Новый комплект разработчика детекторов систем безопасности на базе микроконтроллера Renesas RL78/I1D.
Часть 2

Первая часть статьи.

Комплект разработчика “Detect it!”

Комплект разработчика RL78/I1D detector boards kit, который в рекламных брошюрах называют также “Detect it!”, содержит четыре отладочные платы, оснащенные наиболее распространенными типами детекторов. Отладочные платы представляют собой полностью готовые к работе изделия, позволяющие проектировать охранные системы мониторинга задымленности и контроля несанкционированного проникновения в помещения. В состав RL78/I1D detector boards kit входят следующие элементы:

• отладочная плата детектора звука разбитого стекла;
• отладочная плата детектора движения;
• отладочная плата детектора содержания окиси углерода в воздухе;
• отладочная плата детектора содержания дыма в воздухе;
• краткое руководство по вводу в эксплуатацию;
• полное техническое описание;
• комплект принципиальных и печатных схем на каждую плату;
• перечень комплектующих на каждую плату;
• компиляторы, генераторы кода, программаторы флэш-памяти;
• комплект программного обеспечения IAR Embedded Workbench;
• образцы прикладного программного обеспечения с исходными текстами для каждой платы.

Небольшие размеры платы (4×4 см), а также наличие полного комплекта технической документации позволяют использовать их в качестве прототипа для конечных разработок датчиков систем безопасности.

Отладочная плата детектора содержания дыма в воздухе

Структурная схема отладочной платы детектора содержания дыма в воздухе показана на рис. 2.

В качестве чувствительного элемента используется инфракрасный детектор дыма. Датчик срабатывает, если опасные концентрации дыма в воздухе сохраняются в течение 3 с.

В рабочей камере детектора размещены инфракрасный (ИК) светодиод и инфракрасный фотодиод, которые расположены под углом в 120° относительно друг друга. Поэтому в нормальном состоянии фотодиод не видит прямое излучение светодиода. Конструкция камеры разработана таким образом, что никакие внешние источники ИК-излучения не фиксируются фотодиодом. Когда в камеру попадает дым, ИК-излучение светодиода начинает рассеиваться на его частицах и попадает на фотодиод. Возникающий при этом обратный ток фотодиода преобразовывается в напряжение с помощью транскондуктивного усилителя и затем поступает на встроенные операционные усилители (ОУ) микроконтроллера RL78/I1D. Прямой ток через светодиод не превышает 8 мА. Для экономии энергопотребления светодиод работает в импульсном режиме и включается только на 200 мс каждые три секунды. Такая схема работы позволяет эксплуатировать детектор в течение длительного времени без подзарядки аккумулятора. В детекторе дыма используются только два встроенных ОУ. Оба они работают в высокоскоростном режиме. Сигнал чувствительного датчика на выходе ОУ достаточен для срабатывания команды прерывания. При токе через фотодиод 2 мкА выходное напряжение на ОУ составит 0,2 В. Поэтому в данном детекторе не задействованы встроенные компараторы микроконтроллера. При превышении порогового значения срабатывает звуковая сигнализация, и аварийный сигнал подается на центральный диспетчерский пульт. В отличие от простых датчиков пожарной сигнализации датчик на базе микроконтроллера RL78/I1D выдает на центральный пункт сигнал, позволяющий точно определить адрес задымления. Кроме того, с помощью транзисторного драйвера (MCU), которым оснащен микроконтроллер, можно при срабатывании датчика включать другие исполнительные устройства, например системы автоматического пожаротушения, голосовые инструкции, световую сигнализацию и т. д. Плата функционирует как от литиевой батарейки 3 В (CR123), так и от внешнего источника постоянного напряжения.

Внешний вид отладочной платы детектора содержания дыма в воздухе показан на рис. 3.

В правом нижнем углу платы (разъем Е1 сверху) указано ее название: SMOKE_SENSOR_I1D. Все платы комплекта “Detect it RL78/I1D detector boards kit” имеют одинаковую структуру. На каждой плате расположены микроконтроллер, детектор, кварцевые генераторы, кнопка сброса, переключатели и разъемы. Все контрольные точки и разъемы снабжены соответствующими надписями. Плата сконструирована таким образом, чтобы контролировать напряжения и сигналы в ключевых точках схемы.

