В данной работе рассматриваются вопросы применения информационных технологий проектирования электронных изделий при проектировании регистратора климатических параметров. Дана характеристика области применения проектируемого устройства. Обосновано применение в устройстве быстродействующего микроконтроллера ATmega8 производства компании Atmel, в том числе с позиции импортозамещения. Указано, что этот микроконтроллер, помимо высокого быстродействия обладает низким энергопотреблением, что является критичным для портативного устройства. Сделан вывод о необходимости применения при проектировании средств САПР с функцией схемотехнического моделирования с целью сокращения затрат организации-разработчика на этапе изготовления и испытаний опытных образцов изделия.
Ключевые слова: регистратор климатических параметров, электрическая схема, САПР.
Проектируемый регистратор предназначается для регистрации и отображения на жидкокристаллическом индикаторе температуры окружающего воздуха и атмосферного давления. Схема устройства питается от гальванической батареи постоянным напряжением +9 В. Оно может использоваться как в качестве стационарного, так и в качестве портативного прибора, в том числе, для косвенного измерения высоты над уровнем моря. Проектирование ведется на базе прототипа и на основе структурной схемы, представленной на рисунке 1.
Рис. 1. Структурная схема регистратора климатических параметров
Главная цель, которая должна быть достигнута при проектировании блока, состоит в реализации следующих функций:
— подключение жидкокристаллического индикатора;
— возможность измерения атмосферного давления и температуры;
— возможность использования устройства в переносном варианте.
При этом следует предусмотреть возможность организации питания устройства в двух вариантах:
— питание от сети переменного тока с использованием стабилизированного блока питания, подключаемого к внешнему разъему устройства;
— питание от гальванической батареи, устанавливаемой в корпус устройства.
С точки зрения указанных целей устройство-прототип обладает функциональными возможностями, необходимыми для реализации основных функций. Однако, с точки зрения удобства использования, особенно при использовании в переносном варианте, его конструкция не сможет в полной мере удовлетворять требованиям удобства использования.
Моделирование электрической схемы устройства при этом призвано дать ответ на вопрос, верно ли определены на этапе проектирования режимы работы радиоэлементов, входящих в схему.
В основе электрической схемы регистратора лежит микроконтроллер ATmega8, работающий с тактовой частотой 4 МГц. Это восьмиразрядный AVR микроконтроллер, имеющий RISC архитектуру. Это восьмиразрядный AVR микроконтроллер высокой производительности, имеющий малое энергопотребление. Микроконтроллер ATmega8 выполнен по технологии CMOS и основан на архитектуре RISC. Выполняя одну полноценную инструкцию за один такт, микроконтроллер позволяет достигнуть производительности 1 MIPS на МГц, что обеспечивает оптимальность соотношения производительности к потребляемой энергии [1].
В условиях текущей экономической ситуации и общей направленности экономики на импортозамещение целесообразно было бы рассмотреть отечественные аналоги данного микроконтроллера. Одним из таких аналогов может являться микроконтроллер 1881ВГ4Т, производимый компанией «Интеграл». Тем не менее, на сайте производителя не приводятся характеристики данной микросхемы [2]. Таким образом, замещение данной микросхемы отечественным аналогом можно считать темой самостоятельного исследования.
Для измерения атмосферного давления к микроконтроллеру необходимо подключить датчик, обладающий достаточной точностью, чтобы с его помощью можно было проводить косвенное определение перепада высоты над уровнем моря. Для этой цели можно использовать, к примеру, датчик HP03SB, подключаемый по типовой схеме [3].
Единственным недостатком данной микросхемы является то, что она требует пониженного напряжения питания, по сравнению с микроконтроллером. Это приводит к необходимости использования подтягивающих резисторов и понижающего стабилитрона. В то же время, эта микросхема имеет встроенный датчик температуры, по показаниям которого микроконтроллер может корректировать показания атмосферного давления. Однако для реализации измерения температуры, как одной из основных функций устройства, этот датчик имеет недостаточную точность [2].
Более высокой точностью обладает цифровой датчик температуры DS1624. В настоящее время он почти не имеет конкурентов, поскольку может подключаться к микроконтроллеру напрямую.
