Уфа 2006

Задание кафедры

Разработать устройство контроля углового смещение вала электродвигателя. Устройство необходимо выполнить так, чтобы осуществлялась индикация угла поворота вала электродвигателя при помощи семисегментных индикаторов.

Содержание

1 Описание синус-косинусных вращающихся трансформаторов 4

2 Описание микроконтроллера ADuC812 7

3 Принципиальная схема 16

4 Блок-схема основной программы 17

5 Блок-схема подпрограммы преобразования АЦП 18

6 Блок-схема подпрограммы вывода на индикатор 19

7 Составление программы 20

7 Текст программы на ассемблере 21

8 Список использованной литературы 24

1 Описание синус-косинусных вращающихся трансформаторов

За получением более точной информации об угле поворота и вращении производители систем механообработки и робототехники в настоящее время обращают свое внимание в сторону синус-косинусных вращающихся трансформаторов (СКВТ) и сельсинов. Данные устройства зарекомендовали себя весьма хорошо в промышленных приложениях, требующих от применяемых устройств малых размеров, долговременной надежности, измерения абсолютного положения, высокой точности и малой величины шумов.

На рис.1 показана структура сельсина и СКВТ. Как сельсин, так и СКВТ используют роторы с одной обмоткой, которые вращаются внутри неподвижных статоров. В случае простейшего сельсина, статор имеет три обмотки расположенных под углом 120° одна относительно другой и соединенных звездой. СКВТ отличается от сельсинов только тем, что их статор содержит две обмотки ориентированных друг относительно друга под углом 90°.

Рис.1. Сельсины и СКВТ.

Вследствие того, что сельсины содержат три статорных обмотки, расположенных под 120°, они более сложны в производстве, чем СКВТ и поэтому более дорогостоящи. В настоящее время область применения сельсинов сужается, и исключение составляют некоторые устаревшие приложения в военной технике и авиации.

Современные СКВТ производятся в бесколлекторном исполнении, при этом, они используют трансформатор для подачи сигналов на ротор. Первичная обмотка такого трансформатора располагается на статоре, а вторичная на роторе. Другой тип использует традиционное решение для подачи сигналов на обмотку ротора с помощью щеток или коллектора. Бесколлекторные СКВТ более точны, чем сельсины, т.к. не существует щеток, которые ломаются и сдвигаются во время эксплуатации. Продолжительность безотказной работы бесколлекторных СКВТ ограничивается только ресурсом их подшипников.

Большинство СКВТ специфицируется для работы с напряжениями от 2 до 40 В СКВ и с частотами от 400 Гц до 10 КГц. Диапазон угловых точностей составляет от 5 угловых минут до 0.5 угловой минуты. (60 угловых минут составляет 1 градус, 60 угловых секунд содержится в 1 угловой минуте; Следовательно, 1 угловая минута = 0.0167 градуса).

В работе сельсины весьма похожи на вращающиеся трансформаторы. Обмотка ротора возбуждается переменным опорным напряжением с частотой до нескольких кГц. Величина напряжения наведенного на любую статорную обмотку пропорциональна синусу угла θ между осями катушки ротора и катушки статора. В случае сельсина, напряжение, получающееся на любой паре статорных зажимов, будет векторной суммой напряжений двух соединенных катушек. Например, если ротор сельсина возбуждается опорным напряжением Vsinωt, на зажимах R1 и R2, на зажимах статора напряжения будут в виде:

где θ- угол поворота оси ротора.

В случае же СКВТ, при подаче на ротор опорного напряжения Vsinωt на зажимах статорных обмоток будут напряжения:

Следует заметить, что трех проводной выход сельсина можно легко преобразовать в эквивалентный формат выхода СКВТ с помощью трансформатора Скотта. Поэтому следующие далее примеры по обработке сигналов касаются только СКВТ.