Подробное описание разъемов, контактов и потенциометров приведено в руководстве пользователя [11]. Отметим лишь, что на плате имеется разъем для подключения к компьютеру через аппаратный дебаггер Е1 и 48‑контактный разъем, на который выведены пользовательские вводы/выводы микроконтроллера. Также следует обратить внимание на разъем J9 — на него выведен стандартный SPI PMOD. С помощью этого интерфейса можно, например, организовать беспроводную связь датчика с диспетчерским пунктом (Wi-Fi, GSM/UMTS, Bluetooth).

Плата оснащена двумя кварцевыми генераторами. Первый, 20‑МГц генератор подсоединен к ЦПУ микроконтроллера. По умолчанию генератор не задействован для синхронизации прикладных устройств. Для этих целей предлагается встроенный высокоскоростной генератор микроконтроллера, подключенный по умолчанию к выводам P121/X1 и P122/X2. При этом пользователю предоставляется возможность изменить настройки так, чтобы можно было применять внешний генератор. Второй, точный кварцевый 32,768‑кГц генератор подключен к ЦПУ и предназначен для работы с дополнительными модулями микроконтроллера, в частности с часами реального времени.

Плата содержит все необходимые аксессуары для быстрого и комфортного проектирования самых современных систем пожарной и охранной сигнализации, соответствующих мировым стандартам.

Отладочная плата детектора звука разбитого стекла

Структурная схема отладочной платы детектора звука разбитого стекла (ЗРС) показана на рис. 4.

Чувствительный звуковой датчик нагружен на операционные усилители микроконтроллера RL78/I1D. Детектор реагирует на звук, аналогичный звуку, возникающему, когда разбивается какая-нибудь стеклянная вещь — например, окно, стеклянная дверь, посуда. Чувствительным элементом датчика является электретный микрофон с полосой пропускания от 25 Гц до 16 кГц, нагруженный на активные 2‑ступенчатые фильтры верхних (ФВЧ) и нижних частот (ФНЧ). Эти фильтры выделяют только те звуки, которые обусловлены событием бьющегося стекла, все возможные варианты которого могут быть эмулированы с помощью синтезатора Interlogix 5709C-W. При этом отсекаются все посторонние звуки. Как правило, звук разбитого стекла находится в диапазоне выше 1 кГц и имеет длительность порядка 100 мс.

В этом детекторе задействованы все четыре встроенных в микроконтроллер RL78/I1D операционных усилителя. Сигнал с ФНЧ подается на встроенные ОУ микроконтроллера Ch0 и Ch1, а сигнал ФВЧ поступает на ОУ Ch2 и Ch3.

Сигнал с первой ступени ФНЧ подается на Ch1. Сигнал с выхода второй ступени ФНЧ поступает на вход Ch0. Выход Ch0 подключен к входу компаратора и к одному из каналов АЦП (рис. 4). При возникновении события ЗРС срабатывает встроенный компаратор, который формирует сигнал прерывания и выводит ЦПУ из режима STOP mode.

Операционные усилители Ch0 и Ch1 настроены на работу в экономном режиме, в котором ток стока не превышает 4,5 мкА. Частота среза первой ступени ФНЧ находится в районе 34 Гц при коэффициенте усиления, равном 31. Вторая ступень ФНЧ имеет коэффициент усиления 26 и частоту среза примерно 154 Гц. Поэтому в обеих ступенях фильтров значение GBW (произведение частоты на коэффициент усиления) меньше, чем величина GBW (40 кГц) операционного усилителя, работающего в режиме экономного энергопотребления. Поскольку встроенные ОУ Ch1 и Ch2 имеют очень маленький ток стока в режиме экономного энергопотребления, они могут постоянно находиться в рабочем режиме ожидания сигналов, соответствующих звуку разбитого стекла.

