Измеритель телевизионных сигналов на МК

Техническое задание
Назначение и основные характеристики
Разработать микропроцессорный измеритель-анализатор ТВ-сигнала, предназначенный для настройки эфирных антенн цифрового ТВ-вещания со следующими характеристиками:
Количество диапазонов : 2
Полоса частот первого диапазона (метровые волны),МГц: 170..230
Полоса частот второго диапазона (дециметровые волны),МГц: 470..862
Регулировка ширины спектра эфирного ТВ-сигнала: Дискретная
Количество поддерживаемых значений ширины спектра ТВ-сигнала: 3
Значения ширины спектра анализируемого ТВ-сигнала, МГц: 6,7,8
Типы поддерживаемых способов модуляции ТВ-сигнала: QPSK,16QAM,64QAM
Режимы работы: Автонастройка на канал с определением уровня принимаемого ТВ-сигнала; Режим панорамного анализатора
Требования к реализации прибора
В качестве измерительного тракта прибора применить измерительный тракт прибора-аналога
В качестве устройства управления применить AVR-микроконтроллер или микроконтроллерную платформу Arduino (обосновать выбор МК)
Управление устройством реализовать через USB-интерфейс
Уровень разработки
Прибор разработать на уровне схемы электрической принципиальной и программного обеспечения для микроконтроллера

Эскизное проектирование устройства
Обоснование актуальности разработки и выбор прототипа разрабатываемого устройства
В качестве прототипа разрабатываемого прибора возьмем DVB-T2 SF-500T2.
Данный прибор предназначен для максимально точной настройки цифровых эфирных (DVB-T/T2) антенн с использованием шкал мощности и качества сигнала, отображаемых на контрастном ЖК-дисплее с подсветкой и синхронизированных со звуковым зуммером. [11]
Подключается Gecen SF-500T2 в разрыв кабеля, между эфирной антенной (в близости от антенны 1-2 метра) и DVB-T/T2 тюнером, соответственно надписям на панели прибора. Также настройку можно произвести без подключения прибора к ресиверу, подав напряжение на прибор при помощи блока питания (в комплекте) или аккумуляторов (приобретаются отдельно).
Для поиска (настройки) определенного канала необходимо ввести (выбрать) соответствующие параметры (страну, номер и частоту канала).
Стоимость прибора составляет 4 000 руб/за комплект
Необходимость разработки прибора-аналога обусловлена следующими обстоятельствами:
Стремлением изготовить менее дорогой прибор (при тиражировании небольшой партией), состоящий из измерительного модуля и блока управления на МК
Стремлением расширить сервисные функции прибора и одновременно с этим максимально удешивить прибор путем выполнение его в виде модуля сопрягаемого с персональным компьютером (ПК) по интерфейсу USB либо смартфоном по интерфейсу BluetouthСтремлением изготовить прибор, позволяющий оперативно обновлять программное обеспечение блока управления (прошивку микроконтроллера).
Составление и описание структурной схемы устройства
Основой разрабатываемого устройства является цифровой тюнер DVB-T , который позволяет вести прием в указанных диапазонах, выполнять панорамный анализ сигнала в интересующем диапазоне и определять уровень принимаемого сигнала.
Структурная схема разрабатываемого устройства представлена на рисунке 1

Рисунок 1- Структурная схема разрабатываемого анализатора ТВ-сигнала
Как видно из рисунка 1, центральным ядром, объединяющим все компоненты разрабатываемого устройства, является управляющий микроконтроллер. В качестве микроконтроллера целесообразно взять 8-ми битный AVR-микроконтроллер семейства ATMega, например ATmega2560. Применение такого микроконтроллера обусловлено тем, что с его помощью (используя среду разработки Arduino) нетрудно реализовать обмен данными с Bluetouth-модулем и USB- модулем (последний зачастую является штатной функцией, например платы Arduino), а также непосредственно с TV-тюнером, выполняющим всю обработку ТВ-сигнала. Сам TV-тюнер подключается к антенне через стандартный радиочастотный («антенный») кабель. Для взаимодействия с устройством пользователь может использовать ноутбук , либо смартфон с установленным программным обеспечением (его разработка не входит в курсовую работу), позволяющему визуализировать спектр принимаемого ТВ-сигнала (панорамный анализ) с оценкой уровня отдельных станций.
Далее рассмотрим выбранный микроконтроллер и протоколы обмена данных между микроконтроллером и периферийными устройствами (тюнером, блютуз и USB-модулем).
Описание микроконтроллера., примененного в устройстве
Аппаратная платформа Arduino Mega 2560 представляет собой программируемый логический контроллер (хотя, следует понимать, что этот термин достаточно условный), выполненный на основе микроконтроллера ATmega2560.
Плата отличается развитой периферией. Она имеет 54 цифровых линии ввода/вывода, 16 аналоговых входов (используется встроенный многоканальный АЦП мультиплексорного типа, входящий в состав микроконтроллера), программирование платы осуществляется стандартным для Arduino образом – с помощью загрузчика по USB-порту. Следует понимать, что на самом деле обмен данными между платой и ПК происходит по интерфейсу UART, для чего между USB портом компьютера и платой размещен преобразователь интерфейса USB-UART.
Программирование платы осуществляется на языке Wiring. Внешний вид платы Arduino Mega 2560 представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 – Внешний вид платы Arduino Mega 2560

