1. Алгоритм работы устройства.

По заданию требуется реализовать блок управления УКВ радиостанции. Видим, что нам не требуется высокая скорость обработки информации в реальном времени. Данное задание можно реализовать практически на любом микроконтроллере. Воспользуемся 8-разрядным микроконтроллером семейства MCS-51, фирмы Atmel. Семейство выбирал исходя из учебной программы. Что касается фирмы Atmel - один из лидеров производства микроконтроллеров, выпускающий микроконтроллеры и другую электронную продукцию более 20 лет.[1]

На официальном сайте Atmel [2] выбираем микроконтроллер AT89C2051 и читаем datasheet с этого же сайта.

КМОП микроконтроллер АТ89С2051, оснащенный Flash программируемым и стираемым ПЗУ, совместим по системе команд и по выводам со стандартными приборами семейства MCS-51. Микроконтроллер содержит 2 Кбайта Flash ПЗУ, 128 байтов ОЗУ, 15 линий ввода/вывода, один 16-разрядный таймера/счетчика событий, полнодуплексный порт (UART) пять векторных двухуровневых прерываний, встроенный прецизионный аналоговый компаратор, встроенные генератор и схему формирования тактовой последовательности. Программирование Flash памяти программ ведется с использованием напряжения 12 В, ее содержимое может быть защищено от несанкционированных записи/считывания. Имеется возможность очистки Flash памяти за одну операцию, возможность считывания встроенного кода идентификации.

Микроконтроллер АТ89С2051 ориентирован на использование в качестве встроенного управляющего контроллера, что хорошо подходит для нашего случая.

Так как УКВ радиостанция может быть и передвижной, то в условиях Сибири, нужно работать в довольно широких диапазонах температур. Данный микроконтроллер может работать от -55 до 125^oC, и это весьма неплохо.

У данной серии микросхемы есть два типа корпуса. В данном случае выбираем любой, т.к все они небольшого размера, что очень удобно если у нас переносная радиостанция. Выбираю корпус DIP20 – AT89C2051-12PU.

Рисунок 1.1 – Размеры МК с корпусом DIP20.

Стоимость и наличие в магазинах тоже радует. Цена обычно не превышает 1$ (20-35 руб.) по состоянию на 2011 год. [3-4].

Что касается питания микроконтроллера, то по заданию напряжения питания блока управления напряжением постоянного тока 12 В. Воспользуемся этим питанием. Потребление МК в активном режиме на частоте 12 МГц не превышает 15 мА и 5,5 мА при напряжении питания 6 В и 3 В, соответственно. При тех же условиях в пассивном режиме, при котором остановлено ЦПУ, но система прерываний, ОЗУ, таймер/счетчик событий и последовательный порт остаются активными, потребление не превышает 5 мА и 1мА. В стоповом режиме потребление не превышает 100 мкА и 20 мкА при напряжении питания 6 В и 3 В, соответственно. Видим, что МК обладает довольно небольшим потребляемым током, и может работать в довольно широких напряжениях. Задаюсь питанием в +5В, нужно преобразователь/ стабилизатор напряжения. Воспользуемся отечественным стабилизатором напряжения серии ЕН.

Микросхема КР142ЕН5В трёхвыводной стабилизатор с фиксированным выходным напряжением 5 вольт могут найти применение в широком спектре радиоэлектронных устройств в качестве источниках питания логических систем, измерительной технике, устройств высококачественного воспроизведения и других радиоэлектронных устройств. Рабочий диапазон температур -45 - +125^oС. При напряжении входа 12 В, выходное напряжение 5±0,1В, током 1А. Данный стабилизатор хорошо подходит для работы на автотранспорте (с 12 вольтовым питанием). Напряжение на аккумуляторе может меняться 10…14,5В. Что не выходит за рамки работы стабилизатора (7-15В). Корпус ТО-220. Все параметры прекрасно подходят.

.

Рисунок 1.2 – Чертёж корпуса ТО-220

Внешние конденсаторы могут быть использованы для ускорения переходных процессов. Входной конденсатор необходим только в том случае, если стабилизатор находится далеко от фильтрующего конденсатора источника питания. Конденсаторы ставим небольшой ёмкости (1-10мкФ), т.к на не нужно сглаживать сетевые н.ч. импульсы источника. Т.к общий ток не превышает 100мА (см далее), то не имеет смысла ставить его на радиатор.

Чтобы наше устройство работало только при питании 5В, а не при каком-то меньшем напряжении, мы ставим супервизор питания.

Супервизоры питания - интегральные микросхемы, которые изменяют состояние своего выходного цифрового сигнала, если уровень напряжения питания снизился ниже определенной пороговой величины напряжения. Применение супервизоров питания в таких системах позволяет устранить следующие проблемы:

Несанкционированное поведение микропроцессора/микроконтроллера при подаче питания и снятии питания, т.е. когда существуют интервалы времени, когда напряжение питания находится на недостаточном уровне для корректной дешифрации и исполнения кода команды;

• как следствие из первого пункта, инициация самопроизвольной записи в энергонезависимую память за счет сбоя в выполнении программы;

• инициация процесса записи в энергонезависимую память, когда напряжение питания заведомо находилось на уровне недостаточного для корректного завершения процесса записи.

