Разработка стенда для исследования схемы синхронного RS-триггера

 

Введение

Микропроцессоры и производные от них - микроконтроллеры - являются широко распространенным и при этом незаметным элементом инфраструктуры современного общества, основанного на электронике и коммуникациях. Исследования, проведенные в 2008 году, показали, что в каждом доме незаметно для нас "живет" около 100 микроконтроллеров и микропроцессоров. Они присутствуют буквально всюду: в звуковых открытках, стиральных машинах, микроволновых печах, телевизорах, телефонах, персональных компьютерах и разных других устройствах. Даже в самом обыкновенном автомобиле скрывается более двадцати таких элементов, где они, в частности, контролируют состояние беспроводных датчиков давления в шинах и отображают критичные данные.

Каждый год продается около четырех миллиардов подобных изделий, предназначенных для реализации "мозгов" разнообразных "умных" устройств, начиная от интеллектуальных таймеров для яйцеварок и заканчивая системами управления самолетом. Эволюция микропроцессоров, первые из которых были выпущены компанией Intel в далеком 1971 году, привела к коренному изменению структуры общества, спровоцировав в начале XXI века вторую промышленную революцию. Несмотря на то что микропроцессоры, являясь основным компонентом вездесущих ПК, известны лучше, объем продаж различных микропроцессоров, таких как Intel Pentium, составляет всего около 2% от общего объема продаж подобных устройств. Подавляющее же большинство продаж приходится на дешевые микроконтроллеры, встраиваемые в специализированные электронные устройства, такие как смарт-карты. Причем если основной задачей микропроцессоров является обеспечение собственно вычислительной мощности, то во втором случае акцент смещается в сторону объединения на одном кристалле центрального процессора, памяти и устройств ввода/вывода. Такая интегрированная вычислительная система называется микроконтроллером.

В современных телевизорах также применяются микроконтроллеры и в основном они применяются для дистанционного управления, регулировки на расстоянии переключением каналов, громкостью, яркостью и еще рядом других функций. Дистанционное управление перешло и на аудиотехнику. Сейчас промышленностью выпускается всевозможное множество систем дистанционного управления. Они отличаются по принципу, по сложности, объему выполняемых функций. Сейчас уже невозможно представить как бы выглядел пульт дистанционного управления, если бы он был собран на транзисторах, какую батарею питания пришлось бы носить с собой, чтобы питать этот пульт?

Тема дипломной работы - "ИК устройства дистанционного управления акустической системой 5.1", которая будет являться предметом исследования.

Цель работы - разработать ИК пульт и приемник дистанционного управления для акустической системы 5.1, который бы отличался от выпускаемых промышленностью своей новизной и ценой.

Актуальность данной разработки огромная, т.к. каждый день почти каждый человек соприкасается с устройством дистанционного управления.

1. Конструктивно-технологический раздел

1.1Параметры и характеристики 6-ти канального регулятора громкости

Характеристики разрабатываемого устройства:

Напряжение питания, В…………………………….12

Потребляемый ток, не более, мА…………………..200

Количество входов/выходов………………………..6

Диапазон регулировки громкости, дБ……….…….72

Шаг регулировки громкости, дБ……………………2

Диапазон регулировки баланса, дБ………………...12

Согласно заданию схема должна содержать следующие блоки:

Стабилизатор напряжения (необходим для преобразования напряжения 12В, в 5В)

Микроконтроллер (служит для управления всеми блоками данной схемы)

ЖК-Индикатор (предназначен для вывода информации на экран)

Энкодеры (необходимы для механического управления устройством)

Звуковой процессор (для регулировки входного сигнала)

Пульт дистанционного управления

Структурная схема представлена на рисунке 1.

