Узел подключения многоэлементных фотоприёмных линеек

Никита Каштанов

Узел подключения многоэлементных фотоприёмных линеек

На сегодняшний день 3D-печать становиться всё более популярным способом получения изделий. Существуют различные технологии 3D-печати, однако самое широкое распространение на сегодняшний день получила технология моделирования методом послойного наплавления. Эта технология заключается в изготовлении изделий при помощи аддитивного нанесения слоёв расплавленного материала, которые соответствует контурам цифровой модели этого изделия. В качестве материала выступает филамент - термопласт, произведённый в виде прутка круглого сечения с диаметром 1,75 мм либо 3 мм. Одно из предъявляемых требований - удержание заданного диаметра на протяжении всей нити в рамках 5% погрешности. Для его выполнения средствами измерения толщины производится мониторинг диаметра филамента в процессе его производства. На основании вышесказанного, целью данной работы является разработка узла, который обеспечит: а) независимое управление двумя фотоприёмными линейками; б) обработку информации о диаметре и эллиптичности филамента для 3D - печати, поступающей с фотоприёмников; в) вывод обработанной информации на персональный компьютер; г) возможность последующего вложения в узел функции авторегуляции диаметра филамента, на основе обработанной информации. Работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников и шести приложений. В первом разделе проведен обзор теневого метода измерения и его оптимизация. Также рассмотрены возможные способы передачи информации на ПК, методы обработки сигнала МФПЛ и её управления. Второй раздел посвящен разработке структурной схемы. В нём рассмотрен алгоритм работы устройства, обоснованы требования ко всем основным сигналам и питающим напряжениям в нём. В третьем разделе произведён расчёт принципиальной схемы устройства, которая обеспечивает требование, предъявленные к устройству при разработке его структурной схемы. В четвёртом разделе представлены результаты экспериментов, подтверждающих возможность применения теневого метода измерения и правильность некоторых технических решений. В приложениях приведены дополнительные материалы к ВКР. Практическую значимость представляет разработанный в ходе выполнения работы узел подключения многоэлементных фотоприёмных линеек с возможностью доработки его до полноценного устройства контроля производства филамента. Научную ценность могут представлять результаты экспериментальных исследований макета датчика при работе с пластиковыми нитями, имеющими различные оптические свойства.

Электроника. Радиотехника

Дипломы

Вуз: Ульяновский государственный технический университет (УлГТУ)

ID: 5f392870cd3d3e0001bac0e5

UUID: 1cd85c60-c1eb-0138-1b3a-0242ac180006

Язык: Русский

Опубликовано: больше 3 лет назад

Просмотры: 38

10.86

Никита Каштанов

Ульяновский государственный технический университет (УлГТУ)

Комментировать 15

Рецензировать 0

Скачать - 12,6 МБ

Поделиться работой

РЕФЕРАТ Каштанов Н. В. Узел подключения многоэлементных фотоприёмных линеек: Выпускная квалификационная работа по специальности 11.03.01. -Ульяновск, УлГТУ, 2020. 94 страницы, 44 рисунка, 23 источника. МНОГОЭЛЕМЕНТНАЯ ИЗМЕРЕНИЯ, ТЕНЕВОЙ ФОТОПРИЁМНАЯ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ, ЛИНЕЙКА, ОПТИЧЕСКИЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕР, RS-485, ФИЛАМЕНТ ДЛЯ 3D-ПЕЧАТИ, КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ, АВТОПОДСТРОЙКА ЯРКОСТИ СВЕТОДИОДОВ. Выпускная квалификационная работа посвящена разработке узла подключения многоэлементных фотоприёмных линеек, работающих в составе датчика толщины пластикового филамента. Разработанное устройство обеспечивает управление двумя многоэлементными фотоприёмными линейками, обработку их выходных сигналов и передачу результатов обработки на персональный компьютер. Экспериментальным путем подтверждена верность принятых технических решений. Практическая значимость работы заключается в разработанном узле подключения многоэлементных фотоприёмных линеек с возможностью доработки его до полноценного устройства контроля производства филамента. Научную ценность могут представлять результаты экспериментальных исследований макета датчика при работе с пластиковыми нитями, имеющими различные оптические свойства. По теме выпускной квалификационной работы на 54-й научно-технической конференции УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях» сделан доклад «Применение многоэлементной фотоприёмной линейки в датчике толщины пластиковой нити», материалы доклады опубликованы в сборнике трудов конференции. На весенней студенческой научно-технической конференции 2020 года сделан доклад «Оптоэлектронный датчик толщины пластиковой нити». На 22-ой Всероссийской молодежной научной школе-семинаре “АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ФИЗИЧЕСКОЙ И ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ” был сделан доклад «УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ДИАМЕТРА ЭКСТРУДИРУЕМОГО ПЛАСТИКОВОГО ПРУТКА», который опубликованы в сборнике материалов школы-семинара.

3.1.1 Обоснование схемы включения фотоприёмной линейки ....................................................38 3.1.2 Расчёт работы компаратора ....................................................................................................39 3.2 Проектирование блока с микроконтроллером .........................................................................43 3.2.1 Обоснование схемы преобразователя питания.....................................................................43 3.2.2 Проектирование ГТИ ..............................................................................................................44 3.2.3 Согласование логических уровней и формирование импульса SH ....................................46 3.2.4 Схема включения микроконтроллера AT91SAM7S64.........................................................47 3.2.5 Реализация интерфейса RS-485 ..............................................................................................48 3.2.6 Формирование счётных импульсов .......................................................................................48 4 Результаты экспериментальных исследований ..........................................................................50 4.1 Исследование полутени, возникающей из-за отсутствия диафрагмы...................................50 4.2 Исследование влияния прозрачности филамента на выходной сигнал МФПЛ ...................55 4.3 Исследование управляющих сигналов .....................................................................................60 Заключение........................................................................................................................................61 Список использованных источников..............................................................................................62 Приложение А ...................................................................................................................................64 Приложение Б ...................................................................................................................................66 Приложение В ...................................................................................................................................70 Приложение Г ...................................................................................................................................76 Приложение Д ...................................................................................................................................78 Приложение Е ...................................................................................................................................80 Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 5

ВВЕДЕНИЕ На сегодняшний день 3D-печать становиться всё более популярным способом получения изделий. Существуют различные технологии 3D-печати, однако самое широкое распространение на сегодняшний день получила технология моделирования методом послойного наплавления. Эта технология заключается в изготовлении изделий при помощи аддитивного нанесения слоёв расплавленного материала, которые соответствует контурам цифровой модели этого изделия. В качестве материала выступает филамент - термопласт, произведённый в виде прутка круглого сечения с диаметром 1,75 мм либо 3 мм [1]. Одно из предъявляемых требований - удержание заданного диаметра на протяжении всей нити в рамках 5% погрешности [1]. Для его выполнения средствами измерения толщины производится мониторинг диаметра филамента в процессе его производства. В настоящее время существуют готовые микрометры, обладающие хорошей точностью. Однако в случае применения их для вышеописанной задачи они имеют ряд общих недостатков. Первый недостаток заключается в сложности, а зачастую невозможности интегрирования непосредственно с линией производства, что приводит к необходимости присутствия оператора, следящего за показаниями прибора, а применение систем автоматического регулирования оказывается невозможным. То есть, фактически, весь функционал существующих измерительных систем подобного рода сводиться к оповещению о нарушении производственного процесса персонала, который и должен вручную произвести корректировку. Невозможность автоматизации приводит к более дорогому производству изделия за счёт расходов на содержание персонала. Ещё один существенный недостаток существующих приборов – невозможность контроля эллиптичности филамента одним оптическим датчиком. Для измерения толщины нити в двух координатных осях необходимо использовать два полноценных датчика, что приводит к удорожанию измерительной системы в два раза. В дополнение стоит отметить и ненужную универсальность существующих микрометров, особенно оптических. Их производители предусмотрели возможность измерения не только диаметра или положения, но и величины зазора, внешнего или внутреннего размера, положения нескольких объектов и т. п., что не требуется для решения поставленной задачи. Поэтому, разрабатывая устройство конкретно для измерения диаметра филамента, появляется возможность сделать устройство проще аналогичных – в нём не будет избыточного функционала. Излишняя универсальность плоха не только с технической, но и с финансовой точки зрения: приобретая готовый микрометр, покупатель заплатит за функции прибора, пользоваться которыми он априори не будет. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 6

На основании вышесказанного, целью данной работы является разработка узла, который обеспечит: а) независимое управление двумя измерительными оптическими каналами; б) обработку информации о диаметре и эллиптичности филамента, поступающей с фотоприёмников; в) вывод обработанной информации на персональный компьютер; г) возможность последующего вложения в узел функции авторегуляции диаметра филамента, на основе обработанной информации. Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач: а) провести обзор по теме с описанием предлагаемого принципа измерения диаметра нити; б) разработать схему структурную устройства и определить требования к её основным компонентам; в) разработать и рассчитать схему электрическую принципиальную устройства; г) разработать конструкцию устройства (печатный узел); д) получить результаты экспериментальных исследований разработанного устройства. Работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников и двух приложений. В первом разделе проведен обзор теневого метода измерения и его оптимизация. Также рассмотрены возможные способы передачи информации на ПК, методы обработки сигнала МФПЛ и её управления. Второй раздел посвящен разработке структурной схемы. В нём рассмотрен алгоритм работы устройства, обоснованы требования ко всем основным сигналам и питающим напряжениям в нём. В третьем разделе произведён расчёт принципиальной схемы устройства, которая обеспечивает требование, предъявленные к устройству при разработке его структурной схемы. В четвёртом разделе представлены результаты экспериментов, подтверждающих возможность применения теневого метода измерения и правильность некоторых технических решений. В приложениях приведены дополнительные материалы к последнему разделу. Практическую значимость представляет разработанный в ходе выполнения работы узел подключения многоэлементных фотоприёмных линеек с возможностью доработки его до полноценного устройства контроля производства филамента. Научную ценность могут представлять результаты экспериментальных исследований макета датчика при работе с пластиковыми нитями, имеющими различные оптические свойства. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 7

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР 1.1 Анализ объекта измерения Проектируемый узел предназначен для оценки диаметра нити, выполненной из ABS или PLA пластика с произвольными цветом и оптической прозрачностью. Номинальный диаметр сечения может составлять 1,75 мм либо 3 мм, в зависимости от возможностей производственной линии. Сам филамент производится методом экструзии, из-за чего сечение прутка может отличаться от круглого и получиться эллиптичным, что недопустимо и говорит о неисправности в экструдере. Исходя из этого, значение диаметра нити может различаться в зависимости от того, на какую из координатных осей спроецировать её сечение. Важно отметить и то, что измеряемый объект будет находиться в постоянном движении в направлении, перпендикулярном плоскости сечения, в течение всего процесса производства, а следовательно, и измерения. Кроме этого, нить может совершать незначительные случайные поступательные движения в направлениях, перпендикулярных вектору постоянного движения. 1.2 Анализ теневого метода измерения Теперь, когда известны параметры объекта измерения, можно подробно рассмотреть метод, с помощью которого требуется проводить процесс измерения. В статье [2] предлагается использование теневого датчика для контроля геометрических параметров объекта. Разработанная авторами [2, с. 175] схема оптического канала, поясняющая этот принцип измерения изображена на рисунке 1. «Принцип оптического микрометра основан на проецировании тени измеряемого объекта на CMOS-матрицу через оптическую систему. Излучение полупроводникового лазера формируется в виде не расходящегося пучка и проецируется на объект. Теневая картина объекта телецентрическим объективом собирается на двумерной CMOS-матрице. Полученное изображение контура объекта анализируется на ПЛИС и процессором, который рассчитывает требуемые геометрические размеры» [2, с. 175]. При условии, что сечение представляет собой окружность, длина проекции (тени) будет равна диаметру нити. Тогда задача оценки величины диаметра сводится к нахождению размера тени на фотоприёмнике. Задача оценки эллиптичности можно решить путём ввода дополнительного оптического канала. Метод хорош тем, что для нашего объекта получаемая проекция будет в виде прямоугольника, а значит проста в плане математической обработки, ведь все сводиться к отысканию длины одной из сторон этой геометрической фигуры. Предлагаемая оптическая телецентрическая система [2, с. 175] обеспечивает очень хорошее качество проекции. К недостаткам можно отнести использование фотодиодной матрицы в качестве приёмника оптического сигнала. А в силу необходимости контроля эллиптичности сечения Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 8

филамента, придётся задействовать два оптических канала, что не только дорого и сложно в установке и настройке, но и предполагает использование двух таких фотоприёмников, что фактически полностью перекрывает достоинство простого алгоритма обработки данных их огромным количеством. Также требования к процессу управления матрицей относительно линейки более высокие. Рисунок 1 - Структурная схема теневого датчика Предлагаемый способ можно использовать для измерения и получить хороший результат. Но его реализация для измерения филамента в том виде, в каком его предлагают авторы [2] явно не будет рациональной. Во-первых, можно заменить матрицы на линейки. Использование фотоприёмных матриц в статье [2] обусловлено тем, что в общем случае, объект неподвижен, а следовательно, функция сканирования ложиться на саму измерительную систему, т. е. именно облучатель и фотоприёмник должны перемещаться относительно контролируемого объекта, а не наоборот. Чтобы решить эту задачу в качестве фотоприёмника использовалась матрица в сочетании с заложенным в оптический канал масштабированием проекции. И, таким образом, тень от всего объекта целиком падает на неподвижный фотоприёмник. Для иммобилизации источника излучения также использован эффект увеличения в оптическом канале – благодаря этому, облучается вся сторона изделия и отпадает необходимость его перемещать. Однако, в нашем случае объект всегда подвижен и нет никакого смысла возлагать сканирование на устройство измерения, так как объект сам будет перемещаться относительно оптического канала. Именно благодаря движению филамента в процессе его производства возможно Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 9

использование одномерной фотоприёмной линейки – тень на ней будет соответствовать диаметру филамента и обновляться по мере движения прутка. Во-вторых, оптический канал можно упростить, убрав из него масштабирование проекции. Максимально возможный номинальный диаметр филамента - 3 мм, а длина фотоприёмных линеек составляет несколько сантиметров. Очевидно, нет необходимости уменьшать изображение тени, так как размера фоточувствительной области с избытком хватает. В этом случае оптический канал будет иметь вид, представленный на рисунке 2. Рисунок 2 - Оптический канал без масштабирования Скорее даже, имеет смысл увеличить тень, как показано на рисунке 3, чтобы использовать динамический диапазон измерения линейки по максимуму, но уменьшение проекции явно приведёт к снижению числа пикселей, задействованных для детектирования тени, что увеличит погрешность. Рисунок 3 - Оптический канал с увеличением тени Также стоит отметить, что возможен вариант, исключающий применение коллимирующих линз (рис. 4а). В этом случае размер тени будет линейно завесить от расстояния между источником света и прутком. Однако, благодаря процессу измерения в двух координатах, это расстояние можно узнать. Для этого достаточно заложить в микроконтроллер алгоритм расчёта координаты центра тени. Таким образом, использование двух МФПЛ не только позволяет измерить эллиптичность прутка, но и упростить конструкцию изделия, что также делает более оправданным применение дополнительной МФПЛ. [3] Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 10

Более того, можно исключить и диафрагму, оставив только источник света и фотоприёмник (рис. 4б). Это приведёт к тому, что филамент будет облучаться неточечным источником, и, как следствие, на фотоприёмнике появится полутень, которая может внести неопределённость в границах тени и усложнить вычисление её длины. Однако проведённые исследования [3] показывают, что вполне возможно найти размер тени, не смотря на полутень от неточечного источника света. По этой причине фотоприёмник будет работать в составе оптического канала, структура которого представлена на рисунке 4б. Рисунок 4 - Оптические каналы без коллимирования: а) - с диафрагмой; б) – без диафрагмы 1.3 Анализ фотоприёмника В качестве фотоприёмника выступает ПЗС-линейка TCD1304DG [4], так как она имеет не избыточно большое число пикселей, у которых малые геометрические размеры. Основные характеристики линейки приведены в таблице 1. Таблица 1 - Основные технические характеристики МФПЛ TCD1304 Параметр МФПЛ Число пикселей, шт. Размеры пикселя, мкм х мкм Диапазон рабочих тактовых частот, МГц Диапазон частот отсчётов выходного сигнала, МГц Диапазон напряжений питания, В Спектральный диапазон чувствительности пикселей, нм Типовое выходное сопротивление, Ом Значение параметра 3648 8 х 200 0,8…4 0,2…1 3…5,5 400…700 500 В целом, МФПЛ на основе приборов с зарядовой связью имеют высокий коэффициент заполнения пикселями приёмного окна, разброса в чувствительности почти нет. Но частота Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 11

опроса таких линеек низкая, а опросить произвольную часть фоточувствительной области нельзя. Однако в нашем случае высокоскоростной вывод информации не требуется. Сама МФПЛ выполнена в фирменном керамическом DIP-корпусе с 22 выводами. Длина фоточувствительной области составляет 29,1 мм. Для управления линейкой помимо тактовых импульсов, на неё должны поступать два управляющих сигнала на входы SH (Shift Gate) и ICG (Integration Clear Gate). Первый отвечает за зарядку ёмкостей всех пикселей до опорного напряжения перед началом интегрирования оптической мощности. При попадании на пиксель оптической мощности, фотодиод, находящийся в нём, формирует фототок, который разряжает ёмкость. А когда интегрирование завершается, второй сигнал переводит заряды в этих ёмкостях в аналоговый сдвиговый регистр, который через каждые четыре тактовых импульса выводит на выход МФПЛ по одному значению в порядке возрастания номера пикселя. Из механизма работы линейки этого можно сделать вывод, что она инвертирующая – максимальный сигнал будет соответствовать тени. В первом приближении можно принять, что тень, отбрасываемая от филамента, имеет вид распределения Гаусса (рисунок 5), что соответствует точечному источнику излучения. Рисунок 5 - Сигналы МФПЛ: а) – распределение входного оптического сигнала вдоль линейки; б) - выходной электрический сигнал инвертирующей линейки 1.4 Методы обработки сигнала с фотоприёмника Теперь, когда известен сигнал, который будет на выходе МФПЛ, можно говорить о методах его обработки. Из такого сигнала нужно извлечь две величины: длину тени и центр её положения на фотоприёмнике. 1.4.1 Метод обработки с использованием компаратора Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 12

