Гирокомпас "Гюйс"

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 18 Апреля 2013 в 08:21, дипломная работа

Описание

Цель данной разработки была продиктована следующими причинами:
1. Применяемая на сегодняшний день плата питания гиромотора для ГБ-23 имеет следующие недостатки:
не обеспечивает требуемый уровень надежности;
имеет очень низкий массогабаритный показатель (состоит из двух плат);
выполнена на устаревшей элементной базе;
не обеспечивает защиту от короткого замыкания и контроль работы гиромотора;
по входным параметрам не подходит для гирокомпаса “Гюйс”.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ. 2
1. РАЗРАБОТКА АППАРАТНОЙ ЧАСТИ. 5
1.1. Текст технического задания. 5
1.2. Разработка структурной схемы 10
1.3. Разработка принципиальной электрической схемы. 17
1.3.1. Разработка импульсного преобразователя напряжения. 17
1.3.2. Разработка формирователя импульсов перевозбуждения. 22
1.3.3. Разработка формирователя трехфазного напряжения. 23
1.3.4. Разработка детектора превышения тока. 25
1.3.5. Разработка прочих узлов устройства. 26
1.4. Обоснование выбора элементной базы. 27
1.5. Расчет узлов схемы. 32
1.5.1. Исходные данные. 32
1.5.2. Расчет импульсного преобразователя. 33
1.5.3. Расчет входного фильтра. 37
1.6. Разработка печатной платы. 38
2. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ ДЛЯ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА. 42
2.1. Выбор микроконтроллера. 42
2.1.1. Выбор архитектуры микроконтроллера. 42
2.1.2. Сравнительный анализ микроконтроллеров MICROCHIP и ATMEL. 45
2.1.3. Выбор конкретной модели по параметрам. 51
2.2. Краткое описание выбранного микроконтроллера. 53
2.2.1. Отличительные особенности МК ATmega8. 53
2.2.2. Программная модель микроконтроллеров AVR. 55
2.3. Разработка алгоритма программы 62
2.4. Текст программы 71
3. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТА. 76
3.1. Расчет затрат на разработку и изготовление опытного образца изделия. 76
3.2. Расчет себестоимости при серийном производстве. 81
3.2.1. Проектируемая плата. 81
3.2.2. Базовая плата. 82
3.3. Оценка повышения конкурентоспособности товара с применением разрабатываемого изделия. 83
3.4. Оценка экономической эффективности инвестиций в проект. 86
3.4.1. Определение расчетного периода. 86
3.4.2. Расчет нормы дисконта и коэффициента дисконтирования. 86
3.4.3. Расчет показателей эффективности. 87
3.5. Вывод по главе. 91
4. ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОЧЕГО МЕСТА ПРИ РАБОТЕ С ПЭВМ. 92
4.1. Анализ вредных и опасных факторов при работе с ПЭВМ. 92
4.1.1. Излучение персонального компьютера. 92
4.1.2. Зрительная работа за компьютером и ее последствия. 94
4.1.3. Прочие вредные воздействия при работе за компьютером. 95
4.2. Методы правильной организации работы с ПЭВМ, снижающие воздействие неблагоприятных факторов. 98
4.2.1. Методы обеспечения электромагнитной безопасности. 98
4.2.2. Меры по профилактике зрительных перегрузок. 101
4.2.3. Эргономичная организация рабочего места пользователя ПЭВМ. 104
4.3. Исследование реального объекта на предмет обеспечения безопасности при эксплуатации компьютерной техники. 106
4.3.1. Общая характеристика исследуемого объекта. 106
4.3.2. Выявленные нарушения условий труда. 108
4.3.3. Рекомендации по перепланировке помещения с учетом требований безопасности. 109
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 112
ЛИТЕРАТУРА. 113
ПРИЛОЖЕНИЕ 1: Перечень условных обозначений. 115

Работа состоит из  1 файл

Diplom разработке платы питания гиромотора.doc

— 2.42 Мб (Скачать документ)

    Современные 8-разрядные  RISC-микроконтроллеры занимают промежуточную нишу по своим техническим характеристикам между классическими 8-разрядными микроконтроллерами и их 16-разрядными кузенами. Высокая производительность и меньшая, чем у 16-разрядных МК, цена превращают RISC-микроконтроллеры в мощный инструмент для построения эффективных многофункциональных контроллеров, используемых в самых разнообразных приложениях [17].