.2Анализ параметров, повлиявших на выбор построения схемы

Стояла задача разработать простой высококачественный 6 канальный регулятор громкости. Регулятор собран на аудиопроцессоре TDA7448 производимой европейской фирмой STMicroelectronics. Данная микросхема имеет цифровой интерфейс I2C. Для управления аудиопроцессором через интерфейсом I2C использован RISC микроконтроллер фирмы Microchip PIC16F873

Регулятор предполагается использовать в акустических системах 5.1. Это предполагает наличие следующих каналов: фронтальные (левый и правый), тыловые (левый и правый), центр и сабвуфер.

Стандартное решение такой конструкторской задачи - построение схемы, выполняющей следующую последовательность действий:

·преобразование сопротивления в напряжение при помощи источника тока;

·преобразование звукового сигнала в данные при помощи встроенного в аудиопроцессор аналогово-цифрового преобразователя (АЦП);

·подача полученных данных в микроконтроллер (МК), где полученная информация обрабатывается и передается дальше.

После анализа существующих микроконтроллеров (имеющих аналоговый компаратор) была выбрана серия PIC, к которой относятся PIC16F873 и PIC16F876. Микроконтроллеры данной серии имеют следующие особенности:

В настоящее время устройства, работающие в режиме реального времени часто содержат микроконтроллер как основной элемент схемы. PIC16F873/876 имеют много усовершенствований повышающие надежность системы, снижающие стоимость устройства и число внешних компонентов. Микроконтроллеры PIC16F873/876 имеют режимы энергосбережения и возможность защиты кода программы.

Основные достоинства:

Выбор тактового генератора

Сброс:

сброс по включению питания (POR)

таймер включения питания (PWRT)

таймер запуска генератора (OSC)

сброс по снижению напряжения питания (BOR)

Прерывания

Сторожевой таймер (WDT)

Режим энергосбережения (SLEEP)

Защита кода программы

Область памяти для идентификатора

Внутрисхемное программирование по последовательному порту (ICSP)

В микроконтроллеры PIC12F629/675 встроен сторожевой таймер WDT, который может быть выключен только в битах конфигурации микроконтроллера. Для повышения надежности сторожевой таймер WDT имеет собственный RC генератор. Дополнительных два таймера выполняют задержку старта работы микроконтроллера. Первый, таймер запуска генератора (OST), удерживает микроконтроллер в состоянии сброса, пока не стабилизируется частота тактового генератора. Второй, таймер включения питания (PWRT), срабатывается после включения питания и удерживает микроконтроллер в состоянии сброса в течение 72мс (типовое значение), пока не стабилизируется напряжение питания. В большинстве приложений эти функции микроконтроллера позволяют исключить внешние схемы сброса.

Режим SLEEP предназначен для обеспечения сверхнизкого энергопотребления. Микроконтроллер может выйти из режима SLEEP по сигналу внешнего сброса, по переполнению сторожевого таймера или при возникновении прерываний.

Выбор режима работы тактового генератора дает возможность использовать микроконтроллеры в различных приложениях. Режим тактового генератора RC позволяет уменьшить стоимость устройства, а режим LP снизить энергопотребление. Битами конфигурации устанавливается режим работы микроконтроллера.

Общий вид контролера приведен на рисунке 2

Рисунок 2 - Общий вид микроконтроллеров PIC16F873/876

.3Работа регулятора по принципиальной схеме

Целью работы является разработать дистанционный регулятор громкости акустической системы 5.1 на базе контролера PIC. Для этой цели подходит микроконтроллер PIC16F873/876. В нем имеется сторожевой таймер, внутренняя память и в данном микроконтроллере имеется возможность применить языки высокого уровня для его программирования.

Регулятор сделан в виде двух модулей: модуль микроконтроллера и модуль аудиопроцессора. К модулю микроконтроллера подключается:

знакосинтезирующий индикатор 16*2 (2 строки по 16 знакомест) на контроллере HD44780;

ИК - приемник TSOP1736;

энкодеры PEC16, 4 штуки;

Модуль микроконтроллера и модуль аудиопроцессора обменивается данными на шине I2C по линиям SDA (data - данные) и SCL (clock - синхронизация)

Аудио процессор подключен по типовой схеме согласно документации.

