DIPLOM1 / 6. Глава 1

Глава 1

В настоящее время довольно много зарубежных (Hittite Microwave, Herley General Microwave, Agilent Technologies, Texas Instruments и многие др.) и отечественных (ЗАО «ВЧТехнологии», ОАО «Тантал», ООО «Планар» и др.) предприятий занимаются разработкой и производством управляемых аттенюаторов с цифровым управлением. Они представляют собой набор аттенюаторов с фиксированным ослаблением, переключаемых с помощью цифровой схемы управления.

Цифровой аттенюатор обладает следующими характеристиками:

1. Диапазоном ослабления (например, от 1 дБ до 31 дБ)

2. Диапазоном рабочих частот (например, от 0.7 до 3.7 ГГц)

3. Разрядностью (например, аттенюатор разрядностью 6 бит)

4. Шагом ослабления (например, 1 дБ)

5. Напряжением управления (например, +5 В)

Для примера рассмотрим цифровой СВЧ-аттенюатор фирмы Hittite Microwave HMC939. Его характеристики представлены в таблице 1:

Таблица 1.1

Freq. (GHz)	Function	Loss(dB)	Atten. Range (dB)	Control Input(Vdc)
0.1 - 40	5-bit Digital	3.5	1 to 31	0/+3 to +5V

Микросхема HMC939 это 5-битовый цифровой аттенюатор, выполненный на основе технологии GaAs. Микросхема содержит набор аттенюаторов с фиксированным ослаблением 1, 2, 4, 8, 16 дБ, в результате переключения которых можно получить ослабление до 31 дБ с разрешением в 1 дБ.

Функциональная схема HMC939 представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Функциональная схема микросхемы HMC939

Для того чтобы управлять такими аттенюаторами, нужно на определенные входы подавать логические уровни, тем самым задавая значение ослабления в децибелах на выходе.

Рассмотрим варианты, позволяющие нам это сделать.

1. Источник питания

В качестве управления цифровым свч-аттенюатором можно использовать источники питания, подавая на его входы управления ослаблением 0 и 5 В. Источник питания (ИП) – электронное устройство, предназначенное для обеспечения электрическим питанием различных устройств (нагрузок, потребителей). Существуют одноканальные и многоканальные (например двух- и трехканальные) источники питания. На рисунке 1.2 изображен источник питания Keithley серии 2400.

Рисунок 1.2 – Источник питания Keithley 2400

Но управление цифровым аттенюатором, с помощью источника питания, имеет много минусов. Рассмотрим некоторые из них:

• Высокая стоимость источников питания

Хороший и надёжный источник питания стоит порядка 20 000 рублей, поэтому использовать его для управления цифровым свч-аттенюатором экономически невыгодно.

• Низкая мобильность

Источники питания весят порядка 8 кг (для примера взят Agilent E3631A) и больше, это может вызвать трудность, если понадобиться управлять аттенюатором в каком-то определенном месте.

• Малое количество каналов

Например, для управления 8-битном цифровым свч-аттенюатором, понадобиться 8 источников питания (для каждого ввода), конечно существуют многоканальные источники питания, но их стоимость выше и, как правило, количество каналов не превышает трёх. В итоге все равно необходимо несколько источников питания.

2. IEEE 1284 (LPT порт)

IEEE 1284 (LPT порт) – международный стандарт параллельного интерфейса для подключения периферийных устройств персонального компьютера. В основе данного стандарта лежит интерфейс Centronics и его расширенные версии (ECP, EPP). Параллельный порт Centronics – порт, используемый с 1981 года. Изначально этот порт был разработан только для симплексной (однонаправленной) передачи данных, так как предполагалось, что он должен использоваться только для работы с принтером. Впоследствии разными фирмами были разработаны дуплексные расширения интерфейса. Затем был принят международный стандарт IEEE 1284, описывающий как базовый интерфейс Centronics, так и все его расширения. В основном используется для подключения к компьютеру принтера, сканера и других внешних устройств, однако может применяться и для других целей. Порт на стороне управляющего устройства (персонального компьютера) имеет 25-контактный двухрядный разъём. Интерфейс разъема изображен на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 – Интерфейс разъема LPT

LPT порт имеет 25 выводов, двенадцать из них – выходы, пять – входы и восемь общих, это земля. Скорость передачи данных может варьироваться и достигать 1.2 Мбит/с. Номера, обозначения и функции выводов показаны в таблице 1.2.

