Аппаратные средства автоматизированной газораспределительной станции

   Для решения нашей задачи подходит МК ATMEGA 128 ATMEL, удовлетворяющий таким условиям, как высокая скорость обработки данных, режим микропотребления, невысокая стоимость. Периферия МК включает: таймеры-счетчики, широтно-импульсные модуляторы, поддержку внешних прерываний, аналоговые компараторы, 10-разрядный 8-канальный АЦП, параллельные порты, интерфейсы UART и SPI, устройство сброса по включению питания.  

     Для решения проблемы согласования датчиков давления и температуры по виду обрабатываемого сигнала и по скорости работы с МП в проекте используются нормирующие усилители (НУ), АЦП . 

     Сигнал  с датчиков поступает на НУ, откуда поступает на аналоговый коммутатор. АК коммутирует входы в соответствии с кодом канала на адресных входах АК на выход АК. Сигнал с выхода АК подается на вход АЦП, который включается сигналом с регистра управления. После запуска АЦП опрашивается содержимое регистра состояния АЦП. Если содержимое регистра состояния АЦП равно нулю, то производится повторный опрос регистра состояния. Если же содержимое регистра состояния равно единице, то производится считывание содержимого регистра данных АЦП и запись их в буферное устройство. Так опрашиваются все аналоговые каналы счетчика.

     Для отображения информации используется жидкокристаллический индикатор со встроенным контроллером ЖКИ. Обмен данными между контроллером ЖКИ и МП происходит под управлением управляющей программы в соответствии с протоколом обмена. Контроллер ЖКИ предназначен для управления процессом преобразования и отображения информации, полученной от МК. ЖКИ представляет собой индикатор 8 на 2, предназначенный для индикации текущей информации или архивных данных.

     В качестве ЖКИ со встроенным контроллером в работе выбрана схема ЖКИ  DV-0802. Данная схема имеет низкую потребляемую мощность, регулируемую яркость свечения и восемь символов в строке, что вполне достаточно для отображения информации.

Глава 4. Разработка электрической принципиальной схемы аппаратных средств газораспределительной станции

4.1 Выбор и обоснование микроконтроллера для цифрового устройства

     AVR, пожалуй, одно из самых интересных направлений, развиваемых корпорацией Atmel. Они представляют собой мощный инструмент для создания современных высокопроизводительных и экономичных многоцелевых контроллеров. На настоящий момент соотношение “цена-производительность-энергопотребление” для AVR является одним из лучших на мировом рынке 8-разрядных микроконтроллеров. Объемы продаж AVR в мире удваиваются ежегодно. В геометрической прогрессии растет число сторонних фирм, разрабатывающих и выпускающих разнообразные программные и аппаратные средства поддержки разработок для них. Можно считать, что AVR становится постепенно еще одним индустриальным стандартом среди 8-разрядных микроконтроллеров общего назначения.

     Большинство команд, входящих в систему команд, выбираются из памяти за один такт и  выполняются за один такт работы микроконтроллера. При выполнении последовательности таких команд выборка из памяти очередной  команды совмещается по времени с исполнением ранее выбранной команды.

     Микроконтроллеры  изготавливаются по высококачественной КМОП технологии, содержат энергозависимые  запоминающие устройства для хранения программы и данных, выполненных  по Flash и EEPROM технологиям и отличаются энергопотреблением при высокой тактовой частоте. Запись программы и исходных данных в память может выполняться после установки микроконтроллера в аппаратуре, где ему предстоит работать.

     Они привлекают внимание разработчиков  наилучшим соотношением показателей  быстродействие/энергопотребление, удобными режимами программирования, доступность программно/аппаратных средств поддержки и широкой номенклатурой выпускаемых кристаллов. Для данной темы был выбран микроконтроллер ATmega128, т.к данная схема требует много выводов портовдля подключения к микроконтроллеру. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Отличительные особенности:

• Высокопроизводительный, маломощный 8-разрядный AVR микроконтроллер
• Развитая RISC-архитектура
• Энергонезависимая память программ и данных
• Интерфейс SPI для внутрисистемного программирования
• Встроенное статическое ОЗУ емкостью 4 кбайт
• Опциональная возможность адресации внешней памяти размером до 64 кбайт
• Программируемая защита кода программы
• Два 8-разр. таймера-счетчика с раздельными предделителями и режимами сравнения
• Два расширенных 16-разр. таймера-счетчика с отдельными предделителями, режимами сравнения и режимами захвата
• Счетчик реального времени с отдельным генератором
• Два 8-разр. каналов ШИМ
• Двухпроводной последовательный интерфейс, ориентированный не передачу данных в байтном формате
• Два канала программируемых последовательных УСАПП
• Последовательный интерфейс SPI с поддержкой режимов ведущий/подчиненный
• Программируемый сторожевой таймер со встроенным генератором
• Встроенный аналоговый компаратор
• Сброс при подаче питания и программируемая схема сброса при снижении напряжения питания
• Встроенный калиброванный RC-генератор
• Внешние и внутренние источники прерываний
• Шесть режимов снижения энергопотребления
• Программный выбор тактовой частоты
• Общее выключение подтягивающих резисторов на всех линиях портов ввода-вывода

                      Расположение выводов ATmega128

На рис.1 показана схема расположения портов

Рис.1. Расположение портов  ATmega128

Краткий обзор 

  ATmega128 – маломощный 8-разр. КМОП микроконтроллер,  основанный на расширенной AVR RISC-архитектуре. За счет выполнения большинства инструкций за один машинный цикл ATmega128 достигает производительности 1 млн. операций в секунду/МГц, что позволяет проектировщикам систем оптимизировать соотношение энергопотребления и быстродействия.  
 
