В настоящей работе приводится обоснование необходимости применения средств схемотехнического моделирования при проектировании блока многофункционального контроллера. Дана краткая характеристика схемотехнического моделирования и его текущего развития. В основной части работы приводится характеристика проектируемого блока, его функционального назначения и отличительных особенностей. На основе приведенных данных делается вывод о необходимости применения в составе блока вычислительного узла на микроконтроллере. По результатам сравнения готового решения на основе Arduino и произвольного микроконтроллера сделан выбор в пользу PIC16F877. На основе данных производителя микроконтроллера дана его краткая характеристика с точки зрения применимости в составе проектируемого блока вне типовых схем подключения. Сделан вывод о том, что в этом случае требуется подтверждение теоретических выводов путем проведения моделирования схемы и оценки ее работоспособности. Для этой цели были выбраны наиболее известные комплексные программные продукты, имеющие функции моделирования электрических схем, дана их сравнительная характеристика. В результате анализа достоинств и недостатков был сделан выбор в пользу пакета Altium Designer.
Ключевые слова: многофункциональный контроллер, микроконтроллер, моделирование.
Проектируемый блок многофункционального контроллера представляет собой компактное устройство, которое позволяет организовать управление различными исполнительными устройствами путем изменения программного обеспечения. Отличительной особенностью блока является то, что все порты ввода/вывода используемого микроконтроллера должны быть выведены на контакты внешних разъемов. Это позволяет подключать к ним различные внешние устройства, подающие сигналы на входы микроконтроллера или управляемые сигналами с его выходов. Структурная схема блока приведена на рисунке 1.
Рис. 1. Структурная схема блока
Блок многофункционального контроллера разрабатывается на основе прототипа, который хоть и обладает необходимыми функциональными возможностями, но не лишен ряда недостатков. Прежде всего это касается габаритов и массы блока. Например, в устройстве-прототипе применяется корпусная навесная элементная база. Поскольку конструктивно блок должен состоять из одного печатного узла, то его размеры, определяемые установочными размерами применяемых элементов, будут определять габариты всего блока [2].
Блок-прототип не предусматривает возможности отладки узла контроллера и управления его работой с помощью терминальной программы на персональном компьютере. В то же время, например, при осуществлении перепрограммирования микроконтроллера, лучшим вариантом будет вывод требуемых контактов микроконтроллера на разъем, чтобы провести операцию без демонтажа микроконтроллера.
Резервное питание в блоке-прототипе не предусматривается. Таким образом при перебоях питания работа устройства может быть нарушена. Но, исходя из универсальности устройства, вопрос необходимости организации непрерывного питания следует решать в зависимости от конкретной реализации и назначения управляемой системы.
Таким образом, главная цель, преследуемая при проектировании блока, состоит в реализации следующих функций:
– подключение графического жидкокристаллического индикатора;
– реализация двойного назначения одного из функциональных разъемов;
– вывод на внешние функциональные разъемы максимального количества выводов микроконтроллера.
При этом функциональный разъем двойного назначения может быть задействован в одном из двух основных режимов:
– нормальная работа контроллера — в этом случае не требуются дополнительные линии подключения питания;
– режим программирования — в этом случае питание может подаваться как на программатор от модуля вычисления, так и наоборот в зависимости от типа программатора.
Для управления работой блока многофункционального контроллера может быть применен вычислительный узел на основе Arduino или микроконтроллер без подключенных стандартных цепей комплектации. В качестве такого микроконтроллера может быть использован, например, PIC16F877A-20PU [3]. Такое конструкторское решение дешевле, чем Arduino, к тому же оно позволяет сэкономить объем в корпусе блока, упростит организацию коммутации внутри блока и позволит снизить энергопотребление за счет отсутствия элементов, которые входят в стандартную комплектацию, но не потребуются для реализации функциональных возможностей блока многофункционального контроллера.
PIC16F877–8-разрядный микроконтроллер, выпускаемый фирмой Microchip Technology. Это специализированный микропроцессор, предназначенный в основном для программного управления автоматизированными системами, автомобильными и электрическими двигателями, устройствами передачи информации и измерительными приборами. В отличие от универсальных процессоров, он имеет развитые средства взаимодействия с внешними устройствами и более простую систему команд [3].
Данный микроконтроллер не имеет встроенного тактового генератора, поэтому к внешним выводам OSC1 и OSC2 необходимо подключить кварцевый резонатор частотой 8 МГц [3].
Для подключения графического жидкокристаллического индикатора между ним и микроконтроллером следует установить регистр. Для этой цели подойдет, например, распространенная микросхема IN74HC164, подключаемая по типовому варианту [4].
Питание схемы должно осуществляться от стабилизированного источника, во избежание повреждения микроконтроллера и индикатора. Такой источник питания может быть реализован с помощью микросхемы регулируемого стабилитрона TL431CPL.