Частота среза первой ступени ФВЧ составляет 24 кГц, коэффициент усиления — 20. Вторая ступень ФВЧ имеет коэффициент усиления, равный 5 при частоте среза 1,447 кГц. Для первой и второй ступеней ФВЧ величина GBWP меньше, чем значение GBW (1,7 МГц) операционных усилителей Ch2 и Ch3, работающих в высокоскоростном режиме. Поскольку эти ОУ имеют большой ток стока в высокоскоростном режиме, они включаются только в том случае, когда на выходе ФНЧ появится сигнал, соответствующий полосе ЗРС.

При отсутствии события ЗРС все четыре встроенных ОУ работают при пониженном напряжении питания 1,35–1,55 В в экономном режиме.

Если ФНЧ зафиксирует звук выше обозначенного нижнего предела, то сработает компаратор, который установлен в режим «окно», и операционные усилители Ch2 и Ch3 переключаются в высокоскоростной режим с током стока около 262 мкА на каждый канал. С этого момента сигналы Ch0 и Ch1, а также сигналы прерывания компараторов будут игнорироваться центральным процессором в течение 2 мс. После этого интервала времени устанавливается период в 200 мс, в течение которого центральный процессор вновь будет воспринимать сигналы прерывания компаратора.

Выход Ch3 подключен ко второму каналу АЦП. В течение первых 100 мс после срабатывания компаратора по сигналу ФНЧ сигналы ФВЧ будут учитываться ЦПУ.

Если ЦПУ зарегистрирует сигнал ФВЧ в течение этого времени, то срабатывает транзисторная система управления, включается сирена и аварийный сигнал поступает на центральный пульт по каналам проводной или беспроводной связи.

Если событие ЗРС не зарегистрировано, то цикл будет повторяться, то есть выключается ФВЧ и мониторинг осуществляется в экономном режиме с помощью ФНЧ.

Внешний вид отладочной платы детектора звука разбитого стекла показан на рис. 5.

В левом верхнем углу платы (разъем E1 слева) указано ее название: GLASSBREAK_SENSOR_I1D. Плата содержит стандартный набор комплектующих, аналогичный приведенному выше для платы детектора дыма.

Плата детектора ЗРС может работать от 3‑В батарейки или от внешнего источника питания постоянного тока.

Отладочная плата детекторасодержания окиси углерода в воздухе

Эта плата обеспечивает измерение опасных концентраций окиси углерода в воздухе в диапазоне от (100 ±10) чнм. При достижении заданного порога датчик срабатывает и отправляет аварийный сигнал. Порог срабатывания устанавливается программно. Структурная схема данной платы аналогична схеме, показанной на рис. 4 для платы детектора содержания дыма в воздухе.

Аналоговый входной блок содержит чувствительный датчик, операционный усилитель с малым входным током смещения и транскондуктивный усилитель.

В качестве чувствительного датчика окиси углерода используется химический сенсор Figaro TGS5042 CO. Сенсор TGS5042 содержит электролит, в состав которого входят KOH, KHCO₃ и K₂CO₃. При прохождении окиси углерода через эти реагенты образуются электроны и анионы, которые дрейфуют соответственно к аноду и катоду. Ток на выходе этого аналогового сенсора пропорционален концентрации окиси углерода в воздухе. Каждые 2,4 нА выходного тока соответствуют содержанию 1 чнм окиси углерода в воздухе.

Напряжение питания подается на сенсор окиси углерода от схемы питания платы через резистивный делитель.

ОУ с малым входным током смещения обеспечивает измерение малых токов с большой точностью. Причем входной каскад этого усилителя не нагружает сенсор.

В плате детектора СО задействованы только два из четырех встроенных в микроконтроллер операционных усилителя — Ch1 и Ch0.

