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

7.2.2. Подсистемы 68HC12 используемые в проекте

Основываясь на кратком описании проекта, мы можем определить периферийные модули МК 68HC12 необходимо использовать и внешние устройства которые которые будут использоваться для решения нашей задачи:

• Восемь двухпозиционных переключателей с аппаратной противодребезговой защитой, подключены к порту ввода МК;

• Восемь светодиодных индикаторов для логических выходов с тремя состояниями, подключены к порту вывода МК;

• Двухканальный ЦАП, связанный с МК по последовательному интерфейсу SPI, или два порта МК 68HC12, конфигурированных как выходные;

• Лазерный источник;

• Затвор и драйвер затвора;

• Два гальванометрических зеркала.

7.2.3. Описание некоторых компонентов системы

Как и прежде, рассмотрим доступные инструментальные средства из нашего инструментального ящика, позволяющие выполнить все требуемые функции. 

В нашем сундучке инструментов уже имеются следующие компоненты: 

• Противодребезговые переключатели;

• Восемь светодиодных индикаторов с тремя состояниями;

• ЦАП;

Однако мы еще не рассматривали лазеры, лазерные зеркала, лазерные затворы и гальванометрические зеркала. Рассмотрим эти устройства. Мы рассмотрим также более подробно технологию ЦАП.

Рис. 7.9. Типичная схема подключения ЦАП MC1408P8 фирмы Motorola

Однако мы еще не рассматривали лазеры, лазерные зеркала, лазерные затворы и гальванометрические зеркала. Рассмотрим эти устройства. Мы рассмотрим также более подробно технологию ЦАП.

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). В главе 6 мы обсуждали основы цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП). Поскольку МК 68HC12 не имеют в своем составе модуля ЦАП, необходимо воспользоваться внешними ИС ЦАП. Для данного проекта нам нужны фактически два отдельных канала ЦАП, чтобы управлять X и Y каналами гальванометров. Существует много различных ИС ЦАП, совместимых с 68HC12 и удовлетворяющих требованиям данного проекта. Их можно разделить на две категориии: ЦАП с последовательными или с параллельными входами. ЦАП с последовательными входами обычно подключается к МК с помощью интерфейса SPI. Читатель, интересующийся более подробным описанием этого типа интерфейса может обратиться книге Pack and Barrett [2002, гл. 10]. В этом примере, мы используем два 8-разрядных ЦАП с параллельными входами. Имеется широкое разнообразие таких ЦАП. В этом проекте мы используем ИС MC1408P8 фирмы Motorola. Типовая схема подключения ЦАП MC1408P8 к порту вывода МК показана на рис. 7.9. Выходное напряжение ЦАП определяется величиной опорного напряжения Vref, коэффициентом обратной связи операционного усилителя (определяется R14 и Ro) и цифровым кодом на входах A8…A1. Зависимость напряжения на выходе ЦАП в функции перечисленных параметров приведена на рис. 7.9. Величина опорного напряжения и номиналы резисторов определяются схемой подключения и не могут быть изменены в процессе эксплуатации. А вот кодовая комбинация на входах A8…A1 постоянно изменяется в процессе управления. И в соответствии с передаточной характеристикой ЦАП изменяется напряжение на выходе V0. Электрические характеристики цифровых входов ЦАП (A8…A1) позволяют выполнить их прямое подключение к выводам порта МК 68HC12. В соответствие с техническими условиями необходимо, чтобы напряжение V0 изменялось в диапазоне ±1 В при изменении кода на входах A8…A1 от $FF. Данное требование может быть выполнено при следующих номиналах резисторов схемы и опорного напряжения ЦАП:

• Vref = 5,0 В

• R14=R15= 1 кОм

• Ro = (2/5) R14 = 400 Ом

• RB = 2 (R14) = 2 кОм

Эти значения получены из решения уравнения для выходного напряжения, приведенного на рис. 7.9 для двух различных случаев: (1), когда выходное напряжение равно +1 В, и (2), когда выходное напряжение составляет 0 В; опорное напряжение Vref удобно выбрать равным 5 В. Эти значения составляющих обеспечивают выходное напряжение –1,0 В для двоичного кода $00 и выходное напряжения 0,992 В для двоичного кода $FF. Двоичные коды, заключенные между этими крайними значениями кода, обеспечивают 256 значений аналогового выходного напряжения линейно изменяющегося от –1,0 до 0.992 В.

