курсовой проект / СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТЫ / Курсовик
.pdf
ВВЕДЕНИЕ
Можно считать что микроконтроллер (МК) – это компьютер, разместив-
шийся в одной микросхеме. Отсюда и его основные привлекательные качества:
малые габариты; высокие производительность, надежность и способность быть адаптированным для выполнения самых различных задач.
Микроконтроллер помимо центрального процессора (ЦП) содержит память и многочисленные устройства ввода/вывода: аналого-цифровые преобразователи, последовательные и параллельные каналы передачи информации, таймеры реального времени, широтно-импульсные модуляторы (ШИМ), генераторы программируемых импульсов и т.д. Его основное назначение – использование в системах автоматического управления, встроенных в самые различные устройства: кредитные карточки, фотоаппараты, сотовые телефоны, музыкальные центры, телевизоры, видеомагнитофоны и видеокамеры, стиральные машины, микроволновые печи, системы охранной сигнализации, системы зажигания бензиновых двигателей, электроприводы локомотивов, ядерные реакторы и многое, многое другое. Встраиваемые системы управления стали настолько массовым явлением, что фактически сформировалась новая отрасль экономики, получившая название Embedded Systems (встраиваемые системы).
Целью курсового проекта является анализ применения микроконтроллеров PIC16F87X на примере устройства синтезатора частоты, рассмотрение архитектуры микроконтроллеров PIC16F87X, разработка управляющей программы.
|
|
|
|
|
УИТС.421413.104 ПЗ |
Лист |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
Изм. |
Лист |
№ документа |
Подпись |
Дата |
||
|
|
|
|
|
|
|
1 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
Синтезатор частоты предназначен для использования в узлах портативных и стационарных КВ и УКВ радиопередающих и приемных устройствах.
Синтезаторы частоты используются в радиоприёмной аппаратуре, телевизорах, аппаратуре сотовой и многоканальной связи для получения стабильной во времени частоты, которую можно регулировать с определённым шагом. Другими словами, синтезатор служит для формирования сетки частот. Синтезаторы часто выполняются с применением цифровой техники, то есть необходимая частота задаётся в цифровом виде, управление осуществляется с помощью микроконтроллера. Красноречивый пример удобства использования цифровой настройки вы можете почувствовать, когда включаете в телевизоре режим автосканирования. Основные технические характеристики устройства синтезатор частоты
Элементная база: |
|
Микроконтроллер |
PIC16F876 |
Синтезатор частоты |
TSA6060 |
Потребляемый ток, мА |
15 |
Напряжение питания, В |
8..15 |
Погрешность настройки генератора, Гц |
10 |
Пределы изменения частоты, МГц |
135...145 |
Минимальный шаг частоты перестройки |
1 кГц: |
Основные характеристики синтезатора частоты:
-Индикация частоты на ЖК-дисплее
-Переключение по каналам памяти
-Запись в канал требуемой частоты
-Режим сканирования
|
|
|
|
|
УИТС.421413.104 ПЗ |
Лист |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
Изм. |
Лист |
№ документа |
Подпись |
Дата |
||
|
|
|
|
|
|
|
2 АНАЛИЗ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ УСТРОЙСТВА При разработке и наладке радиоэлектронных устройств зачастую бывает
необходимо применение перестраиваемого ВЧ - генератора. Современная элементная база позволяет создавать генераторы с программируемой частотой с небольшим объемом аппаратных затрат. В таких генераторах целесообразно использовать синтезаторы частоты, которые обеспечивают выработку ВЧсигнала в широком диапазоне частот на основе системы автоматического регулирования. Настоящая работа знакомит читателя с одним из таких синтезаторов частоты. Описание схемы электрической принципиальной
Рисунок 1 – Микроконтроллерный синтезатор частоты, схема электрическая принципиальная
Собственно сам приемник собран на микросхеме фирмы Motorola MC3362 (MC13135). Приемник представляет собой функционально законченный блок с линейным выходом, предназначенный для подключения к УМЧ. Для управления
|
|
|
|
|
УИТС.421413.104 ПЗ |
Лист |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
Изм. |
Лист |
№ документа |
Подпись |
Дата |
||
|
|
|
|
|
|
|
работой приемника используется микропроцессор фирмы "Microchip" PIC16F876 и синтезатор частот фирмы "Philips" TSA6060. В качестве индикатора используется широко распространенный ЖКИ фирмы Holtek HT-1611. На индикаторе отображается номер канала, частота, а также режим текущее время.
