 |
Загальна технічна характеристика навчального стенда ST841/CPLD
|
|
|
|
Загальна технічна характеристика навчального стенда ST841/CPLD
Рисунок 1 – Зовнішній вигляд стендаST841/CPLD
Стенд призначений для освоєння архітектури та методів проектування інформаційно-керуючих систем, систем збору і оброблення інформації на базі найпоширеніших мікроконтролерів сімейства MCS-51/52, а також ПЛІС фірм Altera або Xilinx.
Стенд може бути використаний для:
· вивчення вузлів мікроконтролерних інформаційно-вимірювальних систем, промислових інтерфейсів, пристроїв вводу-виводу;
· виконання курсових, дипломних та науково-дослідних робіт.
· розробки і відлагодження апаратно-орієнтованого програмного забезпечення;
· взаємодії із аналоговими та цифровими первинними перетворювачами та виконавчими органами;
Функціональні можливості:
- мікроконтролер ADuC841 (однотактове ядро, 62 кбайт флеш-пам'яті програм, 4 кбайт флеш-пам'яті даних, 2304 байт оперативної пам'яті, апаратна підтримака інтерфейсів UART, I2C, SPI, восьмиканальний 12-розрядний АЦП, 320кГц, два 12-розрядні цифро-аналогові перетворювачі, джерело опорної напруги, датчик температури);
- програмована логічна матриця CPLD: EPM3032, EPM3064 (Altera), або XCR3032XL, XCR3064XL (Xilinx);
- інвертуючий, неінвертуючий, диференційний та інструментальний підсилювачі;
- пристрої вводу:
§ матрична клавіатура,
§ дискретні кнопки,
§ джойстик-потенціометр,
§ механічний енкодер;
- пристрої відображення:
§ лінійка світлодіодів,
§ 4 семисигментні індикатори,
§ 1 матричний індикатор,
§ індикатор на рідких кристалах;
- звукова підсистема:
§ звуковий pcm кодек (TLV320AIC1109),
§ підсилювач звукової частоти TDA7052,
§ динамік, мікрофонний вхід, вихід на телефони;
- шини даних:
§ паралельна 8-бітна шина даних;
|
|
|
§ SPI
§ I2C
§ RS232
§ RS485
- цифрова периферія:
§ годинник реального часу з I2C інтерфейсом DS1307-33;
§ 8 Мбіт флеш-пам'ять із SPI інтерфейсом,
§ генератор прямокутних імпульсів (NE555),
§ генератор тактової частоти;
- виконавчі пристрої:
§ драйвери крокових двигунів (8 ключів);
§ ШІМ-регулятор;
§ Н-міст для двигуна постійного стуму.
Будова контролера
Як процесор використовується однокристальний мікроконтролер ADuC841 з такими характеристиками:
· Однотактне 20MIPS ядро архітектури 8052;
· Швидкісний 12-розрядний АЦП;
· Два 12-розрядні ЦАП;
· 62 кбайт вбудованої пам’яті програм;
· 2 кбайти вбудованої пам’яті даних;
· UART, I2C, SPI інтерфейси;
· Програмування та можливість відладки через інтерфейс UART.
Для роботи із стендом необхідне знання архітектури контролера, його регістрів та периферії. Проведемо короткий огляд найбільш важливих вузлів.
ADuC841 є функціонально завершеним контролером інтелектуальних датчиків і включає в себе високоякісний багатоканальний АЦП із самокалібруванням, два ЦАПи, і швидкий (20МГц) з однотактовим виконанням команд 8-ми розрядний програмований мікроконтролер з системою команд МК 8051 на однім кристалі. Ядром МК є контролер 8052, що забезпечує пікову продуктивність до 20 MIPS. На кристалі розміщено 62Кбайт Flash пам'яті програм, 4Кбайт Flash пам'яті даних, 256 байт пам'яті з довільним доступом (RAM) і 2Кбайт розширеної пам'яті з довільним доступом (ХRAM).
