Microcontroller Testboard

Praktische Schaltungstechnik
Platine für MM535
Inhaltsverzeichnis
Inhalt
Seite
Aufgabenstellung
2
Idee der Schaltung
2
Blockschaltbild
3
Schaltplan
4
Stückliste
11
Routen
12
Fertigen
15
Prüfen
16
Steckerbelegung
17
Gehäuse
18
Änderung in letzter Minute
18
Anhang
A .....
B .....
C .....
D .....
E .....
F .....
G .....
74LS245
MM74C922
Tastatur
Display
Prozessor 80515
MM535
Testprogramme
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Platine für MM535
Aufgabenstellung
Es soll eine Platine entwickelt werden, mit der man die Fähigkeiten des Micro
Moduls 535 der Firma Phytec nutzen kann. Über ein Display und über eine
Tastatur soll das Modul gesteuert werden.
Die Idee
Aus der großen Möglichkeit die das MM 535 bietet, sollte eine geeignete
Auswahl getroffen werden, mit der man möglichst viele verschiedene Aufgaben
bewältigen kann.
Eine große Rolle in der Mikroprozessortechnik sind digitale Ein – und
Ausgänge. Es wird jeweils ein Port für Eingabe und Ausgabe verwendet, somit
stehen 8 digitale Ein – Ausgänge zur Verfügung. Zum erfassen
regelungstechnischer Messgrößen werden 4 analoge Eingänge bereitgestellt. Die
Programmierung des Prozessormoduls erfolgt über die serielle Schnittstelle.
Die Möglichkeit den Prozessor zu steuern bzw. Informationen auszugeben
erfordert eine Tastatur und ein Display zur Kommunikation mit dem Benutzer.
Die Schaltung sollte mit einem handelsüblichen Netzteil zu betreiben sein und
die Größe „Euro Format“ (160mmx100mm) nicht überschreiten. Da das
Controllermodul nur 3 freie Ports verfügt, muss mindestens ein Schaltungsteil
über den Datenbus angesteuert werden. Bei der Tastatur und dem Display
besteht die Möglichkeit, diese mit geeignetem Treiber über den Datenbus
zusteuern. Der Port 4 wird nicht benutzt, weil mit ihm eine
Pulsweitenmodulation realisiert werden kann und dies für eine spätere
Erweiterung offen gelassen wird.
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Platine für MM535
Blockschaltbild
8 digitale
Eingänge
Spannungsversorgung
8 digitale
Ausgänge
4 analoge
Eingänge
Serielle
Schnittstelle
Phytec
MM 535
Display
Tastatur
Logik
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Platine für MM535
Gesamtschaltung
Die Schaltung besteht aus mehreren Funktionsgruppen. Zur besseren
Erläuterung wird die Gesamtschaltung in die einzelnen Funktionsgruppen
zerlegt. Alle Schaltpläne sind mit Ariadne erstellt worden.
Erläuterung der Funktionsgruppen
Spannungsversorgung
Über einen zweipoligen Klemmenblock wird ein handelsübliches Netzteil
mit einer Spannung zwischen 7V – 28V angeschossen. Die Spannung
wird über die Z – Diode auf 9,1V stabilisiert und anschließend mit einem
Elko geglättet. Die Diode V2 dient als Verpolschutz. Über eine LED mit
Vorwiderstand zur Strombegrenzung wird die Betriebsbereitschaft
signalisiert. Der LM 7805 (Festspannungsregler mit +5V) hält einen
konstanten Pegel. Die Dioden V3 und V4 sind Freilaufdioden zum
kurzschließen von induktiven Lasten. Anschließend werden HF Störungen
über einen Kondensator gefiltert. Der Elko dient der Stabilisierung der
Ausgangsspannung.
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Platine für MM535
Digitaler Ausgang
Als digitaler Ausgang wurde der Port 1 des Moduls verwendet. Die
8 Portleitungen wurden auf einen 74LS245 Baustein ( Datenblatt zum
74LS245 im Anhang A) geführt. Der 74LS245 dient als Leitungstreiber
für den Ausgang. Sein enable Eingang liegt fest auf Masse und Pin 1 auf
+5V. Das bedeutet, dass der Baustein immer aktiv ist und die Richtung
A -> B eingestellt ist. Um eine Anzeige der Schaltzustände zu bekommen,
werden die Ausgänge über 8 low current LEDs und ein Wiederstand Array von 2,2 kΩ an Masse gelegt. Für die LEDs sollte ein Strom von 23mA fließen .
I=
U
+ 5V
=
= 2,2mA
R 2200Ω
Die Ausgänge werden dann auf einen SUB D Stecker (X3) auf Pin 18 –
25 geführt.
