Kомпоненты, приборы, оборудование      
 |  Главная |  Каталог предприятий Украины |  Схемотехника |
 

Раздел на реконструкции, некоторые ссылки могут не работать!
  • Аудио
  • Безопасность
  • Бытовая электроника
  • Видео
  • Видеокамеры
  • Высоковольтные
  • Генераторы
  • Измерения
  • Интерфейсы
  • Коммутация
  • Компьютер
  • Медицина
  • Моделирование
  • Передатчики
  • Питание
  • Обработка данных
  • Предусилители
  • Радио

  • Веб-мастерам
    и писателям:
    Биржа статей. Продать - купить статью. Уникальные статьи: готовые и на заказ.


    Назад
       Проектирование микропроцессорных устройств. Часть 1
       
       А. Александров, г. Киев
       Проектируя новые устройства промышленной и бытовой электроники, особенно цифровой, разработчики все чаще используют микропроцессоры, без которых решения многих задач были бы невыполнимы. Поэтому каждый конструктор-электронщик должен владеть знаниями и практическими навыками проектирования устройств, построенных на микроконтроллерах, которые открывают дорогу новым применениям обычных цифровых устройств TTL или CMOS и позволяют реализовывать многофункциональные инженерные решения, благодаря совместной работе схемных устройств и программного обеспечения
       Приступая к проектированию устройств на микроконтроллерах в первую очередь следует решить вопрос правильного запитывания микроконтроллера, который часто недооценивается начинающими разработчиками. Очень часто неправильные развязки цепей питания приводят к нестабильной работе проектируемых устройств, в частности, непроизвольное обнуление микросхем цифровой логики, появление помех на сигнальных шинах и влияние на работу других устройств, взаимодействующих с микроконтроллером.
       Микроконтроллеры АТ89С5х запитываются напряжением 5 В ±20%, в то же время МС АТ89Сх051 имеют более широкий диапазон питающих напряжений и могут работать при напряжениии питания от 2,7 до 6 В. Микросхемы выпускаются в стандартных DIP-корпусах с 20 выводами.
       Основным достоинством рассматриваемого микроконтроллера есть совместимость по системе команд с широко распространенной микросхемой фирмы Intel - MCS-51 (советский аналог 1816ВЕ51).
       Разработчики ставили задачу создать микросхему, максимально совместимую с MCS-51, но при этом имеющую меньшие габариты и более удобную в применении. Для этого они отказались от двух из четырех портов ввода/вывода, внешнего ОЗУ данных и ПЗУ программ, отказались от всех режимов, требующих внешних микросхем обвязки, встроили тактовый генератор в корпус контроллера и применили в качестве памяти команд электрически перепрограммируемое ПЗУ, что дало возможность очень быстро и легко менять программное обеспечение.
       Применение системы команд популярного в свое время микропроцессора позволяет использовать для создания и отладки программ уже существующие инструментальные программные средства, такие, как грамма-трансляторы и отладчики.
       На рис.1 показан один из самых распространенных способов запитывания микроконтроллеров напряжением 5 В с использованием стабилизатора напряжения на интегральной схеме. Не стоит забывать, что для нормальной работы схемы стабилизации, построенной на преобразователях напряжения серии 78хх, необходимо обеспечить входное напряжение на 3 В выше, чем ожидается получить на выходе, что для ИМС 7805 составляет 8 В. Для предотвращения возможного возбуждения стабилизатора следует размещать конденсаторы С2 и С3 поближе к корпусу микросхемы преобразователя. Около выводов питания микроконтроллера, как и для каждой иной цифровой микросхемы, должны быть установлены блокировочные конденсаторы С5 и С6, предотвращающие возникновение наводок в цепях питания и прохождение иных помех, влияющих по шине питания на нормальную работу микросхем.
       Емкость конденсатора С4 не должна быть слишком большой (для устройств, потребляющих ток до 100 мА, С4 не нужен). Величина емкости конденсатора должна быть достаточно большой для восстанавления (накопления) энергии переменной сети после выпрямителя.
