Проектирование узла многофункциональной каналообразующей аппаратуры

Федеральное агентство связи.

Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики Кафедра: МЭС и ОС.

КУРСОВАЯ РАБОТА ПО КУРСУ «Схемотехника телекоммуникационных устройств»

" Проектирование узла многофункциональной каналообразующей аппаратуры" .

Выполнил: Поляков В.И.

Проверила: Кураш Елена Фёдоровна Новосибирск 2013 г.

• Введение
• 1. Разработка функциональной схемы устройства
• 2. Описание технологий
• 2.1 Расположение выводов и их назначение
• 2.2 RTC и карта организации памяти
• 2.3 Подключение к двухпроводной последовательной шине данных
• 2.4 Процесс передачи данных по двухпроводной шине
• 2.5 Режимы работы
• 2.6 Микроконтроллер
• 2.7 Дисплей
• 2.8 Точность
• 2.9 Подключение к батарее
• 3. Блок схемы работы устройства
• 3.1 Спецификация
• 4. Разработка алгоритма программы
• Заключение
• Список используемых источников

Часы реального времени — электронная схема, предназначенная для учёта времени, даты, дня недели и др. В общем RTC (real time clockчасы реального времени) могут быть реализованы и без специализированных устройств, но использование отдельной микросхемы позволит добиться более низкого энергопотребления, освободить ресурсы процессора для решения других задач и решения более высокой точности.

1. Разработка функциональной схемы устройства

Рисунок 1- Структурная схема устройства.

Рисунок 2 — Блоксхема DS-1307.

узел связь двухпроводной шина

2. Описание технологий

Часы реального времени с последовательным интерфейсом DS1307 — это малопотребляющие полные двоично-десятичные часы-календарь, включающие 56 байтов энергонезависимой статической ОЗУ. Адреса и данные передаются последовательно по двухпроводной двунаправленной шине. Часы-календарь отсчитывают секунды, минуты, часы, день, дату, месяц и год. Последняя дата месяца автоматически корректируется для месяцев с количеством дней меньше 31, включая коррекцию високосного года. Часы работают как в 24-часовом, так и в 12-часовом режимах с индикатором AM/PM. DS1307 имеет встроенную схему наблюдения за питанием, которая обнаруживает перебои питания и автоматически переключается на питание от батареи.

2.1 Расположение выводов и их назначение

Рисунок 3 — 8-выводный DIP

V_CC — первичный источник питания;

X1, X2 — подключение 32.768 кГц кварцевого резонатора;

V_BAT — вход батареи +3 В;

GND — общий минус;

SDA — последовательные данные;

SCL — последовательные синхроимпульсы;

SQW/OUT — выходной сигнал с прямоугольными импульсами.

V_CC, GND — на эти выводы подается питание.

V_CC — это вход +5 В. Когда питающее напряжение выше 1.25 * V_BAT, устройство полностью доступно, и можно выполнять чтение и запись данных. Когда к устройству подключена батарея на 3 В, и V_CC ниже, чем 1.25 * V_BAT, чтение и запись запрещены, однако функция отсчёта времени продолжает работать. Как только V_CC падает ниже V_BAT, ОЗУ и RTC переключаются на батарейное питание V_BAT.

V_BAT — вход для любой стандартной трёхвольтовой литиевой батареи или другого источника энергии. Для нормальной работы DS1307 необходимо, чтобы напряжение батареи было в диапазоне 2.0 … 3.5 В. Литиевая батарея с ёмкостью 48 мА/ч или более при отсутствии питания будет поддерживать DS1307 в течение более 10 лет при температуре 25 °C.

SCL (Serial Clock Input — вход последовательных синхроимпульсов) — используется для синхронизации данных по последовательному интерфейсу.

SDA (Serial Data Input/Output — вход/выход последовательных данных) — вывод входа/выхода для двухпроводного последовательного интерфейса. Вывод SDA — с открытым стоком и требует внешнего подтягивающего резистора.

