Фиг. 3. Схема на мониторните усилватели

Блока за индикация изпълнява ролята на основно средство за комуникация на системата с потребителя. В зависимост от функциите и състоянията които трябва да индицира, индикацията може да бъде организирана по много и различни начини. В практиката като цяло, за по-сложните устройства с голям брой функции за индициране се предпочита използването на дисплеи, а за тези с по-малко функции - светодиодни индикации от отделни светодиоди или сегментни индикаторни групи.

За индикация на системата се задават изисквания в съответствие с основните изпълними функции и начини за комуникация с потребителя:

• 
  Индикацията трябва да е компактна, лесна за използване и разбиране.
  
• 
  Трябва да може да дава информация на потребителя за основните процеси в системата, отнасящи се както за задължителните елементи, така и за избираемите модули.
  

За да изберем подходящ LCD дисплей, трябва да вземем в предвид че системата ще бъде използвана като домашна система за звуковъзпроизводство - т.е. размерите на символите на дисплея трябва да са достатъчно големи за да се виждат нормално от няколко метра, и не твърде големи - за да може да се запази компактността на системата. Според общите наблюдения размера на символите на дисплея трябва да е поне 10 х 5 mm. За да може нормално да се индицира съобщение броя на символите на дисплея трябва да е поне 8.

Подходящ за целта е течнокристалният дисплей LMB081ADC. Размерите на символите са 11,96х6,76 mm и има 8 символа. Управлението на матрицата е локално от собствен контролер, а информацията за визуализиране се подава по паралелен интерфейс от 8 бита с опция за работа в 8 и 4 битов формат. Има подсветка от 2 бели светодиода с ограничителни резистори за максимален ток от 45mA. За регулиране на яркостта и контраста са добавени потенциометри съгласно инструкциите на производителя на дисплея. Конекторите J13 и J14 служат за присъединяване към ЦУК и поставят изискване към него за 11 извода с общо предназначение.

Схемата на свързване на дисплея е показана на фигура 4.

Големият набор от разнообразни функции на системата изисква построяването на адекватни методи за контрол, управление и комуникация с потребителя. За целта се предвиждат 3 интерфейсни блока:

• 
  PC интерфейс - предлагащ най-богат набор от опции за управление, контрол и настройка. Практически чрез този интерфейс могат да се достигнат всички опции на системата. За целта е необходимо изграждането на графичен потребителски интерфейс за работа с персонален компютър.
  
• 
  IR приемник - използва се като порт за дистанционно управление, даващ възможност системата да бъде управлявана чрез разширен, но фиксиран набор от команди. Този интерфейс е удобен за ежедневна работа със системата в домашни условия, тъй като дава възможност за работа със системата от разстояние.
  
• 
  Клавиатура - макар и доста примитивен и ограничен откъм опции за контрол и относително тежък за работа, този метод дава възможност за директно локално управление на системата и предлага известна независимост в случай, че по някаква причина другите 2 метода не могат да бъдат приложени (няма компютър, дистанционното е повредено или изгубено).
  

За да се осигури лесен достъп до пълният набор от възможности на системата, този интерфейс трябва да е съвместим с някой от стандартните комуникационни интерфейси за обмен на данни на персоналните компютри.

Най-широко разпространените варианти са посредством серийния порт (RS232) и посредством USB интерфейса.

USB интерфейса задава като изискване към ЦУК да има като периферия USB модул. Свързването му към системата се осъществява посредством извеждане на шини за данни към USB конектора.

RS 232 интерфейса изисква ЦУК да има като периферия UART модул, като за синхронизация между компютъра и ЦУК е необходимо добавянето на драйверна схема.

И тъй като и двата интерфейса се свързват лесно, а наличието и на двата дава допълнителни възможности на системата, то в нея ще бъдат използвани и двата типа интерфейси.

Поради това, че особеност има само при RS232 интерфейса, неговият блок е показан на фигура 5.



Фиг. 5. Схема на интегриране на RS232 драйвера

За RS232 драйвер е избрана интегралната схемата MAX232. Нейното свързване към системата и избора на стойности на дискретните елементи са направени съгласно препоръките на производителя.

Схемата на инфрачервеният приемник свързана по подходящ начин с ЦУК трябва да осигури управлението на системата посредством дистанционно управление. За целта сигналът от дистанционното управление трябва да бъде възприет от приемника, преобразуван в цифров сигнал и предаден на ЦУК за декодиране. Най-лесният начин за декодиране на сигнала от ЦУК е чрез приемане на сигнала от модул за прихващане.

Възможностите за изграждане на приемника се свеждат до 2 основни варианта - изграждане на приемника от дискретни елементи или използването на готова интегрална схема на инфрачервен приемник. За системата най-подходящ е вторият вариант, защото единичната интегрална схема отнема малко място, има добри качествени показатели и се свързва лесно.

