Проектирование позиционера на микроконтроллере

- максимальная сила тока, 3,5A/4,2A;

- максимальный диаметр антенны, 3 - 5М;

- протокол DiSEqC, 1.0/1.2;

- количество сохраняемых позиций – 24;

- управление DiSEqC 1,2 или пультом ДУ (опц.) – да;

- функция ресинхронизации, да;

– ручное управление, Питание  Вкл./Выкл., Восток/Запад;

– программная защита пределов, есть;

– защита от перегрузки, да;

Полнофункциональный удаленный  позиционер для спутниковой антенны «Super Power Jack» 01WL2000.

 Технические характеристики:

• Мощность – 80Вт ;
• Напряжение питания – 220 ÷ 240В перем. ток/ 50 Гц (доступно 110В перем. ток / 60Гц);
• Максимальный выходной ток – 3,5А;
• Запоминаемые позиции – 32;
• Удаленное управление – есть;
• Светодиодное табло – 2 знака;
• Защита от короткого замыкания – есть;
• Защита от перегрузок – электронная;

В табл. 1.1 приведены основные параметры проектируемого устройства и его приведенных аналогов.

        Таблица 1.1

Основные параметры  устройств

Наименование параметра	Значение параметра  для:
	«Moteck» V – BOX II	«SuperJack»   01FO580	«Super Power Jack» 01WL2000	Проектируемого устройства
Мощность, Вт	80/100	70	80	80
Напряжение, В	230	220 ÷ 240	220 ÷ 240	220 ÷ 240
Максимальная сила тока, А	3,5/4,2	3,5/4,2	3,5	4
Запоминаемые позиции	60	24	32	99
Удаленное управление	+	+	+	+
Функция ресинхронизации	+	+	-	+

 

 

 

Продолжение таблицы 1.1

Защита от короткого замыкания	+	+	+	+
Программная защита пределов	+	+	-	+
Защита от перегрузок	+	+	+	+

 

Исходя из табл. 1.1, можно сделать вывод, что разрабатываемое устройство будет иметь некоторые преимущества по сравнению с аналогами. Поэтому можно предположить, что устройство целесообразно разрабатывать далее.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ВЫБОР МИКРОКОНТРОЛЛЕРА

 

2.1 Обоснование  применения микроконтроллера

 

Любое электронное устройство можно создать не только на микроконтроллерах и микропроцессорах, но и на таких электронных компонентах как цифровые микросхемы и транзисторы. Но такое решение не всегда бывает оправдано, так как такой прибор может получиться дорогим, или что еще хуже, очень громоздким. Так же могут возникнуть сложности в настройке работы готового прибора.

Рассмотрим построение устройств на цифровых микросхемах. Интегральные микросхемы, содержат в своем составе десятки, сотни, тысячи, а в последнее время многие десятки и сотни тысяч и даже миллионы компонентов, цифровые ИМС позволили по новому подойти к проектированию и изготовлению цифровых устройств.

Достоинства ИМС:

• низкие первоначальные затраты при организации производства;
• возможность использования компонентов с требуемыми характеристиками;
• простота изготовления плат.

Недостатки ИМС:

• большая цена при массовом производстве;
• большие размеры;
• более сложная технология изготовления.

Также можно проектировать  электронные приборы на таких  радиоэлектронных компонентах как  диоды и транзисторы. При проектировании устройства с использованием этих компонентов, возникнет ряд трудностей (например, применение в схеме нескольких десятков управляющих элементов), что привлечет к удорожанию будущего устройства. Это можно объяснить тем, что большинство современных электронных устройств, считаются сложными устройствами, требующими максимально высокого качества, работой в экстремальных ситуациях (например, при повышенных температурах), а так же должны обладать рядом функций (например, управления и передачи информации другим устройствам). 

На данный момент времени  устройства чаще всего построены на микропроцессорах и микроконтроллерах, так как они потребляют мало электроэнергии по сравнению с некоторыми радиокомпонентами. Но если в схеме применить микропроцессор то выяснится, что цена на микропроцессоры окажется выше, чем на микроконтроллеры и половина параметров микропроцессоров может просто не выполняться.