Поскольку в данном проекте требуется  высокая производительность микроконтроллера, т.к. от него требуется ШИМ управление на частоте порядка 100 кГц, при этом для обеспечения точного регулирования, разрядность ШИМ должна приближаться к разрядности АЦП, т.е. составлять порядка 10 – 12 разрядов. Таким образом, высокая производительность является для данного проекта существенным фактором. В связи с этим, наиболее целесообразным является использование в проекте микроконтроллера с RISC-архитектурой, которые и рассмотрим более подробно.

Ведущими производителями микроконтроллеров  с RISC-архитектурой, широко представленными  на российском рынке являются компания MICROCHIP и ATMEL. Рассмотрим более подробно продукцию каждой из них.

2.1.2. Сравнительный анализ микроконтроллеров MICROCHIP и ATMEL.

В России в последнее время появилось  множество публикаций посвященных микроконтроллерам MICROCHIP и ATMEL, что свидетельствует об их большой популярности у российских разработчиков. В частности публикации [16, 17], на основе которых и проведем сравнительный анализ.

Первые микроконтроллеры компании MICROCHIP PIC16C5x появились в конце 80-х годов и благодаря своей высокой производительности и низкой стоимости составили серьёзную конкуренцию производимым в то время 8-разрядным МК с CISC-архитектурой.

Первое, что привлекает внимание в PIC-контроллерах — это простота и эффективность. В основу концепции PIC, единую для всех выпускаемых семейств, была положена RISC-архитектура с системой простых однословных команд, применение встроенной памяти программ и данных и малое энергопотребление.

Система команд базового семейства PIC165x содержит только 33 команды. Как ни странно, и это сыграло свою роль в популяризации PIC-контроллеров. Все команды (кроме команд перехода) выполняются за один машинный цикл (или четыре машинных такта) с перекрытием по времени выборок команд и их исполнения, что позволяет достичь производительности до 5 MIPS при тактовой частоте 20 МГц.

Микроконтроллеры PIC имеют симметричную систему команд, позволяющую выполнять операции с любым регистром, используя любой метод адресации. Правда, разработчики MICROCHIP так и не смогли отказаться от любимой всеми структуры с регистром-аккумулятором, необходимым участником всех операций с двумя операндами. Зато теперь пользователь может сохранять результат операции на выбор, где пожелает, в самом регистре-аккумуляторе или во втором регистре, используемом для операции. В настоящее время MICROCHIP выпускает четыре основных семейства 8-разрядных RISC-микроконтроллеров, совместимых снизу вверх по программному коду:

    • базовое семейство PIC15Cx с 12-разрядными командами, простые недорогие микроконтроллеры с минимальной периферией;
    • PIC12Cxxx с 12-разрядными командами со встроенным тактовым генератором, выпускаемые в миниатюрном 8-выводном исполнении. Не так давно был анонсирован очередной такой “малыш” c внутренним 8-разрядным 4-канальным АЦП;
    • Mid-range PIC16x/7x/8x/9x с 14-разрядными командами. Наиболее многочисленное семейство, объединяющее микроконтроллеры с разнообразными периферийными устройствами, в число которых входят аналоговые компараторы, аналогово-цифровые преобразователи, контроллеры последовательных интерфейсов SPI, USART и I2C, таймеры-счётчики, модули захвата/сравнения, широтно-импульсные модуляторы, сторожевые таймеры, супервизорные схемы и так далее;
    • High-end PIC17C4x/5xx высокопроизводительные микроконтроллеры с расширенной системой команд 16-разрядного формата, работающие на частоте до 33 МГц, с объёмом памяти программ до 16 Кслов. Кроме обширной периферии почти все микроконтроллеры этого семейства имеют встроенный аппаратный умножитель 8ґ8, выполняющий операцию умножения за один машинный цикл.

Большинство PIC-контроллеров выпускаются  с однократно программируемой памятью программ OTP с возможностью внутрисхемного программирования или масочным ROM. Для целей отладки предлагаются версии с ультрафиолетовым стиранием, надо признать, не очень дешёвые. Полное количество выпускаемых модификаций PIC-контроллеров составляет порядка пятисот наименований. Как не без основания утверждает MICROCHIP, продукция компании перекрывает весь диапазон применений 8-разрядных микроконтроллеров.

