Проектирование идентификатора каналов многожильного кабеля

" Проектирование идентификатора каналов многожильного кабеля"

кабельный тестер микроконтроллер демультиплексор

Кабельный тестер— устройство, обычно состоящее из двух частей, проверяющее состояние кабеля или кабельной линии. Некоторые приборы позволяют проводить измерения характеристик кабеля или кабельной линии. На данный момент существует три класса приборов: для базовой проверки кабеля, для квалификации кабельной системы, для сертификации кабельной системы.

Выбор и обоснование основных технических решений. Детализация исходного ТЗ и постановка задачи

Пусть имеется кабель, состоящий из 80 жил. Чтобы определить на концах кабеля где какой провод, на одной стороне кабеля должен стоять блок-передатчик, а на другой блок-приемник. Схема подобной системы выглядит следующим образом:

Рис.

В данной работе будем рассматривать процесс создания блока-передатчика, который будет поочередно отсылать на каждый из подключенных проводов номер, соответствующий этому проводу и закодированный особым образом. Блок-приемник будет разрабатываться параллельно. В процессе выполнения данной работы необходимо получить принципиальную схему блока и функционирующую модель в программном пакете Proteus.

Источники информации (входных сигналов) Передатчик не имеет источников входных сигналов.

Приемники информации (выходных сигналов) Приемниками информации для блока-передатчика являются 80 проводов, на которые подаются из закодированные номера.

Возможные пути (варианты) решения поставленной задачи Основная проблема в решении данной задачи — недостаток портов ввода/вывода на микроконтроллере для обеспечения отсылки закодированного сигнала на один из 80ти проводников. Наиболее очевидным и простым решением здесь будет увеличение числа выводов за счет использования демультиплексоров, подключенных своими адресными входами к общей шине. Структурная схема для данного решения представлена ниже.

Возможные варианты структурных схем Рис.

Обоснование выбора ОМК для решения поставленной задачи В качестве устройства управления должен быть выбран микроконтроллер, обладающий хорошими техническими характеристиками, иметь, а также иметь относительно невысокую стоимость.

Также необходимо определить количество необходимых для работы портов, которые должен иметь микроконтроллер.

Учитывая все эти требования, в качестве устройства управления мною был выбран микроконтроллер ATmega8.

Причины выбора:

— Количество портов 3. Этот параметр позволяет подключить необходимое количество демультиплексоров, для обеспечения контролируемой подачи сигнала на 80 проводов.

— огромное количество справочной информации, примеров работы с микроконтроллером, книг по программированию данного МК.

— ATmega8 недорогой по сравнению с другими микроконтроллерами, имеет низкое энергопотребление.

— Обеспечивает необходимую производительность, т. е. вычислительную мощность, позволяющую обрабатывать системные запросы в течение всей жизни системы на выбранном прикладном языке.

— Данный микроконтроллер довольно доступен на радио рынках в достаточных количествах.

— К нему существует большое количество компиляторов на множестве прикладных языков, в том числе и компилятор от разработчика данного микроконтроллера, что дает дополнительную поддержку от производителя.

— Имеет все необходимые функции и устройства для работы в проектируемой системе.

Отличительные особенности:

* 8-разрядный высокопроизводительный AVR микроконтроллер с малым потреблением

* Прогрессивная RISC архитектура

* 130 высокопроизводительных команд, большинство команд выполняется за один тактовый цикл;

* 32 8-разрядных рабочих регистра общего назначения;

* Полностью статическая работа;

* Производительность приближается к 16 MIPS (при тактовой частоте 16 МГц);

* Встроенный 2-цикловый перемножитель ;

* Энергонезависимая память программ и данных

* 8 Кбайт внутрисистемно программируемой Flash памяти (In-System Self-Programmable Flash);

* Обеспечивает 10 000 циклов стирания/записи;

* Дополнительный сектор загрузочных кодов с независимыми битами блокировки;

* Внутрисистемное программирование встроенной программой загрузки;

* Обеспечен режим одновременного чтения/записи (Read-While-Write)