Схемотехнически плата состоит из преобразователя интерфейсов USB-UART , самого контроллера, элементов, обеспечивающих его работу и элементов цепи питания. Большинство выводов микроконтроллера Atmega2560 выведены на внешние разъемы.
Краткие технические характеристики платы Arduino Mega2560 представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Технические характеристики платы Arduino Mega2560
Показатель Значение
Тип микроконтроллера ATmega2560
Рабочее напряжение, В 5
Диапазон питающих напряжений при запиткиот внешнего блока питания, В 12
Максимально допустимое напряжение питания при запитке от внешнего блока питания, В 20
Число цифровых линий В/В, штук
Из них ШИМ-линий, штук 54
14
Число аналоговых входов, штук 16
Нагрузочная способность линии В/В, мА    40
Ток для вывода 3,3 В, мА 50
Объем памяти программ общий, кБ256
Объем памяти программ, занимаемый загрузчиком, кБ8
Объем оперативного запоминающиего устройства (ОЗУ), кБ8
Объем энергонезависимой памяти данных (EEPROM), кБ4
Тактовая частота рабочая, МГц 16
Предельный ток саомвосстанавливающегося предохранителя на линии USB,мА 500
Габариты платы (ДxШxВ),мм 102x53x20
Arduino Mega2560 совместима со всеми платами расширения, разработанными для платформ Uno, Duemilanove или Diecimila. Расположение выводов 0 – 13 (и примыкающих AREF и GND), аналоговых входов 0 – 5, силового разъема, блока ICSP, порта последовательной передачи UART (выводы 0 и 1) и внешнего прерывания 0 и 1 (выводы 2 и 3) на Mega соответствует расположению на вышеприведенных платформах. Связь SPI может осуществляться через блок ICSP, как на платформах Duemilanove / Diecimila, так и на Mega2560. Однако расположение выводов (20 и 21) связи I2C на платформе Mega не соответствуют расположению тех же выводов (аналоговые входы 4 и 5) на Duemilanove / Diecimila.
Выбор периферийных устройств и протоколы обмена данных между устройством и микроконтроллером
Преобразователь USB-UART входит в состав платы Arduino и реализован на основе микроконтроллера Atmega8. Его схема представлена на рисунке 3

Рисунок 3. – Преобразователь USB-UART для Arduino Mega 2560
Преобразователь содержит, помимо МК Atmega8 , элементы , обеспечивающие его работу (тактовую цепочку на 12 МГц, цепь сброса), а также – цепи для подключения линий микроконтроллера к дифференциальной линии интерфейса USB (параметрические стабилизаторы), самовосстанавливающийся предохранитель для защиты от перенапряжения и светодиоды индикации обмена данными, последовательно с которыми включены токоограничительные резисторы.
Для организации обмена данными по Bluetouth (со смартфоном) используем Bluetouth-модуль HC-06.
Внешний вид этого модуля представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 – Внешний вид Bluetouth-модуля HC-06
Как видно из рисунка 4, данный модуль может питаться от источника питания с напряжением от 3,6 В до 6 В. Для питания нашего измерителя используем аккумулятор 3,7 В. Это решит еще одну проблему – цифровые уровни будут 3,3 В, что позволит обойтись без преобразователей уровня.
Обмен данными модуль-контроллер будет вестись по протоколу UART.
Тюнер будет связываться с МК по интерфейсу IIC.
Его схемное обозначение представлено на рисунке 5

