Дипломная (вкр): Микропроцессоры спутниковых антенн

При наличии информации в ОМ-ОЗУ микросхема вырабатызает сигнал «Запрос прерывания» INT, а в случае ввода или чтения более восьми символов - сигналы (флаги) переполнения или переопустошения.

В клавиатурной части микросхемы предусмотрен специальный режим обнаружения ошибок при замыкании двух и более клавиш, а также введена схема устранения дребезга при замыкании - размыкании клавиши.

Клавиатурная часть может сопрягаться с любой клавиатурой типа клавиатуры пишущей машинки, произвольным набором переключателей и др.

Дисплейная часть микросхемы обеспечивает вывод информации по двум 4-разрядным каналам DSPA3-DSPA0 и DSPB3-DSPB0 в виде двоичного кода на 8- и 16-разрядные цифровые или алфавитно-цифровые дисплеи. Для хранения информации, подлежащей отображению в микросхеме, имеется оперативное запоминающее устройство отображения объемом 16 слов × 8 разрядов, которое также можно использовать как два устройства объемом по 16 слов × 4 разряда, одно устройство объемом 16 слов × 4 разряда или одно устройство объемом 8 слов × 8 разрядов. Информация на дисплей может выводиться слева направо без сдвига или справа налево со сдвигом.

Микросхема позволяет отображать информацию на всех типах дисплеев (дисплеи накаливания, со светоизлучающими диодами, ЖКИ и др.).

Программирование режимов работы, запись информации в ОЗУ отображения, чтение информации из ОМ-ОЗУ отображения, а также чтение внутреннего состояния микросхемы осуществляются через 8-разрядный дзунаправ-ленный канал данных D7-D0 при подаче соответствующих управляющих сигналов. Микросхема обеспечивает также формирование кодированных или дешифрованных интерфейсных сигналов сканирования S3-S0 клавиатуры и дисплея, а также сигнала для межразрядного гашения BD информации на дисплее. Наличие выходной линии запроса прерывания INT и режима чтения внутреннего состояния позволяют использовать данную микросхему в системах с прерыванием и'последовательным опросом внешних устройств. Микросхема допускает одновременное выполнение функций ввода/вывода и рассчитана по выводу INT на прямое подключение к шинам микропроцессоров КР580ВМ80А, КМ1810ВМ86 и КМ1821ВМ85.

Применение микрохемы КР580ВВ79 в системах позволяет полностью оезободить микропроцессор от операций сканирования клавиатуры и регенерации отображения на дисплее. Условное графическое обозначение микросхемы приведено на рисунке 4.7.

Рисунок 4.7 - Условное графическое обозначение микросхемы

4.7 Аналого-цифровой преобразователь

В данной микропроцессорной системе необходимо получать и обрабатывать аналоговый сигнал.Для этого аналоговый сигнал необходимо преобразовать в цифровую форму, в которой МП будет иметь возможность её обрабатывать. Для этой цели используется аналого-цифровой преобразователь, или сокращенно АЦП.

Различным методам построения АЦП соответствую устройства, различающиеся по точности, быстродействию, помехозащищенности, сложности реализации. Одним из наиболее распространённых является метод поразрядного уравновешивания, называемый также методом последовательного приближения. В АЦП, построенном этим методом, код в регистре результатов меняется так, чтобы обеспечить по возможности быстрое уравновешивание входного напряжения или тока напряжением или током, получаемым с выхода ЦАП, присоединенного к упомянутому регистру. Уравновешивание начинается со старшего разряда. В этом разряде вначале устанавливается единица и оценивается знак разности преобразуемого сигнала и уравновешивающего сигнала, формируемого в ЦАП. Если выясняется, что уравновешивающий сигнал меньше преобразуемого, то установленная в старшем разряде единица в дальнейшем сохраняется, а если больше - то то единица сбрасывается, т.е. в дальнейшем в этом разряде будет сохраняться ноль. Далее таким же образом проверяется , нужна ли единица в соседнем младшем разряде регистра. И так, уравновешивание продолжается до тех пор, пока не будут опрошены все разряды регистра, включая, самый младший. Указанная программа уравновешивания реализуется с помощью логических цепей, входящих в состав регистра результата, называемого в данном случае регистром последовательного приближения. На входы этого регистра поступают тактовые импульсы и выходной сигнал компаратора, сравнивающего преобразуемый сигнал с выхода ЦАП.

