2 Спеціальний розділ

2.1 Обгрунтування елементної бази

При розробці даного пристрою застосовувалися наступні елементи:

• мікросхеми: ATtiny2313, DS1305;

• резистори;

• кнопка;

• квацовий резонатор.

2.1.1 Інтегральні мікросхеми

Неухильний розвиток електроніки привів до виникнення мікроелектроніки. Так прийнято називати область науки і техніки, що займається фізичними і технічним проблемами створення високонадійних і економічних мікроелектронних схем і пристроїв, званих інтегральними мікросхемами (ІМС). Інтегральними вони названі тому, що в них всі елементи нероздільно зв'язані між собою і схема розглядається як єдине ціле.

Інтегральна мікросхема (ІС, ІМС, м/сх), чіп, мікрочіп (англ. chip — тріска, уламок, фішка) — мікроелектронний пристрій — електронна схема довільної складності, виготовлена на напівпровідниковому кристалі (або плівці) і поміщена в нерозбірний корпус. Часто під інтегральною схемою розуміють власне кристал або плівку з електронною схемою, а під мікросхемою (МС) — ІС, укладену в корпус. В той же час вираз “чіп компоненти” означає “компоненти для поверхневого монтажу” на відміну від компонентів для традиційного паяння в отвори на платі. Тому правильніше говорити «чіп мікросхема», маючи у вигляді мікросхему для поверхневого монтажу. В наш час більшість мікросхем виготовляється в корпусах для поверхневого монтажу.

Елементом називають частину ІМС, в якій реалізується функція якого-небудь радіоелементу (транзистора, діода, резистора і т. д.) і яку не можна відділити від схеми і розглядати як самостійний виріб.

Елементи формуються на напівпровідниковій пластині в єдиному технологічному процесі. В деяких випадках до складу ІМС входять компоненти (безкорпусні транзистори, навісні конденсатори, резистори і т. д.), які встановлюють при виконанні зборочномонтажних операцій. Компоненти є самостійними виробами, вони можуть бути відокремлені від виготовленої ІМС і замінені іншими.

Складність ІМС оцінюють ступенем інтеграції, визначуваним коефіцієнтом К=ln N, значення якого округляється до найближчого більшого цілого числа, де N — число елементів і компонентів, що входять в ІМС. Мікросхеми першого ступеня інтеграції (К=1) містять до 10 елементів і компонентів, другого ступеня інтеграції (K = 2) - від 11 до 100 і т.д. Мікросхеми третьої і четвертої ступенів інтеграції називають великими інтегральними схемами (ВІС), а ІМС, що містять більше 104 елементів, називають надвеликими ІМС.

За способом виготовлення і одержуваною при цьому структурою розрізняють два різновиди ІМС: напівпровідникові і гібридні. В напівпровідникових ІМС всі елементи і міжелементні з'єднання виконуються в об'ємі і на поверхні напівпровідникової пластини. В гібридних ІМС (ГІМС) пасивні елементи (резистори, конденсатори і інші) виконуються у вигляді плівок.

Поверхні діелектричної підкладки, а активні елементи реалізуються у вигляді навісних компонентів. Залежно від способу нанесення плівок на поверхню діелектричної підкладки і їх товщини розрізняють тонкоплівкові ГІМС (товщина плівок менше 1 мкм) і товстоплівкові ГІМС (товщина плівок порядку 20-40 мкм).

По функціональному призначенню ІМС підрозділяють на аналогові і цифрові. Аналогові ІМС призначені для обробки сигналів, що змінюють закон безперервної функції. Цифрові для обробки сигналів, що змінюються за законом дискретної функції.

Конструктивною основою ГІМС є підкладка з діелектричного матеріалу, на поверхні якій формуються плівкові елементи і міжелементні з'єднання. Як підкладки застосовують електровакуумні стекла, синтал, кераміку і ряд інших. Скло, володіючи дуже гладкою поверхня і хорошою адгезією з матеріалами, що наносяться на його поверхню, разом з тим має погану теплопровідність і невисоку механічну міцність. Кераміка, володіючи підвищеною, механічною міцністю і теплопровідністю, має порівняно високу шорсткість поверхні. Тому вона застосовується в основному для товстоплівкових ГІМС. Найширше вживання для підкладок тонкоплівкових ГІМС наносять синтал і фотосинтал. Синтал є склокерамічним матеріалом, одержуваним шляхом термообробки (кристалізації) скла. Фотосинтал одержують кристалізацією світлочутливого скла. Його теплопровідність у декілька разів перевищує теплопровідність синтала.