И подключаем его к контакту сброса – Reset. Положительное цифровое питание супервизора подключаем к источнику питания, а цифровую землю супервизора – на корпус. Выбираем следующий супервизор питания – MCP101-460. Он сбрасывает по высокому потенциалу в диапазоне 4.35В - 4.6В. Так же вся серия супервизоров MCP101/100 работает в температурном диапазоне от -40°C до +85°C, что вполне приемлемо. Питание от 1-7В и очень маленький ток потребления 45мкА. Время задержки trpu ≈ 350 мс

Рисунок 1.3 - Временные диаграммы работы MCP101/100

Корпус микросхемы выбираем ТО-92: MCP101-460ТО92

Рисунок 1.4 - Чертёж корпуса ТО-220.

В качестве генератора тактов используем кристалл кварца HC-49US (12МГц). Емкости выбираем из рекомендации производителя МК (40пФ±10 пФ).

Рисунок 1.5 - Чертёж корпуса кристалла кварца.

Итак, все готово, чтобы включить микроконтроллер. Осталось подключить к портам блоки, которыми нужно управлять.

По заданию, нам нужно управлять УКВ радиостанцией. Блок усилитель мощности (УМ) и усилитель низкой частоты (УНЧ) разрабатывать не буду. Синтезатор попытаюсь рассчитать. Чтобы выбрать синтезатор, нужно знать на каких частотах мы будем работать. Заходим на сайт Федеральной службы по надзору в сфере связи и информационных технологий и массовых коммуникаций «Главный радиочастотный центр»,

и анализируем УКВ – диапазон. []

Рисунок 1.6 – Частоты сухопутной службы (УКВ).

Рисунок 1.7 – Распределение частот (УКВ).

Рисунок 1.8 – Частоты морской службы (УКВ).

Видим, что частоты морской службы (УКВ) 156-174МГц. Для охвата наземной и морской зададимся частотами f_с ϵ (146-174) МГц. Полная диаграмма распределение частот можно увидеть на том же сайте[]

Промежуточная частота выбирается f_пч=45МГц. Промежуточная частота (ПЧ) — частота, в которую преобразуется частота сигнала на промежуточном этапе его обработки в радиоэлектронном устройстве — приемнике, передатчике. В данном случае гетеродин заменяется синтезатором.[] Тогда:

f_пч=f_синт- f_с => f_синт= f_пч + f_с=191-219МГц

То есть наш синтезатор должен перестаивать частоту f_синт в пределах 191-219 МГц. Мы могли бы взять и разность частоты f_пч - f_с, но чем уже диапазон перестройки ГУН, тем лучше его характеристики.

Шаг перестройки по частоте в заданном диапазоне частот определяется разносом радиоканалов по частоте (шириной канала). В настоящее время в этом диапазоне частот МККР (международный консультативный комитет по радио) рекомендует строить аппаратуру с шириной полосы радиоканала Δf = 12,5 кГц. Пусть наш синтезатор частот будет обладать именно таким шагом настройки частоты.

Не будем собственно разрабатывать синтезатор. Воспользуемся готовой микросхемой. Для этого я воспользовался бесплатной программой

фирмы Analog Devices, Inc. - ADIsimPLL 3.41 []

Первое, что мы делаем, это ставим возможность для выбора микросхемы, т.к заранее не знаю их название.

Рисунок 1.9 – Разработка синтезатора.

Смотрим пункты (Рисунок 1.9) PLL – ФАПЧ.

1) Так как нужно много частот – ставим п.1

2) Включим «проверить, что все каналы могут быть созданы».

(программа проверяет, все ли частоты реализуемы)

3) Частоты у нас будут целыми, ставим «integer»

4) Так я не хочу ставить внешний делитель, ставим «частоты фазового детектора. Это будет равен разнос каналов, если внешний делитель выбран».

Далее вбиваем найденные частоты f_синт: f_min=191МГц.

f_min=219МГц

Δf = 12,5кГц

Внешний делитель не используем, частоту опорного генератора введем позже.

Рисунок 1.10 – Выбор синтезатора.

Из рисунка 1.11 выбираем синтезатор с встроенным ГУН. ADF4350 как раз подходит, у него ток потребление меньше и равен I_потр=20мА.

Рисунок 1.11– Разработка синтезатора.

Проверка захвата не ставим, фильтр делаем обычный. На рисунке 1.11 можно увидеть некоторые параметры синтезатора.

Рисунок 1.12 – Разработка фильтра для синтезатора и опорного генератора.

Фильтр выбираем простой – пассивный RC. Опорный генератор ставим на 12Мгц.

