Розробка мікропроцесорного пристрою системи автоматичного регулювання - Радиоэлектроника - Скачать бесплатно
ХУ – елементи множення, DL – елементи затримки, [pic] – суматор.
Недоліками цифрових фільтрів, які реалізовані на основі МП (наприклад,
серія КР580, яка використовується), є обмежена швидкодія.
1.1 Побудова аналогової схеми
При побудові аналогової схеми, яка відповідає заданому пропорційно-
диференційному рівнянню (1.8)
використовуємо перетворення Лапласа [9]:
[pic](1.10)
Коефіцієнт при х(р) має вид дробово-раціонального виразу, в якому
знаменник є сумою зображень за Лапласом опорів резистора, конденсатора та
індуктивності ( в залежності від порядку заданого рівняння), а чисельник є
частиною цієї суми. Вид цього дробово-раціонального виразу визначає
аналогову схему.
Підставимо у рівняння перетворення Лапласа:
[pic] (1.11)
Отримане алгебраїчне рівняння розв’яжемо відносно у(р):
[pic]. (1.12)
Домножимо чисельник і знаменник на [pic]. Отримаємо:
[pic] (1.13).
А це еквівалентно рівнянню Г-подібного фільтра з Г-подібним входом з
рівнянням
[pic] (1.14)
із відомою схемою (рис. 1.2):
рис. 1.2 Схема Г-подібного фільтру з Г-подібним входом
В отриманому нами виразі знаменник являє собою опір послідовного
коливального кола з втратами, а чисельник є опором конденсатора, тобто
аналогова схема являє собою послідовне з’єднання резистора, індуктивності
та ємності, причому вихідна напруга знімається з конденсатора.
Тому Z1 = ZR+ ZL; Z2= ZC (1.15),
де [pic] (1.16).
Тут k – довільна стала.
Тобто схема реалізації даного фільтру має такий вигляд:
рис. 1.3 Аналогова схема, яка описується заданим рівнянням
2. Структурна схема МП-пристрою
МіКРОПРОЦЕСОРНИЙ ПРИСТіЙ – ФУНКЦіОНАЛЬНО і КОНСТРУКТИВНО ЗАКіНчЕНИЙ
ПРИСТРіЙ, яКИЙ ПРЕДСТАВЛяє СОБОЮ СХЕМНО-КОНСТРУКТИВНЕ З’єДНАННя ДЕКіЛЬКОХ
СХЕМ, яКИЙ ВКЛЮчАє ОДИН АБО ДЕКіЛЬКА МіКРОПРОЦЕСОРіВ, ПРИЗНАчЕНИЙ ДЛя
ОТРИМАННя, ОБРОБКИ, ПЕРЕДАчі, ПЕРЕТВОРЕННя ТА КЕРУВАННя іНФОРМАЦієЮ.
Для мікропроцесорних пристроїв характерна шинна структура, під якою
розуміється те, що всі компоненти МП - пристрою під’єднані до так званої
системної шини – набору ліній, що з’єднують елементи системи [1].
Структурна схема можливої реалізації проектованого МП-пристрою наступна
(рис. 2.1).
рис. 2.1 Структурна схема МПП
де:
V МП – мікропроцесор;
V ПЗП – постійний запам’ятовуючий пристрій;
V ТГ – тактовий генератор;
V ОЗП – оперативний запам’ятовуючий пристрій;
V СК – системний контролер;
V АЦП – аналого-цифровий перетворювач;
V ЦАП – цифро - аналоговий перетворювач;
V ДШП – дешифратор адрес пам’яті;
V ДШВ/В – дешифратор адрес вводу/виводу.
Системна шина розділяється на три окремі шини:
V ШД – шина даних;
V ША – шина адрес;
V ШК – шина керування.
Лінії системної шини характеризується спрямованістю (тобто хто з
пристроїв є визначальним за рівнем сигналу). Тут ШД – двоспрямована; ША –
односпрямована; ШК – набір окремих ліній, що мають свій напрям. За рахунок
того, що виводи всіх компонент МП - пристрою під’єднані до СШ, вони повинні
мати крім станів, що забезпечують логічний 0 чи 1 на виході третій стан,
стан з високим вихідним опором.
