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

• Название: Встраиваемые системы. Проектирование приложений на микроконтроллерах семейства 68HC12/HCS12 с применением языка С
• Автор: Стивен Барретт
• Издательство: Издательский дом «ДМК-пресс»
• Жанр: Программирование
• Год: 2007
• ISBN: 5-9706-0034-2

В книге последовательно рассматриваются все этапы создания встраиваемых систем на микроконтроллерах с применением современных технологий проектирования. Задумав эту книгу, авторы поставили перед собой задачу научить читателя искусству создания реальных устройств управления на однокристальных микроконтроллерах.

Издание содержит материал, охватывающий все вопросы проектирования, включает множество заданий для самостоятельной работы, примеры программирования, примеры аппаратных решений и эксперименты по исследованию работы различных подсистем микроконтроллеров.

Данная книга является прекрасным учебным пособием для студентов старших курсов технических университетов, которые предполагают связать свою профессиональную деятельность с проектированием и внедрением встраиваемых микропроцессорных систем. Книга также будет полезна разработчикам радиоэлектронной аппаратуры на микроконтроллерах.

---

// Функция newline производит запись во все знакоместа одной код символа " "

// -------------------------------------------------------------------------

void newline() {

 int i;

 for(i=0; i<16; i++) LCD_char(' ');

}

// ------------------------------------------------------------------------

// Функция LCD_output производит преобразование кодов ASCII строки символов

//в коды табл. рис. 5.15 для отображения на дисплее и передает эту строку в

//ОЗУ буфера экрана дисплея

// ------------------------------------------------------------------------

void LCD_output(char s[]) {

 int n = 0;

 while (s[n] != '\0') {

  LCD_char(s[n]);

  ++n;

 }

}

// --------------------------------------------------------------------

// Функция delay формирует временную задержку длительностью в указанное

//число мкс

// --------------------------------------------------------------------

void delay(int usec) {

 int i,j;

 for(i=0; i<usec; i++) {

  for(j=0; j < 7; j++) { }

 }

}

// ------------------------------------------------------------------

// Функция write конфигурирует линии порта PORTP для вывода данных на

// дисплей

// ------------------------------------------------------------------

void write() {

 DDRP = 0xFF; //Порт PORTP на вывод

}

// -------------------------------------------------------------------------

// Функция data производит запись одного символа в ОЗУ данных дисплея. Перед

// обменом с контроллером дисплея контролируется бит состояния, который

// свидетельствует о том, закончил контроллер выполнение предыдущей команды

// управления или нет. Затем на порт PORTP выставляется код символа и

// формируются необходимые сигналы управления

// -------------------------------------------------------------------------

void data(unsigned char n) {

 status_wait();

 PORTP = n;

 PORTDLC = 0xFF;

 PORTDLC = PORTDLC & 0xF7; //C/D в 0

 PORTDLC = PORTDLC & 0xFE; //WR в 0

 PORTDLC = PORTDLC & 0xFB;

 enable();

 disable();

}

// -------------------------------------------------------------------

// Функция command производит передачу команды управления в контроллер

// дисплея

// -------------------------------------------------------------------

void command(unsigned char n) {

 status_wait();

 PORTP = n;

 PORTDLC = 0xFF;

 PORTDLC = PORTDLC & 0xFE;

 enable();

 disable();

}

5.7. Управление электрическим двигателем

В главе 4 мы рассмотрели применение способа широтно-импульсной модуляции для регулирования напряжения, приложенного к обмоткам электрического двигателя. Изменяя коэффициент модуляции, мы изменяли длительность импульсов напряжения на двигателе, сохраняя частоту следования этих импульсов неизменной. В результате, изменялось среднее значение напряжения на двигателе, и, как следствие, скорость его вращения. При обсуждении мы отметили, что ШИМ-сигнал может быть сформирован на одном из выходов МК, однако его мощности не будет достаточно для приведения двигателя во вращение. Поэтому между выходом МК и двигателем должны быть специальные электронные цепи, которые позволяют усилить по мощности, формируемый микроконтроллером ШИМ-сигнал. Мы рассмотрим примеры таких цепей в данном параграфе.

5.7.1. Силовые полупроводниковые ключи

Для подключения к обмоткам двигателя под управлением МК источника напряжения достаточной мощности могут быть использованы различные приборы: электромагнитные реле, твердотельные реле, биполярные транзисторы и некоторые другие типы транзисторов. В нашем примере мы будем использовать для этой цели мощные полевые транзисторы. В русскоязычной литературе их называют мощными МДП-транзисторами (МДП — Металл-Диэлектрик-Полупроводник), в англоязычной литературе используют аббревиатуру MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor). Мы остановились на этом типе полупроводниковых приборов потому, что в современных коммутаторах для двигателей малой и средней мощности используются именно эта элементная база.

Перед тем, как исследовать электронную схему усиления мощности, необходимую для управления электрическим двигателем от микроконтроллера, рассмотрим принцип действия МДП-транзистора.