Упрощенная таблица сигналов интерфейса LPT порта

Таблица 1.2

Номер вывода	Обозначение	Примечание	Функция
1	Strobe	Маркер цикла передачи (выход)	Управление
2	Data 0	Сигнал 0 (выход)	Данные
3	Data 1	Сигнал 1 (выход)	Данные
4	Data 2	Сигнал 2 (выход)	Данные
5	Data 3	Сигнал 3 (выход)	Данные
6	Data 4	Сигнал 4 (выход)	Данные
7	Data 5	Сигнал 5 (выход)	Данные
8	Data 6	Сигнал 6 (выход)	Данные
9	Data 7	Сигнал 7 (выход)	Данные
10	Acknowledge	Готовность принять (вход)	Состояние
11	Busy	Занят (вход)	Состояние
12	Paper End	Нет бумаги (вход)	Состояние
13	Select	Выбор (вход)	Состояние
14	Auto Feed	Автоподача (выход)	Управление
15	Error	Ошибка (вход)	Состояние
16	Init	Инициализация (выход)	Управление
17	Select In	Управление печатью (выход)	Управление
18-25	GND	Общий	Земля

Как видно из таблицы 1.2, мы имеем 8 выходов LPT порта (2 – 9), по которым можем передавать данные. На этих выходах мы можем устанавливать логические нули и единицы. В итоге мы можем управлять 8-битным цифровым СВЧ-аттенюатором.

Достоинства использования LPT порта:

• Управление LPT портом

LPT порт достаточно хорошо изучен, его выводами очень легко управлять, в интернете есть множество удобных пользователю программ управления LPT портом. К тому же в нем легко разобраться самому. К сожалению на этом его достоинства заканчиваются.

Недостатки LPT порта:

• Высокая чувствительность

LPT порт очень чувствителен к «горячему» подключению – подсоединяя включенные устройства можно спалить порты. Выгорание LPT порта может привести к неработоспособности материнской платы, поэтому перед подключением устройств рекомендуется отключать их от сети питания.

• Отсутствие прямого доступа к порту

В операционных системах Windows NT (Windows 2000, Windows XP, Windows Vista, Windows 7, Windows 8 и др.) и UNIX (NetBSD, FreeBSD, Solaris и др.) задействован встроенный в процессор механизм безопасности, и доступ к параллельному порту запрещен, если не указан нужный драйвер. Хотя в ранних версиях Windows, которые не используют ядро Windows NT (типа DOS и некоторых других операционных систем), программы могут получить прямой доступ к параллельному порту.

• Низкая скорость

LPT порт имеет слишком низкую скорость, по сравнению с другими интерфейсами. Для сравнения: максимальная скорость передачи USB 2.0 – до 480 Мбит/c, USB 3.0 – до 5 Гбит/c, а LPT порта – около 2 Мбит/с, что на несколько порядков ниже.

• Неактуальность

LPT порт уже довольно устаревший интерфейс, уступивший место более быстрым и удобным решениям. В современных материнских платах LPT порт, как правило отсутствует.

3. Использование микроконтроллера

Микроконтроллер – это специальная микросхема, предназначенная для управления различными электронными устройствами и осуществления взаимодействия между ними в соответствии с заложенной в микроконтроллер программой. На рисунке 1.4 изображен микроконтроллер Atmega8-16PU компании Atmel Corporation.

Рисунок 1.4 – Микроконтроллер Atmega8-16PU

Внутри такой микросхемы реализованы такие компоненты, как

- арифметико-логическое устройство;

- система управления;

- FLASH-память;

- счетчики, таймеры и прочие схемы;

- порты для связи с внешними устройствами;

и многое другое.