Операционный усилитель Ch1 имеет напряжение смещения, равное напряжению питания, деленному на 11. Ток в цепи резистора смещения Ch1 не превышает 0,7 мкА для всего диапазона напряжений питания. При этом буферированный выход Ch1 имеет низкий импеданс и находится под постоянным напряжением даже в том случае, когда сенсор регистрирует очень высокие концентрации окиси углерода (>10 000 чнм), что соответствует токам на выходе сенсора больше 10 мкА. Выход Ch1 AMP1O, подключенный к входу АЦП ANI7, обеспечивает опорную линию, необходимую для измерения концентрации окиси углерода по цепочке: ток сенсора — напряжение на выходе ОУ — сигнал прерывания.

Напряжение на выходе операционного усилителя Ch2 линейно нарастает при увеличении концентрации окиси углерода в рабочей камере сенсора. Выход Ch2 подключен к входу АЦП ANI4. В процессе работы счетчик часов реального времени выдает с частотой 1 Гц команду на ЦПУ для чтения значений на выходах операционных усилителей AMP1O (DC bias = V_DD/11) и AMP0O (DC bias + CO sensor). Кроме того, с этой же частотой снимаются показания АЦП (интервал VBGR = 1,45 В).

Время реакции используемого сенсора окиси углерода на изменение концентрации достаточно велико. Согласно спецификации необходимо примерно 60 с для точного измерения концентрации. Время релаксации сенсора до нулевых значений составляет примерно 120 с. Поэтому операционные усилители данной платы, Ch0 и Ch1, работают в режиме экономного энергопотребления, в котором ток стока равен примерно 2,25 мкА на каждый канал. Значение GBW в этом случае равно 40 кГц.

Когда в рабочей камере сенсора концентрация окиси углерода превысит программно заданный порог, на микроконтроллер будет выдан сигнал прерывания и сработает система аварийной сигнализации.

Внешний вид отладочной платы содержания окиси углерода в воздухе показан на рис. 6. Название платы CO_SENSOR_I1D указано в левом верхнем углу.

По функциональным характеристикам эта плата аналогична рассмотренным выше платам других детекторов.

Отладочная плата детектора движения

Чувствительным элементом данной платы является инфракрасный (ИК) пироэлектрический датчик движения, который отслеживает уровень ИК-излучения на расстоянии до 4 м в угле ±45° по вертикали и ±70° по горизонтали.

ИК-датчик работает следующим образом. Любое тело с температурой, отличной от нуля, излучает электромагнитные волны в ИК-диапазоне. Это излучение фиксируется ИК-фотодиодом. При попадании ИК-излучения на фотодиод через него начинает протекать фототок. При изменении интенсивности ИК-излучения в поле зрения датчика пропорционально будет изменяться и фототок. ИК-излучение фокусируется на фотодиоде с помощью линз Френеля.

Структурная схема детектора движения аналогична схеме, показанной на рис. 2.

В плате детектора движения “Detect it!” используется ИК-датчик Murata IRAE700STO PIR. В зависимости от параметров нагретого движущегося объекта на выходе датчика с нагрузкой 500 кОм будут возникать импульсы с амплитудой в диапазоне от 1 до 10 мВ (полный размах). Эти импульсы могут быть напрямую поданы на микроконтроллер. Одной из существенных проблем, связанных с ИК-датчиками движения, являются ложные срабатывания. Например, на фоне теплого пола простые детекторы старого поколения не могут безошибочно отслеживать медленное появление человека. С другой стороны, резкий перепад температуры, вызванный открытым зимой окном, может привести к случайному срабатыванию. В модели датчика движения на базе микроконтроллера RL78/I1D используется специальный алгоритм, исключающий ложные срабатывания. Для этой цели задействованы встроенные в RL78/I1D операционные усилители.

Два встроенных операционных усилителя Ch0 и Ch1 отслеживают увеличение фототока через ИК-датчик, а также контролируют превышение фототока над заданным пороговым уровнем. В этой схеме тоже используется только два встроенных ОУ Ch0 и Ch1, работающих в энергосберегающем режиме.

Выход ИК-датчика подключен к входу встроенного операционного усилителя Ch1, который регистрирует любые изменения напряжения смещения в цепи сенсора. ОУ Ch1 работает в энергосберегающем режиме и имеет ток 2,5 мкА.

