Выбор и характеристика оборудования

Выбор микроконтроллера. Одним из основных критериев при выборе МП является быстродействие. Так как к проектируемой системе не предъявляются высокие требования, то можно выбрать микропроцессор со средним быстродействием. Выберем микроконтроллер фирмы Atmel — AVR ATmega 32.

Микроконтроллеры AVR семейства Mega производятся с использованием высококачественных КМОП-технологий и отличаются от других микроконтроллеров тем, что они потребляют меньше энергии, работая при этом на высоких частотах.

В микроконтроллерах AVR реализована Гарвардская архитектура, в соответствии с которой разделены не только адресные пространства памяти программ и памяти данных, но и шины доступа к ним. Каждая из областей памяти данных (оперативная память и EEPROM) также расположена в своем адресном пространстве.

Память программ предназначена для хранения оследовательности команд, управляющих функционированием МК, и имеет 32-ти битную организацию. В микроконтроллере ATmega32 32 Кбайт внутрисистемно программируемой Flash памяти (In-SystemSelf-ProgrammableFlash). Ее главное достоинство в том, что она построена на принципе электрической перепрограммируемости, т. е. допускает 1000 циклов стирания/записи информации.

Периферия микроконтроллера включает 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, программируемый сторожевой таймер с отдельным встроенным генератором, аналоговый компаратор. 8-канальный 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь может работать в двух режимах: режиме однократного преобразования и режиме циклического преобразования.

Четырехпроводной интерфейс JTAG используется для тестирования печатных плат, внутрисхемной отладки, программирования микроконтроллеров.

Порты ATmega32 имеют 32 программируемые линии ввода/вывода. Каждая линия порта может быть запрограммирована на вход или на выход.

Мощные выходные драйверы обеспечивают токовую нагрузочную способность 20 мА на линию порта (втекающий ток) при максимальном значении 40 мА, что позволяет, например, непосредственно подключать к микроконтроллеру светодиоды и биполярные транзисторы. Общая токовая нагрузка на все линии одного порта не должна превышать 80 мА (все значения приведены для напряжения питания 5 В).

Система прерываний — одна из важнейших частей микроконтроллера. Все микроконтроллеры AVR имеют многоуровневую систему прерываний. Прерывание прекращает нормальный ход программы для выполнения приоритетной задачи, определяемой внутренним или внешним событием.

Еще одним немаловажным фактором в выборе микроконтроллера семейства AVR — это возможность писать программы на языке высокого уровня. Для того, чтобы писать программы на Cи для AVR или для любого другого микроконтроллера, мы должны иметь компилятор для данного MК. Как правило, эти компиляторы стоят дорого. Интегрированная среда разработки WinAVR включает мощные компиляторы Си и ассемблера, программатор AVRDUDE, отладчик, симулятор и множество других вспомогательных программ и утилит. WinAVR прекрасно интегрируется с бесплатной средой разработки AVR Studio, которую предоставляет фирма Atmel. На сайте Atmel доступен мощный бесплатный компилятор ассемблера, который входит в среду разработки AVR Studio, работающую под Windows. Наряду с компилятором, среда разработки содержит отладчик и эмулятор.

Компиляторы Си и Ассемблера имеют возможность создания отладочных файлов в формате COFF, что позволяет применять не только встроенные средства, но и использовать мощный симулятор AVR Studio. Еще одним достоинством является то, что WinAVR распространяется свободно без ограничений (производители поддерживают GNU GeneralPublicLicense).

