4.4 Рекомендации по разработке принципиальной схемы

Выбор микроконтроллеров начнем с конкретизации способа подключения к некоторому виртуальному МК всех типов заданного оборудования. Для этого потребуется, в частности, по заданному типу интерфейсов локальных сетей получить сведения о количестве линий связи с сетью и наименовании сигналов (см. ниже). Затем перейдем к составлению списков сигналов, учитывающему все необходимые связи, и в заключение – собственно к выбору МК ВУ и НУ.

Связь МК ВУ с СУ РТК должна выполняться по заданному (А0 – числитель) протоколу с соблюдением требований к уровням сигналов. Наиболее распространенным протоколом является PPI, аппаратно базирующийся на стандарте физического уровня связи RS-485. Средства сопряжения МК по протоколу PPI, как и по протоколу CAN, рассмотрены в /8/. В пояснительной записке должны быть приведены описание функционирования заданного протокола, его достоинства, выбранные для сопряжения с сетью аппаратные средства и количество линий связи с МК.

Тип локальной сети для связи между МК также задан параметром А0 (знаменатель). В пояснительной записке должны быть приведены описание функционирования соответствующего протокола, его достоинства и количество линий связи между МК ВУ и МК НУ. На принципиальной схеме локальная сеть может быть изображена без проводников, путем указания наименований проводов у соответствующих выводов микросхем, например, SDA, SCL.

Дискретные сигналы для вывода (А1) снимаются непосредственно с разрядов портов МК. Гальванической развязки на линиях не требуется. Аналоговые сигналы (А2) после нормализации уровня подаются на порт, линии которого имеют соответствующую альтернативную функцию.

Цифровые датчики А4 кодового типа (#) следует подключать непосредственно к одному из портов МК НУ. Датчики А4 импульсного типа (выдающие сдвинутые сигналы А и В) следует подключать к МК через интерфейс, позволяющий вести подсчет импульсов с учетом направления движения. Его схему следует разработать самостоятельно, исходя из знаний, полученных в курсе МПУУ и «Информационные устройства роботов» (в большинстве МК штатного узла преобразования нет). Предельная частота импульсов – 200 кГц. Результат вычисления перемещения должен формироваться каждые 10 мс. Разрядность выходного кода – 8. Если для преобразования используются функциональные узлы МК, то в пояснительной записке следует показать, что параметрами МК обеспечиваются частота съема информации и получения результата, указанные выше. Низковольтные цифровые датчики имеют уровень лог.1 в диапазоне 1,1-2,2 В и требуют наличия преобразователя уровня. Следует предусмотреть также прием от дискретного датчика любого типа одного инициативного сигнала, вызывающего прерывание.

Для управления исполнительным устройством А5 следует применить элемент сопряжения – бесконтактное реле с «замыкающим контактом» и гальванической развязкой, подключив его параллельно одному из выходов А1 одного из КНУ. Для управления исполнительным устройством А6 следует также применить бесконтактное реле (переменного тока) с гальванической развязкой, подключив его к одному из выходов КВУ. Процесс и результаты проработки вопроса реализации связей через элементы сопряжения следует изложить в пояснительной записке, включая обоснование в виде таблицы (Таблица 1 пояснительной записки), состоящей из набора заданных (и только заданных) функциональных возможностей бесконтактных реле (столбец 1) и характеристик не менее чем для трех моделей: выбранной (столбец 3) и двух смежных (столбцы 2, 4). В список функциональных возможностей следует внести указания, приведенные под таблицей «Варианты задания на проектирование». После таблицы выбора в ПЗ приводится ссылка на источник. При сопряжении вывода порта МК с бесконтактным реле необходимо определить соответствие нагрузочной способности порта и входного тока реле, рассчитать сопротивление и мощность балластного резистора в цепи светодиода (при отсутствии встроенного в реле стабилизатора тока), результат также следует привести в пояснительной записке.