Операционный усилитель Ch1 настроен на работу с коэффициентом усиления 101. При импульсе с ИК-детектора амплитудой 5 мВ на выходе AMP1O будет импульс с амплитудой 0,505 В. Длительность импульса регулируется RC-цепочкой. В заводских настройках длительность импульса установлена 1 с. Завал АЧХ Ch1 начинается в районе 16 Гц.

Вход второго операционного усилителя Ch0 подключен к выходу первого операционного усилителя AMP1O через гальваническую развязку, которая исключает влияние напряжения смещения первого ОУ. Спад частотной характеристики Ch0 наблюдается около 32,9 Гц. Коэффициент усиления Ch0 можно регулировать в диапазоне от 6,7 до 33,9 с помощью потенциометра 900 кОм. Выходы этого ОУ подключены к входу АЦП и к входу компаратора IVREF0. Для Ch0  и  Ch1  величина GBWP меньше значения GBW, равного 40   кГц, которое соответствует экономичному режиму энергопотребления. Поскольку операционные усилители имеют малые значения тока стока при работе в экономичном режиме, их оставляют постоянно включенными для мониторинга импульсов, возникающих в ИК-датчике при появлении движущегося человека.

Выход операционного усилителя AMP0O контролируется по входу компаратора IVCMP0.

Встроенный 2‑канальный компаратор поддерживает два опорных напряжения, с помощью которых задаются верхний и нижний уровни срабатывания — IVREF0 и IVREF1. Эти пороги устанавливаются с помощью потенциометров JP11 и JP10.

Компаратор микроконтроллера может работать в перечисленных ниже режимах:

• напряжение на компараторе выше порогового уровня ICOMP0 > IVREF0;
• напряжение на компараторе ниже порогового уровня ICOMP0 < IVREF1;
• напряжение на компараторе находится в промежутке между пороговыми уровнями (режим «окно») IVREF1 > ICOMP0 > IVREF0.

Оптимальный вариант получения сигналов прерывания ЦПУ наблюдается, когда положительные и отрицательные значения порогов заданы соответственно как 0,67×V_DD (напряжение питания) и 0,3×V_DD.

В том случае, когда на выходе операционного усилителя AMP0O появятся указанные напряжения, компаратор выдаст сигнал прерывания и микроконтроллер запустит исполнительное устройство.

Следует отметить, что на плате есть второй ИК-датчик, подключенный к операционным усилителям Ch2 и Ch3. Однако он не активирован в данной модели. Подключить второй датчик можно, удалив резисторы, которыми он закорочен. Более подробную информацию можно найти в руководстве пользователя и на принципиальных схемах, имеющихся в комплекте поставки.

В текущем варианте второй ИК-датчик не поддерживается прилагаемым програм-мным обеспечением.

Внешний вид отладочной платы детектора движения показан на рис. 7.

Плата укомплектована аналогично другим платам, входящим в комплект “Detect it!”.

Название платы можно увидеть в левом верхнем углу — MOTION_SENSOR_I1D.

Такие детекторы движения нашли применение в охранных системах, системах автоматического включения и выключения света, в схемах автоматического открывания дверей и многих других подобных устройствах.

 

Среда разработки приложений пользователя IAR’s Embedded Workbench Kickstart Edition — RL78

В комплект поставки комплекта разработчика RL78/I1D detector boards kit входит CD “Detect it!”, содержащий программное обеспечение IAR’s Embedded Workbench Kickstart Edition — RL78 (далее — IAR EWK), а также примеры текстов программ, предназначенных для различных датчиков. Эта платформа предоставляет возможность пользователю самостоятельно создавать собственные приложения на языках C, C++ или на ассемблере. Среда IAR EWK работает под управлением всех последних версий операционной системы Microsoft Windows.

При установке программы можно выбрать один из двух вариантов:

• Kickstart evaluation version — версия с ограничением на размер выходного кода до 16 кбайт;
• Evaluation version — неограниченная на размер кодов версия, действующая в течение 30 дней.