Широкое распространение однобайтных процессоров вызвало разработку восьмиразрядных аналого-цифровых преобразователей. Таковым, в частности является АЦП AD7819 компании Analog Devices, Inc.

Условно-графическое обозначение АЦП AD7819 показано на рисунке 16. Время преобразования входного сигнала этим АЦП равно 4,5 мкс, ток потребления от одного источника питания 5 В составляет всего лишь 3,5 мА в нормальном режиме и 1 мкА в режиме пониженного энергопотребления. Максимальная рассеиваемая мощность 17,5 мВт. АЦП может работать в автоматическом переходе в режим пониженного энергопотребления: АЦП автоматически выключается в конце преобразования, и включается, когда необходимо снва начать преобразование. АЦП также может работать в высокоскоростном режиме, при котором он не выключатся между преобразованиями. Данный АЦП обеспечивет преобразование напряжения в диапазоне от 0 до  в двоичный код, где - опорное напряжение подаваемое на вход 1 АЦП, от 1,2 В до . - напряжение питания, от 2,7 В до 5,5 В, подаваемое на вход 16.

Управление работой АЦП осуществляется с помощью сигналов, подаваемых на входы  (выбор кристалла) и  (чтение). Вход  используется в сочетании с  для включения выходов АЦП.

Когда на входе  сигнал низкого уровня, а на  подается срез, то выходы DB7-DB0 переходят из высокоимпедансного состояния и данные с АЦП передаются на шину данных. Во время преобразования АЦП входного напряжения, на выход 7 АЦП BUSY подается сигнал высокого уровня. Этот сигнал может подаваться на вход прерывания МП. В зависимости от сигнала на входе , АЦП переходит в режим пониженного энергопотребления, либо остается включенным.

Рисунок 4.8 - Входные и выходные сигналы

4.8 Контроллер двигателя

Данная микропроцессорная система управляет положением спутниковой антенны посредством включения-выключения двигателя, его реверса и регулированием его скорости. Данные действия выполняются при помощи контроллера двигателя. В данном проекте я использовал микросхему HIP4020 компании Intersil Corporation.

HIP4020 предназначена для управления направлением, скоростью вращения маломощных двигателей постоянного тока с рабочим напряжением 3В, 5В и 12В (при непосредственном подключении), а также диначического торможения двигателем. Фукциональная схема приведена на рисунке 4.9.

Рисунок 4.9. - Фукциональная схема контроллера

Основные особенности данного контроллера:

максимальный ток нагрузки 0,5А;

напряжение питания от +2,5В до +15В;

ТТЛ/КМОП совместимые входы;

защита от перегрева;

защита от перегрузки по току.

5. Обоснование применения и выбор микропроцессорного комплекта (МПК) и элементной базы

Выбор оптимального МПК для конкретного применения является наименее решаемой из многочисленных проблем развития микропроцессорной техники. Это определяется постоянным ростом количества МПК, расширением области их применения, а так же отсутствием четкой методики, позволяющей сделать однозначный выбор МПК.

Микропроцессор является функционально сложным программно управляемым устройством, выполненным в виде БИС, и характеризуется большим количеством параметров. Поэтому задача выбора оптимального с технической и экономической точек зрения МПК БИС для конкретной задачи является многокритериальной.

При выборе МПК БИС важным является формирование основных требований, предъявляемых к проектируемой аппаратуре. Аппаратура со встроенными микропроцессорами, как правило, должна удовлетворять следующим требованиям:

работа в режиме реального времени;

повышенная надежность, помехозащищенность, простота обслуживания;

наличие фиксированного набора задач, многократно решаемых на протяжении всего срока службы аппаратуры.

