Разработка микроконтроллерной системы автоматической регулировки фар

       Предположим теперь, что на вход наблюдателя  действует случайный сигнал, имеющий спектральную функцию

              , (2.9)

       где – дисперсия случайного шума; – время корреляции шума; – частота.

       В этом случае, в области малых отклонений, когда величина ошибки оценивания стремится к нулю

              , (2.10)

       получим следующие оценки отношения дисперсий  на входе и выходах блока наблюдателя (4.4), (4.5):

              , (2.11)

              , (2.12)

       где – дисперсии входного и выходного сигналов звена наблюдателя.

       Таким образом, параметры оценивателя  скоростей определяются следующим  образом.

       1 Исходными данными являются: время корреляции шума датчиков , дисперсия шума датчика ; требуемое соотношение между дисперсиями входного и выходного сигналов .

       2 Рассчитываем коэффициенты усиления наблюдателя. Из определения для величины получаем соотношение между коэффициентами усиления нелинейного РНП:

              . (2.13)

       Для задания динамических параметров наблюдателя выбираем настройку на технический оптимум (отсутствие колебаний при максимальном быстродействии), то есть кратные корни:

              . (2.14)

       Сравнивая (4.15) и (4.16), получаем:

              . (2.15)

       Подставляем (2.15) и значения времени корреляции шума и требуемого соотношения дисперсий в формулу (2.12). В результате получаем уравнение третьего порядка относительно коэффициента , решая которое получаем три корня. Два комплексных корня отбрасываем, а оставшийся действительный корень всегда положительный, определяет значение коэффициента .

       Далее из выражения (2.14) определяем значение .

       3 Коэффициент выбирается исходя из значения дисперсии таким образом, что если ошибка оценивания выходной координаты превышает амплитуду шумов, то произведение быстро нарастает, а в противном случае – убывает.

       Пусть нелинейная функция в (4.5) выбрана  в виде:

              . (2.16)

       Тогда коэффициент  рассчитывается исходя из соотношения:

              . (2.17)

       Коэффициент 3 появился из правила «3 сигма» – амплитуда нормального случайного шума с вероятностью 0,996 не превышает трех дисперсий этого шума.

       Пусть, например, заданы следующие исходные данные: , ; .

       Применяя  изложенную методику, получаем следующие значения коэффициентов нелинейного РНП: , .

       Теперь  из выражения (4.19) вычисляем: , . 
 

 

        3 Разработка схемы электрической принципиальной

       3.1 Выбор микроконтроллерного комплекта 
 

       Основным  узлом устройства, который управляет  всеми процессами и осуществляет все необходимые вычисления в  системе, является микроконтроллер (МК). В настоящее время выпускается  широкая номенклатура микроконтроллеров различного назначения, отличающихся друг от друга архитектурой, производительностью, разрядностью, способами организации внешней шины, наборами коммуникационных интерфейсов, способностью обрабатывать аналоговые сигналы и так далее. Многие МК имеют интегрированные в одном с микропроцессором кристалле АЦП, контроллеры интерфейсов, ПЗУ команд (масочные или перепрограммируемые), ОЗУ данных, параллельные порты ввода-вывода.

       Для того чтобы выбрать микроконтроллер, способный эффективно выполнять  возложенные на него функции, сформулируем основные требования к нему.

       Производительность  МК во многом определяется тактовой частотой, на которой он работает. Для разрабатываемой  системы с учетом возможности  наращивания и усложнения алгоритмического и программного обеспечения тактовая частота должна составлять не менее 20 МГц.

       Количество  аналоговых сигналов, исходя из структурной  схемы устройства должно быть не менее  5. Погрешность измерения параметров функционирования автомобиля обычно не должна превышать 1 %. Чтобы обеспечить этот показатель разрядность цифрового кода, полученная с помощью встроенного АЦП, должна быть не менее 10 бит.

       В качестве основного коммуникационного  интерфейса между электронными блоками  управления автомобиля наибольшее распространение  получил САN-интерфейс [2]. Для более надежной работы желательно иметь два канала связи по CAN – один основной, другой резервный. В этой связи необходимо сопряжения МК с CAN-шиной.

       В данном устройстве используем микроконтроллер  Atmega128.

       В целях достижения максимальной производительности и параллелелизма у AVR-микроконтроллеров используется Гарвардская архитектура с раздельными памятью и шинами программ и данных. Команды в памяти программ выполняются с одноуровневой конвейеризацией. В процессе выполнения одной инструкции следующая команда предварительно считывается из памяти программ. Данная концепция позволяет выполнять одну инструкцию за один машинный цикл. Память программ представляет собой внутрисистемно программируемую флэш-память.

       Регистровый файл с быстрым доступом содержит 32 x 8-разрядных рабочих регистров общего назначения с однотактовым циклом доступа. Благодаря этому, достигнута однотактность работы арифметико-логического устройства (АЛУ).

       6 регистров из 32 могут использоваться  как три 16-разр. регистра косвенного адреса для эффективной адресации в пределах памяти данных. Один из этих указателей адреса может также использоваться как указатель адреса для доступа к таблице преобразования во флэш-памяти программ. Данные 16-разр. регистры называются X-регистр, Y-регистр и Z-регистр.

       АЛУ поддерживает арифметические и логические операции между регистрами, а также  между константой и регистром. Кроме  того, АЛУ поддерживает действия с  одним регистром. После выполнения арифметической операции регистр статуса  обновляется для отображения результата выполнения операции.