Суть данного метода заключается в следующем: нужно задаться тем, что полезный сигнал – в нашем случае тень – априорно выше некого конкретного уровня напряжения. Реализация такого способа обеспечивается путём прохождения сигнала с выхода МФПЛ через аналоговый компаратор [5, c. 34], который сравнивает его с заданным порогом, так как показано на рисунке 6. Рисунок 6 - Сигналы МФПЛ: Pоптич(L) – распределение входного оптического сигнала вдоль линейки; S(t) - выходной электрический сигнал инвертирующей линейки; U(t) – выходной сигнал с компаратора; CLK(t) – тактовые импульсы МФПЛ Заранее известно, что на опрос одного пикселя приходиться некоторое число тактовых импульсов, поданных на линейку. «Для определения количества тёмных пикселей достаточно посчитать количество тактовых импульсов, поданных на линейку во время присутствия логической единицы, и разделить это количество на число тактовых импульсов, необходимое для опроса одного пикселя» [3]. Для определения длины следует умножить количество тёмных пикселей на длину одного такого. Для расчёта координаты центра тени требуется знать номер пикселя, на напряжении которого компаратор сформировал передний фронт импульса в текущем кадре и прибавить к нему половину тёмных пикселей. Этот способ хорош своей нетребовательностью к вычислениям, относительной простотой реализации. К недостаткам можно отнести отсутствие информации о характере тени: нельзя определить точно местоположение пика, который в силу отсутствия коллимации Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 13

излучения и возможного смещения филамента с оптической оси канала необязательно должен находиться в центре тени. 1.4.2 Метод обработки с использованием АЦП В основе данного метода лежит аналого-цифровое преобразование выходного сигнала с МФПЛ. В этом случае значение напряжения с каждого пикселя преобразуется в цифровой вид. Таким образом, весь кадр, выдаваемый линейкой, должен храниться в виде массива значений напряжений пикселей. Ясно, что потребуется АЦП, который будет успевать преобразовывать величину каждого пикселя до того, как на выходе появиться значение следующего. Желательно для повышения точности, устранить постоянную составляющую сигнала и затем выполнить его нормированное к опорному напряжению АЦП усиление для того, чтобы максимально расширить используемый преобразователем динамический диапазон. Или же отдать предпочтение скорости преобразования, выбрав более скоростной режим работы АЦП, за счёт уменьшенной разрешающей способности. Очевидное преимущество такой обработки сигнала в том, что известно полное распределение оптической мощности по всей длине МФПЛ. Благодаря полноценному массиву данных, появляется гибкость в использовании различных при подсчёте длины тени и её координаты. Однако есть и существенный недостаток в виде большой объёмности данных и требовательности к скорости преобразования АЦП. Даже если МФПЛ будут работать на минимальной частоте 1 МГц, частота обновления информации составит при этом 200 кГц. А так как линейки две, то АЦП должен совершать два преобразования и переключение между каналами менее, чем за 5 мкс. 1.4.3 Комбинированный метод Как и следует из названия, данный метод сочетает в себя два предыдущих. Идея такого способа в том, чтобы оцифровать не весь сигнал с МФПЛ, а только ту его часть, которая выше порога напряжения, установленного на одном из входов компаратора. Таким решением объединяются преимущества обоих способов: с одной стороны, у нас есть информация о характере тени, а с другой – отсеивается ненужная информация на аппаратном уровне, за счёт чего объём данных значительно сокращается. Разумеется, в предыдущем способе с АЦП также возможно устранить бесполезную информацию путём перебора массива данных, отсеивая значения «переступающие» пороговый уровень. Но проблема в том, что на момент начала работы с информацией мы имеем большое количество данных, которые требуется обработать. И из этого можно сделать вывод о том, что полностью избавиться от работы со значительным объёмом информации нельзя в силу того, что нужно, как минимум, затратить время на уменьшение массива. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 14

Комбинированный способ предлагает уменьшить объём данных до того, как он начнёт окажется в памяти и начнёт обрабатываться логикой устройства. К недостаткам можно отнести усложнение алгоритма работы устройства в целом, из-за необходимости обеспечения работы АЦП только в некоторые произвольные моменты времени, соответствующие появлению сигнала тени на выходе линейки. Также, способ не решает проблемы требовательности к производительности АЦП. 1.5 Способы передачи данных на персональный компьютер Одна из поставленных задач заключается в передаче данных о диаметре и эллиптичности филамента на персональный компьютер (ПК). Очевидно, что это придётся реализовать посредством стандартных интерфейсов передачи данных, которые наиболее часто имеются на компьютере. 1.5.1 Интерфейс RS-485 Промышленный стандарт физического уровня для протокола UART. На ПК поддерживается наличием СОМ-порта. Предельная скорость передачи данных может достигать 10 Мбит/с. Расстояние при данной скорости ограничено 10 м, однако может быть увеличено пропорционально уменьшению скорости обмена данными. Отличается крайне простой реализацией, неприхотливостью. Асинхронный интерфейс практически всегда встречается в микроконтроллерах. Однако сам стандарт RS-485 поддерживается по большей части промышленными компьютерами. Чтобы передавать по нему данные на ПК, требуется конвертация в другой интерфейс, который поддерживает компьютер, например в USB. Конвертер интерфейса следует располагать вблизи ПК, чтобы большую часть пути сигнал проходил через RS-485. 1.5.2 Интерфейс USB Данный последовательный интерфейс находиться практически в каждом ПК. USB обладает избыточной для поставленной задачи пропускной способностью в режиме Low-speed до 1500 Кбит/с. Так же стоит отметить, что, благодаря существованию в стандарте USB классификации периферийных устройств по их назначению, нет необходимости писать отдельный драйвер для проектируемого узла. В случае реализации этого интерфейса можно представить разрабатываемый датчик как устройство класса CDC (communications device class) - популярные операционные системы, как правило, уже предусматривают наличие драйвера для работы с таким типом периферийных устройств. К преимуществу можно отнести также и то, что USB может не только производить обмен данными, но и обеспечить электрическим питанием периферийное устройство. К недостаткам можно отнести ограниченную пятью метрами длину кабеля – всё же фактической целью является соединение линии производства филамента, в которой и будет постоянно находиться измерительный прибор, и не факт, что компьютер возможно будет Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 15

поставить достаточно близко. Второй, более существенный недостаток, заключается в сложности реализации: сам протокол передачи данных сложен сам по себе, что серьёзно усложнит алгоритм работы устройства в целом, либо нужно ставить преобразователь более простого интерфейса в USB. 1.5.3 Интерфейс Ethernet «Семейство технологий пакетной передачи данных между устройствами для компьютерных и промышленных сетей. Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления доступом к среде — на канальном уровне модели OSI. Ethernet в основном описывается стандартами IEEE группы 802.3 [6] ». Преимущество такой технологии заключается в виде возможности работы проектируемого устройства с персональным компьютером, как минимум, в рамках локальной сети, как максимум - через глобальную сеть. К тому же, алгоритм работы более простой, по сравнению с USB. Патч-корд, посредством которого могут соединяться разрабатываемый узел и ПК, может быть выполнен с экранированием (тип FTP), что благоприятно сказывается на помехозащищённости. Также, патч-корд имеет: большую длину порядка несколько десятков метров; улучшенную в сравнении с кабелем механическую прочность, что хорошо для промышленности. Скорость обмена может достигать до 10 Мбит/с, или даже до 100 Мбит/с, в зависимости от конкретного стандарта. Как недостаток – ПК в подавляющем своём числе имеют только один физический Ethernet – порт, который зачастую уже использован. Проблема может быть решена использованием модема, либо освобождение порта Ethernet. 1.5.4 Интерфейс Wi-Fi Технология беспроводной локальной сети с устройствами на основе стандартов IEEE 802.11. Её применение в данном случае может быть обусловлено высокой помехоустойчивостью, отсутствием необходимости прокладывать кабель. В свою очередь, Wi-Fi приборы не создают проблем для узкополосных сигналов. В тоже время, потребуется снабдить проектируемый прибор специальным контроллером, решить проблему передачи ему параметров сети, в которой устройство будет играть роль клиента. Можно поступить двумя способами: 1) заказчик заранее сообщает параметры своей сети Wi-Fi; 2) организовать возможность передачи пользователем этих параметров посредством другого интерфейса через ПО на ПК перед непосредственной установкой датчика на линию производства. У первого варианта недостаток в том, что заказчик передаёт свои данные третьим лицам. К тому же он может изменить их в процессе эксплуатации, а это приведёт к Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 16

невозможности работы сети, так как, данные, заложенные в датчике, уже будут неактуальными. Второй способ плох тем, что придётся организовывать дополнительный интерфейс передачи данных, ради того, чтобы пользователь имел возможность вводить свои данные самостоятельно. Таким образом, нежелательно использовать для передачи данных только Wi-Fi, но тем не менее, он будет приятным дополнением к основному проводному интерфейсу, который не требует аутентификации паролей/логинов/имён сетей. 1.6 Выбор излучателя В качестве источника оптического излучения может выступить светодиод. Излучаемой им оптической мощностью довольно легко управлять. Ранее отмечалось, что оптический канал будет организован без диафрагмы. А у светодиода относительно узкая диаграмма направленности – его излучение не затронет фотоприёмник из соседнего оптического канала. Также, светодиод может обладать достаточно малой излучающей площадкой: размер стороны таковой составляет порядка от 0,2 мм [7, c. 32] для компонентов поверхностного монтажа, что несколько уменьшит эффект неточечности излучателя по отношению к диаметру филамента. Другой вариант источника света – полупроводниковый лазер. Размеры его светящейся области ещё меньше, чем у светодиода, поэтому картина, выдаваемая фотоприёмником получиться более контрастной. С другой стороны, излучение лазера когерентно, в силу чего дифракционные свойства проявляются сильнее, чем у светодиода. Таким образом, с точки зрения процесса измерения нельзя сказать однозначно, какой из облучателей лучше, поэтому желательно оставить возможность для использования обоих. Длина волны должна выбираться исходя из спектральной чувствительности фотоприёмника. В то же время, следует смещать длину волны в сторону коротких, так как это уменьшает эффекты дифракции (особенно актуально для лазера). 1.6.1 Управление облучателями Стоит начать с того, что просто подключить излучатель через резистор к источнику постоянного напряжения нельзя. Это обусловлено тем, что это решение подойдёт только для конкретного экземпляра и только на небольшой промежуток времени. Это связано с разбросом характеристик конкретных излучателей и разбросом чувствительностей МФПЛ. Соответственно, сопротивление, обеспечивающее одинаковую оптическую мощность, для каждого экземпляра индивидуальное. Недолговечность такого решения объясняется изменением характеристик облучателя во времени за счёт постепенной деградации кристалла. Может и оказать влияние запыление фотоприёмника и облучателя. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 17

Таким образом, в случае реализации такого решения каждый оптический канал в каждом отдельном устройстве придётся настраивать индивидуально не только на стадии сборки, но и в процессе эксплуатации. Это, в свою очередь, приводит к удорожанию жизненного цикла устройства. В этом случае было бы логично использовать МФПЛ как элемент обратной связи для облучателя – можно выделить небольшую часть пикселей в априорно неиспользуемой фоточувствительной области линейки с целью определения уровня засветки. А на основании сигнала с этих пикселей регулировать яркость облучателя. Один из наиболее доступных и простых методов электронного управления оптической мощностью облучателя заключается в подаче на него ШИМ – сигнала [8]. В этом случае, частота сигнала должна быть на порядок больше частоты смены кадров МФПЛ, чтобы за каждый цикл опроса на фотоприёмник упала примерно одинаковая усреднённая оптическая мощность, где её интегрирование происходит в ёмкостях пикселей (рисунок 7а). Как вариант, можно сгладить ШИМ-сигнал, проведя его через ФНЧ. Либо выбрать период ШИМ-сигнала, кратный периоду кадров, чтобы на каждый кадр приходилось одинаковое количество импульсов. Однако, если для светодиода будет достаточно малого тока, который может обеспечить выход ШИМ-контроллера, то лазеры, как правило, потребляют больше. Поэтому, логично обеспечить работу лазера посредством источника тока, управляемого напряжением [9, c. 78]. А подавая на его вход ШИМ-сигнал, получим источник импульсного тока. Так как в конечном изделии будет лишь один тип излучателя, целесообразно использовать для подключения или светодиода, или лазера один и тот же источник тока. Для этого требуется только рассчитать номиналы входящих в него радиоэлементов для нужного тока. Использование одной универсальной схемы управления хорошее преимущество, так как экономит ресурсы управления, снижает количество электро- радиоэлементов в схеме. Для того, чтобы не зависеть от длительности кадра, можно работать с облучателями и в режиме постоянного тока. Для этого тем же источником тока, нужно управлять постоянным напряжением, которое можно получить двумя способами. Можно пропустить ШИМ-сигнал через ФНЧ. В этом случае постоянное напряжение на выходе фильтра все равно будет обладать нестабильностью. К тому же ФНЧ внесёт в регулировку инерционность. Другой вариант – для большей стабильности управляющего напряжения и меньшей инерционности отказаться от ШИМ и использовать вместо неё ЦАП. Как правило, ЦАП преобразуют цифровой сигнал в ток. Поэтому следует либо преобразовать ток в напряжение [10, с. 643-644] и подавать его на источник тока, управляемый напряжением; либо применить источник тока, управляемый выходным током ЦАП [9, с. 85-86]. Однако сам факт применения ЦАП делает этот вариант дороже. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 18

Рисунок 7 - Управление оптической мощностью с помощью ШИМ: а) – мощность, приходящаяся на каждый кадр одинакова, поэтому изображения с каждого кадра идентичны; б) – картины кадров разные: мощность, попавшая на инверсную МФПЛ на втором кадре меньше, чем на первом. 1.8 Выбор устройства управления Теперь, когда стали ясными примерные требования к системе управления датчиком, можно рассмотреть варианты её реализации. 1.8.1 Программируемые логические интегральные схемы Представляют собой БИС, которая используется для создания конфигурируемых электронных схем. В отличие от микросхем стандартной логики работа ПЛИС определяется не в процессе производства, а путём программирования. ПЛИС, как правило, используют для управления фотоприёмными матрицами и обработки поступающих с них данных [11]. Существенным преимуществом ПЛИС является максимально высокая скорость работы, физически ограниченная только тактовой частотой. Важно отметить, что возможно использовать большую гибкость при разработке внутренней схемы ПЛИС: в любой удобной конфигурации можно воспроизвести любой узел: таймеры счётчики, ШИМ-контроллеры, интерфейсы передачи данных, и т. д. Не зависимо от сложности схемы, задействованного в Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 19

ней числа компонентов, обеспечено использование минимального пространства на печатной плате. ПЛИС присущи такие недостатки, как: а) высокая цена; б) повышенная сложность проектирования: может потребоваться знание специальных языков программирования, особенно если схема большая (Verilog, VHDL); в) отсутствие готовых узлов: гибкость создания схем, даваемая ПЛИС, оборачивается необходимостью подробно продумывать работу каждого узла, что ещё больше осложняет проектирование; г) могут остаться неиспользованные логические элементы – выходит, что часть денежных средств, уплаченных за ПЛИС, никак не используются. 1.8.2 Дискретная логика Подразумевает использование готовых микросхем комбинационной логики и последовательностных устройств. От предыдущего варианта отличается тем, что все логические элементы дискретны, а не выполнены на одном кристалле. Их нет нужды программировать – их функции определяются на этапе производства. На практике существуют схемы, построенные на дискретной логике и работающие с фотоприёмниками [12]. Перед ПЛИС реализация на дискретной логике имеют ряд преимуществ: а) в схеме присутствуют только те элементы, которые нужны для работы схемы; б) максимальная свобода выбора элементной базы, в частности можно приобрести уже готовые узлы (ШИМ-контроллеры, например); в) нет необходимости приобретать IDE, отладочную плату, программатор. Однако, алгоритм уже собранной схемы невозможно изменить, в отличие от ПЛИС, которую всегда можно перепрограммировать. Вдобавок, невозможно использовать программное представление схемы, в случае её сложности или специфичности. К тому же скорость работы дискретной логики ниже таковой у ПЛИС. Остается вопрос с ценой. Если говорить о дискретной логике, то с количеством элементов растёт и цена. С ПЛИС же наоборот: если схема большая и имеет сложный функционал, то выгоднее купить одну ПЛИС, чем десятки отдельных микросхем. 1.8.3 Микроконтроллеры Типовой микроконтроллер представляет собой кристалл, на котором находятся процессор, память: оперативная и/или постоянная, система ввода/вывода, АЦП, таймерысчётчики и иные периферийные устройства. Работа МК определяется программой, записанной в его память. Алгоритм, как правило, пишется в IDE на языке ассемблера или С/С++, хотя существуют интерпретаторы и на другие языки. Может быть применён для управления фотоприёмной линейкой. [13] Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 20

Достоинством микроконтроллера является наличие в нем разнообразной периферии, а благодаря существованию огромного количества различных видов МК, можно легко подобрать именно ту модель, на «борту» которой есть необходимые для выполнения поставленной задачи устройства. Ещё одним плюсом является невысокая цена микроконтроллеров. В недостатки можно записать более медленную скорость работы, в сравнении с ПЛИС, в силу программной реализации алгоритма работы, а не аппаратной. Так же, требуется наличие программатора, IDE и отладочной платы, что несколько увеличит себестоимость проектируемых на основе МК устройств. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 21

2 ОБОСНОВАНИЕ СРУКТУРНОЙ СХЕМЫ Исходя из технического задания и результатов аналитического обзора, известно, что устройство будет содержать в себе две МФПЛ в качестве фотоприёмников и два SMD – светодиода (либо два лазера) для облучения. С учётом этого, проектируемый узел должен обеспечить выполнение следующих функций: а) нормальную работу двух МФПЛ TCD1304DG; б) извлечение информации о диаметре и эллиптичности филамента из сигналов, поступающих с выходов МФПЛ; в) возможность передачи результатов измерений на компьютер; г) регулировку оптической мощности облучателей, исходя из чувствительности МФПЛ; д) возможность дальнейшего функционирования узла, как регулятора производственного процесса. Теперь, когда предъявлены основные требования к структуре узла, проведён обзор вариантов их возможного выполнения, можно выбрать один из них и подробно описать, каким образом он будет реализован. 2.1 Устройство управления Исходя из того, что устройство управления должно иметь в своём составе ШИМконтроллеры, АЦП, счётчики, контроллеры интерфейсов передачи данных, в качестве устройства управления будет выбран микроконтроллер AT91SAM7S64, так как дешевле приобрести все эти узлы в рамках периферийных устройств МК, чем каждый отдельно. Упроститься настройка и синхронизация всех модулей контроллера, в силу их программной настройки. Указанная марка микроконтроллера имеет архитектуру ARM c 32-битной разрядностью. В AT91SAM7S64 входят также контроллер прерываний, повышающий возможности синхронизации работы периферии, и контроллер прямого доступа к памяти, позволяющий разгрузить ядро в процессе работы [14]. В силу использования микроконтроллера следует предусмотреть возможность его программирования и отладки на проектируемом узле. Важно отметить, что AT91SAM7S64 работает при +3,3 В и тактируется частотой 48,054857 МГц. 2.2 Организация управления фотоприёмной линейкой Уже отмечалось, что для управления заданной МФПЛ требуется два сигнала: SH и ICG, а также подача тактовой частоты ∅М, определяющую скорость работы линейки. Чтобы определить параметры управляющих сигналов, требуется выбрать режим работы МФПЛ, которых всего два. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 22