Існують наступні назви мікросхем залежно від ступеня інтеграції (вказана кількість елементів для цифрових схем):

• мала інтегральна схема (МІС) — до 100 елементів в кристалі;

• середня інтегральна схема (СІС) — до 1000 елементів в кристалі;

• велика інтегральна схема (ВІС) — до 10000 елементів в кристалі;

• надвелика інтегральна схема (НВІС) — до 1 мільйона елементів в кристалі;

• ультравелика інтегральна схема (УВІС) — до 1 мільярда елементів в кристалі;

• гігавелика інтегральна схема (ГВІС) — більше 1 мільярда елементів в кристалі.

В даному курсовому проекті використовуються наступні мікросхеми:

DS 1305

Годинник реального часу з послідовним інтерфейсом і будильником.

Відмінні риси:

• Підрахунок реального часу в секундах, хвилинах, годинах, датахмісяця, місяцях, днях тижня й роках з урахуванням високосний поточного року аж до 2100 р.

• 96 байт енергонезалежного ОЗУ для зберігання даних.

• Дві установки будильника, програмовані комбінацією секунд, хвилин, годин і дня тижня.

• Підтримка послідовного SPI-інтерфейсу або стандартного 3-хпроводового інтерфейсу.

• Можливість читання / запису інформації в режимах передачі одногобайта даних або отоку байт даних.

• Подвійна організація підключення основного і резервного джерел живлення.

• Можливість включення вбудованої ланцюга заряду для підзарядкирезервного джерела живлення.

• Виконання всіх функцій при напрузі живлення 2.5-5.5 В.

• Можливість поставки в промисловому діапазоні температур: від -40° C до +85 ° C (Ind).

• Можливість замовлення в 20 вивідному корпусі TSSOP

Опис виводів:

- NC не використовується; 

- VCC1 основне джерело живлення; 

- VCC2 резервний джерело живлення; 

- VBAT вхід підключення батареї живлення (+3 В); 

- VCCIF вхід харчування інтерфейсної логіки; 

- GND загальний; 

- X1, X2 підключення кварцового резонатора 32768 Гц; 

- INT0 вихід переривання 0; 

- INT1 вихід переривання 1; 

- SDI введення даних в послідовному форматі; 

- SDO висновок даних в послідовному форматі; 

- CE активація мікросхеми; 

- SCLK синхронізація послідовної зв'язку; 

- SERMODE вибір типу послідовного інтерфейсу; 

- PF вихід, який сигналізує про неприпустимий рівні основного джерела живлення. 

Рисунок 2.Розташування виводів

Загальний опис:

DS1305 - годинник реального часу з послідовним інтерфейсом і будильником, які містять годинник-календар з представленням інформації в двійковій-десятковому коді і можливістю їх передачі по простому

Рисунок мікросхема DS1305

послідовному інтерфейсу. Інформація по реальному часі і календарі представляється в секундах хвилинах, годинах, дні, дати, місяця і рік. Якщо поточний місяць містить менше 31 дня, то мікросхема автоматично визначить кількість днів у місяці з урахуванням високосний поточного року. Годинники працюють або в 24-годинному або 12-годинному форматі з індикатором AM / PM (до полудня / після полудня). Додатково є 96 байт енергонезалежного ОЗУ для зберігання даних. Висновок живлення інтерфейсної логіки VCCIF дозволяє DS1305 прив'язати рівні висновків SDO і PF до рівня інтерфейсної логіки. Це дозволяє легко підключитися до 3-х вольтової логіки в системах зі змішаним живленням. DS1305 дозволяє реалізувати подвійне резервне живлення (висновки VCC2 і VBAT). До висновку VCC2 може бути підключена схема підзарядки резервного регенерованого джерела енергії (наприклад, іоністори або акумулятора). Висновок VBAT призначений для підключення резервної регенерувальної батареї. DS1305 функціонує при живленні від 2.5 до 5.5 В.

