2. Обгрунтування обраного напрямку проектування

2.1 Вибір структурної схеми

Згідно із завданням проект зарядного пристрою, що розробляється повинен одночасно і незалежно заряджати чотири Ni-Cd акумулятори ємністю 600, 800 і 1200 мА-год, можливість зміни алгоритму роботи пристрою програмним шляхом .

Р исунок 4

На основі аналітичного огляду проблем, пов’язаних з експлуатацією таких акумуляторних батарей розроблена структурна схема пристрою, приведена на рисунку 4

Структурно він складається з зарядного пристрою і чотирьох однакових за схемою зарядно-розрядних комірок.

До складу зарядного пристрою входять такі структурні вузли:

керуючий мікроконтролер;

комутатор;

компаратор;

формувач зразкових напруг;

вузол звукової сигналізації несправності акумулятора;

буфер.

Мікроконтролер керує роботою пристрою в цілому, забезпечуючи незалежну роботу всіх чотирьох зарядних вузлів. Переключення напруг, що надходять з акумуляторів на вхід компаратора здійснюється комутатором. Зразкові напруги формуються в залежності від коду, обумовленого сигналами, що задаються мікроконтролером. Буфер забезпечує розв'язку порту виводу мікроконтролера від зарядно-розрядних комірок.

Кожна така комірка складається зі стабілізатора струму, струмозадаючих кіл, ключів, що комутують стан вузла (зарядка-розрядка-контроль) і індикаторів стану вузла (зарядка — розрядка). Блок керування дозволяють задати необхідний зарядний струм.

При включенні живлення програма мікроконтролера аналізує стан підключеного акумулятора, по черзі порівнюючи напругу на ньому зі зразковими напругами, видаваними формувачем зразкової напруги. Якщо напруга на акумуляторі менш 0,7 В, програма переходить до аналізу стану наступної. Якщо ж напруга на акумуляторі більша 1 В (звичайний випадок), МК видає через буфер видає відповідні керуючі сигнали.. При цьому блокується канал зарядки і починається процес розрядки.

Напруга на акумуляторі, що розряджається, через комутатор надходить на вхід компаратора де порівнюється зі зразковою напругою (близько 1 В). У момент досягнення заданого значення напруги компаратор видає сигнал про завершення процесу розрядки і МК переводить пристрій у режим зарядки.

2.2. Вибір елементної бази

2.2.1. Вибір мікроконтролера

Основою зарядного пристрою, що розробляється є однокристальний мікроконтролер. Вибір мікроконтролера – важлива задача. В теперішній час мікросхеми мікроконтролерів виготовляються рядом фірм і широко застосовуються для створення різноманітних пристроїв. Вибір мікроконтролера є одним з важливих рішень від якого залежать технічні та експлуатаційні характеристики зарядного пристрою. Тип обраного мікроконтролера пов’язаний із задачами, які він має виконувати.

Розрізняють мікроконтролери з двома типами архітектур – RISC та CISC-архітектури.

СISС-мікроконтролери характеризуються досить розвиненою системою, наприклад, мікроконтролери серії MK51 мають 111 команд. Однак аналіз програм показав, що 20 % команд вико­ристовують в 80 % випадків, а дешифратор команд займає більше 70 % площі кристала. Тому в розробників МП виникла ідея скоротити кіль­кість команд, надати їм єдиний формат і зменшити площу кристала, тоб­то використати RISC-архітектуру (Reduced Instruction Set Computer).

Особливість контролерів, виконаних за RISС-архітектурою, у тому, що всі команди виконуються за один - три такти, тоді як у СISC-контролерах - за один - три машинні цикли, кожний з яких складається з декількох тактів (наприклад, для MK51 - з 12 тактів).

Тому RISС-контролери мають значно більшу швидкодію. Але повніша система команд CISC-контролерів у деяких випадках економить час виконання окремих фраг­ментів програми і пам'ять програм.

