Генератор сигналов произвольной формы на микроконтроллере AVR. Схемы измеритель импульса зажигания на avr

Измерение длительности импульса

Проектирование прибора измеряющего длительность импульса

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время микропроцессорная техника делает большие успехи в применении, в различных отраслях производства. Сейчас микропроцессоры стали применяться не только в бытовой технике и в автомобилях, но и даже в производстве управляя сложнейшими технологическими процессами.

Цель курсового проекта послужила создание измерительного прибора на базе микропроцессора AVR90S8515

Микропроцессоры американской фирмы ATMEL, в последние годы делают значительные успехи в освоении новых областей в сфере своего применения. Микропроцессорное ядро, используемое в микроконтроллерах AVR, похоже на большинство процессоров с RISC архитектурой, пожалуй, за исключением 8-разрядных регистров. Разработано двумя разработчиками из Норвегии, в городе Trondheim. Позже, в 1995 году, разработка была приобретена фирмой Atmel. До сих пор развитие ядра происходит в Норвегии, в то время как периферия и память разрабатываются в отделении Atmel в Калифорнии.

С помощью проектируемого прибора можно будет измерять длину импульсов в диапазоне от 10 мСек до 10 Сек измеренная величена будет отображаться на четырех разрядном светодиодном индикаторе

1.ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Необходимо спроектировать прибор для измерения длительности импульса.

2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ. ОБОБЩЕННЫЙ АЛГОРИТМ РАБОТЫ

Структурная схема измерительного прибора приведена на рис.1

Структурная схема измерительного прибора

мСек – кнопка выбора отображения измеренной длительности импульса в мили Секундах.

Сек - кнопка выбора отображения измеренной длительности импульса в Секундах

Инверсия – кнопка выбора первого или второго режима измерения см ТЗ.

Св.Д1. – светодиод индицирующий включение второго режима измерения

Св.Д2. – светодиод индицирующий включение режима отображения измеренной длительности импульса в секундах.

Св.Д3. – светодиод индицирующий включение режима отображения измеренной длительности импульса в мили секундах.

AVR90S8515 – однокристальная микро-ЭВМ AVR90S8515

Рисунок 1.

Дешифраторы производят дешифрацию двоично-десятичного кода, а индикаторы отображают результаты измерения.

При включении питания микро-ЭВМ производит выполнение подпрограммы инициализации (инициализация стека, настройка используемых портовВВОДА/ВЫВОДА, загружается в компаратор А таймер/счетчика число 80000, выбирается нужный режим работы таймер/счетчика 1 (бит CTC1 регистра управления таймером/счетчиком 1(TCCR1B), устанавливается в единицу, что означает сброс таймер/счетчика 1 при срабатывании компаратора А, также бит CS10,находящийся в этом же регистре, устанавливается в единицу, это означает, что в качестве источника синхронизации будет использоваться частота синхронизации кварцевого резонатора), происходит глобальное разрешение прерываний ). Далее происходит опрос состояния кнопки выбора режима измерения длительности импульса и в зависимости от ее состояния (0 – измерение низкого уровня длительности импульса, 1 - измерение высокого уровня длительности импульса ), происходи переход на соответствующую подпрограмму (IMPULS_POLOGITELNAY – подпрограмма измерения высокого уровня длительности импульса, IMPULS_OTRICHATELNAY - подпрограмма измерения низкого уровня длительности импульса ).

Алгоритм работы этих двух подпрограмм практический одинаковый, для примера рассмотрим работу подпрограммы IMPULS_POLOGITELNAY. При переходе на эту подпрограмму МП начинает опрос линии PA0 и в случае обнаружения на ней логической единицы запускает таймер/счетчик 1. При срабатывании компаратора А происходит сброс таймер/счетчика 1 (в компаратор А загружено число – 8000, при частоте синхронизации МП равной 8Мгц срабатывание компаратора произойдет ровно через 1мС±1% ), что говорит о прошествии 1мСек. Отчет мили секунд в соответствии с ТЗ начнется после прошедшей девятой мили секунды. Индикация измеряемой длительности импульса происходит каждые 50 мСек. Вмести с этим МП продолжает сканировать линию PA0 и после того как он обнаружит на ней состояние логического нуля, что говорит о конце измерения длительности импульса, произойдет остановка таймера/счетчика 1 и произведется переход на подпрограмму перевода двоичного шестнадцати разрядного числа в двоично-десятичное - bin16BCD5 (детальный алгоритм перевода двоичного шестнадцати разрядного числа в двоично-десятичное рассмотрен ниже). После выполнения подпрограммы bin16BCD5, МП опрашивает состояние кнопок мСек и Сек. Если нажата кнопка Сек (индикация результата измерения производится в секундах), то тогда МП путем выдачи с линии РА7 логической единицы индицирует точку разделяющую целую часть числа от дробной. Если не нажата ни одна из двух кнопок или нажаты все, то тогда индикация результата измерения производится не будет. После того как произведется индикация результата измерения (через линии порта D и C) МП возвращается в основную программу. На этом цикл работы программы заканчивается .

