Материал: ОМСУвЭ

СОДЕРЖАНИЕ

1. Типовые узлы и устройства микропроцессоров и микроЭВМ – мультиплексоры

1.1. Устройство мультиплексора

1.2. Принцип действия мультиплексора

1.3. Сфера применения мультиплексора

2. Микропроцессорные системы управления – основные характеристики аналого-цифровых преобразователей

3. Программирование – программное обеспечение микропроцессорных систем управления

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1 Типовые узлы и устройства микропроцессоров и микроЭвм – мультиплексоры

1.1 Устройство мультиплексора

Мультиплексор представляет собой комбинированное цифровое устройство, обеспечивающее поочередную передачу на один выход нескольких входных сигналов. Он позволяет передавать (коммутировать) сигнал с желаемого входа на выход, в этом случае выбор требующегося входа реализуется определенной комбинацией управляющих сигналов. Число мультиплексных входов принято называть количеством каналов, их может быть от 2 до 16, а число выходов называют разрядами мультиплексора, обычно это 1 — 4.

Мультиплексоры по способу передачи сигналы различают на:

— аналоговые;

— цифровые.

Так, аналоговые устройства при помощи непосредственного электрического соединения подключают вход к выходу, в таком случае его сопротивление составляет порядка нескольких единиц – десятков Ом. Их поэтому называют коммутаторами или ключами. Цифровые (дискретные) же устройства не имеют прямой электрической связи входа и выхода, они только копируют на выход сигнал – «0» или «1».

1.2. Принцип действия мультиплексора

В общем виде принцип действия мультиплексора можно объяснить на примере коммутатора, обеспечивающего соединение входов с выходом устройства. Работа коммутатора обеспечивается на основе управляющей схемы, в которой существуют адресные и разрешающие входы. Сигналы с адресных входов указывают, какой именно информационный канал соединен с выходом. Разрешающие входы применяют для увеличения возможностей – увеличения разрядности, синхронизации с протеканием работы прочих механизмов и пр. Для создания управляющей схемы мультиплексора обычно используют дешифратор адреса.

Рисунок 1 – Схема мультиплексора

1.3. Сфера применения мультиплексора

Мультиплексоры предназначены для использования в качестве универсального логического элемента при реализации любых функций, число которых равных количеству адресных входов. Их широко используют с целью коммутации отдельных шин, отходящих линий или их групп в энергетике. В микропроцессорных системах их устанавливают на удаленные объекты для реализации возможности передачи информации по одной линии от нескольких, размещенных на удаленном расстоянии друг от друга датчиков. Также мультиплексоры в схемотехнике используют в делителях частоты, при создании схем сравнения, счетчиков, генераторов кодов и пр., для трансформации параллельного двоичного кода в последовательный.

Число каналов мультиплексоров, выпускаемых отечественной промышленностью сегодня, обычно насчитывает 4, 6, 10 и 16. Для построения схем, имеющих большее число входов, используют так называемую схему каскадного дерева, которая позволяет создавать устройства с произвольным числом входных линий на основе серийно выпускаемых мультиплексоров.

2 Микропроцессорные системы управления – основные характеристики аналого-цифровых преобразователей

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) — это устройства, предназначенные для преобразования аналоговых сигналов в цифровые. Для такого преобразования необходимо осуществить квантование аналогового сигнала, т. е. мгновенные значения аналогового сигнала ограничить определенными уровнями, называемыми уровнями квантования.

Наиболее важным и ответственным узлом любого цифрового средства измерений является аналого-цифровой преобразователь (АЦП) - Analog-to-Digital Converter (ADC), поскольку именно он определяет основные метрологические характеристики и быст­родействие всего прибора. Задача АЦП - автоматически транс­формировать бесконечное множество возможных значений вход­ной аналоговой величины в конечное множество (в ограниченный набор цифровых эквивалентов, кодов). Разрядность АЦП, его по­грешности, чувствительность, быстродействие, надежность в зна­чительной мере определяют окончательную достоверность резуль­татов измерения и регистрации, возможности и характеристики цифровой измерительной аппаратуры в целом.

