14.18. Пример проектирования на микропроцессоре: регистратор данных типа «градус-день»

Давайте приведем пример разработки, где все вышеприведенные идеи сведены воедино.

Мы разработаем небольшой регистратор данных с питанием от батарей, чья задача проводить текущий контроль температуры окружающей среды единожды за минуту, сохраняя средние значения «градус-день» в ОЗУ для последующего считывания их через последовательную систему передачи. Вы могли бы разместить такой прибор в удаленном месте, нанося ему визиты дважды в год, во время которых вы считываете его данные в портативный компьютер. Или вы могли предпочесть «собрать урожай» этих регистраторов, а затем считать их данные, после того как принесете их снова домой.

Прибор будет работать на трех щелочных -элементах, со сроком службы батареи по крайней мере год. Для поддержания потребляемой мощности на низком уровне мы будем использовать КМОП периферийные устройства и КМОП-микропроцессор типа контроллера со встроенными режимами остановки. Применим режим включения источника питания самого ЦПЭ и схем предварительной обработки в течение кратковременных интервалов сбора данных, с запуском его от маломощного кристалла хронометрирования. Поскольку последовательный порт будет использоваться только время от времени, мы сделаем также и здесь выключение источника питания. Наша частная схема не является никоим образом уникальной; наряду с ней мы рассмотрим и альтернативные схемные решения.

ЦПЭ. На рис. 14.43 показана схема нашей разработки. Мы начали с выбора КМОП-контроллера MCI 46805 фирмы Motorola, который предназначен для работы при напряжении питания вплоть до 3 В, в него входят встроенные схемотехнические решения для перехода в режим ОЖИДАНИЯ (малая мощность, работают генератор и таймер) или режим ОСТАНОВКИ (нулевая мощность, генератор остановлен, восстановление только через прерывание или сброс). В модификации с суффиксом-Е2 используются внешние ПЗУ и ОЗУ, но она имеет и внутреннее ОЗУ объемом 112 байт.

При работе с источником питания напряжением 5 В ЦПЭ потребляет при функционировании ток (тактовая синхронизация с частотой 5 МГц), в режиме ОЖИДАНИЯ - и в режиме ОСТАНОВКИ-5 . Поскольку нам необходимо регистрировать данные в течение только нескольких миллисекунд раз в минуту, а восстановление из режима ОСТАНОВКИ (благодаря запуску кварцевого генератора) занимает в типовом случае , мы минимизируем мощность потребления с помощью использования формируемого внешней схемой прерывания, которое подготавливает прибор к каждому измерению. Альтернативное решение-использование формируемого с помощью таймера ЦПЭ в режиме ОЖИДАНИЯ прерывания - обеспечивает средний ток потребления ЦПЭ по крайней мере , что соответствует сроку службы батареи С-элементов только полгода. Этот срок можно, конечно, довести и до года, т. е. используя -элементы; другое решение могло бы быть связано с работой на более низкой частоте генератора (скажем, 1 МГц), где ток в режиме ОЖИДАНИЯ существенно ниже. Еще одна возможность - это работа при напряжении питания 3 В, где ток потребления в режиме ожидания составляет приблизительно при тактовой частоте 1 МГц. Любое из этих решений вполне хорошее. В этом же примере мы будем придерживаться методов выключения питания, поскольку удастся продемонстрировать дополнительные технические приемы. При этом также получается приемлемая система хронометрирования с помощью кристалла календаря.

Тактовая синхронизация календаря.

Для обеспечения тактовой синхронизации календаря нам требуется кристалл, который не только может сохранять временные параметры при низком токе потребления (все кристаллы календаря делают это), но также может обслуживать прерывания во время режима потребления малой мощности. Поскольку поначалу кристаллы календаря предназначались для компьютеров, работающих от сети переменного тока, где имеется изобилие мощности, когда ЦПЭ функционирует, то многие кристаллы не могут обслуживать прерывания в режиме малой мощности (батарейное резервирование).

(см. оригинал)

Рис. 14.43. Пример схемы на универсальном микромощном микропроцессоре.

