8.4. Элементная база

Аналого-цифровой преобразователь

АЦП преобразует величину напряжения, соответствующую измеряемой температуре, в цифровой код, который затем передается на основное устройство для вычисления поправки. АЦП должен обеспечивать достаточную чувствительность, не хуже чувствительности собственно датчика. Я решил использовать 12-ти разрядный 2-х канальный АЦП AD7887 фирмы Analog Devices. Диапазон напряжений питания 2,7 – 5,5 В, величина опорного напряжения равна величине напряжения питания. Энергопотребление 2мВт, частота тактирования до 2,5 МГц. Вывод данных последовательный, может работать как в одно- так и в двухканальном режимах.

Назначение выводов

CS – вход включения, при логическом нуле АЦП включен, при логической единице АЦП выключен;

VDD – вход напряжения питания;

GND – общий вывод;

AIN1/Vref – аналоговый вход в двухканальном режиме, вход опорного напряжения в одноканальном режиме работы;

SCLK – вход частоты тактирования;

DOUT – выход данных АЦП;

DIN – вход установки режима работы

AIN0 – аналоговый вход.

Микроконтроллер интерфейса.

Компактный микроконтроллер, который должен выполнять следующие функции: прием данных из АЦП, преобразование полученной величины напряжения в код температуры с помощью «зашитой» в контроллер таблицы НСХ терморезистора, передача данных на модуль беспроводного интерфейса. Также микроконтроллер должен осуществлять управлением питанием всех устройств.

ATtiny2313 - 8 битный AVR микроконтроллер с 2 КБ программируемой в системе Flash памяти

Характеристики:

AVR RISC архитектура

AVR - высококачественная и низкопотребляющая RISC архитектура     120 команд, большинство которых выполняется за один тактовый цикл     32 8-ми битных рабочих регистра общего применения     Полностью статическая архитектура

ОЗУ и энергонезависимая память программ и данных     2 КБ самопрограммируемой в системе Flash памяти программы, способной выдержать 10 000 циклов записи/стирания     128 Байт программируемой в системе EEPROM памяти данных, способной выдержать 100 000 циклов записи/стирания     128 Байт встроенной SRAM памяти (статическое ОЗУ)     Программируемая защита от считывания Flash памяти программы и EEPROM памяти данных

Характеристики периферии     Один 8- разрядный таймер/счетчик с отдельным предделителем     Один 16-разрядный таймер/счетчик с отдельным предделителем, схемой сравнения, схемой захвата и двумя каналами ШИМ     Встроенный аналоговый компаратор     Программируемый сторожевой таймер со встроенным генератором     USI - универсальный последовательный интерфейс     Полнодуплексный UART

Специальные характеристики микроконтроллера     Встроенный отладчик debugWIRE     Внутрисистемное программирование через SPI порт     Внешние и внутренние источники прерывания     Режимы пониженного потребления Idle, Power-down и Standby     Усовершенствованная схема формирования сброса при включении     Программируемая схема обнаружения кратковременных пропаданий питания     Встроенный откалиброванный генератор

Порты ввода - вывода и корпусное исполнение     18 программируемых линий ввода - вывода     20 выводной PDIP, 20 выводной SOIC и 32 контактный MLF корпуса

Диапазон напряжения питания     от 1.8 до 5.5 В

Рабочая частота     0 - 16 МГц

Потребление     Активный режим:         300 мкА при частоте 1 МГц и напряжении питания 1.8 В         20 мкА при частоте 32 кГц и напряжении питания 1.8 В     Режим пониженного потребления         0.5 мкА при напряжении питания 1.8 В

Блок- схема ATtiny2313:

Расположение выводов ATtiny2313:

Общее описание:

ATtiny2313 - низкопотребляющий 8 битный КМОП микроконтроллер с AVR RISC архитектурой. Выполняя команды за один цикл, ATtiny2313 достигает производительности 1 MIPS при частоте задающего генератора 1 МГц, что позволяет разработчику оптимизировать отношение потребления к производительности.

AVR ядро объединяет богатую систему команд и 32 рабочих регистра общего назначения. Все 32 регистра непосредственно связаны с арифметико-логическим устройством (АЛУ), что позволяет получить доступ к двум независимым регистрам при выполнении одной команды. В результате эта архитектура позволяет обеспечить в десятки раз большую производительность, чем стандартная CISC архитектура.