SQW/OUT (Square Wave/Output Driver — сигнал с прямоугольными импульсами) — когда включен, т. е. бит SQWE установлен в 1, вывод SQW/OUT выдаёт прямоугольные импульсы с одной из четырёх частот (1 Гц, 4 кГц, 8 кГц, 32 кГц). Вывод SQW/OUT — с открытым стоком и требует внешнего подтягивающего резистора. SQW/OUT будет работать как при питании от V_CC, так и при питании от V_BAT.

X1, X2 — выводы для стандартного кварцевого резонатора с частотой 32.768 кГц. Схема внутреннего тактового генератора разработана для работы с кварцевым резонатором, имеющим входную ёмкость 12.5 пФ.

2.2 RTC и карта организации памяти

Рисунок 4 — Карта адресов DS1307

Карта адресов для RTC и регистров ОЗУ представлена на Рисунке 4 Регистры RTC расположены в ячейках адресов от 00h до 07h. Регистры ОЗУ расположены в ячейках адресов от 08h до 3Fh. В процессе многобайтного доступа, когда адресный указатель достигает 3Fh (конец пространства ОЗУ), он перемещается на ячейку 00h — начало пространства RTC.

Данная микросхема наделена 64 байтами памяти. Первые восемь байт — рабочие. В них хранится время, дата, день недели. Остальные выделены под нужды пользователя. В них можно хранить например какие-нибудь настройки или еще что-нибудь. Естественно, когда резервное питание пропадает, вся информация в этой памяти разрушается. Вся работа с часами (чтение и установка времени/даты) сводится к тому, чтобы читать и записывать нужные ячейки памяти.

Рисунок 5 — Память DS 1307

Все числа в памяти хранятся в двоично-десятичном формате. Это значит что в одном байте может хранится сразу две цифры. Например число 0Ч23 — содержит в себе цифру 2 и цифру 3. На каждую цифру выделяется по 4 бита. Зачем так сделано? Для удобства и экономии памяти. Кроме времени и даты в памяти хранятся несколько бит настроек:

· Clock Halt — управляет часами. Когда бит установлен то часы стоят. Чтобы запустить ход часов необходимо записать в этот бит 0. После подключения батареи резервного питания, этот бит уставлен и часы не считают время! Об этом нужно помнить.

· 24/12 — этот бит выбора режима часов. Когда этот бит равен единице то используется 12-ти часовой режим. В противном случае 24-х часовой. Если используется 12-ти часовой режим то пятый бит показывает AM или PM сейчас. Если бит равен 1 то значит PM. В 24-х часовом режиме этот бит используется для хранения десятков часов совместно с битом 4.

· Output — управляет состоянием ноги SQW/OUT. Бит установлен — на ноге лог 1. Сброшен — на ноге 0. Для управления таким образом, бит SQWE должен быть сброшен. SQWE — когда бит установлен, на ноге SQW/OUT появляются прямоугольные импульсы.

· RS1, RS0 — этими битами задается частота импульсов. Зависимость частоты от комбинации бит находится в таблице ниже:

Таблица 1 — Зависимость частоты от комбинации бит.

Таблица 2 — Вывода SQW/OUT.

OUT (Output control — управление выходом) — этот бит управляет логическим уровнем на выводе SQW/OUT, когда выход сигнала с прямоугольными импульсами отключен. Если SQWE = 0, то логический уровень на выводе SQW/OUT равен 1, если OUT = 1, и 0, если OUT = 0.

SQWE (Square Wave Enable — включение сигнала с прямоугольными импульсами) — когда этот бит установлен в 1, включается генерация прямоугольных импульсов. Их частота зависит от значения битов RS0 и RS1. (Если частота выходного сигнала установлена в 1Гц, регистры часов обновляются по заднему фронту этих импульсов).

RS (Rate Select — выбор частоты) — эти биты управляют частотой прямоугольных импульсов, когда бит SQWE=1. В Таблице 1 приведены частоты, которые можно выбрать с помощью битов RS.