В момента са разпространени голям набор от подобни интегрални схеми с приблизително еднакви качествени параметри и цена. Избираме интегрална схема SFH5110, като определящия фактор е достъпността ѝ.

Схемата на свързване на инфрачервения приемник е показана на фигура 6.



Фиг. 6. Схема на свързване на IR приемника

Стойностите на дискретните елементи и свързването на интегралната схема е направено според препоръките на производителя.

Клавиатурата на системата служи за локално ръчно управление на системата. Набора от достъпните функции за клавиатурата практически се определя от софтуера на ЦУК и зависи пряко от програмното осигуряване. Като характеристика за клавиатурата се оформят няколко изисквания:

• 
  Клавиатурата да не заема повече от 8 извода от ЦУК.
  
• 
  Използваните ресурси на ЦУК да са сведени до минимум.
  
• 
  Да е с малки размери и удобна за употреба.
  

В конкретния случай, поради наличието на дистанционно управление и PC интерфейс, не е необходимо използването на сложна клавиатура с голям набор от бутони. Поради това за системата са предвидени 5 индивидуални бутона изпълняващи основни функции за навигация - 2 бутона за движение в положителна и отрицателна посока, 1 за потвърждение/меню, 1 за отказ/изключване на звука и 1 за включване и изключване на системата. Съществува и един допълнителен (шести) бутон, но той не е с общо предназначение. Неговата функция е хардуерно рестартиране.

Схемата на свързване на бутоните е показана на фигура 7.



Фиг. 7. Схема на клавиатурата на системата

Към всеки от бутоните има прибавена RC група за филтриране на пулсациите на напрежението и по този начин да се гарантира, че при еднократно натискане на бутона към ЦУК се подава само един импулс. Стойностите на елементите са подбрани така, че времеконстантата им да е приблизително 0,5ms. Времеконстантата е избрана така, че да е практически невъзможно натискането на бутона 2 пъти в рамките на един цкъл.

Последователно между бутона и входа на ЦУК е свързан защитен резистор. Целта на този елемент е защита на порта на ЦУК в случай на неправилно конфигуриране на порта като изход. Тъй като системата ще има възможност за препрограмиране, наличието на такава защита е необходимо.

Защита и самоуправление

Защитите на системата, както беше споменато до сега, са интегрирани на доста места в отделните модули - вътре в интегралните схеми и посредством допълнителни елементи.

Чрез програмното осигуряване на системата ще се осигури възможност тя да се самоизключи при постъпване на сигнал за задействана защита от диагностичните портове на мониторните усилватели или от линиите за комуникация с разширителните портове.

Термосензор

Към системата е предвидена допълнителната термозащита. Действието ѝ е относително просто и не изисква голяма точност - ЦУК периодично измерва температурата в близост до усилвателните елементи. Целта е при измерване на температура над 75°С±5%, системата да изведе предупреждение за прегряване и при достигане на 80°С±5% да предприеме действия по изключване на модулите с висока температура. Температурата от 85°С е отбелязана като максимално допустима околна работна температура от производителя на интегралните схеми на мониторните усилватели, поради което е взета като референтна стойност при изчисляването на максималната температура отчетена от сензора плюс допустимата грешка.

За изграждането на този блок трябва:

• 
  да се избере вида на сензора.
  
• 
  да се избере вида на първичната обработка на сигнала от сензора и връзката му с ЦУК.
  

Термосензора се избира според характеристиките си на база изискванията на системата.

• 
  В случая изискванията на системата за температурен обхват са значително ниски. Тъй като системата е предвидена за работа в домашни условия то температурния диапазон е от около 10°С до 85°С (максималната температура, след която системата ще изключи).
  
• 
  Изискванията за точност също са силно занижени. Целта не е създаването на изключително точен измервателен уред, а сензор с който да се следи ориентировъчно температурата на корпусите на интегралните схеми. Поради което точност под 2-3°С не е необходима
  
• 
  Сензорът трябва да е евтин, лесен за употреба и малък по обем.
  

Следващият етап от изграждане на модулът е избор на схема за първична обработка и връзка с ЦУК. Съществува разнообразие от интегрални схеми за измерване на температура - от схеми чиито изходно напрежение или ток е пропорционално на температурата, до схеми които съдържат пълният набор от изчислителна и преобразувателна логика за да могат да изпратят крайният резултат към процесор през цифров интерфейс. Тези схеми обаче са разработени за сравнително доста по-точни измервания и съответно цената им е значително по-висока. И тъй като системата не се нуждае от сложно и прецизно измерване, а от мониторно контролиране на температурата, варианта за готова интегрална схема отпада.