Мы сначала рассмотрим схему , прекрасный кристалл календаря фирмы Intersil; он обрабатывает прерывание в режиме малой мощности, но имеет неуклюжую схему питания при работе от единственной батареи. «Вечно популярная» схема фирмы National не может обрабатывать прерывание в режиме резервирования. Мы, наконец, решили остановиться на схеме MCI4618 фирмы Motorola - это популярный прибор, который выпускается по крайней мере еще двумя другими фирмами-изготовителями и предназначен для использования с кристаллами ЦПЭ типа . Схему можно оставить работающей и при полном напряжении питания, она обеспечивает низкий ток потребления , макс. на частоте , внешний генератор), когда не снят запрет.

Фирма Motorola «любит» отображение в памяти устройств ВВ (ввода-вывода) и их схема не является исключением. При этом отсутствует стробирование ввода-вывода, что предпочитает делать фирма Intel; вместо этого вы кодируете некоторую часть пространства памяти как «пространство ВВ». Только при использовании нескольких приборов ВВ в этой системе вы сможете запутаться при декодировании ВВ, как мы установили в разд. 10.06. Тогда мы поставим УАПП на «дно» внешней памяти (кристалл ЦПЭ резервирует нижние 80 байт для внутренней памяти и портов), а тактовая синхронизация календаря занимает ячейку , при этом используется тот же самый НС -дешифратор, который разрешает доступ к памяти (см. ниже).

Память.

В качестве стираемого программируемого ПЗУ мы использовали стандартную схему только нижняя четверть которой адресуется через -разрядную шину, к которой мы подключены (мы использовали верхнюю часть адресного пространства для устройств ВВ). ПЗУ меньшего объема было бы предпочтительнее, но фирмы-изготовители схем памяти, как правило, прекращают выпуск памяти меньшего объема, как только они осваивают выпуск кристаллов памяти большего объема.

Рис. 14.44. Пример распределения памяти микропроцессора.

Для схемы точно определен ток , макс., когда отменен ее выбор; в действительности же статический ток потребления не превышает . Следует отметить, фиксирование младшего адресного разряда из мультиплексной шины ЦПЭ и перекодирование пары сигналов фирмы Motorola в пару сигналов фирмы Intel (RD, WR), которое удобно выполнить на половине дешифратора (другая половина делает адресное декодирование).

Внешнее КМОП ОЗУ (необязательно и не показано) расположено ниже ПЗУ в адресном пространстве (см. рис. 14.44) и подключено к той же самой шине, за исключением декодирования адреса. Еще раз о том, что ОЗУ меньшего объема было бы предпочтительнее, но формы-изготовители кристаллов не содействуют этому.

Последовательная передача.

Для последовательной передачи (разд. 10.19) нам необходим УАПП и биполярный формирователь/приемник стыка . Поскольку последовательный порт будет использоваться только время от времени (в течение считывания и инициализации), то его можно оставить в выключенном состоянии, приводя с помощью ЦПЭ контроль подсоединения к нему какого-либо узла во время части его периодических рабочих циклов (раз в минуту).

Одна возможность тогда заключается в использовании обычного УАПП (например, 8251) с управлением выключения источника питания с помощью бита с выходного порта самого ЦПЭ. Эта прекрасная идея, хотя вы должны быть осторожны, поскольку при выключенном питании УАПП не нагружает шину (или получает питание от нее, как это делает КМОП-кристалл). Хороший способ решить эту проблему заключается в использовании на шине НС буферов с третьим состоянием, включаемых между самой шиной и отключаемым от питания УАПП, переводя их в состояние с высоким полным сопротивлением на время выключения питания (рис. 14.45).

Рис. 14.45. Развязка шины данных от периферийного оборудования с отключаемым питанием.