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Platine für MM535
Digitaler Eingang
Der digitale Eingang ist in der Funktionsweise gleich dem digitalen
Ausgang, nur hier beginnen wir mit der Betrachtung vom Stecker X3 aus.
Die Pins 1 – 8 vom SUB D Stecker werden auf einen Leitungstreiber
74LS245 geführt. Dieser ist immer aktiv und die Richtung B -> A ist
festgelegt. Von diesem geht es zum Port 5 des Mikrocontrollers. Zur
Signalanzeige dienen auch hier 8 LEDs.
Analoger Eingang
Das Modul besitzt 8 analoge Eingänge. Die
analogen Eingänge AN1 – AN4 werden
verwendet und auf einen 9 poligen SUB D
Stecker (X2) geführt. 4 analoge
Masseleitungen und die analoge
Referenzspannung +5V werden ebenfalls
auf den Stecker (X2) geführt. Alle analogen
Eingänge werden mit 2 Dioden gegen Masse
und VCC geschaltet. Dies bewirkt, dass der
Pegel der Eingänge nie größer der
Referenzspannung und nie kleiner der
Masse werden kann. Die Analogen
Masseleitungen sind auf dem Modul
miteinander verbunden.
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Serielle Schnittstelle
Für die Verbindung vom Controller und
PC stellt das Modul die Leitungen TxD
und RxD bereit. Diese werden nur noch
mit einer 9 poligen SUB D Buchse (X4)
verbunden. Zur Entstörung werden 22pF
Kondensatoren zwischen Leitungen und
Masse gelegt.
Datenbus
Zur Steuerung des Tastatur und des Display wird der Datenbus, 2 Chip
Select Leitungen und zwei Adressleitungen verwendet. Der Datenbus des
Moduls wird mit einem Leitungstreiber 74HC245 verbunden. Es wird hier
ein CMOS IC verwendet um stabilere Pegel zu erhalten. Mit der
Adressleitung A0 wird die Richtung des 74HC245 bestimmt. Bei einer ‚0’
wird vom Datenbus gelesen bei einer ‚1’ wird auf den Bus geschrieben.
Sobald man auf eine externe Speicheradresse zugreift wird ein Chip
Select Signal auf low gesetzt, somit werden die Chip Select Signale zum
aktiv schalten des Treibers benutzt. Die CS Leitungen werden über ein
UND (74HC11) mit dem enable Pin des Treibers verbunden. Auf der
Sekundärseite des Treibers werden die Datenleitungen auf eine Stiftleiste
geführt, die zur Verbindung der zweiten Platine dient. Die Adressleitung
A0 und A1 sowie die Read Write Signale und die CS Leitungen werden
ebenfalls auf die Stiftleiste geführt, da sie zur Steuerung des Display und
der Tastatur auf der zweiten Platine noch benötigt werden. Die
Datenleitung D0 wird über einen Taster und 4,7 kΩ an VCC
angeschlossen. Diese Verbindung ist zum Neuprogrammierung des Flash
Speichers nötig. Siehe Anhang F
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Tastatur
Es wird eine 3x4 Tastatur verwendet. Um diese über den Datenbus
auslesen zu können, wird der MM74C922 als Tastaturtreiber verwendet.
Dieses IC setzt den „Data av“ Ausgang auf ‚1’ wenn ein Tastendruck
erfolgt ist. Wird nun sein „DE“ Eingang vom Prozessor auf Null gesetzt,
so gibt das IC die Information (4 Bit ) auf den Bus. Folgendes Bitmuster
wird auf dem Datenbus ausgegeben:
Taste D3 D2 D1 D0
1
0 0 0 0
2
0 0 0 1
3
0 0 1 0
4
0 1 0 0
5
0 1 0 1
6
0 1 1 0
7
1 0 0 0
8
1 0 0 1
9
1 0 1 0
*
1 1 0 0
0
1 1 0 1
#
1 1 1 0
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Platine für MM535
Das Chip select 2 Signal des Prozessors wird als Freischaltsignal des
Tastaturtreibers verwendet. Port 4.1 sowie INT 0 dient als Signaleingang,
dass ein Zeichen verfügbar ist. Mit den beiden Kondensatoren C1 und C2
wird die interne Oszillatorfrequenz des 74C922 eingestellt, mit der er die
Tastatur abprüft. Im Anhang C ist die Pinbelegung der Tastatur
beschrieben.
