Файл: Лабораторная работа 2 (Формирование управляющих воздействий).pdf
ВУЗ: Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Категория: Методичка
Дисциплина: Системы реального времени
Добавлен: 15.11.2018
Просмотров: 1247
Скачиваний: 11
Ст. преп. каф. ИТАС Фёдоров Андрей Борисович
версия документа 2018-04-21
1
Лабораторная работа 2
Изучение принципов формирования управляющих
воздействий на исполнительные устройства через
дискретный и аналоговый интерфейсы
Цель и задачи лабораторной работы
Цель: Получить практические навыки формирования управляющих воздействий на
исполнительные устройства через дискретный и аналоговый интерфейсы Arduino
(микроконтроллера).
Задачи:
1) Ознакомиться с теорией.
2) Изучить способы подключения исполнительных устройств к дискретному и
аналоговому интерфейсам контроллера.
3) Освоить методику написания программ для управления исполнительными
устройствами через дискретный и аналоговый интерфейсы.
4) Выполнить задание своего варианта.
5) Ответить на контрольные вопросы.
6) Подготовить и защитить отчет по лабораторной работе.
Теория
Плата Arduino Uno
Контроллер Arduino Uno построен на микроконтроллере ATmega328. Платформа
имеет 14 цифровых вход/выходов (6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ),
6 аналоговых входов, кварцевый генератор 16 МГц, разъем USB, разъем питания, разъем
внутрисхемного программирования ICSP и кнопку перезагрузки. Для работы необходимо
подключить платформу к компьютеру посредством кабеля USB, либо подать питание при
помощи адаптера AC/DC или батареи [1].
Основные технические характеристики Arduino Uno:
Микроконтроллер ............................................. ATmega328
Рабочее напряжение.......................................... 5 В
Внешнее напряжение (рекомендуемое) .......... 7-12 В
Цифровые входы/выходы ................................. 14 (6 из них выходы ШИМ)
Аналоговые входы ............................................ 6
Постоянный ток через вход/выход .................. 40 мА
Постоянный ток для вывода 3.3 В ................... 50 мА
Флеш-память ..................................................... 32 Кб из них 0.5 Кб для загрузчика
ОЗУ ..................................................................... 2 Кб (ATmega328)
EEPROM ............................................................ 1 Кб (ATmega328)
Тактовая частота ............................................... 16 МГц
Ст. преп. каф. ИТАС Фёдоров Андрей Борисович
версия документа 2018-04-21
2
Контроллер Arduino Uno может получать питание через порт USB или от внешнего
источника питания. Источник питания выбирается автоматически. Также к Arduino Uno
можно подключить внешний источник питания (например, батарею питания или
аккумулятор) к гнездовому разъёму Vin. Датчики и исполнительные устройства,
подключённые к гнездовым разъёмам 5V, 3.3V и GND, напротив, сами могут получать
питание от Arduino Uno:
Вход питания Vin. Используется для подачи питания от внешнего источника
через встроенный регулятор напряжения (в отсутствие 5 В от разъема USB или
другого источника питания).
Выход питания 5V (анод). Регулируемый источник напряжения, используемый
для питания микроконтроллера и компонентов на плате. Питание может
подаваться от вывода VIN через регулятор напряжения, или от разъема USB, или
другого регулируемого источника напряжения 5 В.
Выход питания 3V3 (анод). Напряжение на выводе 3,3 В генерируемое
встроенным регулятором на плате. Максимальное потребление тока 50 мА.
Вход/выход GND. Выводы заземления.
Каждый из 14 цифровых выводов Arduino Uno может быть настроен как вход или
выход, используя функции pinMode(…), digitalWrite(…), и digitalRead(…).
Выходное напряжение для лог. 0 составляет 0В, а для лог. 1 – 5В. Некоторые цифровые
выводы имеют дополнительные функции:
Последовательная шина: 0 (RX) и 1 (TX). Выводы используются для
получения (RX) и передачи (TX) данных через интерфейс RS-232C с TTL-
уровнями. Данные выводы подключены к микросхеме преобразователя
интерфейсов USB-to-TTL.
Внешнее прерывание: 2 и 3. Данные выводы могут быть сконфигурированы на
вызов прерывания либо на младшем значении, либо на переднем или заднем
фронте, или при изменении значения (функция attachInterrupt(…)).
ШИМ: 3, 5, 6, 9, 10, и 11. Любой из выводов обеспечивает ШИМ с
разрешением 8 бит при помощи функции analogWrite(…).
SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Посредством данных
выводов осуществляется связь через интерфейс SPI, для чего используется
соответствующая библиотека.
LED: 13. Встроенный светодиод, подключенный к цифровому выводу 13. Если
значение на выводе имеет высокий уровень, то светодиод «загорается».
На платформе Arduino Uno установлены 6 аналоговых входов (обозначенных как
A0..A5
), каждый разрешением 10 бит (т.е. может принимать 1024 различных значения).
Стандартно выводы имеют диапазон измерения от 0 до 5 В относительно земли, тем не
менее имеется возможность изменить верхний предел посредством вывода AREF
(Опорное напряжение для аналоговых входов) и функции analogReference(…).
Некоторые аналоговые выводы также имеют дополнительные функции.
Ст. преп. каф. ИТАС Фёдоров Андрей Борисович
версия документа 2018-04-21
3
Цифро-аналоговый преобразователь
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для преобразования
числа в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные значению
цифрового кода. Схемотехника цифро-аналоговых преобразователей весьма разнообразна.