Опишемо складові МПС.
Мікропроцесор в складі МП-пристрою виконує функції:
V формує адреси команд,
V видає команди з пам’яті,
V їх дешифрує,
V видає для них команди потрібні адреси, виконує над ними опереції –
передбачені команди, при неодхідності записує результат в пам’ять,
V формує керуючі сигнали для обміну, реагує на можливі зовнішні
сигнали.
Тактовий генератор призначений для формування синхроімпульсів для
роботи МП і інших пристроїв МП. Синхроімпульси мають амплітуду 12B, але
відрізняються один від одного щільністю і є зсунуті. Крім того мікросхема
КР580ГФ24, яка виконує функцію ТГ, приймає участь в прийомі та видачі
керучих сигналів СШ.
ПЗП служить для постійного зберігання потрібних даних і програм. У
випадку даного цифрового фільтру він зберігає програму, за якою працює
цифровий фільтр, а також постійні коефіціенти.
ОЗП служить для тимчасового зберігання інформації, потрібної для
розрахунків.
СК виконує 3 функції:
V фіксація слова стану процесора;
V формування частини сигналів, які належать шині керування МПС;
V буферизація шини даних.
Він формує керуючі сигнали по сигналам стану МП при зверненні до ЗП: RD
i WR, при зверненні до ПВВ: RDIO, WRIO, INTA. А також забезпечує прийом і
передачу 8-розрядної інформації між каналом данихМП по виходам D7 – D0 і
системним каналом по DB7–DB0. Він складається з двонаправленої буферної
схеми даних, регістрів стану і дешифраторів керуючих сигналів.
ППІ в даному МП-пристрої служить для обміну інформацією між МП і
зовнішніми пристроями АЦП і ЦАП. Крім того, в склад МП-пристрою входять
такі допоміжні елементи, як буферний регістр для організації переривань RST
7, окремі логічні елементи, дешифратори.
3. Алгоритм функціонування МП-пристрою
3.1 СХЕМА АЛГОРИТМУ ФУНКЦіОНУВАННя МПП
яК ЦИФРОВОГО ФіЛЬТРУ, ЩО ВИЗНАчАєТЬСя
ЗАДАНИМ РіВНяННяМ
Система переривань призначена для прийому, пріоритетноі обробки і
обслуговування запитів переривань. В загальному випадку запити переривань
можуть формуватися по командах програми, внутрішніх або зовнішніх джерелах.
Прийом і обробку програмних і внутрішніх переривань виконують внутрішні
засоби процесора. При проектуванні системи для обробки цих переривань
необхідно розробити програми обробки переривань.
Реалізація переривання виконується за допомогою команди
RST N. Джерела запитів переривань ідентифікуються двома способами:
V послідовне опитування;
V векторний спосіб.
Адреси команд JМР INТ І у таблиці переходів для кожного запиту
переривань визначаються на основі коду, що ідентифікує запит, ККК у
командах RSТ N або САLL ADRК, що формуються джерелом запиту переривання. По
команді RSТ N адреси в таблиці переходів приймають значення 0000 000, 00
КК, К 000. Таким чином, таблицю переходів розташовують з адреси 000016 по
адресу 003F16 з інтервалом у 8 адрес. При використанні команди САLL ADRV
адреси в таблиці переходів задаються безпосередньо адресною частиною
команди САLL, тому таблиця може розташовуватися в довільному місці ЗП. Для
формування команд RSТ N або САLL ADRV V необходими зовнішнього засоби,
сопрягаемие з МП через системну шину [3].
Для прийому запитів переривання і формування сигналу переривання МП
потребує лише регістр запитів переривань із буфером системної шини і схеми
логічного об'єднання вхідних запитів переривань. Програма опитування зчитує
вміст регістра запитів переривань, опитує кожен його розряд і передає
керування програмам обслуговування переривань.
Такий засіб побудови системи переривань доцільний при невеличкому числі
обслуговуючих запитів переривань, тому що засіб опитуванння при великому
числі запитів потребує значних витрат часу в порівнянні з векторним.