Питание схемы должно осуществляться от стабилизированного источника или гальванического элемента напряжением +9 В. Однако для микроконтроллера и связанного с ним ЖКИ требуется напряжение питания +5 В. Такое понижение питания может быть реализовано с помощью интегрального стабилизатора напряжения 78M05.
Таким образом, применение в схеме регистратора микроконтроллера ATmega8 потребует введения в схему устройства цифрового датчика температуры и понижающего стабилизатора напряжения, что может быть реализовано по типовым схемам подключения. Схема электрическая принципиальная регистратора климатических параметров приведена на рисунке 2.
Необходимые для работы датчика тактовые импульсы частотой 32768 Гц вырабатывает генератор на элементах микросхемы DD1. В принципе, эти импульсы мог бы формировать и микроконтроллер DD2 с помощью одного из имеющихся в нем таймеров, но это потребовало бы усложнения программы и является направлением дальнейшего исследования.
Напряжение 3,6 В для питания датчика В1 и микросхемы DD1 получено с помощью стабилитрона VD1. Резисторы R1-R3 — нагрузочные для линий связывающего датчик с микроконтроллером интерфейса I2С и сигнала XCLR.
Рис. 2. Регистратор климатических параметров. Схема электрическая принципиальная
Хотя датчик давления HP03SB (B1) содержит в своем составе и встроенный измеритель температуры, его показания используются программой микроконтроллера DD2 только для уточнения результатов измерения давления. На жидкокристаллический индикатор HG1 вместе со значением давления выводятся показания другого датчика температуры — DS1624 (В2). Причина этого, как указано выше в его более высокой точности.
В то же время, разработка, а особенно модернизация и внедрение в производство новых изделий сопряжено с затратами производителя на изготовление опытных образцов, их испытания и доработку. Поэтому, если при проектировании схемы регистратора будут допущены ошибки, это может привести к фатальным отказам опытных образцов, что, в свою очередь, будет приводить к росту затрат на опытно-конструкторские разработки и, как следствие, увеличению себестоимости готового изделия. Риск этого невозможно полностью устранить, но можно свести его к минимуму путем использования на этапе проектирования регистратора климатических параметров средств САПР, функционал которых включает возможность моделирования работы электрической схемы [4].
Таким образом, для получения более объективной информации о параметрах режима работы элементов схемы регистратора было принято решение провести теоретический расчет режимов работы при максимальной нагрузке радиоэлементов, а затем сравнить его с результатами, полученными в САПР, обладающей функциями схемотехнического моделирования. учитывая наличие в схеме регистратора микроконтроллера, следует обратить внимание на наличие его готовой модели в базах программы.
Из наиболее часто используемых средств САПР, имеющих требуемые функции моделирования электрических режимов элементов, можно отметить такие как Altium Designer, Electronics Workbanch и, набирающий популярность продукт отечественной разработки SimOne.
Altium Designer на данный момент является самым универсальным комплексным пакетом для разработки РЭС. Файлы проектов легко могут быть конвертированы в форматы сторонних приложений, а интерфейс интуитивно понятен. Даже несмотря на введенные санкционные ограничения и прекращение работы компании Altium в России, данный программный продукт продолжает оставаться широко распространенным [5].
Поэтому, исходя из проведенного анализа возможностей перечисленных программных пакетов, для моделирования схемы блока защиты нагрузки было решено применить САПР Altium Designer. В настоящее время автором проводится построение модели схемы регистратора климатических параметров с целью проверки результатов теоретического расчета.
Литература:
- Сайт производителя «ATMEL» [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://www.microchip.com/en-us/product/ATmega8 — (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 «Hope Microelectronics» [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://www.hoperf.com/sensor/pressure_sensor/index.html — (Дата обращения 24.12.2023).
- Антипенский, Р. В. Схемотехническое проектирование и моделирование радиоэлектронных устройств / Р. В. Антипенский, А. Г. Фадин. — М.: Техносфера, 2007. — 127 с.
- Сайт производителя «Altium» [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://www.altium.com/ru — (Дата обращения 24.12.2023).