Отличительные особенности:

• · Высокопроизводительные маломощные 8-битные микроконтроллеры из семейства AVR;
• · Прогрессивная RISC-архитектура;
• · Эффективный набор из 131 инструкции, большинство которых выполняются за один цикл синхронизации;
• · 32×8 рабочих регистров общего назначения;
• · Полностью статическая работа;
• · Производительность до 1 MIPS/МГц;
• · Встроенное двухтактное умножающее устройство;
• · Память данных и энергонезависимая память программ;
• · 32кбайт/64кбайт внутрисистемно-программируемой флэш-памяти;
• · Износостойкость: 10 тыс. циклов чтения/записи;
• · Опциональный сектор загрузочного кода с отдельными битами защиты;
• · Внутрисистемное программирование под управлением загрузочной программы;
• · Действительная поддержка чтения во время записи;
• · Внутрисистемно-программируемое ЭСППЗУ размером 1024/2048 байт;
• · Износостойкость 50 тыс. циклов записи/стирания;
• · Программируемая защита флэш-памяти и ЭСППЗУ;
• · 2048/4096 байт внутреннего статического ОЗУ;
• · Встроенный отладочный интерфейс (debugWIRE);
• · Особенности встроенных устройств ввода-вывода;
• · Один 12-битный высокобыстродействующий контроллер силового каскада (PSC) (только для ATmega32/64M1);
• · Неперекрывающиеся противофазные ШИМ-выходы с конфигурируемой паузой неперекрытия;
• · Программируемый коэффициент заполнения импульсов и частота;
• · Синхронное обновление всех ШИМ-регистров;
• · Функция автоматической остановки при аварийной ситуации;
• · Один 8-битный таймер-счетчик общего назначения с отдельным предделителем, режимами сравнения и захвата;
• · Один 16-битный таймер-счетчик общего назначения с отдельным предделителем, режимами сравнения и захвата;
• · CAN 2.0A/B с 6 объектами сообщений;
• · Контроллер LIN 2.1 и 1.3 или 8-битный УАПП;
• · Один ведущий/подчиненный последовательный интерфейс SPI;
• · 10-битный АЦП;
• · До 11 несимметричных каналов и 3 полностью дифференциальных канала;
• · Программируемый коэффициент усиления (5x, 10x, 20x, 40x) в каждом из дифференциальных каналов;
• · Встроенный ИОН;
• · Измерение напряжения питания;
• · 10-битный ЦАП для реализации регулируемого ИОН (для компараторов, АЦП);
• · Четыре аналоговых компаратора с переменным порогом срабатывания;
• · Источник тока 100 мкА ±2% (для идентификации LIN-узла);
• · Прерывание и возобновление работы по изменению состояния на выводах;
• · Программируемый сторожевой таймер с отдельным встроенным генератором;
• · Встроенный датчик температуры;
• · Специальные функции микроконтроллера;
• · Экономичные режимы работы: холостой ход (Idle), снижение шума (NoiseReduction) и отключение (PowerDown);
• · Сброс при подаче питания и программируемая схема сброса при снижении напряжения питания;
• · Внутрисистемное программирование через порт SPI;
• · Высокоточный кварцевый генератор для шины CAN (16 МГц);
• · Встроенный калиброванный RC-генератор (8 МГц);
• · Встроенная схема ФАПЧ для высокочастотной синхронизации ШИМ-контроллера (32 МГц, 64 МГц) и ЦПУ (16 МГц);
• · Рабочее напряжение: 2.7…5.5 В;
• · Расширенный рабочий температурный диапазон: -40°C…+125°C;
• · Градации по быстродействию: 0…8 МГц/2.7…4.5 В; 0…16 МГц/4.5…5.5 В;

Структурная схема микроконтроллера приведена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 Структурная схема микроконтроллера.

Выбор резисторов. Выбранная в качестве базиса разработки схема принципиальная электрическая микропроцессорного измерителя характеристик полупроводниковых приборов не содержит особых указаний, касающихся точности и мощности рассеяния резисторов. Т. к. в цепях схемы не будет наблюдаться большого разброса по значению протекающих через элементы токов и напряжений, то с целью снижения стоимости производства можно применять резисторы одного типа с одинаковой рассеиваемой мощностью. Возьмем наиболее распространенные в промышленном производстве безвыводные резисторы общего применения Р1−12 и переменные непроволочные подстроечные резисторы СП3−19.

