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

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.

Например, на рис. 6.9 мы использовали микросхему стабилизатора 7805 (+5 В). В серию стабилизаторов 7805 входят приборы для широкого ряда номинальных токов. Стабилизаторы серии 79XX представляют собой ряд стабилизаторов отрицательных напряжений.

На входе и выходе используются сдвоенные конденсаторы: конденсаторы емкостью 0,1 мкФ для подавления высокочастотные помех и фильтровые конденсаторы с емкостью в диапазоне от 100 до 470 мкФ, для снижения выходных пульсаций.

Входное напряжение на схему стабилизатора можно подавать от источника постоянного напряжения или от батареи подходящего типа. При любом из этих вариантов, входное напряжение для стабилизатора должно обычно быть по крайней мере на 3 В больше, чем необходимое выходное напряжение стабилизатора.

В случае сбоя питания или разряда батареи, процессор необходимо перевести на резервное питание. Это легко сделать, используя схему управления микропроцессором.

6.6.5. Схемы супервизора для микропроцессора

Имеется много различных схем управления микропроцессором, производимых несколькими изготовителями. Приведем краткий обзор функций обеспечиваемых супервизором компании MAXIM.

Она выполняет следующие функции:

• Восстанавливает входное напряжение сброса в течение включения питания и при кратковременных провалах напряжения питания;

• Переключает на батарею резервного питания RAM CMOS, CMOS микропроцессора или другие маломощные логические схемы;

• Создает импульс сброса, если вспомогательный сторожевой таймер не переключается на определенном временном интервале;

• Использует пороговый детектор на 1,3 В для предупреждения сбоев питания, при низком напряжении батареи или подключении источника питания отличного от источника постоянного напряжения + 5В.

Типовая схема использования супервизора показана на рис. 6.9. Супервизор постоянно сравнивает напряжение на входе VСС с напряжением резервной батареи VBATT, и переключает на нее питание, когда напряжение на выходе VOUT становится меньше VBATT. Схема сравнения имеет гистерезис, позволяющий предотвратить многократные повторные переключения при близких значениях VСС и VBATT.

В состав супервизора входит также сторожевой таймер. Как уже упоминалось, микросхема 68HC12 имеет сторожевой таймер COP. Таймер супервизора совершенно подобен ему. Сторожевой таймер генерирует сигнал сброса, если сторожевой вход (WDI) не сбрасывается микропроцессором на интервале ожидания таймера. Подобно системе COP процессора 68HC12, пользователь должен встраивать в состав пользовательской программы команды, позволяющие регулярно создавать сигнал на входе WDI. Если программа становит «зависает», WDI не будет периодически сбрасываться, и на канале RESET супервизора появится сигнал сброса.

6.6.6. Меры энергосбережения

Проектировщик системы может использовать несколько методов, чтобы уменьшить потребляемую мощность встроенной системы управления:

• Рабочая частота: встроенный контроллер должен работать на самой низкой частоте, допустимой для специфического применения. Ключ CMOS потребляет мощность при переключении с одного логического уровня на другой. При более низких рабочих частотах количество переходов уменьшается, и, следовательно, уменьшается потребляемая мощность.

• Команды STOP и WAIT: система команд процессора 68HC12 содержит две команды STOP и WAIT, переводящие процессор в неактивное состояние, и позволяющие уменьшить потребляемую мощность. Например, когда микросхема B32 работает на частоте 8 МГц, ее выходной ток обычно составляет 45 мА. В режиме WAIT, ток, уменьшается до 5 мА а в режиме STOP — до 10 мкА. При выполнении обеих команд в стек 68HC12 помещается адрес возврата и содержание регистров ЦП. Команда STOP останавливает все таймеры системы, при выполнении же команды WAIT таймеры продолжают работать. Обе команды требуют выполнения операций прерывания или сброса для продолжения нормальной работы системы. Обратите внимание, что во многих применениях 68HC12 работает в режиме управляемых прерываний. То есть процессор инициализируется, а затем ждет события, вызывающего прерывание.

• Активация подсистемы: Некоторые подсистемы 68HC12 имеют переключатели «вклвыкл». Например, подсистема таймера бит разрешения работы таймера (TEN) в регистре управления системой таймера (TSCR). Также, подсистема аналого-цифрового преобразователя (АЦП) имеет бит подачи питания на АЦП (ADPU) бит в регистре управления АЦП 2 (ATDCTL2). Это позволяет обеспечивать подачу питания на системы только на необходимых временных интервалах необходимо и отключать их, чтобы сохранить мощность когда они не используются.

