Cel i zakres pracy

Celem pracy jest zbadanie możliwości realizacji układu do pomiaru przedziałów czasu za pomocą zasobów sprzętowych mikrokontrolera jednoukładowego, a także zaprojektowanie, zbudowanie, oprogramowanie oraz przebadanie cyfrowego miernika czasu.

Zakres pracy obejmuje:

omówienie podstawowych pojęć związanych z pomiarem czasu,

przegląd rozwiązań fabrycznych mierników czasu,

projekt i budowę cyfrowego miernika czasu z wykorzystaniem mikrokontrolera,

oprogramowanie sterujące pracą mikrokontrolera,

badania i pomiary wykonanego urządzenia,

przedstawienie wniosków końcowych.

Założenia projektowe

Funkcje i cechy, jakie ma posiadać projektowany układ zostały zestawione w poniższych punktach:

pomiar pojedynczego odcinka czasu,

pomiar 5, 10 oraz 20 odcinków czasu z możliwością uśrednienia wyniku,

dwa wejścia w standardzie TTL umożliwiające automatyczny pomiar przebiegów,

wybór zboczy po których nastąpi rozpoczęcie i zakończenie pomiaru,

sygnalizacja wybranego trybu za pomocą diod LED,

transmisja wyników do komputera poprzez złącze RS232.

Budowa i zasada działania układu

    Schemat blokowy (funkcjonalny) zbudowanego cyfrowego miernika czasu przedstawiony jest na rysunku poniżej. Składa się on a następujących bloków:

generatora kwarcowego,

mikrokontrolera,

klawiatury,

wyświetlacza LCD,

zatrzasków,

wskaźników LED,

konwertera napięć RS232,

buforów wejściowych i wyjściowych,

zasilacza.

Głównym elementem urządzenia jest mikrokontroler IC1 - ATmega88. Mikrokontroler  jest odpowiedzialny za kontrolowanie i sterowanie wszystkimi peryferiami wchodzącymi w skład układu miernika czasu oraz wykonuje niezbędne obliczenia w celu wyznaczenia wyniku pomiaru. Peryferia obsługiwane są poprzez trzy porty PB, PC, i PD. W tabeli poniżej zestawiono wykorzystanych portów mikrokontrolera. Do jego portu C podłączone są równolegle wyświetlacz LCD oraz wskaźniki LED poprzez zatrzask IC2.
Mikrokontroler taktowany jest generatorem kwarcowym IC5. Do linii RXD i TXD mikrokontrolera dołączony jest układ IC4 pełniący funkcję konwertera napięć interfejsu RS-232. Linie wejściowe INT0 oraz INT1 mikrokontrolera oddzielone są od gniazd wejściowych buforami IC3B oraz IC3C. Pozostałe bufory są niewykorzystane a ich wejścia podłączone zostały do masy. Przyciski oraz złącze programowania ISP podłączone są do portu B. Kondensatory C1 – C6 filtrują napięcie zasilania.
Urządzenie zasilane jest z zasilacza stabilizowanego, który dostarcza napięcia 5V wszystkim blokom.

        Zestawienie wykorzystanych portów mikrokonontrolera ATmega88L

 

Źródło sygnału wzorcowego

    W prezentowanym urządzeniu, jako źródło sygnału wzorcowego taktującego mikrokontroler zastosowano generator kwarcowy SPXO typu GBS-205B firmy ECM. Generator kwarcowy jest przeznaczony do synchronizacji częstotliwości w urządzeniach pomiarowych i radiowych oraz do taktowania zegara systemowego mikrokontrolera. Może służyć jako samodzielne źródło częstotliwości. Generator jest wyposażony w rezonator kwarcowy. Układ wyprowadzeń końcówek generatora przedstawiono na rysunku poniżej.

Dane techniczne:

częstotliwość pracy ƒn=18,432000MHz,

zakres temperaturowy pracy od 0^oC do 70^oC,

zmiana częstotliwości w zakresie temperatury pracy 50ppm,

napięcie wyjściowe w standardzie TTL,

napięcie zasilania 5V,

moc pobierana 30mA

,

Schematy

 

Zdjęcia

Badania

    Zakres badań obejmował pomiar częstotliwości wewnętrznego generatora kwarcowego, ponadto zbadano dokładność pomiaru wykonanego urządzenia. Jako źródło prostokątnego sygnału wzorcowego zastosowano częstościomierz-czasomierz cyfrowy ZOPAN model KZ2026A-2.