Решение е изработването на относително прост модул състоящ се от мостова схема към която е свързан инвертиращ усилвател. В едното рамо на моста се свързва сензорния елемент. За сензорен елемент ще използваме транзистор в метализиран корпус. Причината за това е, че макар търсената характеристика да е на диод, в практиката диода има съпротивления на областите (анод и катод), които се променят с температурата. Влиянието на тези съпротивления е основната причина за грешката на този тип сензори и е толкова по-малко, колкото по-малък е тока през тях. Предимството на транзистора тук е малкия базов ток (β пъти по-малък). Схемата на свързване е показана на фигура 8.



Фиг. 8. Схема на термосензора

Посредством потенциометъра R32 може да се донастрои моста за да се премахне статичната грешка. Инвертиращият усилвател изграден с операционният усилвател LM224 има две функции - инвертира сигнала от сензора, като по този начин се елиминира влиянието на отрицателният знак на температурен коефициент на сензора, като изходния сигнал вече е с положителен температурен коефициент, а от друга страна усилвателя служи като мащабиращ елемент за по-точно и по-удобно измерване. Посредством R39 може да се регулира коефициента на усилване. Препоръчително наклона на изходната характеристика да не е над 22 mV/К, тъй като ОУ се захранва с 5 волта и обхвата на изходното му напрежение е от 5mV до 3.3V волта. За температурен диапазон от -30 до 120 °С изходното напрежение ще се изменя в целия си допустим обхват. Кондензаторът C93 е високочестотен филтър за премахване на смущенията по шините на сензора (тъй като той е отдалечен от моста). Изходът на сензора се подава към вход с АЦП на ЦУК.

Усилвателят е изграден съгласно правилата известни от теорията [8] и [9]. Изборът на ОУ е направен на база две изисквания:

• 
  Изходното напрежение да е еднополярно и да не надхвърля 3,6V - това изискване се налага тъй като ще се използва АЦП-то на ЦУК и е възможно той да не може да се справи с по-високи напрежения.
  
• 
  Да е евтин - тъй като ще се изградят няколко сензора.
  

Използвайки това, че системата периодично ще наблюдава температурата на компонентите си, е удобно изграждането на управление оборотите на охлаждащите вентилатори. Този модул изисква добавянето на малко допълнителни компоненти, но за сметка на това осигурява едно предимство с особено значение, а именно редуцирането на шума от охлаждащите вентилатори. Ако вентилаторите работят на максимални обороти, при максимална мощност на изходния сигнал - тяхното влияние почти не се забелязва на фона на звука. Но ако вентилаторите работят на максимални обороти при изходен сигнал 10-15% от максималния, техния шум е значителен и осезаем, а нуждата от тях - значително по-ниска. Ето защо е необходимо изграждането на подобен модул. Схемата на свързване е показана на фигура 10.

Схемата е свързана към системата посредством добавянето на външни дискретни елементи съгласно указанията на производителя.

За целта се използва изход на ЦУК с ШИМ модул, който управлява DC-DC конверторен драйвер. Избран е драйвер MC34063 поради подходящите му характеристики - максимален ток от 1А, лесен за интегриране и работа.

Цветомузикален модул и разширителни портове

За да завършим изискванията към ЦУК трябва да проектираме и разширителните портове, които да осигурят гъвкавостта на системата и да ѝ позволят персонализиране.

Тъй като в заданието е заложено изискване за цветомузикален модул, проектирането на разширителните портове ще започне с проектиране на цветомузикалния модул.

Цветомузикален модул

Цветомузиката по същество представлява набор от светлинни източници, които променят излъчването си в унисон с промяната на звука. Конкретен алгоритъм за тази промяна практически няма, тъй като тя зависи почти изцяло от получаването на желания ефект. Няма и ограничения в избора на светлинни източници - крушки с нажежаеми жички и филтри, луминесцентни тела с различен работен газ, а с развитие на светодиодните елементи - все по-често мощните светодиоди се използват като източник на светлина.

За проектирането на модула трябва да се определят няколко първоначални характеристики:

• 
  Какъв ще е типа на източника на светлина и мощността му.
  
• 
  Как ще се извършва управлението му.
  
• 
  Какъв набор от алгоритми ще притежава за синхронизиране на светлината със звука и какъв ефект искаме да получим.
  

Желаният ефект от модула е да се получава плавно преливане на цветовете от RGB спектъра като функция на амплитудите на отделните групи честоти от звуковия сигнал. Мощността на светодиодите трябва да е достатъчно голяма за да се забелязва и в светлата част на денонощието. Практиката показва, че мощност от 6 до 9 вата е напълно достатъчна за получаване на желания ефект.

