Mikroelektronikai rendszerek tervezése I. féléves feladat
Feladat: Feszültségmérő műszer tervezése, 01V bemeneti feszültségtartománnyal, 1uV felbontással. A mért értéket kijelzőn jelenítse meg. Számítógépen történénő kiértékelhetőség érdekében RS232es interfaceen keresztül csatlakozik a számítógép soros portjához. A félév során a mérőműszer hardwerét (HW+SW blokkvázlat, kapcsolási rajz, tápegység, NYÁKterv) kell megtervezni, dokumentálni, és beadni. A feladat készítője: Dankovits Péter DAPMAAP.PTE Gyakorlatvezető:
Pécs, 2006. 10. 09.
Brenner Csaba
__________________________ Dankovits Péter
A feladatban meghatározott műszer a pontosságából, és mérési tartományából adódóan laboratóriumi(Tkörnyezet=25C) használatra lesz. Ebből kifolyólag a fogyasztás, és a melegedés nem képez speciális kritériumot. Alkalmazható lenne 7 szekmenses LEDkijelzőkből felépített kijelző is, viszont ezesetben a mikrovezérlő programja bonyolultabb lenne. Továbbá a LEDek “tisztességes” meghajtásához 51015mA szükséges, ami jelenesetben 67 számjegynél már jelentős áramot eredményez (7*7*0.015=0.735A). Ez abból a szempontból probléma, hogy a tápot hirtelen nagyon leterheli a kijelző, amikor számjegyeket vált, és ez mérési pontatlanságot vihet be a rendszerbe. Ebből kifolyólag egy HD44780 chipre épülő pontmátrixos alfanumerikus LCDkijelzőt választottam. A kijelző sorai, és oszlopai szinte tetszőlegesek. Egyetlen kritérium, hogy a mért feszültség teljesmértékben férjen el rajta. Azaz legalább 8 karakter széles legyen. Amennyiben több adatot is szükséges megjeleníteni, nagyobb kijelző is beépíthető. A HD44780 alapú (és kompatibilis) kijelzők csatlakozókiosztása (11, vagy 7 vezeték), és protokollja azonos, az áramfelvételük csupán néhány milliAmper, háttérvilágítás nélkul. Háttérvilágítással kb 20mA áramot vesz fel az LCD. A mérőműszer bemenetén levő RC tagok szerepe kettős. Egyrészt az A/D átalakító bemenetét védik a zavaroktól, tüskéktől, másrészt a bemenetre kapcsolt jelet sávkorlátozzák. A feladat 1uV felbontást ír elő 01V tartományon. Ez 20 bites felbontást követel meg minimum. Mivel minden A/D átalakítónak van valamekkora zaja, ezért ahhoz, hogy 20bitnyi értékes információt kapkjak, legalább 2223bites A/Dre van szükségem a feladathoz. Ezért a Cirrus Logic cég 24bites A/D átalakítóját választottam, a CS5532t. Ez az A/D SPI buszon keresztül kommunikál a mikrovezérlővel. Az IC max 25mAt vesz fel. Az RS232es szintillesztő, és a billentyűzet áramfelvétele elhanyagolható, vagy minimális. Az RS232es kommunikációhoz legalább 2 vezeték szükséges. Az A/D 3 vezetékkel kapcsolódik a mikrovezérlőhöz. A 4x3as mátrixba kötött billentyűzet 7 vezetékkel, az LCD szintén 7 vezetékkel kapcsolódik a mikrovezérlőhöz. Összesen 19 I/O láb szükséges minimum. Figyelembevéve, hogy a mikrovezérlők flashmemóriája bármikor módosítható, új szoftver tölthető a mikrovezérlőbe, célszerű néhány plusz I/O lábat hagyni a vezérlőn. A Microchip cég PIC18F452es mikrokontrollerje erre a feladatra megfelelő, ezt választottam. Ez az IC maximálisan 300mAval terhelheti a tápot. Az egyéb alkatrészek(felhúzóellenállások, lehúzóellenállások, kommunikáció, billentyűzet) összterhelésére 10mAt kalkulálok. Összesen 20mA+25mA+300mA+10mA=335mA Ennek kétszeresére, azaz 670mAra méretezem a tápot.