Конструкция требует входного стабилизированного питания 12 вольт.

Питание 12 вольт на модуль аудиопроцессора идет "транзитом" через модуль микроконтроллера.

Микроконтроллер и индикатор большую часть времени находятся в режиме ожидания внешних управляющих сигналов и общий ток потребления составляет единицы миллиампер. Это позволило использовать слаботочный стабилизатор 78L05 без боязни перегрева за счет падения напряжения.

Питание подсветки индикатора взято с входных линий. Необходимый ток потребления (и как следствие яркости подсветки) определяются соответствующим сопротивлением. В данном устройстве это построечное сопротивление номиналом 10 кОм.

Аудиопроцессор TDA7448 может работать в различных режимах: обычное стерео, расширенное стерео, псевдостерео, моно.

В стерео режиме микросхема работает как все "нормальные" стереомикросхемы.

В моно режиме сигналы с обоих входов суммируются на внутреннем резисторном делителе и подаются на оба выхода микросхемы.

В режиме "расширенное (пространственное) стерео" 50% сигнала из одного канала подмешивается во второе канал, что дает незначительное расширение стереобазы и иногда "слегка" украшает звук.

В режиме псевдостерео в левом канале включается линия задержки, где время задержки регулируется внешними конденсаторами.

Немало важная вещь мультиязычность интерфейса индикатора. Для этого есть определенные ограничения. Традиционное ограничение связано с тем, что выводимые на экран фразы являются неотъемлемой частью прошивки и для каждого языка требуется соответствующая прошивка. Второе ограничение связано с типом используемого индикатора, т.к. не все индикаторы в своём знакогенераторе имеют необходимые национальные символы.

В данном регуляторе, фразы выводимые на экран можно вручную редактировать перед прошивкой микроконтроллера. Эти фразы находятся в области ПЗУ (EEPROM) микроконтроллера и могут быть легко изменены в программе, из которой будет прошиваться микроконтроллер (например, ICProg или WinPic800).

Для переименования следует придерживаться следующих правил:

индикатор имеет строку из 16 знакомест, поэтому фразы должны быть не более 16 символов, включая пробелы;

символы во фразах набираются в 16-ричном формате в соответствии с таблицей знакогенератора;

в начале каждой фразы стоит порядковый номер в 16-ричном формате;

всего 12 фраз, в конце 12й фразы ставится 16-ричное число 0D (признак конца фразы).

Далее приведу практический пример переименования.

) Открываю документацию на индикатор и нахожу таблицу знакогенератора. Ниже типовой пример такой таблицы:

Рисунок 3 - Таблица знакогенератора

2) Запускаю программу, из которой буду прошивать микроконтроллер (например, WinPic800), открываю прошивку и перехожу на закладку Data.

Рисунок 4 - Скриншот редактируемой прошивки в программе WinPic800

Кружком отмечены порядковые номера фраз, а зеленым подчеркнута первая фраза "Громкость". Синим цветом подчеркнуты настройки автосохранения параметров; здесь фразы нельзя размещать.

Теперь определяю по таблице знакогенератора символы во фразе "Громкость" (A1 70 6F BC BA 6F 63 BF C4). Если нужна иная фраза, например "Volume", то после номера 01 следует набрать 56 6F 6C 75 6D 65. На украинском языке после 01 следует фраза "Гучнiсть", которая выглядит как A1 79 C0 BD 69 63 BF C4.

Рисунок 5 - Последовательность размещения фраз в ПЗУ микроконтроллера.

Для изменения 16-ричного числа достаточно щелкнуть по этому числу и с клавиатуры ввести новое 16-ричное число. Сделанные изменения необходимо сохранить в новую прошивку - меню File - Save As: .

.4Выбор технологии разработки печатной платы

Печатные платы выполнены из одностороннего фольгированного текстолита методом ЛУТ (лазерно-утюжная технология), но могут быть легко выполнены на монтажных или макетных платах.