2.3 Подключение к двухпроводной последовательной шине данных

DS1307 поддерживает обмен данными по протоколу I2C по двухпроводной двунаправленной шине. Устройство, которое передаёт данные на шину, является передатчиком, а устройство, принимающее данные, — приёмником. Устройство, управляющее передачей данных, называется ведущим. Устройство, которым управляет ведущий, называется ведомым. Ведущее устройство генерирует синхроимпульсы (serial clock — SCL), управляет доступом к шине и генерирует условия START и STOP. DS1307 работает на шине как ведомое устройство. Типовая конфигурация шины с использованием протокола I2C показана на Рисунке 6.

Рисунок 6 — Типовая конфигурация двухпроводной шины.

2.4 Процесс передачи данных по двухпроводной шине

Основные принципы передачи данных по шине I2C:

1) Передача данных может быть инициирована только когда шина свободна.

2) Во время передачи данные на линии SDA могут меняться только когда на линии SCL низкий уровень, в противном случае изменение данных будет интерпретироваться как управляющий сигнал.

Таким образом, возможны следующие состояния шины:

— Шина не занята — на линиях SDA и SCL сохраняется высокий уровень.

— Начало передачи данных (условие START) — изменение состояния линии SDA с высокого на низкий, в то время как на линии SCL высокий уровень.

— Окончание передачи данных (условие STOP) — изменение состояния линии SDA с низкого на высокий, в то время как на линии SCL высокий уровень.

— Корректные данные — состояние линии SDA представляет корректные данные, если после условия START состояние линии SDA не меняется в течение высокого уровня тактового сигнала. Данные на линии должны меняться в течение периода низкого уровня тактового сигнала. На один бит данных приходится один тактовый импульс.

Каждая передача данных инициируется условием START и завершается условием STOP. Число байтов данных, передаваемых между условиями START и STOP, не ограничено и определяется ведущим устройством. Информация передаётся побайтово, и каждый байт приёмник подтверждает девятым битом (бит подтверждения — ACK). В спецификации двухпроводного интерфейса определены обычный режим (с тактовой частотой 100 кГц) и быстрый режим (с тактовой частотой 400 кГц). DS1307 работает только в обычном режиме (100 кГц).

— Подтверждение — каждое принимающее устройство, когда является адресуемым, обязано генерировать подтверждение после приёма каждого байта. Ведущее устройство должно генерировать дополнительный тактовый импульс, который предназначен для бита подтверждения.

Подтверждающее устройство должно подтянуть к низкому уровню линию SDA во время тактового импульса подтверждения таким образом, чтобы на линии SDA оставался стабильный низкий уровень в течение периода высокого уровня тактового импульса, относящегося к подтверждению. Конечно, настройка и времена удержания должны быть приняты во внимание. Ведущий должен сигнализировать ведомому окончание данных, не генерируя бит подтверждения на последнем байте, который был получен от ведомого. В этом случае ведомый должен оставить линию данных в состоянии высокого уровня, чтобы позволить ведущему сгенерировать условие STOP.

Рисунок 7 — Процесс передачи данных по шине I2C.

В зависимости от состояния бита (* - бит чтения/записи или бит направления) возможны два типа передачи данных:

1) Передача данных от ведущего передатчика ведомому приёмнику.

Первый байт, передаваемый ведущим, — это адрес ведомого. Далее следует некоторое количество байтов данных. Ведомый возвращает подтверждающий бит после каждого принятого байта. Данные передаются, начиная со старшего бита (most significant bit — MSB).

2) Данные передаются от ведомого передатчика ведущему приёмнику.

Первый байт (адрес ведомого) передаётся ведущим. Ведомый возвращает подтверждающий бит. За ним следует передаваемое ведомым некоторое количество байтов данных. Ведущий возвращает подтверждающий бит после всех принимаемых байтов кроме последнего байта. В конце последнего принятого байта возвращается «неподтверждение». Ведущее устройство генерирует все последовательные синхроимпульсы, а также условия START и STOP. Передача заканчивается условием STOP или повтором условия START. Поскольку повторение условия START также является и началом следующей последовательной передачи, шина не освобождается. Данные передаются, начиная со старшего бита.