Мікроконтролер Attiny2313

Функціональне призначення: 8 бітовий AVR мікроконтролер з 2 КБ програмованої в системі Flash пам'яті.

ATtiny2313 - низькоспоживаючий 8 бітовий КМОП мікроконтролер з AVR RISC архітектурою. Виконуючи команди за один цикл, ATtiny2313 досягає продуктивності 1 MIPS при частоті задаючого генератора 1МГц, що дозволяє розробнику оптимізувати відношення споживання до продуктивності.

AVR ядро об'єднує багату систему команд та 32 робочих регістра загального призначення. Всі 32 регістри безпосередньо пов'язані з арифметико-логічним пристроєм (АЛП), що дозволяє дістати доступ до двох незалежних регістрів при виконанні однієї команди. В результаті ця архітектура дозволяє забезпечити в десятки разів більшу продуктивність, ніж стандартна CISC архітектура.

В режимі Idle зупиняється ядро, але ОЗП, таймери/лічильники і система переривань продовжують функціонувати. В режимі Power-down регістри зберігають своє значення, але генератор зупиняється, блокуючи всі функції приладу до наступного переривання або апаратного скидання. В Standby режимі задаючий генератор працює, тоді як решта частини приладу не діє. Це дозволяє дуже швидко запустити мікропроцесор, зберігаючи при цьому в режимі бездіяльності потужність.

Прилад виготовлений за високощільною енергозалежною технологією виготовлення пам'яті компанії Atmel. Вбудована ISP Flash дозволяє перепрограмувати пам'ять програми в системі через послідовний SPI інтерфейс або звичним програматором енергозалежної пам'яті. Об'єднавши в одному кристалі 8-бітове RISC ядро з Flash пам'яттю, що самопрограмується в системі, ATtiny2313 став могутнім мікроконтролером, який дає велику гнучкість розробника мікропроцесорних систем.

ATtiny2313 підтримується різними програмними засобами і інтегрованими засобами розробки, такими як компілятори С, макроасемблери, програмні відладчики/симулятори, внутрішньосхемні емулятори і ознайомлювальні набори.

Характеристики ATtiny2313:

1. RISC архітектура - високоякісна і низькоспоживаюча RISC архітектура;

2. 120 команд, більшість яких виконується за один тактовий цикл;

3. 32 8-ми бітових робочих регістра загального вживання;

4. Повністю статична архітектура ОЗП і енергозалежна пам'ять програм і даних;

5. 2 КБ самопрограмованої в системі Flash пам'яті програми, здатної витримати 10 000 циклів запису/стирання;

6. 128 Байт програмованої в системі EEPROM пам'яті даних, здатної витримати 100 000 циклів запису/стирання;

7. 128 Байт вбудованої SRAM пам'яті (статичне ОЗП);

8. Програмований захист від зчитування Flash пам'яті програми та EEPROM пам'яті даних;

Характеристики периферії:

1. Один 8-розрядний таймер/лічильник з окремим переддільником;

2. Один 16-розрядний таймер/лічильник з окремим переддільником, схемою порівняння, схемою захоплення і двома каналами ШИМ;

3. Вбудований аналоговий компаратор;

4. Програмований сторожовий таймер з вбудованим генератором;

5. USI - універсальний послідовний інтерфейс;

6. Повнодуплексний UART;

Спеціальні характеристики мікроконтролера:

1. Вбудований відладчик debugWIRE;

2. Внутрішньосистемне програмування через SPI порт;

3. Зовнішні і внутрішні джерела переривання;

4. Режими зниженого споживання Idle, Power-down і Standby;

5. Вдосконалена схема формування скидання при включенні;

6. Програмована схема виявлення короткочасних зникнень живлення;

7. Вбудований відкалібрований генератор;

8. Порти введення - виведення і корпусне виконання;

9. 18 програмованих ліній вводу – виводу;

10. 20 вивідний PDIP, 20 вивідний SOIC і 32 контактний MLF корпуси;

11. Діапазон напруги живлення: від 1.8 до 5.5 В;

12. Робоча частота - 0 - 16 Мгц;