Схема шестикнопочного устройства

     Таким образом для достижения K_УС равного 1, 10 и 100:

     

     

     

     Как можно видеть, подобные результаты с приемлемыми погрешностями  достигнуты при использовании сопротивления  R₂ = 1000 Ом

     Но  в любом случае необходима калибровка т.к. номиналы используемых SMD компонентов (в данном случае резисторов) колеблются в пределах +/-10%.

     Сигнал  на неинвертирующий вход операционного  усилителя поступает с аналогового  мультиплексора ADG1608. Данный мультиплексор обладает очень низким внутренним сопротивлением (не более 4 Ом), а так же способен работать при однополярном питании 12В. 

Таблица 4 Таблица истинности аналогового мультиплексора

 

     Отдельно  стоит отметить, что сигнал на выходе, как мультиплексора, так и операционного  усилителя, не может превышать напряжения питания, поэтому измерение напряжений выше 12В в данном случае невозможно. К тому же измерение напряжений свыше 10В может вывести из строя микроконтроллер.

     Опорным напряжением (V_REF) в работе АЦП служит напряжение питания микроконтроллера. Поэтому у нас нет необходимости подключения опорного напряжения к специальному входу.

     В микроконтроллере установлен 8-ми разрядный  АЦП, способный измерять напряжение с точностью до 1/512, с шагом квантования 1/256.

     Так как в схеме предусмотрено  переключение аналоговых датчиков, то необходимо рассчитать минимальное  время необходимое для оцифровки  входного напряжения. Для этого воспользуемся  формулой:

     T_ACQ = T_AMP + T_C + T_COFF     (2)

     где T_ACQ – время задержки усилителя;

     T_C – время на зарядку конденсатора;

     T_COFF – температурный коэффициент. 

     T_C = - C_HOLD (R_IC + R_SS + R_S) Ln(1/(2^{(разрядность АЦП )+ 1}-1)) (3)

     где C_HOLD – ёмкость конденсатора защёлки;

     R_IC – сопротивление соединения;

     R_SS – сопротивление защёлки;

     R_S – сопротивление аналогового датчика. 

     T_COFF = (Температура - 25°C)(0.05мкс/°C)    (4)

     Подставляя  значения в формулу (4) имеем:

     T_COFF = (50°C - 25°C)(0.05мкс/°C) = 1,25мкс  

     Теперь  применим формулу (3) непосредственно к нашей схеме. Согласно справочным данным R_SS=7кОм при V_DD=5В; C_HOLD=51,2пФ; R_IC=1кОм.

     T_C = - 51,2пФ (1кОм + 7кОм + 10кОм) Ln(1/2¹⁺⁸-1)

     Т_С = - 51,2пФ (18кОм) Ln(0,0020)

     T_C = -0,921(-6,2146)

     T_C = 5,725мкс

     Получив время необходимое для зарядки  конденсатора, перейдём к расчёту общего времени задержки по формуле (2), для этого примем среднее время задержки усилителя T_ACQ=5мкс

     T_ACQ = 5мкс + 5.724мкс + 1.25мкс = 11.974мкс

     Таким образом, мы видим, что общее время  необходимое на оцифровку сигнала  с одного аналогового датчика соответствует 12мкс. Но при окончании оцифровки, конденсатор остаётся заряженным. Поэтому необходимо программно установить задержку порядка 4мкс для его разрядки. В результате общее время, затраченное на работу с одним датчиком равно 16мкс, что позволяет проводить больше 60000 измерений в секунду. По 10000 на каждый датчик.

     Остаётся  определиться ещё с одним значением. Время получения одного бита результата равно T_AD. Для 8-разрядного результата требуется как минимум 10T_AD. Параметры тактового сигнала для АЦП определяются программно, T_AD может принимать следующие значения:

     -  2T_OSC;

     - 8T_OSC;

     - 32T_OSC;

     -  Внутренний RC генератор модуля АЦП (2-6мкс) 

     Для получения  корректного результата преобразования необходимо выбрать  источник  тактового сигнала АЦП, обеспечивающий время T_AD не менее 1,6мкс. Так как в нашей схеме рабочая частота генератора F_OSC = 20МГц, то T_OSC = 0,05мкс. Таким образом, если предделитель будет равен 32-ум то:

     T_AD = 32*0,05мкс = 1,6мкс

     Имеем T_AD = 1,6мкс, что удовлетворяет полученным ранее значениям. В том случае если всё-таки это значение окажется недостаточным (например, при подключении датчиков с очень высоким внутренним сопротивлением), то можно программно переключиться на внутренний генератор, либо воспользоваться быстрым преобразованием. Но при быстром преобразовании значения четырёх младших битов, полученного значения, будут неверными. 
 