Типовой цифровой преобразователь с СКВТ (СКВТ ЦП) изображен схематично на рис.2. Оба выхода СКВТ подаются на косинусный и синусный перемножители. Эти перемножители содержат в себе синусную и косинусную таблицы преобразования и работают как умножающие цифроаналоговые преобразователи. Начнем с предположения, что текущее содержимое реверсивного счетчика представляет собой число, соответствующее некоторому начальному углу φ. Преобразователь непрерывно старается подстроить цифровой угол ω так, чтобы он был равен углу φ (и отслеживал его), измеряемому аналоговым образом. Выходные напряжения статора СКВТ записываются следующим образом:

где θ- угол поворота ротора СКВТ. Код цифрового угла ω подается на косинусный умножитель, и косинус угла умножается на V1, в результате получается равенство:

Код цифрового угла φ подается на синусный умножитель и умножается на V2:

Данные два сигнала вычитаются один из другого с помощью усилителя ошибки, в результате получается выходной сигнал в виде:

Используя тригонометрические функции, сократим запись:

Синхронный детектор демодулирует этот сигнал ошибки переменного тока, используя напряжение ротора СКВТ в качестве опорного. Эта операция дает сигнал ошибки постоянного тока пропорциональный величине sin(θ-φ).

Сигнал ошибки постоянного тока подается на интегратор, выход которого управляет ГУН (генератор управляемый напряжением), а ГУН в свою очередь управляет направлением счета реверсного счетчика, с тем чтобы:

Из этого следует:

Поэтому φ=ө внутри одного отсчета. Следовательно, цифровой выход со счетчика φ представляет собой угол ө. Регистр-защелка позволяет передать наружу эти данные не прерывая процесс слежения.

Рис.2. Цифровой преобразователь с СКВТ (СКВТ ЦП).

Данная цепь эквивалентна контуру управления (серво цепи) второго порядка поскольку, фактически, она содержит в себе два интегратора. Первым интегратором является счетчик, который накапливает импульсы управления, а вторым является интегратор, на который подается выход с синхронного детектора.

В контуре управления второго порядка с постоянной скоростью вращения на входе, выходное цифровое слово постоянно отслеживает входную величину без дополнительных внешних команд на преобразование и без дополнительного фазового сдвига между выходным цифровым словом и действительным углом поворота оси ротора. Сигнал ошибки появляется только во время ускорения или замедления системы. Интегральная схема (ИС) решающая задачу такого преобразования иногда называется более коротко ротационно - цифровым преобразователем (РЦП).

2 Описание микропроцессора ADuC 812

2.1 Общие технические характеристики микропроцессора ADuC812

Аналоговый ввод-вывод:

- 8-канальный прецизионный 12-разрядный АЦП;

- встроенный источник опорного напряжения (ИОН) с температурным дрейфом 40 ppm/ °С;

- высокая скорость выборок 200 К/сек;

- два 12-разрядных ЦАПа (выход - напряжение);

- внутренний температурный датчик.

Память:

- 8 КБ FLASH памяти программ;

- 640 КБ FLASH памяти данных;

-внутренний источник программирования (внешний не требуется);

- 256 Б внутренней памяти данных;

- 16 МБ адресного пространства внешней памяти данных.

8051 - совместимое ядро:

- 12 МГц номинальная частота (16 МГц - максимальная);

- Три 16-разрядных счётчика – таймера;

- порт с высоким током - Порт 3;

- девять источников прерываний, 2 уровня приоритета.

Питание:

- специфицирован для 3 В и 5 В работы;

- режимы: нормальный, холостой и дежурный.

Встроенная периферия:

- последовательный UART;

- 2-проводной (I²С) и SPI;

- охранный таймер (WDT);

- монитор источника питания.

Приложения:

- интеллектуальные датчики (в соответствии IEEE 1451.2);

- батарейные системы (портативные РС, инструмент, мониторы);

- системы слежения;

- системы сбора информации, коммуникационные системы/

2.2 Общее описание микропроцессора

Микропроцессор ADuC 812 - интегральная 12- разрядная система сбора информации, включающая в себя прецизионный многоканальный АЦП с самокалибровкой, два 12-разрядных ЦАПа и программируемое 8 разрядное - микропроцессорное ядро (совместимое с микропроцессором 8051) (MCU). Микропроцессор поддерживается внутренними 8К FLASH ЭРПЗУ программ, 640Б ЭРПЗУ памяти данных и 256Б статической памяти данных с произвольной выборкой (RAM).

Микропроцессор поддерживает следующие дополнительные функции: охранный таймер, монитор питания и канал прямого доступа для АЦП. Для мультипроцессорного обмена и расширения ввода-вывода, имеются 32 программируемых ввода-вывода линий, I²С, SPI и стандартный UART интерфейсы.

