1. Разработка технического задания

Анализ задания на курсовое проектирование показывает, что по сути разрабатываемая система является шестиканальным цифровым вольтметром с тремя аналоговыми и тремя цифровыми входами, который дополнен системой сбора и накопления данных. Структурная схема такого прибора приведена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема разрабатываемого прибора в первом приближении

Рассмотрим количественные характеристики проектируемой системы, следующие из задания на курсовой проект. Согласно рекомендациям к проекту, ширину спектра следует ограничить десятой гармоникой аналогового сигнала

.

Тогда для трёх мультиплексируемых аналоговых входа частота преобразования АЦП должна удовлетворять соотношению

(1)

Поскольку современные АЦП, интегрированные на одном кристалле с микроконтроллером, имеют минимальную частоту эффективного аналогово-цифровых преобразования , то соотношение (1) удовлетворяется с очень большим запасом. Заметим, что для микроконтроллеров ATmega фирмы Atmel (см. напр. [1]), которые будут использоваться в данной работе, большинство операций происходит за один такт процессора, частота которого , т.е. операции пересылки и ввода-вывода происходят за время, много меньшее времени преобразования АЦП, так что временем выполнения этих операций можно пренебречь. Куда существенней оказывается вклад, обусловленный конечным количеством отсчётов, требуемых для измерений. Будем производить в течение одного измерения выборки для накопления и последующего программного вычисления среднего значения измеряемого напряжения. Во-первых, это число больше 20-ти требуемых в задании отсчётов, во-вторых, деление числа на 32 сводится к сдвигу этого числа вправо на 5 бит, т.е. операция вычисления среднего значения сигнала по каждому из входов выполняется за 33 такта процессора - 32 сложения и 1 сдвиг вправо на 5 бит. Тогда частота, с которой производится аналогово-цифровых преобразования для получения среднего значения по всем 3-м аналоговым входам составит

.

Таким образом, пренебрегая временем вычисления средних значений по всем трём аналоговым входам и временем пересылок из регистров процессора в память, которое составляет примерно

,

получим для времени измерения трёх аналоговых сигналов

По условию задания, частота измерения входного сигнала (ГОСТ 8-109-98) должна составлять

.

Т.е. по условию цикл опроса трёх аналоговых выходов должен занимать приблизительно 1 секунду, тогда как аппаратно возможно производить около 500 циклов опроса за ту же самую секунду. Таким образом, по времени измерения всех трёх входных аналоговых сигналов микроконтроллеры ATmega фирмы Atmel нам подходят.

Анализ существующих схем, описывающих работу требуемых по заданию подсистем, показывает, что для реализации всей системы требуется 25 линий микроконтроллера - шесть линий для входных аналоговых и цифровых сигналов, три линии для управления подсистемой индикации, девять линий для подключения клавиатуры (четыре строки, четыре столбца и вход прерывания), пять линий для чтения и записи данных на карту памяти SD и две линии для связи с персональным компьютером. Таким образом, можно использовать любой контроллер ATmega, начиная с модели ATmega16 (c 16 Кбайт встроенной памяти команд) и выше, имеющий встроенный АЦП. Из соображений возможности дальнейшей модернизации прибора и усложнения работы его программы, мы будем использовать микроконтроллер ATmega128. Кроме того, выбор именно этой модели контроллера обуславливается наличием у него поддержки семи внешних прерываний, а именно столько нам и нужно - одно прерывание будет обслуживать нажатие кнопки клавиатуры, а три остальных - ввод цифровых сигналов по трём линиям.

Кроме аналоговых сигналов, у нас в системе по заданию должно обрабатываться ещё три цифровых сигнала. Однако поскольку вход цифровых сигналов должен быть реализован посредством прерывания, время измерения этих сигналов определяется временем вычисления среднего значения этих сигналов и временем пересылки их из регистров в память контроллера

,

т.е. существенного вклада во время измерения цифровые сигналы не вносят. Тем более не вносит существенного вклада время прохождения сигнала по проводникам от источника первичного сигнала, которое составляет

,

где максимальная длина проводника,

скорость света.

Рассчитаем теперь разрядность АЦП , исходя из погрешности представления информации :

Выбор микроконтроллеров ATmega фирмы Atmel для проектирования прибора обусловлен также следующими фундаментальными факторами. Во-первых, микроконтроллеры ATmega имеют на кристалле интегрированный 10-разрядный АЦП, обеспечивающий преобразование до 8 каналов. Во-вторых, в микроконтроллеры ATmega встроена Flash-память команд, объёмом от 8 до 256кБ в зависимости от модели микроконтроллера. В-третьих, в зависимости от модели, микроконтроллер ATmega имеет от четырёх до шести 8-разарядных двунаправленных портов ввода-вывода. И, в-четвёртых, фирма Atmel предоставляет широчайший спектр инструментов для программирования микроконтроллеров, таких как Atmel AVR Studio 5 и WinAVR, причём прошивки контроллеров можно писать не только на ассемблере, но и на языках высокого уровня, таких как C и Basic.

Итак, техническое задание на разрабатываемый прибор можно сформулировать следующим образом.

Технические требования

1. Состав изделия

Проектируемое изделие должно содержать следующие устройства:

Микроконтроллер со встроенными ОЗУ, ПЗУ и АЦП, табло из 6-ти 4-разрядных семисегментных светодиодных индикатора, кнопочную клавиатуру (16 клавиш), разъём карты SD и обеспечивать обработку 3-х аналоговых и 3-х цифровых сигналов.

2. Технические параметры

· Величина входного аналогового напряжения .

· Максимальная основная частота входного сигнала 50Гц

· Время формирования сигнала на выходе - не более 0.1 сек

· Точность представления информации - не хуже 1%

· Объем памяти ПЗУ - не менее 16 Кбайт

· Используемый тип микроконтроллера Atmel ATmega128

3. Принцип работы

Принцип работы данного устройства заключается в считывание информации в аналоговой форме по трём каналам и в цифровой форме по трём каналам, ее преобразовании, обработке (вычисление действующего (среднеквадратичного) значения, сохранении цифровых сигналов и выводом результатов на цифровое табло.

4. Условия эксплуатации

Разрабатываемый вычислитель на базе контроллера Atmel ATmega128 предполагается эксплуатировать в условиях УХЛ 4.2 ГОСТ 15150-69 при следующих условиях:

· температура окружающей среды от 0 до +50°С

· относительная влажность воздуха при температуре +50°С и ниже без конденсации влаги до 90%

· циклическое воздействие температур от 0 до +50°С

· атмосферное давление от 400 до 800 мм.рт.ст.

Примечание: механические воздействия в данной курсовой работе не рассматриваются.

Надежность - это свойство прибора выполнять заданные функции и при этом сохранять свои параметры в заданных условиях эксплуатации и в течение определенного промежутка времени. Показатели надежности прибора должны соответствовать ГОСТ 25359-82.