 
 
 
 
 
 
 

3.3 Часы реального времени 
 
 

     Внутри  выбранного нами микроконтроллера отсутствуют  часы реального времени. Возможно, в некоторых случаях можно обойтись и без них, но так как наша система сбора данных может использоваться в различных условиях и с различной периодичностью, то было бы крайне желательно, иметь часы которые всегда показывают точное время.

     Для этих целей был выбрана интегральная микросхема DS1339. Управление и обмен информацией происходит по стандартному интерфейсу I²C. К тому же эта модель помимо своей основной функции счёта времени, обладает рядом других полезных возможностей.

     Во-первых, имеется встроенный будильник, которой  можно подать на вход прерывания микроконтроллера, что позволит реализовать некоторые  полезные функции.

     Во-вторых, для создания опорной частоты  используется только кварцевый резонатор, работающий на частоте 32.768кГц, а необходимые конденсаторы уже встроены в чипе. Это позволяет сократить количество применяемых деталей.

     В-третьих, имеется специальный механизм переключения на резервный источник питания, при отсутствии основного, что помимо удобства ещё и сокращает количество используемых элементов. Так, например, для прочих часов реального времени необходима специальная цепь для подключения резервного источника питания.

     В-четвёртых, при использовании аккумуляторной резервной батареи, будет производиться  её подзарядка во время полноценной  работы устройства.

     К тому же часы имеют достаточно высокую  точность для такого класса устройств, максимальное отклонение по времени  составляет всего 7 секунд в месяц.  

Рисунок 7 Часы реального времени 

     Схема готового модуля представлена на рисунке  7

     Особо стоит отметить, что работая от резервного источника питания с  напряжением 2В, потребляемая мощность (если нет необходимости генерировать выходные прямоугольные импульсы), достаточная для поддержания  работоспособности часов, составляет всего 20*10^-9Вт, что позволит использовать весьма миниатюрные источники питания. 

     В качестве источника питания будет  использоваться литиевый аккумулятор  ANSMANN CR1220 с внутренней ёмкостью 40мА/ч, что позволит питать часы, при отсутствии внешнего питания, больше года. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3.4 Последовательный интерфейс 
 
 

     Для сопряжения системы сбора данных с внешними устройствами необходимо использовать различные интерфейсы. Параллельный интерфейс использовать для данной системы совершенно не нужно, так как очень высокие  скорости передачи  информации не являются необходимостью, к тому же это создаст  определённые сложности, как разработке устройства (потребуется большое  количество портов микроконтроллера), так и при передаче информации на растение.

     Более разумным выглядит использование последовательного  интерфейса.

     На  сегодняшний момент имеется большое  множество различных последовательных интерфейсов, начиная от всем известного RS-232 и заканчивая высокоскоростным Ethernet. Но в современном мире уже не так часто встречаются стандарты RS-232 и RS-485, а высокоскоростные интерфейсы достаточно дороги. Выходом из данной ситуации будет последовательный USB-интерфейс.

     Существует  огромное множество различных способов его реализации и синхронизации  с микроконтроллером. Имеются даже микроконтроллеры с уже встроенным USB-интерфейсом такие как PIC16C765. Но все способы либо довольно громоздки, либо дороги (например, использование микрочипа FT232, стоимость которого сопоставима с выбранным нами микроконтроллером).

     Решением  в данном случае будет использование  ещё одного микроконтроллера - ATtiny45, американской фирмы Atmel. Подключённого по схеме, представленной на рисунке 8 . Для подключения системы сбора данных, с интерфейсом на основе данной схемы, к ЭВМ необходима установка специального драйвера. В результате чего, при подключении мы должны увидеть «виртуальный COM-порт». Таким образом, мы получим совместимость оборудования, как с современным программным обеспечением, так и с относительно устаревшим

      

Рисунок 8 Модуль последовательного USB-интерфейса 

     Питание данной схемы происходит от внешнего устройства (ЭВМ). До момента подключения  данный узел остаётся обесточенным. Для  обеспечения номинального режима работы в схеме используется кварцевый  генератор QZ2 на 20МГц. Сигналы по информационным линиям шунтируются резисторами R8 и R9 с номиналами 67Ом. В цепи питания имеется конденсатор C9 ёмкостью 104пФ.

     Для связи микроконтроллеров ATtiny45 с PIC16F73 используется стандартный интерфейс USART, информационный вход которого шунтируется резистором R7 номиналом 470Ом.

     Приятной  особенностью подобной реализации последовательного  интерфейса, является его быстродействие. Что позволяет передавать информацию в режиме реального времени к внешнему устройству

     Единственный  недостаток это необходимость прошивки микроконтроллера отдельно от системы  сбора данных. Т.е. он должен быть прошит ещё до установки на печатную плату. Но это не является проблемой при  массовом производстве, так как можно  заказать у производителя уже  запрограммированные микроконтроллеры