2.5 Режимы работы

1) Режим ведомого приёмника (режим записи DS1307).

Последовательные данные принимаются по SDA и синхронизируются по SCL. После каждого принятого байта передаётся бит подтверждения. Условия START и STOP распознаются как начало и конец последовательной передачи. Распознавание адреса выполняется аппаратно после приёма адреса ведомого и бита направления.

Байт адреса — это первый байт, принятый после генерации ведущим условия начала. Он содержит 7 битов адреса DS1307, который имеет значение 1 101 000, и следующий за ним бит направления (), который для записи равен 0. После приёма и декодирования адресного байта DS1307 выдаёт на линию SDA подтверждение, после чего ведущий передаёт в устройство адрес регистра. Это установит регистровый указатель. Затем ведущий начинает передачу байтов данных, каждый из которых будет подтверждаться DS1307. Чтобы завершить запись данных, ведущий генерирует условие окончания.

Рисунок 8 — Запись данных — режим ведомого приёмника.

2) Режим ведомого передатчика (режим чтения DS1307).

Первый байт принимается и обрабатывается так же, как и в режиме ведомого приёмника. Однако в этом режиме бит направления будет указывать, что направление передачи инвертировано. DS1307 передаёт последовательные данные по линии SDA пока на линию SCL поступают последовательные синхроимпульсы. Условия START и STOP распознаются в начале и в конце последовательной передачи.

Байт адреса — первый байт, принимаемый после стартового условия, генерируется ведущим. Байт адреса состоит из 7-битного адреса DS1307, который равен 1 101 000, и следующего за ним бита направления передачи (), который для чтения равен 1. После приёма и декодирования байта адреса, устройство выдаёт подтверждение на линию SDA. Затем DS1307 начинает передавать данные, начиная с указанного адреса, находящегося в регистровом указателе. Если перед началом чтения указатель регистра не записан, то первый читаемый адрес — это адрес, который был сохранён в нём последним. DS1307 должен принять «неподтверждение» для окончания чтения.

Рисунок 9 — Чтение данных — режим ведомого передатчика.

2.6 Микроконтроллер

В данной работе мы используем микроконтроллер Atmega8 фирмы Atmel

Рисунок 10 — Структурная схема микропроцессора.

Микроконтроллер ATmega8 выполнен по технологии CMOS, 8-разрядный, микропотребляющий, основан на AVR-архитектуре RISC. Выполняя одну полноценную инструкцию за один такт, ATmega8 достигает производительности 1 MIPS на МГц, позволяя достигнуть оптимального соотношения производительности к потребляемой энергии.

Технические параметры:

Память для программ составляет 8 Кб с возможностью перезаписать 10 000 раз

байт флеш-памяти для хранения переменных (100 000 циклов перезаписи) Кб ОЗУ и 32 регистра общего назначения Два 8-разрядных Таймера/Счетчика с раздельным прескалером, режим сравнения

— разрядный Таймер/Счетчик с раздельным прескалером, режим сравнения, режим захвата Таймер реального времени с независимым генератором канала ШИМ каналов 10-разрядного АЦП Двухпроводный последовательный интерфейс Программируемый последовательный USART

Интерфейс SPI с режимами Master/Slave

Программируемый сторожевой таймер с отдельным независимым генератором Встроенный аналоговый компаратор Сброс при включении питания, программируемая защита от провалов питания Встроенный калиброванный RC-генератор Обработка внутренних и внешних прерываний режимов с пониженным энергопотреблением: Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Power-down, и Standby

Напряжение питания 4.5 — 5.5 В Тактовая частота 0−16 МГц порта ввода/вывода, объединенных в 3 группы:

Порт В (PB0 — РВ7): Два вывода (РВ6 и PB7) используются для подключения кварцевого резонатора. Выводы РВ2 — РВ5 зарезервированы для внутрисхемного программирования. Таким образом, для общего применения остаются порты PB0 и PB1.