       ИМС стабилизатора 7805 обеспечивает максимальный выходной ток до 1 А, чего вполне достаточно для питания микроконтроллера и других микросхем в его окружении.
       Не менее важной есть величина расходуемой мощности в стабилизаторе, которая при запитывании током с напряжением 12 В (и выше до 24 В) требует наличия радиатора (довольно значительных размеров) для отвода тепла и поддержания нормального теплового режима микросхем.
       Величина тока, потребляемая микроконтроллером, в значительной мере зависит от напряжения питания и частоты тактирования процессора. По данным производителя Atmel потребление тока на тактовой частоте генератора 12 МГц составляет 25 мА (при Uпит = 5 B) для микроконтроллеров серии 89Сх. Для серии 89Сх051 потребляемый ток составляет 5,5 мА (при Uпит = 3 B) и 15 мА (при Uпит = 6 В).
       Исходя из этих характеристик микроконтроллеры серии 89Сх051 могут быть использованы в устройствах с резервным или аварийным батарейным питанием. На рис.2 показан один из вариантов возможных схемных решений использования резервного питания микроконтроллера. В качестве резервного источника питания используется аккумулятор с напряжением 3,6 В. Наиболее подходящими можно считать Ni-Cd аккумуляторы с напряжением 3,6 В и емкостью 60 мА·Ч, которые часто используют в материнских платах компьютеров РС. Можно также использовать аккумуляторы, применяемые в трубках беспроводных телефонных аппаратов, характеризующиеся большей емкостью и, соответственно, стоимостью.
       В качестве диода VD2 следует использовать диод Шоттки, характеризующийся меньшим падением напряжения по сравнению с обычными диодами. Диод VD1 может быть обычным кремниевым - предохраняет основной источник питания, когда микроконтроллер не активен и потребление энергии происходит от аккумулятора. Резистор R1 подбирают из соображений получения требуемого тока заряда аккумулятора - при этом следует учитывать, что аккумулятор будет подзаряжаться в течение всего времени работы микроконтроллера от основного источника питания, следовательно, необходимо ограничить зарядный ток до безопасного значения. Для резистора R1 с сопротивлением 47 кОм зарядный ток полностью разряженного аккумулятора составит 0,05 мА. Таким зарядным током пришлось бы заряжать полностью разряженный аккумулятор около месяца. Такая величина зарядного тока не угрожает полностью заряженному аккумулятору.
       В случае переносного устройства или когда предполагаются частые перерывы или отключения основного питания, стоит использовать больший зарядный ток, необходимый для пополнения израсходованной аккумулятором энергии. В то же время, применение кремниевого диода VD1 обеспечивает ограничение максимального напряжения на аккумуляторе до безопасного значения 4,4 В (при запитывании напряжением 5 В) без необходимости ограничения зарядного тока, когда аккумулятор будет полностью заряжен.
       С2 - блокирующий конденсатор в цепи питания микроконтроллера. Конденсатор С1 поддерживает стабильную работу в момент выключения и особенно включения основного питания. Он должен иметь емкость в несколько раз больше чем конденсатор цепи обнуления микроконтроллера (С3, С2), так как в случае недостаточной емкости конденсатора С1 после включения основного напряжения питания произойдет дозарядка конденсатора С3 до уровня 4,4…4,7 В (в зависимости от типа диода VD1) при низком напряжении резервного аккумулятора существует опасность, что добавление тока с цепей С3 и R2 (также внутренний резистор микроконтроллера) вызовет падение напряжения на резисторе R2, которое в свою очередь может привести к обнулению микроконтроллера.
       Динамическое сопротивление диода VD1 и наличие достаточной емкости С1 ограничивает скорость нарастания напряжения, а следовательно и увеличения тока дозаряжающего конденсатор С2. Тогда напряжение на R2 не достигнет значения, угрожающего обнулением микроконтроллера.
       Описанную схему с резервным питанием нельзя реализовать в работе с микроконтроллерами АТ89С5х.
