2 Спеціальна частина

2.1 Вибір елементної бази

Для данного пристрою було обрано мікроконтроллер фірми ATMEL, а саме ATtiny2313V.

ATtiny2313V відноситься до сімейства КМОН мікроконтролерів. Відрізняється тим, що має внутрішнє 125 К ЕЕРRОМ для програм, 125 байт ЕЕРRОМ пам'яті даних. При цьому відрізняється низькою вартістю і високою продуктивністю. Всі команди складаються з одного слова і виконуються за один цикл (при 10 МГц), окрім команд переходу, які виконуються за два цикли (800 нс). ATtiny2313V має переривання, що спрацьовує від чотирьох джерел, і восьмирівневий апаратний стек. Висока здатність (25 мА макс. вхідний струм, 20 мА макс. вихідний струм) навантаження ліній вводу / виводу спрощують зовнішні драйвери і, тим самим, зменшується загальна вартість системи. Розробки на базі контролерів ATtiny2313V підтримується асемблером, програмним симулятором, внутрішньосхемним емулятором і програматором.

Серія ATtiny2313V підходить для широкого спектру додатків від схем високошвидкісного управління автомобільними і електричними двигунами до економічних віддалених приймачів - передавачів, показуючих приладів і зв'язних процесорів. Наявність ПЗП дозволяє підлаштовувати параметри в прикладних програмах (коди передавача, швидкості двигуна, частоти приймача і т.д.). Малі розміри корпусів, як для звичайного, так і для поверхневого монтажу, робить цю серію мікроконтролерів придатної для портативних додатків. Низька ціна, економічність, швидкодія, простота використання і гнучкість введення / виведення робить ATtiny2313V привабливим навіть в тих областях, де раніше не застосовувалися мікроконтролери. Наприклад, таймери, заміна жорсткої логіки у великих системах, співпроцесори. Слід додати, що вбудований автомат програмування ЕЕРRОМ кристала ATtiny2313V дозволяє легко підлаштовувати програму і дані під конкретні вимоги навіть після завершення асемблювання і тестування. Ця можливість може бути використана як для тиражування, так і для занесення калібрувальних даних вже після остаточного тестування. Структурна схема мікроконтролера приведена на рисунку 2.1.

Архітектура заснована на концепції роздільних шин і областей пам'яті для даних і для команд (RISC архітектура). Шина даних і пам'ять даних (ОЗП) - мають ширину 8 біт, а програмна шина і програмна пам'ять (ПЗП) мають ширину 14 біт. Така концепція забезпечує просту, але могутню систему команд, розроблену так, що бітові, байтові і регістрові операції працюють з високою швидкістю і з перекриттям за часом вибірок команд і циклів виконання. 14-бітова ширина програмної пам'яті забезпечує вибірку 14-бітової команди в один цикл [5].

Двоступеневий конвеєр забезпечує одночасну вибірку і виконання команди. Всі команди виконуються за один цикл, виключаючи команди переходів. У ATtiny2313V програмна пам'ять об'ємом 128 К розташована усередині кристала. Виконувана програма може знаходитися тільки у вбудованому ПЗП. Програмний код, який записаний в кристал, може бути захищений від читання за допомогою установки біта захисту (СР) в слові конфігурації в нуль. Вміст програми не може бути прочитаний так, що з ним можна було б працювати. Крім того, при встановленому біті захисту стає неможливим змінювати програму. Теж відноситься і до вмісту пам'яті даних EEPROM. Якщо встановлений захист, то біт СР можна стерти тільки разом з вмістом кристала. Спочатку буде стерта EEPROM програмна пам'ять і пам'ять даних і в останню чергу біт захисту коду СР [6].

Вміст програми не може бути прочитаний так, щоб з ним можна було б працювати. Крім того, при встановленому біті захисту стає неможливим змінювати програму. Теж відноситься і до вмісту пам'яті даних EEPROM. Якщо встановлений захист, то біт СР можна стерти тільки разом з вмістом кристала. Спочатку буде стерта EEPROM програмна пам'ять і пам'ять даних і в останню чергу біт захисту коду СР.