2/8
A készüléket kis szórt mágneses terű transzformátorról célszerű táplálni. Ilyenek a toroid transzformátorok. Amennyiben EImagos transzformátor lesz beépítve, ügyelni kell a trafó megfelelő tájolására, hogy a mágneses erőtere lehetőleg ne az A/D áramköreit megsze. A trafó 12VAC szekunderfeszültségű, és legalább 1A terhelhetőségű legyen. A bemeneti diódahíd diódáival párhuzamos 10nF kondenzátorok a diódák “kapcsolási” zavarait szűrik. A 12VAC szekunderfeszültség egyenirányítás, pufferelés után 16V DC lesz. A 7805 hűtőbordáját erre a feszültségre kell méretezni. Ube=16V, Uki=5V => Udrop=UbeUki=11V Iout=0,67A, Udrop=11V => Pd=Udrop*Iout=7,37W Tmax=80C, Tkörnyezet=25C => dT=TmaxTkörnyezet=55C dT=Rth*Pd => Rth=dT/Pd=7,46K/W A stab.IC és a hűtőborda eredő hőellenállása 7,46 K/W. Ez az IC hőellenállása, és a hűtőborda hőellenállása soros “kapcsolásából” jön ki. Tehát, hogy megkapjam a hűtőborda hőellenállását, a 7.46K/Wból ki kell vonni az IC hőellenállását, azaz 3K/W t. Így, a szükséges hűtőborda hőellenállása 4,46W/K. A CS5532 melletti REG1023.3 precíziós stabilizátor látja el az IC analóg áramköreit 3.3Vs tápfeszültséggel. A MAX6325 kimeneti feszültsége adja a CS5532 referenciafeszültségét. Az ICk néhány kulcsparamétere: REG1023.3: Uout=3.3V Output noise: 28Vrms I=250mA Udrop@250mA=150mV MAX6325: U=2.5V, 4.096V, 5V Ouptut noise: 1.5Vpp Temp.coefficient: 1ppm/C A project blokkvázlata, kapcsolási rajza, panelrajzai, szoftverblokkvázlata a következő oldalakon találhatóak.
3/8
HW blokkvázlat:
min. 12V AC
+3.3V tap (A/D analog tap) +2.5V ref.fesz A/D nek 3 2 A/D CS5532
3
uC (21 I/O lab + 510 lab ctrl)
7
7 2 min. 12V AC
+5V tap (digitalis resz)
Kijelzo (dot matrix LCD 1x8 char, min.)
Minden egyseg +5Vs tapot kap kiveve az A/D Billentyuzet (4x3 matrix)
kommunikacio RS232
4/8
SW blokkvázlat:
inicializalas (lcd, a/d, int_rs232)
A/D kiolvasas
beolvasott ertek konverzio (bin -> dec)
LCD-n megjeleniteni
delay_ms(500);
int_rs232: megszakitasgeneralas eseten a mert erteket elkuldi RS232-n
5/8
6/8
NYÁKtervek: Baloldalt fentről lefelé: A teljes nyákterv, alkatrészoldali fóliarajz, beültetési rajz Jobboldalon, fentről lefelé: Forrasztásoldali NYÁKterv, forrasztásoldali beültetési rajz
Alkatrészlista a következő lapon 7/8
Part Value Device Package Description C1 100nF CEUC0805K C0805K CAPACITOR, European symbol C2 100nF CEUC0805K C0805K CAPACITOR, European symbol C3 100nF CEUC0805K C0805K CAPACITOR, European symbol C4 100nF CEUC0805K C0805K CAPACITOR, European symbol C5 10nF CEUC0805K C0805K CAPACITOR, European symbol C6 10nF CEUC0805K C0805K CAPACITOR, European symbol C7 10nF CEUC0805K C0805K CAPACITOR, European symbol C8 10nF CEUC0805K C0805K CAPACITOR, European symbol C9 470uF CPOLEU153CLV1014 153CLV1014 POL CAPACITOR, European symbol C10 1uF CEUC1206K C1206K CAPACITOR, European symbol C11 1033pF CEUC1206K C1206K CAPACITOR, European symbol C12 1033pF CEUC1206K C1206K CAPACITOR, European symbol C13 100nF CEUC0805K C0805K CAPACITOR, European symbol C14 1uF CEUC1206 C1206 CAPACITOR, European symbol C15 100nF CEUC1206 C1206 CAPACITOR, European symbol C16 100nF CEUC1206 C1206 CAPACITOR, European symbol C17 100nF CEUC1206 C1206 CAPACITOR, European symbol C18 22nF CEUC1206 C1206 CAPACITOR, European symbol C19 100nF CEUC1206 C1206 CAPACITOR, European symbol C20 1uF CEUC1206 C1206 CAPACITOR, European symbol C21 1uF CEUC1206 C1206 CAPACITOR, European symbol C22 1uF CEUC1206 C1206 CAPACITOR, European symbol C23 1uF CEUC1206 C1206 CAPACITOR, European symbol D1 UF4007 DIODESMB SMB DIODE D2 UF4007 DIODESMB SMB DIODE D3 UF4007 DIODESMB SMB DIODE D4 UF4007 DIODESMB SMB DIODE D5 UF4007 DIODESMB SMB DIODE IC1 PIC16F877PQ PIC16F877PQ MQFP442 MICROCONTROLLER IC2 7805 78XXS 78XXS VOLTAGE REGULATOR Q1 20MHz XTAL/S QS CRYSTAL R1 1k REU_M1206 M1206 RESISTOR, European symbol R2 10 REU_M1206 M1206 RESISTOR, European symbol R3 10 REU_M1206 M1206 RESISTOR, European symbol R4 1M REU_M1206 M1206 RESISTOR, European symbol SL1 LCD_CSATLAKOZO M09 09P AMP QUICK CONNECTOR U$1 CS5532 CS5532 SSOP20 U$2 MAX6325 MAX6325 SO08 U$3 MAX3221 MAX3221 SSOP20D8 U$4 REG102 REG102 SO8 X1 W2372N W2372N WAGO SREW CLAMP X2 W2372N W2372N WAGO SREW CLAMP X3 F09HP F09HP SUBD
8/8