В склад ADuC841 входять також додаткові аналогові пристрої: два 12-розрядні ЦАПи, монітор напруги живлення і джерелом опорної напруги. Додатковими цифровими пристроями є: два 16-розрядні Σ -Δ ЦАПи, два 16-розрядні широтно-імпульсні модулятори, сторожовий таймер, лічильник часових інтервалів, три таймери-лічильники, і три порти послідовного вводу-виводу (SPI, I2C, і UART). Заводська прошивка контролера підтримує завантаження програмного забезпечення через послідовний порт UART, а також емуляцію через один контакт пристрою – ЕА. Далі приведена функціональна схема ADuC841.
|
|
|
Рисунок 2 – Функціональна схема ADuC841
Периферійні пристрої стенду
Програмована логічна інтегральна схема.
На платі стенду розміщена панелька для встановлення ПЛІС типу EPM3032ALC44, EPM3064ALC44 виробництва Altera а також сумісних з ними XCR3032XL, XCR3064XL виробництва XILINX. Для завантаження програмного забезпечення в ПЛІС та його відладки призначений роз’єм інтерфейсу JTAG. ПЛІС працює незалежно від МК і має свої периферійні вузли.
Блок операційних підсилювачів для аналогових сигналів.
Блок призначений для підсилення вхідних сигналів, що подаються на входи АЦП МК і сигналів з виходів ЦАП.
Звуковий кодек.
Звуковий кодек TLV320AIC1109 призначений для перетворення аналогового сигналу звукової частоти в стиснений цифровий формат для подальшої передачі, а також для здійснення зворотного перетворення цифрових даних в звуковий сигнал. Для підключення мікрофона і телефона передбачено роз’єми. Сигнал з виходу кодека може подаватись на розміщені на платі підсилювач і динамік.
Джойстик та механічний енкодер.
На платі установлений потенціометричний джойстик з двома осями і кнопкою. Сигнал з виходів джойстика подається на входи 6 та 7 АЦП МК.
Механічний енкодер призначений для перетворення кутового переміщення в електричний сигнал. Дані пристрої позволяють проектувати системи з необхідністю ручного вводу інформації (наприклад, маніпулятори, прилади, спецтехніка, блоки керування і т. п. ).
Цифрова клавіатура.
Матрична клавіатура застосовується при побудові вузлів вводу даних в інформаційну систему.
Кнопки переривань та скидання процесора.
Кнопки переривань призначені для генерації сигналів переривання процесора. Кнопка скидання призначена для скидання процесора під час програмування або для перезапуску існуючої програми.
Рідкокристалічний дисплей.
На платі установлений знакосинтезуючий рідкокристалічний 4х10 дисплей, підключений до шини даних по чотирибітній схемі. Дисплей має вбудовану підсвітку та регулятор контрасту.
Семисегментний чотиризначний та матричний індикатори, світлодіодна лінійка.
|
|
|
На основі світлодіодів, семисегментних та матричних індикаторів будуються підсистеми відображення інформації. Схема включення семисегментного індикатора дозволяє здійснювати статичну індикацію, матричного – динамічну, знакосинтезуючу.
Інтерфейси стандартів RS485, Ethernet, I2C, SPI, 1-wire та системний інтерфейс.
На платі розміщено драйвери інтерфейсів UART, який побудований на мікросхемі СР2102, що дозволяє під’єднувати стенд до USB входу компютера, RS485, а також Ethernet-драйвер, які узгоджують логічні рівні даних стандартів та TTL рівень а також роз’єми для підключення кабелів чи шлейфів периферійних пристроїв. Системний інтерфейс включає шину даних, адресні лінії, лінії UART, I2C, живлення та загальний провід.
Годинник реального часу DS1307.
Використовується для генерації точних секундних імпульсів, а також як годинник і календар.
Восьмиканальний драйвер крокових двигунів.
Драйвер позволяє керувати двома уніполярними двигунами з чотирма обмотками невеликої потужності (із споживаним струмом до 2А).
Контрольні точки для підключення осцилографа.
Контрольні точки розміщені у важливих функціональних вузлах і дозволяють проводити візуальне спостереження форми сигналу за допомогою осцилографа.
Генератор імпульсів.
Генератор прямокутних імпульсів зі зною частоти генерації побудований на основі таймера 555 і може використовуватись для генерації контрольних імпульсів.
Стабілізатори живлення.
На платі встановлено стабілізатори напруг 5В, 3. 3В.
Рисунок 3 – Структурна схема навчального стенду
Рисунок 4 – Розміщення елементів стенду на платі (вигляд зверху)
Для виконання лабораторних та відладочних робіт необхідно знати розміщення та призначення окремих вузлів та елементів керування на платі стенду. До елементів керування відносяться перемички та кнопки. Коротко опишемо призначення перемичок, необхідні їх положення та роз’єми для підключення до стенду периферійних вузлів.