 
 
 
 
 
 

  Ядро AVR сочетает богатый набор инструкций с 32 универсальными рабочими регистрами. Все 32 регистра непосредственно подключены к арифметико-логическому устройству (АЛУ), который позволяет указать  два различных регистра в одной инструкции и выполнить ее за один цикл. Данная архитектура обладает большей эффективностью кода за счет достижения производительности в 10 раз выше по сравнению с обычными CISC-микроконтроллерами.

  ATmega128 содержит следующие элементы: 128 кбайт внутрисистемно программируемой флэш-памяти с поддержкой чтения во время записи, 4 кбайт ЭСППЗУ, 4 кбайт статического ОЗУ, 53 линии универсального ввода-вывода, 32 универсальных рабочих регистра, счетчик реального времени (RTC), четыре гибких таймера-счетчика с режимами сравнения и ШИМ, 2 УСАПП, двухпроводной последовательный интерфейс ориентированный на передачу байт, 8-канальный 10-разр. АЦП с опциональным дифференциальным входом с программируемым коэффициентом усиления, программируемый сторожевой таймер с внутренним генератором, последовательный порт SPI. Встроенная внутрисистемная программируемая флэш-память позволяет перепрограммировать память программ непосредственно внутри системы через последовательный интерфейс SPI с помощью простого программатора или с помощью автономной программы в загрузочном секторе. Загрузочная программа может использовать любой интерфейс для загрузки прикладной программы во флэш-память. Программа в загрузочном секторе продолжает работу в процессе обновления прикладной секции флэш-памяти, тем самым поддерживая двуоперационность: чтение во время записи. За счет сочетания 8-разр. RISC ЦПУ с внутрисистемной само программируемой флэш-памятью в одной микросхеме ATmega128 является мощным микроконтроллером, позволяющим достичь высокой степени гибкости и эффективной стоимости при проектировании большинства приложений встроенного управления. Кроме этих элементов используется датчики температуры, предназначенные для слежения температуры газа. Датчики давления были использованы для определения давления газа в трубах. Датчики расхода использовались для слежения расхода газа. Цифро-аналоговые преобразователи применялись для исполнительного механизма управления газораспределительной станции. Адаптер RS-232 использовался для связи схемы с компьютером через последовательный порт UART. 
 
 
 
 
 
 
 

Аппаратно-программное  сопряжение жидкокристаллического  индикатора и микроконтроллера Atmega 128

     Многие  фирмы выпускают жидкокристаллические индикаторы со встроенными контроллерами, облегчающими реализацию интерфейса ЖКИ и микропроцессора. В данном разделе рассматриваются вопросы аппаратного и программного сопряжения микроконтроллеров AVR и символьных ЖКИ, построенных на базе контроллера HD44780, например,DV0802.

Архитектура и система команд контроллера ЖКИ

     Рассматриваемый ЖКИ, при помощи стандартного 14-контактного разъема (таблица 1) обменивается информацией с управляющим микроконтроллером. AVR-микроконтроллер посылает в ЖКИ команды (таблица 2), управляющие режимами его работы и ASCII коды выводимых символов. В свою очередь, ЖКИ может посылать AVR микроконтроллеру по его запросу информацию о своем состоянии и данные из своих внутренних блоков памяти.

Таблица 1 Описание выводов стандартного разъема ЖКИ на базеHD44780

     Три вывода 14-контактного разъема предназначены  для подачи питающего напряжения смещения, которое управляет контрастностью дисплея.

     Из  оставшихся 11 выводов 8 используются для  организации мультиплексированной  шины “команды/данные”, и на 3 вывода (RS, R/W, E) AVR-микроконтроллер выставляет управляющие сигналы.

     При помощи сигнала на линии RS микропроцессор сообщает контроллеру индикатора о том, что именно передается по шине: команда или данные. Сигнал на линии Е является стробом, сопровождающим сигналы на шине “команды/данные”. Запись информации в ЖКИ происходит по спаду этого сигнала. Потенциал на управляющем выводе R/W задает направление передачи данных: запись в RAM индикатора или считывание оттуда.

     Контроллер  ЖКИ после приема байта команды  или байта данных требует некоторого времени для обработки полученной информации, в течении которого AVR микроконтроллер не должен выполнять новых передач.

     Для того чтобы определить, когда контроллер ЖКИ закончит свои внутренние операции, AVR может опрашивать BUSY флаг индикатора, который сбросится только тогда, когда контроллер ЖКИ освободиться. Второй, более простой способ заключается в том, что управляющий микроконтроллер, зная, сколько времени требуется ЖКИ на обработку той или иной команды, просто выполняет временную задержку после каждой передачи информации.

     Если  во время цикла записи AVR-микроконтроллер передает в контроллер индикатора код команды, то этот код записывается в регистр команд контроллера ЖКИ, и команда сразу же начинает выполняться. Если AVR-микроконтроллер передает в контроллер ЖКИ данные, которые представляют собой ASCII коды отображаемых символов, то они записываются в буфер данных, который обычно содержит 80 ячеек.

Таблица 2. Система  команд контроллера HВ44780