Рисунок 1.13 – Разработка синтезатора.

Полоса частот обычно в 10 раз меньше ширины полосы радиоканала.

F=Δf/10=12.5/10=1.25кГц

Запас по фазе оставляем стандартным равным 45 градусов.

На этом ввод данных закончен. Приступаем анализировать данные. В приложении я указал листинг отчета программы. Получилась, вот такая схема синтезатора (рисунок 1.14).

Рисунок 1.14 – Синтезатор частот.

Ток утечки в цепи фильтра ставим 100пА.

А) B)

Рисунок 1.14 – A)Зависимость фазового шума от смещения частоты .

B) Зависимость частоты от напряжения.

Рисунок 1.15 – Зависимость фазового шума от смещения частоты.

Рисунок 1.16 – АЧХ и ФЧХ (открытой петлей и )

Рисунок 1.17 –

Рисунок 1.18 –Спектр..

Рисунок 1.18 –Временные диаграммы.

Рисунок 1.19 – Чертёж корпуса MO-220-VHHD2 (CP-32-2)

Воспользуемся микросхемой (чертеж корпуса на рисунке 1.19) ADF4350BCPZ работает в широком диапазоне температур: -40…+85°C.

Так как требуется обеспечивать 3 режима работы, то воспользуемся двумя кнопками: первая включение/выключение – передача/приём, а так же отдельная кнопка(тумблер) включение/выключение режимам – «дежурный прием». На принципиальной схеме виднаа схема подключения кнопки. Питание через резистрор R подаёт единичный потенциал на вход параллельного порта. Применение резистора позволяет закорачивать вход параллельного порта на корпус устройства не вызывая чрезмерного тока через контакт. При замыкании контактов кнопки на вход параллельного порта подаётся потенциал логической единицы. Здесь так же резистор не должен пропускать больше максимального входного тока логической единицы МК, то есть не больше 50 мкА. Значит, сопротивление резистора поставим 150 кОм.

Чтобы обеспечивать отображение режима работы УКВ радиостанцией воспользуемся тремя светодиодами КИПД14 Так как вывод МК может работать током до 20мА, не будем цеплять схему через БТ. Этого тока вполне хватает, чтобы загорелся светодиод. Зеленый – режим приема, красный передачи, желтый – дежурный режим. Диапазон рабочих температур: -60…+70°C.

Рисунок 1.20 –Параметры светодиодов.

Видим, что для нормального свечения требуется ток – 5мА. Ставим токоограничивающие резисторы в 1Ком.

Рисунок 1.21 –Цоколевка светодиодов.

Чтобы обеспечить связь с ПК, используем микросхему FT232RL, которая используется на учебном стенде LESO1[].

Рисунок 1.22 – Чертёж корпуса SSOP-28.

Так как мы питаемся от внешнего источника воспользуемся схемой подключения от внешнего источника.[] Выходы МС подключаем к последовательным портам МК. Рабочий диапазон температур МК -40…+80°C. Что вполне достаточно для работы в комнатных условиях (или в автомобиле). Подключение к ПК производится обычно именно в этих условиях. Так же нельзя не заметить, что у данной МС есть встроенный стабилизатор напряжения с выходным напряжением 3,3В и максимальным током 50мА. Этого вполне достаточно для питания синтезатора (тоже 3,3В и среднем потребляемым током в 20мА).

Средний потребляемый ток оценочно не превышает ≈100мА, что вполне приемлемо.

Чтобы убрать высокочастотные помехи (на излучение) в схеме, к микроконтроллеру, подключаются конденсаторы с одной стороны к положительному цифровому питанию микроконтроллера, а с другой стороны – к цифровой земле микроконтроллера. Т.к мы подавляем в.ч помехи конденсаторы ставим маленькой ёмкости 100нФ.[]

Так же поставим фильтры от помех в схемах стабилизатора напряжения и супервизор питания, синтезатора, микросхемы USB так же емкости порядка 100нФ.

2. Распределение алгоритма на аппаратную и программную часть

   Для включения режима работы «приём/передача», разлизывается аппаратно с помощью кнопки S1. При не нажатой кнопки S1 – режим «Прием» – при этом МК (программная часть) включает блок «УНЧ» и управляет синтезатором частот. В режиме «Прием» синтезатор генерирует гетеродинные напряжения смесителей приемника, в режиме «Передача» – используется как задающий генератор тракта передачи. Так же в режиме «Передача» МК включает блок «УМ». Режим «Дежурный приём» отключает блоки «УМ» и «УНЧ». При этом на аппаратную часть возложу отображение режимов работы радиостанции. Для этого использованы 3 светодиода различных цветов. В режиме «Приём» включается зелёный светодиод, «передача» - зеленый и «Дежурный режим» - желтый светодиод.

   Так же использую последовательный порты для связи МК с ПК. Структурная схема устройства на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Функциональная схема устройства.