Цифровой измеритель давления на базе микросхемы PSoC

 

Таблица 2 - Основные параметры датчика давления MPXAZ4100A

Серия	Диапазон измерения, кПа	Типы давл.	Выход. сигнал, В	Uпит, В	Точн.,%	Tраб,°C	Диапазон термо-компенсации, °C	Тип  корпуса
MPXAZ4100A	20…105	A	0,3…4,9	5,1…±0,25	±1,8	-40..+125	0…+85	CASE 482, CASE 482A

 

MPXAZ4100A - пьезометрические кремниевые интегральные датчики MAP, реализованные по биполярной технологии, тонкопленочной резисторной сетью и операционным усилителем.  Этот датчик объединяет технологии микрообработки деталей,  покрытие тонкой пленкой металла, биполярную полупроводниковую обработку, что обеспечивает точный и высокий уровень аналогового выходного сигнала соответствующего приложенному давлению.

На рисунке 8 представлена блок-схема датчика давления MPXAZ4100A.

 

Рисунок 8 – Блок-схема датчика давления MPXAZ4100A

 

Выводы схемы датчика давления MPXAZ4100A представлены в таблице 3.

 

Таблица 3 – выводы схемы датчика давления MPXAZ4100A

 

 

Рекомендуемые производителем значения источника питания и конденсаторов для датчика давления приведены на рисунке 9.

Рисунок 9 – Схема датчика давления с оптимальными значениями источника питания и конденсаторов

Датчики выпускаются в небольших прочных полифениленсульфидных (PPS) корпусах с выводами для монтажа в отверстия или на поверхность плат (рисунок 10).

а)

б)

Рисунок 10 – Корпус CASE 482 (а); корпус CASE 482A

 

Небольшие размеры прибора позволяют сэкономить до 50% площади печатной платы и снизить стоимость системы за счет сокращения количества компонентов [5].

 

2.3  7-сегментный светодиодный  индикатор с общим катодом

 

Семисегментный индикатор — устройство отображения цифровой информации. Это — наиболее простая реализация индикатора, который может отображать арабские цифры.

Основные характеристики 7-сегментного светодиодного символьного индикатора (рисунок 11) приведены в таблице 4.

 

Таблица 4 – Основные характеристики 7-сегментного светодиодного символьного индикатора

Цвет	λ, нм	Интенсивность свечения сегмента при 20 мА, мкд	Максимальный ток сегмента, мА	Напряжение сегмента	Температурный диапазон, °C
красный	635	5.4	30	2.5Vmax	от −25 до +90
зеленый	566	6.8

 

 

Рисунок 11 – 7-сегментный светодиодный индикатор с общим катодом

 

На рисунке 12 представлена внутренняя схема 7-сегментного светодиодного индикатора с общим катодом.

Рисунок 12 – Внутренняя схема светодиодного индикатора

 

Внешний вид 7-сегментного светодиодного индикатора с общим катодом показан на рисунке 13 [6].

Рисунок 13 – 7-сегментный светодиодный индикатор с общим катодом

 

2.4 Последовательный интерфейс USB

 

USB (Universal Serial Bus) — универсальная последовательная шина, предназначенная для подключения периферийных устройств. Шина USB представляет собой последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств.

Разработка спецификаций на шину USB производится в рамках международной некоммерческой организации USB Implementers Forum (USB-IF), объединяющей разработчиков и производителей оборудования с шиной USB.

Для подключения периферийных устройств к шине USB используется четырёхпроводный кабель, при этом два провода (витая пара) в дифференциальном включении используются для приёма и передачи данных, а два провода — для питания периферийного устройства. Благодаря встроенным линиям питания, USB позволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания (максимальная сила тока, потребляемого устройством по линиям питания шины USB, не должна превышать 500 мА).

К одному контроллеру шины USB можно подсоединить до 127 устройств по топологии «звезда», в том числе и концентраторы, к которым можно еще присоединить 127 устройств.