Первый патент на однокристальную микро-ЭВМ был выдан в 1971 году инженерам М. Кочрену и Г. Буну, сотрудникам американской компании Texas Instruments. Именно они предложили на одном кристалле разместить не только процессор, но и память с устройствами ввода-вывода.

Типичный микроконтроллер сочетает на одном кристалле функции процессора и периферийных устройств, содержит ОЗУ и (или) ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Существует огромное количество типов микроконтроллеров , отличающихся архитектурой процессорного модуля, размером и типом встроенной памяти, набором периферийных устройств, типом корпуса и т.д. В отличие от обычных компьютерных микропроцессоров, в микроконтроллерах часто используется гарвардская архитектура памяти, то есть раздельное хранение данных и команд в ОЗУ и ПЗУ соответственно.

Кроме ОЗУ, микроконтроллер может иметь встроенную энергонезависимую память для хранения программы и данных. Во многих микроконтроллерах вообще нет шин для подключения внешней памяти. Наиболее дешевые типы памяти допускают лишь однократную запись. Такие устройства подходят для массового производства в тех случаях, когда программа контроллера не будет обновляться. Другие модификации микроконтроллеров обладают возможностью многократной перезаписи энергонезависимой памяти.

Неполный список периферии, которая может присутствовать в микроконтроллерах, включает в себя:

- универсальные цифровые порты, которые можно настраивать как на ввод, так и на вывод;

- различные интерфейсы ввода-вывода, такие как UART, , SPI, CAN, USB, IEEE 1394, Ethernet;

- аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;

- компараторы;

- широтно-импульсные модуляторы;

- таймеры;

- контроллеры бесколлекторных двигателей;

- контроллеры дисплеев и клавиатур;

- радиочастотные приемники и передатчики;

- массивы встроенной флеш-памяти;

- встроенный тактовый генератор и сторожевой таймер;

Достоинство использование микроконтроллера:

• Большой выбор

Микроконтроллеры сегодня являются одними из самых распространенных устройств электронной техники. На сегодняшний день существует более 200 модификаций микроконтроллеров, выпускаемых двумя десятками компаний, такими как Microchip Technology, Atmel, ARM Limited и другими.

• Низкая стоимость

Благодаря большому разнообразию выбора микроконтроллеры имеют низкую стоимость.

• Легкость использования

Долгое время использование микроконтроллеров сдерживалось необходимостью применения специальных средств разработки и программирования. С появлением памяти, выполненной по технологии Flash, и развитием персональных компьютеров многие ограничения были сняты. Сегодня работать с микроконтроллерами может практически любой человек, имеющий компьютер. А появление программно-аппаратных платформ, таких как Arduino или Amicus18, практически свело разработку микроконтроллерных устройств, к программированию нужных пользователю алгоритмов.

• Высокая мобильность

В отличие от источников питания, переносить устройство, сделанное на микроконтроллере, не составляет сложность, в итоге мы имеем высокую мобильность устройства, что, несомненно, один из плюсов использования микроконтроллера.

Недостатки использование микроконтроллера:

• Программирование

Для управления микроконтроллером понадобится изучение языка программирования.

Сравнивая все, перечисленные выше, способы управления цифровым СВЧ-аттенюатором, их достоинства и недостатки, было решено разработать устройство на микроконтроллере, т.к. этот способ выгоднее и удобнее всех остальных. Это связано не только с экономической, но и технической выгодой. Для начала сформулируем задачи, для решения поставленной нами цели, в виде плана разработки интерфейса управления.

План разработки интерфейса управления цифровым СВЧ-аттенюатором:

1. Преобразователь USB – RS232

2. Гальваническая развязка

3. Микроконтроллер Atmega 328P

4. Осуществление питания микроконтроллера

5. Предусмотренной отрицательное напряжение на выходах

6. ЖК-дисплей

7. Плата с выводами

8. Программа микроконтроллера

9. Корпус устройства