Типові представники RISС-процесорів - РIС-контролери (Periferial Interface Controller - контролери периферійних інтерфейсів) виробництва фірми Microchip. РIС-контролери застосовують у системах високошвидкісного керування автомобільними й електричними двигунами, приладах побутової електроніки, телефонних приставках з АВН, системах охорони із сповіщенням по телефонній лінії, міні-АТС. Окремі ВІС різняться розрядністю ПЗП: від 12 до 14 біт для серії РІС16Схх, 16 біт - для серії РІСПСхх. Завдяки скороченій кількості (від 33 до 35) усі команди за­ймають у пам'яті одне слово. Час виконання кожної команди, крім ко­манд розгалуження, становить чотири такти - один цикл (200 нс на час­тоті 20 МГц). ОЗП виконано за схемою з довільною вибіркою з можливі­стю безпосередньої адресації в коді команди до будь-якої комірки. Стек реалізовано апаратно з ємністю 2, 8 або 16 комірок. Майже в усіх РІС-контролерах є система переривань, джерелом яких може бути таймер, а також зміна станів сигналів на деяких входах. У РІС-контролерах перед­бачено біт захисту ПЗП, що запобігає нелегальному копіюванню.

Однокристальні АVR-мікроконтролери (AVR-MK) являють собою 8-розрядні високопродуктивні RISC-контролери загального призначення, їх створила група розробників дослідного центру фірми Atmel Corp. (Норве­гія), ініціали яких, сформували марку AVR. Особливість AVR-MK - їх ши­рока номенклатура, що дозволяє користувачеві вибрати мікроконтролер із мінімальною апаратною надмірністю і, отже, найменшої вартості. Так, наприклад, у номенклатуру групи AT90S входять прилади з ПЗП ємністю від 1 до 8 кбайт, з різним набором периферійних пристроїв й у корпусах із кількістю виводів від 8 до 48. Нині в серійному виробництві знаходять­ся три сім'ї АVR - Tiny, Classic і Mega. Мікроконтролери Tiny — найбільш дешеві і прості. Mega - найбільш потужні, a Classic займають проміжне місце між ними.

Classic AVR - основна лінія мікроконтролерів продуктивністю до 16 MIPS', пам'ять програм Flash ROM 2-8 кбайт, пам'ять даних EEPROM 64-512 байт, пам'ять даних SRAM 128-512 байт;

Сім'я Classic тепер найпоширеніша. Мікроконтролери цього класу мають менші периферію й обчислювальні можливості, ніж контролери сім'ї Mega, але більші, ніж Готу. Корпорація Atmel не планує подальшого розвитку сім'ї Classic, оскільки вважається, що ця сім'я функціонально збалансована і різноманітне подана.

В таблиці 1 приведені основні характеристики AVR-МК сімейства Classic. У таблицях позначено:

- Flash ROM - ємність енергонезалежної пам'яті програм (у кілобайтах);

- EEPROM - ємність енергонезалежної пам'яті даних (у байтах);

- SRAM - ємність статичної пам'яті даних (у байтах);

- I/O — кількість ліній введення-виведення;

- таймери 8/16 - кількість і розрядність таймерів/лічильників;

ADC (channels) - кількість каналів АЦП.

Таблиця 1 - Мікроконтролери AVR сімейства Classic

Тип	Напруга живлення, В	Тактова частота, МГц	I/O	Flash	EEPROM	SRAM	Інтерфейси	Аналогові входи	Таймери
AT90S23	2,1-6,0 4,0-6,0	10	15	2K	128	128	UART	-	1х8 1х16
AТ90Z2323	2,7-6,0	4	3	2К	128	128	-	-	1х8
AT90S2323	4,0-6,0	10	3	2K	128	128	-	-	1х8
AТ90LS2343	2,7-6,0	4	5	2K	128	128	-	-	1х8
AТW52343	4,0-6,0	10	5	2K	128	128	-	-	1х8
AТ90LS4433	2,7-6,0	4	20	4К	256	128	UART SPI	ADC 6х10	1х8 1х16
AT90SWS	4,0-6,0	8	20	4К	256	128	UART SPI	ADC 6х10	1х8 1х16
AТ90S8515	4,0-6,0	8	32	8К	512	512	UART SPI	-	2х8 1х16
AТ90LSS535	2,7-6,0	4	32	8К	512	512	UART SPI	ADC 8х10	2х8 1х16
AТ90S8535	4,0-6,0	8	32	8К	512	512	UART SPI	ADC 8х10	2х8 1х16
AT90S8534	1,8-6,0	4	32	8К	256	512	UART SPI	ADC 6х10	2х8 1х16