Печатная плата изготавливалась с помощью химического травления одностороннего фольгированного стеклотекстолита в растворе хлорного железа. Для получения рисунка печатных проводников использовались компьютерные технологии. В компьютерной программе Spring layout чертился эскиз печатной платы в зеркальном отображении. Затем с помощью лазерного принтера печатался на факсовой бумаге, после чего переводился на фольгированный стеклотекстолит с помощью прогретого утюга. Для этого лист факсовой бумаги с напечатанным на ней эскизом печатных проводников сначала размачивался в теплой воде до полного пропитывания, затем аккуратно накладывался на стеклотекстолит таким образом, чтобы рисунок печатных проводников находился с фольгированной стороны. Далее наклеенной на стеклотекстолит факсовой бумаге давали немного подсохнуть для того, что бы она случайно не сдвинулась во время её нагрева. Затем с помощью нагретого до необходимой температуры утюга (подбирается экспериментально, по максимальному качеству перевода тонера с бумаги на металлизированную поверхность стеклотекстолита) производился перевод рисунка печатных проводников с бумаги на фольгированную сторону стеклотекстолита путём нагрева, как стеклотекстолита, так и факсовой бумаги.

Перевод тонера можно считать законченным, когда на обратной стороне бумаги отчётливо проявиться рисунок печатных проводников. После перевода тонера на стеклотекстолит заготовку клали в теплый раствор хлорного железа металлизированной поверхностью вниз таким образом, чтобы раствор не попал на чистую поверхность стеклотекстолита и не утопил заготовку, а держал за счёт собственного поверхностного натяжения. Время травления составляет 30-40минут. После травления печатную плату протирали Уайт спиритом для смывания тонера с металлизированной поверхности, а затем промывали тёплой водой и давали ей высохнуть. После сушки, на сверлильном станке сверлом диаметром от 0,75 до 1 мм просверлили отверстия на контактных площадках под радиоэлементы и микросхемы.

1.5 Разработка схемы электрической принципиальной

Принципиальная схема центральной части системы управления и индикации на микроконтроллере, схема регулирования каналами на аудиопроцессоре и блок стабилизатора напряжения питания управления акустической системой 5.1 выполнена в САПР sPlan.

Рисунок 5.1 - Принципиальная схема центральной части системы управления и индикации на микроконтроллере.

Рисунок 5.2 - Принципиальная схема электронного регулирования каналами на шине I2C в аудиопроцессоре.

Рисунок 5.3 - Принципиальная схема блока стабилизатора напряжения питания.

1.6 Разработка алгоритма управления

Алгоритм работы ИК пульта дистанционного управления (Рисунок 6):

Рисунок 6 - Основная программа работы ИК пульта дистанционного управления

Алгоритм передачи пакета ИК пультом дистанционного управления изобразим на рисунке 7.

Рисунок 7 - Алгоритм передачи пакета ИК пультом дистанционного управления

Алгоритм работы ИК приемника дистанционного управления изображен на рисунке 8, а алгоритм программы обработки прерывания ИК приемника дистанционного управления на рисунке 9.

Основные идеи алгоритма:

) Выход TSOP1736 - инвертированный, т.е. когда принимается "1" - на выходе фотоприемника "0" (низкий уровень), когда приема нет или принимается "0" - на выходе фотоприемника "1"(высокий уровень).

) Стартовый бит манчестерским кодом передается как последовательность "01", но первый полубит ("0") мы не отличим от отсутствия сигнала, т.е. фактически прием начинается со второго полубита.

Рисунок 8 - Основная программа работы ИК приемника дистанционного управления

3) В процессе работы программа считывает значение на входе контроллера каждые 889 мкс и считает это значение - значением принятого полубита.

) Программа уходит в прерывание очень быстро - за несколько микросекунд, поэтому, чтобы читать значения подальше от границы полубитов, перед приемом первого полубита вводится пауза, примерно равная половине полубита.