В этом примере мы выбрали более простое решение, а именно используем КМОП УАПП, который оставляется под питанием все время, переключая генератор только тогда, когда используется последовательный порт; результирующий ток покоя, хотя он и не определяется в технических условиях, в типовом случае не превышает . Для простоты также оставим под питанием большую часть стыка . Формирователь является одной из секций маломощного счетверенного блока с управляемым выключением; в отключенном состоянии определен ток покоя, который равен (тип.), (макс.). Отрицательное напряжение источника питания обеспечивается инвертором напряжения типа 7662, отключение питания которого осуществляется под управлением одного из битов порта ЦПЭ; хотя технические требования устанавливают ток (тип.), максимальный ток составляет , это достаточный довод в пользу отключения питания от той части схемы, которая должна использоваться 10 мин в год!

Отметим наличие токоограничивающего резистора с номиналом 100 Ом, поскольку нагрузка представляет собой короткое замыкание при начальном включении источника питания. Приемник стыка мы создали на основе НС логического инвертора с фиксатором на диоде Шоттки и токового ограничителя при биполярном входном сигнале.

При оставлении приемника под питанием мы сможем определить, когда что-нибудь подключено к самому последовательному порту, поскольку «спящее» состояние стыка (-отрицательное напряжение по крайней мере 3 В) приводит к появлению на выходе инвертора ВЫСОКОГО уровня (отметим привязку к верхнему уровню на входе). Вот почему выход инвертора кроме возбуждения самого УАПП подключен и к входному порту ЦПЭ. Конечно, и сам ЦПЭ мог бы распознать этот факт, но только в течение короткого интервала времени каждую минуту, когда он «разбужен». Следовательно, на практике при подключении к последовательному порту пользователь должен иметь некоторое терпение, т. е. подождать пока это не произойдет.

Устройства предварительной обработки.

В качестве датчика мы выбрали температурно-чувствительный источник тока . Ток этого двухконтактного источника пропорционален абсолютной температуре и устанавливается с помощью единственного резистора , где температура Т измеряется в кельвинах, а сопротивление омах. Он имеет податливость напряжения от 1 до 40 В и начальную точность 6%. В качестве АЦП мы выбрали простой дешевый (меньше 5 долл.) преобразователь с последовательным приближением, внутренним формирователем тактовой синхронизации, выходами с тремя состояниями и единственным источником питания с напряжением В. Он имеет удобный дифференциальный вход, со схемами установки полномасштабного диапазона. Поскольку он потребляет ток , мы применили выключение источника питания - управление с помощью разряда порта ЦПЭ.

В этой реализации мы выбрали Ом, т. е. . Разумный диапазон измеряемых температур лежит в пределах от — до , что соответствует диапазону изменения тока от до . Он должен быть согласован с входным диапазоном АЦП. Используемый конкретный АЦП имеет полномасштабный диапазон аналогового (опорного) напряжения , когда используется внешний источник эталонного напряжения к тому же структура дифференциального входа позволяет добавлять смещение на вход. В наиболее простой конфигурации, как это показано на рисунке, подается напряжение смещения, равное т. е. диапазон аналогового входного сигнала лежит в пределах от до . При использовании нашего источника питания с напряжением В, эталонное напряжение 1,23 В обеспечивается источником эталонного напряжения на запрещенной зоне, скажем, . Тогда диапазон аналогового входного сигнала составит от 1,23 до

3.69 В. Остальное просто, а именно, выбирая соответствующий нагрузочный резистор, установим нижнюю границу выходного сигнала самого датчика на напряжение 1,23 В, затем, добавляя каскад дифференциального усиления постоянного тока, установим верхнюю границу выходного сигнала датчика на напряжение

3.69 В. В соответствии с этим нагрузочный резистор датчика должен быть 4,84 кОм, за ним следует каскад с усилением напряжения как указано на схеме. Подстроечная регулировка нагрузочного резистора в диапазоне необходима, с тем чтобы согласовать начальные ошибки , смещение . Следует отметить необычную конфигурацию во входной цепи автоматического регулятора напряжения, который обеспечивает нулевую точку усилителя постоянного тока, равную эталонному напряжению, в то же время обеспечивая смещение эталонного источника.