След като са направени предварителните проучвания, пристъпваме към определяне на основните принципи на работа на модула. Осветителната част ще се състои от три мощни светодиода (зелен, син и червен) всеки от които с мощност от 3W (сумарна мощност на трите - 9W). Управлението им ще става посредством DC-DC драйверния конвертор MC34063, а управляващите сигнали ще се подават от ШИМ портове на ЦУК.

Анализа на звука ще става посредством три RC филтъра, които да отделят ниските, средните и високите честоти от сигнала, след което ще бъдат изправени от еднополупериодни токоизправители и филтърни кондензатори, за да може средната стойност на всяка от лентите да бъде измервана от АЦП-то на ЦУК на всеки 10ms. Стойността от това измерване ще се анализира от ЦУК (ще се сравняват средните стойности на трите напрежения и ще се отчита отношението между тях) и подадена като сигнал за стойността на ШИМ импулсите към съответната управляваща верига. Схемата на филтрите и детекторите на средна стойност към тях е показана на фигура 11.

Изграждането на филтрите става посредством RC звена (тъй като са най-евтини и малки). Изчисляването на граничните честоти става по известните от теорията [4] формули.



Фиг. 11. Схема на свързване на филтрите

Като резултат от симулационното тестване на ефективността на филтрите се получава графиката показана на фигура 12.

Вижда се, че дори с тези относително прости RC филтри успешно се обособяват три работни зони.

Поставените след филтрите прости еднофазни детектори на средна стойност (еднополупериодни токоизправители с капацитивен филтър) целят стабилизирането на сигнала за кратко време, за да може той да бъде измерен от АЦП-то.

На фигура 13 е показана схемата при която се симулира действието на сложен сигнал върху филтрите и тяхната реакция:

Свързването на звената става към аудио сигналните линии след усилвателите (тъй като сигналът е усилен и не се налага допълнително усилване), поради което са зададени и високи стойности на напреженията на тестовите генератори.

За да не се натоварва само един от каналите, всеки филтър се включва към отделен канал - нискочестотния филтър към канала на нискочестотния високоговорител, а другите два филтъра - към левия и десния канал.

Резултата от симулацияте е представен на графиката от фигура 14.

От графиката се вижда ясно, че като резултатен сигнал в изхода се получава постоянно напрежение, чиято средна стойност зависи от средните стойности на всички входни съставки на сигнала взети със съответен коефициент на филтриране. Вижда се и че макар при филтрирането за средни честоти да се губи по-голяма част от сигнала, сравнено с високочестотния и нискочестотния филтър (виж графиката на честотната развивка на филтрите), тази загуба е компенсирана от това че лентата на средночестотния филтър обхваща голям набор от звуковите честоти и при сложен състав на сигнала, към неговата средна стойност се прибавят повече съставки.



Фиг. 14. Резултат от симулационното тестване на филтрите и детекторите на средна стойност

Както вече беше изяснено по-горе, след като нивата на отделните честотни ленти от сигнала бъдат анализирани от ЦУК, той ще изработи управляващите сигнали за светодиодите посредством ШИМ. Схемите на свързване на драйверите и светодиодите са показани на фигура 15.

Стойностите на външно включените дискретни елементи и схемата на свързване са съобразени с препоръките на производителя на интегралната схема за изграждане на понижаващ DC-DC конвертор. Стойностите на захранващото напрежение е подбрана така, че по-голямата част от напрежението да е като пад върху диода и само малка част от него да е върху баластния резистор.



Фиг. 15. Схема на свързване на драйверите и светодиодите

Разширителни портове

Разширителните портове са ключов елемент на системата за да може тя да функционира като отворена персонална модулна система. Предвиждането на такива портове е свързано с определянето на вида и броя на комуникационните линии между системата и модула. Като цяло системата трябва да може да комуникира с модула, и модула трябва да може да въздейства на системата според характеристиките си.

Изхождайки от гледна точка на дотук използваните връзки с ЦУК, то можем да заключим, че към всеки един от разширителните портове трябва да има:

• 
  Вътрешно-шинен интерфейс за комуникация с ЦУК - I²C и/или SPI
  
• 
  Достъп до АЦП входовете на ЦУК
  
• 
  Достъп до ШИМ изходите на ЦУК
  
• 
  Достъп до 6-те аудио канала след аудио процесорния блок
  
• 
  Захранващи напрежения и маса
  
• 
  Достъп до модули за прихващане и/или изводи за външни прекъсвания
  

Към системата има предвидени и още два малки модула с малко по-специално предназначение. Това са програмния порт и модула за стартиране на захранването.

Като повечето съвременни микрокомпютърни системи, и тази има нужда от порт посредством който да се препрограмира и обновява софтуера. Като цяло този порт е предвиден за тестване на системата преди тя да достигне крайния потребител, но този порт е удобен и за зареждане на управляващи програми към някой специален допълнителен модул инсталиран от потребителя.