Display
Das Display hat einen eigenen Prozessor mit 16 Anschlusspins. 8 der 16
Leitungen sind Datenleitungen und dienen zum einschreiben von
Informationen und zum auslesen solcher. Es werden 3 Steuerleitungen
benötigt. R/W dient zu Umschaltung zwischen Lese und Schreibzugriff
auf das Display. Der Anschluss RS ist für die Auswahl zwischen
Steuersignalen und Ausgabedaten. E – Signal stellt das Steuersignal für
die Übernahme des anliegenden Signals an den Displayprozessor. Die
übrigen Anschlüsse dienen zur Spannungsversorgung und
Kontrasteinstellung über ein 10k Potentiometer. Zur Steuerung von R/W
und RS Signal werden vom Controllermodul die Adressleitung A0 und
A1 verwendet. Die Steuerinformationen und die dazugehörigen
Adresskombinationen sind in der folgenden Tabelle aufgelistet. Das
enable Signal wird über eine Logik die im nächsten Abschnitt beschrieben
wird angesteuert. Anhang D beschreibt ausführlich die Programmierung
des Display sowie die Ansteuerung der Steuerleitungen.
A1
0
0
1
1
A0
0
1
0
1
Steuerinformation
Steuersignal lesen
Steuersignal schreiben
Daten lesen
Daten schreiben
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Logik
Das Signal vom Datenbus wird bei einer fallenden Flanke des enable
Signals von high auf low vom Displayprozessor übernommen. Dieses
Signal ist folgendermaßen definiert:
Enable cycle time
min: 666 ns
Enable pulse width
min: 280 ns
Enable rise/fall time
max: 25 ns
Das Signal darf erst dann anliegen, wenn das Datum schon auf dem
Datenbus steht und die Adressleitung für Steuersignale anliegen. Das
Enable Signal muss mindestens 280 ns anliegen und anschließend
abfallen, bevor die Daten vom Datenbus und die Steuersignale vom
Adressbus genommen werden. Die Logik besteht aus zwei NAND und
einem AND Gatter. Ausführliche Timing Datenblätter sind von Display
Anhang D und vom Prozessor Anhang E.
Taster
Rot =
Grün =
Programmierung des FlashROM
Reset
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Stückliste
Anzahl
Bezeichnung
3
3
1
3
1
1
1
1
Stiftleisten und Sockel
IC Sockel 20 pol. gedreht
IC Sockel 14 pol. gedreht
IC Sockel 18 pol. gedreht
32 pol. gedreht Stiftleiste für Mikroprozessor ;1 Reihe
Stiftleisten 20 pol. 30mm lang ; 2 Reihen
20 pol Buchsen ; 2 Reihen
16 pol Stiftleisten Display : 1 Reihe
16 pol Buchsen Display ; 1 Reihe
1
1
1
1
1
1
Phytec MM535
Display 2x16
Matrixtastatur 3x4
SUB D Stecker 25 pol. + Befestigungshalter
SUB D Stecker 9 pol. + Befestigungshalter
SUB D Buchse 9 pol. + Befestigungshalter
2
1
1
1
1
1
1
74LS245
74HC245
74HC11
7400
7408
74C922
LM 7805
1
1
2
10
2
1
1
Elko 10 µF/ 25 V
Elko 4,7 µF/ 6V
Tantal 10 µF
Kondensator 100 nF
Kondensator 22 pF
Kondensator 22 nF
Kondensator 220 nF
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1
3
8
BZT3C9V1 Z – Diode
Dioden 1N4001
Dioden 1N4148
1
1
2
1
1
16
Widerstand 330 Ohm
Widerstand 4,7 k Ohm
Widerstand – Array 2,2 k Ohm 8 fach
Poti 10 k Ohm
LED grün 3mm
LED rot 3mm low current
2
1
1
4
2
2
2
Taster
Kühlkörper SK13
Klemmenblock 2 pol.
Abstandsbolzen 30 mm
Abstandsbolzen 10 mm
Europlatinen doppelseitig 160x100
Plexiglas 180x120
Platine für MM535
Routen
Um alle geforderten Teile im Format 160mm x 100mm unter zubringen,
wurde eine Basisplatine mit den elektrischen Anschlüssen und darauf
aufsitzend eine Bedienplatine entworfen. Beide Platinen sind doppelseitig
mit dem Programm Ariadne geroutet worden.
Beim Routen wird zunächst das Format der Platine bestimmt,
anschließend werden die Bauteile auf der Platine platziert. Es werden
Bohrungen für Befestigungen und Cut Out oder Kupferflächen an der
richtigen Stelle eingefügt. Auf der Oberseite der Bedienplatine ist eine
Kupferfläche eingeführt. Diese soll Störsignale vom Prozessor auf das
Display und umgekehrt verhindern. Nun werden die einzelnen Bauteile
miteinander Verbunden. Diese Verbindungen stellen dann später die
Leiterbahnen dar. Wichtig ist es, dass Verbindungen ,wie Stiftleisten,
welche auf beiden Platinen vorhanden sind, auch an der gleichen Stelle
positioniert werden.