ATtiny2313 имеет следующие характеристики: 2 КБ программируемой в системе Flash память программы, 128 байтную EEPROM память данных, 128 байтное SRAM (статическое ОЗУ), 18 линий ввода - вывода общего применения, 32 рабочих регистра общего назначения, однопроводный интерфейс для встроенного отладчика, два гибких таймера/счетчика со схемами сравнения, внутренние и внешние источники прерывания, последовательный программируемый USART, универсальный последовательный интерфейс с детектором стартового условия, программируемый сторожевой таймер со встроенным генератором и три программно инициализируемых режима пониженного потребления. В режиме Idle останавливается ядро, но ОЗУ, таймеры/счетчики и система прерываний продолжают функционировать. В режиме Power-down регистры сохраняют свое значение, но генератор останавливается, блокируя все функции прибора до следующего прерывания или аппаратного сброса. В Standby режиме задающий генератор работает, в то время как остальная часть прибора бездействует. Это позволяет очень быстро запустить микропроцессор, сохраняя при этом в режиме бездействия мощность.

Прибор изготовлен по высокоплотной энергонезависимой технологии изготовления памяти компании Atmel. Встроенная ISP Flash позволяет перепрограммировать память программы в системе через последовательный SPI интерфейс или обычным программатором энергонезависимой памяти. Объединив в одном кристалле 8- битное RISC ядро с самопрограммирующейся в системе Flash памятью, ATtiny2313 стал мощным микроконтроллером, который дает большую гибкость разработчика микропроцессорных систем.

ATtiny2313 поддерживается различными программными средствами и интегрированными средствами разработки, такими как компиляторы C, макроассемблеры, программные отладчики/симуляторы, внутрисхемные эмуляторы и ознакомительные наборы.

Модуль беспроводного приемо-передатчика.

Для реализации беспроводной связи датчика с основным контроллером используем модуль ММсс1100, построенный на базе приемо-передатчика сс1100 фирмы Texas Instruments. СС1100  характеризуется малым током потребления, высокой степенью интеграции, аппаратной поддержкой пакетной передачи и наличием встроенных буферов FIFO приема и передачи.

Особенности микросхемы СС1100:

Три диапазона рабочих частот 300-348 МГц / 400-464 МГц /800-928 МГц.

Программируемая скорость передачи до 500кбит/с.

Поддержка пакетной передачи с помощью встроенного BaseBand модема.

Программируемая выходная мощность до +10дБм.

Минимальное количество внешних компонентов.

Отдельные буферы FIFO для приема и передачи.

Последовательный интерфейс обмена SPI.

Индикатор уровня сигнала.

Аппаратная поддержка пакетной передачи (выделения синхрослова и адреса, настраиваемая длинна пакета данных, автоматический подсчет контрольной суммы).

Поддержка 3-х видов модуляций FSK, GFSK и MSK.

Автоматическая частотная компенсация для подстройки рабочей частоты.

Индикатор "несущей".

Индикатор свободного канала.

Индикатор качества установленного соединения.

Корпус QFN-20. 

 MMCC1100-433MHZ – мини-модуль от компании Propox на базе трансивера CC1100 от Texas Instruments. Модуль работает в ISM-диапазоне 433МГц и включает все необходимые компоненты, кроме антенны. Сигналы, необходимые для подключения, в том числе линии питания и антенны, выведены на два штыревых разъема.

Отличительные особенности:

установлен трансивер CC1100: частота 433МГц, чувствительность -110dBm при 1,2 kbps и 1% ошибке пакета, программируемая скорость до 500kbps, программируемая  выходная мощность до +10dbm, FIFO-буферы приемника и передатчика по 64 байта, корпус QLP20;

работа на частоте 433МГц;

устойчивая связь на расстоянии до 1000м (обычно не более 350 м);

обмен с управляющим микроконтроллером через интерфейс SPI;

доступное ПО для генерации конфигурационных параметров.

Возможность программного выбора номера радиоканала - до 255 каналов.

Модуль работает в полудуплексном режиме. Модуль может быстро переключаться из состояния приём в состояние передачи, т.е. не может одновременно передавать и получать данные. Это даёт возможность устройствам общаться с несколькими входными потоками данных. Можно отправить данные на выбранном модуле даже  на все сразу (поддержка многоадресной рассылки). В качестве антенны можно использовать стандартный кабель длиной около 8 см.

К сожалению, модуль не позволяет работать с 5V напряжением питания. Если мы используем популярных процессоров AVR (например ATMega, ATtiny) необходимо или использовать низковольтные версии (с буквой L в конце названия, например ATMega8L), или добавлять преобразователь напряжения, или отдельный источник питания (3,3 В) для радиомодуля.