Pomiar częstotliwości generatora kwarcowego

    Wyniki dziesięciu wykonanych pomiarów częstotliwości wewnętrznego generatora kwarcowego taktującego mikrokontroler przedstawiono w tabeli poniżej.

Wartość średnia f_śr = 18,43189526 MHz

Odchylenie standardowe σ = 0,0458868Hz

Błąd częstotliwości wzorcowej miernika czasu:

 bezwzględny ∆f: = 104,74Hz

Błąd względny σ f  = 5,68 ppm

Dla zamontowanego w urządzeniu generatora kwarcowego GBS-205B producent podaje dokładność ±50 ppm.

Badanie niepewności pomiarów wyzwalanych ręcznie

    W celu zbadania niepewności pomiarów wyzwalanych ręcznie zmierzono dziesięć odcinków czasu o czasie trwania 10 sekund. Rozpoczęcie oraz zakończenie każdego pomiaru realizowane było ręcznie, poprzez wciskanie przycisku START/STOP. Wyniki pomiarów przedstawiono w tabeli poniżej

Wartość średnia f_śr  = 9,9615s

Niepewność typu A:

u_i = 0,040084148s

∆_gr = 0,000498075s

Niepewność typu B:

u_j  = 0,0002875637353s

Niepewność łączna:

u_c = 0,040085179s

Niepewność rozszerzona:

U = 0,120255537s

Wynik zaokrąglony zgodnie z zasadami:  10s ± 0,1s

Wykonując miernikiem dziesięć pomiarów dziesięciosekundowego odcinka czasu można uzyskać niepewność pomiaru rzędu 100ms.

Osiągnięte rezultaty

1. Wszystkie cele pracy zrealizowano: zaprojektowano, zbudowano i zbadano w praktycznym zastosowaniu układ cyfrowego miernika czasu wykorzystującego zasoby mikrokontrolera.

2. W ramach zadania dyplomowego zapoznano się różnymi sposobami pomiaru czasu.

3. Zaprojektowany i zbudowany układ potwierdził możliwość zrealizowania cyfrowego układu do pomiaru czasu z wykorzystaniem zasobów sprzętowych mikrokontrolera jednoukładowego.

4. Zbudowany miernik czasu posiada cechy, które przemawiają za jego stosowaniem w miejsce tradycyjnych stoperów. Są to m.in.:

Możliwość obliczenia średniej z kilku dokonanych pomiarów,

Komunikacja z komputerem poprzez interfejs RS-232,

Wyprowadzenie sygnału zegarowego taktującego mikrokontroler,

Dwa wejścia BNC służące do pomiaru np. okresu lub opóźnień sygnałów cyfrowych,

Zabezpieczenie wejść 1 i 2 buforami, co gwarantuje bezpieczeństwo portów mikrokontrolera,

Metalowa obudowa zapewnia odporność urządzenia na zakłócenia,

Projekt jest rozwojowy, złącze ISP umożliwia zmianę oprogramowania mikrokontrolera w każdej chwili, bez demontażu płytek ani układów scalonych.

5. Wymienione zalety a w szczególności możliwość dalszego przetwarzania danych oraz zmiany oprogramowania świadczą o funkcjonalności i przydatności urządzenia.

6. Układ cyfrowego miernika czasu posiada rozdzielczość do trzech miejsc po przecinku, wyższe rozdzielczości nie są możliwe z powodu dużego kodu wynikowego generowanego przez pakiet BASCOM AVR. Rozdzielczość wykonanego przyrządu można zwiększyć, pisząc oprogramowanie mikrokontrolera w języku niższego poziomu.

7. Wyniki przeprowadzonych pomiarów wykazały, że błędy pomiarów czasu są mniejsze od rozdzielczości miernika, to znaczy od 1ms, więc błędy nie są widoczne na wyświetlaczu.

Powrót na początek                Strona autora