Первый – режим «электронного затвора» [4] - позволяет управлять временем интегрирования, а следовательно, регулировать величину оптической мощности, которая воздействует на линейку. Но в силу того, что имеется возможность управления оптической мощностью непосредственно через облучатели, такой режим работы МФПЛ задействован не будет. По этой причине будет задействован второй – стандартный режим работы, принцип действия которого отображён на рисунке 8. Рисунок 8 - Временная диаграмма стандартного режима работа МФПЛ Исходя из временной диаграммы можно сделать вывод о том, что не все пиксели в МФПЛ несут в себе полезную информацию. Возможно, существование этих пикселей обусловлено обеспечением с их помощью нормальной работы неких внутренних механизмов линейки. Но тем не менее в силу того, что данная МФПЛ является прибором с зарядовой связью – работает за счёт аналогового сдвигового регистра – эти неинформативные пиксели придётся опросить. Это означает, что напряжения, которые содержатся в них независимо от входного сигнала, попадут в выходной сигнал: тридцать два значения в его начало и четырнадцать – в конец. Соответственно, к методу обработки сигнала предъявляется ещё одно требование – исключить эти значения. Также, важно отметить, что вежду импульсами ICG и SH должны быть выдержаны определённые временные соотношения, показанные на рисунке 9. Значения этих временных интервалов приведены в таблице 2. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 23

Рисунок 9 - Временные соотношения между управляющими сигналами Таблица 2 - Значения временных интервалов Интервал t1 t2 t3 t4 Значение Минимальное Типовое 1000 100 1000 0 5000 500 ? 20 Максимальное Единица измерения ? 1000 ? ? нс нс нс нс Выдерживать описанные временные интервалы предлагается с помощью счётчика. Для этого следует выбрать значения временных интервалов такими, чтобы они были кратными периоду тактовой частоты линейки. В таком случае, длительность управляющих импульсов, их расположение друг относительно друга во времени можно представить через число тактовых импульсов. Соответственно, на основании достижения счётчиком определённого числа тактовых импульсов ∅М можно создать систему формирования управляющих импульсов ICG и SH. С помощью счётчика также возможно устранить из сигнала значения напряжений от неинформативных пикселей: достаточно посчитать количество тактовых импульсов, которые опросят эти пиксели, а затем сформировать импульс ENABLE, разрешающий микроконтроллеру работу с сигналом, так как это показано на рисунке 10. AT91SAM7S64 имеет три шестнадцатибитных счётчика. Для формирования управляющих сигналов и устранения ненужных значений напряжений из сигнала МФПЛ будет задействован один счётчик Т/С0. Зная, что для вывода значения одного пикселя необходимо подать четыре тактовых импульса, требуется, чтобы таймер считал количество тактовых импульсов N⌀M, необходимых для опроса Nпикс. = 3694 пикселей, то есть: 𝑁𝑁⌀𝑀𝑀 = 𝑁𝑁пикс ∗ 4 = 3694 ∗ 4 = 14776; Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 24

Рисунок 10 - Импульс ENABLE Именно столько тактовых импульсов должно быть подано на МФПЛ во время присутствия логической единицы на её входе ICG. Во время сброса этого управляющего импульса так же должно пройти определённое количество тактов. Минимальное время сброса составляет 2,1 мкс. Но для определения числа тактовых импульсов требуется также знать их период, который может варьироваться в пределах 0,25…1,25 мкс. И требуется, чтобы минимальное время сброса всегда выдерживалось, не зависимо от периода. Так как максимальное время сброса не ограничено, будем исходить из минимально возможного значения периода Тmin = 0,25 мкс, что соответствует частоте работы МФПЛ 4 МГц: 𝑁𝑁упр = 𝑡𝑡1 + 𝑡𝑡2 + 𝑡𝑡3 1 + 0,1 + 1 = = 8.4 => 9; 𝑇𝑇𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 0,25 Таким образом, в течение каждого кадра на вход ∅М TCD1304DG должно поступать N импульсов: 𝑁𝑁 = 𝑁𝑁пикс + 𝑁𝑁упр = 14776 + 9 = 14785. Важно отметить, что один таймер-счётчик на данном микроконтроллере может сформировать максимум два импульса, в то время как требуется три. Поэтому импульсы ICG и ENABLE будут сформированы таймером. А импульс SH будет получен в результате укорочения инвертированного импульса ICG. Правда в этом случае задержка t2 будет равна нулю, в то время как в документации на микросхему заявлено минимальное значение в 100 нс. Однако, как показала практика, это не повлияет на нормальную работу МФПЛ. Также нельзя оставить без внимания выбор рабочего напряжения линейки. AT91SAM7S64 имеет рабочее напряжение 3,3 В, а МФПЛ – 3…5,5 В. Логично с одной стороны подавать на линейку те же 3,3 В. Однако, как показала практика для TCD1304DG для нормальной работы требуется 5 В даже на минимальных тактовых частотах. Так как МФПЛ Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 25

будет работать при 5 В, а микроконтроллер – при 3,3 В, требуется предусмотреть устройство согласования логических уровней. Частоту тактирования МФПЛ следует определить в последнюю очередь, когда будут рассмотрены более подробно возможности управляющей системы по обработке сигнала. Способов формирования тактового сигнала ∅М в виде меандра существует большое количество. Можно создать тактовый генератор на основе ШИМ-контроллера, логических элементов и. т. д. В этой связи, разумно будет выбрать метод формирования тактовой частоты в последнюю очередь из оставшихся ресурсов после того, как основные будут распределены между наиболее «нуждающимися» узлами. 2.3 Обработка выходного сигнала с фотоприёмной линейки Из выходного сигнала требуется извлечь три неизвестных: 1) диаметр филамента; 2) координату филамента; 3) уровень оптической мощности, воздействующий на МФПЛ. Метод обработки информации во многом определяется возможностями микроконтроллера. 2.3.1 Вычисление оптической мощности Способ с прямым использованием АЦП трудно реализуем для нахождения диаметра и координаты, так как TCD1304DG содержит три тысячи шестьсот сорок восемь пикселей, соответственно, полученных оцифрованных значений с двух таких линеек будет семь тысяч двести девяносто два. С таким количеством данных выбранный микроконтроллер не справится. А вот для оценки оптической мощности облучателей посредством определения значения среднего напряжения засвеченных пикселей метод вполне подходит. За счёт малого разброса чувствительностей пикселей данной ПЗС-линейки и практически равномерного распределения излучаемой smd-светодиодом оптической мощности по всей длине фоточувствительной области [3] можно снять напряжение только с одной засвеченной точки МФПЛ, так как в остальных участках (за исключением тени от прутка) сигнал будет точно таким же. Уровень «белого» в TCD1304DG составляет 1,2 вольта. Тени от непрозрачного филамента соответствует сигнал в 3 вольта, а от прозрачного – в 2 вольта [3]. Можно ограничится оцифровкой показаний напряжений со ста пикселей (соответствует участку фоточувствительной области 80 мкм) и вычислить среднее арифметическое, чтобы учесть разброс чувствительности. И всё же возможно, что на краях фоточувствительной области сигнал будет всегда чуть выше из-за того, что диаграмма направленности светодиода обеспечивает там меньшую мощность, чем в середине. Однако импульс ENABLE, сформированный схемой управления МФПЛ для устранения неинформативных пикселей, может быть так же использован для Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 26

запрета работы АЦП с краями информативной части фоточувствительной области, как показано на рисунке 11: Рисунок 11 - Устранение неравномерной засветки из сигнала В составе AT91SAM7S64 имеется восьмиканальный АЦП, который может совершить 533 тыс. выборок в секунду в восьмибитном режиме преобразования [14, с. 694]. Это значит, что для того, чтобы оцифровать одно значение потребуется 1,87 мкс. В качестве опорного напряжения можно использовать линию питания 3,3 В. У нас имеется две МФПЛ, то есть понадобится два канала АЦП для отслеживания напряжений с выходов линеек. «Чтобы инициировать последовательность преобразований в нескольких каналах, необходима только одна команда запуска. Аппаратная логика АЦП автоматически выполняет преобразования в рабочих каналах, а затем ожидает нового запроса на запуск» [14, с. 463]. Поэтому, несмотря на использование двух каналов, нужна только одна команда, необходимая для преобразования напряжения с одного пикселя. Соответственно, для ста пикселей требуется сто импульсов. Однако, так как оцифровка происходит не параллельно, а последовательно, то преобразование двух текущих значений на двух каналах займёт уже минимум 3,74 мкс. Следовательно, период обновления информации на выходах МФПЛ должен быть больше. Например, при частоте тактирования TCD1304DG 1 МГц, период обновления сигнала на выходе составит 4 мкс. Запуск преобразований будет осуществляться посредством внешнего триггерного входа ADTRG. Процесс оцифровки начинает выполняться по обнаружении на этом входе положительного фронта импульса. Таким образом, процесс измерения будет происходить согласно рисунку 12. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 27

Рисунок 12 – Временные диаграммы, поясняющие процесс обработки сигнала с помощью АЦП: а) - все управляющие импульсы синхронизированы по положительному фронту с тактовым сигналом; б) – импульсы не синхронизированы с тактовым сигналом Очевидно, что для того, чтобы успеть преобразовать значения обоих сигналов МФПЛ, процесс должен начаться сразу после обновления напряжения на выходе линейки, иначе, если будет задержка, в процессе одного из преобразований значение сигнала изменится, что нежелательно. Поэтому важно, чтобы положительные фронты импульсов ГТИ для ADTRG синхронизировались с передними фронтами тактового сигнала ∅М. Сам ГТИ для ADTRG будет выполнен путём деления периода тактового сигнала ∅М с помощью внешнего счётчика для максимальной синхронизации. Благодаря наличию периферийного контроллера прямого доступа к памяти (PDC), результаты преобразования будут заноситься в массив без участия ядра, что благоприятно скажется на производительности. Из принципа работы становиться ясно, что импульсы Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 28

ADTRG будут запускать преобразование до тех пор, пока установлен импульс ENABLE и, следовательно, запускающих импульсов будет явно больше требуемых ста. В данном случае, за счёт задействования PDC, контроллер переместит в память лишь сто значений. И хотя АЦП будет и дальше совершать преобразования, значения в памяти фиксироваться не будут. 2.3.2 Вычисление координаты, диаметра и эллиптичности филамента Использование АЦП в паре с компаратором имеет смысл только для уточнённого вычисления координаты, так как длина тени фактически будет определятся порогом срабатывания компаратора. АЦП в данном случае даст картину той части сигнала, на которую среагировал компаратор. А за счёт реализации математических алгоритмов – например, с помощью метода k-средних - можно точно вычислить пик тени (номер пикселя), который и будет считаться её серединой. Однако в силу того, что в проектируемой системе измерения не ожидается значимых отклонений пика тени от её середины, то смысл математической обработки отпадает, так как середину тени можно найти из её длины. А исходя из того, что размер тени определяется компаратором, то АЦП в таком случае не требуется. Исходя из вышесказанного, для вычисления диаметра и координаты филамента оптимальным будет использование способа обработки сигнала МФПЛ, основанного на работе компаратора. Искомые параметры отражены на рисунке 13. Ко входам компаратора подключены опорное напряжение и выходной сигнал с МФПЛ. Опорное напряжение выбирается исходя из того, какой уровень сигнала считается соответствующим тени от филамента, а какой уровню «белого». Во время присутствия тени компаратор срабатывает и формирует на своём выходе логическую единицу. Стоит отметить, что в силу имеющихся напряжений с неинформативных пикселей компаратор среагирует и на них, но, благодаря наличию сигнала ENABLE, ложные срабатывания можно устранить. И в конечном итоге таймеру-счётчику потребуется посчитать количество импульсов ∅М, в время присутствия импульса от компаратора. В AT91SAM7S64 для подсчёта импульсов будут задействованы оставшиеся Т/С1 и Т/С2. Затем контроллер для вычисления размера тени разделит их на четыре, умножит на длину одного пикселя. Либо, логичнее считать не ∅М, а сформированные для АЦП импульсы, подаваемые на вход ADTRG, так как они синхронизированы, а один такой импульс соответствует одному пикселю: нет нужды выполнять операцию деления. Таким образом, размер тени L будет определяться по формуле 𝐿𝐿 = 𝑁𝑁𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 ∗ 𝑙𝑙пикс. ; (1) где NADTRG – количество импульсов, поступивших на вход ADTRG во время присутствия импульса компаратора, lпикс. = 8 мкм – длина одного пикселя TCD1304DG. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 29

Рисунок 13 - Параметры в системе измерения Чтобы найти координату X прутка, требуется знать номер пикселя NCOM, на котором компаратор сформировал положительный перепад и прибавить к нему половину тёмных пикселей NADTRG. Так как счётчик T/C0, задействованный для управления МФПЛ уже ведёт подсчёт тактовых импульсов ∅М, то номер пикселя NCOM можно рассчитать по формуле (2): 𝑁𝑁𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 = ∅𝑀𝑀𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 4 (2) , где ⌀MCOM – количество тактовых импульсов ⌀M, поступивших на TCD1304DG на момент формирования компаратором положительного фронта импульса. В итоге, с учётом (2) формула (3) для расчёта координаты Х принимает вид: 𝑋𝑋 = 𝑁𝑁𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 + 𝑁𝑁𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 2 = ∅𝑀𝑀𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 4 + 𝑁𝑁𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 2 . (3) Для расчёта расстояния S между облучателем и филаментом можно применить формулу (4): Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 30

(4) 𝑆𝑆 = 𝑅𝑅 + ∆𝑋𝑋, где R - заранее известное расстояние от плоскости соседнего облучателя до края фоточувствительной области МФПЛ, ΔX - расстояние от края фоточувствительной области МФПЛ до координаты филамента X. Величину ΔX можно найти по формуле (5) ∆𝑋𝑋 = 𝑋𝑋 ∗ 𝑙𝑙пикс. . Процесс обработки выходного сигнала TCD1304DG поясняет рисунок 14. А вот для того, чтобы найти диаметр оптическим каналам требуется работать в паре. Так как свет в оптическом канале не коллимирован, то существует зависимость размера тени L, находимого первым каналом, от расстояния S между облучателем и филаментом, находимого вторым каналом. Также, заранее зная неизменное расстояние между облучателем и фотоприёмником H, можем найти диаметр D по формуле (6), учитывая (1) - (5): ∅𝑀𝑀 𝑁𝑁 𝑅𝑅 + � 4𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 + 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 𝑆𝑆 2 � ∗ 𝑙𝑙пикс. 𝐷𝐷 = 𝐿𝐿 ∗ = 𝑁𝑁𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 ∗ 𝑙𝑙пикс. ∗ , 𝐻𝐻 𝐻𝐻 (6) где H - неизменное расстояние между облучателем и фотоприёмником. Зная значения диаметров сечения, фактически являющиеся главными осями эллипса, форму которого представляет в общем случае сечение филамента, пользуясь формулой (7) можно оценить эксцентриситет: 𝑒𝑒 = �1 − 𝐷𝐷12 , 𝐷𝐷22 (7) где D1 и D2 – диаметры филамента, измеренные первым и вторым измерительным каналом соответственно. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 31

Рисунок 14 – Временные диаграммы, описывающие обработку выходного сигнала с помощью компаратора 2.4 Выбор облучателей и управление ими В качестве облучателей будут выбраны smd-светодиоды. Они дешевле лазера и при своей низкой цене позволяют получить приемлемую картину кадра, о чём говорит проведённое исследование [3]. Лазер же, требует более сложной организации управления в виде источника тока, управляемого ШИМ-сигналом, в то время как на светодиод достаточно подавать ШИМ-сигнал напрямую, с «ноги» микроконтроллера. AT91SAM7S64 имеет ШИМконтроллер с четырьмя независимыми каналами, два из которых можно задействовать для управления облучателями. Отмечалось, о том, что нужно выбрать период ШИМ-сигнала, опираясь на время одного кадра. В данном случае не представляется возможным сформировать ШИМ-сигнал с периодом точно кратным периоду кадра. Исходя из этого, Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 32

период ШИМ-сигнала должен быть много меньше длительности кадра. Так как тактовая частота определена равной 1 МГц, то легко найти время кадра: 𝑇𝑇кадр. = 𝑁𝑁 ∗ 𝑇𝑇⌀𝑀𝑀 = 14785 ∗ 1 = 14,785 мс. Известно, что ШИМ-контроллер в AT91SAM7S64 построен на шестнадцатибитном счётчике, который может считать тактовые импульсы с частотой fM = 48,054857 МГц. Причём период ШИМ-сигнала, как и общее количество шагов регулировки скважности, определяется значением REGT PWM, до которого считает счётчик. Таким образом, по формуле (8) можно найти период ШИМ TPWM 𝑇𝑇𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 = 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑇𝑇 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 , 𝑓𝑓𝑀𝑀 (8) где REGT PWM – значение, до которого ведёт счёт счётчик ШИМ-контроллера, fM = 48,054857 МГц – частота тактирования счётчика ШИМ-контроллера. Из этого следует, что чем меньше значение REGT PWM, тем с одной стороны: меньше период, но с другой – скважность изменяется менее гибко – в силу уменьшения общего количества шагов регулировки. Последнее также очень важно, по причине высокой чувствительности линейки. Если использовать ШИМ с большими шагами регулировки, то может сложиться ситуация, когда одно значение скважности слишком слабое для МФПЛ, а значение скважности, даваемое следующим шагом, слишком большое. Таким образом, эта погрешность δREG определяется формулой (9) как половина шага дискретизации 𝛿𝛿𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅 = 1 . 2 ∗ 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑇𝑇 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 (9) Помимо шага регулировки существует и вторая погрешность: так как период ШИМсигнала в нашем случае некратен длине кадра, то в нём будет укладываться нецелое число периодов. Иными словами, число всех периодов ШИМ-сигнала, полностью охватывающих кадр, складывается из периодов, полностью попадающих в кадр, и одного периода, который будет попадать в кадр лишь частично. Именно этим периодом и определяется вторая погрешность δТ по формуле 𝛿𝛿𝑇𝑇 = 1 1 ∗ , 2 𝑁𝑁𝑇𝑇 + 1 (10) где NT – количество периодов ШИМ-сигнала, полностью уложившихся в кадр МФПЛ. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 33