Особый акцент MICROСHIP делает на максимально  возможное снижение энергопотребления для выпускаемых микроконтроллеров. При работе на частоте 4 МГц PIC-контроллеры, в зависимости от модели, имеют ток потребления меньше 1,5 мА, а при работе на частоте 32,768 КГц — ниже 15 мкА. Поддерживается “спящий” режим работы. Диапазон питающих напряжений PIC-контроллеров составляет 2,0...6,0 В.

В настоящее время готовится к запуску в производство новое пятое семейство PIC-контроллеров PIC18Cxxx. Новые микроконтроллеры будут иметь расширенное RISC-ядро, оптимизированное под использование нового Си-компилятора, адресное пространство программ до 2 Мбайт, до 4 Кбайт встроенной памяти данных и производительность 10 MIPS.

Из программных средств отладки  наиболее известны и доступны различные версии ассемблеров, а также интегрированная программная среда MPLAB. Российские производители программаторов и аппаратных отладочных средств также уделяют внимание PIC-контроллерам. Выпускаются как специализированные программаторы, такие как PICPROG, программирующие почти весь спектр PIC-микроконтроллеров, так и универсальные: UNIPRO, СТЕРХ, поддерживающие наиболее известные версии PIC.

 

В отличие от MICROCHIP, компания ATMEL Corp. — один из мировых лидеров в производстве широкого спектра микросхем энергонезависимой памяти, FLASH-микроконтроллеров и микросхем программируемой логики, взяла старт по разработке RISC-микроконтроллеров в середине 90-х годов, используя все свои технические решения, накопленные к этому времени.

Концепция новых скоростных микроконтроллеров  была разработана группой разработчиков  исследовательского центра ATMEL в Норвегии, инициалы которых затем сформировали марку AVR. Первые микроконтроллеры AVR AT90S1200 появились в середине 1997 г. и быстро снискали расположение потребителей.

AVR-архитектура, на основе которой  построены микроконтроллеры семейства  AT90S, объединяет мощный гарвардский  RISC-процессор с раздельным доступом к памяти программ и данных, 32 регистра общего назначения, каждый из которых может работать как регистр- аккумулятор, и развитую систему команд фиксированной 16-бит длины. Большинство команд выполняются за один машинный такт с одновременным исполнением текущей и выборкой следующей команды, что обеспечивает производительность до 1 MIPS на каждый МГц тактовой частоты.

32 регистра общего назначения  образуют регистровый файл быстрого  доступа, где каждый регистр  напрямую связан с АЛУ. За  один такт из регистрового файла выбираются два операнда, выполняется операция, и результат возвращается в регистровый файл. АЛУ поддерживает арифметические и логические операции с регистрами, между регистром и константой или непосредственно с регистром.

Регистровый файл также доступен как часть памяти данных. 6 из 32-х регистров могут использоваться как три 16-разрядных регистра-указателя для косвенной адресации. Старшие микроконтроллеры семейства AVR имеют в составе АЛУ аппаратный умножитель.

Базовый набор команд AVR содержит 120 инструкций. Инструкции битовых операций включают инструкции установки, очистки и тестирования битов.

Все микроконтроллеры AVR имеют встроенную FLASH ROM с возможностью внутрисхемного программирования через последовательный 4-проводной интерфейс.

Периферия МК AVR включает: таймеры-счётчики, широтно-импульсные модуляторы, поддержку внешних прерываний, аналоговые компараторы, 10-разрядный 8-канальный АЦП, параллельные порты (от 3 до 48 линий ввода и вывода), интерфейсы UART и SPI, сторожеой таймер и устройство сброса по включению питания. Все эти качества превращают AVR-микроконтроллеры в мощный инструмент для построения современных, высокопроизводительных и экономичных контроллеров различного назначения.

В рамках единой базовой архитектуры AVR-микроконтроллеры подразделяются на три подсемейства:

    • Classic AVR — основная линия микроконтроллеров с производительностью отдельных модификаций до 16 MIPS, FLASH ROM программ 2–8 Кбайт, ЕEPROM данных 64–512 байт, SRAM 128–512 байт;
    • mega AVR с производительностью 4–6 MIPS для сложных приложений, требующих большого обьёма памяти, FLASH ROM программ 64–128 Кбайт, ЕEPROM данных 64–512 байт, SRAM 2–4 Кбайт, SRAM 4 Кбайт, встроенный 10-разрядный 8-канальный АЦП, аппаратный умножитель 8ґ8;
    • tiny AVR — низкостоимостные микроконтроллеры в 8-выводном исполнении имеют встроенную схему контроля напряжения питания, что позволяет обойтись без внешних супервизорных микросхем.

