Регистратор данных лабораторного типа на PIC-микроконтроллере. Часть 1 - Характеристики и принципиальная схема

В проекте рассматривается конструкция регистратора аналоговых и цифровых данных на базе микроконтроллера PIC и 20-битного дельта-сигма АЦП.

Ргистратор аналоговых и цифровых данных, полчувший название G5 Data Logger (система сбора и накопления данных), отличается использованием внешнего 20-битного АЦП LTC2420 производства компании Linear Technology, за счет которого упрощается конструкция и повышается разрешение при преобразовании аналоговых данных. Регистратор имеет 8 аналоговых входов и несколько опциональных цифровых ТТЛ входов. Интервал выборок может быть запрограммирован в диапазоне от 10 секунд до 1 часа, для хранения данных используется карта памяти SD. Дополнительно возможно использование последовательного порта для передачи и наблюдения данных в реальном времени на ПК с помощью терминальной программы.

Спецификация устройства:

• количество аналоговых каналов:
  • 4 канала с входным диапазоном напряжения 0 – 1 В;
  • 4 канала с входным диапазоном напряжения 0 – 10 В
• цифровые каналы:
  • 3 канала ТТЛ;
  • 1 канал счетчика импульсов;
  • 1 канал измерения частоты;
• контроллер: PIC микроконтроллер с технологией nanoWatt;
• часы: микросхема часов реального времени с резервным источником питания;
• АЦП: микросхема 20-битного дельта-сигма АЦП;
• накопление данных:
  • карта памяти емкостью до 2 ГБайт;
  • файловая система: FAT;
  • формат данных: CSV;
• источник питания: батарея 6 В/2.8 А·ч;
• размеры: 145 × 145 × 80 мм.

Основным элементом схемы является микроконтроллер PIC18F45K20 компании Microchip.

Основные характеристики микроконтроллера:

• рабочая частота до 32 МГц;
• 32 КБайт Flash память, 1.5 КБайт RAM, 250 Байт EEPROM;
• три 16-битных таймера, один 8-битный таймер, один канал ШИМ;
• коммуникационные интерфесы: UART, SPI, I²C;
• 14-канальный 10-битный АЦП;
• до 36 линий ввода/вывода общего назначения;
• напряжение питания: 1.8 В – 3.6 В.

Примененный АЦП LTC2420 – это 20-битный одноканальный микромощный дельта-сигма АЦП с последовательным интерфейсом (SPI- и MicroWire-совместимый), выпускающийся в 8-выводном корпусе для поверхностного монтажа.

Принципиальная схема регистратора данных изображена на рисунке ниже. Микроконтроллер в 40-выводном корпусе DIP работает на частоте 2 МГц от встроенного RC осциллятора, опционально возможно использование высокоскоростного (HS) кварцевого резонатора, подключаемого к выводам микроконтроллера OSC1 и OSC2. Кварцевый резонатор 32768 Гц подключенный к выводам RC0 и RC1, относящимся к UART интерфейсу микроконтроллера, предназначен для генерирования скорости 9600 бит/с при передаче данных по последовательному интерфейсу. Аппаратный SPI интерфейс, линии RC3/SCK, RC4/SDI и RC5/SDO, используется для коммуникации с картой памяти в режиме SPI, подключаемой в слот J2. Программно реализованный SPI интерфейс, сигнальные линии которого RD5, RD6 и RD7, предназначен для коммуникации с микросхемой АЦП.

Нажмите для увеличения

Микромощный источник опорного напряжения D2 LM385-1.2 обеспечивает АЦП опорным напряжением 1.2 В. Так как АЦП является одноканальным, для увеличения количества входных аналоговых каналов регистратора применен 8-канальный аналоговый КМОП мультиплексор/демультиплексор CD4051 (аналог К561КП2). Каналы CH1-CH4 рассчитаны на входное напряжение до 1 В, каналы CH5-CH8 рассчитаны на напряжение до 10 В (используется входной резистивный делитель напряжения). О номнале резисторов делителя напряжения пойдет речь во второй части статьи.

Микросхема U9 MAX3232 предназначена для конвертирования уровней сигналов последовательного порта микроконтроллера (ТТЛ) в сигналы интерфейса RS232. Последовательный интерфейс используется для передачи данных в терминальную программу, которая сохраняет их в файл. Следует отметить, что при использовании последовательного порта используется отдельная прошивка микроконтроллера, речь о которой также пойдет во второй части статьи.

Отсчет реального времени для устройства обеспечиваются микросхемой U4 DS1302. В качестве резервного источника питания для нее установлен ионистор 0.33 Ф. Микросхема часов реального времени снабжена программируемой схемой заряда резервного источника питания.

Все устройство питается от батареи 6 В емкостью 2.8 А·ч, что обеспечит непрерывную работу в течение 10 дней. Питание микроконтроллера и периферии осуществляется от линейных регуляторов напряжения LM1117 U7 (3.3 В) и U8 (5.0 В). Линейный регулятор U6 LM317, включенный по схеме стабилизатора тока, предназначен для зарядки основной батареи питания устройства от внешнего источника постоянного напряжения (например, от сетевого адаптера или солнечной панели). О включении схемы заряда сигнализирует светодиод D6. Двухцветный светодиод D3 предназначен для индикации статуса устройства (питание, определение карты памяти, запись данных, низкий заряд батареи).

Напряжение батареи отслеживается микроконтроллером с помощью одного из каналов встроенного АЦП и делителя напряжения на резисторах R20 и R22.

Все элементы расположены на двухсторонней печатной плате. Для подключения входных сигналов используются винтовые клеммники с рельефной обоймой: 16-контактный клеммник для аналоговых сигналов и такой же для цифровых каналов.

Входные каналы

8 аналоговых каналов (одна половина коннектора CON16) предназначены для измерения напряжения в диапазоне 0 – 1 В (CH1-CH4) и 0 – 10 В (CH5-CH8). Каждый входной канал на клемнике чередуется с сигналом «земля». На выводе 16 клемника CON16 постоянно присутствует напряжение +5 В, которое может использоваться для питания внешних датчиков, подключаемых к регистратору.

Цифровые регистрируемые сигналы подаются на вторую половину клеммника CON16.

Назначение и описание входных цифровых каналов:

• TTL1 – Счетчик импульсов (Pulse Counter = TTL1);
• PULSE2 – Вход измерения частоты;
• TTL1 – логический вход;
• TTL2 – логический вход;
• TTL3 – логический вход.

TTL1, TTL2, TTL3 – могут использоваться для отслеживания логического состояния между 0 В и +12 В. Регистрируемое значение в файле 1 соответствует +12 В на входе, значение 0 – соответствует 0 В на входе. Кроме того вход TTL1 может использоваться для подсчета импульсов (используется 32-битный счетчик микроконтроллера).

Для измерения частоты используется вход PULSE2. Диапазон измеряемых частот 0 Гц – 15 кГц, точность ±1 Гц.
На клеммнике цифровых входов опционально возможно использование 10-битного АЦП микроконтроллера с входным диапазоном 0 В – 3.3 В. Для этих целей предназначены контакты клеммника AN1, AN2 и AN3.

К входу CHRG подключается внешний источник питания для заряда основной батареи регистратора.

Загрузки

Руководство по быстрому старту (PDF), прошивка микроконтроллера (hex) – скачать

Часть 2 – Конфигурирование регистратора данных, пример подключения датчика температуры, вариант регистратора с последовательным портом.

kmitl.ac.th