Алгоритм подпрограмма перевода двоичного шестнадцати разрядного числа в двоично-десятичное

Арифметико-логическое устройство AVR-микроконтроллеров (как и других микропроцессоров) выполняет элементарные арифметические и логические операции над числами, представленными в двоичном коде. В двоичном коде считываются результаты преобразования АЦП, в двоичном коде (в формате целых чисел или чисел с плавающей точкой) удобно выполнять обработку результатов измерения. Однако, когда окончательный результат отображается на индикаторе, он должен быть преобразован в десятичный формат, удобный для восприятия человеком.

Форматы представления десятичных чисел

В настоящее время распространены два формата представления десятичных чисел в микропроцессорах - упакованный двоично-десятичный код (BCD-Binary-Coded Decimal).

Упакованный BCD-код - это такое представление десятичного числа, когда каждая десятичная цифра представляется 4-х битным двоичным позиционным кодом 8-4-2-1. При этом байт содержит две десятичные цифры. Младшая десятичная цифра занимает правую тетраду (биты 3 : 0), старшая - левую тетраду (биты 7 : 4). Многоразрядные BCD-числа занимают несколько смежных байт. Если число является знаковым, то для представления знака в BCD-формате отводится старшая тетрада старшего байта

Алгоритм подпрограммы bin16bcd5 заключается в следующем. Предположим, что имеется целое беззнаковое 16-битное число (диапазон от 0 до 65535). Очевидно, что необходимо найти 5 десятичных цифр. Способ преобразования заключается в том, чтобы, вычитая из исходного числа число 10000, сначала определить десятичную цифру десятков тысяч. Затем находится цифра тысяч последовательным вычитанием числа 1000 и т. д. Вычитание каждый раз производится до получения отрицательной разности с подсчетом числа вычитаний. При переходе к определению каждого следующего десятичного разряда в регистрах исходного числа восстанавливается последняя положительная разность. После того, как будет найдена десятичная цифра десятков, в регистрах исходного числа останется десятичная цифра единиц.

3. РАЗРАБОТКА И РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

3.1 Выбор микропроцессорного комплекта

В соответствии с ТЗ ядром измерительного прибора послужила однокристальная микро-ЭВМ AVR90S8515 фирмы Atmel.

Основные характеристики однокристальной микро-ЭВМ AVR90S8515:

• AVR RISC архитектура - архитектура высокой производительности и малогопотребления

• 120 команд, большинство которых выполняется за один машинный цикл

• 8 Кбайта Flash ПЗУ программ, с возможностью внутрисистемногоперепрограммирования и загрузки через SPI последовательный канал, 1000 цикловстирание/запись

• 512 байтов ЭСППЗУ данных, с возможностью внутрисистемной загрузки через SPIпоследовательный канал, 100000 циклов стирание/запись

• 512 байтов встроенного СОЗУ

• 32 x 8 бит регистра общего назначения

• 32 программируемых линий ввода/вывода

• 16-разрядный и 32-разрядный формат команд

• Диапазон напряжений питания от 2,7 В до 6,0 В

• Полностью статический прибор - работает при тактовой частоте от 0 Гц до 8 МГц

• Длительность командного цикла: 125 нс, при тактовой частоте 8 МГц

• 8-разрядный и 16-разрядный (с режимами сравнения и захвата) таймеры/счетчики

• Сдвоенный ШИМ с 8, 9 или 10-разрядным разрешением

• Программируемый полный дуплексный UART

• Два внешних и десять внутренних источников сигнала прерывания

• Программируемый сторожевой таймер с собственным встроенным генератором

• Встроенный аналоговый компаратор

• Режимы энергосбережения: пассивный (idle) и стоповый (power down)