Для реалізації цифрового фільтру з функціональною залежністю (1.1):
[pic] (3.1)
якe в результаті дискретизації набрало вигляду (1.8):
[pic] (3.2)
з вводом значень xn через переривання з RST N може бути запропонований
наведений нижче алгортм.
Рис 3.1 Алгоритм функціонування МП – пристрою
Рис 3.2 Алгоритм для програми обробки переривань
В процесі обробки запиту на переривання (яке здійснюється подачею на вхід
INT мікропроцесора логічної 1) мікропроцесор сигналом INTE=0 забороняє
(ігнорує) всі можливі запити та переривання від інших пристроїв ( для
даного цифрового фільтру). Запит на переривання може бути тільки від одного
пристрою і виконується машинний цикл переривання, в якому виробляється
керуюче слово з одиницями в INTA (підтвердженя переривання), MI (початок
машинного циклу). W0 (запис або вивід), а MEMR=0 (читання з пам’яті). При
цьому сигнал DBIN=1 (прийом інформації з ШД). Тобто МП читає з ШД деяку
інформацію, яка не видається, а вибирається з пам’яті чи портів. В цей
момент на ШД повинен бути код команди RST N (для даного завдання RST 7):
|11ККК111 |
Для RST 7 код буде 111111111. Ця команда здійснює перехід на адресу
8*N. Для RST7 це дорівнює: 8*N=8*7=5610=38H=00111000В.
У процесорах, побудованих на основі ВІС КР580ВК28 (КР580ВК38), можна
формувати команду RST 7 (11111111) шляхом підключення виходу підтвердження
переривання INТА ВІС до джерела +12В, що дозволяє звертатися до таблиці
переходів за адресою 3816, по якій розміщають програму ідентифікації
запитів від декількох джерел опитуванння.
При переході на дану адресу в стек записується адреса повернення.
Необхідність в команді EI (дозвіл переривань) зумовлена тим, що вихід
INTE в стан логічної 1 (дозвіл переривань) можна перевести тільки
програмним способом, а в стан логічного 0 його можна встановити, як
програмною командою DI, так і апаратним способом.
3.2 Вибір структури представлення даних
Структура представлення даних, які входять в рівняння цифрового
фільтру, визначається виходом рівняння і розрядністю АЦП. При заданій
розрядності АЦП – 8 розрядів та вхідним додатнім однополярним сигналом, для
представлення xn потрібно 8 розрядів, тобто xn повинний виражатись
однобайтовим словом. Виходячи з цього, знайдемо, скільки розрядів займатиме
результат yn та yn-1 .
Для заданого рівняння (дискретизованого) цифрового фільтру у вигляді:
[pic]
коефіцієнти визначаються:
[pic] (3.3); [pic] (3.4)
[pic] (3.5).
Припустимо, що для констант [pic] відведемо по три біта на кожну. Їх
максимальне значення при цьому (найгірший варіант) буде дорівнювати 7.
Звідси, посилаючись на (3.3) – (3.5), а0=0,4969, b0=0,50020, c0=-0,006134.
Мінімальне дробове число в двійковій формі, яке може розміститись у восьми
розрядах – 2-810=0,00290625. Як бачимо, всі коефіцієнти більші цього числа,
але менші за одиницю. Візьмемо для їх представлення один байт (на кожного).
Тепер знайдемо, скільки розрядів потрібно для представлення yn та уn-1.
Так як вхідний сигнал однополярний, то нам не потрібно відводити розряд
під знак.
Розрядність добутків а0хn, b0yn, c0yn-1 не буде перевищувати 8 біт, так
як коефіцієнти а0, b0, c0 є менші по модулю за одиницю. Їх сума теж не
перевищує 255, так як [pic], а с0 менше нуля .Тоді розрядність yn буде
дорівнювати розрядності xn, тобто 8 біт.
Як було вже визначено, структура представлення даних буде наступною:
а0, b0, c0 – числа з фіксованою десятковою крапкою перед старшим розрядом,
yn ,yn-1 та yn-2 – цілі числа з фіксованою десятковою крапкою після
молодшого розряду з розрядністю 1 байт, хn – ціле число з фіксованою
десятковою крапкою після молодшого розряду з розрядністю 1 байт.