Количество «целых» периодов NT можно рассчитать приближенно по формуле (11) с учётом (8) 𝑁𝑁𝑇𝑇 ≈ 𝑇𝑇кадр. 𝑇𝑇кадр. ∗ 𝑓𝑓𝑀𝑀 = . 𝑇𝑇𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑇𝑇 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 (11) Подставляя (11) в (10), получим формулу для расчета погрешности δТ 𝛿𝛿𝑇𝑇 = 1 1 1 1 ∗ = ∗ . 2 𝑁𝑁𝑇𝑇 + 1 2 𝑇𝑇кадр. ∗ 𝑓𝑓𝑀𝑀 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑇𝑇 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 + 1 (12) Очевидно, что обе погрешности δТ и δREG зависят только от значения REGT PWM. Ясно, что оно может быть только одно, и найти его можно, составив уравнение (13), приравняв для этого правые части (9) и (12): 1 1 1 = ∗ . 2 ∗ 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑇𝑇 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 2 𝑇𝑇кадр. ∗ 𝑓𝑓𝑀𝑀 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑇𝑇 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 + 1 (13) Решив (13), получим значение REGT PWM = 843. А подставив его в (9) и (12) затем просуммировав их, найдём относительную погрешность регулировки оптической мощности δ: 𝛿𝛿 = 𝛿𝛿𝑇𝑇 + 𝛿𝛿𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅 = 0,12%. Частота ШИМ fPWM при этом составит, исходя из (8): 𝑓𝑓𝑀𝑀 𝑓𝑓𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 = 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅 𝑇𝑇 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 = 57 кГц. Абсолютную погрешность можно минимизировать за счёт уменьшения максимальной излучаемой светодиодом оптической мощности. Для этого достаточно лишь рассчитать токоограничивающее сопротивление не на номинальной ток, а на меньший в несколько раз. Таким образом, схема удешевится ещё и за счёт не только самого облучателя, но простейшей схемы его управления, которая даст минимальную погрешность. 2.5 Алгоритм автоподстройки яркости светодиодов Теперь, когда определён метод управления светодиодом через ШИМ-сигнал, когда известно, уровень яркости будет оцениваться по показаниям АЦП, можно разработать алгоритм автоматической подстройки оптической мощности, излучаемой светодиодами. Регулировка будет проходить в два этапа: Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 34

1) этап грубой регулировки; 2) этап точной регулировки. В начальный момент времени на МФПЛ подаются тактовый сигнал и управляющие команды. Светодиоды не горят – скважность сигнала равна 0%. Сигнал с линейки соответствует постоянному напряжению 3 В. Подсчёт контролируемых параметров филамента не производится. Суть механизма грубой подстройки в том, чтобы постепенно начать изменение скважности и увеличивать её, ориентируясь на показания АЦП, до тех пор, пока уровень сигнала не опуститься до уровня 1,2 В. Точка замера заранее выбрана так, что тень от филамента не может упасть на неё. Скважность в этом режиме может только повышаться, а обновление её значения происходит каждый кадр в соответствии показаниями АЦП с контрольной точки. Второй этап точной регулировки начинается сразу после того, как напряжение контрольной точки достигло 1,2 В. При таком уровне «белого» тень становиться однозначно различимой и начинается процесс измерений. Обновление скважности теперь производиться постепенно через некое кадров по показаниям АЦП, усреднённым по этому количеству кадров. В таком режиме значение скважности может как увеличиваться, так и уменьшаться, чтобы можно было держать значение уровня белого в районе 1,2 В. Важно, что при достижении отметки 1,15 В уровень белого больше не будет реагировать на увеличение оптической мощности, поэтому судить об её уровне, а соответственно, и о наличии теневого сигнала больше нельзя. 2.6 Интерфейсы передачи данных на ПК AT91SAM7S64 имеет в своём составе порт USB – устройства, а так же асинхронный интерфейс UART, на котором можно реализовать RS-485. Поэтому, для того, что избежать задействования внешних контроллеров интерфейсов, логично использовать имеющиеся. Имеющийся микроконтроллер не способен поддерживать работу USB в режиме хоста, поэтому устройство будет ведомым хост-контроллером USB персонального компьютера. Датчик будет классифицироваться в процессе обмена данными как СDC (communications device class), чтобы не было необходимости писать драйвер специально для этого устройства. Для организации RS-485 потребуется драйвер SN75176, который обеспечит физическую реализацию команд встроенного в AT91SAM7S64 модуля UART. 2.7 Формирование тактового сигнала ⌀М Тактовый меандр можно сформировать посредством встроенного ШИМ – контроллера. AT91SAM7S64 имеет 4 независимых ШИМ канала, два из которых отводятся для управления облучателями. Ещё один резервируется для регуляции производственного процесса. Поэтому оставшийся канал можно будет задействовать для формирования тактового сигнала ⌀М. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 35

Частота тактового сигнала выбирается равной 1 МГц, так как говорилось, что АЦП может нормально работать именно при этой частоте. 2.8 Алгоритм работы структурной схемы По результатам проведённого анализа составлена схема электрическая структурная, которая представлена на рисунке 15. Рисунок 15 - Схема электрическая структурная узла подключения МФПЛ Приведённая на рисунке 15 схема работает следующим образом. Сразу после подачи напряжения питания на микроконтроллер, он начинает формировать тактовый сигнал ⌀M с помощью канала ШИМ-контроллера PWM3. Тактовый сигнал начинает подаваться на линейки и счётчик Т/С0, который формирует управляющие сигналы ICG и ENABLE для МФПЛ. Сигнал SH формируется внешней схемой путём укорочения инвертированного импульса ICG. Цикл обработки самого кадра начинается сразу, как только импульс ICG примет значение логической единицы - тактовые импульсы ⌀M начинают опрос МФПЛ. Опросив неинформативные технологические пиксели и крайние сигнальные пиксели, на которых засветка может быть неравномерной, формируется импульс ENABLE, разрешающий работу ГТИ, который начинает подавать импульсы на триггерный вход АЦП ADTRG, таким образом, запуская процесс оценки уровня засветки, более подробно описанный в подразделе 2.3.1. Импульсы с ГТИ так же подаются на формирователь счётных импульсов, принцип работы которого отражен в подразделе 2.3.2. В момент формирования отрицательного перепада ENABLE, микроконтроллер начинает подсчёт параметров на основе массива входных данных, Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 36

который после расчёта контролируемых величин стирается. Далее ожидается положительный перепад ENABLE, и цикл повторяется. Работа узла при этом разделена двумя этапами автоподстройки яркости светодиодов, которые описаны в разделе 2.5. Сначала проводиться грубая регулировка. Для оценки уровня мощности излучения используется АЦП, каналы AD4 и AD5 которого подключены к выходам МФПЛ. Для управления облучателями задействованы каналы ШИМ-котроллера PWM0 и PWM1. На первом этапе регулировки Т/С1 и Т/С2 выключены, так как формирователь счётных импульсов будет выдавать непредсказуемую информацию из-за малой засветки вплоть до завершения её грубой регулировки. Таким образом, вычисление контролируемых параметров филамента не производится. После того, как завершиться процесс грубой регулировки AT91SAM7S64 начинает поддерживать достигнутое значение уровня засветки и включает Т/С1 и Т/С2, начиная, таким образом, подсчёт не только уровня засветки, но и других параметров: координаты, диаметра, эллиптичности сечения. Необходимо отметить, что описанный выше цикл обработки кадра справедлив для обоих этапов. Разница лишь в том, что в первом этапе вычисляется только уровень мощности, излучаемой светодиодом. А во время второго этапа, кроме этого, рассчитываются и параметры филамента. Схема электрическая структурная также приведена в приложении А. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 37

3 РАСЧЁТ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ После составления структурной схемы можно приступить к разработке схемы электрической принципиальной. Учитывая особенности метода измерения, можно однозначно сказать, что проектируемое устройство расположить на одной печатной плате невозможно из-за того, что МФПЛ должны лежать в ортогональных плоскостях относительно друг друга, как и облучатели. Поэтому всего будет пять блоков, каждый из которых будет выполнен на отдельной печатной плате: блок с микроконтроллером, два блока с МФПЛ и два блока с облучателями. Остальные элементы структурной схемы будут распределяться по блокам в ходе их проектирования. 3.1 Проектирование блока с фотоприёмной линейкой Как уже отмечалось, всего будет два таких блока, которые будет идентичными между собой. На основании этого имеет смысл рассчитать один из блоков, а второй будет точно таким же. 3.1.1 Обоснование схемы включения фотоприёмной линейки Документация, прилагаемая к МФПЛ TCD1304DG, содержит типовую схему включения. На основании этого, она будет применена в качестве схемотехнического решения, с той разницей, что напряжение питания линейки будет составлять 5 В, а не 4 В. Также в качестве транзистора VT1 будет задействован BC860, а не предлагаемый 2SA1015, так как он дешевле, выполнен в исполнении для поверхностного монтажа, а его характеристики более хорошие. Таким образом, схема включения МФПЛ примет вид, изображенный на рисунке 16. Рисунок 16 - Схема включения TCD1304DG Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 38

Сравнение характеристик транзисторов BC860 [15] и 2SA1015 [16] наглядно отражено в таблице 3. Таблица 3 – Характеристики транзисторов BC860 и 2SA1015 Марка транзистора и соответствующий ему параметр BC860 2SA1015 45 50 100 150 100 80 420…800 120…240 sot-23 to-92 Параметр транзистора Uк-э макс., В Iк макс., мА fгр., МГц h21 э мин. Корпусное исполнение 3.1.2 Расчёт работы компаратора На структурной схеме видно, что есть два формирователя счётных импульсов, поэтому, с одной стороны, логично расположить каждый из них на одной печатной плате с соответствующей им МФПЛ. Однако так же можно сказать, что на всю схему нужно всего три логических элемента «И», которые физически находятся в одной четырнадцативыводной микросхеме. Исходя из этого, было бы нерационально для каждой печатной платы – двух с МФПЛ и одной с МК – выделять отдельную микросхему с четырьмя логическими элементами «И», из которых будет задействован лишь один таковой. В этой связи вся логика «И», в том числе и участвующая в формировании счётных импульсов, будет на плате с микроконтроллером. А вот компаратор будет на одной плате с МФПЛ, так как в одной микросхеме всего один компаратор LM311. Таким образом, формирователи счётных импульсов будут разнесены: компараторы будут на тех же печатных платах, что и МФПЛ, логика «И» будет целиком на плате с МК. Из всех характеристик компаратора LM311 [17], приведённых в таблице 4, наибольший интерес представляет малое время задержки – 115 нс. Учитывая, что период обновления информации на выходе МФПЛ составит 4 мкс, при частоте её тактирования 1 МГц, такой малой задержкой можно пренебречь и считать, что компаратор срабатывает практически мгновенно. Таблица 4 – Характеристики компаратора LM311 Параметр компаратора Количество каналов Напряжение питания, В Время задержки, нс Ток потребления, мА Корпусное исполнение Значение параметра 1 3,5…30 115 7,5 so-8 Оптимальное значение опорного напряжения, при котором будет происходить срабатывание компаратора, примем равным Uопорн. = 1,4 В. Заданное значение напряжения обеспечивает делитель напряжения. На данную печатную плату будет подаваться Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 39

напряжение Uпит. = 5 В, поэтому резистивный делитель будет рассчитываться, исходя из него. Опорное напряжение определяется, как: 𝑈𝑈опорн. = 𝑈𝑈пит. ∗ 1 , 𝑅𝑅1 𝑅𝑅2 + 1 (14) где Uпит. = 5 В – напряжение делителя, R1 – верхнее плечо делителя, R2 – нижнее плечо делителя. Чтобы рассчитать делитель, зададимся сопротивлением R2 = 2,2 кОм и решим уравнение (14) относительно R4. В этом случае R1 = 5656,2 Ом. Ближайший стандартный номинал сопротивления 5,6 кОм. Чтобы исключить «дребезг» на выходе компаратора можно ввести ПОС. В таком случае получим неинвертирующий триггер Шмидта [18, c. 678]. Гистерезис поможет против помех в сигнале от МФПЛ на входе компаратора, однако в таком случае пороги срабатывания для переднего и заднего фронта сигнала с выхода МФПЛ будут разными. Это не желательно, так как исказиться рассчитываемая на основе выходного сигнала компаратора длина тени. Так как предполагается, что помехи будут высокочастотными относительно входного сигнала компаратора, то эффект от ПОС для частот, которые ниже помех, можно убрать с помощью ёмкости в цепи ПОС. В таком случае мы вводим гистерезис только на время его заряда-разряда. Таким образом, схема включения компаратора примет вид, изображенный на рисунке 17. Рисунок 17 – Схема включения компаратора LM311 В этом случае гистерезис срабатывания будет рассчитываться по формуле ∆𝑈𝑈𝑒𝑒 = Изм. Лист № докум. Подпись Дата 𝑅𝑅 (𝑈𝑈 − 𝑈𝑈вых.мин. ), 𝑅𝑅3 вых.макс. ВКР-2069378-11.03.01-09-20 (15) Лист 40

где R – выходное сопротивление предыдущего каскада, R3 – сопротивление цепи ПОС, Uвых. макс. = 5 В – максимальное выходное напряжение компаратора, Uвых. мин. = 0,65 В –минимальное выходное напряжение компаратора. Сопротивление R находиться по формуле [18, c. 160] 𝑅𝑅 ≈ 𝑅𝑅э || � 𝑅𝑅с 1 + �, 𝛽𝛽 𝑆𝑆 (16) где Rэ = 2,2 кОм – эмиттерное сопротивление, Rс = 500 Ом выходное сопротивление источника сигнала, β ≈ 600 коэффициент передачи по току транзистора BC860 в схеме с общим эмиттером, S – крутизна передаточной характеристики. Крутизну передаточной характеристики S найдём из формулы 𝑆𝑆 = 𝐼𝐼к , 𝜑𝜑 𝑇𝑇 (17) где Iк – ток коллектора, ϕT = 26 мВ – температурный потенциал при 25º C. Ток коллектора найдём приближенно по формуле при напряжении на эмиттере Uэ = Uопорн. 𝐼𝐼к ≈ 𝑈𝑈пит. − 𝑈𝑈э , 𝑅𝑅э (18) где Uпит. = 5 В – напряжение работы эмиттерного повторителя, Uэ = 1,4 В – напряжение на эмиттере. Подставив (18) и (17) в (16), получим: 𝑅𝑅с 𝜑𝜑 𝑇𝑇 ∗ 𝑅𝑅э 𝑅𝑅 = 𝑅𝑅э || � + �. 𝛽𝛽 𝑈𝑈пит. − 𝑈𝑈э (19) Решив уравнение (19) относительно R, получим выходное сопротивление эмиттерного повторителя R = 16,72 Ом. Из (19) становиться очевидно, что выходное сопротивление каскада R зависимо от напряжения на эмиттере Uэ, которое изменяется в пределах 1,2…3 В [3]. А как видно из формулы (15) изменение R приведёт к изменению глубины ПОС, а следовательно, и к изменению порогов переключения. В таком случае можно специально завысить выходное сопротивление каскада, включив последовательно к нему постоянное добавочное Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 41

сопротивление Rдоб >> R. В этом случае полное выходное сопротивление каскада R’ определяется, как: 𝑅𝑅 ′ = 𝑅𝑅 + 𝑅𝑅доб , (19) где R – собственное сопротивление каскада, Rдоб Получиться, что изменение R не приведёт к изменению выходного сопротивления каскада R’ в целом. Важно, чтобы выходное сопротивление каскада R’, которое теперь определяется добавочным сопротивлением Rдоб, было по-прежнему много меньше входного сопротивления компаратора. Всем перечисленным условиям удовлетворяет сопротивление Rдоб = 750 Ом. В таком случае, заменяя R на R’ в (15), получим: ∆𝑈𝑈𝑒𝑒 = 𝑅𝑅 + 𝑅𝑅доб (𝑈𝑈вых.макс. − 𝑈𝑈вых.мин. ). 𝑅𝑅3 (20) Задавшись ΔUe = 100 мВ, что будет соответствовать нижнему порогу включения: 𝑈𝑈нижн. = 𝑈𝑈опорн. − и верхнему порогу включения: ∆𝑈𝑈𝑒𝑒 = 1,35 В, 2 𝑈𝑈верхн. = 𝑈𝑈опорн. + ∆𝑈𝑈𝑒𝑒 = 1,45 В, 2 можем решить уравнение (20) относительно R3 и получим значение сопротивления цепи ПОС R3 = 33,3 кОм. Ближайший стандартный номинал сопротивления 33 кОм. Ёмкость С1 требуется выбрать так, чтобы постоянная времени в цепи ПОС была меньше, чем период обновления выходного сигнала OS от МФПЛ, то есть: 𝜏𝜏 = (𝑅𝑅 ′ + 𝑅𝑅3 ) ∗ 𝐶𝐶 ≪ 4 мкс. В этом случае зададимся τ = 400 нс, тогда: С= 𝜏𝜏 400 нс = = 11,8 пФ. 𝑅𝑅 ′ + 𝑅𝑅3 33 кОм + 750 Ом + 16,72 Ом Ближайший стандартный номинал ёмкости 12 пФ. Таким образом, схема блока с МФПЛ принимает вид на рисунке 18. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 42

Рисунок 18 - Схема печатной платы с фотоприёмной линейкой Сборочный чертёж блока МФПЛ приведён в приложении Б. 3.2 Проектирование блока с микроконтроллером На плате вместе с микроконтроллером будут располагаться: преобразователь питания, ГТИ, согласователь логических уровней, формирователь импульса SH, логика «И» формирователя счётных импульсов, интерфейс RS-485. 3.2.1 Обоснование схемы преобразователя питания В схеме требуется организовать две линии питания: +3,3 В и +5 В. Входное напряжение от 9 В до 24 В будет постоянным. Линию питания +5 В обеспечим с помощью понижающего импульсного DC-DC преобразователя на микросхеме LM2596 [19], характеристики которой представлены в таблице 5. Таблица 5 – Характеристики микросхемы LM2596 Параметр микросхемы Диапазон входных напряжений, В Диапазон выходных напряжений, В Максимальный выходной ток, А Рабочая частота, кГц Корпусное исполнение Значение параметра 4…60 1,23…37 3 150 to-220-5l Документация, прилагаемая к микросхеме LM2596, содержит типовую схему включения. На основании этого, она будет применена в качестве схемотехнического решения, поэтому схема включения LM2596 примет вид, изображенный на рисунке 19. Рисунок 19 - Схема включения LM2596 Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 43