Выбор МПК БИС обычно производится с трех основных позиций:

С точки зрения разработки математического обеспечения следует анализировать: разрядность, число и использование регистров общего назначения, набор команд и способы адресации, наличие и организацию стека;

С точки зрения системного проектирования нужно анализировать следующие характеристики МПК БИС: тип архитектуры МП (секционные или однокристальные) и, как следствие этого, тип организации управления (микропрограммное или с жесткой логикой), наличие логически совместимых БИС из других комплектов, быстродействие МП, возможность прерывания и прямого доступа к память, наличие системы автоматизированного проектирования МПС;

С точки зрения разработки аппаратных средств МПС необходимо учитывать: электрическую совместимость БИС, число источников питания и рассеиваемую мощность, размер, тип корпуса и число выводов, диапазон рабочих температур и др.

Комплексный учет всех характеристик МПК БИС весьма затруднителен, так, как одни характеристики относятся к МП как к интегральной схеме, а другие - как к устройству ЭВМ или системы обработки информации.

Одной из основных характеристик, отражающих функциональные возможности МП, может служить его разрядность. Диапазон требуемой разрядности в микропроцессорных системах довольно широк. Так при построении контрольно-измерительных систем и систем сбора данных довольно часто используются 8-разрядные МП, а при построении цифровых фильтров и спектральных анализаторов требуемая разрядность МП возрастает до 32.

Таким образом, исходя из сравнительных характеристик микропроцессорных комплектов приведенных в [1] и учитывая необходимую разрядность микропроцессора, а также задание на курсовое проектирование, остановим свой выбор на микропроцессорном комплекте КМ1821.

В микропроцессорном комплекте КМ1821 центральный процессор вместе с устройством управления реализован в виде отдельной БИС и имеет фиксированную разрядность и встроенную систему команд.

Микропроцессорный комплект серии КМ1821 включает в себя: микропроцессорную БИС КМ1821ВМ85; программируемое устройство ввода-вывода параллельной информации различного формата КМ1821ВВ55; программируемый блок приоритетного прерывания КМ1821ВН59А; программируемое устройство прямого доступа к памяти КМ1821ВТ57; универсальный синхронно-асинхронный программируемый приемопередатчик КМ1821ВВ51А; шинные формирователи КМ1821ВА86, 87; буферные регистры КМ1821ИР82, 83, а также другие микросхемы.

Схемы выполнены по n-МОП технологии, входные и выходные сигналы соответствуют уровням работы ТТЛ-схем. Микро-ЭВМ, построенная на базе комплекта, работает с тактовой частотой до 5 МГц. Схемы программируются с помощью фиксированного набора команд микропроцессорных БИС КМ1821ВМ85.

Микропроцессорная БИС КМ1821ВМ85 представляет собой однокристальный 8-разрядный микропроцессор с двумя магистралями: однонаправленной 16-разрядной адресной магистралью, двунаправленной 8-разрядной магистралью данных, которая мультиплексирована с восемью младщими разрядами адресной шины. Микропроцессорная БИС рассчитана на выполнение логических и арифметических операций с 8-разрядными числами в двоичной и двоично-десятичной системах счисления, а так же операций с двойной разрядностью (с 16-разрядными числами).

Помимо стандартных микросхем, входящих в МПК КМ1821, была использована микросхема ввода-вывода КР580ВВ79 из микропроцессорного комплекта КР580 для ввода информации с клавиатуры и выводы информации на внешний дисплей.

В качестве логических элементов, дешифраторов, используются цифровые микросхемы серии 74HC компании Philips Semiconductors, которые изготавливают по технологии комплементарных металло-оксидных полупроводников (КМОП) и совместимые по уровням сиглатов с ТТЛ-микросхемами. К числу их преимуществ относятся: высокое быстродействие, обширная номенклатура, малая потребляемая мощность, малые габариты.