Порт С (PC0 — РС6: 7 выводов): Порты PC0 — РС5 можно использовать в качестве аналоговых входов. РС6 обычно используется для сброса.

Порт D (PD0 — PD7: 8 выводов): Эти порты можно использовать для общего применения.

Таблица 3 — Описание выводов микроконтроллера.

Таблица 4 — Питание.

Таблица 5 — Порт B

Таблица 6 — Порт С

2.7 Дисплей

Рисунок 11 — Структурная схема Дисплея LCD 16×2.

LCD (Liquid Crystal Display) — экран представляет собой электронный модуль дисплея и имеет широкий спектр применения. 16×2 ЖК-дисплей базовый модуль и очень широко используется в различных приборах и схемах. Эти модули являются предпочтительными в течение семи сегментов и других многих светодиодных сегмента. Причины быть: ЖК-дисплеи экономичны, легко программируемые; нет ограничение отображения специальных и даже пользовательские символы (в отличие от семи сегментов), анимации и так далее.

16×2 ЖК означает, что он может отображать 16 символов в строке и есть 2 такие линии. В этом ЖК отображается каждый символ в 5×7 пикселей матрицы. Этот ЖК состоит из двух регистров, а именно команд и данных .

Регистр команд хранит команды заповеди, данной ЖК-дисплее. Команда является инструкцией уделяется ЖК сделать предопределенный задачи, как его инициализации, очистка его экран, установив положение курсора, управления отображением и т. д. регистр данных сохраняет данные, которые будут отображаться на ЖК-дисплее. Данные значение ASCII символа, который будет отображаться на ЖК-дисплее. Кликните, чтобы узнать больше о внутренней структуре ЖК-дисплее.

Таблица 7 — Выводы контактов дисплея LCD 16×2.

2.8 Точность

Точность часов зависит от точности кварцевого резонатора и точности соответствия между ёмкостной нагрузкой схемы тактового генератора и внутренней ёмкостью кварцевого резонатора. Дополнительная погрешность будет вноситься дрейфом частоты кварцевого резонатора, происходящим из-за температурных перепадов. Помехи и шум внешней схемы могут привести к убыстрению синхронизации.

Рисунок 12 — Лучшее расположение кварцевого резонатора.

2.9 Подключение к батарее

Напряжение на любом выводе относительно земли: от -0.5 В до +7.0 В.

Её преимущество в том, что она работает при выключенном основном питании от резервного источника питания в 3 В.

Таблица 8 — Рабочие условия по постоянному току.

3. Блок схемы работы устройства

Рисунок 13 — Схема подключения.

Рисунок 14 — Подключение DS1307.

3.1 Спецификация

Таблица 9 — Спецификация.

4. Разработка алгоритма программы

Рисунок 15 — Блоксхема программы.

Заключение

В данном проекте производится проектирование и разработка программы узла связи, содержащего RTC — часы реального времени. Это очень важный элемент для ЦПУ, так как RTC осуществляют отсчёт не только времени, но имеют и дополнительные функции, такие как:

1 Таймер.

2 Календарь.

3 Собственная память.

4 Собственная батарейка.

5 Сигнал предупреждения (будильник).

Эти функции помогают не только освободить ЦПУ от загруженности процесса и увеличения его быстродействия, но и даёт такую возможность, как выключать ЦПУ, без потери времени, т.к. RTC работает на собственной батарее.

Список используемых источников

1 Белов А. В. «Микроконтроллеры AVR в радиолюбительской практике» СП-б, Наука и техника, 2007 г.

2 Старшин В. В. «Проектирование цифровых устройств на микроконтроллерах». М. Энергоатомиздат, 1990 г.

3 http://radioparty.ru/index.php/component/tag/DS1307

4 http://www.cqham.ru/super/dallas/project.htm

5 http://www.henningkarlsen.com/electronics/library.php?id=34

6 http://www.platan.ru/pdf/ec10.pdf