Рисунок 2.1 - Cхема електрична структурна Мікроконтролера ATtiny2313V

Як і слово конфігурації, вони можуть бути прочитані або записані тільки за допомогою програматора. Доступу за програмою до них немає [3].

Якщо кристал захищений, користувачу рекомендується використовувати для ідентифікації тільки молодші сім біт кожного ГО слова, а в старший біт записувати “0”. Тоді ID слова можна буде прочитати навіть в захищеному варіанті.

Таблиця 2.1 - Основні параметри ATtiny2313V

Ядро	AVR
F, МГц	від 0 до 20
Память: Flash, КБайт	2
Память: RAM, КБайт	0.125
Память: EEPROM, КБайт	0.125
I/O (макс.),шт.	18
Таймери: 8-біт, шт	1
Таймери: 16-біт, шт	1
Таймери: Каналів ШІМ, шт	4
Таймери: RTC	Відсутні
Інтерфейс: UART, шт	1
Інтерфейс: SPI, шт	1
Аналогові входи: компоратор, шт	2
VCC,В	від 1.8 до 5.5
ICC,мА	0.5
TA,°C	від -40 до 85
Корпус	DIP-20 SOIC-20 SOIC-8 MLF (WQFN) 20

Вхід в режим SLEEP здійснюється командою SLEEP. По цій команді, якщо WDT дозволений, то він скидається і починає відлік часу, біт "PD" в регістрі статусу (F3) скидається, біт "ТO" встановлюється, а вбудований генератор вимикається.  Порти вводу / виводу зберігають стан, який вони мали до входу в режим SLEEP. Для зниження струму, що споживається в цьому режимі, ніжки на вивід повинні мати такі значення, щоб не протікав струм між кристалом і зовнішніми ланцюгами. Ніжки на введення повинні бути з`єднані зовнішніми резисторами з високим або низьким рівнем, щоб уникнути струмів перемикання, що викликаються плаваючими високоомними входами. Те ж і про RTCC. Ніжка /MCLR повинна бути під напругою Vcc.

Область ОЗП організована як 125 к. До осередків ОЗП можна адресуватися прямо або побічно, через регістр покажчик FSR (04h). Це також відноситься і до ЕЕРRОМ пам'яті даних - констант.

У регістрі статусу (03h) є біти вибору сторінок, які дозволяють звертатися до чотирьох сторінок майбутніх модифікацій цього кристала.

Проте для ATtiny2313V пам'ять даних існує тільки до адреси 02Fh. Перші 12 адрес використовуються для розміщення регістрів спеціального призначення.

Безпосередньо до мікроконтролера підключений часозадаючий ланцюг: зовнішній кварцовий резонатор ZQ1 і конденсатори С3 і С5. Частота резонатора становить 8 мГц.

В якості резисторів слід вибрати недротяні, з плівковим резистивним шаром. Це пов'язано з тим, що при використанні дротяних резисторів створюватиметься паразитна індуктивність, що не бажано для роботи даного пристрою. Плівковий резистивний шар широко використовується в радіоелектроніці, а також в змозі забезпечити всі необхідні значення опорів, потужностей і допустимих відхилень. У схемі використані резистори ОМЛТ 0,125, оскільки вони мають найбільш поліпшені показники надійності і стабільності в роботі. Більшість використовуваних в схемі конденсаторів - керамічні, оскільки вони володіють кращими параметрами, ніж інші, зокрема вони, мають малі втрати і високий опір ізоляції. Все інше мікросхеми і радіо елементи вибиралися згідно сумісності по входах, швидкодії і споживаній потужності, а саме резистори ОМЛТ.

Кнопки SА1-SА3 підійдуть будь-якого типу. Захист від брязкоту їх контактів реалізований програмно.

Відповідно до технічного завдання, схеми електричної структурної ДП5.05010201.84.12.00Е1 і обраною елементною базою будуємо схему електричну принципову, котра представлена на схемі ДП5.05010201.84.12.00Е3 і робимо перелік елементів схеми ДП5.05010201.84.12.00ПЕ3 [7].

2.2 Опис принципу дії

Відповідно до схеми електричної принципової, представленої на схемі ДП5.05010201.84.12.00Е3, і схеми електричної структурної, представленої на схемі ДП5.05010201.84.12.00Е1, принцип роботи пристрою, що розробляється, полягає в наступному.