* 512 байт EEPROM;

* Обеспечивает 100 000 циклов стирания/записи;

* 1 Кбайт встроенной SRAM;

* Программируемая блокировка, обеспечивающая защиту программных средств пользователя;

* Интерфейс JTAG (совместимый с IEEE 1149.1)

* Возможность сканирования периферии, соответствующая стандарту JTAG

* Расширенная поддержка встроенной отладки;

* Программирование через JTAG интерфейс: Flash, EEPROM памяти, перемычек и битов блокировки;

* Встроенная периферия

* Два 8-разрядных таймера/счетчика с отдельным предварительным делителем, один с режимом сравнения;

* Один 16-разрядный таймер/счетчик с отдельным предварительным делителем и режимами захвата и сравнения;

* Счетчик реального времени с отдельным генератором;

* Четыре канала PWM;

* 8-канальный 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь;

* 8 несимметричных каналов;

* 6 дифференциальных каналов (только в корпусе TQFP);

* 2 дифференциальных канала с программируемым усилением в 1, 10 или 200 крат (только в корпусе TQFP);

* Байт-ориентированный 2-проводный последовательный интерфейс;

* Программируемый последовательный USART;

* Последовательный интерфейс SPI (ведущий/ведомый);

* Программируемый сторожевой таймер с отдельным встроенным генератором;

* Встроенный аналоговый компаратор;

* Специальные микроконтроллерные функции

* Сброс по подаче питания и программируемый детектор кратковременного снижения напряжения питания;

* Встроенный калиброванный RC-генератор;

* Внутренние и внешние источники прерываний;

* Шесть режимов пониженного потребления: Idle, Power-save, Power-down, Standby, Extended Standby и снижения шумов ADC;

* Выводы I/O и корпуса

* 23 программируемые линии ввода/вывода;

* 28-выводной корпус PDIP и 32-выводной корпус TQFP;

* Рабочие напряжения 2,7 — 5,5 В

* Рабочая частота 0 — 16 МГц

Структурная схема устройства и её описание. Структурная схема

Рис.

Назначение отдельных функциональных блоков

Назначение микроконтроллера ATmega8:

· кодирование сигнала, означающего номер выбранного провода

· выбор активного провода Назначение демультиплексоров 74 154:

· Расширение количества доступных выводов

Описание принципа действия и общий алгоритм работы

Для решения данной задачи, нам нужно разрешить 2 проблемы: во первых, не существует контроллера с 80 выходами, поэтому требуется увеличение количества портов для подключения испытуемых проводов. Во вторых, нам нужно решить каким способом кодировать номер проводника. Мы выбрали метод кодирования последовательностью импульсов. Этот метод легко реализуется и позволяет достигнуть очень высокого уровня точности передачи. По сравнению, к примеру, с кодированием по длине импульса, этот метод имеет более высокую точность, из-за того, что измерение длительности импульса на приемном блоке может внести существенную погрешность. Так же помеха, прервавшая этот импульс, исказит результат полностью. Передача импульса, закодированного двоичным кодом числа более эффективна, но является более труднореализуемой, поскольку надо регистрировать не только единичный импульс, но и нулевой. Тогда пришлось бы вводить проводник для синхронизации, что усложнило бы схему, но упростило бы реализацию. В любом случае, нам нужно объединить земли 2 схем.

Разработка функциональной и принципиальной схем. Описание принципиальной схемы устройства

Принципиальная схема устройства:

Рис.

Описание принципиальной схемы устройства:

Основу схемы представляет собой микроконтроллер ATmega8. К портам C и D подключены адресные входы демультиплексоров. К порту C — 16-тиричный адрес, а к D — подключены входы выбора микросхемы. Таким образом, мы используем меньшее количество проводников, чем при подключение каждого мультиплексора в отдельности, а не к общей шине адреса. На порт B выводиться информация сигнал на провод, выбранный с помощью демультиплексора. Для защиты выходов демультиплексоров, установим резисторы (сборки) на выход каждого канала. Таким способом мы защитим от выгорания выходного каскада микросхемы при коротком замыкание или же ошибке оператора.