Принципиальная схема рисунке 1. На резисторах R4,R5 собран стабилизатор напряжения +1,5В для питания ЖКИ индикатора. На резисторах R7...R10 собрана схема преобразования уровня сигналов подаваемых на ЖКИ.
Функцию управления ЖКИ, синтезатора TSA6060 и обработку управляющих сигналов кнопок осуществляет контроллер (однокристальная микроЭВМ) PIC16F876. Дребезг подключенных к нему кнопок устраняется программно. Подтягивающие резисторы R11...R14 можно не устанавливать т.к. они имеются в контроллере, но при большом уровне помех и наводок желательно их установить. Цепь R6C9 служит для установки в исходное состояние контроллера при включении питания. ZQ2 определяют рабочую частоту контроллера.
Кнопками S4...S7 ведется управление работой синтезатора частоты. S4 - контакт подключения кнопки увеличения частоты на 25 кгц (+25) S5 - контакт подключения кнопки уменьшения частоты на 25 кгц (-25)
S6 - контакт подключения кнопки увеличения частоты на 100 кгц (+100) S7 - контакт подключения кнопки уменьшения частоты на 100 кгц (-100) Вторые контакты кнопок подключены к "общему" проводу синтезатора.
Одновременное нажатие кнопок +25 и -25 переключает синтезатор в режим ретранслятора. При этом в крайнем левом разряде индикатора появляется буква "Р". Повторное нажатие этих двух кнопок возвращает синтезатор из режима ретранслятора в обычный режим и буква "Р" в левом разряде индикатора пропадает. Одновременное нажатие кнопок +100 и -100 переключает шаг перестройки. После этого кнопки S4 и S5 перестраивают синтезатор на +5 и -5 кгц соответственно, а кнопки S6 и S7 на +20 и -20 кгц. Повторное нажатие возвращает синтезатор в режим перестройки 25/100 кгц.
Через линии SCL, SDA организованна шина I2C по которой происходит обмен информацией между контроллером PIC16F876 и микросхемой синтезатора TSA6060 для управления ее работой. Кварцевый резонатор ZQ1 подключен к
|
|
|
|
|
УИТС.421413.104 ПЗ |
Лист |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
Изм. |
Лист |
№ документа |
Подпись |
Дата |
||
|
|
|
|
|
|
|
опорному генератору ИС синтезатора и определяет точность исходной частоты синтезатора, более точно настроить его можно при помощи подстроечного конденсатора C1. На микросхеме 78L06 выполнен стабилизатор напряжения +6В для питания микросхем.
Рисунок 2 – Синтезатор частоты, схема структурная
Принцип действия синтезатора основан на сравнении двух частот: частота опорного генератора через делитель с переменным коэффициентом деления ДПКД R (его частота определяет минимальный шаг перестройки) поступает на фазовый детектор, туда же поступает частота с ГУН предварительно деленная ДПКД N (делитель ДПКД N предназначен для перестройки по частоте синтезатора). Выходное напряжение сигнала ошибки с ФД фильтруется ФНЧ, который определяет полосу захвата и полосу удержания кольца ФАПЧ. Затем отфильтрованное напряжение поступает на варикапы управляемого генератора и производит его подстройку до совпадения частоты ДПКД R и частоты ДПКД N с учетом коэффициентов деления.
