Составные части комплекса SDK-1.1

Микроконтроллер ADuC812BS

Микроконтроллер ADuC812 (рис. 6) выпускается фирмой Analog Devices – мировым лидером в области аналоговой схемотехники. ADuC812 является сигнальным процессором и содержит в себе 12 битный АЦП со встроенным микропроцессором. Процессорное ядро ADuC812 является клоном ядра Intel MCS51.

Основные характеристики микроконтроллера:

• Рабочая частота 11.0592 МГц.

• 8-канальный 12-битный АЦП со скоростью выборок 200 К/с.

• Два 12-битных ЦАП (код-напряжение).

• Внутренний температурный сенсор.

• 640 байт программируемого Е²PROM со страничной организацией (256 страниц по 4 байта).

• 256 байт внутренней памяти данных.

• Адресное пространство 16 Мб.

• Режим управления питанием.

• Асинхронный последовательный ввод-вывод.

• Интерфейс I²С.

• Три 16-битных таймера/счетчика и таймер WatchDog.

Рис. 6. Микроконтроллер ADuC812

ПЛИС МАХ3064

В SDK-1.1 используется программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС) семейства МАХ3000А фирмы Altera (рис.7). В очень упрощенном виде ПЛИС представляет собой набор макроячеек и механизм для организации связи между ними. Микросхема ЕРМ3064А содержит 64 макроячейки. Информация о связях между макроячейками хранится в энергонезависимой памяти находящейся внутри самой микросхемы. Для программирования ЕРМ3064А использовался специальный САПР Max+PlusII. Электрическая принципиальная схема расширителя портов ввода-вывода была нарисована в этом САПР и преобразована в базис макроячеек ПЛИС и, далее, в конфигурационный файл, необходимый для соединения нужных логических ячеек ПЛИС. Конфигурационный файл доставляется в память ПЛИС через интерфейс JTAG (IEEE 1149.1).

В стенде SDK-1.1 МАХ3064А используется как расширитель портов ввода-вывода. Микросхема МАХ3064А подключена к внешней шине ADuC812. Адресная линия А19 используется как сигнал CS (chip select) для МАХ3064А. ПЛИС выбирается, когда на линии А19 логическая единица. Физический адрес ПЛИС таким образом равен 0x80000, что соответствует восьмой странице памяти.

К ПЛИС подключены:

• Клавиатура

• ЖКИ

• Линейка светодиодов

• Звуковой излучатель

• 16 дискретных портов ввода-вывода

Для программиста расширитель портов представлен в виде нескольких однобайтовых регистров находящихся в начале восьмой страницы памяти данных.

Рис.7. ПЛИС МАХ 3064А

Схема сброса

Схема сброса предназначена для формирования качественного сигнала RESET после включения питания, после нажатия кнопки RESET или после выключения питания. Проблема состоит в том, что при старте контроллера после включения питания или при выключении питания возможны различные переходные процессы, могущие привести к некорректному исполнении программ или порче содержимого ОЗУ. Супервизор питания (Ul) DS1813 обеспечивает формирование сигнала RESET на 150 мс, т.е. на время, достаточное для окончания всех переходных процессов.

Рис. 8. Схема сброса

1.2.4. Источник питания

Схема встроенного стабилизатора питания лабораторного макета приведена на рис.9. Переменное (15.. 16В) или постоянное (9.. 10В) напряжение от внешнего источника питания попадает на диодный мост U15 через разъем J4. Сердцем встроенного в SDK 1.1 источника питания является микросхема LM7805C. Эта микросхема является интегральным стабилизатором с защитой от перегрева и короткого замыкания. Выходное напряжение – 5В ± 2%, выходной ток до 1 А.