Все микросхемы ОЗУ различных произодителей в настоящее время унифицированы и имеют практически одинаковые характеристики: быстродействие, габаритные размеры, энергопотребление. Отличия состоят в дополнительных возможностях встраиваемых производителями в свои микросхемы. Например, компания Dallas Semiconductor предлагает энергонезависимые микросхемы статического ОЗУ со встроенными полнофункциональными часами реального времени, способные хранить информацию без источника питания в течение не менее 10 лет. В выполняемом мною курсовом проекте, подобные дополнительные возможности не требуются, поэтому была выбрана стандартная микросхема статического ОЗУ HM6264 компании Hitachi America Ltd. Её основные параметры приведены в главе 3.1 «Выбор типа микросхем памяти и расчет их количества в модулях ОЗУ, ПЗУ и ППЗУ».

Этими же принципами я руководствовался при выборе микросхем ПЗУ и построил блок ПЗУ на микросхемах M27C64A компании SGS-THOMSON Microelectronics.

При построении блока ППЗУ я использовал не стандартные микросхемы EEPROM-памяти, а новые, построенные по ферромагнитной технологии микросхемы FRAM памяти. Данный тип памяти сочетает быстродействие статической памяти и энергонезависимость и надежность EEPROM-памяти. Разработчиком, патентодержателем и основным производителем FRAM памяти является компания Ramtron International Corporation. Микросхема памяти FM1608 этой компании была использована в данном курсовом проекте.

В данной микропроцессорной системе необходимо получать и обрабатывать аналоговый сигнал.Для этого аналоговый сигнал необходимо преобразовать в цифровую форму, в которой МП будет иметь возможность её обрабатывать. Для этой цели используется аналого-цифровой преобразователь, или сокращенно АЦП. Для данного устройства был использован АЦП AD7819 компании Analog Devices, Inc. Это 8-разрядный АЦП напряжения в диапазоне от 0В до Vпит, обеспечивает быстрое 4,5 мкс преобразование, требует только одного опорного напряжения, имеет низкое 10,6 мВт энергопотребление.

По данным технического задания в качестве индикатора должен быть использован жидкокристаллический дисплей. Дисплей должен обеспечивать индикацию текущей угловой координаты антенны, номера спутника,
вида поляризации. Для выполнения данного рода задач выбран модуль MT-10T7 производства Российской фирмы МЭЛТ, который состоит из БИС контроллера управления и ЖК панели. Модуль позволяет отображать 10 знакомест. Сегменты можно включать и выключать независимо друг от друга. Модуль управляется по параллельному 4-х битному интерфейсу. Основные технические характеристики модуля MT-10T7: Напряжение питания 5 В; потребляемый ток 30 мкА; входное напряжение высокого уровня 2.4 ÷ 5.6 В; входное напряжение низкого уровня -0.6 ÷ 0.8 В; габаритные размеры модуля 66 x 31 мм; размер цифры 8x4 мм.

Для ввода и взаимодействия пользователя с системой управления была выбрана клавиатура FK-3 фирмы Fastwel. FK-3 - это 16 клавишная, пылевлагозащищенная клавиатура, является герметичной клавиатурой со степенью защиты NEMA 12. Цельное покрытие, выполненное из резины, обеспечивает полную герметичность контактной системы и места крепления клавиатуры на панели. Изделие оснащено средствами экранирования от электромагнитных помех, в результате чего не нарушается целостность экранирования системы с установленной клавиатурой. Кабель, входящий в комплект поставки, оснащен 10 контактными соединителями. Технические характеристики клавиатуры FK3 приведены в таблице 5. Комплект маркировки, поставляемый с клавиатурой FK-3, состоит из 36 сменных маркировочных элементов, которые могут устанавливаться без нарушения герметичности клавиатуры. Из этого комплекта выбираем следующие маркировочные элементы: «1», «2», «3», «4», «5», «6», «7», «8», «9», «0», «↑», «$», «!», «"»,«START», «ENTER».

Технические характеристики клавиатуры FK-3:

Характеристики контакта: 0.05А, 30 В (пост), резистивная нагрузка