Таблица 14.10. Ток потребления регистратора температуры

Упражнение 14.1. Проверьте сами наши арифметические вычисления температурного диапазона, который обеспечивается приведенными на рис. 14.43 номиналами резисторов.

Отметим, что мы сопрягли АЦП через шину параллельного порта, а не более обычным способом, т. е. используя шину данных ЦПЭ. Мы сделали это так, поскольку иначе бы при отключенном питании АЦП нагружал эту шину. Быстродействие в этой прикладной задаче не важно (особенно поскольку время запуска генератора ЦПЭ может достигать , а сама шина порта доступна и не используется.

Потребляемая мощность.

В табл. 14.10 дано распределение тока потребления в каждом из этих трех рабочих состояний. Следует отметить большой разброс между «типовым» и «максимальными» токами покоя. Если применены «типовые» ИС, то средний ток потребления (предполагая время «бодрствования» за минуту) составляет или 3 года работы на щелочных С-элементах (). В худшем случае средний ток потребления равен -предельное значение для необслуживаемого регистратора данных. Конечно, «худший случай» означает, что ток покоя каждой ИС определяется по проектному пределу. Имеются два решения: а) использовать гораздо более энергоемкие батареи, с тем чтобы гарантировать для худшего случая удовлетворительный срок их службы; или б) предварительно тщательно отобрать (измеряя ток ) ИС, которые определяют срок службы батареи, в данном случае сам ЦПЭ. В большинстве случаев вы сможете, вероятно, выйти из положения, придерживаясь правила в) жить опасно; большинство ИС имеют гораздо меньший ток утечки, чем указано в технических требованиях для худшего случая.

Программирование.

Программирование ПЗУ является непосредственным и повторяет основную структуру программно-аппаратных средств, которые мы уже рассмотрели в гл. 11. Однако имеется несколько дополнительных советов.

При выключаемом источнике питания позаботьтесь о выделении времени для восстановления работоспособности питаемого им прибора. Им может быть генератор на кварцевом резонаторе, в этом случае требуемая задержка может составить десятки миллисекунд. Инвертор напряжения 7662 в этой схеме имеет большие номиналы конденсаторов и потребуется несколько миллисекунд для установки его напряжения. Если отключаемый прибор подсоединяется к шине порта (как, скажем, АЦП), то разряды шины порта должны быть либо установлены в НИЗКОЕ состояние, либо запрограммированны как входные, перед тем как сам прибор отключится.

Если для развязки шины используются формирователи с третьим состоянием, позаботьтесь о переводе их в состояние высокого полного сопротивления до снятия напряжения с самого прибора.

Упражнение 14.2. Нарисуйте структурную схему регистратора данных типа день-градус. Правильно проведите мероприятия на разрядах параллельного порта, перед тем как «отправить его спать». Не забудьте инициализировать тактовую синхронизацию календаря и УАПП. Позаботьтесь о проверке наличия подключения к последовательному порту во время каждого рабочего цикла.

Альтернативное проектирование.

Как мы установили вначале, при работе с напряжением питания 3 В вместо 4,5 В (поскольку напряжение батареи со временем всегда падает, лучше всего сделать понижение исходного напряжения В с помощью микромощного стабилизатора с малым переходным напряжением типа или ILC7663), ЦПЭ мог бы находиться в режиме ОЖИДАНИЯ, а не в режиме ОСТАНОВКИ. В режиме ожидания , макс., при напряжении 3 В и частоте 1 МГц) внутренний генератор работает и поддерживает как прерывания, так и функцию внутреннего таймера. Таким образом, внешняя система тактовой синхронизации календаря могла бы быть заменена простым маломощным генератором на частоту и делителем (например, дешевой ИС ) для обеспечения формирования 1 импульса прерываний в секунду; внутренний таймер должен тогда переводить ЦПЭ в рабочее состояние в программируемый интервал времени, как было и раньше. Следует отметить, что в представленной конструкции большая часть энергии батареи расходуется системой тактовой синхронизации календаря-относительно дорогой кристалл чрезмерной сложности.