       На практике часто используются устройства, питание которых должно быть только в момент возникновения соответствующего внешнего события (например, нажатие кнопки или датчики удаленного управления и т.п.), если в течение некоторого времени схема остается пассивной, что при батарейном питании есть расточительным. На рис.3 показан фрагмент схемы устройства, основное питание которого включается только на время выполнения процесса, вызванного нажатием одной из кнопок. Нажатие любой кнопки приводит к подключению отрицательного полюса источника питания к массе устройства. В самом начале работы микроконтроллера выполняется первая команда по обнулению порта Р1.3, что приводит к открытию транзистора VT2 и подаче напряжения на базу транзистора VT1. Происходит открытие транзистора, который будет поддерживать подключение основного питания. После выполнения программы, вызванной нажатием конкретной кнопки, микропроцессор закрывает порт Р1.3, следовательно закрываются транзисторы VT2 и VT3 и происходит отключение основного питания.
       В цепи питания микроконтроллера и остальных микросхем не должно быть фильтрующих электролитических конденсаторов с емкостью более 10 мкФ, которые увеличивают время задержки включения питания и могут вызвать трудности при его выключении (проявляется нестабильная работа микроконтроллера из-за плавного, длительного выключения питания). Для повышения устойчивости в работе в схему добавляют резистор с сопротивлением 330 Ом. Подключают его между шинами Vcc и GND микроконтроллера, при этом однако увеличивается потребление тока во время работы устройства.
       Недостатком приведенного схемного решения является необходимость нажатия кнопки в течение всего времени обнуления микропроцессора, плюс время, необходимое на выполнение команд, ответственных за включение, поддержание и считывание выводов отдельных клавиш (определение, какие клавиши нажаты). Части программы должны быть едиными (согласованными) с первых команд. Способ реализации данной задачи приведен в Листинге 1. Несомненное достоинство этого метода - практически нулевое потребление тока В период неактивности устройства.
       Уменьшение потребления мощности можно достичь снижением частоты тактирования, которая почти линейно влияет на потребление тока или путем понижения напряжения питания.
       Это возможно лишь в схемах с АТ89Сх051 (способных работать в широком диапазоне питающих напряжений). Микроконтроллеры АТ89С5х перестают нормально работать уже при напряжении питания 3,5 В. Некоторые экземпляры микросхем АТ89Сх051 могут нормально работать даже при напряжении питания 1,8 В, что с успехом позволяет запитывать их с двух аккумуляторов Ni-Cd (2,4 В) или двух обычных цинковых или щелочных элементов питания (3 В).
       Еще большего понижения напряжения питания можно достичь с использованием режима микроконтроллера Power Down (установкой бита PD регистра PCON), что позволяет понизить напряжение питания до 2 В (гарантированное производителем), а практически даже до 1,2 В. К сожалению, процессор в таком режиме не работает, поддерживается значение внешней памяти данных и регистров SFR. Возврат к нормальной работе возможен только через генерацию сигнала RESET (через начальное восстановление полного напряжения питания). Вход в состояние Power Down должен происходить после исчезновения напряжения питания. Реализация схемы, определяющая исчезновение основного напряжения питания, довольно проста - достаточно подключения любого вывода порта микроконтроллера к цепи основного питания через резистор 1…10 кОм (на рис.2 - резистор R3). В момент ичезновения основного напряжения в цепи питания появится потенциал, близкий к массе, что приведет к понижению логического уровня на выводе порта. Появление низкого уровня означает отсутствие питания и переход в режим Power Down. Выход из этого режима возможен исключительно нажатием кнопки Р1 (рис.2). Возможен также вход в спящий режим Idle, который также приостанавливает работу микроконтроллера, однако работают прерывания и генератор временных сигналов.
       Выход из режима Idle происходит в момент прихода сигналов прерывания или RESET.
       
       


     SVITEL © 2014  Мир электроники.  Admin  При перепечатке и цитировании активная гиперссылка на сайт обязательна. Rambler's Top100