1. Проектирование аппаратной части устройства

Разработка функциональной схемы.

Разработка функциональной схемы основывается на структурной схеме устройства, на требованиях технического задания и заключается в выборе принципов реализации ее модулей (например, определение требуемого быстродействия АЦП, его интерфейса, необходимости гальванической развязки и т.д.).

Рис.6.4. Контакт с нормально разомкнутым состоянием

Модуль датчиков и кнопокреализуем в виде контактов с нормально разомкнутым состоянием. При сработке датчика или при нажатии на кнопку произойдет замыкание соответствующего контакта. Для фиксации события на датчики и кнопки должно быть подано от микроконтроллера через резистор напряжение (рис.6.4). Величина напряжения, снимаемая с резистора, может принимать два значения, соответствующих событиям сработка/отпускание. Если по каким-либо соображениям, например по конструктивным, необходимо использовать датчики иного вида, то принцип его подключения может быть другим.

Модуль защиты от помехдолжен защищать входы контроллера от наведенной ЭДС. Для решения этой проблемы рекомендуется несколько способов, в частности:

• гальваническая развязка датчиков от схемы контроллера при помощи оптрона, реле и т.д.[8];

• использование защитных диодов и резисторов [14].

Гальваническая развязка является наиболее надежной защитой от помех, но требует дополнительных материальных затрат, увеличивает габариты устройства.

Использование защитных диодов, которые выполняют функцию амплитудного ограничителя сигнала за счет подключения диодов к источнику питания, является наиболее дешевым вариантом защиты от помех. Схема приведена на рис.6.5.

Рис.6.5. Использование защитных диодов для защиты от помех

Защита от дребезга контактовнаиболее просто реализуется при помощи интегрирующей цепи, постоянная времени которой должна быть больше времени дребезга контактов (рис.6.6).

Рис.6.6. Использование RC цепочки для защиты от дребезга контактов

В настоящее время промышленностью выпускаются специализированные микросхемы, разработанные для подключения механических переключателей. Их внутренняя структура содержит защитные диоды, аппаратную схему подавления дребезга и защиту от статики. Типовая схема включения приведена на рис.6.7.

Рис.6.7. Типовая схема включения специализированной микросхемы

Как отмечалось ранее, сигналы от всех датчиков и кнопок лучше объединить с целью уменьшения требуемого числа выводов микроконтроллера, причем лучше задействовать для этой цели вход внешнего прерывания INT.

Рис.6.8. Схема объединения входных сигналов

В качестве схемы объединения можно выбрать схему "И", которая выполняет логическое сложение сигналов отрицательной логики (сигналы сработки имеют активный уровень логического 0). Таким образом, прерывание должно вызываться по отрицательному перепаду (заднему фронту) на входе INT. Следует отметить, что схема объединения должна иметь на входах триггеры Шмитта, которые являются дополнительной защитой от дребезга затянутых фронтов сигнала (рис.6.8).

Для модуля микроконтроллера необходимо определить требования на его архитектуру в соответствии с заданием и структурной схемой. Так, в нашем случае микроконтроллер должен содержать таймер, контроллер обработки внешних прерываний, желательно наличие охранного таймера (чтобы не реализовать его в виде отдельной микросхемы), иметь соответствующее число портов ввода/вывода, обладать возможностью внутрисистемного программирования. Все современные микроконтроллеры имеют встроенный тактовый генератор с внешней времязадающей цепью. Использование варианта с полностью встроенным тактовым генератором также привлекательно, если таковой имеется в конкретном микроконтроллере и если нет ограничений на частоту тактового генератора.

Интерфейс внутрисистемного программирования (ISP) представляет собой вывод на разъем (XP) соответствующих сигналов микроконтроллера. Обычно это 3 линии последовательного синхронного портаSPI(MOSI,MISO,SCK), линия сброса #Resetи линии питания. Следует отметить, что после программирования линии синхронного интерфейса могут использоваться по прямому назначению или как порты ввода/вывода. Сигнал #ResetотISPдолжен быть объединен с сигналом #Resetот схемы сброса. Это можно осуществить, например, через логическую схему "И" (логическоесложениедляотрицательной логики).

