3. Микроконтроллер считывает значение фазы;
4. Микроконтроллер передает по каналу UART число соответствующие фазе сигнала.
2. Расчет блока питания
В данной работе используются микросхемы с напряжением питания +5В. Поэтому блок питания также надо проектировать на 5В.
Рассчитаем потребление схемы. Ток потребления компараторов 40 мА. Генератор потребляет 50 мА, счетчик 50 мА, триггер (Texas Instruments SN7474 - 20 мА, инвертор (ST Microelectronics HCF4069) - 10 мА, микросхема 2И-НЕ - 4 мА, микроконтроллер (ATMega48) - 20 мА, преобразователь уровней (MAX232) - 10 мА. То есть суммарная нагрузка на блок питания равна 154 мА. Будем рассчитывать на ток 200 мА. Потребляемая мощность всех элементов платы чуть более 1 Вт. Блок питания на основе неуправляемого мостового выпрямителя с понижающим трансформатором. Для получения стабильного напряжения используем интегральный стабилизатор LM7805. Выбираем стандартный трансформатор типа ТПП - ТПП234-127/220-50 (ток вторичных обмоток 200 мА, номинальная мощность - 10Вт, напряжение вторичных обмоток 10В).
Каждый диод выпрямителя должен выдерживать обратное напряжение и прямой ток
мА
Согласно этому в качестве диодов мостового выпрямителя был выбран диодный мост B40S (Iпр=1А, Uобр=40В). При стандартном подключении стабилизатора LM7805 на его входе и выходе следует включить конденсаторы номиналом 20 мкФ марки К50-6.
3. Разработка алгоритма работы программы
Рассмотрим алгоритм измерения фазы и частоты сигнала.
Частота будет измеряться с помощью сигнала с выхода усилителя на транзисторе VT2. Этот сигнал будет подсоединен к входу внешнего прерывания INT0. Микроконтроллер будет настроен так, чтобы прерывание вызывалось когда на этом выводе будет сигнал низкого уровня. Перед измерением частоты сигнала в переменной FRQ заносится ноль, разрешается прерывание INT0 (в регистр маски EIMSK отправляется 1). Когда на этом входе буде сигнал низкого уровня то прерывание будет вызываться и увеличивать значение регистра DPTR на 1. Подсчитаем сколько циклов занимает одно выполнение подпрограммы прерывания. Один цикл занимает вызов прерывания, два цикла инкремент регистра и еще два - выход из подпрограммы прерывания. С учетом, того что время цикла МК составляет 1 мкс, то подпрограмма обработки прерывания занимает 5мкс. Так можно измерять отрезки времени от 5мкс (200 кГц)..5мкс·65536(3Гц). С учетом того, что измеряется только время половины периода (отрицательный полупериод сигнала) диапазон измеряемых частот будет составлять 100 кГц. При этом значение FRQ будет прямо пропорционально периоду сигнала. Пересчет в частоту будет осуществляться по формуле:
,
где N - содержимое FRQ. Исходя из этого частоте 15 кГц соответствует число 6.
Сигнал с помощью которого определяется фаза подсоединен к входу внешнего прерывания INT1. Разность фаз прямопропорциональна сигналу низкого уровня. Подпрограмма обработки этого прерывания будет иметь следующий вид:
Fase:
Inc DPTR
NOP
reti
Эта подпрограмма выполняется 10 мкс. Увеличение времени выполнения этой подпрограммы вызвано тем, что сигнал фазы может иметь максимальную длительность равную периоду сигнала (а не половине как при измерение частоты), что может привести к переполнению регистра DPTR в случае если подпрограмма занимает 5 мкс. Поэтому время выполнения этой подпрограммы увеличено вдвое.
Рассмотрим алгоритм нахождения константы пересчета для загрузки в генератор.
Если частота сигнала больше 15 кГц (N<7), то в 9-разрядный регистр MUX генератора, с помощью которого определяется режим работы программного делителя частоты, загружается число 000110010В. При занесении в регистр MUX данного числа частота генератора будет равна 60 МГц.