6.7. Заключение по главе 6

Мы обсудили условия применения CMOS, внешние и внутренние источники помех в схеме, методы снижения помех, методики испытаний на помехи и современные рекомендации по борьбе с помехами. Мы также обсуждали проблемы питания для встроенной системы, включая типы батареи, ее емкость, схемы управляющие питанием и меры энергосбережения. Хотя эти проблемы относятся к самым разным источникам, все они связаны общей нитью — их решение может превратить хороший проект на бумаге устройство, правильно работающее в «реальном мире».

6.8. Что еще прочитать?

1. Atmel, Inc. «EMC Design Considerations.» Application Note AVR040. 2004.

2. Atmel, Inc. «External Brown-out Protection.» Application Note AVR180. 2002.

3. Barrett, S. F. «Heart Arrhythmia Simulator.» Senior Design Project presented at the annual Nebraska Academy of Science, Lincoln, NE, 1979.

4. Campbell, D. «Designing for Electromagnetic Compatibility with Single-Chip Microcontrollers.» Application Note AN1263/D. Motorola, Inc., 1995.

5. Catherwood, M. «Designing for Electromagnetic Compatibility.» Application Note AN1050/D. Motorola, Inc., 2000.

6. Corp, M. Bruce. ZZAAP! Taming ESD, RFI, and EMI. Academic Press, 1990.

7. Federal Communication Commission. Rules and Regulations Part 15 Radio Frequency Devices, www.fcc.gov, 2004.

8. Glenewinkel, M. «System Design and Layout Techniques for Noise Reduction in MCU-Based Systems.» Application Note AN1259/D. Motorola, Inc., 1995.

9. Horowitz, Paul, and Winfleld Hill. Art of Electronics, 2nd ed. Cambridge, England: Cambridge University Press, 1989.

10. International Electro technical Commission. IEC 61000 Series Guidelines, www.iec.ch.

11. Johnson, Howard. High-Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 1993.

12. Kobeissi, I. «Noise Reduction Techniques for Microcontroller-Based Systems.» Application Note AN1705/D. Motorola, Inc., 1999.

13. Lun, Т. С. «Designing for Board Level Electromagnetic Compatibility.» Application Note AN2321/D. Motorola, Inc., 2002.

14. Maxim Integrated Products, «MAXIM Microprocessor Supervisory Circuits.» MAX 690-695. April 1995.

15. Motorola, Inc. «High-Speed CMOS Logic Data.» 1989.

16. Welch, Т. В. «Teaching Three Phase Power — A Low Voltage Approach.» Paper presented at the ASEE Annual Conference, Milwaukee, WI, June 1997. Welch, Т. В., and J. N. Berry. «Teaching Three-Phase Electrical Power Using a Low-Vollage Power Supply.» Paper presented at the ASEE Annual Conference, Seattle, WA, 1998.

6.9. Вопросы и задания

1. Опишите методы правильного обращения с устройствами CMOS.

2. Что может случиться, если обращаться с устройствами CMOS неправильно?

3. Что такое «дребезг» переключателя? Как исключить влияние «дребезга» переключателя?

4. Опишите методы снижения потребляемой мощности во встроенных микроконтроллерных системах.

5. Создайте карту выбора батареи из обычно доступных типов. Включить такие пункты, как тип батареи, конструктивные размеры, емкость и стоимостные показатели.

6. Что такое стабилизация напряжения? Почему важно использовать методы стабилизации напряжения во встроенных микроконтроллерных системах?

1. Опишите различие между ESD, RFI, ЭМП помехами, посадками, и импульсами напряжения. Приведите пример для каждого типа помех.

2. Почему таймеры для встроенных микроконтроллерных систем представляют собой традиционный источник помех? Какие методы могут использоваться, чтобы снизить помехи от таймеров?

3. Почему важно подсоединять свободные вводы портов во встроенных микроконтроллерных системах? Как эти вводы должны быть правильно подключены?

4. Почему важно подсоединять свободные входы аппаратного прерывания во встроенной системе контроллера? Как эти вводы должны быть правильно подключены?

5. Расскажите о методах программной защиты.

1. Разработайте систему источника питания с напряжением 5 В для 68HC12. Система должна иметь резервную литиевую батарею и содержать супервизор компании MAXIM. Разработайте блок-схему системы и детально опишите ее работу.