AVR-микроконтроллеры поддерживают  спящий режим и режим микропотребления. В спящем режиме останавливается центральное процессорное ядро, в то время как регистры, таймеры-счётчики, сторожевой таймер и система прерываний продолжают функционировать. В режиме микропотребления сохраняется содержимое всех регистров, останавливается тактовый генератор, запрещаются все функции микроконтроллера, пока не поступит сигнал внешнего прерывания или аппаратного сброса. В зависимости от модели, AVR-микроконтроллеры работают в диапазоне напряжений 2,7–6 В либо 4–6 В (исключение составляет ATtiny12V с напряжением питания 1,2 В).

Средства отладки. ATMEL предлагает программную среду AVR-studio для отладки программ в режиме симуляции на программном отладчике, а также для работы непосредственно с внутрисхемным эмулятором. AVR-studio доступен с WEB-страницы ATMEL, содержит ассемблер и предназначен для работы с эмуляторами ICEPRO и MegaICE. Ряд компаний предлагают свои версии Си-компиляторов, ассемблеров, линковщиков и загрузчиков для работы с микроконтроллерами семейства AVR. Как и продукция MICROCHIP, микроконтроллеры ATMEL широко применяются в России и, как следствие, программируются многими отечественными программаторами. Ряд российских фирм предлагает также различные аппаратные средства отладки AVR-микроконтроллеров.

Коротко резюмируя вышесказанное, можно отметить, что позиции PIC контроллеров наиболее сильны в сфере применений критичных к стоимости и потреблению. При построении высокопроизводительных, универсальных систем становятся предпочтительными AVR микроконтроллеры имеющие более высокое соотношение “цена-производительность “. Поскольку, как уже было отмечено, производительность является критичным параметром в данной разработке, то предпочтительней использовать именно микроконтроллер ATMEL AVR.

 

 

2.1.3. Выбор конкретной модели  по параметрам.

Для выбора воспользуемся информацией  предлагаемой на сайтах технической поддержки [9, 10]. Искомый микроконтроллер должен иметь следующие параметры:

    • Наличие модуля ШИМ
    • Последовательный интерфейс SPI
    • Не менее 18 портов ввода вывода (I/O)
    • Не менее 3 таймеров
    • Не менее 2 кбайт памяти программ
    • По возможности большую тактовую частоту

Данные для сравнения приведены  для микроконтроллеров MICROCHIP в таблице 2.1, а для микроконтроллеров ATMEL в таблице 2.2. Поскольку номенклатура микроконтроллеров MICROCHIP очень велика, то в таблице представлены только те модели, которые имеют более 18 портов I/O и тактовую частоту не менее 20 МГц. Микроконтроллеры ATMEL семейства Tiny, также не представляют интереса для данной разработки, т.к. имеют малое количество портов I/O, и не имеют моделей со встроенным ШИМ, поэтому в таблице 2.2 приведены только семейства classic и mega.

Таблица 2.1.

Сравнительные характеристики микроконтроллеров  MICROCHIP.

Наименование компонента

Память программ, байт

ОЗУ байт

f, МГц

Порты вв./выв.

Послед. интерфейс

АЦП/ЦАП

ШИМ

Таймеры

Ориентировочная цена, у.е.

PIC16C55

512x12

24

20

20

-

-/-

-

1+WDT

2-4

PIC16C55A

512x12

24

20

20

-

-/-

-

1+WDT

2-4

PIC16C57

2048x12

72

20

20

-

-/-

-

1+WDT

3-4

PIC16C57C

2048x12

72

20

20

-

-/-

-

1+WDT

3-4

PIC16C63

4096x14

192

20

22

USART/I2C/SPI

-/-

2

3+WDT

3-4

PIC16C745

8192x14

256

24

19

USB, USART/SСI

5/-

2

3+WDT

4-5

pic16f870

2048x14

128

20

22

USART

5/-

1

3+WDT

4-5

pic16f873

4096x14

192

20

22

USART/MSSP

5/-

2

3+WDT

4-5

pic16f876

8192x14

368

20

22

USART/MSSP

5/-

2

3+WDT

4-5

Информация о работе Гирокомпас "Гюйс"