Одноканальное устройство контроля температуры

ign="center">      2. Разработка одноканального  устройства контроля  температуры

     2.1 Разработка функциональной схемы

     Самой важной частью устройства является аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Он предназначен для преобразования аналогового  сигнала, полученного от датчика температуры, в цифровой код, предназначенный для ввода в промышленную ЭВМ.

     Для распознания устройством своих  адресов схема одноканального устройства контроля температуры должна содержать селектор адреса.

     Для инициирования регистров записи/чтения схема должна содержать формирователь стробов. Будет формироваться два управляющих строба: WR – для инициализации регистра записи, RD – для инициализации регистра чтения.

     Для записи в устройство команд начала преобразования, чтения данных и разрешения прерывания требуется регистр записи.

     С регистра записи данные будут поступать  на ЦАП, который формирует цифровой вход предела верхней температуры.

     Для чтения данных с устройства требуется  отдельный регистр чтения, который  будет принимать с АЦП преобразованный сигнал и передавать его на шину ISA. Также в регистр записывается информация о выходе температуры за установленные пределы и информация об обрыве датчиков.

     Тристабильный выход нужен для аппаратного  запрета подачи устройством запроса  на прерывание.

     Таким образом, одноканальное устройство контроля температуры должно содержать  следующие функциональные элементы:

     1. Аналого-цифровой преобразователь.

     2. Селектор адреса.

     3. Формирователь стробов.

     4. Регистр записи.

     5. Цифро-аналоговый преобразователь.

     6. Регистр чтения.

     7. Транслятор прерывания.

     Структурная схема устройства приведена в  графической части записки (лист 1).

     2.2 Разработка принципиальной электрической схемы

     2.2.1 Аналого-цифровой преобразователь  (АЦП)

     Аналого-цифровой преобразователь предназначен для преобразования аналогового сигнала, идущего с датчика температуры, в цифровой код, предназначенный для ввода в ПЭВМ.

     В качестве АЦП выбираем импортную  микросхему AD573K. Это 10-битный АЦП последовательного приближения совместимый с МП. Данный АЦП имеет следующие характеристики:

     Разрядность: 10 бит

     Относительная точность ±1/2

     Температурный диапазон 0…70°С

     Напряжение  питания: +5 В

     Тактовый  генератор: работает не зависимо от тактовой частоты шины.

     Погрешность квантования: ±1/2

     Значение  шага квантования для данного АЦП, при U_{вх.макс.}=5 В, U_вх.мин.=0 В, n=10: 

      =(5-0)/1024=5мВ 

     5 мВ – это единица младшего  значащего разряда (МЗР). Т.е. при  изменении входного сигнала на  каждые 5 мВ будет изменяться цифровой  код. 

     Т.к. 1 МЗР в измерениях соответствует 0.5ºС, то одноканальное устройство контроля температуры при использовании 10-битного АЦП способно измерять температуру от 0 до 1024´0.5=512ºС. Из этого предела мы будем использовать только диапазон 0…100ºС.

     Вследствие  этого, одноканальное устройство контроля температуры будет измерять температуру в пределах 0…100ºС с точностью до половины градуса.

      На рисунке 1 представлена векторная диаграмма, которая показывает управление сигналами  и выбором времени для микросхемы AD573K. Работа микросхемы контролируется тремя входами: CONBERT, HBE и LBE. Конверсионный цикл начинается с импульса CONBERT, который запускает преобразование и DR устанавливается в единицу с задержкой 1,5 мс. Через 500 нс данные в АЦП сформировались и сигнал DR опускается в ноль. Т.к. в схеме подключения АЦП выходной сигнал DR инвертируется и на выходы HBE и LBE сигнал подается одновременно, то данные будут выведены только после конца преобразования автоматически с задержкой в 1 мкс.

     Рис. 1 Векторная диаграмма AD573K

     

     t=t_cs

     2.2.2 Селектор адреса

     Для осуществления процесса обмена (записи и чтения) выбираем два адреса:

     360h – адрес порта записи;

     361h – адрес порта чтения;

     Назначение  селектора адреса – сообщать устройству, что на шине адреса выставлен адрес  одного из используемых регистров (чтения или записи) устройства. В данной работе он выполнен с использованием микросхем логических элементов.

     Селектор  адреса проверяет адресные линии  шины, а так же уровень сигнала  на линии AEN, который при обращении к устройствам ввода/вывода должен быть установлен в «0».

     Выбираем  следующие логические элементы для  формирования селектора адреса:

     1. 6-НЕ: используем все шесть инверторов. Первые пять инвертируют сигнал с шины ISA, шестой для переключения селектора канала по двум каналам. Выбирааем микросхему КР1531ЛН1. 

       

 

     2. “8И-НЕ”: в качестве этого элемента выбираем микросхему 74HCTT30N. Данная микросхема декодирует адресные линии SA0 – SA1, SA8-SA9. Используется также в качестве инверторов. 

 

 

     3. 2-ИЛИ-НЕ: Используется в селекторе адреса в качестве инвертора и непосредственно по прямому назначению. В качестве микросхемы выбираю КР1531ЛЕ1.

     

 

     

 

     4. 2И: используется для окончательного  выделения стробов. В качестве  микросхемы выбираю КР1533ЛИ1.

       

 

     2.2.3 Формирователь стробов

     В данной работе формирователь стробов  будет выполнять следующую функцию: на своем выходе выставлять “1”, если на шине выставлен необходимый адрес (т.е. на выходе селектора адреса “1”).

     Командами на ISA, позволяющими считывать или записывать данные в регистры устройства, являются -IOR и –IOW. Таким образом, для записи/чтения регистров необходимо связать сигнал с выхода селектора адреса с командами -IOR и -IOW. Только после этого будет возможен обмен данными.

     При проектировании, как селектора адреса, так и формирователя стробов  необходимо учитывать время переключения отдельных микросхем. И от того, как долго или быстро будут переключаться логические элементы схемы, зависит работа всего устройства. Время переключения микросхем можно проследить во временных диаграммах, приведенных в графической части расчетно-пояснительной записки.

     Для связывания выходов селектора адреса и команд записи/чтения используем два свободных элемента И микросхемы КР1531ЛИ1. При этом на входы элементов И должны подаваться «1». Для этого мы используем микросхему, состоящую из 6 инверторов КР1533ЛН1.

2.2.4 Регистр записи

     Для управления работой АЦП необходимо поставить регистр записи данных. В этот регистр при установке на SA0-SA9 адреса 360h, 361 и логического нуля на –IOW будет записываться слово, содержание битов которого следующее:

     Бит 0 – бит 7 – установка верхних пределов температуры

     Бит 8 – сигнал начала преобразования

     Бит 9 – сигнал для разрешения прерывания

     Для того чтобы началось преобразование в АЦП, необходимо записать в порт 360h данные. При записи логической 1 в нулевой бит слова подключит датчик. Для записи информации в регистр необходимо подать на вход разрешения записи С логическую 1.

     В качестве регистра записи используем микросхему 74ABT821D. Микросхема представляет собой 10-разрядный регистр.

 

 

2.2.5 Цифро-аналоговый преобразователь

     ЦАП формирует цифровой вход предела  верхней температуры из аналогового  кода, взятого с регистра записи. В качестве ЦАП испольем микросхему AD557.

     

 

2.2.6 Регистр чтения

     Для передачи данных от АЦП на шину используется микросхема 54AC373/2A.