, самого TMR0 и подтягивающих резисторов GPIO.

Регистр INTCON доступен для чтения и записи и содержит биты разрешения прерываний: общего, периферийных устройств и TMR0, а также флаг переполнения TMR0.

Таблица 1.1 — Регистры специального назначения

Таблица 1.2 — Состояние регистров после сброса POR

Регистр INDF не является физическим регистром. При обращении к регистру INDF на самом деле происходит косвенная адресация памяти данных.

Косвенная адресация реализована через регистр INDF. Любая команда, использующая регистр INDF, фактически обращается к данным, на которые указывает регистр адреса в файле (FSR). Чтение самого INDF с помощью косвенной адресации дает в результате 00h. Результатом косвенной записи в регистр INDF будет NOP.

1.3.2 Стек

PIC16F84 имеет аппаратный стек глубиной 8 13-битных слов. Стек не является частью памяти программ или данных, а указатель стека не может быть явно прочитан или модифицирован. При выполнении команды CALL или возникновении прерывания PC сохраняется в стеке. При выполнении команд RETURN, RETLW или RETFIE значение PC восстанавливается из стека. Содержимое PCLATH при этом не изменяется.

Стек работает как циклический буфер. Это означает, что после того, как в стек было помещено восемь записей, девятая помещается на место первой, десятая - на место второй, и т.д.

1.3.3 Порты ввода/вывода

PIC16F84 имеет два порта, а именно PORTA, PORTB. Некоторые каналы портов совмещают функции выводов других периферийных устройств.

PORTA — это 5-разрядный порт. RA4 имеет триггер Шмитта на входе и открытый сток на выходе. Остальные каналы порта имеют входные уровни ТТЛ и выходные буферы КМОП. Порт имеет регистр направления TRISA, с помощью которого каналы порта могут быть индивидуально настроены на ввод или на вывод.

Установка в "1" бита регистра TRISA определяет соответствующий канал PORTA как вход, т.е. выходные буферы переводятся в третье состояние. Установка в "0" бита регистра TRISA определяет соответствующий канал PORTA как выход, т.е. содержимое защелки порта выводится на соответствующий вывод микросхемы.

Чтение регистра PORTA возвращает состояние на выводах порта, тогда как запись производится в защелку PORTA. Все операции записи в порт производятся как чтение-модификация-запись, т.е. сначала производится чтение состояния выводов, затем модификация и запись в защелку. Канал RA4 также работает как вход тактового сигнала TMR0.

Страницы: 1, 2, 3, 4