Делителем R1 и R2 задаётся выходное напряжение +5 В. Задавшись R1 = 1,2 кОм, R2 можно найти по формуле, описываемой в документации: 𝑅𝑅2 = 𝑅𝑅1 𝑈𝑈вых �1,23 В − 1� = 391,51 Ом. Ближайший стандартный номинал сопротивления 390 Ом. В схему также добавлены перемычки R3 и R4 в виде чип-резисторов с нулевым сопротивлением, так как через них плохо проходят ВЧ-наводки. Для организации +3,3 В линии понадобится микросхема NCP1117ST33, которая представляет собой линейный стабилизатор. Её характеристики приведены в таблице 6. Таблица 6 – Характеристики микросхемы NCP1117ST33 Параметр микросхемы Максимальное входное напряжение, В Выходное напряжение, В Максимальный ток нагрузки, А Падение напряжения при Iвых, В (А) Корпусное исполнение Значение параметра 20 3,3 1 1,2 (0,8) sot-223 Документация, прилагаемая к микросхеме NCP1117ST33 [20], содержит типовую схему включения. На основании этого, она будет применена в качестве схемотехнического решения, поэтому схема включения NCP1117ST33 примет вид, изображенный на рисунке 20. Рисунок 20 - Схема включения NCP1117ST33 Для индикации питания добавлена цепь R1 – HL1. 3.2.2 Проектирование ГТИ Известно, что частота обновления выходного сигнала OS МФПЛ TCD1304DG в четыре раза меньше частоты её тактирования ⌀M. По этой причине частота ГТИ будет привязана к частоте сигнала ⌀M путём прохождения последнего через два последовательно включённых Т-триггера. Их можно получить из динамических D - триггеров, находящиеся в микросхеме 74HC74 [21], характеристики которой приведены в таблице 7. Таблица 7 – Характеристики микросхемы 74HC74 Параметр микросхемы Напряжение питания, В Тактирование Время задержки распространения, нс Количество элементов Корпусное исполнение Изм. Лист № докум. Подпись Дата Значение параметра 2…6 Передним фронтом 37 2 soic-14 ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 44

Важно, что сигнал OS линейки отсутствует во время воздействия на ней управляющего сигнала ICG, поэтому сигнал ⌀M не должен подаваться на ГТИ во время присутствия логического нуля на входе ICG МФПЛ. Именно за счёт этого ГТИ формирует импульсы, положительные фронты которых совпадают по времени с моментом обновления информации на выходе OS линейки. Выход ГТИ управляется сигналом ENABLE посредством микросхемы 74HC08 [22], выполняющую функцию «2И». Её характеристики описаны в таблице 8. Таблица 8 – Характеристики микросхемы 74HC08 Параметр микросхемы Напряжение питания, В Время задержки распространения, нс Количество элементов Корпусное исполнение Значение параметра 2…6 15 4 soic-14 Опираясь на вышесказанное, схема ГТИ принимает вид, показанный на рисунке 21. Рисунок 21 - Схема ГТИ Временная диаграмма, поясняющая работу ГТИ, изображена на рисунке 22. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 45

Рисунок 22 – Временная диаграмма работы ГТИ 3.2.3 Согласование логических уровней и формирование импульса SH Согласование логических уровней с 3,3 В до 5 В будет производится с помощью инвертирующего триггера Шмидта 74HC14 [23], характеристики которого представлены в таблице 9. Таблица 8 – Характеристики микросхемы 74HC14 Параметр микросхемы Напряжение питания, В Порог срабатывания на возрастающий фронт, В Время задержки распространения, нс Количество элементов Корпусное исполнение Значение параметра 2…6 2,38 В 21 6 soic-14 Импульс SH будет получен путём укорочения импульса ICG и его последующем инвертированием через триггер Шмидта. Таким образом, схема формирования импульса SH и согласования логических уровней принимает вид, изображённый на рисунке 23а. Временная диаграмма, поясняющая работу схемы, изображена на рисунке 23б. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 46

Рисунок 23 – Согласование логических уровней и формирование импульса SH: а) – принципиальная схема; б) – временная диаграмма, поясняющая работу. Длительность импульса SH определяется постоянной времени цепи R1 – C1, и погром срабатывания на положительный перепад входного напряжения триггера Шмидта. По документации, прилагаемой к микросхеме 74HC14, он равен 2,38 В. Изменение напряжения в RC-цепи описывается формулой 𝑡𝑡 𝑈𝑈𝐶𝐶 (𝑡𝑡) = 𝑈𝑈вх �1 − exp �− ��, 𝜏𝜏 (21) где Uc(t) – напряжение на ёмкости, Uвх – напряжение входного воздействия, τ – постоянная времени RC-цепи. Подставляя в (21) Uc = 2,38 В, Uвх = 5 В и t = 1 мкс и решив это уравнение относительно постоянной времени получим τ = 1547 нс. Задаваясь R1 = 5,6 кОм, найдём ёмкость: 𝜏𝜏 𝐶𝐶1 = = 275 пФ. 𝑅𝑅1 Ближайший стандартный номинал ёмкости 270 пФ. Диод VD1 обеспечивает быстрый разряд ёмкости C1. При программировании ШИМ-контроллера для сигнала ⌀M необходимо учесть, что он инвертируется, проходя через триггер Шмидта. 3.2.4 Схема включения микроконтроллера AT91SAM7S64 Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 47

Документация, прилагаемая к данному микроконтроллеру, содержит типовую схему включения. На основании этого, она будет применена в качестве схемотехнического решения, поэтому схема примет вид, изображенный на рисунке 24. Рисунок 24 - Схема включения AT91SAM7S64 Можно отметить, что данная схема не только обеспечивает работу микроконтроллера, но и позволяет программировать его через интерфейс JTAG. Это существенно облегчит поставленную задачу внесения дополнительного функционала в устройство в дальнейшем и последующей отладки. 3.2.5 Реализация интерфейса RS-485 Применяемый микроконтроллер уже имеет встроенный UART, но для обеспечения физической работы протокола, а именно - посредством интерфейса RS-485, требуется драйвер. В качестве него была выбрана микросхема SN75176 [24], которая имеет типовую схему включения, показанную на рисунке 25. Рисунок 25 - Схема включения SN75176 3.2.6 Формирование счётных импульсов Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 48

Исходя из структурной схемы, логика формирователей счётных импульсов будет построена на оставшихся двух элементах «2И» уже упомянутой микросхемы 74HC08 так, как показано на рисунке 26. Рисунок 26 – Формирование счётных импульсов для таймеров/счётчиков микроконтроллера Очевидно, что тактовые импульсы пойдут на счётчики только тогда, когда на соответствующие входы придут импульсы с компараторов. А благодаря тому, что работа ГТИ разрешается импульсом ENABLE, схема на рисунке 24 не тактируется в начале и конце кадра МФПЛ, где компараторы могут ложно сработать на неинформативные импульсы или на неравномерную засветку. Полная схема электрическая принципиальная и соответствующий ей перечень элементов приведены в приложении В, а схема электрическая соединений – в приложении Г. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 49

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Для изучения возможности использования предлагаемого способа измерения был собран макет, с одним измерительным оптическим каналом, фото которого на рисунке 27. Схема макета приведена в приложении Д. Программа микроконтроллера AT91SAM7X256, управляющая макетом, приведена в приложении Е. Чтобы оценить работоспособность метода, требовалось провести два эксперимента, целью которых было следующее: 1) изучить чёткость тени, получаемой с помощью SMD – светодиода без коллимирующих линз; 2) изучить влияние прозрачности пластика филамента на выходной сигнал МФПЛ. Рисунок 27 - Собранный макет для экспериментов 4.1 Исследование полутени, возникающей из-за отсутствия диафрагмы Первый эксперимент обусловлен тем, что светодиод не может являться точечным источником света относительно филамента, ведь размер стороны излучающей площадки светодиода составляет минимум 0,2 мм [7, c. 32], а наименьший диаметр филамента – 1,75 мм. Получается, что отношение размера объекта, который отбросит тень, к источнику света, от которого она появится, менее десяти, а значит их можно считать сопоставимыми. Если нельзя пренебречь размером источника света, то тень будет нечёткой из-за появления области полутени. Исходя из этого и возникает вопрос о том, как будет выглядеть электрический сигнал, в который МФПЛ преобразует полутень. Поэтому неясна возможность однозначного определения размера филамента по полученному сигналу с данной МФПЛ. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 50

Ясно, что размер полутени, как и всей тени в целом, будет изменяться от расстояния между источником света и объектом, от которого падает тень. Поэтому суть данного эксперимента в том, чтобы получить различные сигналы от линейки, меняя расстояние между светодиодом и филаментом при неизменной дистанции между МФПЛ и облучателем 27 мм, и проследить как при этом будет «восприниматься» и изменяться область полутени МФПЛ. Схема исследуемого оптического канала, собранного на макете, отображена на рисунке 28. На рисунках 29 – 35 представлены результаты описанного опыта. Рисунок 28 - Схема исследуемого оптического канала Рисунок 29 - Сигнал от МФПЛ при расстоянии S между светодиодом и филаментом 26,4 мм (филамент расположен вплотную к МФПЛ) Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 51

Рисунок 30 - Сигнал от МФПЛ при расстоянии S между светодиодом и филаментом 24,2 мм Рисунок 31 - Сигнал от МФПЛ при расстоянии S между светодиодом и филаментом 22 мм Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 52

Рисунок 32 - Сигнал от МФПЛ при расстоянии S между светодиодом и филаментом 19,8 мм Рисунок 33 - Сигнал от МФПЛ при расстоянии S между светодиодом и филаментом 17,6 мм Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 53

Рисунок 34 - Сигнал от МФПЛ при расстоянии S между светодиодом и филаментом 15,4 мм Рисунок 35 - Сигнал от МФПЛ при расстоянии S между светодиодом и филаментом 13,2 мм (филамент на таком же расстоянии от МФПЛ) Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 54

Из осциллограммы на рисунке 29 видно, что на большом удалении от источника света тень получается достаточно чёткой и резкой, полутень практически отсутствует. Такой сигнал получен при том, что филамент был расположен практически вплотную к фотоприёмнику. Однако, буквально со следующей осциллограммы (рисунок 30) полутень начинает проявлять себя, и по мере приближения к светодиоду (и, соответственно, удаления от МФПЛ) она занимает всё большее количество пикселей. Это проявляется в том, что вершина импульса постепенно становится скруглённой, а не плоской. Особенно хорошо это заметно на рисунке 35. Здесь плоский участок занимает минимальное место, и по мере удаления от центра импульса, сигнал тени плавно спадает. Однако плавный спад заканчивается приблизительно на уровне 2 В. Далее сигнал от полутени спадает чуть менее резко, чем от тени на рисунке 29. Это как раз и говорит о том, что полутень «чувствуется» исследуемой МФПЛ достаточно хорошо. Получается, что по уровню напряжения от уровня белого - 1,2 В до 2 В можно болееменее однозначно сказать о величине диаметра филамента даже на его равноудалённом расстоянии от МФПЛ и светодиода. Действительно, ширина импульса по уровню 1,5 В на рисунке 35 практически в два раза больше, таковой на рисунке 2, что объясняется двукратной разницей расстояний филамента от светодиода для этих сигналов. Таким образом, эксперимент показал, что использование smd-светодиода без диафрагмы позволяет оценить диаметр филамента и с помощью метода с компаратором: для этого требуется задать порог его срабатывания в пределах 1,2…2 В. Можно заметить, что теневой сигнал в различных осциллограммах меняет своё положение в кадре МФПЛ. Это следствие того, что филамент не во всех этапах измерения находился прямо под облучателем. Несмотря на это, импульсы получились практически симметричными, поэтому координату филамента можно определить, как середину импульса. Тем более, что в реальных условиях конструкция датчика и сам по себе процесс производства обеспечат постоянное нахождение филамента прямо под облучателем. 4.2 Исследование влияния прозрачности филамента на выходной сигнал МФПЛ Суть второго опыта в том, чтобы проверить возможность вычисления параметров филамента, в случае, когда он изготовлен из прозрачного пластика. Этот эксперимент обусловлен тем, что датчик должен производить измерения филамента в независимости от цвета и прозрачности материала, из которого он изготовлен. Прозрачность в данном случае может ослабить выходной сигнал МФПЛ, поэтому возникла необходимость исследовать возможности данного метода измерения при описанных условиях, особенно учитывая, что по результатам предыдущего опыта полутень также ослабляет сигнал. Таким образом, условия данного эксперимента аналогичны предыдущему. Разница лишь в том, что материалом филамента служит оптически прозрачный пластик, что отражено на рисунке 36. Осциллограммы, полученные в ходе данного опыта, представлены на рисунках 37 - 43. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 55

Рисунок 36 - Схема исследуемого оптического канала с прозрачным филаментом Рисунок 37 - Сигнал от МФПЛ при расстоянии S между светодиодом и прозрачным филаментом 26,4 мм (филамент расположен вплотную к МФПЛ) Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 56

Рисунок 38 - Сигнал от МФПЛ при расстоянии S между светодиодом и прозрачным филаментом 24,2 мм Рисунок 39 - Сигнал от МФПЛ при расстоянии S между светодиодом и прозрачным филаментом 22 мм Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 57

Рисунок 40 - Сигнал от МФПЛ при расстоянии S между светодиодом и прозрачным филаментом 19,8 мм Рисунок 41 - Сигнал от МФПЛ при расстоянии S между светодиодом и прозрачным филаментом 17,6 мм Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 58

Рисунок 42 - Сигнал от МФПЛ при расстоянии S между светодиодом и прозрачным филаментом 15,4 мм Рисунок 43 - Сигнал от МФПЛ при расстоянии S между светодиодом и прозрачным филаментом 13,2 мм (филамент на таком же расстоянии от МФПЛ) Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 59

Полученные осциллограммы совершенно аналогичны таковым из первого эксперимента. Разница, как и предполагалось в амплитуде сигнала – максимальное напряжение выдаваемое МФПЛ от тени прозрачного филамента на 0,5…0,7 В меньше, чем для непрозрачного. Сравнивая рисунки 43 и 35, можно заметить, что тень от прозрачного филамента менее резкая, потому порог напряжения, при котором оценивается длина тени, следует взять ниже – в районе 1,3…1,5 В. Таким образом, проведя ряд опытов, было установлено, что исключить коллимирующую линзу и диафрагму из оптического канала можно. Причём для обработки сигнала допустимо использовать способ обработки сигнала на основе компаратора. Для этого требуется установить необходимый порог его срабатывания 1,3…1,5 В. При этом вне зависимости от прозрачности пластика реально выполнить поставленные задачи, а именно – вычисление диаметра филамента и определение степени эллиптичности его сечения. 4.3 Исследование управляющих сигналов В ходе проведения экспериментальных исследований макета устройства были сняты осциллограммы управляющих сигналов, подаваемых на МФПЛ. Сигналы отображены на рисунке 44. Верхний – SH, средний – ICG, нижний - ⌀M. Рисунок 44 – Сигналы, управляющие работой МФПЛ. Как и говорилось, задержка сигнала SH относительно ICG на минимальные 100 нс не выполняется – перепады возникают практически одновременно. Однако, это не мешает работе устройства, а снятые осциллограммы подтверждают правильность работы схем формирования управляющих сигналов. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 60

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В ходе выполнения работы проведён обзор по теме «Узел подключения многоэлементный фотоприёмных линеек (МФПЛ)». Теневой метод был оптимизирован под решение поставленной задачи – измерение диаметра и координаты пластикового прутка с помощью фотоприёмной линейки. Была изучена спецификация на МФПЛ TCD1304DG, на основе которой были рассмотрены различные схемотехнические решения, отвечающие за управление данной фотоприёмной линейкой - с помощью микроконтроллера, ПЛИС и дискретной логики; отвечающие за обработку её выходного сигнала – с помощью АЦП и компаратора. Также произведён анализ методов передачи информации с МФПЛ на персональный компьютер (ПК) посредством различных интерфейсов – RS-485, USB, Ethernet и Wi-Fi. На основании проделанного обзора была разработана схема электрическая структурная узла подключения МФПЛ. Разработаны методы управления фотоприёмной линейкой с помощью микроконтроллера AT91SAM7S64 и обработки выходного сигнала с неё. Предложен способ управления яркостью светодиодов, проработан алгоритм авторегуляции оптической мощности, излучаемой ими, на основе обработки сигнала с МФПЛ. В ходе разработки структурной схемы также были выведены формулы для расчёта диаметра и координаты контролируемого объекта. Обоснованы и определены требования ко всем сигналам в схеме. После составления структурной схемы и определения требований к её основным компонентам была рассчитана схема электрическая принципиальная. В ходе разработки принципиальной схемы изучены схемы включения МФПЛ TCD1304DG и микроконтроллера AT91SAM7S64. Получены знания о расчёте гистерезиса для компаратора. Также построены схема укорочения импульса и схема генератора на основе T-триггеров. Было уделено внимание согласованию логических уровней микроконтроллера и МФПЛ, а также реализованы интерфейсы обмена данными RS-485 для передачи показаний устройства на ПК и JTAG для прошивки микроконтроллера. На основании составленной принципиальной схемы был разработан сборочный чертёж печатного узла с МФПЛ. Также были систематизированы экспериментальные результаты исследований собранного макета устройства, которые подтверждают правильность выбранных технических решений. Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 61

