Modul riadiaceho mikropočítača

Aby bolo možné celý generátor vôbec používať potrebujeme riadiaci modul. Jeho úlohou je ovládať DDS čip, atenuátor a interfejs pre obsluhu. Pre našu konštrukciu sme sa rozhodli použiť jednočipový mikropočítač, ktorého funkcia je pri niektorých úkonoch podporená počítačom typu PC. Interfejs pre obsluhu tvorí doska klávesnice a štvor-riadkový LCD displej.

Jadrom riadiaceho modulu je jednočipový mikropočítač. Na trhu je v súčasnosti nepreberné množstvo jednočipových mikropočítačov rôznych parametrov od rôznych výrobcov. Spolu s autorom riadiaceho programu Tomášom Dreslerom sme dlho zvažovali aký obvod použiť z hľadiska hadrvérového vybavenia ale aj jeho dostupnosti v kusovom množstve na našom trhu.

Konečné rozhodnutie padlo na čip ADuC831 od firmy Analog Devices. Hlavnými požiadavkami na riadici mikropočítač bola možnosť programovať ho cez rozhranie RS-232 priamo z PC bez prídavného hardvéru, dostatok integrovanej pamäte RAM aj FLASH pre pomerne rozsiahle vyhľadávacie tabuľky a DA prevodník pre účely sledovania polohy v cykle rozmietania.

Doska plošných spojov bola navrhnutá pre púzdro MQFP čo pre záujemcov o stavbu  mimo iné znamená, že predaj naprogramovaných procesorov je nemožný. Celý riadiaci software bude k dispozícii voľne na stiahnutie.

Riadiaca doska integruje všetky komponenty do kompletného celku VF generátora ako je znázornené na blokovej schéme na obrázku 36. Zásuvný modul DDS sa inštaluje priamo na dosku, atenuátor, klávesnica a displej sa pripájajú konektormi a plochými káblami.

 

Obrázok 36: Pripojenie periférií k procesoru (bloková schéma generátora)

Riadiaci mikropočítač má k dispozícii štyri osembitové porty, z toho jeden je možné použiť len ako vstupný. Moduly generátora by bolo možné pripojiť priamo na porty procesora, čo by ale znamenalo komplikovaný prístup ku hardvéru. Preto sme sa rozhodli komponenty  vyžadujúce prenos väčšieho množstva dát alebo rýchly prístup namapovať do externej pamäti dát mikropočítača. Znamená to vytvorenie zbernice plus niekoľko registrov navyše a tým komplikovanejší plošný spoj, ale na druhej strane to veľmi uľahčilo a zrýchlilo prístup na DDS alebo displej a teda rýchlejšie rozmietanie a užívateľský interfejs.

Interná pamäť údajov je využitá na tabuľku ladiacich slov pri rozmietaní a obsluhu displeja. Klávesnica s rotačným enkóderom je pripojená na porty P1 a P3.

Vzhľadom na to, že DDS čip pracuje s napájacím napätím digitálnej časti 3,3V bolo nutné vyriešiť niekoľko problémov. Prvá verzia riadiacej dosky pracovala s napätím 5V, čo umožňuje použiť štandardné ľahko dostupné integrované obvody (TTL, HCT). Problém je ale s interfejsom ku DDS, ktorý vyžaduje transláciu 21 signálových vodičov na úroveň 3,3V CMOS. Túto funkciu plní množstvo integrovaných obvodov, ale na našom trhu sú v kusovom množstve nedostupné. Preto sme rozhodli, že napájacie napätie riadiacej časti bude 3,3V a celú riadiacu dosku osadiť obvodmi typu HC. Translátor úrovní pre DDS teda nie je nutný. V tejto konfigurácii sa ale musí použiť displej kompatibilný s 3,3V signálmi. Tieto sú však zohnateľné aj na našom trhu.