Если частота сигнала меньше 15 кГц (N>6), то в 9-разрядный регистр MUX генератора, с помощью которого определяется режим работы программного делителя частоты, загружается число 000110100В. При занесении в регистр MUX данного числа частота генератора будет равна (60/(ND+2)) МГц, где ND - число загружаемое в 9-разрядный регистр-делитель. Так как необходимо получать частоту генератора равную
и исходя из справочной документации частота генератора имеет зависимость от константы пересчета :
то имеем систему исходя из которой найдем зависимость
ND(N): (1).
С учетом того, что вычисление по формуле (1) константы ND будет выполняться с погрешностью, то следует увеличить ее значение на 1, для того чтобы частота генератора гарантированно была меньше числа , и не произошло переполнения счетчика. Тогда
(2).
Посчитаем при каком N в формуле (2) ND будет неотрицательным
То есть фактически формулу (2) для пересчета можно применять для частот при которых N>6. Так как максимальное значение программного делителя составляет 513 (29+2), то минимальная частота генератора при которой применим этот алгоритм деления частоты составляет
кГц.
При этом из формулы (2)
а частота сигнала равна
Гц.
Для получения более низкой частоты нужно изменить значение регистра MUX генератора на такое значение 000111000В. Тогда частота на выходе генератора будет меньше чем частота резонатора генератора (60 МГц) в 2·(ND+2) раза. Тогда уравнение, из которого вычисляется константа ND, изменится, и будет иметь вид
Поэтому значение ND согласно формуле (2) нужно поделить на 2 и добавить 1. Тогда
(3)
При этом константа ND, вычисленная по формуле (3) программируется в генератор при частоте сигнала в диапазоне Гц, что соответствует значению N=3496..6977=0DA8h..1B41h.
При частотах сигнала в диапазоне fc=7.5..14.3 Гц в регистр MUX генератора программируется следующее значение 000110000В. Тогда частота на выходе генератора будет меньше чем частота резонатора генератора (60 МГц) в 4·(ND+2) раза. Поэтому значение ND согласно формуле (2) нужно поделить на 4 и добавить 1. Тогда
что соответствует значению N=6978..13954=1B42h..3682h.
Рассчитаем, какое число нужно загрузить в регистр TH1 для настройки последовательного интерфейса на скорость 4800 бод/с. Частота передачи данных рассчитывается по формуле:
.
Из этой формулы находим константу которую нужно загрузить в TH1.
Так как число 243 округлялось найдем фактическую скорость передачи данных.
бод/с
Погрешность составляет 0.15%. Такая погрешность скорости не вызывает ошибок при передаче данных.
4. Описание алгоритма программы для МК
Микроконтроллер должен осуществлять такие действия:
1) начальную настройку своих узлов и периферийных устройств;
2) прием параметров измерения фазы от компьютера;
3) измерение частоты сигнала;
4) выбор режима измерения фазы;
5) выдача информации о частоте и фазе компьютеру.
Соответственно этому МК будет работать по алгоритму указанному на рис.5.
Рис.5. Блок-схема алгоритма программы для МК
5. Программа для МК
6. Описание алгоритма программы для ПК
Программа, которая будет выполняться ПК должна осуществить следующие действия:
1) определить у пользователя параметры измерения фазы;
2) инициировать начало работы фазометра;
3) считать сообщение о исправности фазометра;
4) в случае если он исправен послать сообщение о параметрах измерения фазы;
5) считать числа соответствующие фазе и частоте;
6) преобразовать частоту в герцы, а фазу в радианы и сохранить;
7) в конце измерения вывести на экран среднее значение фазы и частоты;
8) повторить все начиная с пункта 1.