Для получения полномасштабной, не ограниченной версии необходимо приобрести лицензию IAR.

В качестве основных преимуществ IAR EWK можно отметить простой и удобный для пользователя интерфейс, а также исключительно высокую и надежную оптимизацию генерируемого кода.

Программная среда IAR EWK включает следующие блоки:

• компилятор C/C++ с полной поддержкой ANSI C;
• транслятор ассемблера, содержащий макроассемблер для программ реального времени и препроцессор для компилятора C/C++;
• компоновщик совместного использования с внутрисхемными эмуляторами, поддерживающий большинство известных выходных форматов;
• текстовый редактор языка С;
• симулятор и отладчик в кодах С и ассемблера;
• менеджер проектов;
• утилиты для работы с оптимизированной CLIB/DLIB-библиотекой.

Для установки программы на ПК нужно просто вставить в дисковод диск “Detect it!” и запустить файл SetUP. По умолчанию программа установится по адресу: <C:\Renesas\Workspace\YDETECT-IT-RL78>.  Вся необходимая документация будет размещена в папке <C:\Renesas\Workspace\YDETECT-IT-RL78\_Manuals>Programs>.

После установки программы нужно сделать начальные настройки среды. Для этого в окне Tools->Options->Messages в пункте Show build messages следует выбрать тип All. В этом режиме при компиляции на экран будет выводиться информация о размере программы и объеме данных. Далее рекомендуется выбрать необходимую конфигурацию в разделе Tools->Configure Tools. Если поставлена галочка в окне Redirect to Output Window, то после запуска будет автоматически выбрана папка с прошивкой. Новый проект создается в главном окне программы в меню Project->Create New Project. На этом этапе можно выбрать язык программирования — ASM, C или C++.

Настройка проекта проводится в разделе Project->Options, в который можно сразу попасть, нажав Alt+F7. Следует обратить внимание на раздел Optimization, где можно выбрать максимальную степень оптимизации.

На следующем этапе можно переходить к написанию программы на выбранном в предыдущих разделах языке. Более подробная информация о среде программирования IAR EWK есть на сайте разработчика (www.iar.com/iar-embedded-workbench). На сайте www.we.easyelectronics.ru/CADSoft/iar-embedded-workbench-for-avr-bystryy-start.html  приведен на русском языке пример написания программы на С с помощью IAR EWK.

Отладка программы на плате “Detect it!” осуществляется с помощью аппаратного дебаггера Е1, через который плата подключается к ПК.

На CD, входящем в комплект поставки RL78/I1D detector boards kit, имеются образцы программ для работы с различными детекторами, которые при установке размещаются по умолчанию в папке <C:\Renesas\Workspace\YDETECT-IT-RL78\ Sample>. В частности, для того чтобы выбрать пример с программой для детектора движения, нужно зайти в директорию <DETECT IT! kit_IAR sample program_Motion detector> и дважды кликнуть на проект с расширением «.EWW»: <RL78_I1D_motion_sensor.eww>. При этом открывается окно IAR EWK с перечнем готовых программ для конкретных проектов (рис. 8).

Затем нужно выбрать необходимый проект и просто следовать подсказкам, появляющимся на каждом следующем шаге.

Редактировать примеры можно в окне Download and Debug. Пошаговый процесс отладки с помощью программы IAR EWK отличается простотой и наглядностью. В процессе отладки на экран выводятся практически все заданные переменные, установленные флаги, инструкции по прерыванию и контент регистров. Кроме того, можно устанавливать точки останова и аппаратные флаги, использовать обработку прерывания с предсказанием результата, получать информацию о содержании EEPROM, DATA, CODE. В программе имеется детальный справочный раздел для каждого пункта меню, что значительно облегчает написание программ даже для опытных пользователей.

Детальная информация о работе с комплектом разработчика RL78/I1D detector boards kit, включая видеоинструкции, представлена на CD, предусмотренном в комплекте поставки. Дополнительная информация доступна для пользователей в компании «ЭЛТЕХ» и у других региональных дистрибьюторов [12].