Adresy jednotlivých modulov v externej pamäti dát sú (hex):

-         8xxx: Modul DDS, paralelný prístup, len zápis

-         Axxx: Modul DDS, sériový prístup, len zápis

-         Cxxx: Atenuátor, len zápis

-         Exxx: LCD znakový displej  len zápis

Jednotlivé sekcie atenuátora na adrese C000 sú adresované nasledovne:

-         Bit 0: Attn_ON – odpojovač výstupu generátora

-         Bit 1: Attn_30dB – 30dB sekcia

-         Bit 2: Attn_20dB – 20dB sekcia

-         Bit 3: Attn_10dB – 10dB sekcia

-         Bit 4: Attn_5dB – 5dB sekcia

-         Bit 5: Attn_Amp – zosilňovač (+15dB sekcia)

-         Bit 6: Momentálne nevyužitý

-         Bit 7: LCD_backlight – podsvietenie displeja

Pripojenie atenuátora ku digitálnej časti je trochu špecifické. V mikroprocesorovej technike sa s obľubou používajú signály s otvoreným kolektorom, alebo drainom a záťaž so spoločným napájaním. Tieto umožňujú aj priame spojenie systémov s rôznymi napájacími napätiami. Naproti tomu vo vysokofrekvenčnej technike sa preferujú systémy so spoločnou zemou. Relé atenuátora nie je preto možné cez jeden tranzistor pripojiť ku digitálnej časti, ale je nutný konvertor úrovní. Tento je realizovaný dvojicou tranzistov NPN a PNP. Prvý NPN prevádza 3,3V CMOS signál z registra na otvorený kolektor s napájacou zbernicou pre relé. Druhá sekcia s tranzistorom PNP potom spína napájanie samotného relé.

Pri návrhu konštrukcie som uvažoval o použití tzv. digitálnych tranzistorov (majú priamo integrované bázové a pull-up/down rezistory), ale ich dostupnosť na našom trhu je veľmi zlá a neumožňujú nastaviť hodnoty rezistorov v prípade použitia relé s iným napájacím napätím ako v publikovanej konštrukcii. Prevodník tvorený diskrétnymi tranzistormi zaberá viac miesta na plošnom spoji, ale umožňuje modifikáciu hodnôt rezistrovo a je napríklad možné v atenuátore použiť 5V alebo 24V relé (samozrejme s rovnakým foot-printom ako v publikovanej konštrukcii).

Napájacie napätia pre riadiaci modul a pre DDS čip sa generujú priamo na doske tromi lokálnymi stabilizátormi. Vetvy +3,3V z IC4, IC6 a +5V z IC5. Modul DDS môže pri zapnutých všetkých systémoch zo zdroja odoberať až 1200mA a digitálna časť s podsvietením displeja približne 350 mA.

Presné napájacie napätie riadiaceho modulu nie je teda vzhľadom na použité stabilizátory kritické. V schéme zapojenia je naznačené ako +7V. Napájanie prístroja je možné riešiť dvoma spôsobmi.

Buď sa použijú všetky tri lokálne stabilizátory s vhodným chladičom a ľubovoľné  nestabilizované napájanie od zhruba 7V vyššie (treba zohľadniť minimálny úbytok na IC6), alebo hotový stabilizovaný zdroj +5V/2A. V tomto prípade sa stabilizátor IC5 vypustí a nahradí prepojkou. Stratový výkon obvodov IC4 a IC6 bude v druhom prípade do 4W, čo dáva predstavu o potrebnom chladiči. Model s tepelným odporom 5 až 10 °C/W by mal postačovať. Stabilizátory sú osadené zo spodnej strany DPS čo umožňuje použiť takmer ľubovoľný typ chladiča. Presné typové číslo chladiča neuvádzam zámerne lebo záleží od konkrétnej konštrukcie generátora ako celku.

Konštrukcia, osadenie a oživenie modulu

Modul riadiaceho mikropočítača je postavený na dvojvrstvovej doske plošných spojov veľkosti malej eurokarty. Vzhľadom na množstvo komponentov sú takmer všetky v SMD prevedení a sú osadené na obidvoch stranách dosky.