Фирма Philips Semiconductors занимает лидирующее место среди фирмпроизводителей синтезаторов частоты, микросхем радиопередатчиков, приемников и других элементов, которые имеют прямое или косвенное применение в системах радиосвязи. На базе синтезаторов частоты строятся модули радиоканалов для автомобильной сигнализации, систем сбора и обработки информации с удаленных объектов, систем безопасности и контроля доступа, а также систем радиотелефонии.
|
|
|
|
|
УИТС.421413.104 ПЗ |
Лист |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
|
Изм. |
Лист |
№ документа |
Подпись |
Дата |
||
|
|
|
|
|
|
|
Рассмотрим микросхему TSA6060 с интерфейсом I2C. Этот синтезатор частоты специально разработан для использования в радиоприёмной аппаратуре.
Основные технические характеристики:
-Совмещённый предварительный усилитель сигналов AM и FM диапазонов с высокой входной чувствительностью;
-Совмещённый токовый усилитель с двумя уровнями выходного тока и регулировкой петлевого усиления системы ФАПЧ (фазовой автоподстройки частоты);
-Единый задающий генератор (4МГц) для диапазонов AM и FM;
-Быстрая настройка, обеспечиваемая цифровым фазовым детектором;
-Настраиваемая сетка частот: 1, 10, 25 кГц;
Рисунок 3 – Синтезатор частоты TSA6060, схема структурная
Микросхема TSA6060 предназначена для построения цифровых синтезаторов с системой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), работающих в AM- и FM-диапазонах. Она имеет в своем составе все элементы, необходимые для построения синтезатора частоты с ФАПЧ, за исключением генератора, управляемого
|
|
|
|
|
УИТС.421413.104 ПЗ |
Лист |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
|
Изм. |
Лист |
№ документа |
Подпись |
Дата |
||
|
|
|
|
|
|
|
напряжением (ГУН) и фильтра низкой частоты (ФНЧ). В состав микросхемы входят: генератор и делитель образцовой частоты, делитель входной частоты с программируемым коэффициентом деления (17 бит), цифровой фазовый детектор, двухуровневый усилитель тока и контроллер обмена информацией с микроконтроллером по протоколу I2C. Структурная схема прибора приведена на рисунке 3.
Рисунок 4 – Запись информации в микросхему синтезатора
|
СЗР |
|
|
|
|
|
|
МЗР |
DBO |
S6 |
S5 |
S4 |
S3 |
S2 |
S1 |
S0 |
СР |
DB1 |
S14 |
S13 |
S12 |
S11 |
S10 |
S9 |
S8 |
S7 |
DB2 |
R1 |
R2 |
X |
Y |
Z |
BS |
S16 |
S15 |
DB3 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Т3 |
Т2 |
Т1 |
0 |
|
D7 |
D6 |
D5 |
D4 |
D3 |
D2 |
D1 |
D0 |
Рисунок 5 – Формат данных, используемый в синтезаторе Запись информации в микросхему (ее программирование) осуществляется
по двум линиям - SDA и SCL - шины I2C. Для программирования используются один адресный и четыре конфигурационных байта. Адресный байт (байт АВ) содержит адрес устройства и бит AS. При совпадении этого бита с логическим уровнем на соответствующем выводе микросхемы обеспечивается запись в нее конфигурационной информации. К одной I2С-шине могут быть подключены два синтезатора, не зависимых друг от друга, а бит AS позволяет выбрать тот синтезатор, который нужно запрограммировать. Адресный байт не программируется, информация в него заносится при производстве заводом-изготовителем, содержимое бита AS определяется потенциалом на выводе 12 микросхемы.
|
|
|
|
|
УИТС.421413.104 ПЗ |
Лист |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |
|
Изм. |
Лист |
№ документа |
Подпись |
Дата |
||
|
|
|
|
|
|
|
3 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА МИКРОКОНТРОЛЛЕРА
Для выбора микроконтроллера необходимо оценить объем выполняемых функции и требования быстродействия, предъявляемые к их выполнению.