На основании анализа структурной схемы получим, что количество внешних линий ввода/вывода должно быть не менее 11 (6 линий вывода управления лампами светофора, 1 линия входа прерывания от датчиков, 4 линии для внутрисистемного программирования). Одним из самых распространенных семейств 8-разрядных микроконтроллеров является семейство AVR. Имеющиеся две группы (TinyAVRиMegaAVR) отличаются функциональными возможностями и оснащенностью периферийными модулями. В семействеAVRможно найти микроконтроллер, соответствующий нашим требованиям, его программное обеспечение широко распространено, микроконтроллеры доступны и недороги. Вследствие этого остановим свой выбор на семействеAVR.

На схему сброса и синхронизациине накладывается каких-либо особых требований, типа: частота генератора должна иметь определенную стабильность, её значение необходимо выбирать с учетом обеспечения требуемой синхронизации последовательного канала и т.д. Поэтому в качестве задающего генератора, если не будет варианта с встроенным тактовым генератором, можно выбрать внутренний генератор с внешними времязадающими цепями, у которого частота определяется подсоединенным к внешним выводам кварцевым резонатором. Такой вариант является самым распространенным.

Схема сброса должна выработать импульс сброса для микроконтроллера при включении питания. Так как схема должна эксплуатироваться в довольно жестких условиях (на открытом воздухе, в сложной помеховой обстановке – рядом движение транспорта), то логично потребовать от неё выработки сброса при уходе напряжения питания за определенный порог, например, ниже 4,5В (рис.6.9).

Рис.6.9. Схема сброса на супервизоре напряжения

Рис.6.10. Схема оптосимисторной развязки

Модуль драйверовпозволяет микроконтроллеру управлять мощной нагрузкой. Лампы светофора запитываются от напряжения ~220В, поэтому модуль драйверов должен выполнять еще и роль гальванической развязки, с целью защиты всей схемы от возможного попадания высокого напряжения. Наиболее приемлемым вариантом развязки является использование оптосимисторов. Схема развязки изображена на рис.6.10. ОптосимисторVU1 управляет мощным симисторомVS1. Промышленностью также предлагаются твердотельные реле, содержащие в одном корпусе оптосимистор, мощный симистор и схему привязки момента включения мощного симистора к моменту перехода напряжения ~220В через ноль.

В качестве модуля лампсветофора можно выбрать обычные лампы накаливания на ~220В.

Модуль питанияв нашем случае преобразует переменное напряжение ~220В в напряжение питания для схемы контроллера. Остановимся на промышленном модуле питания АС/DC(рис.6.11), имеющем меньшие габариты, повышенную надежность по сравнению с классическим источником питания на трансформаторе и линейном стабилизаторе. Разрабатываемая схема является чисто цифровой, поэтому повышенный уровень шумов АС/DCмодуля не влияет на ее работоспособность.

Рис.6.11. Модуль питания AC/DC

Таким образом, функциональная схема контроллера светофора будет иметь вид, изображенный на рис. 6.12. Предполагается использовать микроконтроллер с встроенным тактовым генератором.

Разработка принципиальной схемы

Разработка принципиальной схемы основывается на функциональной схеме устройства и заключается в выборе конкретной элементной базы, необходимых электрических расчётов элементов. Выбор элементов осуществляется по справочникам, фирменным описаниям, книгам и т.д.

Выбор кнопок для пешеходов и датчиковналичия автомобилей определяется эргономическими требованиями, условиями эксплуатации, преемственностью, рекомендациями министерств и т.д.

Определимся только с типом кнопок и датчиков – пусть они представляют нормально разомкнутые контакты.

Модуль защиты от помехможет быть реализован на дискретных элементах (см. рис.6.6.). Однако в настоящее время лучшим выходом является использование специализированных микросхем, разработанных для подключения механических переключателей. Так серия

МАХ681х защищает от статического электричества (15кВ), большого напряжения на входах (до уровня25В) и применима для жестких промышленных условий.