На такой источник питания необходимо подавать внешнее напряжение не менее +5 В. Максимальное допустимое значение напряжения будет ограничиваться только параметрами применяемых транзисторов. Тем не менее, производитель микросхемы не рекомендует подавать напряжение
выше +12 В без крайней необходимости.
Полученная в итоге схема блока многофункционального контроллера приведена на рисунке 2.
Рис. 2. Принципиальная схема блока многофункционального контроллера
Разъем Х4 может быть использован для подключения к нему, как показано на схеме, графического ЖКИ HG1 с разрешением 128х64 пкс и встроенным контроллером. Для экономии выводов микроконтроллер выдает информацию для отображения на ЖКИ последовательным кодом, который с помощью сдвигового регистра DD2 преобразуется в параллельный, подаваемый на шину данных индикатора. Регулировка контрастности изображения на ЖКИ производится резистором R15. Транзистор VT3 по сигналам микроконтроллера включает и выключает подсветку.
При обычной работе узла между контактами 1, 2 и 8, 9 разъема Х2 должны быть установлены показанные на схеме перемычки S1 и S2. Для внутрисхемного программирования микроконтроллера DD1 к этому разъему можно подключить программатор.
Учитывая, что микросхема контроллера подключается не по типовой схеме, в которой отсутствуют обычно применяемые в комплекте с ней элементы, необходимо провести моделирование схемы устройства с целью оценки работоспособности проектируемого устройства.
Блок многофункционального контроллера по принципу действия является, в основном, цифровым устройством, поэтому при выборе программных средств для его моделирования основным критерием будет являться не только точность и достоверность получаемых результатов, но и фактор доступности моделей конкретных микросхем и микроконтроллеров в базах данного программного продукта.
С целью выбора САПР для моделирования схемы радиоприемного модуля был проведен сравнительный анализ наиболее часто используемых на данный момент программных пакетов, результаты которого представлены в таблице 1.
Таблица 1
Сравнительная характеристика средств САПР
|
Параметр |
Altium Designer |
Delta Design |
Electronics Workbench |
|
наличие обновляемых баз электронных компонентов |
+ |
+ |
- |
|
требовательность к ресурсам ПК |
- |
+ |
+ |
|
точность и достоверность формирования результата |
+ |
нет данных |
+ |
|
наличие поддержки производителем |
+ |
+ |
- |
|
наличие русскоязычного интерфейса |
+/- |
+/- |
- |
|
наличие документации на русском языке |
+ |
+ |
+ |
|
возможность трассировки печатной платы |
+ |
+/- |
в стороннем приложении |
Как видно из приведенного анализа, лучшими характеристиками обладают САПР Altium Designer и Delta Design.
Достоинством Delta Design в условиях нынешней экономической ситуации и санкционного давления является то, что данный программный пакет позиционируется как САПР отечественной разработки. Немаловажно и то, что базы программы уже содержат модели более 30000 различных элементов и продолжают наполняться. Тем не менее, этот пакет имеет ряд недостатков, таких как неполная локализация на русский язык и недостатки интегрированной программы-трассировщика Топор [5].
При всем сказанном выше нельзя не отметить, что сейчас самыми обширными базами компонентов, включающими, в том числе, микроконтроллер PIC16F877A, обладает САПР Altium Designer [6]. Поэтому, даже при условии частично русифицированного интерфейса, для моделирования схемы проектируемого блока многофункционального контроллера было решено использовать именно Altium Designer. В настоящее время проводится разработка модели электрической схемы блока многофункционального контроллера.
Литература:
- Антипенский, Р. В. Схемотехническое проектирование и моделирование радиоэлектронных устройств / Р. В. Антипенский, А. Г. Фадин. — М.: Техносфера, 2007. — 127 с.
- Проектирование РЭС: Учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию / В. Ф. Борисов, А. А. Мухин, М. Ф. Митюшин, А. Н. Шишков, Ю. В. Чайка. — М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2018.- 96 с.: ил.
- Сайт производителя «MICROCHIP» [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://www.microchip.com/en-us/product/PIC16F877A — (Дата обращения 24.12.2023).
- Холдинг «Интеграл» [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://integral-catalog.by/produktsiya/integralnye-mikroskhemy/standartnye-tsifrovye-logicheskie-ims/kmop-seriya-in74hcxxxn-d-dw/in74hc164ad.html?sphrase_id=29460 — (Дата обращения 24.12.2023).
- Сайт производителя «EREMEX» [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://www.eremex.ru/products/delta-design — (Дата обращения 24.12.2023).
- Сайт производителя «Altium» [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://www.altium.com/ru — (Дата обращения 24.12.2023).