• Блокировка режима программирования

• Промышленный (-40°C...85°C) и коммерческий (0°C...70°C) диапазоны температур

• 40-выводной корпус PDIP и 44-выводные корпуса TQFP и PLCC

КМОП микроконтроллер AT90S8515 реализован по AVR RISC архитектуре

(Гарвардская архитектура с раздельной памятью и раздельными шинами для памятипрограмм и данных) и совместим по исходным кодам и тактированию с 8-разряднымимикроконтроллерами семейства AVR (AT90SXXX). Выполняя команды за один тактовыйцикл, прибор обеспечивает производительность, приближающуюся к 1 MIPS/МГц. AVRядро объединяет мощную систему команд с 32 8-разрядными регистрами общегоназначения и конвейерное обращение к памяти программ. Шесть из 32 регистровмогут использоваться как три 16-разрядных регистра-указателя при косвенной адресациипространства памяти. Выполнение относительных переходов и команд вызовареализуется с прямой адресацией всех 4К адресного пространства. Адресапериферийных функций содержатся в пространстве памяти ввода/вывода. Архитектураэффективно поддерживает как языки высокого уровня, так и программы на языкахассемблера.Встроенная загружаемая Flash память обеспечивает внутрисистемноеперепрограммирование с использованием интерфейса SPI (в последовательномВстроенная загружаемая Flash память обеспечивает внутрисистемноеперепрограммирование с использованием интерфейса SPI (в последовательномнизковольтовом режиме) или с использованием стандартных программаторовэнергонезависимой памяти (в 12-вольтовом параллельном режиме).Потребление прибора в активном режиме составляет 3,5 мА и в пассивномрежиме 1 мА (при VCC =3 В и f=4 МГц). В стоповом режиме, при работающемсторожевом таймере, микроконтроллер потребляет 50 мкА.низковольтовом режиме) или с использованием стандартных программаторовэнергонезависимой памяти (в 12-вольтовом параллельном режиме).Потребление прибора в активном режиме составляет 3,5 мА и в пассивномрежиме 1 мА (при VCC =3 В и f=4 МГц). В стоповом режиме, при работающемсторожевом таймере, микроконтроллер потребляет 50 мкА.

mirznanii.com

Генератор сигналов произвольной формы на микроконтроллере AVR

Библиографическое описание:

Литовченко А. А., Ерусалимский Ю. А. Генератор сигналов произвольной формы на микроконтроллере AVR // Молодой ученый. 2016. №21. С. 173-177. URL https://moluch.ru/archive/125/34400/ (дата обращения: 10.07.2018).

В статье описаны этапы разработки и исследования генератора сигналов произвольной формы для исследовательских целей на МК типа AVR. Проведена разработка принципиальной схемы генератора и программного обеспечения для его работы, изготовлен макет генератора и проведены его экспериментальные исследования.

Ключевые слова: AVR, генерация сигнала

На настоящий момент сложно обнаружить какое-либо оборудование без использования микроконтроллеров (МК), являющихся вычислительной микросхемой, управляющей электронными устройствами. Как известно, типовой МК выполнен на одном кристалле и содержит процессор, периферийные устройства, ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) и/или ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), в зависимости от применяемого назначения. Другими словами, микроконтроллер можно представить в виде миникомпьютера, способного решать несложные вычислительные задачи.

Разработка структурной схемы

Сигнал формируется микроконтроллером путём выполнения алгоритма, записанного в его ПЗУ. На выходе МК выдаёт двоичный код, который необходимо преобразовать в напряжение. Для выполнения данной задачи применяется цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) с последующим использованием фильтра нижних частот (ФНЧ) для подавления ступенек на сигнале. Из-за большой частоты, амплитуда сигнала очень маленькая, поэтому для усиления сигнала применяется усилитель. Для выбора формы сигнала, который будет генерировать МК, используется блок управления, так же, как и индикация выбора сигнала для визуализации выбранной формы сигнала. Структурная схема генератора сигналов изображена на рисунке 1.

$C:\Users\Aleksey\Desktop\Диплом\структурная схема-восстановлено.jpg$

Рис. 1. Структурная схема генератора сигналов

Выбор элементов принципиальной схемы

Главной частью генератора является МК ATMEGA328P-MU в корпусе MLF-32. Микроконтроллер уже распаян на платформе Arduino, что существенно упрощает монтаж и наладку МК и позволяет уделить больше внимания разработке самого генератора.

Основные параметры МК ATMEGA328P-MU описаны в таблице 1.