Для гибкого управления в приложениях с низким потреблением в MCU и аналоговой части предусмотрены 3 режима работы: нормальный, холостой и дежурный. Продукт специфицирован для 3В и 5 В работы в диапазоне температур и поставляется 52-выводном пластмассовом корпусе (PQF).

2.3 Функциональная блок – схема:

Таблица 1 – Описание контактов микропроцессора.

Мнемоника	Тип	Функция
DVdd	P	Положительное номинальное цифровое питание +3В или +5В.
AVdd	P	Положительное номинальное аналоговое питание +3В или +5В.
Cref	I	Блокирующий конденсатор для внутреннего ИОН. 0,1мкФ на AGND
Vref	I/О	ИОН вход/выход. Этот контакт внутри соединен через после­довательный резистор с ИОН для АЦП. Номинальное напря­жение ИОН 2,5 В и появляется на контакте (как только АЦП и ЦАП разрешены). Внутренний ИОН подавляется подключе­нием к этому контакту внешнего источника.
AGND	G	Аналоговая земля. Общая точка аналоговых цепей.
P1.0-P1.7	I	Порт 1 только на ввод. Порт 1 по умолчанию настраивается на ввод аналоговых сигналов, для конфигурирования контактов на цифровой ввод следует записать 0 соответствующий бит порта. Порт 1 - многофункционален и перечисленные функции выполняет.
ADC0-ADC7	I	Аналоговые входы. 8 однофазных входов. Выбор канала осуществляется через регистр специального назначения (SFR) ADCCON2.
T2	I	Цифровой вход Таймера/Счетчика 2. Когда разрешен Счетчик 2, инкрементируется по перепаду 1-0 на входе T2
T2EX	I	Цифровой вход. Для триггера Захвата/Перезагрузки Счетчика 2, так же работает как вход управления направлением счета Счетчика 2.
SS/	I	Выбор ведомого (Slave Select). Для синхронного интерфейса (SPI).
SDATA	I/O	Выбираемый пользователем ввод/вывод для I^2C и SPI.
SCLOCK	I/O	Синхронизация для I^2C и SPI.
MOSI	I/O	Для SPI Ведущий Выход/Ведомый Вход.
MISO	I/O	Для SPI Ведущий Вход/Ведомый Выход
DACO	О	Выходное напряжение с ЦАП 0.
DAC1	О	Выходное напряжение с ЦАП 1.
RESET	I	Цифровой вход. Высокий уровень сигнала на этом контакте в течение 24 периодов тактовой частоты при работающем ос­цилляторе вызывает выполнение устройством сброса.

Продолжение таблицы 1.
Мнемоника	Тип	Функция
P3.0-P3.7	I/O	Двунаправленный Порт 3 с внутренними, подтягивающими к питанию резисторами. Контакты Порта 3, с записанными в них 1 подтянуты вверх и могут использоваться так же как входы. При использовании контактов в качестве входов, сле­дует иметь ввиду, что они дают ток во внешнюю цепь. Кон­такты Порта 3 - мультиплексны. Вход приемника последовательного асинхронного интерфейса (UART) или:
RxD/P3.0	I/O	Ввод/Вывод данных для синхронного. Выход передатчика асинхронного последовательного интерфейса (UART) или
TxD	О	Выход синхронизации для синхронного.   .
INTO/	I	Вход внешнего пре­рывания 0, программируется по перепаду/уровню; устанавливается один из 2-х уровней приоритета. Контакт мо­жет использоваться как строб управления для Таймера 0.
INT1/	I	Вход внешнего прерывания 1, программируется по пере­паду/уровню; устанавливается один из 2-х уровней приоритета. Контакт мо­жет использоваться как строб управления для Таймера 1.
T0	I	Вход Таймера/Счетчика 1.
T1	I	Вход Таймера/Счетчика 1.
CONVST/	I	Вход Запуска Преобразования АЦП (активный низкий уро­вень) при разрешенном внешнем запуске. Переход 0-1 перево­дит схему в режим хранения и запускает цикл преобразования.
WR/		Выход сигнала управления Записью. Защелкивает байт дан­ных из Порта 0 во внешнюю память данных
RD/		Выход сигнала управления Чтением. Разрешает ввод данных из внешней памяти в Порт 0.
XTAL2		Инвертирующий выход генераторного усилителя.
XTAL1	I	Вход усилителя и вход доступа к внутренним цепям генератор
DGND	G	Цифровая земля. Общая точка цифровых цепей.
P2.0-P2.7	I/0	Двунаправленный Порт 2 с внутренними, подтягивающими к питанию резисторами.
(A8-A15) (A16-A23)		Контакты Порта 2, с записанными в них 1 подтянуты вверх и могут использоваться так же как входы. При использовании контактов в качестве входов, следует иметь ввиду, что они дают ток во внешнюю цепь. При выборке памяти программ Порт 2 содержит старший байт адреса, при обращении к памяти данных порт выдает средний и старший байты 24-разрядного адресного пространства.