Широка номенклатура AVR-MK дає користувачеві можливість оптимізувати співвідношення продуктивність — енергоспоживання — ціна.

З огляду на функціональну схему виберемо мікроконтролер типу AТ90LS4433, який має 20 ліній вводу-виводу, 4К Flash-пам’яті, та два таймери.

Мікроконтролер містить гарвардський процесор, регістровий файл, пам'ять програм, пам'ять даних і інтерфейсні схеми (периферію).

Гарвардський процесор. Реалізує повний логічний і фізичний розподіл не тільки адресних просторів, але й інформаційних шин для звертання до пам'яті програм і до пам'яті даних, причому способи адресування і до­ступу до цих масивів пам'яті також різні.

Регістровий файл. Займає молодші 32 байт у загальному адресному просторі SRAMAVR. Шість із 32 регістрів файла можна викорис­товувати як три 16-розрядні покажчики адреси у процесі непрямого адре­сування даних.

Flash-пам'ять програм, яку можна завантажити як за допомогою звичайного програматора, так і за допомогою SPI-інтерфейсу, зокрема безпосередньо на цільовій платі. Кількість циклів перезапису - не менше 1000.

Пам'ять даних. Усі AVR-MK мають також блок енергонезалежної пам'яті даних з електричним стиранням EEPROM. Цей тип пам'яті викори­стовують для зберігання проміжних даних, різних констант, таблиць пере­кодувань, каліброваних коефіцієнтів тощо. Дані в EEPROM можна заванта­жити як через SPI-інтерфейс, так і за допомогою звичайного програматора. Кількість циклів перезапису - не менше 100 000. Два програмовні біти за­хисту інформації дозволяють захистити пам'ять програм і енергонезалежну пам'ять даних EEPROM від несанкціонованого зчитування.

Кількість незалежних ліній портів введення-виведення - 15. Кожний розряд порту можна запрограмувати на введення або на виве­дення інформації. Потужні вихідні драйвери забезпечують струмову на­вантажувальну спроможність 20 мА на лінію порту при максимальному значенні 40 мА, що дозволяє, наприклад, безпосередньо підключати до мікроконтролера світлодіоди і біполярні транзистори. Загальне струмове навантаження на всі лінії одного порту не має перевищувати 80 мА (усі значення наведено для напруги живлення 5 В).

Внутрішній тактовий генератор AVR-MK можна запускати від декількох джерел опорної частоти (зовнішній генератор, зовнішній кварцовий резо­натор, внутрішнє або зовнішнє RC-коло). Оскільки AVR-MK цілком статич­ні, мінімальну припустиму частоту нічим не обмежено, тобто можна легко забезпечити навіть покроковий режим виконання програми. Максимальна робоча частота визначається конкретним типом мікроконтролера. Мікроконтролери AVR можна перевести програмним шляхом в один із шести режимів зниженого енергоспоживання.

Система команд AVR-MK містить до 133 різних команд. Розрізняють п'ять груп команд: умовного розгалуження, безумовного розгалуження, арифметичні і логічні операції, команди пересилки даних, команди роботи з бітами. Загалом прогресивна RISC-архітектура контролера у сполученні з регістровим файлом і розширеною системою команд дозволяє створювати компактні програми з високою швидкістю виконання.