Таблица 1

Основные параметры МК ATMEGA328P-MU

ЦПУ: Ядро	AVR
ЦПУ:F, МГц	от 0 до 20
Память:Flash, КБайт	32
Память:RAM, КБайт	2
Память:EEPROM, КБайт	1
I/O (макс.), шт.	23
Таймеры:8-бит, шт.	2
Таймеры:16-бит, шт.	1
Таймеры:Каналов ШИМ, шт.	6
Таймеры:RTC	Да
Интерфейсы:UART, шт.	1
Интерфейсы:SPI, шт.	1
Интерфейсы:I2C, шт.	1
Аналоговые входы:Разрядов АЦП, бит	10
Аналоговые входы:Каналов АЦП, шт.	8
Аналоговые входы:Быстродействие АЦП, kSPS	76.9
Аналоговые входы:Аналоговый компаратор, шт.	2
VCC, В	от 1.8 до 5.5
ICC, мА	40
TA, °C	от -40 до 85

Блок управления состоит из четырёх клавиш выбора и трёх потенциометров. Для выбора сигнала используется соответствующая кнопка. Потенциометры предназначены для регулирования частоты, скважности (ШИМ) и управления усилением, при этом регулировать ШИМ возможно только при генерации прямоугольного сигнала.

Индикация выбора состоит из четырёх светодиодов, причём под каждой кнопкой выбора находится светодиод, сообщающий о выборе генерируемого сигнала.

Цифро-аналоговый преобразователь обеспечивает перевод цифровых данных в соответствующую аналоговую форму. В схеме используется ЦАП взвешивающего типа (делитель Кельвина). Определенному биту двоичного кода ставится в соответствие резистор или источник тока, который подключается в общую точку суммирования.

Принципиальная электрическая схема генератора представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Электрическая схема генератора

Разработка программного обеспечения

Для выполнения инструкций, определяющих, как и в каком порядке работать компонентам, подключённым к микроконтроллеру, реализована программа для данного микроконтроллера на языке программирования Arduino. Окно среды разработки с фрагментом программы показано на рисунке 3.

$C:\Users\Aleksey\Desktop\Диплом\arduinoc.jpg$

Рис. 3. Окно среды разработки Arduino

Исследование генератора

Созданный генератор формирует сигналы прямоугольной, пилообразной, синусоидальной и треугольной формы (рисунки 4–7).

$C:\Users\Aleksey\Desktop\Диплом\прямоугольный.jpg$

Рис. 4. Сигнал прямоугольной формы

$C:\Users\Aleksey\Desktop\Диплом\пила.jpg$

Рис. 5. Сигнал пилообразной формы

$C:\Users\Aleksey\Desktop\Диплом\sin.jpg$

Рис. 6. Сигнал синусоидальной формы

$C:\Users\Aleksey\Desktop\Диплом\треугольный.jpg$

Рис. 7. Сигнал треугольной формы

Литература:

Кравченко А. В. 10 практических устройств AVR-микроконтроллерах. — Книга 2. — СПб.: МК-Экспресс, 2009. — 320 с.
Соммер У. Программирование микроконтроллерных плат Arduino/Freeduino. — СПб.: БХВ-Петербург, 2012. — 256 с.
Arduino IDE — установка, настройка и интерфейс. Проверка соединения с платой Arduino // Программирование микроконтроллеров AVR, Atmega, Arduino и др. URL: http://progmk.ru/ (дата обращения: 14.09.2016).
ATmega328P Overview // Atmel Corporation — Microcontrollers, 32-bit, and touch solutions. URL: http://www.atmel.com/devices/ATMEGA328P.aspx (дата обращения: 02.09.2016).
From Arduino to a Microcontroller on a Breadboard // Arduino. URL: https://www.arduino.cc/en/Tutorial/ArduinoToBreadboard (дата обращения: 02.09.2016).

Основные термины (генерируются автоматически): AVR, треугольная форма, структурная схема генератора сигналов, программное обеспечение, основной параметр МК, двоичный код, блок управления, VCC, ICC, цифро-аналоговый преобразователь.

moluch.ru

Бесконтактный тахометр на микроконтроллере AVR. Часть 1. Схема и принцип работы

Рассматриваемый бесконтактный тахометр – это компактное устройство на микроконтроллере ATMega48 производства компании Atmel, позволяющее измерять высокие скорости вращения бесконтактным способом. Для измерения используется ИК сенсор (оптопара, ИК светодиод и ИК фотодиод в одном корпусе). Вывод данных осуществляется на двухстрочный символьный ЖК дисплей на базе контроллера HD44780.