Пристрій складається з мікроконтролера DD1, керуюча програма якого, здійснює вимірювання параметрів компонентів, підключених до пристрою , та виведення результатів через лінії порту В0-В3.  Керування виконується кнопками SB1-SB3, підключеними до ліній порту А0-А2 виводи (17, 18, 1) DD1.

Тактування мікроконтролера здійснюється від вбудованого тактового генератора, частота якого стабілізується зовнішнім кварцовим резонатором BQ1 (8 мГц). Тактова частота 8 мГц використовується програмою, що також керує, для отримання секундної і двосекундних імпульсних послідовностей, необхідних для вимірювання потрібної величини.

У якості індикатора HG1, можна використовувати будь-який із загальним катодом, зокрема складений TIC55(8148). Мікроконтролер рекомендується встановити в контактну панель. Межі вимірювання регулюються автоматично та відображаються на індикаторі в вигляді двох смуг направлених до гори. Калібрування пристрою відбувається автоматично, але якщо потрібно його можна виконати самостійно за допомогою конденсатора відомої ємності, підключеного до пристрою.

2.3 Розробка програми, що керує

Зробивши вибір елементної бази, розробку алгоритму роботи програми, завдяки якому можна зрозуміти напрямок по якому необхідно рухатися та основні вимоги до програми, приступимо до написання.

По завданню пристій має буди виконано на базі мікроконтролера ATtiny2313v, тож програмне забезпечення для пристрою, що проектується буде написана на мові асемблер мікроконтролерів родини AVR, адже представником саме цього сімейства є мікроконтролер ATtiny2313V.

Мова асемблер є мовою програмування низького рівня, у якій програміст пише інструкції, котрі керують роботою мікроконтроллера. За допомогою програми компілятора ці інструкції переводяться у машинний код, який оброблюється вже безпосередньо контролером. До числа команд мови асемблер входить мінімальний набір (команди переходу, виклику підпрограм і повернення до них, роботи з регістрами, пам’яттю, логічні, арифметичні операції, операції зсуву, порівняння та роботи з портами введення / виведення).

Слід зауважити, що технічні характеристики цього мікроконтроллера дозволяють нам не використовувати для розроблюваного приладу зовнішній запам’ятовуючий пристрій, адже нам цілком достатньо внутрішньої пам’яті.

Текст програми наведений у додатку Б ДП5.05010201.84.12.00Д1.

2.4 Розрахунок потужності, яка споживається

Виходячи з схеми електричної принципової (схеми ДП5.091504.45.08.00Е3) і вибраної елементної бази необхідно провести розрахунок потужності, що споживається пристроєм, що розробляється.

Потужність, що споживається пристроєм під час роботи розраховується по такій формулі:

(2.1)

де Pi - потужність, що споживається однією інтегральною мікросхемою, Вт;

Ni - кількість мікросхем одного типу, шт. [7].

Для розрахунку потужності, що споживається складемо таблицю 2.2, для чого скористаємося переліком елементів ДП5.05010201.84.12.00ПЕ3.

Таблиця 2.2 - Вихідні дані для розрахунку потужності пристрою

Найменування елемента	Позиційне позначення	Потужність, що споживається одним елементом Pi, мВт	Кількість елементів Ni, шт.	Pi ∙ Ni, мВт
ATTINY 2313V	DD1	150	1	150
MC78FC30HT1	DD2	200	1	200
74HC132	DD3	500	1	500
TIC55(8148)	HG1	50	1	50
ОMЛT-0.125-10 кОм	R1	2.5	1	2.5
ОMЛT-0.125-100кОм	R2,R3,R5	0,05	3	0,05
ОMЛT-0.125-390Ом	R4	20	1	20
ОMЛT-0.125-150Ом	R6	30	1	30
ОMЛT-0.125-2кОм	R7,R9-R11	16	4	64
ОMЛT-0.125-1кОм	R8,R12	8	2	16
ОMЛT-0.125-3кОм	R13	24	1	24
ОMЛT-0.125-510 Ом	R14	100	1	100

Потужність, що споживається пристроєм:

=1189,55мВт