Рисунок 2 – Вид идеального квантования

Рассмотрим основные характеристики АЦП, знание которых необходимо для правильного сравнения возможностей различных преобразователей (и, следовательно, грамотного выбора прибора для эксперимента). Для определенности будем полагать в дальней­ших рассуждениях, что входным сигналом АЦП является напря­жение постоянного тока.

Длина шкалы L (Length of Scale) характеризует число возмож­ных уровней преобразования (ступеней характеристики преобра­зования) АЦП. Этот термин возник на заре цифровой измеритель­ной техники по аналогии с длиной шкалы (числом делений) ана­логовых стрелочных измерительных приборов. Длина шкалы L ЦИП определяется разрядностью АЦП.

Разрядность п -это число двоичных разрядов (бит) - Number of Bits или десятичных разрядов - Number of Digits. Если разряд­ность АЦП - п двоичных разрядов (бит), то длина шкалы L = 2ⁿ. Например, при п = 11 бит значение L = 2048. Если разрядность АЦП - n десятичных разрядов, то L = 10ⁿ. Например, при п,равном четырем полным десятичным разрядам, значение L = 9999 (как говорят при этом - «четыре девятки»), или округленно L = 10 000. Цифровые средства измерения, предназначенные для работы с человеком (а не в составе измерительных систем), имеют деся­тичные цифровые отсчетные устройства, т.е. индикаторы, отра­жающие числа в десятичной (привычной нам) системе счисления и состоящие из нескольких десятичных разрядов. Характеризо­вать отсчетное устройство (индикатор) ЦИП при этом можно по-разному.

Один из способов - задание максимального числа возможных значений выходного цифрового кода (точек) на отсчетном уст­ройстве, т.е. указание длины шкалы L. Например, L = 999 точек (или округленно - 1000 точек).

Другой способ - задание числа десятичных разрядов п. При­чем число десятичных разрядов п может быть как целым (например, 4 десятичных разряда), так и дробным (например, п = 3 ¹/₂ разряда). В первом случае в каждом разряде индикатора в процессе измерения могут появляться любые цифры от 0 до 9. Например, если макси­мально возможное индицируемое число L = 999, то говорится, что разрядность п равна трем полным десятичным разрядам. Во втором случае (дробное задание разрядности) в старшем десятичном разряде могут быть, например, только цифры 0 или 1 (это не пол­ный разряд, а половина разряда), а в остальных, скажем, трех раз­рядах - цифры от 0 до 9 (это полные разряды). Максимальное число на индикаторе такого ЦИП может быть 1999. При этом раз­рядность п определяется как 3 ¹/₂ разряда.

Разрешающая способность R (Resolution) - это величина, обрат­ная длине шкалы L (R = 1: L)и характеризующая чувствительность АЦП. Чем больше длина шкалы L, тем лучше разрешающая спо­собность R и тем, следовательно, выше качество преобразования. Значение кванта q (quant) - единицы младшего значащего раз­ряда (МЗР) определяется отношением номинального U_номзначе­ния входного напряжения (или верхнего значения диапазона из­мерения) к длине шкалы L:

q = U_ном/ L.

Для двоичных АЦП значение кванта q иногда обозначается Least Significant Bit (LSB), для десятичных АЦП - Least Significant Digit (LSD).

Например, если длина шкалы цифрового мультиметра L = 1999 точек (или округленно 2000 точек) и выбран диапазон измеряемых напряжений U_ном = 2 В, то вес кванта (единицы МЗР) в этом режи­ме q = 1 мВ. Чем меньше значение q,тем выше чувствительность преобразования и, как правило, выше точность. Значение кванта q определяет чувствительность АЦП и прибора в целом.

Погрешность квантования D_кв - важное понятие цифровой из­мерительной техники. Одним из основных источников недосто­верности преобразования аналогового сигнала в цифровой код яв­ляется процедура квантования, т.е. автоматического округления. Преобразование бесконечного множества возможных значений входного напряжения U в конечное число возможных уровней вы­ходного кода неизбежно приводит к появлению погрешности квантования D_кв. Эта погрешность принципиально неистребима, но может быть обеспечена удовлетворительно малой.

Функция погрешности квантования D_кв - это разница между реальной ступенчатой характеристикой преобразования и идеаль­ной линейной.