Принцип работы

ИК сенсор (оптопара), представляющий собой миниатюрный компонент с ИК светодиодом и фотодиодом в одном корпусе, посылает ИК излучение на вращающийся механизм (вал, ротор двигателя), на котором должна быть небольшая отражающая наклейка.

Благодаря этой наклейке, каждый оборот вала вызывает появление отраженного импульса ИК излучения. Используемый сенсор производства компании Vishay Semiconductor имеет маркировку TCND-5000.

Данный сенсор был выбран после тестирования эквивалентных продуктов, так как его корпус обеспечивал оптическую изоляцию передающей и приемной части, а ИК светодиод выдерживает большие токи, что позволяет проводить измерения на больших расстояниях.

Таким образом, используя оптопару мы можем подсчитать время полного оборота вала, а далее, зная время (обозначим это время T в секундах), мы можем вычислит количество оборотов в минуту, используя простое выражение 60/T.

Получение данных от сенсора

Для снижения стоимости устройства и сложности сборки, а также для повышения гибкости системы, мы непосредственно подключим ИК сенсор к микроконтроллеру и программно реализуем всю обработку получаемого сигнала. Сразу стоит заметить, что это не так просто, так как получаемый с ИК фотодиода сигнал содержит шумы, а внешнее освещение постоянно оказывает на него влияние. Таким образом, проблема состоит в том, чтобы разработать устройство с автоматической адаптацией к внешней освещенности и расстоянию до объекта измерения.

На рисунке ниже изображена диаграмма аналогового сигнала от ИК сенсора (фотодиода)

Так как сигнал имеет шумы, при каждом определении наличия и отсутствия импульса (наличие импульса говорит о том, что вал вращается и сенсор «видит» отражающую наклейку), большое количество колебаний «вводит в заблуждение» микроконтроллер. Кроме того, эти факторы не позволяют использовать встроенный в микроконтроллер аналоговый компаратор, и нам необходимо ввести обработку аналогового сигнала перед каждой процедурой подсчета циклов.

Решение было найдено в оценке средней интенсивности, основанной на максимальном и минимальном значении интенсивности сигнала от сенсора, и включением гистерезиса в районе средней интенсивности. Гистерезис используется для предотвращения многократного счета циклов зашумленных импульсов.

Рисунок ниже поясняет работу такого алгоритма.

Когда сигнал нарастает от низкого состояния (отсутствует отражение от наклейки на валу) к высокому (отражение ИК импульса), алгоритм возьмет в расчет этот импульс высокого уровня лишь после того, как он пересечет «возрастающий уровень» гистерезиса, и примет в расчет низкий уровень лишь после того, как сигнал пересечет «спадающий уровень» гистерезиса. Такой алгоритм позволяет избежать ошибок вычислений, вызываемых шумным сигналом.

Принципиальная схема устройства

Схемотехническое решение очень простое и компактное (благодаря использованию миниатюрного сенсора), не содержит дорогостоящих компонентов. Питание устройства осуществляется от трех батарей типа AAA.

Как вы, наверное, заметили, отсутствует потенциометр регулировки контрастности дисплея (что также позволяет уменьшить размер устройства). Это возможно благодаря программной реализации алгоритма автоматической подстройки контрастности в зависимости от уровня напряжения питания с применением ШИМ и фильтра низких частот на элементах R3, R4 и C2. Пользователи могут ознакомиться с текстом алгоритма в исходном коде ПО микроконтроллера во второй части статьи.

Разъем JP1 предназначен для внутрисхемного программирования микроконтроллера. Разъем JP2 предназначен для подключения дополнительного пользовательского датчика.

Список примененных компонентов

Обозначение в схеме	Наименование, номинал
IC1	Микроконтроллер ATmega48
Q1, Q2	Транзистор BCW66G
C1, C2	10 нФ
C4, C5	33 пФ
X1	Кварцевый резонатор 20 МГц
R1, R2, R7	470 Ом
R3	1 кОм
R4	1.5 кОм
R5	1 МОм
R6	110 Ом
R8	70 Ом
LED3	Светодиод
IR1	Оптопара TCND-5000
B1	Кнопка
B2	Выключатель питания
JP1	Разъем внутрисхемного программирования
JP2	Разъем расширения

Демонстрация работы бесконтактного тахометра на микроконтроллере AVR можно посмотреть

Во второй части статьи будет рассмотрена конструкция прибора и основные моменты в программном обеспечении микроконтроллера, включая аналого-цифровое преобразование и организацию обмена данными с ЖК дисплеем.

meandr.org