 В таких случаях  целесообразнее применить в схеме  такое устройство как микроконтроллер. 

 Он является универсальным цифровым устройством с очень высоким быстродействием. Поэтому в некоторых ситуациях, применение МК будет гораздо удобнее и экономичнее, нежели применение цифровых микросхем и других элементов РЭС.

Достоинствами микроконтроллеров  являются:

• низкая стоимость;
• высокая надежность,
• высокая степень миниатюризации,
• малое энергопотребление,
• работоспособность в жестких условиях эксплуатации;
• достаточная производительность для выполнения всех требуемых функций.

В отличие от универсальных  компьютеров к управляющим контроллерам, как правило, не предъявляются высокие требования к производительности и программной совместимости.

Выполнение всех этих довольно противоречивых условий одновременно затруднительно, поэтому развитие и  совершенствование техники пошло  по пути специализации и в настоящее  время количество различных моделей управляющих микроконтроллеров чрезвычайно велико.

 

2.2 Выбор микроконтроллера 

 

В последнее время  появилось достаточно много новых 8-миразрядных микроконтроллеров, которые  по соотношению цена/производительность выглядят достаточно привлекательно. Однако в стоимость разработки входит не только стоимость самого микроконтроллера, но и стоимость средств отладки (без которых время разработки существенно возрастает) и стоимость уже существующего программного обеспечения (если разработка начинается не с нуля). Поэтому объяснима приверженность отечественных разработчиков интеловскому ряду процессоров MCS-51. На сегодняшний день существует большое количество фирм производителей управляющих микроконтроллеров (более десятка), рассмотрим наиболее популярные из них – Dallas Semiconductor, STMicroelectronics и Atmel.

 

2.2.1 Микроконтроллеры фирмы Dallas Semiconductor

 

Микроконтроллеры «High-Speed» фирмы Dallas Semiconductor полностью программно и аппаратно совместимы с процессорами MCS-51 однако имеют ряд дополнительных возможностей. Это повышенное быстродействие (в 2,5 ÷ 3 раза на той же тактовой частоте), второй последовательный порт, программируемый сторожевой таймер, мониторинг напряжения питания, два указателя данных (DPTR) для ускорения блоковых пересылок и четыре дополнительных внешних прерывания. Еще одна интересная особенность – это возможность уменьшения частоты работы процессора в 16 и 256 раза (уменьшается ток потребления). Для уменьшения электромагнитного излучения от процессора можно запретить ALE сигнал (когда он не требуется). Также еще имеется 1 Кбайт SRAM памяти на кристалле с доступом по MOVX.

В большинстве случаев DS87C520/530 можно устанавливать вместо 87С51/52 без модификации программного обеспечения. Это весьма существенная возможность, которая позволяет во-первых воспользоваться уже существующей аппаратной частью, во-вторых не переделывать «soft», затраты на который в большинстве случаев превышают затраты на «hard». При этом разработчик получает систему на порядок превосходящую существующую. Так на максимальной частоте (33 МГц) время выполнения одноцикловой команды – 121 нс (так называемая эффективная частота равна 82,5 МГц). Недорогие отечественные отладочные средства – внутрисхемные эмуляторы доступны разработчику в настоящее время.

Увеличение производительности «High-Speed» микроконтроллеров обусловлено тем, что их машинный цикл состоит не из 12-ти тактов, как у 87С51, а всего из 4-х. Поэтому простейшая одноцикловая команда выполняется в 3 раза быстрее (при одинаковой тактовой частоте). Однако не у всех инструкций возможно такое повышение – среднее  увеличение около 2,5 раз. Это объясняется тем, что некоторые инструкции выполняются за большее количество циклов, чем у 87С51. Так команда «MOV direct, direct» выполняется за 3 цикла, т.е. за 12 тактов, а у 87С51 она выполняется за 2 цикла т.е. за 24 такта. Увеличение все равно имеет место, однако, уже только в 2 раза.