Резисторы данного типа рассчитаны на работу при температуре окружающей среды от -60 °С до +70 °С и относительной влажности — до 98% при +35 °С, что удовлетворяет техническому заданию. Номинальную мощность рассеяния выберем исходя из того, что напряжение питания 12 В, а ток 50 мА. На всех элементах рассеиваемая мощность должна составлять 0,125−0,25 Вт. Возьмем резисторы, имеющие номинальную мощность рассеяния 0,125. Начальные сопротивления всех резисторов прибора соответствуют стандартному ряду Е24. Допуски на сопротивления ±5%, ±10% с целью снижения стоимости конструкции (это допустимо по причине любительского использования прибора).

Выбор конденсаторов. Схема электрическая принципиальная устройства требует использования в сборке полярных электролитических конденсаторов. Как наиболее распространенные выберем конденсаторы типа К50−35 или К50−68, которые являются взаимозаменяемыми. Но более предпочтительными являются конденсаторы типа К50−35 по причине их меньших габаритов. Поэтому в сборке будут использоваться конденсаторы типа К50−35. Это — оксидно-электролитические алюминиевые конденсаторы. Они предназначены для работы в цепях постоянного и пульсирующего напряжений, отличаются большими потерями, невысокой стабильностью параметров. Они выбраны как наиболее распространенные и обладающие сравнительно небольшими габаритами. Параметры эксплуатации конденсаторов соответствуют заданным в техническом задании (температура от -40 до +70 °С), номинальная наработка — 5000 часов. Остальные конденсаторы, входящие в схему, являются неполярными. Также в схема задействованы конденсаторы К73−17. Этот тип конденсаторов распространен, имеет малые габариты и массу. Диапазон рабочих температур от -60 до 125 °C.

Выбор других элементов. В данном устройстве применяются, преимущественно, распространенные, не дорогие и с оптимальными показателями качества радиокомпоненты. Таковыми являются, светодиоды, индуктивность и микросхемы. Индуктивность выбираем EC 15 нГн ± 5% (0402).

Критерием выбора является распространенность и не высокая стоимость. Исходя из тех же соображений, выбираем кнопочный выключатель. Кнопочный выключатель, также, вполне соответствует требованию современности дизайна корпуса. Разъемы выбираются, также, в соответствии с их назначением. Выбираем разъемы CONN-SILL-16, CONN-SILL-18. Еще один тип компонентов, который, помимо всего прочего, должен соответствовать требованию современности дизайна корпуса, — индикаторы. Сейчас доступны в продаже жидкокристаллические индикаторы. В настоящее время жидкокристаллические индикаторы являются наиболее распространённым видом индикаторов. Хотя сами жидкие кристаллы (ЖК) были известны химикам еще с 1888 г., но только 1960;х годов началось их практическое использование. В 1990 г. Де Жен получил Нобелевскую премию за теорию жидких молекулярных кристаллов. Обычно жидкокристаллический дисплей представляет собой стеклянную кювету толщиной меньше 20 мкм, в которую помещен жидкий кристалл. Направление молекул жидкого кристалла может быть задано обработкой поверхностей кюветы таким образом, чтобы молекулы ЖК выстраивались в определенном направлении — параллельно плоскости кюветы или перпендикулярно к ней.