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Platine für MM535
Basisplatine Oberseite
Basisplatine Unterseite
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Bedienplatine Oberseite
Bedienplatine Unterseite
Fertigung der Platine
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Platine für MM535
Das Programm Ariadne kann aus der fertig gerouteten Platine einen
Bestückungsplan und einen Bohrplan erstellen. Der Bohrplan enthält alle
Informationen über die Lage und Größe der Bohrungen auf der Platine.
Diese Daten werden von einer CNC gesteuerten Bohr/Frässtation dazu
verwendet um die erforderlichen Löcher in die Platine zu bohren.
Nach dem Bohren werden die mit Fotolack beschichteten Platinen in
einem Belichtungsgerät mit den einzelnen Layern belichtet.
Die belichteten Platinen kommen nun in die Entwicklerlösung, dort löst
sich der Fotolack von den belichteten Stellen auf der Platine ab und es
bleibt nur das Kupfer übrig. Nach dem Entwickeln werden die Platinen in
eine Ätzlösung gehängt. Kupfer das nicht vom Fotolack geschützt ist wird
entfernt. Die fertige Platine wird abgespült und von Lackresten befreit. Es
kann jetzt mit der Bestückung der Platinen begonnen werden.
Bestückungsplan Basisplatine
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Platine für MM535
Bestückungsplan Bedienerplatine
Prüfen
Nach dem die Platinen fertig bestückt sind kann mit der Prüfung dieser
begonnen werden. Es wird ein Monitorprogramm auf den Mikrocontroller
gespielt mit dem es möglich ist das Modul zu programmieren und die
Funktion zu testen. Zum programmieren des Flash muss beim Einschalten
oder Reset der Rote Taster gedrückt werden. Zum überprüfen der
einzelnen Funktionen wurden kleine Testprogramme geschrieben, die im
Anhang G aufgelistet sind.
Zum Testen des Analogen Ports wurde ein Teststecker angefertigt, der
über ein Potentiometer eine Spannung zwischen der analoger Masse und
analoger Referenzspannung auf einen der Eingänge gibt.
Steckerbelegung
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Platine für MM535
SUB D 25 pol. Stecker (digitale Ein – Ausgänge)
Pin Signal Pin Signal
1 DA0 14 VCC
2 DA1 15 VCC
3 DA2 16 VCC
4 DA3 17 VCC
5 DA4 18 DB7
6 DA5 19 DB6
7 DA6 20 DB5
8 DA7 21 DB4
9 GND 22 DB3
10 GND 23 DB2
11 GND 24 DB1
12 GND 25 DB0
13 GND
Zeichenerläuterung :
SUB D 9 pol. Stecker
Pin Signal Pin Signal
1 AN3 6 AGND
2 AN1 7 AGND
3 AN2 8 AGND
4 AN4 9 AGND
5 AREF
Zeichenerklärung :
SUB D 9pol. Buchse
DA = Digitale Eingänge
Port 5
DB = Digitale Ausgänge Port 1
GND = Masse
VCC = + 5V
( Analoge Eingange )
AN = Analoger Port des Mikrocontroller
AGND = analoge Masse
AREF = analoge Referenzspannung +5V
( Serielle Schnittstelle )
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Pin
2
3
5
Platine für MM535
Signal
TxD
RxD
GND
Gehäuse
Es ist für die Schaltung kein Gehäuse vorgesehen. Lediglich wird über die
Bedienplatine eine Plexiglasplatte zur Abdeckung montiert. Diese dient
vor allem als Halter für die Taster, den Kontrastregler und die Tastatur.
Die Kontur der Aussparrungen wird mit AutoCAD erstellt, anschließend
wird eine Fräskante im Abstand von 1mm an der Kontur vorbeigelegt. Die
CNC Fräsmaschine fräst mit dem Mittelpunkt des Fräsers entlang der
Fräskante. Bedenkt man noch die dicke des Fräsers, so wird die Kontur
ausgefräst.
Änderungen in letzter Minute
Das Read/Write Signal das Display entspricht den invertierten
Steuersignal A0 für dem Datenbustreiber. Die Adressleitung wurde vor
dem Anschluss an das Display invertiert.
Das CS 3 Signal des Prozessors ist beim Einschalten oder Reset mit
Störung behaftet. Am Pin 13 des Baustein D5 wird das CS 3 Signal durch
VCC ersetzt.
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