Рисунок 5 – Схемное обозначение тюнера

Разработка принципиальной схемы
Принципиальная схема устройства определяется разработанной ранее его структурной схемой (рисунок 1) и соображениями изложенными в пп.1.2-1.3. Устройство будет содержать 4 готовых модуля – плату Arduino Mega 2560 (c интерфейсом USB «на борту»), модуль Bluetouth , а также ТВ-тюнер KS-H-148. Так как Arduino будет связываться с тюнером по интерфейсу IIC, то на линии, задействованные как IIC следует подать питающее напряжение через подтягивающие резисторы 4,7 КОм.Также для обеспечения устройства электропитанием схема будет содержать в себе Li-Ion аккумулятор 3,7 В, а кроме того - модуль зарядки аккумулятора от напряжения 5 В , его вход будет выведен на стандартный разъем USB). Дополнительные элементы, которые потребуется ввести в схему – это во-первых, элементы, необходимые для работы тюнера (в соответствии со стандартной его схемой включения), а во-вторых – элементы управления и индикации – Светодиоды «Питание»,«Готовность», «Связь», кнопка «обнаружение» (для установлении связи с Bluetouth).
Далее приступим к разработке отдельных схемных решений.
ТВ-тюнер KS-H-146/148 имеет следующие технические характеристики [12]:
Цифровой интерфейс управления:IIC
Поддерживаемые диапазоны:VHF-L,VHF-H,UHF
Перекрываемый диапазон частот по диапазонам (VHF-L,VHF-H,UHF),МГц: 48,25..154..25;161,25..439,25;447,25..855,25.
Волновое сопротивление антенного входа, Ом: 75
Напряжение питания, В: 5;
Потребляемый ток, мА: 110;
Напряжение для управления настройкой, В: 33;
Коэффициент усиления по напряжению, дБ:40.
Иными словами, применения данного ТВ-тюнера в данном приборе является целесообразным, так как этот тюнер обеспечивает прием требуемых ТВ-сигналов в требуемых диапазонах и, кроме того, может быть связан с микроконтроллером посредством IIC-интерфейса, хорошо задокументированного и имеющего всего две линии управления.
Внешний вид тюнера представлен на рисунке 6

Рисунок 6 – Внешний вид тюнера KS-H-148
Как видно из рисунка 6, данный тюнер представляет из себя законченный функциональный модуль, имеющий разъем «гребенку» для разъемного или неразьемного (паяного) соединения с другими компонентами устройства, либо для установки на плату. Модуль имеет стандартный антенный вход 75 Ом. Плата модуля двухсторонняя. На верхней стороне платы (видна на фоте) смонтирована собственно сама радиочастотная часть тюнера (колебательные контура в радиочастотных экранах). Управляющая микросхема , активные компонетны РЧ-части (высокочастотные транзисторы) и элементы «обвязки» смонтированы на нижней стороне платы методом поверхностного монтажа. Снизу и сверху корпус-экран тюнера закрывается металлическими крышками – для минимизации внешних помех и для ослабления влияния ВЧ части (внутренних гетеродинов -высокочастотных генераторов) на другие компоненты устройства в целом.
Схема включения тюнера KS-H-148 представлена на рисунке 7.

Рисунок 6 – Схема включения тюнера KS-H-146/148
Как видно из рисунка 6, для работы тюнера требуется следующее.Во-первых ,величина питающего напряжения должна быть 5 В. На линию питания должен быть установлен конденсатор (для фильтрации помех). Линия AS должна быть соединена с «землей» через резистор 10 КОм. К линии VCT приложено высокое напряжение около 40 В, получаемое с повышающего преобразователя, выполненного на транзисторе BC817. Это напряжение необходимо для питания варикапов, входящих в состав тюнера.


Разработка программного обеспечения
3.1 Разработка общего алгоритма функционирования
Разрабатываемое программное обеспечение должно выполнять следующие основные функции:
1) Инициализацию периферийных устройств
2) Самоконтроль с помощью имеющихся средств индикации (светодиодов)
3) Установку связи с мобильным устройством по каналу Bluetouth4) Установку связи с мобильным устройством по каналу USB
4) Управление тюнером (ввод канала, настройка, считывание уровня сигнала) по выбранному каналу передачи данных
6) Обработку данных и выдачу их на внешнее устройство по каналу передачи данных
Общий алгоритм функционирования устройства представлен на рисунке 7.