хn
| | | | | | | | |
a0
| | | | | | | | |
b0
| | | | | | | | |
c0
| | | | | | | | |
yn
| | | | | | | | |
yn-1
| | | | | | | | |
yn-2
| | | | | | | | |
Рис 3.3 Структура представлення даних в МПП
Дані представлятимуться у вигляді масиву в оперативній пам’яті. Після
обчислення величина yn заміщує величину yn-1, yn-1 – величину
yn-2, а значення xn вводиться від АЦП. Адреса таблиці – 500H. Числа
розміщені у порядку наростання значення адреси.
4. Вибір АЦП і ЦАП
У ВіДПОВіДНОСТі З КРИТЕРіяМИ ДАНОї РОБОТИ РОЗРяДНіСТЬ АЦП МАє БУТИ 8
БіТ, А ЦАП іЗ ВИЗНАчЕНОГО ВИЩЕ – 8 БіТ. КРИТЕРієМ ВИБОРУ АЦП і ЦАП (КРіМ
РОЗРяДНОСТі) МОЖУТЬ БУТИ НАСТУПНі ПАРАМЕТРИ:
V час перетворення – визначається інтервалом часу від моменту
досягнення вихідного сигналу до моменту подачі цифрового сигналу до
моменту досягнення вихідним сигналом встановленого значення;
V похибка перетворення – найбільше значення відхилення значення
аналогового сигналу від розрахункового;
V нелінійність – максимальне відхилення лінійно наростаючої напруги
від прямої лінії, яка з’єднуєточку нуля і максимального вихідного
сигналу.
4.1 Вибір АЦП
Перетворення аналогового сигналу в цифровий здійснюється за допомогою
АЦП і представляє собою вимірювальний процес, який полягає в порівнянні
аналогового сигналу з еталонною напругою, значення якої відомо наперед з
великою точністю. В результаті цього непнрервне значення сигналу
замінюється найближчим еталонним значення напруги, іншими словами,
відбувається процес квантування по рівню.
Відомості про АЦП, які можуть бути використані в даній курсовій роботі,
зведені в таблиці 4.1:
Таблиця 4.1
|Мікросхема|Вид |Час |К-т|Похиб |Диф. |Абс. |Розр|
| |перетворен|пере |ь |ка |неліній|похибка|ядні|
| |я |тво-ре|вих|неліні|-ність,|перетво|сть |
| | |ння, |о-д|й-ност| |-рень, | |
| | |t, мкс|ів |і, % |% |% | |
|К572ПВ3 |Послідовни|7,5 |18 |0,5;0,|0,75;0,|-3;3 |8 |
| |х | | |5 |75 | | |
|К1107ПВ4 |наближень |30 |64 | | |-0,1;0,|8 |
| |Однократни| | |0,5;0,|1;1 |1 | |
|К1107ПВ2 |й відлік |100 |64 |5 | | |8 |
| |Однократни| | | |-1;1 |-3;3 | |
|К1113ПВ1 |й відлік |30 |18 |-1;1 | | |10 |
| |Послідовни| | | |-0,1;0,|-0,4;0,| |
| |х | | |0,1;0,|1 |4 | |
| |наближень | | |1 | | | |
[4, ст.142]
З вище наведених параметрів АЦП, ми бачимо, що АЦП К1113ПВ1 має
найменшу величину похибок. Крім того, це є єдина з приведених мікросхем
функціонально завершена ВІС, яка містить у своєму складі компаратор напруг,
ЦАП, РПН, джерело опорної напруги, ГТІ, вихідний буферний регістр з трьома
станами а також логічні схеми керування, чого нема у інших мікросхем, тобто
її використання дозволяє максимально спростити схему. Це є послідовний з
накопиченням АЦП послідовних наближень. Мікросхема призначена для
перетворення однополярного або двополярного вхідного сигналу з
представленням результатів перетворення у паралельному двійковому коді. Для
її експлуатації необхідні тільки два джерела живлення і регулювальні
резистори. Виготовляється по біполярній технології, що модифікована для
суміщеного формування на кристалі біполярних транзисторів, а також
елементів інжекційної логіки і тонкоплівкових прецезійних резисторів.
