Programovatelná řídicí jednotka - Náhled

Náhled diplomové práce - Programovatelná řídící jednotka

1. Návrh hardwaru

Následující část práce se podrobně zabývá návrhem a popisem realizace univerzálního řídicího modulu. První kapitola specifikuje podrobněji požadavky na řešení, které přímo neplynou ze zadání. Druhá kapitola popisuje architekturu modulu. Zavádí pojem hardwarových funkčních bloků. Třetí kapitola se detailně zabývá popisem jednotlivých funkčních bloků. Jedná se o nejrozsáhlejší kapitolu v hardwarové části práce. Poslední, čtvrtá kapitola popisuje postup konstrukce modulu.

1.1. Požadavky na řešení

Většina požadavků na řešení plyne již ze zadání. Pokud má být řešení použitelné v praxi, musí tvořit kompaktní modul, který bude zabudován v jednom pouzdře. Nejčastěji se používají pouzdra, která umožňují připevnění na DIN-lištu. Tuto vlastnost budeme brát jako hlavní kritérium při výběru pouzdra. Další důležitou vlastností je jednoduché a univerzální napojení modulu do technologického celku. Pod touto vlastností je skryt především výběr vhodných konektorů. Nejjednodušší a nejuniverzálnější se jeví použití svorkovnice, na kterou jsou vyvedeny všechny vstupní a výstupní signály modulu.

1.2. Architektura

Bloková struktura modulu je schematicky znázorněna na obr. 1.1. Strukturu tvoří několik hardwarových funkčních bloků (HFB), které budou podrobně popsány v následujících kapitolách. HFB tvoří funkční celek, který v modulu zajišťuje určitou činnost.
Centrální HFB je výpočetní blok tvořený jednočipovým mikropočítačem řady C51 (AT89C51-RD2) a řadičem sběrnice CAN (SJA1000). Ostatní HFB jsou na tento výpočetní blok napojeny buď přímo nebo přes sběrnici.
Všechny HFB zajišťující komunikaci modulu s okolím jsou galvanicky oddělené optočleny. Výjimku tvoří sériové rozhraní RS232, které slouží pro programování modulu a není primárně určeno pro použití v aplikaci (viz kap. 1.3.8).

obr. 1.1: Blokové schéma struktury modulu

Pro zjednodušení návrhu plošného spoje jsou všechny digitální vstupy a výstupy včetně tlačítek napojeny na společnou sériovou sběrnici I2C. Knihovna popisující čtení a zápis přes tuto sběrnici je podrobně popsána v kapitole 2.2.2.

1.3. Hardwarové funkční bloky

Následující kapitoly se podrobně zabývají popisem všech hardwarových funkčních bloků uvedených na obr. 1.1.

1.3.1. Napájení

Hlavní požadavek kladený na obvod, který zajišťuje napájení modulu, je dodržení galvanického oddělení všech funkčních bloků a ochrana modulu před změnami v napájecím napětí (přepětí). Napájecí obvod musí být též dostatečně robustní a správně pracovat v co možná neširším spektru vstupního napájecího napětí. Rozsah vstupního napájecího napětí uvádí tab. 1.1.
Napájecí napětí se přivádí na svorku JP8 (viz obr. 1.2). Modul je optimalizován pro napájecí napětí 24V. Za vstupní svorkou je umístěna dioda D13, která chrání obvod proti přepólování. Za touto diodou následuje transil D14, který dále nepropustí napětí větší než 33V. Správnou funkci napájecího obvodu indikuje LED dioda D18, která v případě připojeného napájení svítí zeleně.
Jádrem napájecího obvodu je obvod LM2574. Jedná se o spínaný zdroj, který pro svou funkci potřebuje jen minimum externích součástek. Pro správnou funkci spínaného zdroje stačí zapojit Shotkyho diodu D16 a cívku L1. Hodnoty těchto součástek byly zjištěny z katalogového listu výrobce [2].
Výstupní napětí tohoto spínaného zdroje je 12V. Napětí vstupuje do DC-DC převodníků od firmy HYPEL [3], ve kterých se vytváří napájecí napětí pro funkční bloky.
Transistor Q1 spolu s tranzistorem C20 a odporem R19 tvoří zpožďovací člen, který přivede napájecí napětí na výstupní tranzistory až po náběhu procesorové části.

obr. 1.2: Schéma napájení

1.3.2. Logické vstupy

Pro získávání informací o okolním světě a o stavu řízeného procesu je modul vybaven osmi logickými vstupy. Signál vstupuje do modulu přes svorku JP3 (viz obr. 1.3). Transily zapojené za touto svorkou hlídají překročení vstupního napětí přes kritickou hodnotu (33V). Galvanické oddělení zde zajišťují optické oddělovače PC847.
Celý blok logických vstupů je napojen na procesorovou část přes sériovou sběrnici I2C. K tomuto účelu zde slouží obvod PCF8574 [4]. Jedná se o osmibitový expandér pro sběrnici I2C. Adresu pro komunikaci určuje zapojení pinů A0 až A2. V případě bloku logických vstupů je tato adresa 116. Výstupem z expandéru jsou signály SDA a SCL, které jsou připojeny na společnou sběrnici I2C. V případě změny hodnoty na vstupu se generuje signál pro přerušení na výstupu expandéru, který vyvolá v procesoru externí přerušení INT1. Toho lze s výhodou využít při programování procesoru, a to např. v případě, že potřebujeme rychlou odezvu na změnu vstupních signálů. Přerušení procesoru INT1 je sdíleno s blokem ovládacích tlačítek (viz kap. 1.3.4).

TOP Nabídka!

Potřebujete napsat referát, seminárku nebo diplomovou práci? Žádný problém!

Zpracujeme Vám kvalitní a originální podklady na míru.

Svěřte se do rukou profesionálů. Více informací zde