3 РАЗРАБОТКА АРХИТЕКТУРЫ КОМПЛЕКСА
Разрабатываемый комплекс состоит из аппаратной и программной частей.
В состав аппаратных средств входят:
-
USB-устройство – цифровая схема на основе микроконтроллера. Выполняет функции передачи цифровых последовательностей в компьютер и обратно.
-
ПЭВМ – выполняет функцию сохранения и обработки полученных с адаптера данных. Передача данных осуществляется через USB порт. Обработка данных заключается в расшифровке данных полученных с адаптера, визуализации результата расшифровки, а также генерации цифровых последовательностей.
-
Каналы передачи данных – USB кабель (для связи ПЭВМ и USB-устройства) и два десятижильных шлейфа с зажимами (для подключения к каналам передачи данных анализируемого цифрового устройства).
Основные программные модули, составляющие ядро системы:
-
Модуль программного обеспечения USB-устройства – осуществляет считывание данных с цифровых каналов и передачу этих данных в компьютер, а так же считывание данных из компьютера и передачу этих данных на цифровые каналы;
-
Модуль прикладного программного обеспечения ПЭВМ – осуществляет визуализацию цифровых последовательностей задание последовательностей цифровых сигналов для генерации;
-
Модуль системного программного обеспечения ПЭВМ (USB-драйвер) – осуществляет обмен данными между USB-устройством и ПЭВМ через USB порт.
Архитектура разрабатываемого комплекса представлена на рисунке 3.1.
Рисунок 3.1 – Архитектура разрабатываемого комплекса
Структурная схема комплекса представлена на рисунке 3.2.
Рисунок 3.2 – Структурная схема комплекса
4 ВЫБОР АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ РЕАЛИЗАЦИИ USB-УСТРОЙСТВА
Из приведенной выше структурной схемы комплекса следует, что USB-устройство взаимодействует с другими цифровыми устройствами, а из этого следует, что необходимо предусмотреть защитные меры от перенапряжения при считывании/выдаче сигналов и помех по цепи питания. Структура самого USB-устройства представлена на рисунке 4.1.
Рисунок 4.1 – Структурная схема USB-устройства
USB-устройство состоит из:
-
микроконтроллера с USB интерфейсом;
-
разъема USB (для соединения с ПЭВМ);
-
двух десятиштырьковых разъемов (для считывания/выдачи данных);
-
защита от перенапряжения при взаимодействии с анализируемыми цифровыми устройствами (при принятии и выдаче данных);
-
защита цепи питания от помех.
Как уже упоминалось выше в качестве основы адаптера нашего комплекса лучше всего выбрать микроконтроллер. Для реализации нашей задачи необходим высокопроизводительный микроконтроллер. На рисунке 4.2 изображена диаграмма сравнения производительности микроконтроллеров.
Рисунок 4.2 – Диаграмма сравнения производительности микроконтроллеров
Микроконтроллеры фирмы Silicon Laboratories (в прошлом Cygnal) C8051Fxxx оптимально подходят для построения устройств, требующих высокой производительности, большой степени интеграции, точности измерений и малого потребления. Они программно совместимы с 8051-м стандартом, но одновременно имеют рекордно высокую производительность - до 100 MIPS (серия C8051F120) и ультранизкое потребление (серия C8051F92x). Микроконтроллеры Silabs также уникальны своей интеграцией с аналоговыми узлами. Многие модели имеют несколько независимых АЦП (например, у модели C8051F060 имеется 16 разрядный АЦП с 2 входами и 10 разрядный АЦП с 8 входами), встроенный ЦАП, компараторы напряжения, программируемые усилители напряжения (таблица 4.1).
Таблица 4.1 – Характеристики основных блоков микроконтроллеров компании SiLabs
Блок микроконтроллера
|
Характеристики
|
Ядро микроконтроллера
|
-
Конвейерная архитектура.
-
Выполнение 70% команд за 1 или 2 такта.
-
Производительность до 100 MIPS на частоте 100 МГц.
-
Микропотребление (0.3мА .. 0.6мА на 1 МГц тактовой частоты).
-
Обработка до 22 источников прерывания.
|
Память
|
-
Встроенная память данных (RAM) объемом до 8448 байт.
-
Энергонезависимая Flash-память программ объемом до 128 кБайт.
|
Продолжение таблицы 4.1
Блок микроконтроллера
|
Характеристики
|
Аппаратный умножитель
|
-
Умножение 16 разрядных чисел с накоплением в 40 разрядном аккумуляторе.
-
Выполнение команды умножения за 2 такта.
-
Функции округления результата.
|
Встроенный отладчик
|
-
Микроконтроллеры в корпусах LQFP и TQFP имеют четырехпроводный отладочный интерфейс JTAG.
-
Микроконтроллеры в корпусах MLP имеют двухпроводный отладочный интерфейс C2.
-
Возможность внутрисхемного программирования (по интерфейсу JTAG или C2).
-
Отладка в режиме реального времени.
-
Аппаратная поддержка до 4-х точек останова.
|
Источники тактового сигнала
|
-
Встроенный прецизионный программируемый генератор 12-25 МГц с точностью до 1.5%.
-
Внешний генератор: кварцевый резонатор, RC, C - цепочки или внешний генератор.
|
Питание
|
-
Напряжение питания от 2.7 до 3.6 В.
-
Генерация сигнала сброса при включении питания (с программируемой длительностью).
-
Монитор питающего напряжения.
