2.1 Выбор контроллера

Исходя из функциональной схемы контроллера обеспечивающего функции осциллографического пробника, при выборе контроллера следует учитывать, что контроллер должен обеспечивать минимальные задержки при обработке информации и оцифровке сигнала. Также желательно чтобы контроллер имел встроенный АЦП высокого быстродействия. Также требуется обеспечить соответствующее число портов для управления ЖКИ и приема данных с буферного коммутатора.

Для обеспечения корректного правильного выбора наиболее оптимального контроллера был проведен анализ трех наиболее часто используемых серий контроллеров: AVR, PIC и МК-51. При этом учитывалось, то что контроллер должен удовлетворять требованиям к разрабатываемому устройству а также по соотношению цены и качества.

Рассмотрим серию AVR - ядро базируется на RISC архитектуре. Имеется регистровый файл быстрого доступа, который содержит 32 регистра общего назначения. Они непосредственно связанны с арифметико-логическим устройством (ALU), и мощной системой команд. При совершении одного тактового цикла из регистрового файла извлекаются два операнда, что обеспечивает высокую производительность. Производительность такой высокоэффективной архитектуры во много раз больше, чем стандартные CISC микроконтроллеры, например 51 серия.

AVR работают в широком диапазоне питающих напряжений от 2,7 В до 6,0 В. Ток потребления в активном режиме зависит от величины напряжения питания и частоты, на которой работает микроконтроллер, и составляет менее 1 мА для 500 кГц, 5 ... 6 мА для 5 МГц и 8 ... 9 мА для частоты 12 МГц.

Каждый из 32-х регистров общего назначения длиной 1 байт непосредственно соединен с арифметико-логическим устройством (ALU) процессора. Это означает, что в AVR существует 32 регистра-аккумулятора это позволяет в сочетании с конвейерной обработкой выполнять одну операцию в ALU за один машинный цикл.

В целом архитектура AVR в сочетании с регистровым файлом и расширенной системой команд позволяет в короткие сроки создавать программы с очень эффективным кодом как по скорости его выполнения, так и по компактности.

Для решения поставленной задачи из серии AVR , был выбран наиболее подходящий контроллер AT90S2313, его основные технические характеристики:

2 Кбайт Flash- памяти с поддержкой внутрисистемного программирования SPI- последовательный интерфейс для загрузки программного кода Ресурс: 1000 циклов записи/ стирания

128 байта EEPROM: Ресурс: 100 000 циклов запись/ стирание

15 программируемых линий I/O

Питание VCC: от 2.7 В до 6.0 В

Полностью статический режим работы:

От 0 до 10 МГц, при питании от 4.0 В до 6.0 В От 0 до 4 МГц, при питании от 2.7 В до 6.0 В

Производительность, вплоть до 10 MIPS при 10 МГц

Один 8-ми разрядный таймер/ счетчик с отдельным предварительным делителем частоты

Один 16-ти разрядный таймер/ счетчик с отдельным предварительным делителем частоты с режимами сравнения и захвата

Полнодуплексный UART

Внешние и внутренние источники прерывания

Встроенный аналоговый компаратор

20 выводов из них 16портов.

Другой рассмотренный мной контроллер PIC16F628 наиболее распространенный и используемый контроллер серии PIC. Он обеспечивает необходимые параметры для реализации проекта по числу портов и внутренним ресурсам: таймеру памяти и частоте работы.

Контроллер относится к семейству КМОП микроконтроллеров с RISC архитектурой. Имеет внутреннее 2K x 14 бит EEPROM для программ, 8-битовые данные и 64байт EEPROM памяти данных.

Все команды состоят из одного слова (14 бит шириной) и исполняются за один цикл (400 нс при 10 МГц), кроме команд перехода, которые выполняются за два цикла (800 нс) Данный контроллер уступает сери AVR по быстродействию. PIC16F628 имеет прерывание, срабатывающее от четырех источников, и восьмиуровневый аппаратный стек.

Периферия включает в себя 8-битный таймер/счетчик с 8-битным программируемым делителем (фактически 16 - битный таймер) и 13 линий двунаправленного ввода/вывода. Высокая нагрузочная способность (25 мА макс. втекающий ток, 20 мА макс. вытекающий ток) линий ввода/вывода упрощают внешние драйверы и, тем самым, уменьшается общая стоимость системы.

Как показывает рассмотрение, данный контроллер позволяет реализовать разработку управляющего контроллера с необходимыми функциями однако имеет минимальное число портов что требует использовать или их мультиплексирование или ЖКИ с последовательным вводом/выводом. Однако данный контроллер малознаком по архитектуре. Для качественного выполнения проекта требует детального рассмотрения его архитектуры. В остальном контроллер удовлетворяет целям решаемой задачи.

Последнее рассматриваемое семейство микроконтроллеров МК-51. В данной архитектре имеется достаточное число портов однако контроллеры с высокоскоростным АЦП достаточно дороги потому эффективнее использовать внешний скоростной АЦП. Другой недостаток в стандартном контроллере внутренняя эффективная производительность ниже чем тактовая частота так один машинный цикл выполняется за 12тактов генератора. Однако существуют последние разработки использующие совместимую по командам и архитектуре структуру однако скорость исполнения команд у них выше CLK/2 или CLK/4. Объём максимального размера адресного пространства стандартного контроллера для каждого типа памяти состав-ляет 64 Кбайта. Но только 2, 4, 8 Кбайт ПЗУвстроено в контроллер и 128+128 байт регистрового ОЗУ располагаются непосредственно на кристалле МК 8051 (52). Однако при поиске подходящего контроллера этой серии как наиболее знакомой нам был выбран контроллер С8051F018 имеющий внешнюю частоту синхронизации до 25МГц и скорость обработки команд равную тактирующей частоте. Однако при выполнении команд деления и умножения они выполняются за 4ре такта. Дополнительным плюсом данных МК является расширенная регистровая память которая имеет 1Кб регистровой памяти куда может выполнятся сохранение измеренных данных. 3 16ти разрядных счетчика таймера обеспечивают широкие возможности синхронизации процессов и тактирования последовательного порта. В моем случае выбранный контроллер обеспечивает достаточное количество портов 4х8 что упрощает схемотехническое проектирование и позволяет ускорить обмен с АЦП по параллельному каналу как с АЦП так и с ЖКИ, а также подключение входного 8ми канального буфера.

Внимательно изучив свойства приведённых выше микроконтроллеров, а также сравнивая их с перечисленными требованиями (которые вытекают из совокупности необходимых параметров для разрабатываемого устройства), был окончательно выбран контроллер 51 серии как наиболее знакомый и удобный для реализации разрабатываемого осциллографического пробника.