Объем памяти непосредственно связан с количеством программируемых функций. Для устройства синтезатор частоты можно выделить следующие параметры, которые будут определять выполняемые функции:
-работа с двумя шинами I2C;
-опрос кнопок управления;
-режим сканирования;
-вычисление частоты по коду и значению ПЧ;
-запись частоты канала в память;
-запись значения промежуточной частоты в память;
Приведенные выше параметры занимают в памяти микроконтроллера от одного до четырёх байт. Можно прийти к выводу, что для данного устройства нет необходимости выбирать устройство с большим объемом перепрограммируемой постоянной памяти.
Большое значение для выбора микроконтроллера имеет возможность удобного и быстрого программирования. Это обусловлено тем, что в данном устройстве микроконтроллер должен выполнять достаточно сложные вычисления, связанные с коррекцией времени и линеаризацией характеристик терморезистора.
Микроконтроллер должен обеспечивать возможность программирования и отладки в готовом устройстве, это связано с тем, что может возникнуть необходимость изменения настроек устройства в процессе эксплуатации.
Время автономной работы устройства будет зависеть так же и от энергопотребления микроконтроллера. Следовательно, при выборе микроконтроллера следует уделить внимание его энергопотреблению.
Корпус микроконтроллера должен иметь малые размеры и иметь возможность для установки на поверхность печатной платы. Наиболее полно возможности установке на поверхность печатной платы отвечает корпус DIP.
|
|
|
|
|
УИТС.421413.104 ПЗ |
Лист |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
|
Изм. |
Лист |
№ документа |
Подпись |
Дата |
||
|
|
|
|
|
|
|
Особенность популярных 8-бит МК PICmicro-семейства фирмы Microchip Technology - RISC-процессорное ядро. В семейство входят более 140 МК - от контроллеров серии PIC12 в восьмивыводных корпусах до последних моделей PIC18F, выполненных по NanoWatt технологии, позволяющей разработчикам полностью управлять потребляемой системой мощностью, и серии rfPIC микроконтроллеров, объединенных с ВЧ - передатчиком на частоту 315/433 МГц.
МК серии PIC12 предоставляют разработчикам широкий выбор изделий - от чисто цифровых до устройств с 8/10-бит АЦП, ЭСРПЗУ, 8/16-бит таймером, ШИМ-генератором, сторожевым таймером с собственным RC-генератором, программируемой защитой кода, модулями USART/SCI-интерфейсов, подчиненным параллельным 8-бит портом, детектором понижения напряжения. Области их применения самые разнообразные - от зубочисток, фенов, пылесосов до промышленного автоматизированного оборудования и медицинской аппаратуры.
Новейшие МК PIC18FXX20 (шесть МК с флэш-памятью), входящие в серию PIC18, совместимы по коду и разводке выводов с МК фирмы в 18-, 28- и 40выводных корпусах, что позволяет разработчикам аппаратуры использовать программные и аппаратные средства уже имеющихся систем проектирования и, тем самым, снизить общие издержки проектирования и обеспечить своевремнный выход на рынок. МК серии выполнены по усовершенствованной NanoWattтехнологии и содержат: 13-канальный 10-бит АЦП; ШИМ-модуль с одним, двумя и четырьмя выходами, автоматическим остановом и перезапуском; USARTмодуль, поддерживающий стандарты RS-485, RS-232; программируемый 16уровневый модуль детектирования падения напряжения и выхода из режима пониженного потребления. Кроме того, МК серии содержат гибкую схему синхронизации с шестью "программно контролируемыми" режимами управления питанием. Схема обеспечивает выполнение команд в реальном времени, а также управление скоростью их выполнения, уменьшая тем самым уровень потребляемой системой мощности. И еще МК содержит сторожевой таймер на малый ток и блок обнаружения неисправностей внешнего генератора тактовых импульсов. Предусмотрена также возможность двухскоростного выхода из режима сброса или ожидания. Используются МК этой серии в разумных датчиках (дыма, утечки
|
|
|
|
|
УИТС.421413.104 ПЗ |
Лист |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11 |
|
Изм. |
Лист |
№ документа |
Подпись |
Дата |
||
|
|
|
|
|
|
|
газа, больничных идентификационных бирках, системах безопасности, устройствах управления напряжением), портативном оборудовании, ВЧ - управляемой аппаратуре, устройствах контроля работы батарей и контроля температуры.