Технические характеристики USB:

• высокая скорость обмена - 12 Mб/с;
• максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена - 5 м;
• низкая скорость обмена - 1.5 Mб/с;
• максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена - 3 м;
• максимальное количество подключенных устройств - 127;
• возможно подключение устройств с различными скоростями обмена;
• отсутствие необходимости в установке пользователем дополнительных элементов;
• напряжение питания для периферийных устройств - 5 В;
• максимальный ток потребления на одно устройство - 500 мA.

В настоящее время широко используются устройства, выполненные в соответствии со спецификацией USB 2.0. Ведётся внедрение в производство устройств спецификации USB 3.0.

Выделяют два типа разъёмов: A - на стороне контроллера или концентратора USB и B - на стороне периферийного устройства (рисунок 14). Впоследствии были разработаны миниатюрные разъёмы для применения USB в переносных и мобильных устройствах, получившие название Mini-USB. Размеры разъёмов: USB Тип A — 4x12 мм, USB Тип B — 7x8 мм, USB mini A и USB mini B — 2x7 мм.

 

Рисунок 14 – Разъемы USB тип A (слева) и USB Тип B (справа)

 

Сигналы USB передаются по двум проводам четырёхпроводного кабеля. Цвет провода и обозначение контактов четырёхпроводного кабеля USB приведены в таблице 5.

 

Таблица 5 – Контакты USB

 

Здесь GND — цепь «корпуса» для питания периферийных устройств, VBUS — +5 В, так же для цепей питания. Данные передаются по проводам D+ и D− дифференциально (состояния 0 и 1 (в терминологии официальной документации diff0 и diff1 соответственно) определяются по разности потенциалов межу линиями более 0,2 В и при условии, что на одной из линий (D− в случае diff0 и D+ при diff1) потенциал относительно GND выше 2,8 В. Дифференциальный способ передачи является основным, но не единственным, подтягиванием одной из линий данных к VBUS через резистор 1.5 кОм. Так же иногда вокруг провода присутствует волокнистая обмотка для защиты от физических повреждений.

В отличие от многих других стандартных типов разъёмов, для USB характерны долговечность и механическая прочность [7].

 FT232R компании FTDI – двунаправленный конвертер USB 2.0 в UART-интерфейс с дополнительным выходом тактового генератора и новой патентованной технологией FTDIChip-ID защиты информации. Для упрощения использования в чип включены: внутренняя EEPROM-память объемом 1024 бит для конфигурирования I/O-выходов и хранения USB VID, PID, серийного номера и строк описания продукта, задающий тактовый генератор, не требующий внешнего кварцевого резонатора, цепь сброса по напряжению питания и USB-резисторы.

Генерируемая внутренняя тактовая частота (из ряда 6MГц, 12MГц, 24MГц или 48MГц) может подаваться на выход микросхемы и использоваться для тактирования внешнего микроконтроллера или логических схем. Уникальный номер (по технологии FTDIChip-ID) прошивается в микросхему на стадии ее производства и доступен для чтения по USB-шине, что формирует основу обеспечения защиты данных в пользовательских приложениях. Диапазон напряжения питания FT232R составляет 3.3В…5.25В, что позволяет использовать для этой цели питание с шины USB.

Расположение выводов двунаправленного конвертера USB FT232R в 28-выводном корпусе SSOP-28 представлено на рисунке 15:

Рисунок 15 – Расположение выводов FT232R в корпусе SSOP-28

 

Микросхема выпускается в корпусах SSOP-28 (FT232RL) и QFN-32 (FT232RQ) (рисунок 16) [8].

Рисунок 16 – Микросхема FT232RL и FT232RQ

 

2.5 Сетевой адаптер AC-DC

 

Сетевой адаптер - устройство, служащее для подключения компьютера к локальной сети. Сетевой адаптер контролирует доступ к среде передачи данных и обмен данными между единицами сети.

Сетевые источники питания или AC-DC преобразователи предназначены для работы в сети переменного тока 220 или 380В. Выходное напряжение постоянное, фиксированное, как правило, стандартное: 3.3; 5; 9; 12; 15; 24; 48 В, а также 7.5; 13.5; 27 В и т.п. Модули бывают с одним, двумя, тремя, четырьмя выходами. Диапазон мощностей от единиц ватт до единиц киловатт. Сетевые адаптеры выпускаются в виде настольного или настенного блока. Диапазон мощностей от 5 до 120 Вт. Эти источники питания имеют универсальное применение: для ноутбуков, LCD телевизоров, GSM модемов, видеокамер, бытовой техники и т.д.

