Материал: Бытовой холодильник

Современный рынок холодильников предоставляет широкий выбор различных моделей, как с электронным, так и с электромеханическим управлением [1]. Многие по старой привычке предпочитают последние, потому что убеждены, что они надежнее и ремонтировать их дешевле. Но за электронным управлением - будущее, о чем свидетельствуют основные тенденции развития ведущих брендов. Постепенно улучшаются технологии, что позволяет делать такие системы более простыми в использовании, функциональными и надежными.

. Постановка задачи

Разработать микропроцессорную систему управления, предназначенную для замены имеющихся электромеханических систем управления в бытовых двухкамерных холодильниках.

В качестве микроконтроллера для микропроцессорной системы управления выбрать микроконтроллер из серии TMS320. Сигналы с датчиков температуры от холодильной и морозильной камеры поступают в виде напряжения постоянного тока в диапазоне от 0 до 12 В. Управление 6 режимами охлаждения поступает в виде сигналов логической единицы. Реализовать самотестирование с выводом кода неисправности. Характеристики цифро-аналоговых устройств линейные: диапазону от 0 до 12 В соответствует температура в холодильной и морозильной камере. В случае если не закрыта дверь холодильника в течение длительного времени, формировать звуковой сигнал.

.1 Функции микроконтроллерной системы

Разрабатываемая МКС должна выполнять следующие функции:

·        преобразование входной аналоговой информации в цифровую для обеспечения работы микроконтроллера;

·        выполнение самотестирования;

·        визуализация режимов работы.

.2 Функции контроллера и требования к техническим характеристикам

Контроллер является частью МПС, обеспечивающей обработку оцифрованных данных, необходимых для программного обеспечения ПК.

Функции контроллера заключаются в опросе состояния подключенного оборудования и обработке соответствующих событий, в зависимости от режима работы:

·        управление устройством выдачи сигнала, если не закрыта дверь холодильника в течение длительного времени;

·        управление АЦП;

·        анализ сигналов, поступающих с датчиков температуры от холодильной и морозильной камеры в виде напряжения постоянного тока в диапазоне от 0 до 12 В.

·        управление 6 режимами охлаждения.

Система должна удовлетворять следующим техническим требованиям:

·   надежность;

·   невысокое энергопотребление.

.3 Требования к панели индикации и панели управления

Панель управления должна быть интуитивно понятной, работа людей с которой допускается практически без предварительного обучения, при этом она должен быть организована таким образом, чтобы максимально исключить возможность ошибочного ввода.

Информация, которая будет выводится на панели индикации, зависит от режима работы холодильника.

. Разработка структурной и функциональной схем микропроцессорной системы

Структурная схема микропроцессорной системы управления приведена в приложении А. Микроконтроллер получает информацию от двух датчиков температуры: стоящего в холодильной камере и в морозильной. О состоянии двери холодильника микроконтроллеру сообщает кнопка S1: когда дверь закрыта, кнопка нажата, когда дверь открыта - отпущена. Пользователь выбирает один из шести режимов работы холодильника нажатием кнопки S2. При этом на 4-х семисегментных индикаторах высвечиваются параметры этого режима: температура в морозильной камере и в холодильной. Если получен сигнал с датчиков, что температура в одной из камер превысила поддерживаемое режимом значение, микроконтроллер подает сигнал на реле, которое включает компрессор. При возвращении температур в заданные пределы снимается сигнал с реле и компрессор выключается. Для подачи звукового сигнала к микроконтроллеру подключен зуммер.

.1 Выбор и обоснование микроконтроллера

Микроконтроллер - микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Использование одной микросхемы, вместо целого набора, как в случае обычных процессоров, применяемых в персональных компьютерах, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость устройств, построенных на базе микроконтроллеров.

Подавляющая часть этих микросхем используется в управляющих устройствах, встраиваемых в самые разнообразные объекты управления: в простые бытовые приборы (стиральные машины, телевизоры, мобильные телефоны), в сложные технические системы, такие, как автомобили, самолеты, морские суда, космические ракеты, и т.п.

Широчайший спектр задач, от самых простых до невероятно сложных, привели к появлению большого количества разновидностей микроконтроллеров, отличающихся вычислительной мощностью, объемом ресурсов и ценой. В настоящее время в этих изделиях используется более сотни разных процессорных ядер, а общее количество типов микроконтроллеров исчисляется многими тысячами. Некоторые типы используются просто для выполнения вычислений и передачи данных, другие содержат аналоговые периферийные устройства и используются для управления сложными объектами.

Проанализировав техническое задание, можно сделать вывод о том, что для реализации данного проекта требуется микроконтроллер с двумя встроенными аналого-цифровыми преобразователями и достаточным количеством портов ввода-вывода общего назначения GPIO (не менее 13).

В качестве управляющего микропроцессора в соответствие с техническим заданием на проектирование требуется взять микропроцессор серии TMS320. Фирма Texas Instruments является одним из лидеров на рынке Цифровых Сигнальных Процессоров - ЦСП (DSP). Она производит более половины выпускаемых ЦСП. Большой опыт разработок в сочетании с последними технологическими решениями позволяют TI выпускать ЦСП с лучшими в своем классе показателями.

Сигнальные процессоры компании Texas Instruments, как показано на рисунке 3, разделяются на два класса: процессоры для обработки чисел с фиксированной точкой и процессоры для обработки чисел с плавающей точкой. Первый класс представлен тремя семействами процессоров, базовыми моделями которых являются соответственно TMS320C10, TMS320C20, TMS320C50. Второй класс включает процессоры TMS320C30, TMS320C40. TMS320C80 также поддерживает операции с плавающей точкой и представляет собой мультипроцессорную систему, выполненную в одном кристалле, а семейство TMS320C6x включает процессоры как с фиксированной, так и с плавающей точкой.

Рисунок 3 - Семейства микропроцессоров компании TI

Процессоры старших поколений одного семейства наследуют основные архитектурные особенности предшествующих поколений и совместимы "снизу вверх" по системе команд (чего нельзя сказать о процессорах, входящих в разные семейства).

Поскольку в данной разработке не требуются операции с плавающей запятой и не нужна высокая производительность, а так же требуются встроенные аналого-цифровые преобразователи и достаточное количество портов ввода-вывода общего назначения GPIO для индикаторов, отображающих температуру и коды ошибок, и зуммера было принято решение остановиться на выборе серии TMS320C28х, основные характеристики процессоров данной серии представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Процессоры серии TMS320C28х

Реализация на процессоре TMS320C2811 в данном случае является наиболее предпочтительной. Данная конфигурация процессора позволяет исключить из наличия дополнительных корпусов микросхем на плате, которые требуют дополнительных затрат времени и средств (увеличивает потребляемую мощность схемы, снижает её надежность).

Структура микропроцессора TMS320C2811 представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Структура микропроцессора TMS320C2811

Отличительные особенности TMS320C2811:

) Высокопроизводительная статическая КМОП-технология

•        Тактовая частота 150 МГц (период тактового сигнала 6.67 нс)

•        Низкое энергопотребление (напряжение питания ядра 1.8 В при частоте 135МГц, 1.9 В при частоте 150 МГц, напряжение питания периферии 3.3В)

) Поддержка периферийного сканирования по стандарту JTAG

) Высокопроизводительное 32-разрядное ядро (TMS320C28x)

•        Поддержка операций умножения с накоплением (MAC) 16x16 и 32x32

•        Выполнение двух операций MAC 16x16 одновременно

•        Гарвардская архитектура системы памяти

•        Атомарные операции

•        Высокая скорость реакции на прерывания и их обработки

•        Единое адресное пространство

•        Линейное адресное пространство команд 4М

•        Линейное адресное пространство данных 4M

•        Высокая эффективность кода (на языках C/C++ и Ассемблера)

•        Совместимость по коды и выводам с F2810, F2811 и F2812

•        Совместимость по коду с семейством TMS320F24x/LF240x

) Внутренняя память 20 КБ х 16 общий объем однопортовой памяти (SARAM):

•        L0 и L1: 2 блока по 4Kx16 однопортовой памяти (SARAM)

•        L2 и L3: 2 блока по 1Kx16 однопортовой памяти (SARAM)

•        H0: 1 блок 8Kx16 SARAM

•        M0 и M1: 2 блока по 1Kx16 SARAM каждый

) Режимы загрузки через SPI, SCI и GPIO, позволяющие производить загрузку из внешней памяти во внутреннюю. Режим через SPI позволяет загружать процессор из внешней последовательной EEPROM памяти

) Загрузочное ПЗУ (4Kx16)

•        Различные режимы загрузки

•        Хранение математических таблиц

) Синхронизация и управление системой

•        Динамического изменение коэффициента ФАПЧ

•        Встроенный генератор

•        Модуль сторожевого таймера (Watchdog)

) Три внешних источника прерываний

) Блок расширения внешних прерываний (PIE), поддерживающий обработку 45 прерываний от внешних источников

) Три 32-битных таймера

) Специализированная периферия для устройств управления приводами

•        Два модуля управления событиями (EVA, EVB)

•        Совместимость с семейством 240xA

) Периферийные последовательные порты

•        Синхронный последовательный интерфейс SPI

•        Два асинхронных последовательных интерфейса (SCI), стандартный UART

•        Контроллер CAN с расширенными возможностями (eCAN)

•        Многоканальный буферизованный последовательный порт (McBSP)

) 16-каналов 12-битного АЦП

•        Входной мультиплексор 2x8 каналов

•        Два устройства выборки-хранения

•        Режимы одиночного и одновременного преобразования

•        Высокая скорость преобразования: 80 нс /12.5 млн. выборок в секунду

) До 56 портов ввода-вывода общего назначения (GPIO)

) Дополнительные возможности эмуляции

•        Функции анализа и точки останова

•        Отладка аппаратной части в режиме реального времени

) Средства разработки включают в себя

•        Компилятор/ассемблер/линкер ANSI C/C++

•        Поддержка команд TMS320C24x/240x

•        Интегрированную среду разработки Code Composer Studio IDE

•        DSP/BIOS

•        Отладочные модули

•        Контроллеры протокола JTAG

•        Готовые решения и поддержка от Третьих Партнеров

) Режимы пониженного энергопотребления: IDLE, STANDBY, HALT

) Отключение отдельных периферийных модулей

) 128-выводный корпус LQFP без интерфейса внешней памяти (PBK) (2811)

) Диапазон рабочих температур:

•  A: -40°C ... +85°C (GHH, ZHH, PGF, PBK)

•  S: -40°C ...+125°C (GHH, ZHH, PGF,PBK)

•  Q: -40°C ...+125°C (PGF,PBK)

Работа встроенного в микроконтроллер АЦП описывается формулой 1.

,                                                                        (l)

где    DV - представление сигнала в цифровом виде,- напряжение сигнала,- напряжение на входе ADCLO микроконтроллера.

.2 Выбор датчиков температуры

Так как от датчика температуры поступает сигнал в виде напряжения от 0 до 12 В, а максимальное входное напряжение АЦП микроконтроллера составляет 3 В, сигнал от датчика на АЦП следует подавать через делитель напряжения.

В качестве датчиков температуры выбран датчик температуры наружного воздуха ESM-10 компании «Данфосс» [8]. Диапазон измеряемых температур: от -30 до +180 ⁰С. Зависимость сопротивления ESM-10 от температуры приведена на рисунке 5. Чтобы получить датчик с указанными в задании характеристиками следует включить его в делитель напряжения.

Рисунок 5 - Зависимость сопротивления ESM-10 от температуры

Функциональная схема приведена в приложении Б. Датчики температуры включены, как указывается в пункте 3.2. Сигналы с делителей напряжения поступают на входы АЦП микроконтроллера. Для управления компрессором предназначен вывод GPIOB12. Когда на этом выходе присутствует логическая единица, замыкается реле (РЭС-64А) и компрессор подключается к переменному напряжению 220 В и начинает работать. Когда на выходе имеется логический нуль, реле размыкается и компрессор выключается.

. Выбор и описание алгоритмов работы микропроцессорной системы

Структура программы приведена на рисунке 6. Программа управления включает в себя три модуля: самотестирования, инициализации и обработки прерывания от таймера. Модуль самотестирования делится на модули тестирования ПЗУ и ОЗУ. Модуль обработки прерывания от таймера включает в себя модуль приема данных от датчиков температуры, анализа состояния кнопок, вывода звукового сигнала, управления компрессором, вывода информации на семисегменные индикаторы.