Кроме того, она снабжена схемой защиты от дребезга контактов, что делает ее идеальным устройством съема состояния с переключателей. Серия МАХ681 представлена тремя микросхемами МАХ6816 / МАХ6817 / МАХ6818 (с возможностью подключения 1 / 2 / 8 кнопок). Для нашего случая подойдет микросхема МАХ6818. Её внутренняя структура содержит защитные диоды, аппаратную схему подавления дребезга и защиту от статики, типовая схема включения вместе со схемой объединения входов для нашего случая приведена на рис. 6.13.

Рис.6.13. Типовая схема включения микросхемы МАХ6818

Для выбора микроконтроллера проанализируем табл.6.2, содержащую сведения о некоторых представителях семействаAVR.

Кроме приведенных параметров следует отметить наличие у всех микроконтроллеров охранного таймера (WDT), встроенного тактового генератора и возможности внутрисхемного программирования (ISP). На основании анализа приведенных параметров, можно остановить выбор на микроконтроллереATtyni2313. МикроконтроллерыATtyni13,ATtyni15 не имеют достаточного количества линий ввода/вывода, а другие микроконтроллеры имеют функциональную избыточность – АЦП, большое количество линий ввода/вывода, избыточную память. ХарактеристикиATtyni2313: 20-выводной корпус – 18 программируемых линий ввода/вывода с выходными буферами, обеспечивающими 20-мА втекающий ток; 8-разрядный и 16-разрядный таймеры/счетчики; два внешних и десять внутренних источников сигнала прерывания; программируемый сторожевой таймер и др.

Таблица 6.2

Мксх	Flash Кбайт	SRAM байт	F, max МГц	Max I/O линий	Кол-во внеш. Int	16-bit таймер	SPI	АЦП каналов
ATtyni13	1	64	20	6	6	-	-	4
ATtyni15	1	64	10	6	6	-	-	4
ATtyni2313	2	128	20	18	2	1	USI	-
ATtyni26	2	128	16	16	1	-	USI	11
ATmega48	4	512	20	23	26	1	1+USART	8
ATmega8	8	1024	16	23	2	1	1	8
ATmega16	16	1024	16	32	2	1	1	8
ATmega8515	8	512	16	35	3	1	1	-
ATmega8535	8	512	16	32	3	1	1	8
ATmega32	32	512	16	32	3	1	1	8
ATmega64	64	2048	16	53	8	2	1	8
ATmega128	128	4096	16	53	8	2	1	8
ATmega256	256	8192	16	53	8	2	1	16

Примечание. USI – универсальный последовательный интерфейс.

Кроме приведенных параметров следует отметить наличие у всех микроконтроллеров охранного таймера (WDT), встроенного тактового генератора и возможности внутрисхемного программирования (ISP). На основании анализа приведенных параметров, можно остановить выбор на микроконтроллереATtyni2313. МикроконтроллерыATtyni13,ATtyni15 не имеют достаточного количества линий ввода/вывода, а другие микроконтроллеры имеют функциональную избыточность – АЦП, большое количество линий ввода/вывода, избыточную память. ХарактеристикиATtyni2313: 20-выводной корпус – 18 программируемых линий ввода/вывода с выходными буферами, обеспечивающими 20-мА втекающий ток; 8-разрядный и 16-разрядный таймеры/счетчики; два внешних и десять внутренних источников сигнала прерывания; программируемый сторожевой таймер и др.

Назначение выводов ATtyni2313 приведено на рис.6.14.

В соответствии с рис.6.14 все порты ввода/вывода микроконтроллера имеют альтернативные функции. Как отмечалось ранее, для управления светофором необходимо 6 выходных портов, один входной порт, связанный с системой прерывания, три линии синхронного интерфейса для внутрисистемного программирования и вход сброса RESET. Для сигнала сброса выделен портPA₂, для внутрисистемного программирования линии синхронного интерфейса (портPB) – линииPB₇(SCK),PB₆(MISO),PB₅(MOSI). Под внешнее прерывание можно выделить портPD₂(INT0). В качестве выходных портов можно выбрать любые линии, например, портаPD(PD₇÷PD₃,PD₁,PD₀). Работа с линиями одного порта, переключающими лампы светофора, удобна при составлении управляющей программы. Настройка линий портов на соответствующий режим работы (вход/выход, вид сигнала на входеINTи т.д.) должна осуществляться в программной части проекта.