) Для проверки на соответствие манчестерскому алгоритму используется следующее его свойство: никакие три последовательных полубита не могут быть одновременно нулями или единицами.

) Если записывать все четные полубиты, начиная со второго, то мы восстановим исходную посылку.

Рисунок 9 - Алгоритм программы обработки прерывания ИК приемника дистанционного управления

Четные полубиты - записываем и используем для проверки на соответствие манчестерскому алгоритму, нечетные - используем только для проверки на соответствие манчестерскому алгоритму.

.7 Технологическое и информационное обеспечение рабочего места монтажника

Проектирование рабочих мест, снабженных видеотерминалами, относится к числу важных проблем эргономического проектирования в области вычислительной техники.

Рабочее место и взаимное расположение всех его элементов должно соответствовать антропометрическим, физическим и психологическим требованиям. Большое значение имеет также характер работы. В частности, при организации рабочего места программиста должны быть соблюдены следующие основные условия: оптимальное размещение оборудования, входящего в состав рабочего места и достаточное рабочее пространство, позволяющее осуществлять все необходимые движения и перемещения.

Эргономическими аспектами проектирования видеотерминальных рабочих мест, в частности, являются: высота рабочей поверхности, размеры пространства для ног, требования к расположению документов на рабочем месте (наличие и размеры подставки для документов, возможность различного размещения документов, расстояние от глаз пользователя до экрана, документа, клавиатуры и т.д.), характеристики рабочего кресла, требования к поверхности рабочего стола, регулируемость элементов рабочего места.

Главными элементами рабочего места программиста являются стол и кресло.

Основным рабочим положением является положение сидя.

Рабочая поза сидя вызывает минимальное утомление программиста.

Рациональная планировка рабочего места предусматривает четкий порядок и постоянство размещения предметов, средств труда и документации. То, что требуется для выполнения работ чаще, расположено в зоне легкой досягаемости рабочего пространства.

Моторное поле - пространство рабочего места, в котором могут осуществляться двигательные действия человека.

Максимальная зона досягаемости рук - это часть моторного поля рабочего места, ограниченного дугами, описываемыми максимально вытянутыми руками при движении их в плечевом суставе.

Оптимальная зона - часть моторного поля рабочего места, ограниченного дугами, описываемыми предплечьями при движении в локтевых суставах с опорой в точке локтя и с относительно неподвижным плечом.

Оптимальное размещение предметов труда и документации в зонах досягаемости:

ДИСПЛЕЙ размещается в зоне а (в центре);

СИСТЕМНЫЙ БЛОК размещается в предусмотренной нише стола;

КЛАВИАТУРА - в зоне г/д;

"МЫШЬ" - в зоне в справа;

СКАНЕР в зоне а/б (слева);

ПРИНТЕР находится в зоне а (справа);

ДОКУМЕНТАЦИЯ: необходимая при работе - в зоне легкой досягаемости ладони - в, а в выдвижных ящиках стола - литература, неиспользуемая постоянно (Рисунок 10).

Рисунок 10- Разбивка рабочего стола программиста по зонам

На рисунке 10 показан пример размещения основных и периферийных составляющих ПК на рабочем столе программиста.

Для комфортной работы стол должен удовлетворять следующим условиям:

высота стола должна быть выбрана с учетом возможности сидеть свободно, в удобной позе, при необходимости опираясь на подлокотники;

нижняя часть стола должна быть сконструирована так, чтобы программист мог удобно сидеть, не был вынужден поджимать ноги;

поверхность стола должна обладать свойствами, исключающими появление бликов в поле зрения программиста;

конструкция стола должна предусматривать наличие выдвижных ящиков (не менее 3 для хранения документации, листингов, канцелярских принадлежностей);

Рисунок 11-

Введение Микропроцессоры и производные от них - микроконтроллеры - являются широко распространенным и при этом незаметным элементом инфраструктуры соврем

Больше работ по теме: