Разработка автоматизированного программируемого пульта на контроллере AVR

Авторы: Ивличев О.Г., Рыбалкин Н.В., Чанкаев С.К.

 

 

Разработка автоматизированного программируемого пульта
управления стрельбой на микроконтроллере
AVR

 

 

ОАО "Пиро-Росс" производит автоматизированный программируемый пульт управления стрельбой ЛУР240, в котором устройство программного управления реализовано на одноплатном контроллере фирмы "Segnetics". Пульт обеспечивает загрузку циклограммы фейерверка в память контроллера из системы автоматизированного проектирования, работающей на персональном компьютере под управлением ОС Windows, ее хранение и автоматическое управление стрельбой при проведении фейерверков без вмешательства оператора в соответствии с записанной циклограммой.

Пульт показал свою надежность и удобство при организации и проведении фейерверков, стал звеном в реализации полностью автоматизированной системы проектирования, начиная от оформления заказа на проведение фейерверка, его проектирования инженером-пиротехником, выписку накладных для получения фейерверочных изделий (ФИ) со склада и т.д. Но использование покупной платы контроллера приводит к некоторому усложнению конструкции пульта а именно:

– наличие только одного типа интерфейса RS-485 и одного интерфейсного разъема не позволяет подключать пульт к компьютеру без специальных устройств преобразования сигналов и протоколов связи;

– наличие только 8 логических выходов требует дополнительных логических устройств расширения для реализации устройства управления стрельбой.

В связи с этим было принято решение о разработке новой модификации пульта ЛУР240А, которая бы отвечала следующим целям:

 – сохранить все возможности ЛУР240;

– разработать новое устройство управления на одной печатной плате с использованием доступных комплектующих;

– расширить количество логических выходов устройства управления, чтобы упростить управление силовыми транзисторами;

– уменьшить число типов и количество электронных компонентов за счет использования современных микроконтроллеров;

– использовать для загрузки циклограмм стандартный интерфейс USB 2.0, исключив использование дополнительных внешних устройств;

– увеличить число типов интерфейсов, чтобы обеспечить возможность подключения дополнительного оборудования для расширения сервисных функций пульта при подготовке и проведении фейерверков.

Микроконтроллер для устройства управления выбирался исходя из следующих требований:

– массовое производство используемого типа микроконтроллера, что обеспечивает длительный жизненный цикл проектируемого пульта;

– вхождение в семейство микроконтроллеров разной мощности с одинаковой системой команд, что облегчает более быструю модернизацию проектируемого устройства при увеличении функций пульта;

 

 

– наличие подробной документации и литературы по устройству и программированию микроконтроллера;

– наличие бесплатной интегрированной среды разработки и отладки программ с поддержкой режима симуляции микроконтроллера.

 

Исходя из этих требований, были выбраны микроконтроллеры AVR – одно из интересных направлений, развиваемых корпорацией Atmel. Они представляют собой мощный инструмент для создания современных высокопроизводительных и экономичных многоцелевых контроллеров автоматизированной аппаратуры. На настоящий момент соотношение "цена/производительность/энергопотребление" для AVR является одним из лучших на мировом рынке 8-разрядных микроконтроллеров.

 

Особенности семейства микроконтроллеров AVR:

 

высокая производительность – обеспечивается конвейерной обработкой команд и разделением шин памяти команд и данных, возможность работы при тактовой частоте до 16-20 МГц;

flash-память программ (10000 циклов стирание/запись) с возможностью внутрисистемного перепрограммирования и загрузки через последовательный канал прямо в составе готового устройства;

отдельная область энергонезависимой памяти (EEPROM, 100000 циклов стирание/запись) для хранения данных, с возможностью записи программным путем или внешней загрузки через SPI-интерфейс;

встроенные устройства для обработки аналоговых сигналов: аналоговый компаратор и многоканальный 10-разрядный АЦП;

сторожевой таймер, позволяющий осуществлять автоматическую перезагрузку контроллера через определенные промежутки времени (например, для выхода из спящего режима);

последовательные интерфейсы SPI, TWI (I2C), UART (USART), позволяющие осуществлять обмен данными с большинством стандартных датчиков и других внешних устройств (в том числе таких, как персональные компьютеры) аппаратными средствами;

таймеры-счетчики с предустановкой и возможностью выбора источника счетных импульсов: как правило, один-два 8-разрядных и как минимум один 16-разрядный, в том числе могущие работать в режиме многоканальной 8-, 9-, 10-, 16-битовой широтно-импульсной модуляции;

диапазон напряжений питания от 2,7 до 5,5 В (в некоторых случаях от 1,8 или до 6,0 В);

многочисленные режимы энергосбережения, отличающиеся числом узлов, остающихся подключенными. Выход из "спящих" режимов по сторожевому таймеру или по внешним прерываниям;

встроенный монитор питания – детектор падения напряжения.

Для разработки устройства управления новой модификации пульта ЛУР240А был выбран микроконтроллер AVR ATMega8515, возможности которого позволили решить поставленные задачи и дают возможность и в дальнейшем усовершенствовать устройство управления.

 

После выбора управляющего микроконтроллера, основная задача при разработке функциональной схемы – это минимизация числа и типов электронных компонентов. При этом желательно по возможности использовать компоненты, которые уже использовались при производстве ЛУР240.

 

Устройство управления должно:

 

1.     формировать управляющие  и временные сигналы для платы силовых ключей

2.     определять команды оператора от кнопок управления

3.     обеспечивать синхронный запуск нескольких пультов при нажатии оператором кнопки «СИНХРОННЫЙ ПУСК»

4.     обеспечивать загрузку и чтение циклограмм под управлением программного комплекса «LURWorkstation»

5.     хранить загруженную циклограмму после выключения питания пульта

6.     иметь интерфейс с персональным компьютером для загрузки циклограмм

7.     отображать время от начала фейерверка (таймер)

 

Функции с 1 по 5 выполняет микроконтроллер  ATMega8515, производительность, количество выводов и состав исполнительных устройств которого позволяют эти функции реализовать.

 Функцию 6 было решено реализовать на широко распространенной микросхеме FT232RL фирмы FTDI, являющуюся преобразователем компьютерного интерфейса USB 2.0 в последовательный протокол семейства RS-232, который поддерживается устройством USART в микроконтроллере. При установке на компьютер драйвера управления микросхемой, в списке устройств компьютера появляется виртуальный COM-порт, через который и осуществляется обмен данными между компьютером и пультом. Выбор данной микросхемы обусловлен тем, что требует минимальных доработок собственного программного комплекса «LURWorkstation».

      Функцию 7 решено было реализовать на отдельном микроконтроллере ATMega8515. В пульте ЛУР240 таймер реализован как отдельное устройство на нескольких микросхемах средней степени интеграции. Выполнив таймер на микроконтроллере, мы упростили схему, уменьшили номенклатуру применяемых электрорадиоэлементов, уменьшили печатную плату. Кроме того, в схему таймера добавлена возможность использования восьмисегментных индикаторов разной полярности – с общим анодом или общим катодом, чтобы в случае ошибки комплектации (такое иногда случается), не пришлось бы выпаивать из платы сегментные индикаторы. Метки времени микроконтроллер таймера получает от ведущего микроконтроллера.

Программы для микроконтроллеров были написаны на языке ассемблера. Написание программ и их отладка проводились в среде программирования AVR Studio 4, которую «скачали» с сайта фирмы Atmel. Для записи программ в микроконтроллеры использовали изготовленный нами программатор, который подключается к LPT порту персонального компьютера. 

 

 

Лицевая панель нового пульта представлена на рис.1

 

 

Рис.1. Общий вид панели пульта ЛУР240А.

 

1 – коммутационное поле, 2 – разъем для кабеля питания, 3 – тумблер включения питания, 4 –-индикатор напряжения, 5 – вольтметр, 6 – предохранитель на 10А, 7 – замок блокировки, 8 – лампа "Пуск разрешен", 9 – разъемы для кабелей управления, 10 – разъем для загрузки циклограмм с компьютера, 11 – тумблер включения подсветки, 12 – таймер, 13 – переключатель "Работа - Контроль", 14 – клемма "Ручной пуск", 15 – переключатель каналов "1-120" – "121-240" для ручного режима, 16 – тумблер включения автомата, 17 – индикатор "Готов" автомата, 18 – кнопка "Пуск" автомата, 19 – кнопка "Стоп" автомата, 20 – кнопка "Сброс" автомата

 

Питание пульта осуществляется автономно, от внешнего источника питания напряжением 24 В. Контактное поле представляет собой панель с размещенными на ней контактами для ручного запуска ФИ. Контакты для запуска совмещены с корпусами светодиодов.

 

пиротехника фейерверки пиротехническое оборудование салют салюты хлопушки петарды модная женская одежда для женщин швейное производство ОАО Пиро-Росс - пиротехника и одежда для женщин