Один из способов обработки поверхности заключается в нанесении на нее тонкого слоя твердого полимера и последующего «натирания» его в одном направлении. Используя различные ориентации направления молекул жидкого кристалла первоначально с помощью поверхностного упорядочения, а затем с помощью электрического поля, можно сконструировать простейший дисплей. Жидкокристаллический дисплей состоит из несколько слоев, где ключевую роль играют две стеклянные панели, между которыми помещён жидкий кристалл. Жидкокристаллические индикаторы используются в двух режимах работы: в режиме отражения света и в режиме просвечивания. Наиболее экономичный режим использования жидкокристаллического индикатора — это режим отражения. В этом режиме используются внешние источники света, такие как солнце или осветительные лампы помещения. Сами жидкокристаллические индикаторы ток практически не потребляют. При использовании режима отражения прозрачным оставляют весь дисплей. Информация же формируется непрозрачными участками жидкого кристалла, образующимися между электродами при подаче на них переменного напряжения. В режиме просвечивания возможны два вида использования жидкокристаллического дисплея: формирование обычного изображения как и в режиме отражения и формирование негативного изображения. В режиме негативного изображения весь дисплей остаётся непрозрачным, а свет проходит только через участки изображения, которые в этом случае кажутся нарисованными краской. Негативный режим формируется поляризационными плёнками с совпадающей поляризацией. Для подсветки жидкокристаллического индикатора обычно используется газоразрядные лампы или светодиоды, так как эти источники света не выделяют тепла, способного вывести из строя жидкокристаллический индикатор. Для равномерного распределения света под светодиодными индикаторами используются светопроводы, выполненные из рассеивающих свет материалов. Важным параметром индикатора является время релаксации — время, необходимое для возвращения молекул жидкого кристалла в исходное состояние после выключения поля. Оно определяется поворотом молекул и составляет 30−50 мс.

Такое время достаточно для работы различных индикаторов, но на несколько порядков превышает время, необходимое для работы компьютерного монитора. Время релаксации резко зависит от температуры жидкокристаллического индикатора. Не менее важным параметром жидкокристаллического индикатора является контрастность изображения. При нормальной температуре контрастность изображения достигает нескольких сотен. При повышении температуры контрастность изображения падает и при температуре порядка +50°C изображение становится практически неразличимым. Как было уже сказано, разрабатываемое устройство должно обладать высокой надежностью, сравнительно низкой стоимостью и современным дизайном, а также распространенностью, которая позволит облегчить замену деталей в случае возникновения неисправности. Этим требованиям как нельзя лучше соответствуют светодиодные сегментные индикаторы.

Выберем LCD дисплей Winstar WH2004. Дисплей имеет 20 символов на 4 строки.

Выбираем излучатель звука HPM14AX. Монтаж штыревой. Преобразует электрический сигнал в звуковой. Рабочая температура: от _ 30 °C до + 85 °C.

Стабилизатор напряжение lm7809 преобразует напряжение величиной до 20 Вольт в напряжение 9 Вольт. Данный стабилизатор часто применяется для получения стабилизированного напряжение для питания низковольтной аппаратуры.

Стабилизатор напряжения LM7805 один из самых дешевых (китайские производители) и полный аналог отечественной КРЕН5. На выходе выдает ровные 5 Вольт, выдерживает хороший ток, особенно микросхемы в корпусе TO220 при монтаже на радиатор.

Диод выпрямительный КД522Б. Рабочая температура −60…−125 оС.

Диод 2С147А относится к классу «Стабилитроны малой мощности» .

Защитный диод P6KE10A.

В таблицу 3.1 сведены сведения о габаритных размерах и расположении выводов основных элементов схемы электрической принципиальной блока измерителя характеристик полупроводниковых приборов.

Таблица 3.1- Сведения о габаритных размерах и расположении выводов основных элементов схемы электрической принципиальной блока измерителя характеристик полупроводниковых приборов.

Наименование элемента.	Габариты, расположение выводов.
Микроконтроллер ATmega32/64M1 в корпусе TQFP32/QFN32.
Резисторы Р1−12.
Наименование элемента.	Габариты, расположение выводов.
Резисторы СП3−19.
Конденсаторы К73−17.
Конденсаторы К50−35.
Наименование элемента.	Габариты, расположение выводов.
Излучатель звука HPM14AX.
Стабилизатор напряжение lm7809.
Диод КД522Б.
Диод 2С147А.
Диод P6KE10A.

Указанные выше радиоэлементы являются широко распространёнными, достаточно дёшевы, что облегчает подготовку к производству устройства и обеспечивает его ремонтопригодность.