Технологія дозволяє розмістити в одній ВІС велике число цифрових елементів
і виконувати аналогові вузли з високим рівнем параметрів. Мікросхема
К1113ПВ1 випускається у 18-виводному герметичному металокерамічному корпусі
типу 238.18-1 з вертикальним розташуванням виводів.
Нумерація і призначення виводів:
1-9 – цифрові виходи 2-10;
10 – напруга джерела живлення UCC1;
11 – гашення і перетворення;
12 – напруга джерела живлення UCC2;
13 – аналоговий вхід;
14 – аналогова земля;
15 – керування зсувом нуля;
16 – цифрова земля;
17 – готовність даних;
18 – цифровий вихід 1.
Номінальні напруги джерел живлення: UCC1=5В і UCC2=-15В.
Як і будь-який АЦП послідовних наближень, дана мікросхема має наступний
принцип роботи: після подачі сигналу “Пуск” на виході найстаршого розряду
РПН з’являється логічна одиниця. На виході ЦАП з’являється відповідна
напруга. Якщо ця напруга менша Uвх , то включається логічна одиниця на
виході наступного розряду регістра, інакше ця напруга знімається. Таким
методом спроб перебираються всі розряди до наймолодшого.
У ВІС К1113ПВ1 вихідний струм ЦАП порівнюється з струмом, який протікає
через вхідний резистор від джерела сигналу. Тим самим формується логічний
сигнал керування РПН. Стабілізація розрядних струмів ЦАП здійснюється
вбудованим ДОН на основі стабілітрона із закритою структурою.
Включення АЦП в режимі роботи з уніполярною вхідною напругою передбачає
під’єднання виводу 15 до цифрової землі (вивід 16). При цьому на виході
вбудованого ЦАП задається струм, який дорівнює струму цифрового виводу 1,
але має протилежну полярність [4,ст.150].
При роботі з уніполярною вхідною напругою її величина рівна 0…+10 В.
Встановлення РПН у вихідний стан і запуск його в режим перетворення
проводиться по зовнішньому сигналу “Гашення/перетворення”. По закінченню
перетворення АЦП видає сигнал “Готовність даних”, і інформація з РПН
поступає на цифрові виходи через каскади з трьома станами.
Часові діаграми вхідних і вихідних сигналів зображені на рис. 4.1 [4]:
рис. 4.1 Часові діаграми вхідних і вихідних сигналів АЦП
Для спряження АЦП і ЦАП з МП використаємо програмований паралельний
інтерфейс (ППІ) КР580ВВ55. При програмному опитуванні АЦП можна
використовувати режим 0 ППІ, а при вводі через переривання при використанні
команди RST N – режим 0 або 1.
Режим роботи і напрям обміну з зовнішніми пристроями програмується
керуючими словами. Керуюче слово режиму встановлює режими роботи груп А або
B і режим вводу або виводу для кожного порта. Керуюче слово порозрядного
встановлення або скидання порту С використовується для порозрядного вводу
інформації і для початкового встановлення станів окремих розрядів порту С
при його використанні для керування обміном в режимах 1, 2.[8].
Рис 4.2 Два способи реалізації команди RST 7
Запуск АЦП (сигнал П) здійснюється через паралельний інтерфейс
КР580ВВ55 (розряд 4 каналу С). ППІ використовується в режимі 0, сигнал ГТ
після інвертування поступає на вхід синхронізації тригера К155ТМ2. Коли на
вході “С” відбувається перехід від рівня логічного нуля до рівня логічної
одиниці, дані з входу D (тобто логічна “1”) передаються на вхід Q, який
з’єднаний з виводом запиту переривання INT мікропроцесора КР580ВМ80.
Очевидно, що ця зміна стану тригера відбувається лише тоді, коли на вході R
(виводі INTE) сигнал має рівень логічної “1”, тобто переривання дозволено.
При виконанні машинного циклу “Підтвердження переривання” в керуючому
слові, яке на початку машинного циклу записується в системний контролер
(СК), розряд INTA є рівним одиниці, що обумовлює формування одноіменного
сигналу керування. Цей сигнал через інвертор (якщо він є H – активним і без
інвертора при L – активному сигналі) поступає на вхід дозволу [pic]
буферного елемента (БЕ) з трьома вихідними станами (логічні “0” та “1” і
високого вихідного опору). При [pic] виходи БЕ повторюють логічні рівні на
входах 0 – 7. Як БЕ можуть бути використані дві мікросхеми К155ЛП11, кожна
з яких має по шість входів/виходів без інвертора.