Рис. 9. Источник питания

Стабилитрон D19 (1N4745A) предназначен для защиты LM7805C и электролитических емкостей от превышения входного напряжения (напряжения пробоя стабилитрона – 16В). Электролитические конденсаторы С35 и С36 необходимы для сглаживания пульсаций входного напряжения. Электролитический конденсатор С38 необходим для поддержки работоспособности SDK-1.1 при кратковременных пропаданиях напряжения питания. Емкости С40 и С37 необходимы для фильтрации высокочастотных помех, их использование определяется штатной схемой включения LM7805C.

Рис. 10. Стабилизатор питания ПЛИС

Напряжение 3.3 В для питания ПЛИС формируется с помощью стабилизатора U10 (LD1117S) (рис. 10).

Фильтрующие емкости равномерно распределены по всей поверхности печатной платы. Каждый конденсатор соединяет плюс питания с корпусом. Фильтрующие емкости шунтируют высокочастотные помехи, возникающие в цепях питания 3.3 и 5В (рис. 11).

Рис. 11. Шунтирующие емкости

Шунтирование происходит из-за того, что активное сопротивление емкости тем меньше, чем выше частота сигнала.

где, Хс – активное сопротивление конденсатора, f – частота, С – емкость.

Для постоянного напряжения сопротивление конденсатора близко к бесконечности, а для переменного напряжения высокой частоты – конденсатор является резистором с низким сопротивлением.

Кварцевые резонаторы

Кварцевые резонаторы – устройства, использующие пьезоэлектрический эффект для возбуждения электрических колебаний заданной частоты. При совпадении частоты приложенного напряжения с одной из собственных механических частот кварцевого вибратора в приборе возникает явление резонанса, приводящее к резкому увеличению проводимости. Обладая среди резонаторов самой высокой добротностью Q =10⁵…10⁷ (добротность колебательного LС-контура не превышает 10², пьезокерамики – 10³), кварцевые резонаторы имеют также высокую температурную стабильность и низкую долговременную нестабильность частоты.

Кварцевые резонаторы применяются в генераторах опорных частот, в управляемых по частоте генераторах, селективных устройствах: фильтрах, частотных дискриминаторах и т.д. В SDK-1.1 два кварцевых резонатора (рис.12). Y1 служит для тактирования ADuC812 (12 МГц), а Y2 для тактирования часов реального времени (32.768 КГц).

Рис.12. Кварцевые резонаторы

Дискретные входы-выходы

Дискретные входы-выходы предназначены для ввода и вывода информации представленной в двоичном виде. Сигнал на входе или выходе дискретного порта может принимать значение логического нуля или единицы. В SDK-1.1 дискретные порты выведены на разъем J3. Эти порты можно использовать для подключения модулей SDX или каких либо других внешних устройств. Кроме этого, к дискретным входам-выходам подключены DIP переключатели, позволяющие задавать фиксированные значения сигналов на входах. По умолчанию все входы притянуты к логической единице (через резисторы на +5В). При замыкании переключателя SW3 на выбранном входе появляется логический ноль.

Дискретные входы-выходы не имеют гальванической изоляции. Логическому нулю соответствует 0В, а логической единице +5В (уровни TTL). Нагрузочная способность дискретных портов ввода-вывода подключенных к разъему J3 невелика, так как на разъем выведены порты ADuC812 без каких либо дополнительных усилителей.

ADuC812 может обращаться к внешней памяти программ, внешней памяти данных или к каким либо периферийным устройствам. При доступе к внешней памяти программ используется сигнал #PSEN (Program Store Enable) для чтения команд. При доступе к внешней памяти данных используются сигналы #RD и #WR. Порт 0 и порт 2 используются в качестве шины адреса/данных при доступе к внешней памяти. В SDK-1.1 сигналы PSEN и RD объединены вместе с помощью логического элемента «И» (U2-1), что позволяет использовать единое пространство памяти программ и данных.

