7. Разработка программы микроконтроллера

7.1 Особенности работы с шиной I2C

Программирование микроконтроллера ATmega328P осуществляется с помощью UART интерфейса, однако плата Arduino Uno удобна тем, что содержит в себе встроенный UART to USB конвертер, позволяющий обойтись без внешнего программатора, подключив плату Arduino напрямую к компьютеру по интерфейсу USB. Написание программы микроконтроллера осуществляется на языках Assembler и C++ в Arduino IDE.

Для управления модулем Wi-Fi и сбора показаний датчика температуры, реализованы готовые библиотеки для Arduino IDE, что позволяет незамедлительно приступать к написанию кода, отвечающего за их работу, абстрагировавшись от технических особенностей реализации обмена данными по протоколам, с помощью которых они сообщаются с микроконтроллером. Однако для работы с модулем часов реального времени DS3231, отвечающего за одну из главных функций часов на газоразрядных индикаторах - автономное хранение текущего времени - пока не разработана подобная библиотека. Однако заметим, что модуль работает на шине I2C, для которой в Arduino IDE имеется встроенная библиотека «wire».

Работа с wire начинается с её инициализации, вызываемой функцией Wire.begin(). Затем в любой момент исполнения программы микроконтроллер, как ведущее (master) устройство на шине I2C, может инициировать процесс обмена информацией с модулем вызовом функции Wire.beginTransmission(Address), в параметрах которой необходимо указать адрес устройства. Для того, чтобы узнать адрес модуля на шине I2C, необходимо либо обратиться к спецификации, опубликованной его изготовителем, либо воспользоваться сканером шины.

Обмен данными с DS3231 осуществляется с помощью чтения или записи его внутренних регистров. Так, в регистрах с 0x00 по 0x06 содержится текущее время и дата. Попробуем считать эти регистры с помощью команд I2C:

Wire.beginTransmission(Address); // Выбираем устройство на шине

Wire.write(0x00); Wire.endTransmission(); // Выбираем порядковый номер регистра, с которого начинается чтение и переходим в режим чтения

Wire.requestFrom(Address, 7); // Запрашиваем 7 байт данных

for(i=0; i<7; i++) DateTime[i] = Wire.read(); // Последовательное считывание регистров

Запись регистров, то есть установка времени, производится аналогичным образом, за исключением того, что после выбора номера регистра, сразу передаётся байт данных, которыми он должен быть перезаписан. Кроме первых семи регистров, в которых хранится время и дата, DS3231 предоставляет изменение множества других параметров, например, по адресу 0x11 хранятся показания встроенного датчика температуры, которыми модуль компенсирует малейшие изменения частоты кварцевого осциллятора, вызванные разностью температур, а по адресам с 0x07 по 0x0D хранятся настройки двух встроенных будильников. Таким образом, DS3231 является сверхточным, многофункциональным, и простым в обращении модулем часов реального времени, достойным занять своё место в конструкции данных часов на газоразрядных индикаторах.

7.2 Комментарии к процессу разработки и коду программы

Arduino IDE использует собственный диалект языка программирования C++. В частности, главная функция main разбита на две функции:
void setup(), которая выполняется один раз при каждом включении микроконтроллера и обычно служит для инициализации параметров, и void loop(), исполняющаяся в бесконечном цикле пока на микроконтроллер подаётся питающее напряжение.

В разработанной программе для работы с датчиками и модулем ESP8266 используются стандартные библиотеки, включённые в состав среды разработки. Мощности микроконтроллера Arduino вполне хватает для генерации и передачи несложной web-страницы по Wi-Fi, на которой можно указать настройки устройства. При этом модуль Wi-Fi работает в режиме точки доступа, и любое совместимое устройство может подключиться к нему для управления и настройки. Для управления работой ГРИ используются ресурсы самого микроконтроллера, нужная цифра и индикатор выбираются проходом по списку условий в операторе case. Фрагменты разработанного кода программы представлены в приложении 1.

Заключение

В результате выполнения данной работы спроектированы часы на газоразрядных индикаторах с использованием платы микроконтроллера Arduino. Полученное устройство не только соответствует техническому заданию, но и является актуальным и уникальным, что подтверждено проведённым исследованием существующих аналогов и технических решений.

В ходе разработки для валидации созданной электрической принципиальной схемы устройства был выполнен ряд этапов моделирования, по результатам которых удалось выявить и устранить критически важные недоработки в схеме устройства. А благодаря непрерывной обратной связи между используемыми САПР, являющейся одной из основ применённой технологии сквозного проектирования, удалось в 7 раз сократить время, затрачиваемое на обновление всех используемых моделей из-за внесения изменений в изначальную модель. По сути, вся работа велась над одной и той же динамически обновляемой моделью, регламентируемой стандартом STEP ISO 10303.

В ходе разработки устройства были достигнуты следующие результаты:

· Выяснены ключевые особенности, делающие устройство актуальным и уникальным;

· Разработаны часы на газоразрядных индикаторах, соответствующие данным особенностям;

· С помощью моделирования подтверждена работоспособность этого устройства, предсказаны его технические характеристики;

· Благодаря моделированию в САПР, исправлены ошибки в конструкции устройства, удешевлён и укреплён корпус устройства;

· Написан и протестирован код программы микроконтроллера.