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. ТУ 22.29.29-001-40266883-2016 Нить полимерная для 3D печати – ABS [Электронный ресурс]. – URL: https://всероссийская-база-ту.рф/tekhnicheskie-usloviya-tu-nanit-polimernuyu-dlya-3d-pechati (дата обращения: 24.05.2020). 2. Черепанов, А. Н. Построение теневого датчика для контроля геометрических параметров изделий / А.Н. Черепанов, А.С. Тыщенко, М.А. Попова, Д.О. Вахнин // ИННОВАЦИИ И ИВЕСТИЦИИ. – 2016. – N9. – C. 173 – 177. 3. Каштанов, Н.В. ПРИМЕНЕНИЕ МНОГОЭЛЕМЕНТНОЙ ФОТОПРИЕМНОЙ ЛИНЕЙКИ В ДАТЧИКЕ ТОЛЩИНЫ ПЛАСТИКОВОЙ НИТИ / Н.В. Каштанов, А.М. Низаметдинов, А.А. Черторийский // Вузовская наука в современных условиях: сборник материалов 54-й научно-техн. конференции - Ульяновск: УлГТУ, 2020 (в печати). 4. TCD1304DG [Электронный ресурс]. ‒ URL: https://pdf1.alldatasheet.com/datasheetpdf/view/137658/TOSHIBA/TCD1304DG.html (дата обращения: 24.05.2020). 5. Черторийский, А.А. Применение многоэлементной фотоприемной линейки в датчике линейных перемещений / А.А. Черторийский, А.М. Низаметдинов, Ю.С. Борисов // Вузовская наука в современных условиях: Сборник материалов 52-й научно-технической конференции (29 января – 3 февраля 2018 года). Ч.2. – Ульяновск: УлГТУ, 2018. – С.32-35. 6. Ethernet [Электронный ресурс]. – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Ethernet (дата обращения: 24.05.2020). 7. Бугров, В.Е. Оптоэлектроника светодиодов. Учебное пособие / В.Е. Бугров, К.А. Виноградова. – СПб: НИУ ИТМО, 2013. – 174 с. 8. Светодиодная лампа с регулировкой яркости / Хабр. [Электронный ресурс]. – URL: https://habr.com/ru/post/110270/ (дата обращения: 25.05.2020). 9. Титце, У. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. 12-е изд. Том II: Пер. с нем. / У. Титце, К. Шенк – М.: ДМК Пресс, 2007. – 942 с.: ил. 10. Хоровиц, П. Искусство схемотехники : Пер. с англ. / П. Хоровиц, У. Хилл - Изд. 2е. - М.: Издательство БИНОМ. - 2014. - 704 с., ил. 11. Черепанов, А. Н. Оптоэлектронный датчик профиля поверхности / А.Н. Черепанов, А.С. Тыщенко, М.А. Попова, Д.О. Вахнин, Ю. В. Бочкарёв, С. Н. Пестерев // СОВРЕМЕННАЯ НАУКА: АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ. СЕРИЯ: ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. – 2017. – N5. – C. 36 – 40. 12. Семёнов А. В. Импульсный датчик перемещения: Магистерская диссертация по специальности 11.04.04. – Тольятти, ТГУ, 2018. – 71 с. 13. ПЗС линейка: с чем её едят / Хабр. [Электронный ресурс]. – URL: https://habr.com/ru/post/457762/ (дата обращения: 03.06.2020). Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 62

14. Редькин П. П. 32/16-битные микроконтроллеры ARM7 семейства AT91SAM7 фирмы Atmel. Руководство пользователя (CD+). – М.: Издательский дом «Додэка - XXI», 2008. – 704 с.: ил. (Серия «Программируемые системы»). 15. BC856/857/858/859/860 [Электронный ресурс]. ‒ URL: https://static.chipdip.ru/lib/160/DOC000160226.pdf (дата обращения: 03.06.2020). 16. 2SA1015 [Электронный ресурс]. ‒ URL: https://static.chipdip.ru/lib/637/DOC005637778.pdf (дата обращения: 03.06.2020). 17. LM111, LM211, LM311 [Электронный ресурс]. ‒ URL: https://static.chipdip.ru/lib/222/DOC000222396.pdf (дата обращения: 03.06.2020). 18. Титце, У. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. 12-е изд. Том I: Пер. с нем. / У. Титце, К. Шенк – М.: ДМК Пресс, 2008. – 832 с.: ил. 19. LM2596 [Электронный ресурс]. ‒ URL: http://www.farnell.com/datasheets/1841989.pdf (дата обращения: 03.06.2020). 20. NCP1117, NCV1117 [Электронный ресурс]. ‒ URL: https://static.chipdip.ru/lib/092/DOC001092286.pdf (дата обращения: 03.06.2020). 21. 74HC74 [Электронный ресурс]. ‒ URL: https://static.chipdip.ru/lib/225/DOC000225307.pdf (дата обращения: 03.06.2020). 22. 74HC08 [Электронный ресурс]. ‒ URL: https://static.chipdip.ru/lib/428/DOC005428545.pdf (дата обращения: 03.06.2020). 23. 74HC14 [Электронный ресурс]. ‒ URL: https://static.chipdip.ru/lib/223/DOC000223080.pdf (дата обращения: 03.06.2020). Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 63

ПРИЛОЖЕНИЕ А Схема электрическая структурная узла подключения МФПЛ Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 64

ÂÊÐ-2069378-11.03.01-09-20 Ý1 2 "OS1" "+5Â" "+5Â" "OS1" ÌÔÏË 1 Îáëó÷àòåëü 1 == Ôîðìèðîâàòåëü ñ÷¸òíûõ èìïóëüñîâ 1 1 & "+3,3Â" Èçìåðèòåëüíûé êàíàë ïî îñè X 3 "+5Â" "OS2" "+5Â" Ïåðâ. ïðèìåí. 57 êÃö AD5 AD4 ADTRG PWM0 ÀÖÏ ØÈÌ êîíòðîëëåð Äðàéâåð RS-485 PWM1 Ñïðàâ. ¹ "+5Â" Ò/Ñ0 TIOA0 TCLK0 TIOB0 "ICG" Ôîðìèðîâàòåëü èìïóëüñà "SH" "ENABLE" Ïîäï. è äàòà Âçàì. èíâ. ¹ Èíâ. ¹ äóáë. Ïîäï. è äàòà Êîíâåðòåð RS-485/USB Ìèêðîêîíòðîëëåð AT91SAM7S64 Ïåðñîíàëüíûé êîìïüþòåð 250 êÃö 3 "SH" "+5Â" 3 Ñîãëàñîâàòåëü ëîãè÷åñêèõ óðîâíåé 3,3 Â / 5 Â 3 3 "⌀Ì" ÃÒÈ "+5Â" & "ENABLE" Ò/Ñ1 TCLK1 2 1 2 "+5Â" Ò/Ñ2 Ïîðò USB 2 & Èçìåðèòåëüíûé êàíàë ïî îñè Y PWM3 UART == 1 ÌÃö "⌀Ì" Èíâ. ¹ ïîäë. ÌÔÏË 2 Îáëó÷àòåëü 2 PWM2 "OS2" Ôîðìèðîâàòåëü ñ÷¸òíûõ èìïóëüñîâ 2 TCLK2 2 "+9...24Â" "+3,3Â" ÂÊÐ-2069378-11.03.01-09-20 Ý1 Ëèò. Èçì. Ëèñò ¹ äîêóì. Ïîäï. Äàòà Ðàçðàá. Êàøòàíîâ Í. Â ×åðòîðèéñêèé À. À. Ïðîâ. Ò.êîíòð. Óçåë ïîäêëþ÷åíèÿ ÌÔÏË Ó Ñõåìà ýëåêòðè÷åñêàÿ ñòðóêòóðíàÿ Ëèñò Ìàññà Ìàñøòàá 1 Ëèñòîâ 1 ÐÒáä-41 ÓëÃÒÓ Í.êîíòð. Äóëîâ Î. À. Òàøëèíñêèé À. Ã. Óòâ. Êîïèðîâàë Ôîðìàò A2

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Сборочный чертёж блока МФПЛ Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 66

5 13 6 3 12 1. * ðàçìåðû äëÿ ñïðàâîê. 2. Ýëåêòðîìîíòàæ âûïîëíÿòü ñîãëàñíî ÂÊÐ-2069378-11.03.01-09-20 Ý3 "Ñõåìà áëîêîâ À4 è À5" 3. Óñòàíîâêó ÈÝÒ ïîç. 5 è 7 ïðîâîäèòü ñîãëàñíî ÃÎÑÒ 29137-91 âàðèàíò 351.000.00.00.00. 4. Àíîä êîíäåíñàòîðà ïîç. 4 óñëîâíî çàøòðèõîâàí. 5. Ìàðêèðîâêà ýëåìåíòîâ ïîêàçàíà óñëîâíî. 6. Ïàÿòü ïðèïîåì ÏÎÑ-61 ÃÎÑÒ 21931-76. 7. Âûñòóïàþùèå êîíöû âûâîäîâ ïîäðåçàòü äî 1 ìì. R8 C2 DA2 C3 R7 Ïîäï. è äàòà Âçàì. èíâ. ¹ Èíâ. ¹ äóáë. Ïîäï. è äàòà R5 Èíâ. ¹ ïîäë. 9max DA1 50* Ñïðàâ. ¹ Ïåðâ. ïðèìåí. ÂÊÐ-2069378-11.03.01-09-20 ÑÁ 1 Âèä ñî ñòîðîíû óñòàíîâêè íàâåñíûõ ýëåìåíòîâ 40* 1,75max R6 11 Âèä ñî ñòîðîíû ïå÷àòíîãî ìîíòàæà 2(2) 9(2) C1 R2 R1 ê 8(2) VT1 á ý 14 R3 X1 R4 7 ÂÊÐ-2069378-11.03.01-09-20 ÑÁ 4 10 C4 Èçì. Ëèñò ¹ äîêóì. Ïîäï. Äàòà Ðàçðàá. Êàøòàíîâ Í. Â ×åðòîðèéñêèé À. À. Ïðîâ. Ò.êîíòð. Óçåë ïîäêëþ÷åíèÿ ÌÔÏË. Ëèò. Áëîê ñ ÌÔÏË Ó Ñáîðî÷íûé ÷åðò¸æ Ëèñò Ìàññà Ìàñøòàá 2:1 1 Ëèñòîâ 1 ÐÒáä-41 ÓëÃÒÓ Í.êîíòð. Äóëîâ Î. À. Òàøëèíñêèé À. Ã. Óòâ. Êîïèðîâàë Ôîðìàò A3

-2069378-11.03.01-09-20 3 -2069378-11.03.01-09-20 ! =2 . !?>4; . >4? . 8 40B0. 8=2 . ! 70< =2 . !4C1; . >4? . 8 40B0 !?@02 . ! 1 > . $>@ > > . 5@2 . ?@8<5 . *) 3 1>7=0G5=85 @8 - G0= >:C<5=B0F8O #75; ?>4:;NG5=8O $ 3, 2 ;>: A $ 5B0;8 5G0B=0O ?;0B0 1 @>G85 8745;8O 2 3 4 >=45=A0B>@K 1, ! 3 100 =$ ± 5%, 16 , SMD B8?>@07<5@ 0603 2 ! 12 ?$ ± 5%, 50 , SMD B8?>@07<5@ 0603 1 ! 2 ECASD40J106M055K00, A5@8O ECAS, 1 ! 4 ?@>872>48B5;L "Murata Manufacturing" 5 6 8:@>AE5<K TCD1304DG, ?@>872>48B5; "Toshiba" 1 DA1 LM311MX/NOPB [SOIC-8], 1 DA2 ?@>872>48B5;L "Texas Instruments" 7 07JQ< IDC8 male 8 9 10 11 12 13 578AB>@K 150 < ± 1%, SMD B8?>@07<5@ 0805 2 R1, R3 2,2 :< ± 1%, SMD B8?>@07<5@ 0805 2 R2, R6 750 < ± 1%, SMD B8?>@07<5@ 0805 1 R4 5,6 :< ± 1%, SMD B8?>@07<5@ 0805 1 R5 33 :< ± 1%, SMD B8?>@07<5@ 0805 1 R7 1 :< ± 1%, SMD B8?>@07<5@ 0805 1 R8 1 XP1 -2069378-11.03.01-09-20 7< . 8AB !4>:C< . >4? . 0B0 07@01 . 0HB0=>2 . 8B . 8AB @>2 . '5@B>@89A:89 . . # 1 2 #75; ?>4:;NG5=8O $ . .:>=B@ . Äóëîâ Î. À. Òàøëèíñêèé À. Ã. #B2 . ;>: $ >?8@>20; "14 -41 #; $>@<0B A4

14 = 2 . !? > 4 ; . > 4 ? . 8 4 0 B 0 7 0 < . 8 = 2 . ! = 2 . !4 C 1 ; . > 4 ? . 8 4 0 B 0 15 16 7 < . 8 A B !4 > : C < . > 4 ? . 0 B 0 0 8 < 5 = > 2 0 = 8 5 " @ 0 = 7 8 A B > @ BC860C, [SOT-23], @ > 8 7 2 > 4 8 B 5 ; L "Nexperia" 0 B 5 @ 8 0 ; K @ 8 ? > 9 ! -61 ! " 21931-76 $ N ; A $ " 11.029.001-74 > ; . $ @ > < 0 B > = 0 > 7 . 1 > 7 = 0 G 5 = 8 5 @ 8 < 5 G 0 = 8 5 1 VT1 203 153 -2069378-11.03.01-09-20 > ? 8 @ > 2 0 ; $ @ > < 0 B A4 8 A B 2

ПРИЛОЖЕНИЕ В Схема электрическая принципиальная узла подключения МФПЛ и перечень элементов к ней Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 70

ÂÊÐ-2069378-11.03.01-09-20 Ý3 5 "+5Â" DD3.1 4 10 "Ñõåìà áëîêà À1" 2 3 6 8 DD1.1 4 5 & 1 3 DD4 6 1 3 5 9 11 13 4 DD1.2 9 10 & "+5Â" 5 8 R8 Ïåðâ. ïðèìåí. Vcc GND VD2 TT S 5 12 11 D C 13 1 2 & 4 ÕP4 1/2 "+5Â" 2/2 3/2 7 3 C25 8 3 1 DD2 Êîíò. +3,3 Â 1 9 +3,3 Â 2 6 +3,3 Â 3 GNDJTAG 4 JTAGTDI 5 GNDJTAG 6 JTAGTMS 7 GNDJTAG 7 R1 R4 R5 4 R6 JTAGTCK 9 GNDJTAG 10 JTAGTCK 11 GNDJTAG 12 JTAGTDO 13 GNDJTAG 14 RESET 15 GNDJTAG 16 3 4 31 36 38 41 5 33 51 53 49 8 Ñ3 Q1 Ñ5 2 17 46 60 61 62 R2 39 55 AD4 AD5 ADTRG MPU TIOB0 TIOA0 PWM0 PWM1 PWM2 PWM3 TCLK0 TCLK1 TCLK2 TDI TMS TCK TDO RXD0 RTS0 TXD0 VDDOUT VDDCORE VDDCORE VDDPLL VDDCORE VDDIN VDDIO VDDIO VDDIO VDDFLASH GND GND GND GND XOUT XIN NRST ERASE PLLRC 47 48 28 27 22 21 13 15 GNDJTAG 1 2 3 4 RO RE DE DI Ñ17 7 18 45 58 59 RTX A B GND Vcc R16 9 3 12 Ïîäï. è äàòà GNDJTAG 8 5 R17 3 1 Ñ26 2 4 "+3,3B" Ñ12...Ñ15 4 Ñ18 +5Â 2 AD4 3 UCOM1 4 ICG 5 ⌀M 6 SH 7 Îáùèé 8 Îáùèé 13 1 GND DA2 1 5 4 Ñ4 Uin EN FB *STU L1 Uout GND AD5 3 UCOM2 4 ICG 5 ⌀M 6 SH 7 Îáùèé 8 Îáùèé Êîíò. Öåïü 1 LED1 2 Îáùèé "+5Â" "+3,3Â" DA1 "+5Â" R3 2 4 Ñ2 DD3 14 7 HL1 Ñ7 Vcc GND Êîíò. Öåïü Êîíò. Öåïü 1 RS485À 1 LED2 2 RS485B 2 Îáùèé 3 Îáùèé 14 ÕP8 "+5Â" Ñ20 VD1 Ñ6 ÕP7 R13 2 3 Ñ23 R11 R12 *STU 2 ÕP3 Ñ16 2 Uout TAB +5Â Ñ19 ÕP2 9...24 Â 1 ÕP6 12 Êîíò. Öåïü 2 4 R7 20 Öåïü Êîíò. Ñ22 11 Èíâ. ¹ äóáë. 1 10 Ñ8...Ñ11 4 "+5Â" 63 18 Âçàì. èíâ. ¹ Ïîäï. è äàòà Èíâ. ¹ ïîäë. Öåïü ÕP5 11 6 7 R10 19 Ñ1 Êîíò. 2 R15 DD5 R9 35 32 34 8 24 54 64 12 3 "+5Â" 14 17 Uin GND 6/2 2 Öåïü 3 1 3 8 R 2 4 6 8 10 12 14 7 9 D C 6 R DD1.3 TT C24 "+3,3B" ÕP1 Ñïðàâ. ¹ Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 À1 À2 À3 À4 À5 À6 S DD3.2 10 "+5Â" 15 Ñ27 Ñ21 Vcc GND Öåïü 1 Óïðàâëÿþùèé ñèãíàë 2 Îáùèé R14 ÂÊÐ-2069378-11.03.01-09-20 Ý3 DD1 14 7 Êîíò. Ëèò. Èçì. Ëèñò ¹ äîêóì. Ïîäï. Äàòà Ðàçðàá. Êàøòàíîâ Í. Â ×åðòîðèéñêèé À. À. Ïðîâ. Ò.êîíòð. Óçåë ïîäêëþ÷åíèÿ ÌÔÏË Ó Ñõåìà ýëåêòðè÷åñêàÿ ïðèíöèïèàëüíàÿ Ëèñò Ìàññà Ìàñøòàá 1 Ëèñòîâ 2 ÐÒáä-41 ÓëÃÒÓ Í.êîíòð. Äóëîâ Î. À. Òàøëèíñêèé À. Ã. Óòâ. Êîïèðîâàë Ôîðìàò A2

ÂÊÐ-2069378-11.03.01-09-20 Ý3 "Ñõåìà áëîêîâ À2 è À3" ÕÐ1 Öåïü Êîíò. LED 1 Îáùèé 2 VD1 R1 Ïîäï. è äàòà "Ñõåìà áëîêîâ À4 è À5" R2 3 Âçàì. èíâ. ¹ Èíâ. ¹ äóáë. 1 Ïîäï. è äàòà R8 C2 R7 Ñ4 DA1 2 Èíâ. ¹ ïîäë. ÕÐ1 R5 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 ICG ∅M SH NC NC NC NC NC NC NC NC NC X/Y OS GND ∩ Vcc #Vcc NC NC NC NC NC NC R1 21 4 VT1 DA2 R4 2 3 22 2 1 IN+ IN- == ⎐ ⎏ 7 1 3 2 6 5 20 19 18 17 16 15 R3 S/BAL BAL U+ U- 8 4 1 R6 Ñ1 Ñ3 Êîíò. Öåïü 1 +5Â 2 ADC 3 UCOM 4 ICG 5 ⌀M 6 SH 7 Îáùèé 8 Îáùèé 4 3 4 Èçì. Ëèñò ¹ äîêóì. Ïîäï. Äàòà ÂÊÐ-2069378-11.03.01-09-20 Ý3 Êîïèðîâàë Ôîðìàò A3 Ëèñò 2