Формування логічних рівнів на входах БЕ визначається номером N з
команди RST N. Для реалізації коду команди RST 7 на вході 6 повинен бути
встановлений рівень логічного “0”, а на всіх інших входах – рівень логічної
“1”. Цей код команди МП читає не з пам’яті, а безпосередньо з МП, в
результаті якої МП переходить до підпрограми обробки переривань, яка
повинна бути розміщена в пам’яті адресою 8*7. Крім того, при виконанні
команди RST N на виході INTE встановлюється рівень логічного “0”, який
“скидає” за допомогою тригера К155ТМ2 сигнал INT. Встановити сигнал INTE=1
можна лише програмно за допомогою команди EI (дозвіл переривання), якою
повинна завершуватись підпрограма обробки переривань.
При такому використанні БЕ реалізується лише один запит на переривання.
Для реалізації восьмирозрядної векторної системи потрібно використовувати
шифратор (ШФ) з вісьмома входами і трьома виводами (КМ155ИВ1). Для простоти
використаємо перший варіант реалізації.
Підключення АЦП до шин МПП в режимі вводу інформації через переривання
при використанні команди RST 7 показане на рис. 4.3.
Рис. 4.3 Підключення АЦП до шин МПП в режимі вводу інформації через
переривання при використанні команди RST 7.
4.2 Вибір ЦАП
В ЦАП цифрова інформація вводиться у вигдяді паралельного цифрового
коду перетворюваного числа, а аналоговий сигнал на виході є носієм
інформації.
Будь-який ЦАП складається з суматора і резистивної схеми. Резистивна
схема може бути реалізована двояко:
V на основі зважених резисторів;
V на основі матриці R-2R.
Приведемо порівняльну характеристику деяких восьмирозрядних ЦАП (так як
розрядність вихідного сигналу y(t) – 8 біт):
Таблиця 4.2
|Мікросхема |Абс. |Нелінійність|Час |К-ть |Час |
| |похибка |, % |встановлення|виво-|затримки |
| |перетворен-| |вихідного |дів |розповсюд|
| |ня, % | |струму, нс | |ження |
|К1118ПА1 |-5;5 |-0,5;0,5 |20 |16 |6 |
|К1118ПА3 |-2;2 |-0.195;0,195|10 |24 |— |
[4, ст. 110]
Цих дві ВІС сумісні з логікою ЕСЛ. Для того, щоб не ускладнювати схему
для узгодження з ТТЛ-логікою, я використаю 10-розрядну ЦАП, а лишні виводи
заземлю.
Опишемо швидкодіючий ЦАП К572ПА1, який призначений для перетворення
двійкового коду у струм, містить 10 розрядних струмових перемикачів і
генератор струмів і побудований на основі матриці R-2R. Ця мікросхема
характеризується малою споживаною потужністю і достатньою вихідною
швидкодією (час перетворення становить 5 мкс). К572ПА1 – ЦАП перемножуючого
типу. Поставляється в герметичному корпусі типу 201.16-8. Корпус
металокерамічний; містить 16 виводів (двохрядне розміщення виводів).
Виконанна на КМОН – технології з полікремнієвим затвором. В склад ЦАП-а
входитьпрецезійна полікремнієва резистивна матриця типу R-2R, підсилювачі-
інвертори (ПІ) для керування ключами, струмові двохполярні ключі, виконані
на КМОН транзисторах.
Для роботи ЦАП в режимі з виходом по напрузі до ІС підключається ДОН і
операційний підсилювач з колом зворотнього зв’язку, яке працює в режимі з
сумуванням струмів.
Метод перетворення, що використовується в ІС К572ПА1, передбачає
сумування у відповідності до заданого значення двійкового коду всіх
розрядних струмів, які є зваженими по двійковому законі і пропорційних
значенню опорної напруги на виводі 15.
Нумерація і призначення
|