Рис. 13. Организация дискретных входов-выходов

Так как для работы с 24 битной шиной адреса и 8 разрядной шиной данных используется только 16 выводов, в схеме поставлены регистры-защелки (latch) U3 и U7. В качестве восьмиразрядного регистра-защелки используется микросхема 74HCT73W. Положительный перепад на входе CLK приводит к запоминанию состояния входов D1..D8 и выдаче информации на выходы Q1..Q8. Активный уровень на входе CLR (логический «0») приводит к обнулению содержимого регистра-защелки. Регистры-защелки получают данные по сигналу ALE.

В U3 попадает младшая часть адреса (А0..А7), в U7 – старшие 4 бита адреса (А16..А19) (рис.15). Бит А19 используется как сигнал CS (Chip Select) для выбора микросхемы ОЗУ. ОЗУ выбирается, если на А19 логический ноль. При наличии логической единицы на А19 выбирается ПЛИС. При замыкании JP11 сигнал PSEN замыкается на корпус через резистор R22. Это переводит ADuC812 в режим загрузки ПО после аппаратного сброса.

SDK-1.1 может иметь две микросхемы статической памяти: КМ684000 и AS7C4096. Обе микросхемы являются микросхемами статической памяти с организацией 512Кх8 (512 Кбайт). В стенд SDK-1.1 впаивается только одна из микросхем, хотя на печатной плате есть место для установки обеих.

Рис. 14 Подключение ADuC812 к внешнему ОЗУ

1.2.7. Аналоговые входы-выходы

ADuC812 имеет в своем составе 8 быстродействующих 12 разрядных АЦП и 2 12 разрядных ЦАП (выход напряжения) (рис. 16). Для коррекции зависимости параметров ЦАП и АЦП от температуры в ADuC812 встроен термодатчик. Все входы ЦАП и выходы АЦП выведены на разъем J1. Кроме того, выходы DAC0 и DAC1 можно замкнуть на входы ADC0 и ADC1 с помощью переключателя SW1.

 

Рис. 15. Организация шин адреса/данных

Рис. 16. Выходы АЦП и ЦАП

1.2.8. Светодиодные индикаторы

Светодиодные индикаторы подключены к расширителю портов ввода-вывода. Так как все катоды светодиодов подключены к корпусу, для зажигания светодиодов необходимо подать напряжение +5В (лог. «1») на соответствующий анод. Резисторы R32..R43 ограничивают ток, текущий через порт ввода-вывода и светодиод. В данном случае приблизительный ток можно вычислить по закону Ома: I=U/R=3.3/1000 = 3.3 мА. От силы тока зависит яркость горения светодиода. Если ток сделать очень большим, то порт ввода-вывода или светодиод могут выйти из строя.

Рис.17. Светодиодный индикатор

1.2.9 Устройства I²C

В стенде SDK-1.1 два устройства подключенных к шине I²C: часы реального времени PCF8583 (U11) и EEPROM AT24C01A (U14) (рис.18).

Внешняя E²PROM – перепрограммируемое электрически стираемое постоянное запоминающее устройство. Объем памяти E²PROM, установленной в стенде SDK-1.1, составляет 128 байт (возможна установка Е²PROM большего объема, до 32 Кб). Микросхема Е²PROM взаимодействует с процессором посредством интерфейса I²С.

Основные характеристики E²PROM:

• Возможность перезаписи до 1 млн. раз.

• Возможность побайтной и постраничной записи (в текущей конфигурации размер страницы составляет 8 байт).

Часы реального времени PCF8583 – часы/календарь с памятью объемом 256 байт, работающие от кварцевого резонатора с частотой 32.768 кГц. Питание осуществляется ионистором (0.1 ф). Из 256 байт памяти собственно часами используются только первые 16 (8 постоянно обновляемых регистров-защелок на установку/чтение даты/времени и 8 на будильник), остальные 240 байт доступны для хранения данных пользователя. Точность измерения времени - до сотых долей секунды. Взаимодействие с процессором осуществляется через интерфейс I²С.

 

Рис.18. Шина I²C