Розробка принципової схеми

На кресленні, яке додається до пояснювальної записки наведена принципова схема спроектованого пристрою. Основним її елементом є ПЛІС D8, яка конфігурується за допомогою пам'яті D6. їх включення є стандартним і пояснення не вимагає. На схемі передбачено три перемички J1-J3 за допомогою яких вибирається метод конфігурації ПЛІС. Завантаження бінарної послідовності в пам'ять відбувається через технологічний роз'єм ХЗ за допомогою інтерфейсу JTAG.

Мікросхема D4 являє собою АЦП, який включено у восьмиканальному уніполярному режимі, згідно його технічної документації. Вхідний сигнал

в даному режимі повинен бути в межах від 0 до 2.5В, бо внутрішня опорна напруга даного АЦП становить 2.5В. Рівень напруги в зоні охорони становить 12В, тому для коректної роботи АЦП використано подільники напруги Rl - R20 на кожний канал. Час перетворення даного АЦП залежить від тактової частоти поданої на вхід CLK. її максимальна величина становить 5МГц і подається з ПЛІС, де утворюється методом поділу основної частоти пристрою, яка рівна 20МГц. Для гененерації останньої використано тактовий генератор D7.

Згідно функціональної схеми, для взаємодії з клавіатурою використовується інтерфейс І²С. Організація роботи з яким відбувається через буфер D9. Який крім цього забезпечує узгодження рівнів напруг ПЛІС і контролера клавіатури, 3.3В і 5В відповідно.

При порушенні зони передбачено включення поляризованих реле К1-К4, які комутують напруги 12В на роз'єм Х5.

Живлення пристрою здійснюється від зовнішнього блоку живлення або акомулятора 12В, роз'єм Х2. Напруги для живлення ПЛІС та решти мікросхем утворюються за допомогою стабілізаторів живлення D1-D3. Біля контактів живлення всіх мікросхем поставлено фільтруючі конденсатори ємністю 0.1 мкФ.

Розрахунок споживаної потужності ПЛІС

Як і для всіх КМОН схем загальна потужність споживання характеризується трьома складовими

P ⁼ Рstatic + Pint + P_io, де

Pstatic - статична потужність, яку споживає не активний пристрій;

P_int - динамічна потужність, яка витрачається на перезаряд в внутрішніх паразитних ємностей;

P_io- динамічна потужність, яка витрачається на перезаряд зовнішніх паразитних ємностей, підключених до виводів ПЛІС.

Для ПЛІС Spartan2 XC2S50-PQ208:

Pstatic = Icc * V_cc = 4 мА * 5 В = 20 мВт.

І_сс - статичний струм споживання;

V_cc - напруга блока живлення;

Pint = Vcc* K_p*F_max*N_LC*Tog_LC, где

V_cc - напруга блока живлення;

Кр - константа, яка залежить від сімейства мікросхем, величина параметра К_р(*10 ^-12) для Spartan2 XC2S50-PQ208 рівно 17.

Fmax - максимальная тактова частота в даному проекті ПЛІС;

Nlc - кількість логічних комірок (LC), використаних в даному проекті.

Таким чином 1CLB = 2³/₈ LC. Для для розробленого пристрою кількість CLB = 528, і кількість LC = 704;

Tog_lc - середніій процент логічних комірок, переключаючих в кожному такті (в середньому - 20%).

Для проектуючої ПЛІС маємо

Pint = V_cc* K_p*F_max*N_Lc*Tog_LC-5В*17* 10^-12 * 8*10⁶Гц * 704 * 0,2 = 74 мВт.

Кількість задіяних контактів визначається за такою формулою:

P_lo= 0,5*C_OUTavg* V²_swing*F_max*Nout*Togout, де

V swing - зміна напруги на виводах ПЛІС (З В);

Coutavg - величина в фарадах зовнішньої ємності, підєднана до контактів ПЛІС (50 пФ);

Fmax - максимальна частота переключення сигналів на виводах ПЛІС;

N_out- кількість вихідних контактів ПЛІС, використаних в даному проекті складає 38

Togout - середній процент виходів, переключаючий в кожному такті (в середньому - 25%).

Р_i0 ⁼ 0,5*CouTavg* V² swing*F_max* N_out*Tog_out = 0,5 * 50 * 10 ^–12 Ф* 9 В²* 10 ^-6МГц*3 8*0,25 =2 мВт.

Таким чином, загальна потужність ПЛІС рівна

Pt= Pstatic + Pint + Pіо = 20 + 74 + 2 = 96мВт.