Описание функциональной схемы устройства

Функциональная схема:

Рис.

Описание схемы:

Выше представлена функциональная схема проектируемого устройства. Устройство управляется микроконтроллером ATmega8. После инициализации портов происходит последовательная подача сигнала на каждый из 80 выводов, образованных с помощью демультиплексоров.

Разработка рабочей программы МКУ. Блок-схемы алгоритмов и их описания

Блок схема работы передатчика:

Рис.

Описание алгоритма:

Сразу после включения устройства, микроконтроллер настроит порты B, C, D на выход. Далее по кругу будет передавать по проводнику последовательность, кодирующую его номер.

Как мы сказали раньше, номер будет кодироваться последовательностью импульсов, в связи с тем, что такое кодирование является самым простым и эффективным.

Временная диаграмма:

Поскольку время кодирования одного счетного импульса составляет десятки микросекунд, то за секунду возможно несколько проходов. Ниже приведем временную диаграмму, снимаемую одновременно с первого, второго и третьего проводов.

Шаг сетки в данном случае 100 микросекунд.

Рис.

При шаге сетки в 2 миллисекунды, сигнал на проводниках с последними номерами будет иметь вид:

Рис.

То есть, максимальный по длине последовательность импульсов будет меньше 12 миллисекунд, что обеспечивает удобство оператора в том, что ему не требуется держать щуп на проводе долгое время, так же это время влияет на общую скорость работы системы.

Текст программы

Исходный код прошивки микроконтроллера-передатчика sender₀₀₁.c

#define F_CPU 100 0000UL

#include

#include

unsigned char i, limit;

unsigned char addr;

int main (void)

{

DDRC = DDRD = DDRB = 0xFF;

PORTB = 1;

for (;; addr++)

{

PORTC = addr = 80 < addr? 0: addr;

PORTD = ~ (1 << (addr >> 4)); // H part of addr

limit = addr + 1;

for (i = 0; i < limit; i++)

{

PORTB ^=1;

_delay_us (64);

PORTB ^=1;

_delay_us (64);

}

}

return 0;

}

Моделирование

Для моделирования описанной электронной медицинской книжки была использована программа разработки электрических схем Proteus 7.10 Professional.

Для того чтобы смоделировать наше устройство потребовались следующие компоненты Proteus:

Таблица

Послесоединения элементов между собой и их настойки, устанавливаем файл прошивки (sender₀₀₁.elf) свойствах контроллера.

После этого необходимо добавить на схему вторую часть данной системы (приемник). Как только приемник будет добавлен, можно начинать симуляцию работы схемы.

Заключение

В ходе выполнения данного курсового проекта были исследованы возможные решения поставленной в задании проблемы, из этих решений путем их анализа было выбрано оптимальное. Исходя из выбранного пути решения поставленной задачи, были разработаны структурная, функциональная и принципиальная схемы.

Был обоснован выбор тех или иных схем и выбор микроконтроллера, который будет стоять во главе всего устройства и управлять его составляющими элементами.

Были разработаны основные принципы и алгоритмы работы устройства, по которым оно будет функционировать, а для интеграции данных алгоритмов в само устройство была разработана программа на языке C для контроллера ATmega8 в среде разработки WinAVR.

Была смоделирована электрическая схема устройства.

При выполнении данного курсового проекта были получены новые и закреплены старые знания в области микроконтроллеров, разработки программ на языке высокого уровня, моделировании схем устройств.

Язык C, на котором написана основная программа управления системой, позволяет усовершенствовать прошивку, путем расширения функционала. Особенностью языка программирования С является обеспечение переносимости кода между устройствами

Список используемой литературы

1. Голубцов «Микроконтроллеры AVR — от простого к сложному», 2003, СОЛОН-Пресс.

2. ATmega8 Datasheet, описание от разработчика, 2011.

3. Atmel HomeAtmel Corporation http://www.atmel.com/