Таблица 1 – Характеристики микроконтроллеров PIC
|
Кол-во |
|
|
FLASH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
выво- |
ПП, |
ОЗУ, |
Тай- |
Встроенные периферийные моду- |
||
МК |
дов |
слов |
байт |
ПД, |
меры |
ли |
|
|
/портов |
|
|
Байт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
TMR0, |
|
|
PIC16F676 |
14/12 |
1К |
64 |
128 |
аналоговый компаратор, 10-разр. |
||
TMR1 |
АЦП |
||||||
|
|
|
|
|
|||
PIC16F684 |
14/12 |
2К |
128 |
256 |
TMR0, |
аналоговый компаратор, 10-разр. |
|
TMR1, |
АЦП, модуль захва- |
||||||
|
|
|
|
|
TMR2 |
та/сравнения/ШИМ |
|
|
|
|
|
|
TMR0, |
аналоговый компаратор, 10-разр. |
|
PIC16F688 |
14/12 |
4К |
256 |
256 |
TMR1, |
АЦП, модуль захва- |
|
|
|
|
|
|
TMR2 |
та/сравнения/ШИМ, USART |
|
|
|
|
|
|
TMR0, |
|
|
|
|
|
|
|
10-разр. АЦП, |
||
PIC16F818 |
18/16 |
1К |
128 |
128 |
TMR1, |
SPI(master/slave)/I2C(slave)модуль |
|
|
|
|
|
|
TMR2 |
захвата/сравнения/ШИМ |
|
|
|
|
|
|
TMR0, |
|
|
|
|
|
|
|
10-разр. АЦП, |
||
PIC16F819 |
18/16 |
2К |
256 |
256 |
TMR1, |
SPI(master/slave)/I2C(slave)модуль |
|
|
|
|
|
|
TMR2 |
захвата/сравнения/ШИМ |
|
|
|
|
|
|
TMR0, |
10-разр. АЦП, модуль захва- |
|
PIC16F870 |
28/22 |
2К |
128 |
64 |
TMR1, |
||
та/сравнения/ШИМ, USART |
|||||||
|
|
|
|
|
TMR2 |
|
|
|
|
|
|
|
TMR0, |
10-разр. АЦП, модуль захва- |
|
PIC16F871 |
40/33 |
2К |
128 |
64 |
TMR1, |
та/сравнения/ШИМ, USART, PSP |
|
|
|
|
|
|
TMR2 |
(parallel slave port) |
|
|
|
|
|
|
|
10-разр. АЦП, модуль захва- |
|
|
|
|
|
|
TMR0, |
та/сравнения/ШИМ, USART, |
|
PIC16F874 |
40/33 |
4К |
192 |
128 |
TMR1, |
MSSP |
|
|
|
|
|
|
TMR2 |
SPI(master/slave)/I2C(master/slave), |
|
|
|
|
|
|
|
PSP(parallel slave port) |
|
|
|
|
|
|
TMR0, |
10-разр. АЦП, модуль захва- |
|
PIC16F876 |
28/22 |
8К |
368 |
256 |
та/сравнения/ШИМ, USART, |
||
TMR1, |
|||||||
|
|
|
|
|
TMR2 |
MSSP |
|
|
|
|
|
|
SPI(master/slave)/I2C(master/slave) |
В таблице 1: USART - асинхронный последовательный интерфейс; POR – сброс по включению питания; BOR – сброс по снижению напряжения питания.
|
|
|
|
|
УИТС.421413.104 ПЗ |
Лист |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
12 |
|
Изм. |
Лист |
№ документа |
Подпись |
Дата |
||
|
|
|
|
|
|
|