Упражнение 14.3. Нарисуйте исправленную схему регистратора температуры, который «засыпает» в режиме ОЖИДАНИЯ.

Изготовители предлагают несколько современных кристаллов, которые позволят вам упростить схему последовательного порта . В состав схем серий формирователей/приемников стыка входят внутренние инверторы напряжения и в некоторых моделях имеется управление их «остановкой» с , тип. , макс.). Мы могли бы, следовательно, заменить схему 7662 на ее дискретный аналог с выключением питания, а схему единственную ИС МАХ235, в которую входят даже встроенные летающие конденсаторы. К несчастью, приемные секции последнего становятся «мертвыми» во время отключения, так что мы не можем использовать их также и для замены нашего приемника . В наличии имеются формирователи/приемники стыка , которые обеспечивают работу одного приемника во время микромощного выключения, например ИС однако этот кристалл не дает решения проблемы в нашем случае, поскольку для него требуется непрерывная подача напряжения от источника питания во время режима бездействия, что потребовало бы непрерывной работы схемы 7662.

По поводу альтернативных решений последовательного порта стоит отметить, что вы можете в действительности исключить УАПП при использовании пары битов параллельного порта ЦПЭ для организации передачи и приема. Для реализации такого «программного» УАПП вы должны написать программное обеспечение для формирования и приема последовательных потоков бит. В обычной процедуре должна использоваться программная функция внутреннего таймера ЦПЭ, которая устанавливает подходящую символьную скорость. Функция передачи относительно тривиальна, поскольку вы только формируете «1» или «0» по каждому сигналу таймера. Приемная функция, оказывается, требует большего внимания, поскольку вы должны стробировать приходящий на порт бит с гораздо большей тактовой скоростью (в типовом случае в 8 раз выше символьной скорости), для того чтобы выбрать его значение вблизи середины двоичной посылки.

на проблемы с программированием, программная реализация УАПП часто более пригодна для небольших систем, поскольку позволяет отказаться от БИС.

Вместо прямых выходов стыка в конструкцию мог бы входить отключаемый от источника питания модем, обеспечивающий подключение к телефонной линии. Прибор фирмы National был бы хорош в этом случае, обеспечивая ток покоя при единственном источнике питания с напряжением В. Пассивная схема «обнаружения вызова» (рис. 14.46) могла бы тогда заменить схему «обнаружения маркера» отрицательного уровня (см. рис. 14.43). Было бы лучше обеспечить запуск прерывания при обнаружении вызова, поскольку никому не понравится ожидать минуту, пока телефон ответит. В представленной конструкции присутствие маркирующего уровня В или более) могло бы также быть использовано для запуска прерывания.

Рис. 14.46. Обнаружение телефонного вызывного сигнала. (С любезного разрешения. N. Jotikasthira и М. Bain, фирма Infinet. )

Упражнение 14.4. Покажите, как сделать запуск прерывания при поступлении маркирующего уровня. Позаботьтесь об обеспечении очистки прерывания программным способом.

Периферийный АЦП мог быть привязан к шине ЦПЭ (вместо порта), при этом КМОП-формирователи сигналов третьего состояния используются для формирования развязки отключаемого от питания прибора (рис. 14.45). Тот же самый прием можно было применить для минизации потребления мощности от источника питания, если высококачественный УАПП (например, ) как показано на рис. 11.13) подставляется вместо используемого здесь простого .

Немного философии: всегда соблазнительно постараться выжать последнюю каплю из микромощного проектирования, применяя дьявольские ухищрения в виде крайне маломощных приборов, отключения источника питания и др. Для нашей схемы вы смогли бы, вероятно, преуспеть в таком проектировании, где вместо С-элементов используются АА-элементы. Но крайние усилия (и цена) не имели бы в нашем случае значения, поскольку уменьшение на 20% размера и веса не существенно для данной прикладной задачи. В действительности имело, вероятно, бы смысл еще больше упростить конструкцию, например, запитать ИС 7662 от того же самого отключаемого источника питания, что и периферийный АЦП, или даже оставить его под питанием постоянно.