       AVR-микроконтроллеры  поддерживают несколько различных  источников прерываний. Все прерывания, а также сброс имеют свой  индивидуальный вектор в памяти  программ. Для каждого прерывания  имеется собственный бит разрешения. Кроме того, имеется возможность общего разрешения работы прерываний с помощью управления соответствующим битом в статусном регистре. В зависимости от значения программного счетчика прерывания могут быть автоматически отключены, если запрограммировать биты защиты загрузочного сектора BLB02 или BLB12.

       Имеется два основных типа прерываний. Первый тип прерываний активизируется событием, которое приводит к установке  флага прерываний. Для данных прерываний программный счетчик изменяется на соответствующий вектор прерывания для выполнения процедуры его обработки и затем аппаратно очищает флаг прерывания. Флаги прерывания также сбрасываются путем записи лог.1 в соответствующий разряд. Если возникает условие прерывания, но данное прерывание запрещено, то флаг устанавливается и запоминается до разрешения этого прерывания или сбрасывается программно. Аналогично, если возникает одно и более условий прерываний при сброшенном флаге общего разрешения прерываний, то соответствующий флаг устанавливается и запоминается до возобновления работы прерываний, а затем прерывания будут выполнены в соответствии с приоритетом.

       Второй  тип прерываний активизируется сразу  после выполнения условия прерывания. Данные прерывания не обязательно имеют  флаги прерываний. Если условие прерывания исчезает до его разрешения, то данный запрос игнорируется.

       Реакция на отработку запроса на прерывание длится минимум 4 машинных цикла. По истечении  этого времени программа продолжает свое выполнение с вектора соответствующего прерывания. Выход из процедуры обработки прерывания требует 4 машинных цикла.

       ATmega128 содержит 128 кбайт внутренней внутрисистемно  перепрограммируемой флэш-памяти  для хранения программы. Для  программной защиты флэш-память  программ разделена на два  сектора: сектор программы начальной загрузки и сектор прикладной программы. Кроме того ATmega128 содержит 4 Кбайт встроенной статической ОЗУ памяти данных и имеется возможность подключения 64 Кбайт внешней статической ОЗУ.

       Основным  источником синхронизации для ATmega128 является кварцевый генератор, подключаемый к входам XTAL1 и XTAL2. Для задания частоты может использоваться либо кварцевый либо керамический резонатор.

       ATmega128 имеет возможность реализовать  8 внешних прерываний, а также  прерывания по таймерам, что позволяет  использовать его в проектируемой системе. Также можно осуществлять прерывания по завершению преобразования АЦП и по изменению состояния аналогового компаратора.

       Контроллер  имеет 8 универсальных параллельных портов ввода-вывода. Для каждого порта ввода-вывода в памяти ввода-вывода зарезервировано три ячейки: одна под регистр данных – PORTx, другая под регистр направления данных – DDRx и третья под состояние входов порта – PINx. Ячейка, хранящая состояние на входах портов, доступна только для чтения, а регистры данных и направления данных имеют двунаправленный доступ. Кроме того, установка бита выключения подтягивающих резисторов PUD регистра SFIOR отключает функцию подтягивания на всех выводах всех портов.

       Большинство выводов поддерживают альтернативные функции в дополнение к универсальному цифровому вводу-выводу.

       Контроллер  обладает 8-разрядным АЦП, что делает его пригодным для реализации проектируемой системы. Кроме того он обладает таймерами, осуществляющими  генерирование ШИМ-сигналов, которые  требуются для формирования управляющих сигналов на поворотные двигатели фар.

       Аналогово-цифровой преобразователь обладает следующими параметрами:

       – 10-разрядное разрешение;

       – интегральная нелинейность 0.5 младшего разряда;

       – абсолютная погрешность ± 2 мл. разр.;

       – время преобразования 65 – 260 мкс;

       – частота преобразования до 15 тыс. преобразований в 1секунду при максимальном разрешении;

       – 8 мультиплексированных однополярных входов;

      – 7 дифференциальных входных каналов;

      – 2 дифференциальных входных канала с опциональным усилением на 10 и 200;

      – представление результата с левосторонним или правосторонним выравниванием в 16-разр. слове;

      – выборочный внутренний ИОН на 2,56В;

      – режимы одиночного преобразования и автоматического перезапуска;

      – прерывание по завершении преобразования АЦП;

      – механизм подавления шумов в режиме сна.

      АЦП преобразовывает входное аналоговое напряжение в 10-разр. код методом  последовательных приближений. Минимальное  значение соответствует уровню GND, а  максимальное уровню AREF минус 1 мл. разр. К выводу AREF опционально может быть подключено напряжение AVCC или внутренний ИОН на 1.22 В путем записи соответствующих значений в биты REFSn в регистр ADMUX. Несмотря на то, что ИОН на 2.56 В находится внутри микроконтроллера, к его выходу может быть подключен блокировочный конденсатор для снижения чувствительности к шумам, т.к. он связан с выводом AREF.

      Для связи с САN-шиной используется преобразователь, входы которого можно подключить к универсальному синхронному и асинхронному последовательному приемопередатчику (УСАПП), предназначен для организации гибкой последовательной связи.

      Отличительные особенности данного приемника следующие.

      1 Полнодуплексная работа (раздельные регистры последовательного приема и передачи).

      2 Асинхронная или синхронная работа.

      3 Ведущее или подчиненное тактирование связи в синхронном режиме работы.