5@2 . ?@8<5 . !?@02 . ! =2 . !?>4; . >4? . 8 40B0. 8=2 . ! 70< =2 . !4C1; . >4? . 8 40B0 >7 . >1>7=0 G5=85 08<5=>20=85 >; . @8< 1 ;>: <8:@>:>=B@>;;5@0 1 >=45=A0B>@K C1, C17, C22 ECASD40J106M055K00, A5@8O ECAS, ?@>872>48B5;L "Murata Manufacturing" 3 10 <:$ , 6,3 C2, C23 ECASD90J227M010K00, A5@8O ECAS, ?@>872>48B5;L "Murata Manufacturing" 2 220 <:$ , 6,3 ± 5%, 50 , SMD B8?>@07<5@ 0603 C3, C5 12 ?$ 2 B41851F7108M000, - 60384-4, ?@>872>48B5;L Epcos ! 4 1 1000 <:$ , 35 ± 5%, 16 , SMD B8?>@07<5@ 0603 ! 6-! 15, 100 =$ 15 ! 18, ! 20, ! 21, ! 25, ! 26 ! 16 10 =$ ± 5%, 50 , SMD B8?>@07<5@ 0603 1 ! 19 1 =$ ± 5%, 50 , SMD B8?>@07<5@ 0603 1 ! 24 270 ?$ ± 5%, 50 , SMD B8?>@07<5@ 0603 1 ! 27 3,3 =$ ± 5%, 50 , SMD B8?>@07<5@ 0603 1 DA1 DA2 DD1 DD2 DD3 DD4 DD5 8:@>AE5<K NCP1117ST33T3G, ?@>872>48B5;L "ON Semiconductor", [SOT-223] 1 LM2596T-5.0/NOPB, ?@>872>48B5;L "Texas Instruments", [TO-220-5L] 1 SN74HC08D, ?@>872>48B5;L "Texas Instruments", [SOIC-14] 1 AT91SAM7S64, ?@>872>48B5;L "Atmel", [LQFP-64] 1 SN74HC74D, ?@>872>48B5;L "Texas Instruments", [SOIC-14] 1 SN74HC14D, ?@>872>48B5;L "Texas Instruments", [SOIC-14] 1 SN75176BD, ?@>872>48B5;L "Texas Instruments", [SOIC-8] 1 HL1 !25B>48>4 :@0A=K9 , SMD B8?>@07<5@ 1608 1 L1 =4C:B82=>ABL SMD, CDRH8D43NP-330NC, ?@>872>48B5;L "Sumida" 1 33 <:= , 1.4 A Q1 57>=0B>@ :20@F52K9 18.432 F , [HC-49S] -2069378-11.03.01-09-20 7< . 8AB !4>:C< . >4? . 0B0 07@01 . 0HB0=>2 . 8B . 8AB @>2 . 3 '5@B>@89A:89 . . # #75; ?>4:;NG5=8O $ 1 .:>=B@ . Äóëîâ Î. À. Òàøëèíñêèé À. Ã. #B2 . 5@5G5=L M;5<5=B>2 "14 -41 #; >?8@>20; $>@<0B A4

> 7 . > 1 > 7 = 0 G 5 = 8 5 R1, R4-R6 R2 R3, R11 R7 R8 R9, R16 R10, R15, R17 R12 R13, R14 VD1 VD2 0 8 < 5 = > 2 0 = 8 5 > ; . @ 8 < 5 G 0 = 8 5 5 7 8 A B > @ K 100 : < ± 1%, SMD B 8 ? > @ 0 7 < 5 @ 0805 330 < ± 1%, SMD B 8 ? > @ 0 7 < 5 @ 0805 1,2 : < ± 1%, SMD B 8 ? > @ 0 7 < 5 @ 0805 1,5 : < ± 1%, SMD B 8 ? > @ 0 7 < 5 @ 0805 5,6 : < ± 1%, SMD B 8 ? > @ 0 7 < 5 @ 0805 120 < ± 1%, SMD B 8 ? > @ 0 7 < 5 @ 0805 680 < ± 1%, SMD B 8 ? > @ 0 7 < 5 @ 0805 390 < ± 1%, SMD B 8 ? > @ 0 7 < 5 @ 0805 0 < , SMD B 8 ? > @ 0 7 < 5 @ 0805 4 1 2 1 1 2 3 1 2 @ 8 1 > @ K ? > ; C ? @ > 2 > 4 = 8 : > 2 K 5 8 > 4 ( > B B : 8 SS54, ? @ > 8 7 2 > 4 8 B 5 ; L "Multicomp" 8 > 4 DL4148, ? @ > 8 7 2 > 4 8 B 5 ; L "Micro Commercial Components", [DL-35] 1 1 = 2 . !? > 4 ; . > 4 ? . 8 4 0 B 0 7 0 < . 8 = 2 . ! = 2 . !4 C 1 ; . > 4 ? . 8 4 0 B 0 ! > 5 4 8 = 5 = 8 O : > = B 0 : B = K 5 XP1 XP2, XP6-% P8 XP3 XP4, XP5 IDC20 male WF2 male WF3 male IDC8 male 2, 3 1 4 1 2 ; > : 8 7 ; C G 0 B 5 ; O 2 R1 5 7 8 A B > @ 1,5 : < ± 1%, SMD B 8 ? > @ 0 7 < 5 @ 0805 1 VD1 ! 2 5 B > 4 8 > 4 A 8 = 8 9 , SMD B 8 ? > @ 0 7 < 5 @ 0603 1 XP1 0 7 J Q < WF2 male 1 4, 5 ; > : $ 2 > = 4 5 = A 0 B > @ K 7 < . 8 A B !4 > : C < . > 4 ? . 0 B 0 -2069378-11.03.01-09-20 > ? 8 @ > 2 0 ; $ @ > < 0 B A4 8 A B 2

> 7 . > 1 > 7 = 0 G 5 = 8 5 0 8 < 5 = > 2 0 = 8 5 > ; . @ 8 < 5 G 0 = 8 5 ! 1, ! 3 100 = $± 5%, 16 , SMD B 8 ? > @ 0 7 < 5 @ 0603 2 C2 12 ? $± 5%, 50 , SMD B 8 ? > @ 0 7 < 5 @ 0603 1 C4 ECASD40J106M055K00, A 5 @ 8 O ECAS, ? @ > 8 7 2 > 4 8 B 5 ; L "Murata Manufacturing" 1 10 < : $ , 6,3 DA1 DA2 = 2 . !? > 4 ; . > 4 ? . 8 4 0 B 0 7 0 < . 8 = 2 . ! = 2 . !4 C 1 ; . > 4 ? . 8 4 0 B 0 R1, R3 R2, R6 R4 R5 R7 R8 8 : @ > A E 5 < K TCD1304DG, ? @ > 8 7 2 > 4 8 B 5 ; L "Toshiba" LM311MX/NOPB, ? @ > 8 7 2 > 4 8 B 5 ; L "Texas Instruments", [SOIC-8] 1 1 5 7 8 A B > @ K 150 < ± 1%, SMD B 8 ? > @ 0 7 < 5 @ 0805 2,2 : < ± 1%, SMD B 8 ? > @ 0 7 < 5 @ 0805 750 < ± 1%, SMD B 8 ? > @ 0 7 < 5 @ 0805 5,6 : < ± 1%, SMD B 8 ? > @ 0 7 < 5 @ 0805 33 : < ± 1%, SMD B 8 ? > @ 0 7 < 5 @ 0805 1 : < ± 1%, SMD B 8 ? > @ 0 7 < 5 @ 0805 2 2 1 1 1 1 V" 1 " @ 0 = 7 8 A B > @ BC860C, @ > 8 7 2 > 4 8 B 5 ; L "Nexperia", [SOT-23] 1 XP1 1 0 7 J Q < IDC8 male 7 < . 8 A B !4 > : C < . > 4 ? . 0 B 0 -2069378-11.03.01-09-20 > ? 8 @ > 2 0 ; $ @ > < 0 B A4 8 A B 3

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Схема электрическая соединений узла подключения МФПЛ Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 76

Ïåðâ. ïðèìåí. ÂÊÐ-2069378-11.03.01-09-20 Ý4 Îáîçíà÷åíèå ïðîâîäà A4 ÕP1 ÕP1 XS1 1 = À1 - ÕP6 = À2 - ÕP1 2 = À1 - ÕP7 = À3 - ÕP1 3 = À1 - ÕP4 = À4 - ÕP1 4 = À1 - ÕP5 = À5 - ÕP1 XS2 Ïîäï. è äàòà Êîë. Ïðèìå÷àíèå Ñîåäèíåíèÿ êîíòàêòíûå ÕP6 ÕP4 ÕP7 XS1...XS4 WF2 female 4 XS5...XS8 IDC-08 female 4 ÕP5 XS3 Èíâ. ¹ äóáë. Íàèìåíîâàíèå XS6 A1 Âçàì. èíâ. ¹ Ïðèìå÷àíèå 3 Ïîç. îáîçíà÷åíèå Ïîäï. è äàòà Äàííûå ïðîâîäà XS5 1 Èíâ. ¹ ïîäë. Êóäà ïîñòóïàåò Êàáåëè A2 Ñïðàâ. ¹ Îòêóäà èä¸ò XS7 2 4 XS4 XS8 A3 ÕP1 A5 ÕP1 ÂÊÐ-2069378-11.03.01-09-20 Ý4 Ëèò. Èçì. Ëèñò ¹ äîêóì. Ïîäï. Äàòà Ðàçðàá. Êàøòàíîâ Í. Â ×åðòîðèéñêèé À. À. Ïðîâ. Ò.êîíòð. Óçåë ïîäêëþ÷åíèÿ ÌÔÏË Ó Ñõåìà ýëåêòðè÷åñêàÿ ñîåäèíåíèé Ëèñò Ìàññà Ìàñøòàá 1 Ëèñòîâ 1 ÐÒáä-41 ÓëÃÒÓ Í.êîíòð. Äóëîâ Î. À. Òàøëèíñêèé À. Ã. Óòâ. Êîïèðîâàë Ôîðìàò A3

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Схема электрическая принципиальная макета Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 78

X1 Êîíò. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 VD2 R9 1k5 DD2 R5 330 R3 150 DD1 1 3 5 9 11 13 À1 À2 À3 À4 À5 À6 DA1 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Vcc GND 74HC14 R1 5k6 2 4 6 8 10 12 14 7 C1 1000 VD1 DL4148 3 4 5 C2 0.1 ìê 6 7 8 9 10 11 12 13 14 ICG ∅M SH NC NC NC NC NC NC NC NC NC OS X/Y GND ∩ Vcc #Vcc NC NC NC NC NC NC TCD1304DG 21 22 2 1 20 19 18 17 16 15 Vcc GND 150 R7 750 6 5 IN+ IN- 12 == LM311 C4 10 ìê & 1000 ⎐ ⎏ U+ U- S/BAL BAL TCLK0_Length ENABLE ISG ∅M AD1 GND +3,3 Â +5 Â +24 Â DD2.1 13 C6 3k3 DA2 2 3 PWM1_HL IDC20 R10 1k5 R8 VT1 C3 0.1 ìê C5 0.1 ìê R6 1k R2 R4 2k2 14 7 Öåïü 7 1 8 4 C7 0.1 ìê DD2.2 9 11 10 & 8

ПРИЛОЖЕНИЕ Е Программа работы микроконтроллера AT91SAM7X256 на языке С //#include "C:\AT91SAM7X256_projects\project.h" #include <math.h> #define PWM_Period_M 24 // Число, определяющее частоту ШИМ, как MCK/(X*PWM_Period), где X - делитель частоты тактирования PWMC #define PWM_Period_ADC PWM_Period_M*4 #define PWM_Period_HL 10000 #define PWM_Delta_DC 10 // шаг регулировки скважности #define Duty_Cycle_0 1000 // Постоянная составляющая Duty Cycle #define Discret 1000 // Дискретизация массива значений сунусоиды за один период //#define White_level 0.9881 // Скважность уровня белого (засветка) //#define Black_level 0.9626 // Скважность уровня чёрного (оптимальная освещённость) #define Number_of_pixels 3694 // Количество пикселей в линейке #define Setting_light_length 50 // Количество пикселей, отводимых на подстройку уровня чёрного #define ENABLE_vaule 280 // количество тактовых импульсов ШИМ0, во время которых после начала кадра или до его конца импульс ENABLE неактивен (128 импульсов по идее, остальное - прозапас) #define ADVREF 3300 // Напряжение АЦП в мВ #define White_level_ref 1200 // Эталонный уровень белого в мВ #define Number_missing_frames 300 // количество начальных кадров, которое пропускается контроллером при подстройке уровня белого #define Number_average 100 // количество усредняемых значений #define true 1 #define false 0 //Дополнительные действия для совместимости с IAR7.5 #include <board.h> //#define AT91B_MCK 48054857 // тактовая частота микроконтроллера //----------------------------------------------------------------------------//* Переферийные функции прерываний //*---------------------------------------------------------------------------//* \Функция AT91F_AIC_ConfigureIt //* \Инициализация прерываний //*---------------------------------------------------------------------------- Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 80

int AT91F_AIC_ConfigureIt ( AT91PS_AIC pAic, // \arg pointer to the AIC registers unsigned int irq_id, // \arg interrupt number to initialize unsigned int priority, // \arg priority to give to the interrupt unsigned int src_type, // \arg activation and sense of activation void (*newHandler) () ) // \arg address of the interrupt handler { unsigned int oldHandler; unsigned int mask ; oldHandler = pAic->AIC_SVR[irq_id]; mask = 0x1 << irq_id ; //* Disable the interrupt on the interrupt controller pAic->AIC_IDCR = mask ; //* Save the interrupt handler routine pointer and the interrupt priority pAic->AIC_SVR[irq_id] = (unsigned int) newHandler ; //* Store the Source Mode Register pAic->AIC_SMR[irq_id] = src_type | priority ; //* Clear the interrupt on the interrupt controller pAic->AIC_ICCR = mask ; return oldHandler; } //*---------------------------------------------------------------------------//* \Функция AT91F_AIC_EnableIt //* \ разрешение оброботки прерывания\brief Enable corresponding IT number //*---------------------------------------------------------------------------void AT91F_AIC_EnableIt ( AT91PS_AIC pAic, // \arg pointer to the AIC registers unsigned int irq_id ) // \arg interrupt number to initialize { //* Enable the interrupt on the interrupt controller pAic->AIC_IECR = 0x1 << irq_id ; } //----------------------------------------------------------------------------- Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 81

long double sinus[1000]; // массив значений сунусоиды за один период unsigned char pixel_values [Setting_light_length]; // массив значений ADC за один кадр unsigned int ADC_average [Number_average]; // массив усреднённых значений ADC примерно за Number_average кадров unsigned int DTY_HL=PWM_Period_HL; // изначальная скважность равна нулю unsigned int n=0; // счётчик средних значений АЦП unsigned int u = 0; // счётчик импульсов для АЦП unsigned int s = 0; // счётчик средних значений длины unsigned int L[Number_average]; // длины в мкм unsigned int L_average=0; // средняя длина за Number_average кадров в мкм unsigned int White_level=0; // уровень белого, обновляемый каждый кадр unsigned int White_level_average=0; //уровень белого, обновляемый каждые Number_average кадров unsigned int h=0; // первые циклы установления уровня белого пропускаем (счётчик само кол-во пропущенных в константе) unsigned char fragmented_average_values[4]; unsigned int equilibrium_level=false; // флаг завершения первичной регулировки unsigned int END_frame = false; // флаг конца/начала кадра unsigned int ADC_average_FULL = false; // флаг заполненности массива unsigned int Length_average_FULL = false; // флаг заполненности массива unsigned int Length_average_calculated = false; // флаг завершения расчёта среднего значения длины unsigned int White_average_calculated = false; // флаг завершения расчёта среднего значения уровня белого void PLL_con (); // Задание MCK=48,054857 МГц void I_O_con (); // Конфигурация PIO void delay (); // задержка в виде зависания в цикле ~2 с void PWM_con(); // конфигурация ШИМ void TC0_con (); // конфигурация Т/С 0 void TC1_con (); // конфигурация Т/С 1 void AIC_con (); // кофигурация котроллера прерываний void sin_con (); // заполнение массива значений сунусоиды за один период Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 82

void ADC_con(); // конфигурация ADC void USART_con(); // конфигурация USART void UDP_con(); // конфигурация USB-порта void US0_irq_handler() { unsigned int A; A=*AT91C_US0_CSR; A=A; Length_average_calculated=false; White_average_calculated=false; } void timer0_c_irq_handler() { unsigned int A; A =*AT91C_TC0_SR; A = A; //чтобы не генерировалось замечание о неиспольз переменной if(END_frame&equilibrium_level&(Length_average_FULL == false)) //подсчитываем длину , если конец кадра и уровень белого установлен { // считаем длину L[s]=(*AT91C_TC1_CV/4)*8;// длина в мкм *AT91C_TC1_CCR|= (1 << 2); // сбрасываем и считаем по-новой END_frame=false; s++; if (s>=Number_average) { s=0; Length_average_FULL = true; } } else // иначе это начало кадра { Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 83