Obvod ADuC831 má podobne ako DDS čip rozostup vývodov 0,65mm, čo vyžaduje určité skúsenosti pri jeho osadzovaní. Osobne by som doporučil postup s prebytkom cínu a tavidla, popísaný napríklad na www.mcu.cz [1]. Osadzovaný obvod sa zafixuje v správnej pozícii zaletovaním 1-2 vývodov a potom s použitím dostatku tavidla (napr. kolofónie) a množstva cínu sa v prvej fáze preletujú všetky vývody na jednej strane púzdra. Hrotom mikropájky pritom po vývodoch ťaháme cínovú ”minivlnu”. S určitou praxou sa podarí vývody zaletovať rovno bez skratov, ale dobrým výsledkom sú aj všetky vývody skratované veľkým prebytkom cínu. Tieto potom v druhej fáze pretavíme a pomocou odsávacieho lanka odsajeme a dostaneme korektne zaletovaný čip. Z vlastnej skúsenosti doporučujem ale použiť originálne odsávacie lanko dostupné v obchodoch s elektronickými súčiastkami. Toto je naimpregnované tavidlom a teda dokonale odsáva nepotrebný cín. Lanko vyrobené napríklad z opletenia koaxiálu nie je dostatočne účinné, čo môže zanechať medzivývodové skraty na zaletovanom čipe. Po zaletovaní čipu opticky skontrolujeme prípadné medzivývodové skraty na procesore, ak sa nejaké vyskytnú tak ich pretavíme mikropájkou.

Stabilizátory LM317 nemajú izolovaný pin pripojený na chladič, preto je nutné medzi púzdro a chladič použiť sľudové, alebo iné izolačné podložky.

V rozpise súčiastok sú uvedené blokovacie tantalové kondenzátory veľkosti D o kapacitách 10 a 22 mF. Ich hodnota nie je kritická a je lepšie použiť najvyššie hodnoty na dané napätie aké sa podarí zohnať. Jediná podmienka je ich dostatočne napäťovo dimenzovať (hlavne na vstupe).

Osadenú dosku ešte bez modulu DDS a pripojených periférií pripojíme na stabilizovaný zdroj 5V. Trimrami nastavíme výstupné napätie stabilizátorov na 3,3V. Ak nepotrebujeme regulovať napätie vetiev 3,3V trimer je možné nahradiť pevným rezistorom s hodnotou 360 Ohmov. Výstupné napätie doporučujem skontrolovať aj v prípade použitia pevného deliča, nesprávne fungujúci stabilizátor totiž môže zničiť elektroniku na doske.

Keď je nastavené výstupné napätie stabilizátorov nainštalujeme zásuvný modul DDS a pripojíme ostatné periférie. Dosku zapojíme na finálny napájací zdroj.

Na riadiacej doske je umiestnených niekoľko jumperov, ich funkcia je nasledovná:

-         J1 „PSEN“. Nasadením tohto jumpera sa procesor po resete nastaví do programovacieho módu.

-         J2 „PMODE“. Definuje dátový režim DDS čipu. Nasadený jumper znamená paralelné programovanie, bez jumpera sériové. Základný program je napísaný pre paralelný mód.

-         J3 letovacia prepojka pre napájanie kryštálového oscilátora a budiacich invertorov digitálneho výstupu modulu DDS. Je možné zvoliť napájanie +3,3V alebo +5V, doporučujem prepojku preletovať tak, aby bolo napájanie +5V.

Výstupy oboch kanálov vstavaných DA prevodníkov z procesora sú k dispozícii na letovacích pinoch označených DAC0 a DAC1. Tieto signály sú rezervované pre pracovný mód generátora kedy je rozmietaný niektorý jeho výstupný parameter ako informácia o polohe v rámci cyklu (napríklad píla pre horizontálne vychyľovanie pre osciloskop, wobbler). V publikovanej verzii generátora sú bez ďalšieho spracovania vyvedené priamo na konektory na prednom paneli. V prípade potreby je možné samozrejme doplniť ľubovoľný obvod, ktorý upraví kvalitu vysielaného pílového signálu podľa konkrétnych požiadaviek.