Разработанные часы на газоразрядных индикаторах готовы к дальнейшей модернизации и расширению функционала: благодаря наличию незанятых портов ввода-вывода микроконтроллера, к нему можно подключить любой модуль или датчик, совместимый с Arduino.

Перечень использованных сокращений

ГРИ - газоразрядный индикатор.

САПР - система автоматизированного проектирования.

ТСП - технология сквозного проектирования.

ШИМ - широтно-импульсная модуляция.

Кн - коэффициент электрической нагрузки.

USB - «Universal Serial Bus», универсальная последовательная шина.

STEP - стандарт ISO 10303 или «STandard for Exchange of Product model data» - стандарт обмена данными модели изделия.

SLA - «StereoLithography Apparatus», лазерная стереолитография.

SLS - «Selective Laser Sintering», выборочное лазерное спекание.

MJM - «Multi Jet Modeling», метод многоструйного моделирования.

FDM - «Fused Deposition Modeling», технология послойного наплавления.

IoT - «Internet of Things», интернет вещей.

Список использованных источников

1. Вуколов Н.И., Михайлов А.Н. Знакосинтезирующие индикаторы. М.: Радио и связь, 1987. С. 35-50.

2. Cathode Poisoning on Nixie Tubes. URL: http://www.tube-tester.com/sites/nixie/different/cathode%20poisoning/cathode-poisoning.htm (дата обращения 11.01.2017).

3. Часы на газоразрядных индикаторах // Объявления на сайте Avito. URL: https://www.avito.ru/temryuk/chasy_i_ukrasheniya/chasy_na_gazorazryadnyh_indikatorah_692677511 (дата обращения 13.05.2017).

4. Ретро часы на лампах Past Indicator I. URL: http://madrobots.ru/p/retro-chasy-na-lampakh-past-indicator-1-dub/ (дата обращения 25.03.2017).

5. Часы на газоразрядных индикаторах Lighthouse ИН-14. URL: http://www.lighthouse-workshop.com/ (дата обращения 25.03.2017).

6. Союз-12. URL: http://kipenergo.com/index.php/component/k2/item/1285-soyuz-12 (дата обращения 25.03.2017).

7. Chenghe L. Drive circuit of nixie tube and control method of drive circuit. // Google Patents, 2015. URL: https://patents.google.com/patent/CN104332124A/en (дата обращения 28.03.2017).

8. Weilong C. Double-sided display digital clock. // Google Patents, 2006. URL: https://patents.google.com/patent/CN2836062Y/en (дата обращения 28.03.2017).

9. ГОСТ 2.702-2011 ЕСКД. Правила выполнения электрических схем. М.: Стандартинформ. 2011.

10. Lingbin Z., Jingwu Z. Schematic Simulation Model for Proteus. // Modern Electronics Technique. 2008. № 8.

11. Гольдин В.В. и др. Информационная поддержка жизненного цикла электронных средств. М.: Радио и связь. 2002. С. 67-96.

12. Белоус И.А. Сквозное автоматизированное проектирование в системе Altium Designer. // Вестник ВГУЭС. 2015. №1(28).

13. The STEP standard - ISO 10303. // STEP Tools, Inc. 2014. URL: http://www.steptools.com/stds/step/ (дата обращения 04.04.2017).

14. Frohlich A. Сравнение 3D-форматов // CAD/CAM/CAE Observer. 2011. № 4. С. 53-62

15. MC34063A MC34063E DC-DC Converter Control Circuits // STMicroelectronics. 2001.

16. Zhang D. Designing A SEPIC Converter // Texas Instruments Application Report. 2006. Rev. 04.2013.

17. Боровиков С.М., Цырельчук И.Н., Троян Ф.Д. Расчёт показателей надёжности радиоэлектронных средств: учеб.-метод. пособие. Минск: БГУИР, 2010.

18. ParetD., Fenger C. The I2c Bus: From Theory to Practice. New York: John Wiley & Sons, Inc., 1997.

19. Аналитические решающие программы. Справка по Solidworks. URL: http://help.solidworks.com/2017/russian/SolidWorks/cworks/c_Analysis_Solvers.htm (дата обращения 10.05.2017).

20. IRF840PbF Datasheet. // International Rectifier, 2014 URL: https://lib.chipdip.ru/196/DOC000196936.pdf (дата обращения 21.04.2017).

21. Picaso Designer Pro 250. URL: http://picaso-3d.com/ru/products/designer-pro-250/ (дата обращения 21.04.2017).

22. Никонов К.П. Расчет в среде SolidWorks механ. воздействий на датчик давления для испыт. оборудования авиационной техники // Электронный журнал «Труды МАИ». 2013. № 70.

23. Работнов Ю. Н. Сопротивление материалов. М.: Физматгиз, 1963. С. 96-101.

Приложение 1

Фрагменты кода программы микроконтроллера

Рис. 12. Инициализация

Рис. 13. Работа с DS3231

Рис. 15. Процедура отображения цифр на индикаторах

Рис. 16. Процедура loop()

Приложение 2