END_frame=true; *AT91C_PWMC_ENA|= (1<<2); // разрешить выход ШИМ-сигнала по каналу 2 if (White_average_calculated&Length_average_calculated) //если расчитали и разбили данные { *AT91C_US0_PTCR = (1 << 9); //запрещаем DMA для USART0 *AT91C_US0_TCR = 4; // количество передаваемых перемещений, которые будут выполнены, соответвует 4 посылкам по 7 бит (2 для длины, 2 для уровня белого) *AT91C_US0_TPR=(unsigned int) fragmented_average_values; // область памяти массив - откуда PDC будеть класть значения в USART *AT91C_US0_PTCR = (1 << 8); // Разрешение передатчику PDC запроса на передачу данных в USART Length_average_calculated=false; White_average_calculated=false; } } } void PWMC_c_irq_handler() { unsigned int A; A=*AT91C_PWMC_ISR; A=A; u++; if (u>=Setting_light_length) { u=0; //*AT91C_PWMC_CH2_CUPDR=PWM_Period_ADC; *AT91C_PWMC_DIS|= (1<<2); // запретить подачу ШИМ-сигнала на канал 2 } } void ADC_c_irq_handler () { //*AT91C_ADC_PTCR=2; // запрет на перемещение данных Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 84

unsigned int A; A=*AT91C_ADC_SR; A=A; White_level=0; for (int i=0; i<Setting_light_length;i++) White_level+=pixel_values[i]; White_level/=Setting_light_length; // среднее значение с пикселей White_level=White_level*ADVREF/256;// нормируем к милливольтам if ((equilibrium_level==true)&(ADC_average_FULL==false)) // если первичная настройка завершена и массив незаполнен { ADC_average[n]=White_level; n++; if (n>=Number_average) { n=0;// обнуляем счётчик ADC_average_FULL=true; // объявляем массив заполненным } } // первичный регулятор яркости светодиода if (h>Number_missing_frames) // зайдет в тело, когда пропустит Number_missing_frames кадров линейки { if ((White_level>White_level_ref)&(equilibrium_level==false)) // если текущий уровень белого больше требоумого и он еще не установлен { DTY_HL--; // увелчиваем *AT91C_PWMC_CH1_CUPDR=DTY_HL; // скважность } else equilibrium_level=true; // когда текущий уровень белого чуть ниже требуемого, ставим защёлку и до следующего включения больше не трогаем } else h++; Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 85

*AT91C_ADC_RPR=(unsigned int)pixel_values; // область памяти - массив - куда PDC будеть класть значения АЦП *AT91C_ADC_RCR=Setting_light_length; // количество прёмных перемещений, которые будут выполнены, соответвует количесву пикселей, отвёденных на регулировку уровня чёрного *AT91C_ADC_PTCR=1; // Разрешение приёмнику PDC запроса на перемещение данных // } int main() { PLL_con (); I_O_con (); AIC_con (); ADC_con(); PWM_con(); TC0_con (); TC1_con (); USART_con(); UDP_con(); *AT91C_TCB_BCR=1; // синхронизация запуска Т/С1 и Т/С0 while (1) { asm ("nop"); // считаем длину if ((equilibrium_level==true)&(Length_average_FULL == true)&(Length_average_calculated==false)) // если первичная настройка завершена и массив заполнен и UASRT передал прежние данные { L_average=0; Length_average_FULL = false; for (int i=0;i<Number_average;i++) L_average+=L[i]; L_average/=Number_average; // средняя длина за Number_average кадров в мкм Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 86

fragmented_average_values[0]=L_average & (0xFF); // младшые 8 бит длины fragmented_average_values[1]=L_average & (0xFF00); // старшие 8 бит длины Length_average_calculated=true; // объявляем, что рассчитали } // считаем средний уровень белого if ((equilibrium_level==true)&(ADC_average_FULL==true)&(White_average_calculated==false)) // если первичная настройка завершена и массив заполнен и UASRT передал прежние данные { White_level_average=0; for (int i=0; i<Number_average;i++) White_level_average+=ADC_average[i]; ADC_average_FULL=false; // объявляем массив незаполненным, т. к. завершили его обработку White_level_average/=Number_average; // среднее значение уровня белого за Number_average кадров fragmented_average_values[2]=White_level_average & (0xFF); // младшые 8 бит уровня белого fragmented_average_values[3]=White_level_average & (0xFF00); // старшие 8 бит уровня белого White_average_calculated=true; // объявляем, что рассчитали if (White_level_average>White_level_ref) { DTY_HL--; // увелчиваем *AT91C_PWMC_CH1_CUPDR=DTY_HL; // скважность } else if (White_level_average<White_level_ref) { DTY_HL++; // уменьшаем *AT91C_PWMC_CH1_CUPDR=DTY_HL; // скважность } } } return 0; } Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 87

void PLL_con () { *AT91C_CKGR_MOR=0x00000701; // разрешение основного генератора, время запуска гненераторa = OSCOUNT*8=56 медленных циклов while(!(*AT91C_PMC_SR & 1));// ждём запуска генератора *AT91C_CKGR_PLLR=0x10483F0E;// ФАПЧ: кол-во медленных тактовых импульсоа до флага готовности = 63, делитель = 14, умножение = 73, Fusb=Fpll/2 while(!(*AT91C_PMC_SR&(1<<2))); // ждём запуска ФАПЧ *AT91C_PMC_MCKR|=(1 << 2); // делим текущую тактовую частоту на 2 while(!(*AT91C_PMC_SR&(1<<3))); // ждём завершения смены делителя *AT91C_PMC_MCKR|=3; // переводим тактирование МК на ФАПЧ while(!(*AT91C_PMC_SR&(1<<3))); // ждём завершения перехода тактирования МК на ФАПЧ *AT91C_PMC_SCER|=(1 << 7); // разрешение тактирования USB } void I_O_con () { *AT91C_PMC_PCER|=(1 << AT91C_ID_PIOB); // разрешить тактирование порта B *AT91C_PMC_PCER|=(1 << AT91C_ID_PIOA); // разрешить тактирование порта А *AT91C_PIOB_PER|=(1 << 30); // разрешить PIO для 30 пина *AT91C_PIOB_OER|=(1 << 30); // разрешить выход для 30 пина *AT91C_PIOB_PPUDR|=(1 << 30); // запретить подтягивающий резистор к 30 пину *AT91C_PIOB_CODR|=(1 << 30); // сбросить пин 30 *AT91C_PIOB_PDR|=(1 << 20); // запретить PIO для 20 пина (PWM1) *AT91C_PIOB_PPUER|=(1 << 20); // разрешить подтягивающий резистор к 20 пину *AT91C_PIOB_ASR|= (1 << 20); // мультиплексировать выход PWM1 c 20 пином *AT91C_PIOB_PDR|=(1 << 27); // запретить PIO для 27 пина (PWM0) *AT91C_PIOB_PPUER|=(1 << 27); // разрешить подтягивающий резистор к 27 пину *AT91C_PIOB_BSR|= (1 << 27); // мультиплексировать выход PWM0 c 27 пином *AT91C_PIOB_PDR|=(1 << 21); // запретить PIO для 21 пина (PWM2) Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 88

*AT91C_PIOB_PPUER|=(1 << 21); // разрешить подтягивающий резистор к 21 пину *AT91C_PIOB_ASR|= (1 << 21); // мультиплексировать выход PWM2 c 21 пином *AT91C_PIOB_PDR|=(1 << 23)|(1 << 19)|(1 << 24)|(1 << 25)|(1 << 12); // запретить PIO для 23, 24, 25, 19 и 12 пинов (TIOA0, TIOВ0, TIOA1, TСLK1 и TCLK0 соответственно) *AT91C_PIOB_PPUER|=(1 << 23)|(1 << 24)|(1 << 25); // разрешить подтягивающий резистор к 23...25 пинам *AT91C_PIOB_ASR|= (1 << 23)|(1 << 24)|(1 << 25); // мультиплексировать выходы TIOA0 c 23 пином, TIOВ0 c 24 пином, TIOA1 с 25 пином *AT91C_PIOB_BSR|=(1 << 19)|(1 << 12);// мультиплексировать входы TСLK1 c 19 пином, TСLK0 c 12 пином *AT91C_PIOB_PDR|=(1 << 18); // запретить PIO для 18 пина (ADTRG) *AT91C_PIOB_PPUER|=(1 << 18); // разрешить подтягивающий резистор к 18 пину *AT91C_PIOB_BSR|= (1 << 18); // мультиплексировать вход ADTRG c 18 пином //*AT91C_PIOA_PER|=(1 << 23)|(1 << 24); // разрешить PIO для 23 и 24 пинов //*AT91C_PIOA_ODR|=(1 << 23)|(1 << 24); // запретить выход для 23 и 24 пинов //*AT91C_PIOA_IFER|=(1 << 23)|(1 << 24); // разрешить фильра входных помех для 24 и 24 пинов //*AT91C_PIOA_PPUER|=(1 << 23)|(1 << 24); // разрешить подтягивающий резистор к 23 и 24 пинам // *AT91C_PIOA_IER|=(1 << 23)|(1 << 24); // разрешить прерывание со стороны PIO от переключения состояния на входе 23 и 24 пинов *AT91C_PIOA_PDR|= (1 << 0)|(1 << 1)|(1 << 3); //запретить PIOA (USART0) *AT91C_PIOA_ASR|= (1 << 0)|(1 << 1)|(1 << 3); //мультиплексировать выводы USART0 c 0, 1 и 3 пинами *AT91C_PIOA_PER|=(1 << 16); // разрешить PIO для 16 пина *AT91C_PIOA_CODR|=(1 << 16); // сбросить пин 16 } void USART_con() { Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 89

*AT91C_PMC_PCER|= (1 << AT91C_ID_US0); //Разрешить тактовые импульсы для USART0 от контроллера PMC *AT91C_US0_MR=0x8C1; // режим RS-485, синхросигнал - MCK, 8-битный режим передачи, асинхронный режим, без проверки на чётность, 1 стоповый бит, нормальный режим для каналов, // младшим битом вперед, без управления SCK, 16-кратая частота выборки *AT91C_US0_BRGR = 156; *AT91C_US0_IER|= (1 << 4); // разрешить прерывание со стороны USART0 по событию пустого буфера передачи PDC *AT91C_US0_CR|=(1 << 6); // разрешаем передатчик UASRT (не PDC!!) } void delay () { for (unsigned long int i=0;i<0xFFFFFF;i++); } void PWM_con() { *AT91C_PMC_PCER|=(1 << AT91C_ID_PWMC); // Разрешить тактирование ШИМконтроллера *AT91C_PWMC_DIS|= (1<<0); // на время настройки запретить подачу ШИМ-сигнала на канал 0 *AT91C_PWMC_CH0_CMR=0x1; //- MCK/X (X=2), CUPD - Duty Cycle *AT91C_PWMC_CH0_CPRDR = PWM_Period_M; // частота ШИМ-сигнала 1,001143 МГц *AT91C_PWMC_CH0_CDTYR = PWM_Period_M/2;// Duty Cycle *AT91C_PWMC_ENA|= (1<<0); // разрешить выход ШИМ-сигнала по каналу 0 *AT91C_PWMC_DIS|= (1<<1); // на время настройки запретить подачу ШИМ-сигнала на канал 1 *AT91C_PWMC_CH1_CMR=0x1; //- MCK/X (X=2), CUPD - Duty Cycle *AT91C_PWMC_CH1_CPRDR = PWM_Period_HL; // частота ШИМ-сигнала ~2.4 кГц *AT91C_PWMC_CH1_CDTYR = PWM_Period_HL;// Duty Cycle Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 90

*AT91C_PWMC_ENA|= (1<<1); // разрешить выход ШИМ-сигнала по каналу 1 *AT91C_PWMC_DIS|= (1<<2); // на время настройки запретить подачу ШИМ-сигнала на канал 2 *AT91C_PWMC_CH2_CMR=0x1; //- MCK/X (X=2), CUPD - Duty Cycle *AT91C_PWMC_CH2_CPRDR = PWM_Period_ADC; // частота ШИМ-сигнала 250,285714 кГц *AT91C_PWMC_CH2_CDTYR = PWM_Period_ADC/2;// Duty Cycle *AT91C_PWMC_IER|=(1 << 2);// разрешить прерывание в конце каждого периода канала 2 } void TC0_con () { *AT91C_PMC_PCER|=(1 << AT91C_ID_TC0); // Разрешить тактирование TC0 со стороны PMC *AT91C_TC0_CCR|= (1 << 1) ; // запрещаем тактирование таймера *AT91C_TC0_IDR=0xFFFFFFFF; // запрещаем все прерывания от таймера *AT91C_TCB_BMR|=0; // cигнал, связанный с ХС1 - TСLK1 *AT91C_TC0_CMR=0x303E806; // тактовая частота таймера XC1, равная частоте ШИМ0 (выход ШИМ на самой схеме соединён с TСLK1),инкремент по положительному фронту, UP-DOWN с триггером RC, и счёт по-новой, режим формирования, //разрешаем эффект на выходе TIOA0 от совпадения с RA в виде переключения состояния, разрешаем эффект на выходе TIOВ0 от совпадения с RB в виде переключения состояния, чтобы настроить TIOB0 как выход, внешнее событие от Х1 *AT91C_TC0_RC=Number_of_pixels*2; // таймер тикает до этого значения и считает обратно *AT91C_TC0_RB=3; //импульс ICG для МФЛ 3 *AT91C_TC0_RA=ENABLE_vaule; //ENABLE - разрешающий импульс для компоратора *AT91C_TC0_IER|=(1 << 2); // разрешаем прерывания со стороны таймера по событию совпадения RA *AT91C_TC0_CCR=1; // разрешаем тактирование со стороны таймера } void TC1_con () Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 91

{ *AT91C_PMC_PCER|=(1 << AT91C_ID_TC1); // Разрешить тактирование TC1 со стороны PMC *AT91C_TC1_CCR|= (1 << 1) ; // запрещаем тактирование таймера *AT91C_TC1_IDR=0xFFFFFFFF; // запрещаем все прерывания от таймера *AT91C_TC1_CMR=0xD; // тактовая частота таймера XC0, равная частоте ШИМ0 (выход ШИМ на самой схеме соединён с TСLK0 - ШИМ подаётся только когда компаратор фиксирует тень),инкремент по отрицательному фронту, счёт до значения 0xFFFF, сброс и больше не считаем- режим формирования, //нет эффектов на выходе *AT91C_TC1_CCR=1; // разрешаем тактирование со стороны таймера } void AIC_con () { *AT91C_AIC_IDCR|= (1 << AT91C_ID_TC0); // запрещаем прерывания на время настройки AT91C_AIC_SVR[AT91C_ID_TC0]=(unsigned int)timer0_c_irq_handler; // Векторизируем прерывание от TC0 AT91C_AIC_SMR[AT91C_ID_TC0]=27;// приоритет прерывания - 7, чувствительность к внутренним источникам прерываний по перепаду *AT91C_AIC_ICCR|= (1 << AT91C_ID_TC0); // сбрасываем прерывание *AT91C_AIC_IECR|= (1 << AT91C_ID_TC0); // разрешаем прерывание от таймера со стороны AIC *AT91C_AIC_IDCR|= (1 << AT91C_ID_PWMC); // запрещаем прерывания на время настройки AT91C_AIC_SVR[AT91C_ID_PWMC]=(unsigned int)PWMC_c_irq_handler; // Векторизируем прерывание от PWMC AT91C_AIC_SMR[AT91C_ID_PWMC]=36; // приоритет прерывания - 6, чувствительность к внутренним источникам прерываний по полож. перепаду *AT91C_AIC_ICCR|= (1 << AT91C_ID_PWMC); // сбрасываем прерывание *AT91C_AIC_IECR|= (1 << AT91C_ID_PWMC); // разрешаем прерывание от PWMC со стороны AIC *AT91C_AIC_IDCR|= (1 << AT91C_ID_ADC); // запрещаем прерывания на время настройки Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 92

AT91C_AIC_SVR[AT91C_ID_ADC]=(unsigned int)ADC_c_irq_handler; // Векторизируем прерывание от ADC AT91C_AIC_SMR[AT91C_ID_ADC]=35; // приоритет прерывания - 5, чувствительность к внутренним источникам прерываний по полож. перепаду *AT91C_AIC_ICCR|= (1 << AT91C_ID_ADC); // сбрасываем прерывание *AT91C_AIC_IECR|= (1 << AT91C_ID_ADC); // разрешаем прерывание от ADC со стороны AIC *AT91C_AIC_IDCR|= (1 << AT91C_ID_US0); // запрещаем прерывания на время настройки AT91C_AIC_SVR[AT91C_ID_US0]=(unsigned int)US0_irq_handler; // Векторизируем прерывание от USART0 AT91C_AIC_SMR[AT91C_ID_US0]=34; // приоритет прерывания - 4, чувствительность к внутренним источникам прерываний по полож. перепаду *AT91C_AIC_ICCR|= (1 << AT91C_ID_US0); // сбрасываем прерывание *AT91C_AIC_IECR|= (1 << AT91C_ID_US0); // разрешаем прерывание от USART0 со стороны AIC } void ADC_con() { *AT91C_ADC_MR=0x400021D; // аппаратный триггер по входу ADTRG, 8- бит, нормальный режим, ADCClock= ~8 МГц (время преобразованиясогласно ТХ 1,25 мкс), Startup Time = 1 мкс, Sample&Hold Time = 600 нс *AT91C_ADC_CHER|=(1 << 1); // разрешаем канал 1 *AT91C_ADC_CHDR|=(1 << 2)|(1 << 3)|(1 << 0); // запрещаем каналы 0, 2 и 3 *AT91C_ADC_IER|= (1 << 18); // разрешаем прерывание по достижении счётчика RCR 0 *AT91C_ADC_RPR=(unsigned int)pixel_values; // область памяти - массив - куда PDC будеть класть значения АЦП *AT91C_ADC_RCR=Setting_light_length; // количество прёмных перемещений, которые будут выполнены, соответвует количесву пикселей, отвёденных на регулировку уровня чёрного *AT91C_ADC_PTCR=1; // Разрешение приёмнику PDC запроса на перемещение данных Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 93

} void sin_con () { for (int i=0; i<Discret; i++) sinus[i]=sin(2*3.1415*i/Discret); } void UDP_con() { *AT91C_PMC_PCER|=(1 << AT91C_ID_UDP); // потдаём питание на UDP *AT91C_UDP_TXVC &= !(1 << 8); // разрешаем приёмопередатчик USB while (!(AT91C_UDP_CSR[0]&(1 << 2))); } Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР-2069378-11.03.01-09-20 Лист 94

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

- у работы пока нет рецензий -

Отзывы:

Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв

6315.12

Игорь Маслеников

Проныра, озорник, Любитель книг, Ловкач, игрок, Жизнь между строк. И потому Открыт ему Незримый путь В любую суть. Танец злобного гения На страницах произведения Это игра без сомнения Обречённый ждёт поражения. Подсыпать в душу яд Всегда он рад Всего за час Прочтёт он вас. Он волен взять И поменять Строку и с ней Смысл темы всей.Танец злобного гения На страницах произведения Это игра без сомнения Обречённый ждёт поражения. Открыт роман Читатель пьян Разлив вино - Шагнул в окно. Танец злобного гения На страницах произведения Это игра без сомнения Обречённый ждёт поражения. Танец злобного гения На страницах произведения Это игра без сомнения Обречённый ждёт поражения.

6315.12

Игорь Маслеников

Танец Злобного Гения КиШ

6315.12

Игорь Маслеников

А теперь я скину тексты своих любимых песен для этого:)

6315.12

Игорь Маслеников

и хорошего настроения

6315.12

Игорь Маслеников

удачи