Выбор МК производится по наличию необходимых линий ввода/вывода, АЦП, ШИМ, связи со смежными микросхемами и проч., причем поэтапно и итеративно. Для этого следует составить список необходимых для каждого МК функций и соответствующих узлов этого МК, количество используемых этими узлами линий ввода/вывода, начиная с определения перечня необходимых для КВУ или КНУ альтернативных функций портов и заканчивая портами для ввода и вывода дискретных сигналов. Результаты следует привести в двух или нескольких таблицах с графами: функция – узел МК – кол-во линий. Например: ШИМ – таймер – 1 линия, аналоговый ввод – АЦП – 6 линий, сигналы от кодового датчика – порт – 11 линий, INT – вход прерывания – 1 линия и т.д. Для средств связи с ВУ (для перехода на RS-485) потребуется 3 линии (TxD, RxD, E); для локальной сети – 2-6 линий в зависимости от выбранного протокола. Если различные МК НУ имеют разный набор входных или выходных сигналов, то составляется несколько таблиц. Таблицы должны иметь наименование «Список функций для …» с указанием обозначения МК на структурной схеме.

В последних строках этих таблиц следует привести суммарное количество линий, т.е. выводов МК, необходимых для решения всех задач ввода/вывода. Далее работа проводится отдельно для МК ВУ и НУ.

Процесс и результаты проработки вопроса реализации связей через элементы сопряжения следует изложить в пояснительной записке, и использовать при обосновании выбора МК (со ссылкой на источник). Процесс выбора оформляется в виде двух или нескольких таблиц, состоящих из набора заданных (и только заданных) функциональных возможностей МК (включая указанные выше требования к их параметрам) и характеристик не менее чем для трех моделей: минимально приемлемого и двух смежных (ближайших в таблицах параметров) со ссылкой на источник. Те параметры моделей, которые не заданы (частота, тип корпуса etc), приводить не следует, однако для контроля совместимости значение напряжения питания выбранной модели МК привести необходимо. Заданное количество линий ввода-вывода берется из предыдущей таблицы. Таблица выбора должна показать, что более примитивная модель, чем выбранная, имеет неудовлетворительные характеристики, а более сложная – избыточные. Возможно наличие текстового комментария. Если различные МК НУ имеют разный набор входных или выходных сигналов, то составляется несколько таблиц. Таблицы должны иметь наименование «Выбор модели для К…» с указанием обозначения МК на структурной схеме.

Основной объем необходимых данных для выбора МК следует искать в Интернете. В библиографическом списке приведены некоторые источники /18-30/. Пример одной из таблиц приведен ниже. Для МК ВУ в нем не должны присутствовать строки относительно ШИМ и квадратичного декодера, для МК НУ могут отсутствовать данные об АЦП и связях с СУ РТК.

Пример «Распределение функций для К…

Таблица …»

Параметры	Заданное значение	Неуд. модель МК	Выбранная модель МК	Вывод	Избыточная модель МК
Наименование МК		ATmega16-16Рс	ATxmega16A4		ATxmega32A4
Обязательная часть
Память программ, кслов	8	8	8		16
Память данных, кбайт	0,5	1К	2К		4К
Память констант, байт	256	512	1К		2К
WatchDog	+	+	+		+
Количество локальных шин	… – 1	1	…		…
Интерфейс связи с ВУ	PPI – 1	USART – 1	USART – …	треб-ся преобр-ль RS-232/ RS-485	USART – …
Напряжение питания, В	не задано	4,5-5,5	2,7–3,6	…	2,7–3,6

Продолжение табл. …

Параметры	Заданное значение	Неуд. модель МК	Выбранная модель МК	Вывод	Избыточная модель МК
В соответствии с таблицами функций
Количество линий ввода-вывода	…	32	36		36
АЦП (входов х разрядов)	…	8х10	12x12		12x12
Диапазон измеряемых АЦП напряжений	от 0 до +10 В	от 0 до Uпит	от 0 до Uпит	треб. делитель	от 0 до Uпит
Наличие квадратичного декодера	+	– НЕУД	+		+
ШИМ (выходов х разрядов)	1х8	4х(2…16)	24х16		24х16
…

Источники – см., например, http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/doc/micros/avr/index.htm, http://atxmega.narod.ru/

В столбце «Неуд. модель» в ячейках, содержащих параметр, который не соответствует требованиям задания (обычно единственный), ставится пометка «НЕУД.». НЕУД может возникать из-за недостаточного количества линий ввода-вывода, недостаточной разрядности АЦП, отсутствия квадратичного декодера для обработки информации с импульсных датчиков и т.п.