Лазеры. Лазер (слово получено из сокращения light amplification by stimulated  emission of radiation — усилитель света на базе вынужденного излучения) представляет собой источник света с рядом специфических свойств и характеристик. Он, как считают, является монохроматическим (одна длина волны или очень узкий диапазон длин волн), когерентным (фронты волн находятся в фазе друг с другом), и нерасходящимся. Что же это означает? В основном, лазер обеспечивает одноцветный источник света с узким, подобным карандашу, лучом. Лазер с самого начала нашел применение фактически во всех областях промышленности и медицины [12]. Читателя, интересующегося более подробным знакомством с этой увлекательной темой, мы отсылаем к разделу «Что еще прочитать» в конце данной главы. Для рассматриваемого устройства, мы используем маломощный (менее 3 мВт) лазер в видимом диапазоне излучения. Лазеры этого типа доступны в нескольких различных исполнениях. Имеется ряд гелий-неоновых (HeNe) лазеров различных цветов. Однако газоразрядные трубки таких лазеров обычно имеют длину 25 см и диаметр 5 см. Более новая технология — твердотельный лазер с диодной накачкой (DPSS), маломощный лазер, для нескольких частот в видимой области. Его длина составляет приблизительно 5 см и диаметр 1,5 см, он питается от маленького выпрямителя [3]. Мы используем этот тип лазера для данного проекта. Эти лазеры достаточно просты в обращении. Вы подключаете их к сети, и сразу появляется луч.

При работе с лазерами применяется стандарт безопасности ANSI Z136. 1 «Безопасность при применении лазеров» [1], касающийся безопасной работы с приборами на базе лазеров. Если вы планируете реализовать подобный проект, мы советуем вам получить копию этого документа и подробно ознакомиться с ним. Стандарт делит лазеры на различные категории (классы от 1 до 4), основываясь на степени их опасности для пользователя. Чем выше номер класса, тем больше опасность. Лазер, который мы используем в этом приложении, принадлежит к классу 3a, обеспечивая мощность излучения 1…5 мВт в видимом диапазоне. Это тот же класс лазеров, к которому принадлежит лазерная указка. Хотя эта мощность относительно мала, обращаться с лазерами необходимо с особой осторожностью. Необходимо также предпринимать особые меры предосторожности при юстировке оптики, связанной с лазерной системой, чтобы предотвратить поражение глаз лазерным излучением. Ни в коем случае нельзя смотреть непосредственно в лазерный источник. Стандарт ANSI касается также других требований безопасности при использовании этого класса лазеров, включая предупредительные знаки, безопасное размещение лазера, обучение безопасному обращению с лазерами и ограничение доступа к ним.

Зеркала. Имеются оптические зеркала самых различных форм, размеров, и толщины, рассчитанные на различный диапазон частот излучения. Для этого применения, мы используем зеркала с нанесением покрытия на переднюю поверхность. Это означает, что зеркало имеет отражающее покрытие на наружной поверхности стекла. Такая технология предотвращает появление многократных отражений между передней и задней поверхностями зеркала. Кроме того, находящееся на передней поверхности отражающее покрытие должно быть рассчитано на соответствующую длину волны. То есть оно должно правильно отражать свет в интересующем нас диапазоне частот. Для этого приложения, мы используем лазер в видимом диапазоне (с длиной волны от 400 до 700 нм). Различные изготовители и поставщики обеспечивают широкий диапазон зеркал с различными покрытиями [3]. Оптические зеркала устанавливаются на вращающихся гальванометрических подвесках при помощи легких держателей.

Лазерные затворы. Лазерный затвор — это просто апертура для лазера, перекрывающая лазерный луч. В закрытом состоянии затвор обычно перекрывается створками. На створки наносится теплостойкое покрытие, способное выдерживать высокую плотность энергии лазера. Створки управляются драйвером лазерного затвора, имеющим логический вход, совместимый с транзисторно-транзисторной логикой (ТТЛ) и генерирующим выходной сигнал, согласованный с характеристиками затворов ряда изготовителей. Они имеют широкий диапазон диаметров апертуры: от 2 до 45 мм [13].

Гальванометры. В гальванометрах, называемых также оптическими сканерами, применяется эффективный метод перемещения лазерного луча. Гальванометры обеспечивают угол поворота зеркала точно соответствующий заданному значению входного напряжения. В идеале, должна быть обеспечена линейная связь между входным напряжением и углом поворота. Кроме того, гальванометры характеризуются максимальным и минимальным углами поворота. Легко приобрести гальванометры для углов до ±30 [4]. Гальванометры управляются внешними усилителями. Обычно это твердотельные усилители с переменным выходным сопротивлением. На их вход подается напряжение ±1,0 В, при этом ток управляющий поворотом зеркала гальванометра пропорционален входному напряжению. Как правило, обеспечивается регулировка нулевого смещения и коэффициента усиления драйверов гальванометров.