-
Несколько режимов энергопотребления.
|
Система прерываний
|
-
Обработка до 22 источников прерываний
-
Двухуровневая система приоритетов прерываний
-
Генерация каждого прерывания может быть запрограммирована на высокий или низкий уровень сигнала, на фронт или на спад.
|
Микроконтроллеры линейки C8051F32x – это дополненные интерфейсом USB миниатюрные микроконтроллеры C8051F31x. Высокая производительность, малое энергопотребление, удобный миниатюрный корпус, встроенный многоканальный 10-битный АЦП, компараторы и набор последовательных интерфейсов делает эти процессоры действительно универсальными. Они могут применяться в различных областях: бытовой, промышленной, телекоммуникационной и в системах автоматизации самых разнообразных процессов.
USB контроллер содержит:
-
универсальный последовательный контроллер (SIE);
-
FIFO буфер на 1 Кбайт;
-
интегрированный приемопередатчик, не требующий при подключении внешних пассивных компонентов;
-
схему восстановления частоты и внутренний генератор, позволяющий USB-контроллеру работать в режимах full-speed (12 Мбит/с) и low-speed (1,5 Мбит/с).
Особенностью этого подсемейства также является наличие встроенного стабилизатора напряжения на 3,3В с током нагрузки до 100 мА, что позволяет "запитывать" микроконтроллер непосредственно от шины USB. Помимо этого, стабилизатор имеет вывод для подключения внешней нагрузки, который может использоваться как источник напряжения питания для других 3-х вольтовых компонентов схемы.
Оптимальным выбором является миниатюрный USB микроконтроллер C8051F320, основные параметры которого приведены в таблице 4.2.
Таблица 4.2 – Основные параметры микроконтроллера C8051F320
Параметр
|
Значение
|
Технология
|
КМОП
|
Разрядность
|
8
|
Архитектура
|
RISC
|
Масочное ПЗУ
|
нет
|
Flash память
|
16k
|
EEPROM
|
нет
|
RAM
|
2034 байт
|
Линий I/O
|
25
|
АЦП
|
10 разрядный
|
Компаратор
|
есть
|
Встроенный тактовый генератор
|
есть
|
Интерфейсы
|
USB 2.0/UART/SMBus/SPI
|
Пиковая частота
|
25 МГц
|
Корпус
|
LQFP32
|
Цена
|
4,5-6,5 USD
|
На рисунке 4.3 изображена структурная схема микроконтроллера C8051F320.
Рисунок 4.3 – Структурная схема микроконтроллера C8051F320
Для обеспечения надежности и электрической безопасности USB-устройства необходимо предусмотреть защитные меры для приема и выдачи данных через параллельные порты микроконтроллера C8051F320. Такими мерами являются гасящее сопротивление (или конденсатор) и стабилизатор напряжения (стабилитрон, стабилизатор с применением операционного усилителя и т.д.).
В схемах аппаратуры связи часто возникает необходимость подать на потребитель меньшее напряжение, чем дает источник. В этом случае последовательно с основным потребителем включают дополнительное сопротивление, на котором гасится избыток напряжения источника. Такое сопротивление называется гасящим.
Для стабилизации напряжения при считывании и генерации цифровых сигналов необходимо использовать параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне. Стабилитрон (диод Зенера) — полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения в источниках питания. По сравнению с обычными диодами имеет достаточно низкое регламентированное напряжение пробоя (при обратном включении) и может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока. Материалы, используемые для создания p-n перехода стабилитронов, имеют высокую концентрацию примесей. Поэтому, при относительно небольших обратных напряжениях в переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой, в данном случае являющийся обратимым (если не наступает тепловой пробой вследствие слишком большой силы тока).
Рисунок 4.4 – Схема подключения гасящего сопротивления Rv и стабилитрона D1
В качестве стабилизаторов напряжения используем стабилитроны BZV55C5V1. Основные характеристики данного стабилитрона приведены в таблице 4.3.
Таблица 4.3 – Основные параметры стабилитрона BZV55C5V1
Параметр
|
Значение
|
Мощность рассеяния, Вт
|
0,5
|
Минимальное напряжение стабилизации, В
|
4,8
|
Номинальное напряжение стабилизации, В
|
5,1
|
Максимальное напряжение стабилизации, В
|
5,3
|
Статическое сопротивление Rст.,Ом
|
15
|
при токе I ст,мА
|
5
|
Рабочая температура,С
|
-55…150
|
Способ монтажа
|
SMD
|
Корпус
|
DL-35
|
Рассчитаем гасящее сопротивление Rv:
-
максимальный ток на выводах параллельного порта микроконтроллера Ip=10мА;
-
максимальное напряжение стабилизации Uст= 5,3 В;
-
минимальное напряжение логической «1» на выводах параллельного порта микроконтроллера Uminp=2 В.
Падение напряжения на гасящем сопротивлении:
Uout=Uст– Uminp, (4.1)
Uout=5,3–2=3,3 В.
Гасящее сопротивление:
Rv= Uout/ Ip, (4.2)
Rv=3,3/0,01=330 Ом.
В моменты запуска и выключения устройства могут генерироваться кратковременные импульсы до нескольких значений питающего напряжения. При этом для их подавления необходимо использовать сглаживающие конденсаторы (танталовые с номиналом не менее 1–10 мкФ) с большим запасом по напряжению, подключенные между входом питания и землей. Также необходима защита от внешних высокочастотных помех, распространяющихся в линиях питания. Для этих целей необходимо также установить конденсатор номиналом 0,1 мкФ.
Для соединения устройства с компьютером по USB необходимо оборудовать устройство разъемом USBB-1J (USB тип B). Для принятия и передачи цифровых сигналов необходимо два десятиштырьковых разъема.
|