Конкретное значение погрешности D_кв в каждом отдельном ре­зультате преобразования - это случайная величина, равномерно распределенная на интервале кванта q. Все возможные значения этой погрешности лежат в диапазоне ± q/2 (плюс - минус полови­на кванта). Максимальное значение погрешности D_кв составляет по модулю q/2. Конечно, суммарная погрешность АЦП определяется не только погрешностью квантования. Реальная суммарная погреш­ность современных АЦП обычно находится в диапазоне 2... 5 еди­ниц младшего значащего разряда (т.е. 2q...5q).

Рисунок 3 иллюстрирует зависимость выходного кода N АЦП от значения входного напряжения U,а также связь основных поня­тий: разрядности n, длины шкалы L,разрешающей способности R, веса кванта q и значения погрешности квантования D_кв на примере двоичных АЦП (т.е. АЦП, работающих в двоичной системе счисле­ния), входной сигнал которых - напряжение постоянного тока U. Случай разрядности п = 1 бит (рис. 3, а)соответствует про­стейшему АЦП с двумя возможными состояниями - 0 или 1.

Рисунок 3 - Связь разрядности, длины шкалы и погрешности квантования 

а - п= 1 бит, L = 2¹ = 2, R = 1 : 2; б - п= 2 бита, L = 2² = 4, R = 1 : 4; в - п= 3 бита, L = 2³ = 8, R = 1 : 8

Случай разрядности п = 2бита (рис.3, б)соответствует АЦП с длиной шкалы L = 4. Случай п = 3 бита (рис.3, в)соответ­ствует длине шкалы АЦП L = 8. Чем больше число двоичных разря­дов п,тем больше длина шкалы L (больше число возможных уров­ней квантования N_m),тем меньше погрешность квантования D_кв.

3 Программирование – программное обеспечение микропроцессорных систем управления

Микропроцессор - программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, выполненное в виде одной (или нескольких) интегральной схемы с высокой степенью интеграции электронных элементов.

Микропроцессор характеризуется большим числом параметров, поскольку он одновременно является сложным программно-управляемым устройством и электронным прибором (микросхемой). Поэтому для микропроцессора важны, как тип корпуса, так и система команд процессора. Возможности микропроцессора определяются понятием архитектуры микропроцессора.

Микропроцессорная система работает с цифровой информацией, которая представляет собой последовательность цифровых кодов.

В основе любой микропроцессорной системы лежит микропроцессор, который способен воспринимать только двоичные числа (составленные из 0 и 1). Двоичные числа записываются посредством двоичной системы счисления. Например, в повседневной жизни мы пользуемся десятичной системой счисления, в которой для записи чисел используются десять символов или цифр 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. Соответственно в двоичной системе таких символов (или цифр) всего два – 0 и 1.

Необходимо понимать, что система счисления – это всего лишь правила записи чисел, и выбор типа системы определятся удобством применения. Выбор двоичной системы обусловлен её простотой, а значит надёжностью работы цифровых устройств и лёгкостью их технической реализации.

Основу микропроцессорной системы составляет микропроцессор (процессор), который выполняет функции обработки информации и управления. Остальные устройства, входящие в состав микропроцессорной системы, обслуживают процессор, помогая ему в работе.

Обязательными устройствами для создания микропроцессорной системы являются порты ввода/вывода и отчасти память. Порты ввода/вывода связывают процессор с внешним миром, обеспечивая ввод информации для обработки и вывод результатов обработки, либо управляющих воздействий. К портам ввода подключают кнопки (клавиатуру), различные датчики; к портам вывода - устройства, которые допускают электрическое управление: индикаторы, дисплеи, контакторы, электроклапаны, электродвигатели и т.д.

Память нужна в первую очередь для хранения программы (либо набора программ), необходимой для работы процессора. Программа - это последовательность команд, понятных процессору, написанная человеком (чаще программистом).

Структура микропроцессорной системы представлена на рисунке 1. В упрощённом виде процессор состоит из арифметически-логического устройства (АЛУ), осуществляющего обработку цифровой информации и устройства управления (УУ).

Память обычно включает постоянно-запоминающее устройство (ПЗУ), являющееся энергонезависимым и предназначенное для долговременного хранения информации (например, программ), и оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ), предназначенное для временного хранения данных.