На рисунке 1 представлена классификационная схема ЦАП по схемотехническим
признакам [2].
Рисунок 1 – Классификация ЦАП по схемотехническим признакам
Кроме
этого,
интегральные
микросхемы
(ИМС)
цифро-аналоговых
преобразователей классифицируются по следующим признакам [2]:
По виду выходного сигнала:
-
с токовым выходом;
-
выходом в виде напряжения.
По типу цифрового интерфейса:
-
с последовательным вводом;
-
с параллельным вводом входного кода.
По числу ЦАП на кристалле:
-
одноканальные;
-
многоканальные.
По быстродействию:
-
умеренного быстродействия;
-
высокого быстродействия.
По разрядности:
-
с малым разрешением;
-
с высоким разрешением.
Основными характеристиками ЦАП являются [3]:
диапазон выходных напряжений;
динамический диапазон;
выходной ток (или характеристики номинальной нагрузки);
Ст. преп. каф. ИТАС Фёдоров Андрей Борисович
версия документа 2018-04-21
4
полоса частот воспроизведения выходного сигнала;
период (частота) преобразования, для асинхронных ЦАП нормируется время
преобразования;
время установления выходного сигнала,
коэффициент нелинейных искажений,
погрешность воспроизведения напряжения постоянного и переменного тока.
Последовательные ЦАП
ЦАП с широтно-импульсной модуляцией
Очень часто ЦАП входит в состав микропроцессорных систем. В этом случае, если
не требуется высокое быстродействие, цифро-аналоговое преобразование может быть
очень просто осуществлено с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ, Pulse-
Width Modulation (PWM)). Схема ЦАП с ШИМ приведена на рисунке 2а. Широтно-
импульсный модулятор – простейший тип ЦАП. Стабильный источник тока или
напряжения периодически включается на время, пропорциональное преобразуемому
цифровому коду, далее полученная импульсная последовательность фильтруется
аналоговым фильтром нижних частот (рисунок 2б). Такой способ часто используется для
управления скоростью вращения электромоторов.
а) Схема ЦАП с ШИМ;
б) Последовательность импульсов на
выходе ЦАП с ШИМ.
Рисунок 2 – ЦАП с широтно-импульсной модуляцией
Наиболее просто организуется цифро-аналоговое преобразование в том случае,
если
микроконтроллер
имеет
встроенную
функцию
широтно-импульсного
преобразования. Контроллер с помощью своего таймера/счетчика формирует
последовательность импульсов, относительная длительность которых
(рисунок
2б) определяется соотношением:
(1)
где:
– разрядность преобразования,
– преобразуемый код.
Фильтр нижних частот сглаживает импульсы, выделяя среднее значение
напряжения. В результате выходное напряжение преобразователя:
(2)
где:
– разрядность преобразования,
– преобразуемый код,
– опорное напряжение ЦАП.
Ст. преп. каф. ИТАС Фёдоров Андрей Борисович
версия документа 2018-04-21
5
Рассмотренная схема обеспечивает почти идеальную линейность преобразования,
не содержит прецизионных элементов (за исключением источника опорного напряжения).
Основной ее недостаток – низкое быстродействие [2].
Последовательный ЦАП на переключаемых конденсаторах
Рассмотренная выше схема ЦАП с ШИМ вначале преобразует цифровой код во
временной интервал, который формируется с помощью двоичного счетчика квант за
квантом, поэтому для получения N-разрядного преобразования необходимы 2
N
временных
квантов (тактов). Схема последовательного ЦАП, приведенная на рисунке 3, позволяет
выполнить цифро-аналоговое преобразование за значительно меньшее число тактов.
Рисунок 3 – Схема последовательного ЦАП на переключаемых конденсаторах
В этой схеме емкости конденсаторов С
1
и С
2
равны. Перед началом цикла
преобразования конденсатор С
2
разряжается ключом S
4
. Входное двоичное слово задается
в виде последовательного кода. Его преобразование осуществляется последовательно,
начиная с младшего разряда D0. Каждый такт преобразования состоит из двух полутактов.
В первом полутакте конденсатор С
1
заряжается до опорного напряжения U
оп
при D0=1
посредством замыкания ключа S
1
или разряжается до нуля при D0=0 путем замыкания
ключа S
2
. Во втором полутакте при разомкнутых ключах S
1
, S
2
и S
4
замыкается ключ S
3
,
что вызывает деление заряда пополам между С
1
и С
2
. В результате получаем:
(3)
Пока на конденсаторе С
2
сохраняется заряд, процедура заряда конденсатора С
1
должна быть повторена для следующего разряда D
1
входного слова. После нового цикла
перезарядки напряжение на конденсаторах будет:
(4)
Точно также выполняется преобразование для остальных разрядов слова. В
результате для N-разрядного ЦАП выходное напряжение будет равно:
(5)
Если
требуется
сохранять
результат
преобразования
сколь-нибудь
продолжительное время, к выходу схемы следует подключить устройство выборки и
хранения (УВХ). После окончания цикла преобразования следует провести цикл выборки,
перевести УВХ в режим хранения и вновь начать преобразование.
Таким образом, представленная схема выполняет преобразование входного кода за
2N квантов, что значительно меньше, чем у ЦАП с ШИМ. Здесь требуется только два
согласованных конденсатора небольшой емкости. Конфигурация аналоговой части схемы