 

2.2.2 Микроконтроллеры фирмы STM

Компания STMicroelectronics – один из мировых лидеров по производству 8 и 16-разрядных микроконтроллеров. Начиная с 2004 года, она стремительно расширяет свое семейство 16/32-разрядных микроконтроллеров с архитектурой на основе ядра ARM. Вся линейка ядер ARM обладает программной совместимостью, имеется большое число продуктов для выбора. Основными достоинствами ядра AVR являются:

– наименьшее энергопотребление  для обеспечения одинакового  значения производительности по сравнению  с другими ядрами при более  низкой тактовой частоте.

– возможность программирования с оптимизацией либо скорости 32-разрядного ядра ARM, либо с оптимизацией размера программного кода при использовании 16-разрядных команд, что обеспечивает большую гибкость при проектировании.

В семействе микроконтроллеров STR7 в качестве базового ядра используется ARM7IDMI, производительность и экономичность которого зависят от частоты и используемого напряжения.

Ядро ARM7 используют и другие производители микроконтроллеров, из которых на российском рынке можно выделить Motorola, Atmel, Philips и др. Однотипность ядра многих семейств микроконтроллеров производителей предопределяет их совместимость по аппаратно-программным средствам разработки, которые представляют большинство фирм поставляющих продукцию этого вида.

При выборе микроконтроллеров  решающую роль приобретают интеграционные характеристики микроконтроллеров, и в первую очередь, наличие и возможности встроенных периферийных устройств ARM микроконтроллеров, наличие и доступность библиотек программ для встроенной периферии, экономичность.

Обобщенные технические  характеристики микроконтроллеров серии STE73xFxx:

  – от 15 кбайт до 64 кбайт SRAM;

– от 128 до 256 кбайт flash-памяти с малым временем случайного доступа;

– 4 таймера, отдельный сторожевой таймер и часы реального времени.

– 5 режимов пониженного энергопотребления;

– встроенный стабилизатор напряжения 1,8 В;

– до 48 портов ввода/вывода.

– интерфейс JTAG для отладки;

– диапазон рабочих температур от -40 ⁰C до +85 ⁰C.

Микроконтроллер STR710FZ1 содержит в себе 128 кбайт flash-памяти, работает при температуре от -40 ⁰C до +85 ⁰C, количество портов ввода/вывода составляет 48 штук. Уже следующий микроконтроллер STR710FZ2 превосходит по параметрам предыдущего. Он содержит в себе 256 кбайт Flash-памяти, так же имеет 48 портов ввода/вывода и работает в том же диапазоне температур.

У микроконтроллеров серии STR73 основными отличительными характеристиками являются:

– рабочая частота ядра ARM – 36 МГц;

– одноканальное питание – 5 Вольт;

– до 20 таймеров, до 16 каналов ШИМ;

– до 112 портов ввода/вывода;

– диапазон рабочих температур: -40 ⁰C ÷ +105 ⁰C;

– встроенный загрузчик, который дает гибкость для программирования.

Микроконтроллер следующего семейства, STR730FZ1 содержит в себе 256 кбайт Flash-памяти. У него 48 портов ввода/вывода и работает в диапазоне температур от -40 ⁰C до +105 ⁰C. В проектируемом устройстве не будет применяться столь мощный микроконтроллер, так как устройство будет простым и будет выполнять одну и ту же функцию.

Существенным достоинством ARM – микроконтроллеров STM по сравнению с их аналогами является экономичность. Микроконтроллеры STM Гибкие в управлении. Каналами управления тактовой частоты могут служить внешний кварцевый резонатор и генератор.

 

2.2.3 Микроконтроллеры  фирмы Atmel

 

Микроконтроллеры фирмы Atmel приобрели большую популярность, привлекая разработчиков достаточно выгодным соотношением таких показателей, как цена, быстродействие и энергопотребление. Кроме того важными параметрами являются удобные режимы программирования, доступностью программно – аппаратных средств поддержки и широкая номенклатура выпускаемых кристаллов. Микроконтроллеры этой фирмы используются в автомобильной электронике, бытовой технике, сетевых картах и т.д.