В столбце «Вывод» отражают дополнительные меры, не-обходимые для согласования выбранной модели с требованиями задания.

Проанализировав выбранные модели для каждого из контроллеров, следует рассмотреть возможность их унификации и изложить результат в текстовой форме.

Следует уделить внимание организации цепей питания, стараясь выбирать все МК с одинаковым напряжением питания (см. таблицу выбора). Если напряжения питания выбранных МК различны, необходимо проанализировать резистентность входов/выходов модели с более низким напряжением к более высокому уровню логических сигналов смежного МК. Результат следует отразить в столбце «Пометки» таблиц выбора модели МК.

Затем для модели МК, обладающей нужными возможностями, изображается распиновка (Pin Configurations из мануала фирмы или справочника, указав источник) и составляются таблицы распределения функций по портам (табл. 6 и 7 ПЗ для МК ВУ и МК НУ) в соответствии с предыдущими таблицами (пример – табл. 6). Сначала распределяются необходимые альтернативные функции согласно справочным данным по альтернативным возможностям каждого вывода. При возможности рекомендуется выбирать выводы альтернативных функций так, чтобы сохранить группы линий дискретного ввода-вывода в свободных портах. Затем распределяют по назначению дискретные вводы и выводы (с учетом специфики входов от механических заземляющих контактов).

Пример «Распределение функций для К0

Таблица …»

№ вывода	Порт	Альтер. функция	Описание
23	PC0	ADC0	АЦП входной канал 0
2	PD0	RXD	RS-485 ( инф. выход приемника)
3	PD1	TXD	RS-485 (инф. вход передатчика)
4	PD2	–	RS-485 (выход направления)
17	PB3	MOSI	SPI ведущий-выход, ведомый- вход
18	PB4	MISO	SPI ведущий-вход, ведомый- выход
19	PB5	SCK	SPI тактовый импульс
24	PС1		SPI выбор ведомого - SS1#
15	PB1		SPI выбор ведомого - SS2#
16	PВ2		SPI выбор ведомого - SS3#
28	PC5		Дискретный выход
27	PC4		Дискретный выход
26	PC3		Дискретный выход
25	PC2		Дискретный выход
14	PB0		A6
5	PD3		Дискретный вход

и т.д.

Для каждого МК необходим расчет допустимого количества выходов с током по 20 мА (при необходимости), если остальные выходы (из заданного количества) будут нагружены втекающим током 1,5 мА.

Если в заданном семействе отсутствуют модели с нужным набором выводов, в состав контроллера включают дополнительные элементы сопряжения. В частности, если количество аналоговых датчиков, подлежащих присоединению к МК ВУ (с учетом перераспределения на структурном этапе синтеза), больше, чем число его аналоговых входов, следует в составе КВУ использовать аналоговый коммутатор, управляемый от одного из портов МК. Применяемые аналоговые ключи и коммутаторы должны иметь адресные входы, совместимые по уровням с ТТЛ. Если в заданном семействе МК нет моделей, имеющих заданную разрядность АЦП (А3), следует в составе контроллера применить внешний АЦП с выходом в параллельном или последовательном коде, подобрав соответствующий интерфейс. Если для организации дискретных входов или выходов не хватает количества или нагрузочной способности выводов портов, следует использовать шинные формирователи или регистры. Для всех элементов сопряжения должны быть разработаны схемные решения, дабы убедиться в их реализуемости и определить количество линий подключения к МК (например, 8 линий для интерфейса П/#).