Рисунок 4 – Структура микропроцессорной системы

Процессор, порты и память взаимодействуют между собой посредством шин. Шина – это набор проводников, объединённых по функциональному признаку. Единый набор системных шин называют внутрисистемная магистраль, в которой выделяют:

• шину данных DB (Data Bus), по которой производится обмен данными между ЦП, памятью и портами;

• шину адреса AB (Address Bus), используемой для адресации процессором ячеек памяти и портов;

• шину управления CB (Control Bus), набор линий, передающих различные управляющие сигналы от процессора на внешние устройства и обратно.

Микропроцессорная система управления как числовой исполнитель способен выполнять некоторые функционально завершенные последовательности действий над числами - операндами. Эти последовательности маркируются (обозначаются) тем же "языком" чисел, который воспринимается устройством управления микропроцессорных систем управления. Число-маркер, поставленное в соответствие некоторой последовательности действий микропроцессорной системы управления по обработке информации в рамках своей структуры, называется кодом операции, а сама последовательность – командой.

Полный набор команд, которые способна выполнять микропроцессорная системы управления, носит название системы команд. 

Программой называется последовательность действий конкретного элемента микропроцессорных систем управления, описанная в терминах его команд.

Таким образом, принципиальным достоинством МП является его программируемость, т.е. возможность настройки на конкретный вид преоб­разований входного информационного потока. Необходимое условие программируемости - возможность описать любое действие с требуемой для МП степенью детализации (до команд).

На заре возникновения вычислительной техники большую часть затрат при разработке составляли аппаратные средства. В настоящее время при создании микропроцессорных систем управления свыше 90% затрат прихо­дится на программное обеспечение (ПО), так как совершенствовались технологии производства аппаратных средств, а труд программиста оставался таким же затратным. Поэтому одним из условий успешного внедрения микропроцессорных систем управления яв­ляется наличие уже разработанного и хорошо развитого программного обеспечения под выб­ранный микропроцессорный комплект, которое обычно состоит из двух частей: резидентной и кросс-обеспечения.

Резидентное программное обеспечение - это совокупность программ, разработанных для конкретной микропроцессорной системы управления на языке используемого в ней процессора. К нему можно отнести:

• программы самодиагностики для контроля правильности функционирования данной микропроцессорной системы управления;

• прикладные программы, непосредственно реализующие функции, возлагаемые на систему пользователями (управление объектами, проектирование изделий и многое другое);

• операционная система, обеспечиваю­щая как организацию совместного функционирования всех элементов ее структуры (монитор, включающий в себя драйверы внешних устройств – программы, реализующие информационно-логическое сопряжение вычислительного устройства с ним), так и распределение ресурсов микропроцессорных систем управления между прикладными программами (процессами) пользователя (супервизорная часть);

• среды разработки программного обеспечения, представляющие собой комплекс программ, необходимых для создания программного обеспечения микропроцессорных систем управления: текстовые редакторы; трансляторы, осуществляющие перевод исходного текста программы на формальном языке в исполняемую программу на языке процессора; отладчики, позволяющие различными методами находить ошибки в разрабатываемом программном обеспечении. При этом средства отладки должны управлять исполнением программы (останавливать, изменять порядок, запускать), собирать информацию о ходе ее выполнения, обеспечивать диалог между программистом и электронно-вычислительной машиной на уровне языка программирования.

Другую большую часть программного обеспечения микропроцессорного комплекта составляет кросс-обеспечение - это совокупность программ для разработки и отладки резидентного программного обеспечения микропроцессорных систем управления на микропроцессорную систему управления с другим типом микропроцесса. К ним относятся:

• текстовый редактор, обеспечи­вающий ввод в кросс-систему и корректировку программы пользователя на исходном языке;

• интерпретатор, осуществляющие перевод программы с исходно­го языка в команды микропроцессорных систем управления с одновременным их исполнением;

• дизассемблер - транслятор, осуществляющий обратное преобразование исполняемой программы с языка команд микропроцессорных систем управления на формальный язык – Ассемблер;

• программный эмулятор, позволяющие промоделировать работу микропроцессорной системы управления и прочих аппа­ратных средств разрабатываемой микропроцессорной системой управления на другой электронно-вычислительной машине,