Схема подключения стабилизатора имеет вид, представленный на рисунке 17 [9].

 

Рисунок 17 - Схема подключения стабилизатора

3 Схемотехническая  часть (описание электронной схемы  и ее функционирования)

 

Принципиальная электрическая схема цифрового измерителя давления представлена на чертеже БНТУ.113815.001 Э3. Схема питается от сетевого адаптера, напряжение питания которого составляет 220В. Высокое напряжение поступает на трансформатор ТТП-15 (Т1), который уменьшает его до 12В. Пройдя через выпрямительный мост W005M (VD1), полученное напряжение подается на стабилизатор КР142ЕН8А DA2 и стабилизируется до 5В. Светодиод FYL-5013UGC VD2 загорается зеленым цветом, когда в сети присутствует напряжение.

При включении питания происходит инициализация системы и настройка всех подключаемых устройств. Датчик давления MPXAZ4100A (DA1) преобразует измеряемое давление в электрический аналоговый сигнал, который через выход Vout (4, DA1) передается на микроконтроллер CY8C29466 (1, DD1). Преобразованный сигнал в цифровой форме поступает на выводы, позволяющие отобразить значение давления. Выводы 12, 13, 15 и 16 микроконтроллера DD1 включают один из четырех 7-сегментных светодиодных индикаторов HG1-HG4, а выводы 6-8, 20-23 – один из семи сегментов СДИ.

Сигнал через выводы P0[6], P0[4], P0[2], P0[0] микроконтроллера DD1 параллельно подается на конвертер FT232R (DD2), который с помощью разъема XP2 подключается к ПК. USB-порт обеспечивает ввод/вывод информации.

Выводы 9, 13-15, 19, 28 DD1 подключаются к программатору для программирования микроконтроллера.

При нажатии на кнопки SB1 и SB2 происходит сброс микросхем DD1 и DD2 в нулевое состояние через выводы 19 (DD1) и 19 (DD2) соответственно.

 

 

4 Программная часть (описание разработанных  алгоритмов и программ)

 

4.1 Описание алгоритма основной  программы

 

После инициализации системы, сброса флагов и выставлении портов (блок 2), инициализации 4-символьный 7-сегментный светодиодный индикатор (СДИ) с общим катодом (блок 3), микросхемой опрашивается канал с адресом датчика ускорения (блок 4).  Как только  устанавливается сигнал передачи данных, микросхема начинает автоматически заносить данные в регистр, а затем записывать в специально отведенную область памяти. После опроса датчика микросхема обрабатывает полученные данные (блок 5). Как только заканчиваются арифметико-логические операции с данными, вызывается подпрограмма вывода результатов на СДИ (блок 6). После вывода данных на индикаторе вызывается подпрограмма ожидания, после которой происходит обновление данных по вышеописанному циклу, начиная с опроса датчика.

 

4.2 Описание алгоритма опроса  датчика давления

 

Для организации передачи данных происходит обращение к датчику, установка адреса датчика (блок 4.2). Далее происходит установка условий начала обмена данными (блок 4.3) и уже после этого начинается передача данных из датчика на микросхему (блок 4.4). После всего этого происходит установка прерывания передачи данных, т.е. установление условия остановки передачи (блок 4.5). И далее занесение данных в регистр, и сохранение в памяти микросхемы (блок 4.6).

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В результате выполнения курсового проекта разработан цифровой измеритель давления на базе микросхемы PSoC используя датчик давления MPXAZ4100A с отображением результата на светодиодном индикаторе и подсоединением к ПК через USB-порт.

1. Проведен обзор литературы существующих на сегодняшний день датчиков давления.
2. Выполнен выбор элементной базы разрабатываемого датчика давления.
3. Описаны электронная схема и её функционирование, а также описан алгоритм работы программы.
4. Разработаны структурная схема программы (БНТУ.113815.001 П1), функциональная (БНТУ.113815.001 Э2) и принципиальная (БНТУ.113815.001 Э3) электрические схемы цифрового измерителя давления.