Затем нужно заново просчитать количество линий ввода/вывода МК, выполнить их распределение и выбор модели МК. Используя тот иной функциональный узел МК, необходимо следить за однозначностью выполняемой им функции. Недопустимо, например, применение одного и того же таймера одновременно для счета внешних импульсов и для формирования ШИМ.

Измененный состав контроллеров следует отразить в уточненной структурной схеме.

Далее следует переработать для каждого выбранного МК распиновку в УГО, изображая его согласно /10, рис. 37, табл. 29/. К примеру, УГО ATmega16 будет иметь вид, приведенный на рис. ХХ. Если выводы порта используются для выполнения альтернативной функции (см. составленную ранее таблицу), то в качестве м

Рисунок 2

еток в дополнительных полях следует писать эту функцию (например, ADC0), а если для основной функции ввода/вывода, то наименование порта и номер разряда. В частности, в УГО на рисунке 2 выводы 5-8 задействованы для организации локальной шины SPI, а выводы 1-4, относящиеся к тому же порту В – для ввода или вывода дискретных сигналов. Аналогично используется порт С. Если в МК используется менее половины выводов, то незадействованные выводы на УГО можно не изображать.

В конечном результате наименование модели должно соответствовать спецификации изготовителя. Например, микроконтроллеры ATmega фирмы Atmel обозначаются так:

При наличии выбора среди моделей следует выбирать наиболее дешевые, в частности не применять без необходимости энергоэкономичные (L), с широким диапазоном напряжений питания (они предназначены для мобильных устройств). Исполнение по температурному диапазону – коммерческое, корпус пластиковый, максимальная частота – наименьшая из доступных.

Следующей стадией является размещение на листе схемы всех элементов МПУУ, выполнение всех связей (с учетом вариантов изображения, описанных в /10/). Входы и выходы схемы должны быть оформлены разъемами, отдельными для каждой группы сигналов (датчик, ШИМ-выход, связь с СУ РТК и т.п.). Для сигналов и напряжений, поступающих на схему извне, а также для цепей двунаправленного обмена следует использовать вилки (штыри), для сигналов, выдаваемых на устройства, – розетки (гнезда). УГО разъема выполняется в виде таблицы (/22/, с. 44). Поле «Конт.» заполняется порядковыми номерами, поле «Цепь» не вводится, поле «Сигнал» заполняется русскоязычными или англоязычными сокращениями. В каждом разъеме должен быть контакт с сигналом «Общ.», т.е. «земля», цифровая или аналоговая соответственно. Источники питания схемы изображаются отдельно в виде разъема со всеми необходимыми для схемы уровнями напряжений и контактом «земли».

Если напряжение питания аналоговой части схемы заводится извне, то и аналоговая земля заводится отдельно от цифровой. В случае питания аналоговой части схемы от общего источника рекомендуется установка фильтра. Включение фильтра: дроссель L номиналом 10 мкГн подключается между входами цифрового (Vcc) и аналогового (AVcc) питания МК, конденсатор С номиналом 1,0 мкФ подключается между AVcc и цифровой «землей», к этой же «земле» подключается вывод аналогового нуля (AGND). Организация питания специальных микросхем АЦП должна соответствовать указаниям фирмы-изготовителя с отражением данного вопроса в пояснительной записке к проекту.

Чтобы не загромождать схему цепями питания, следует использовать один из вариантов, предложенных в /10, с. 115/. при этом нужно следить, чтобы названия одних и тех же цепей в различных частях схемы совпадали (недопустимы, например, обозначения «Vcc» и «+ 5 В» для одной цепи питания).

Использованные элементы сопряжения должны быть снабжены всеми необходимыми пассивными элементами (резисторами, конденсаторами, дросселями и пр.). Номиналы примененных резисторов и конденсаторов должны соответствовать ряду Е12 (см., например, /9/ и другие источники в Интернете).