Таблиця 1 – Положення перемичок
| № пп | Позначення по схемі | Положення | Значення | ||
| 1, 2
| JP1, JP2 | Розімкнуто | - | ||
| Замкнуто | Ліній Р3. 4, Р3. 5 з’єднані з кодеком | ||||
| JP3 | Розімкнуто | - | |||
| Замкнуто | Лінія GND з’єднанаі з 10 виводом ПЛІС | ||||
| JP5 | Розімкнуто | - | |||
| Замкнуто | Автоматичне перезавантаження з МК | ||||
| JP6 | Розімкнуто | Робода | |||
| Замкнуто | Програмування |
Таблиця 2 – Положення перемикакчів
| № пп | Позначення по схемі | Положення | Значення |
| SW8 | Розімкнуто | - | |
| Замкнуто | Замкну толінії RX, TX на CP2102 (зв'язок з ком’ютером) | ||
| SW5 | Розімкнуто | - | |
| Замкнуто | Замкну толінії RX, TX на MAX485ESA (RS-485) | ||
| SW7 | Розімкнуто | - | |
| Замкнуто | Замкну толінії RX, TX на EM500 (Ethernt модуль) |
Таблиця 3 – Призначення роз’ємів
| Позначення на платі | Призначення роз’єма |
| ХР1 | Живлення стенду |
| ХР2 | Підключення двигуна постійного струмі зі зовнішнім живленням |
| ХР3 | Інтерфейс Ethernet |
| Х1 | Підключення мікрофона до входу аудіо кодека |
| Х2 | Підключення навушників до виходу аудіо кодека |
| Х3 | Інтерфейс USB |
| Х4 | Інтерфейс RS-485 |
| P1 | Вхід інструментального підсилювача |
| P2 | Вхід диференційного підсилювача |
| P3 | Вхід не інвертованого підсилювача |
| P4 | Вхід інвертованого підсилювача |
| P5 | Вхід не інвертованого підсилювача зі зміщенням нуля |
| P6 | Вихід ЦАП DAC0 |
| P7 | Вихід ЦАП DAC1 |
| P8 | Лінії системного інтерфейсу |
| Р9 | Інтерфейс 1-wire |
| Р10 | Програмування ПЛІС (JTAG) |
| Р11, Р12 | Вихід Н-моста від ПЛІС |
| Р13, Р14 | Підключення крокового двигуна |
Таблиця 4 – Призначення виводів системного інтерфейсу
| № по схемі | Позначення по схемі | Призначення |
| 1.. 8 | DAT0.. DAT7 | Шина даних |
| 10.. 13 | CS12.. CS15 | Адресні лінії |
| SDATA | Лінія MOSI SPI інтерфейсу/ лінія SDA I2C інтерфейсу | |
| SCLOCK | Лінія SCK SPI інтерфейсу/ лінія SCL I2C інтерфейсу | |
| DIR | Лінія напряму даних | |
| 17, 18 | T0, T1 | Входи таймерів-лічильників |
| INT0 | Лінія переривання 0 | |
| INT1/MISO | Лінія переривання 1/ лінія MISO SPI інтерфейсу | |
| 21, 22 | RXD, TXD | Лінії послідовного інтерфейсу UART |
| 22, 23 | +5V | Напруга живлення |
| 9, 25, 26 | GND | Спільний вивід |
Таблиця 5 – Призначення виводів роз’єму РКІ
| № по схемі | Позначення по схемі | Призначення |
| GND | Спільний вивід | |
| VCC | Вивід живлення | |
| Vo | Регулювання контрасту | |
| RS | Вибір регістру команд/даних | |
| R/W | Читання/запис (постійно на запис) | |
| E | Строб запису | |
| 7-10 | N/C | Не під’єднано |
| 11-14 | DAT4.. DAT7 | 4-розрядна шина даних |
Таблиця 6 – Призначення виводів роз’єму для крокового двигуна
| № по схемі | Призначення |
| 1, 2 | Позитивний полюс живлення |
| 3, 4 | Обмотка 1 |
| 5, 6 | Обмотка 2 |
| 7, 8 | Обмотка 3 |
| 9, 10 | Обмотка 4 |
|
|
|
|
|
|