LCD displej je k doske pripojený plochým 16-žilovým káblom. Pre štandardné displeje je rozloženie vývodov 1:1, t.j. čísla pinov na konektore by mali zodpovedať pinom na displeji. Pre úplnosť uvediem rozpis pinov LCD konektora v prípade, že bude použitý iný displej:

Pin

Funkcia

Pin

Funkcia

1

GND

9

D2

2

Napájanie radiča

10

D3

3

Napájanie displeja

11

D4

4

RS

12

D5

5

R/W

13

D6

6

ENABLE

14

D7

7

D0

15

Podsvietenie A

8

D1

16

Podsvietenie K

 

Klávesnica je pripojená plochým 20-žilovým káblom tiež zapojeným spôsobom 1:1. 

Modul atenuátora je k riadiacej doske pripojený plochým 16-žilovým káblom, ktorý je nie je na strane atenuátora zakončený konektorom, ale zaletovaný priamo na DPS atenuátora. Je možné použiť aj krimpovací konektor 2x8 pinov a samostatné vodiče pre každú sekciu atenuátora. Osobne ako autor hardvéru preferujem túto variantu, samozrejme záleží na každom konštruktérovi. Rozpis pinov konektora atenuátora je nasledovný:

Pin

Funkcia

Pin

Funkcia

1

Odpojovač výstupu

9

5dB sekcia

2

GND

10

GND

3

30dB sekcia

11

Zosilňovač

4

GND

12

GND

5

20dB sekcia

13

Momentálne nevyužitý

6

GND

14

GND

7

10dB sekcia

15

Napájacie napätie relé (+12V)

8

GND

16

Napájacie napätie relé (+12V)

 

Uchytávacie otvory dosky majú priemer 3,2mm a rozostup 150x90mm. Plošný spoj spolu s chladičom sa cez tieto otvory primontuje do prístrojovej krabice dištančnými stĺpikmi.

Naprogramovanie procesora ADuC831

Aby bol modul funkčný musíme do procesora nahrať program. Skompilovaný program riadiaceho mikropočítača je v sekcii download. Hardvér riadiaceho modulu bol navrhnutý tak, aby k programovaniu z PC nebolo potrebné žiadne ďalšie vybavenie okrem priameho sériového kábla. Okrem skompilovaného programu potrebujeme ešte utilitu Windows Serial Downloader (WSD) voľne stiahnuteľnú zo stránky Analog Devices. Kópia tohto programu, alebo linka odkiaľ sa dá stiahnuť bude tiež umiestnená na stránke projektu.

Postup nahratia programu je nasledovný (je nutné dodržovať poradie krokov):

  1. Prepojíme PC s riadiacou doskou sériovým káblom. Na PC spustíme program WSD. V programe v položke „Configuration“ nastavíme správne parametre komunikácie (frekvencia kryštálu procesora, číslo portu a pod.)
  2. Zapojíme jumper J1 (PSEN) na doske riadiaceho modulu
  3. Zapneme napájací zdroj. Ak je už zapnutý resetujeme procesor resetovacím tlačítkom
  4. Po stlačení tlačítka „Reset“ v programe WSD by sa mal procesor prihlásiť.
  5. Stlačením tlačítka „Download“ sa otvorí okno kde vyberieme *.hex súbor, ktorý chceme do procesora naprogramovať
  6. Program sa nahrá do procesora
  7. Odstránime jumper J1 a resetujeme procesor. Generátor by mal nabehnúť čo uvidíme na pripojenom displeji.

Ak WSD v bode 4 nenájde procesor pripravený na programovanie vypíše chybové hlásenie. V tom prípade je potrebné skontrolovať správne nastavenie frekvencie oscilátora a parametre sériového portu v programe WSD, prípadne stav jumpera J1 na doske a resetovať procesor. Ak ani teraz WSD nenájde procesor je veľmi pravdepodobné, že nefunguje sériová komunikácia (skontrolovať osciloskopom), alebo nekmitá oscilátor procesora.

Ovládací program a funkcie generátora budú popísané v pokračovaní tohto seriálu.