Рис.6.14. Назначение выводов микроконтроллера ATtyni2313

Схема синхронизациинаиболее просто реализуется путем использования встроенного тактового генератора. Режим встроенного генератора и его частота (4МГц или 8МГц) устанавливаются при программировании. Так как к быстродействию устройства не предъявляются повышенные требования, остановимся на частоте 4МГц. Данная частота позволяет легко формировать необходимые временные задержки и, кроме того, энергопотребление микроконтроллера в этом случае незначительное.

ATtyni2313 имеетвстроенную схему сбросапо включению питания, которая вырабатывает импульс при достижении питания уровня ≈2В. Соответственно, при снижении напряжения питания ниже 2В также произойдет сброс микроконтроллера. Во многих ответственных приложениях работа устройства при напряжении ниже 4,2В не гарантируется. В этих случаях используют внешние схемы сброса, порог срабатывания которых имеет требуемый порог срабатывания. Зададимся уровнем срабатывания схемы сброса в 4,5В. При выборе схемы сброса (супервизора питания) необходимо обратить внимание на то, чтобы длительность импульса, генерируемого схемой по включению питания, была больше длительности, требуемой для сброса микроконтроллера. Кроме того, у разных микроконтроллеров сброс осуществляется или высоким, или низким уровнем (уATtyni2313 сброс низким уровнем).

Выберем супервизор формы Dallas – DS 1813-5, удовлетворяющий указанным условиям. Типовая схема его включения приведена на рис.6.15.

Рис.6.15. Типовая схема подключения супервизора питания

Окончательная схема подключения микроконтроллера приведена на рис.6.16. Для программирования микроконтроллера к разъему ХР подсоединяется программатор. Управление лампами светофора осуществляется через порт PD, причем для включения лампы надо подать на выход порта единичный уровень. Информация о сработке датчиков и кнопок поступает на входPD₂, который является входом прерыванияINT0. Этот вход прерывания должен быть запрограммирован на вызов прерывания по заднему фронту.

Схему драйверауправления лампами светофора построим на мощных симисторах, которыми будем управлять через оптоэлектронную развязку. Например, фирма MOTOROLA предлагает симисторы серии МАС для токов до 40А и напряжений до 800В. Для управления симисторами фирма выпускает оптоэлектронные приборы серии МОС3хх.

На рис.6.17 представлена типовая схема драйвера [47], нагруженная на лампу накаливания, мощность которой может быть до 1кВт.

В качестве источника питания, как отмечалось выше, проще всего выбрать промышленный АС/DCмодуль. Данные модули выпускаются на разное входное/выходное напряжение с широкой номенклатурой выходной мощности. В нашем случае входное напряжение равно ~220В, выходное +5В. Напряжение, которое должен обеспечить модуль, зависит от мощности потребления контроллера светофора. Определим приблизительно мощность потребления контроллером светофора. Так, ток потребления микросхем составляет:

Рис.6.16. Схема подключения микроконтроллера

Рис.6.17. Типовая схема драйвера

• ATtyni2313 – 2,5мА на частоте 4МГц;

• DS 1813-5 – 40мкА;

• МАХ6818 – 20мкА, входной ток при замыкании всех восьми переключателей составит 4мА;

• выходной ток для включения трех оптопар драйвера – 30мА;

• схема объединения (триггер Шмитта) – 80мкА.

Итого потребляемый ток составит около 40мА, при 5В питании потребляемая мощность равна 0,2Вт. В настоящее время предлагается большой спектр подобной продукции, в частности, можно остановиться на AC/DCпреобразователях фирмыFranmar[62].

Так как все элементы схемы определены, то построение принципиальной схемы не представляет трудностей. При построении принципиальной схемы следует помнить о необходимости включения в нее развязывающих конденсаторов по питанию: электролитических – для подавления низкочастотных и керамических – для подавления высокочастотных помех. Количество устанавливаемых конденсаторов можно определить из следующего соотношения: один электролитический конденсатор емкостью 10-20мкф на 15-20 микросхем, один керамический емкостью 0,1мкф на 1 – 2 микросхемы.