Рис.6. . Блок-схема алгоритма программы для ПК
7. Программа для ПК
uses crt;
var i,k,z,contr,l,ms:Byte;
Base : word ;
Value : byte;
t :Boolean;
fase,freaquency:integer;
fase_r,freaquency_r,divider:real;
data:array[1..100,1..2]of real absolute $6B00:$0000;
Procedure OpenCom(Base:word ; Baudrate:word ; Config :byte);
begin
while Port[Base+5] and $60 <> $60 do;
Port[Base+3] := $80;
Port[Base+1] := BaudRate shr 8;
Port[Base+0] := BaudRate and $FF;
Port[Base+3] := Config;
Port[Base+4] := 0;
Port[Base+1] := 0;
end;
Procedure send_char(Base : word ; Value : byte);
while ((Port[Base+5] and $20) = 0) do ;
Port[Base] := Byte(Value);
Function get_char( Base : word ) : Boolean;
var status : word;
Status := Port[Base + 5];
if ((Status and $1E) <> 0) or ((Status and 1) = 0 ) then get_char := False
else
Value := Port[Base];
contr:=contr+Value;
get_char := True;
z:=1;
while(z=1) do
clrscr;
contr:=0;
writeln('Progam measure of fase');
writeln;
writeln('Input count measures');
Readln(i);
writeln('Input time of measurements');
Readln(l);
Base:=MemW[$40:2]; {COM2}
OpenCom(Base,24,3 + 0 + 0); {4800,8-bit,1 stop-bit,no control error}
send_char(Base , 0); {start}
if(get_char(BASE)=TRUE) then k:=Value; {meassage about working of device}
k:=k and 1;
if(k=0) then
send_char(Base , i); {number of measurements}
send_char(Base , l); {time of measurement}
for k:=1 to i do
if(get_char(BASE)=TRUE) then k:=Value; {higer byte of freaquency}
freaquency:=k*256;
if(get_char(BASE)=TRUE) then k:=Value; {lower byte of freaquency}
freaquency:=freaquency+k;
freaquency_r:=10e5/freaquency; {convertion in Hz}
if(get_char(BASE)=TRUE) then k:=Value; {higer byte of fase}
fase:=k*256;
if(get_char(BASE)=TRUE) then k:=Value; {lower byte of fase}
fase:=fase+k;
if(freaquency<7) then {60MHz}
divider:=1;
if(freaquency>6)and(freaquency<$0E00) then {60/Nd+2}
divider:=(75*freaquency)/512+1;
if(freaquency>$0DFF)and(freaquency<$1C00) then {30/Nd+2}
divider:=(75*freaquency)/1024+2;
if(freaquency>$1BFF)and(freaquency<$3700) then {15/Nd+2}
divider:=(75*freaquency)/2048+2;
if(freaquency<$3700) then fase_r:=360*(freaquency_r*divider/6e7) {convertion}
else {fase measured MK}
fase_r:=360*((2*fase)/freaquency);
data[k][1]:=freaquency_r;
data[k][2]:=fase_r;
if(get_char(BASE)=TRUE) then
if(Value<>contr) then {control}
z:=0;
writeln('Error COM port');
end
l:=0;
while l=0 do
writeln('Input number of measurements');
Readln(ms);
if(ms>100) then l:=1
else writeln('f=',data[ms,1],' fase=',data[ms,2]);
ReadKey;
freaquency_r:=0;
fase_r:=0;
for k:=1 to i do {medium measurements}
freaquency_r:=freaquency_r+data[k,1];
fase_r:=fase_r+data[k,2];
freaquency_r:=freaquency_r/i;
fase_r:=fase_r/i;
Writeln('Medium f=',freaquency_r,' fase=',fase_r,' o');
end.
Выводы
В данной работе был спроектирован автоматический фазометр. Основной сложностью при его проектирование был выбор компонентой базы, так как данный фазометр должен измерять фазу у сигнала с частотой 100кГц с точностью 0.2%. Это эквивалентно измерению временных интервалов длительностью 20нс. Интегральных таймеров на такую частоту найдено не было. Из-за чего таймер был спроектирован на базе трех 4-разрядных счетчиков и генератора с программируемой частотой. Для измерения фазы сигнала вначале измеряется его частота с помощью микроконтроллера, а затем генератор программируется на частоту в 212 раз большую, чем частота сигнала. При активном уровне с выхода системы перехода напряжений через ноль, счетчик считает импульсы генератора, а затем микроконтроллер считывает их и передает компьютеру, где константы соответствующие частоте и фазе преобразуются в герцы и градусы и показываются оператору по его запросу.
Страницы: 1, 2
