Разработка электронных весов, индицирующих вес товара в цифровой форме

1.  ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Разработать электронные весы, индицирующие вес товара в цифровой форме. Входная информация поступает с датчика в виде аналоговой величины. Каждую двоично-кодированную десятичную цифру для удобства программирования размещать в отдельном восьмибитовом слове. Микропроцессорное вычислительное устройство производит анализ каждой цифры и выдачу четырёх двоично-десятичных цифр на преобразователь в 7-сегментный код и индикатор веса.

Время определения веса не должно превышать 50мс. При выполнении курсового проекта необходимо разработать только микропроцессорное вычислительное устройство и программу, обеспечивающую работу электронных весов. Измеряемый вес составляет 0,00 – 99,99 кг.

2.  АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ И РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА

Построение описанного в техническом задании устройства можно осуществить несколькими способами, зависящими от используемой элементной базы.

Наиболее просто указанное устройство реализуется на основе АЦП, цифровая информация на выходе которого представлена в специальном коде, предназначенном для непосредственного управления цифровыми табло с 7-сегментными индикаторами на светодиодах или жидких кристаллах, например, микросхемы К572ПВ2, КР572ПВ2, КР572ПВ5.

В качестве примера можно представить электрическую принципиальную схему 3,5-декадного цифрового вольтметра на БИС АЦП К572ПВ2 с индикаторами типа АЛС324Б, приведённую в [11, стр.244]. Если входная аналоговая величина представляет собой постоянное напряжение, пропорциональное весу товара, задача проектирования электронных весов сводится к задаче проектирования электронного вольтметра. Методы построения цифровых вольтметров подробно описаны в [6, стр.176-208]

Другой вариант – использование микроэлектронных систем обработки данных на цифровых процессорах с устройством аналогового ввода-вывода (например, микросхема КМ1831ВЕ1).

Третий вариант – использование обычных (не специализированных) микропроцессорных вычислительных средств, сопрягаемых с устройствами преобразования и измерения сигналов.

При проектировании электронных весов будем ориентироваться на использование широко распространённых микросхем, выполненных по технологиям ТТЛ, ТТЛШ или совместимыми с ними по нагрузочной способности, быстродействию и т.д.

Микросхемы ТТЛ и ТТЛШ отличаются хорошими электрическими параметрами, удобны в применении, могут иметь высокий уровень интеграции и обладают большим функциональным разнообразием, что и обусловило их широкое распространение в современной цифровой аппаратуре.

Для построения микропроцессорного вычислительного устройства воспользуемся микропроцессорным комплектом К1810 и совместимым с ним МПК К580. Центральный процессор комплекта К1810ВМ86, выполненный по n-МОП-технологии имеет разрядность данных 16 бит, разрядность адреса 20 бит, тактовую частоту до 5МГц и работает в внешними устройствами на ТТЛ-уровнях.

Базовая МПС включает в себя модуль МП, ОЗУ и ПЗУ. Исходя из технического задания можно сделать вывод, что проектируемая система не нуждается в специальных микросхемах оперативной памяти, поскольку число хранимых переменных невелико и вполне может уместиться в блоке регистров общего назначения микропроцессора.

Преобразование аналоговой информации, поступающей с датчика веса в цифровую форму можно осуществить несколькими методами:

а)  с помощью обычного АЦП, при этом, т.к. всего в соответствии с заданием система должна различать 10000 значений входного сигнала, для обеспечения заданной разрешающей способности необходимо использовать не менее чем 14-разрядный АЦП (2¹⁴=16384). АЦП такой разрядности не являются широко распространёнными (имеют высокую стоимость), поэтому их использование будет неэффективным с экономической точки зрения.

б) с помощью высокопроизводительных прецизионных АЦП с плавающей запятой, реализующих принцип адаптивного усиления измеряемого сигнала с последующим преобразованием в цифровую форму. Фрагмент принципиальной электрической схемы и описание такого АЦП показан в [11, стр.228, рис. 3.71]. Микросхема К1113ПВ1 используется в данной схеме для выделения кода мантиссы, динамический диапазон соответствует 18-разрядному цифровому преобразованию. К недостаткам этого метода можно отнести относительную сложность полной принципиальной схемы такого устройства, т.к. тенденции развития современной измерительной аппаратуры предполагают использование многофункциональных микросхем с целью уменьшения общего количества элементов на печатной плате.

в)  с помощью дополнительного преобразования аналоговой величины в иную форму, например, в последовательность импульсов с частотой,  пропорциональной входному напряжению, либо просто в импульс, длительность которого также пропорциональна входной величине.

Таким образом, путём несложного преобразования задача сводится к задаче измерения интервала времени либо к задаче измерения частоты импульсов. Методы измерения этих величин известны [см. 6], доминирующее положение занимает метод дискретного счёта, на основе которого строят цифровые (электронно-счётные) частотомеры. Для преобразования входного напряжения в последовательность импульсов с пропорциональной частотой следования, воспользуемся ИС КР1108ПП1, тогда для формирования временного интервала и подсчёта числа импульсов за это время можно использовать программируемый таймер, имеющийся в МПК К1810.

3.  ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

3.1. Построение модуля центрального процессора

Т.к. проектируемое устройство состоит только из одного процессора, и число сопрягаемых с ним устройств невелико, ВМ86 работает в минимальном режиме. Стандартным образом к микропроцессору подключается генератор тактовых импульсов (системный генератор) К1810ГФ84. К его входу RES подключена RC-цепочка, которая формирует сигнал сброса автоматически при включении питания либо с помощью кнопки SA1.

Частота опорного генератора задается с помощью внешнего кварцевого резонатора частотой 12МГц , который подключается к выводам Х1 и Х2. Тактовый сигнал МОП-уровня CLK, подаваемый на вход CLK МП, в три раза меньше частоты опорного генератора и составляет F_CLK=4МГц. Внутренний делитель частоты формирует выходные импульсы PCLK скважностью 2 с частотой, равной ½ частоты сигнала CLK и обеспечивает управление устройствами, работающими на ТТЛ- уровнях.

При разработке структуры блока ЦП необходимо решить задачи разделения (демультиплексирования) шины адреса/данных, буферирования шины адреса и шины данных, а также задачу формирования системных управляющих сигналов для внешних устройств.

Первая задача решается с помощью ИС К580ИР82 (DD1 и DD5), выполняющих функции адресной защёлки (в связи с тем, что адресная информация должна быть выставлена в течение всего цикла чтения/записи).

DD1 защёлкивает младшие 8 бит ША, DD5 – старшие.

Вторая задача решается с помощью двунаправленных 8-битовых шинных формирователей К580ВА86 (DD7 и DD9), которые усиливают сигналы системной шины данных.

3.2. Подключение памяти и инициализация адресного пространства

Дешифрация адресов в проектируемом устройстве происходит по принципу раздельной адресации, т.е. адресное пространство ввода/вывода отделено от адресного пространства памяти. Память состоит из двух микросхем КР556РТ17 (DD2 и DD6): информационные выходы микросхемы DD2 подключены к младшей половине ШД, DD6 подключена к старшей половине ШД.