Производитель предоставляет специальные программы по созданию конфигурации SmartRF Studio. В дополнение к программе для определения конфигурации.

MMcc1100 модуль не являются простым в использовании. Эти высококачественная система, как цена и качество.

Преимущества:

• очень мощные возможности конфигурации, работающих в различных режимах может передавать данные на высокой скорости (500 Кбит / с)

• простой интерфейс связи с микроконтроллером (SPI),

• достаточно большой диапазон

• встроенные обнаружение и коррекция ошибок

• низкое энергопотребление

Недостатки:

• отсутствие возможности работы с 5V сложным программным обеспечением

• высокая цена (средняя цена на рынке около 1000 руб. (6 $))

/

Микросхема СС1100 – это однокристальный радиоприемопередатчик, управляемый по интерфейсу для последовательного обмена данными между микросхемами SPI.

Шина SPI организована по принципу 'ведущий-подчиненный'.

Главным составным блоком интерфейса SPI является обычный сдвиговый регистр, сигналы синхронизации и ввода/вывода битового потока которого и образуют интерфейсные сигналы. Таким образом, протокол SPI правильнее назвать не протоколом передачи данных, а протоколом обмена данными между двумя сдвиговыми регистрами, каждый из которых одновременно выполняет и функцию приемника, и функцию передатчика. Непременным условием передачи данных по шине SPI является генерация сигнала синхронизации шины. Этот сигнал имеет право генерировать только ведущий шины и от этого сигнала полностью зависит работа подчиненного шины.

Табл. 4. Электрические сигналы шины SPI

Ведущий шины			Подчиненный шины
Основное обозначение	Альтернативное обозначение	Описание	Основное обозначение	Альтернативное обозначение	Описание
MOSI	DO, SDO, DOUT	Выход последовательной передачи данных	MOSI	DI, SDI, DIN	Вход последовательного приема данных
MISO	DI, SDI, DIN	Вход последовательного приема данных	MISO	DO, SDO, DOUT	Выход последовательной передачи данных
SCLK	DCLOCK, CLK, SCK	Выход синхронизации передачи данных	SCLK	DCLOCK, CLK, SCK	Вход синхронизации приема данных
SS	CS	Выход выбора подчиненного (выбор микросхемы)	SS	CS	Вход выбора подчиненного (выбор микросхемы)

Эта микросхема входит состав недорогих модулей представляет для использования в беспроводных системах стандарта ZigBee/IEEE802.15.4.

 Использованная в модуле микросхема включает в себя радиотрансивер и 8-разрядный микроконтроллер семейства  в одном корпусе.  Подобный модуль может использоваться как законченный блок в составе конечного устройства либо как отладочная плата для отработки радиочастотной части. В радиомодуль можно загружать приложения пользователя, созданные на основе ПО от Freescale - ZigBee-стека «BeeKit» или библиотек MAC/SMAC . При разводке печатной платы и пайке модуля необходимо придерживаться рекомендаций производителя, изложенных в документе «Application for Production». Например, при интеграции модуля в законченное изделие следует предусматривать пятимиллиметровое свободное пространство вокруг керамической антенны, чтобы не ухудшить радиочастотные параметры (дальность связи).

Операционные усилители

OPA188/OPA2188/OPA4188 - это прецизионные ОУ, выполненные по технологии Zero-Drift. Они имеют низкое напряжение смещения 25 мкВ и дрейф 0,085 мкВ/°C, малый ток смещения 850 пА, низкий уровень шума 8,8 нВ/√Гц и полосу пропускания 2 МГц. Напряжение питания ОУ 4,0...36 или ±2...18 В, ток покоя составляет 475 мкА. Пригодны для батарейных приборов с напряжением питания 5 В. OPAx188 имеют защиту входа от электромагнитных помех (EMI).

OPAx188 обеспечивают: лучшую точность и стабильность, на 75% меньший дрейф, чем ближайшие конкуренты; большую чувствительность и высокое разрешение в широком диапазоне частот; минимальный уровень ошибок из-за шумовых токов.

Зависимости напряжения шума от температуры для обычного прецизионного ОУ и OPAx188 показаны на рис. 40.

 

/

 

Рис. 40. Зависимость напряжения смещения от температуры для обычного прецизионного ОУ (красная кривая) и OPAx188 (синяя кривая)

Для разрабатываемого устройства я использую усилитель OPA188, поскольку он имеет наименьшее значение входного тока (не более 2 нА) среди остальных усилителей данной серии.

Схема включения стандартная (2 входа питания, инвертирующий и неинвертирующий информационные входы, один выход), корпус SOT23-5.

/