Zoznam súčiastok pre modul riadiaceho mikropočítača:

 

Part

Value

Package

C1

100n

1206

C2

100n

1206

C3

100n

1206

C4

100n

1206

C5

22u/15V

Tantal veľkosť D

C6

10u/15V

Tantal veľkosť D

C7

100n

1206

C8

22u/15V

Tantal veľkosť D

C9

10u/15V

Tantal veľkosť D

C10

100n

1206

C11

10n

1206

C12

100n

1206

C13

100u

Tantal veľkosť D

C14

100u

Tantal veľkosť D

C15

100u

Tantal veľkosť D

C16

100n

1206

C17

100n

1206

C18

22u/15V

Tantal veľkosť D

C19

100n

1206

C20

22u/15V

Tantal veľkosť D

C21

10u/15V

Tantal veľkosť D

C22

100n

1206

C23

100n

1206

C24

100n

1206

C25

33p

1206

C26

33p

1206

C27

100n

1206

C28

100n

1206

C29

100n

1206

CON1

2x8 pin

Vidlica bez aretácie do plošného spoja, napr. GME položka č. 800-006

CON2

2x8pin

Vidlica do DPS

CON3

2x10pin

Vidlica do DPS

CON4

2x5pin

Vidlica do DPS

D1

napr. 1N4148

Malosignálová SMD dióda, púzdro napr. SOD80

D2

napr. 1N4148

SOD80

D3

napr. 1N4148

SOD80

D4

napr. 1N4148

SOD80

D5

napr. 1N4148

SOD80

D6

napr. 1N4148

SOD80

D7

napr. 1N4148

SOD80

IC1

74HC574D

SO20W

IC2

ADUC831

PQFP52

IC3

ADM202

SOIC-16

IC4

LM317T

TO220H

IC5

7805T

TO220H

IC6

LM317T

TO220H

IC7

74HC138D

SO16

IC8

74HC574D

SO20W

IC9

74HC14D

SO14

IC10

74HC573D

SO20W

J1

jumper

 

J2

jumper

 

J3

jumper

 

P1

2k

Viacotáčkový precízny trimer

P2

1k

Viď text

P3

1k

Viď text

Q1

11.059MHz

Kryštál, púzdro HC49U

R1

220

1206

R2

10k

1206

R3

4R7

10mm rozostup

R4

220

1206

R5

10k

1206

R6

3k9

1206

R7

TBD

1206

R8

10k

1206

R9

10k

1206

R10

10k

1206

R11

10k

1206

R12

3k9

1206

R13

3k9

1206

R14

10k

1206

R15

10k

1206

R16

10k

1206

R17

2.2k

1206

R18

8.2k

1206

R19

2.2k

1206

R20

8.2k

1206

R21

2.2k

1206

R22

0/nc

Prepojka na DPS

R23

8.2k

1206

R24

2.2k

1206

R25

8.2k

1206

R26

2.2k

1206

R27

8.2k

1206

R28

2.2k

1206

R29

8.2k

1206

R30

2.2k

1206

R31

8.2k

1206

R32

1k

1206

R33

8.2k

1206

R34

8.2k

1206

R35

8.2k

1206

R36

8.2k

1206

R37

8.2k

1206

R38

8.2k

1206

R39

8.2k

1206

RESET

DTE6

Tlačítko do DPS, napr. GME položka č. 630-030

T1

BC817

SOT23

T2

BC807

SOT23

T3

BC817

SOT23

T4

BC807

SOT23

T5

BC817

SOT23

T6

BC807

SOT23

T7

BC817

SOT23

T8

BC807

SOT23

T9

BC817

SOT23

T10

BC807

SOT23

T11

BC817

SOT23

T12

BC807

SOT23

T13

BC817

SOT23

T14

BC807

SOT23

T15

BC817

SOT23

DDS

DDS modul

Osadiť dutinkové lišty 2x6, 2x6 a 2x20 pinov

 



Obr. 37: Schéma zapojenia modulu riadiaceho mikropočítača


Obr. 40: DPS modulu riadiaceho mikropočítača, strana súčiastok

Obr. 41: DPS modulu riadiaceho mikropočítača, strana spojov


Obr. 42: Osadzovací plán modulu riadiaceho mikropočítača, strana súčiastok

Obr. 43: Osadzovací plán modulu riadiaceho mikropočítača, strana spojov



Referencie:

[1] Článok z www.mcu.cz „Pájení SMD integrovaných obvodů“. Adresa http://www.mcu.cz/modules/news/article.php?storyid=493