МДП-транзистор — это управляемый напряжением полупроводниковый ключ. Он обладает очень высоким сопротивлением цепи управления, что удобно для микроконтроллера, который не может формировать больших вытекающих токов. В открытом состоянии падение напряжения на транзисторе мало по сравнению с другими типами полупроводниковых ключей аналогичной мощности. Поэтому энергия, рассеиваемая МДП-транзистором в режиме проводимости, также относительно невелика, что обеспечивает высокий коэффициент полезного действия полупроводникового коммутатора.

МДП-транзистор может работать как в режиме усиления сигнала, так и в ключевом режиме. Мы будем использовать МДП-транзистр в ключевом режиме для коммутации напряжения питания к обмотке двигателя во время длительности импульса ШИМ-сигнала.

МДП-транзистор имеет три электрода: сток (Drain), исток (Souse) и затвор (Gate). Затвор — это управляющий электрод транзистора, в то время как сток и исток — это электроды, по которым протекает коммутируемый транзистором ток. Схемное обозначение МДП-транзистора с каналом n-типа приведено на рис. 5.19,а. При отсутствии напряжения между затвором и стоком канал для протекания тока между стоком и истоком внутри полупроводниковой структуры транзистора отсутствует. Если на затвор подать положительное напряжение относительно истока, то внутри транзистора формируется канал для протекания тока от стока к истоку. Если снять с затвора напряжение, то этот канал исчезнет, и транзистор не сможет проводить ток между истоком и стоком. Мы получили управляемый полупроводниковый ключ!

а) Условное графическое обозначение n-канального МДП-транзистора (MOSFET)

б) Схема полупроводникового коммутатора для управления электрическим двигателем от МК

в) Схема управления МДП-транзистором с использованием твердотельного реле

Рис. 5.19. Управление электрическим двигателем от МК

В нашем примере мы использовали МДП-транзисторы IRF530 компании International Rectifier. Максимальное значение тока стока ID для этого транзистора равно 14 А. Это означает, что мы можем коммутировать нагрузку с номинальным током 14 А под управлением маломощного сигнала с выхода микроконтроллера. Отметим, что в настоящее время подобные мощные МДП-транзисторы с каналами n- и p-типа выпускаются на токи свыше 100 А.

На рис. 5.19,б показана схема включения электрического двигателя с управлением от микроконтроллера. Резистор R = 10 кОм в цепи управления обеспечивает путь для рассасывания заряда из области управляющего электрода, когда напряжение на затворе становится равным нулю. Также в схеме присутствует защитный диод, который установлен параллельно двигателю. Мы обсудим назначение этого диода несколько позже, при изучении схемы инвертора (раздел 5.7.3). В нашем примере на затвор транзистора подается управляющее напряжение около 5 В. При этом транзистор IRF530 может проводить ток около 4 А. Для увеличения тока нагрузки до 14 А следует повысить управляющее напряжение. Однако используемый в примере электрический двигатель приводится во вращение напряжением 12 В при токе нагрузки 1 А. Поэтому параметры напряжения управления от микроконтроллера для нашего случая вполне удовлетворяют требованиям МДП-транзистора.

5.7.2. Оптоэлектронная потенциальная развязка

Электрический двигатель — печально известный для инженеров-электроников источник электромагнитных помех. В процессе регулирования скорости вращения электрического двигателя, помехи в равной мере генерируются как самим двигателем, так и импульсным источником питания. Транзисторный коммутатор формирует на обмотке двигателя импульсы напряжения требуемой длительности. В момент выключения мощного МДП-транзистора реактивные элементы схемы сбрасывают накопленную во время протекания тока энергию в питающую сеть. В результате генерируются кратковременные выбросы напряжения в питающую сеть. Последнее может неблагоприятно сказаться на работе управляющего МК. В частности, из-за помех может произойти нарушение последовательности исполнения команд программы управления, или сбой в системе тактирования МК. И случится нарушение работы всей системы в целом.

Чтобы избежать столь неблагоприятного прогноза в работе системы, следует изолировать цепи управления, т.е. плату с МК 68HC12, от силовых цепей установки. Для этого могут быть использованы оптроны (рис. 5.19,в). Управляющая цепь МК подключается к цепи излучающего светодиода оптрона. Когда МК формирует сигнал на включение МДП-транзистра, через светодиод протекает ток. Энергия излучения светодиода по оптическому каналу, расположенному внутри ИС оптрона, достигает полупроводникового прибора на вторичной стороне, и переводит его в открытое состояние. Одним из приборов, относящихся к классу оптронов, является твердотельное реле (рис. 5.19,в). На вторичной стороне этого прибора установлен маломощный МДП-транзистор. Когда светодиод излучает, МДП-транзистор открывается, по цепи резистора протекает ток, и на затворе основного транзистора формируется положительное напряжение относительно истока. Основной транзистор включается, и к обмотке двигателя подключается напряжение источника питания.