Рисунок 7 – Общий алгоритм функционирования устройства
Как видно из рисунка 7, обобщенный алгоритм можно представить шестью основными блоками. Блоки инициализации и самоконтроля выполняются однократно при включении устройства. Далее устройство ждет подключения по Bluetouth или USB и соответственно выполняется подключение по выбранному интерфейсу.
После этого программа циклически принимает управляющие команды с внешнего устройства, выдает команды тюнеру (например, на настройку на заданную частоту), а также получает результаты измерения уровня ТВ-сигнала и передает их на внешнее устройство (ПК или ноутбук).3.2 Разработка частных алгоритмов
3.3 Кодирование программного обеспечения в IDE ArduinoДля кодирования будет использоваться среда ArduinoArduino — аппаратная вычислительная платформа, основными компонентами которой являются простая плата ввода-вывода и среда разработки на языке Processing/Wiring. Arduino может использоваться как для создания автономных интерактивных объектов, так и подключаться к программному обеспечению, выполняемому на компьютере.
Плата Arduino состоит из микроконтроллера Atmel AVR (ATmega328P и ATmega168 в новых версиях и ATmega8 в старых), а также элементов обвязки для программирования и интеграции с другими схемами. На многих платах присутствует линейный стабилизатор напряжения +5В или +3,3В. Тактирование осуществляется на частоте 16 или 8 МГц кварцевым резонатором (в некоторых версиях тактирование осуществляется керамическим резонатором). В микроконтроллер предварительно прошивается загрузчик BootLoader, поэтому внешний программатор не нужен. На концептуальном уровне все платы программируются через RS-232 (последовательное соединение), но реализация этого способа отличается от версии к версии.
Плата Serial Arduino содержит простую инвертирующую схему для конвертирования уровней сигналов RS-232 в уровни ТТЛ, и наоборот. Текущие рассылаемые платы, например, Diecimila, программируются через USB, что осуществляется благодаря микросхеме конвертера USB-to-Serial FTDI FT232R. В версии платформы Arduino Uno в качестве конвертера используется микроконтроллер Atmega8 в SMD-корпусе. Данное решение позволяет программировать конвертер так, чтобы платформа сразу определялась как мышь, джойстик или иное устройство по усмотрению разработчика со всеми необходимыми дополнительными сигналами управления. В некоторых вариантах, таких как Arduino Mini или неофициальной Boarduino, для программирования требуется подключение отдельной платы USB-to-Serial или кабеля.
Платы Arduino позволяют использовать большую часть I/O выводов микроконтроллера во внешних схемах. Например, в плате Diecimila доступно 14 цифровых входов/выходов, 6 из которых могут выдавать ШИМ сигнал, и 6 аналоговых входов. Эти сигналы доступны на плате через контактные площадки или штыревые разъемы. Также доступны несколько видов внешних плат расширения, называемых «анг. shields» (дословно: «щиты»), которые присоединяются к плате Arduino через штыревые разъёмы.
Интегрированная среда разработки Arduino — это кроссплатформенное приложение на Java, включающее в себя редактор кода, компилятор и модуль передачи прошивки в плату.
Среда разработки основана на языке программирования Processing и спроектирована для программирования новичками, не знакомыми близко с разработкой программного обеспечения. Язык программирования аналогичен используемому в проекте Wiring. Строго говоря, это C++ дополненный некоторыми библиотеками. Программы обрабатываются с помощью препроцессора, а затем компилируется с помощью AVR

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате курсового проектирования был разработан прибор для настройки антенн цифрового эфирного телевидения – измеритель-анализатор ТВ-сигнала. Данный прибор, в отличии от рассмотренного аналога , имеет такие преимущества, как возможность совместной работы с ПК, ноутбуком или смартфоном. Кроме того, этот прибор по себестоимости получился более простой в сборке , ремонтопригодный и более надежный. При этом в метрологических характеристиках прибор не проигрывает аналогу, так как и он, и аналог, по существу являются тестерами индикаторами, а не прецизионными измерителями.
Таким образом, изготовление и использование данного прибора небольшим тиражом более предпочтительно,

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Голубцов, М.С. Микроконтроллеры AVR от простого к сложному / М.С. Голубцов - М.: Салон-Пресс, 2003. - 288 с.
. МакРобертс, М. Начала Arduino / М. МакРобертс - London: CUP, 2010. - 459 с.
. Массимо, Б. Arduino для начинающих волшебников / Б. Массимо - М.: VSD, 2012. - 128 с.
. Соммер, У. Программирование микроконтроллерных плат Arduino / У. Соммер - Philadelphia: SIAM, 2012. - 241 с.
. Эванс, Б. Arduino блокнот программиста / Б. Эванс - London: CUP, 2007. - 40 с.
. Белов, А.В. Конструирование устройств на микроконтроллерах. / А.В. Белов - СПБ.: Наука и Техника, 2005. - 256 с.
. Гололобов, В.Н. С чего начинаются роботы ? / В.Н. Гололобов - 2011. - 189 с.
. Предко, М. 123 эксперимента по робототехнике / М. Предко - М.: НТ Пресс, 2007. - 271 с.
. Суэмацу, Ё. Микрокомпьютерные системы управления. Первое знакомство / Ё. Суэмацу - М.: Издательский дом «Додека - XXI», 2002. -256 с.
. Белов, А.В. Микроконтроллеры AVR в радиолюбительской практике / А.В. Белов - СПБ.: Наука и Техника, 2007. - 339 с.
Техническое описание прибора https://www.radio18.ru/upload/radio/895/8954700601ef7ece2e2b24800dd629ac.pdfСправочный листок на ТВ-тюнер KS-H-148 http://radio-hobby.org/uploads/datasheets/ksh/KSH148.pdf