Встраиваемые системы. Проектирование приложений на микроконтроллерах семейства 68HC12/HCS12 с применением языка С - Стивен Барретт

• Сертификация: Комиссия FCC дает обзор применений ЭМС.

• Декларация соответствия: эти испытания выполняет лаборатория, уполномоченная Национальным Институтом Стандартов и Технологии (NIST).

Например, для ряда изготовителей испытания по ЭМС выполняет лаборатория Underwriters Laboratory (UL).

Международные стандарты, касающиеся ЭМС, разработаны прежде всего Международной Электротехнической Комиссией (МЭК, IEC). Стандарты, разработанные МЭК могут быть разбиты на следующие группы:

• Разряды электростатического электричества (публикация IEC 61000–4–2)

• Излучение электромагнитных полей высокой частоты (публикация IEC 610004–3)

• Электрические быстрые переходные процессы/пакет (публикация МЭК: IEC 61000–4–4)

• Электромагнитные импульсы (surges) (публикация МЭК: IEC 61000–4–5)

• Устойчивость к помехам, передаваемым за счет проводимости (публикация IEC 61000–4–6)

• Устойчивость к магнитным полям (публикация IEC 61000–4–9)

• Посадки напряжения, кратковременные прерывания и изменения напряжения (публикация IEC 61000–4–11)

Наиболее важный урок, следующий из нашего обсуждения, состоит в том, что требования к ЭМС должны быть частью технических требований на изделие, сформулированных до начала цикла проектирования.

В следующем разделе мы исследуем, как управлять энергопотреблением во встроенных системах.

6.6. Управление энергопотреблением 

Часто микроконтроллерные системы представляют собой переносные или дистанционно-управляемые модули. Обеспечение подходящего источника напряжения для системы становится главной задачей — задачей, которая может быть обоюдоострым мечом. С одной стороны, должна быть разработана подходящая система питания, чтобы обеспечить соответствующее напряжение и текущие требования для системы в течение приемлемого временного интервала. С другой стороны проектировщик должен уменьшить потребляемую мощность встроенной системы контроллера. Кроме того, система должна иметь защиту от понижения питающего напряжения. Вся эта совокупность требований рассматривается в данном разделе. Мы ограничиваем наше обсуждение системами с аккумуляторным питанием. 

6.6.1. Параметры потребляемой мощности для микроконтроллера 68HC12

Чтобы разработать систему питания для встроенной микроконтроллерной системы, необходимо определить несколько параметров проекта:

• Напряжения питания, необходимые для встроенного контроллера, периферийных устройств, и всех компонентов системы;

• Токи утечки для каждого компонента системы;

• Ожидаемая период работы системы без замены или перезарядки батареи; 

• Температура среды.

После определения параметры, можно приступить к проектированию подходящего батарейного источника питания. Для определения этих значений необходимо тщательно исследовать технические данные для каждого компонента системы. Все вычисления должны проводиться для наихудшего случая — другими словами, при наиболее критичных значениях токах утечки и рабочей температуры.

6.6.2. Типы батарей

После определения параметров системы можно начать выбор батареи. На рис. 6.7 и 6.8 представлен краткий обзор характеристик распространенных типов батарей. В обзоре приведены только типы батарей, напряжения и емкости. Полный обзор характеристик приводится в каталоге источников питания для электронных устройств. Такие каталоги обеспечивают хороший обзор для всего разнообразия батарей. Но сначала рассмотрим характеристики четырех основных типов батарей:

• Щелочные: Щелочные батареи относительно дешевы, имеют высокие емкости и большое число типоразмеров. Напряжение на зажимах батареи постепенно уменьшается по мере разрядки; емкость увеличивается при нагревании и значительно уменьшается в низких температурах. Большинство щелочных батарей не может перезаряжаться, но некоторые изготовители выпускают перезаряжающиеся варианты щелочных батареи.

• Кадмий-никелевая: напряжение на их зажимах при полной зарядке ниже чем напряжения щелочных элементов. Также обратите внимание, что емкость батареи этого типа также значительно меньше чем у щелочных батарей. Характеристика разрядки более пологая чем у щелочных батарей, как показано на рис.6.8.

• Никелевая металлогибридная: Никелевая металлогибридная (Ni-MH) батарея может перезаряжаться. Этот тип батареи обеспечивает умеренную емкость за умеренную стоимость.

• Литиевая: литиевая батарея имеет 3,6 В напряжение на зажимах и соответственно большую емкость. Батареи этого типа также имеет довольно пологую характеристику разряда. Однако это свойство сочетается с относительно высокой стоимостью по сравнению с батареями других типов.

Тип Неперезаряж. щелочная Перезаряж. Ni-Cd Перезаряж. NI-металлогибридная Неперезаряж. Li Размер Напряжение Емкость Напряжение Емкость Напряжение Емкость Напряжение Емкость D 1,5 15,000 1,2 1,200 1,2 8,000 3,6 16,500 С 1,5 7,000 1,2 1,200 1,2 4,500 3,6 7,200 АА 1,5 2,250 1,2 500 1,2 2,250 3,6 2,100 AAA 1,5 1,000 1,2 180 1,2 600 — — N 1,5 650 1,2 150 1,2 — — — 9 В транзистор 9,0 550 — — 9,0 170 — — 6 В фонарь 6,0 11,000 — — — — — —

Рис. 6.7. Характеристика пропускной способности для различных типов батареи

Рис. 6.8. Характеристики разряда батареи

Это качественные характеристики. Детальные семейства характеристик с учетом раз рядного тока и температуры приводятся в литературе, предоставляемой изготовителями

6.6.3. Емкость батарей

Что точно представляет собой емкость батареи? Обратите внимание, что емкость измеряется в миллиампер-часах (мА-ч). Эта единица измерения сообщает всю историю. Если известен ток утечки батареи, может быть вычислен срок службы. Например, при напряжении 9 В, емкости 500 мА-ч и токе разряда 5 мА такая батарея должна обеспечивать питание в течение приблизительно 100 часов. Однако, емкость уменьшается при высоких токах разряда и низких рабочих температурах.

6.6.4. Стабилизация напряжения

Вспомним, что питающее напряжение (VDD) для микропроцессора 68HC12 имеет довольно малый допуск, электрические характеристики для контроллера, показывают, что питающее напряжение должно поддерживаться в диапазоне 5В±10%. Чтобы поддерживать это, относительно постоянное напряжение при изменении условий, используется схема стабилизатора. Типичная схема стабилизатора — супервизор микропроцессора, показанный на рис. 6.9.

Рис. 6.9. Цепи супервизора для микропроцессора

Стабилизирующее устройство состоит из микросхемы стабилизатора, оборудованного помехоподавляющими конденсаторами на входах и на выводах. Микросхема стабилизатора обычно представляет собой устройство с тремя выводами: вход (I), выход (O) и общим выводом (C). Эти стабилизирующие устройства определяются выходным напряжением и номинальным током. Хорошим практическим решением является выбор регулятора, номинальный ток которого по крайней мере вдвое превышает максимальную токовую нагрузку. Полная линейка стабилизаторов представлена серией 78XX. Под обозначением XX здесь подразумевается номинальное значение выходного напряжения.