Продолжение таблицы 1.
Мнемоника	Тип	Функция
PSEN/	О   I     I/O	Выход строба разрешения внешней памяти программ. Является сигналом управления внешней памяти программ. Активен в течение 6 периодов тактового генератора, исключая время доступа к внешней памяти данных. Контакт находится в со­стоянии Лог.1 при работе с внутренней памятью программ. Контакт можно использовать для разрешения режима после­довательной загрузки в ЭРПЗУ, для этого контакт подключа­ется через последовательный резистор к земле на время вклю­чения питания или генерации сигнала RESET/.
ALE	O	Выход строба записи адреса. Используется для защелкивания младшего байта адреса (при 24-разрядном пространстве - среднего байта адреса) при обращении к внешней памяти. Активен дважды в одном машинном цикле, исключая обращение к внутренней памяти данных.
EA	О	Вход разрешения доступа к внешней памяти программ. Если EA=1, выборка производится из внутренней памяти 0000Н.. 1FFFH, если EA = 0, то все инструкции выбираются из внеш­ней памяти.
P0.0-P0.7 (A0-A7)		Двунаправленный Порт 0 с открытым истоком. Контакты порта с записанными в них 1 являются плавающими и могут быть высокоимпедансными входами. При обращении к внешней памяти программ или данных Порт 0 мультиплексирован магистралями младшего байта адреса и данных. При такой операции порт подтянут внутренним образом при наличии в нем 1.

Тактирование микроконтроллера осуществляется с помощью генератора тактовых импульсов. Для этого к выводам микроконтроллера XTAL1 и XTAL2 подключается цепочка, состоящая из кварцевого резонатора ZQ1 и двух конденсаторов C1 и C2 емкостью по 22 пФ каждый. Основная резонансная частота кварца — 11,0592 МГц.

Для автоматического сброса ко входу RESET ОМЭВМ подключается RC-цепочка, состоящая из конденсатора C3 и резистора R5, которые обеспечивают кратковременный импульс напряжения +5 В при включении питания.

Блок индикации состоит из трех одноразрязрядных семисегментных индикаторов типа АЛС324Б (на схеме обозначены DA1 — DA3), на которые выводятся сообщения о угле поворота ротора. Для коммутации отдельных индикаторов используются три транзистора типа КТ503 (на схеме обозначены VT1-VT3), которые по сигналам с микроконтроллера попеременно подключают аноды индикаторов к напряжению питания. Управление сегментами индикаторов также осуществляется микроконтроллером, но через буферный элемент — восьмиразрядный регистр, выполненный на микросхеме типа К1533ИР22.

В качестве последовательного интерфейса RS-232 используем MAX-220:

В качестве АЦП будем использовать микросхему MAX-165

MAX165 высокоскоростной восьмиканальный пяти микросекундный аналогово-цифровой преобразователь с однополярным питанием. Является АЦП последовательного приближения. Напряжение питания составляет +5В, внутренне или внешнее опорное напряжение Vref=+1,23В.

MAX165 связывается через управляющие сигналы CS и RD. Эти сигналы управляют началом доступа преобразований и данных. Сигнал BUSY указывает начало и конец преобразований.

Функция передачи АЦП. Диапазон входных напряжений АЦП от 0 до Vref. Для этого диапазона напряжений смена соответствующих кодов происходит посередине между последовательными квантами (т.е. ½ LSB, 3/2 LSBs, 5/2 LSBs,.., FS-3/2 LSBs). Выходной код - прямая в двоичном коде с 1 LSB= FS/256 или 1,23В/256 = 4,8 мВ при Vref=1,23 B. Идеализированная функция передачи от 0 до Vref показано на рисунке.

Рисунок Функция преобразования MAX165

Временная диаграмма работы АЦП:

Дата добавления: 2015-10-16