Учебное пособие: Методические указания к лабораторным работам №1-­5 для студентов специальности 210100 «Управление и информатика в технических системах»

М и н и с т е р с т в о о б р а з о в а н и я

Р о с с и й с к о й Ф е д е р а ц и и

Х а б а р о в с к и й г о с у д а р с т в е н н ы й

т е х н и ч е с к и й у н и в е р с и т е т

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ УСТРОЙСТВА

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Методические указания

к лабораторным работам № 1-­5

для студентов специальности 210100

«Управление и информатика в технических системах»

Хабаровск

Издательство ХГТУ

2000

УДК 681.322

Микропроцессорные устройства систем управления: Методические указания к лабораторным работам № 1-5 для студентов специальности 210100 «Управление и информатика в технических системах» / Сост. В. Э. Иванов, А. В. Левенец. – Хабаровск: Изд-во Хабар. гос. техн. ун-та, 2000. – 27 с.

Методические указания разработаны на кафедре «Автоматика и системотехника». Предназначены для ознакомления с принципами построения и функционирования периферийных устройств микропроцессорной техники на основе учебных микропроцессорных комплектов (УМК). Работы 1, 2 составлены В. Э. Ивановым, работы 3, 4, 5 – А. В. Левенцом.

Печатается в соответствии с решениями кафедры «Автоматика и системотехника» и методического совета института информационных технологий.

ã Издательство Хабаровского

государственного

технического университета, 2000

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ОРГАНИЗАЦИЯ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВВОДА - ВЫВОДА

Цель работы: изучение режимов работы и принципов программирования БИС периферийного адаптера К580ВВ55А.

Основные сведения

Программируемые периферийные адаптеры (ППА) предназначены для организации связи между внешними устройствами и микропроцессором (МП). Наиболее часто такие адаптеры используются для реализации сложных интерфейсов, когда логика обмена заранее не известна, или когда характеристики процедур обмена должны меняться во время работы микропроцессорной системы. Номенклатура БИС ППА довольно обширна, но наиболее часто используются следующие БИС: i8255А – ППА фирмы Intel (отечественный аналог КР580ВВ55А) и МС6820 – ППА фирмы Motorola.

Рассмотрим основные принципы организации и функционирования ППА на примере БИС КР580ВВ55А (ВВ55А). Это однокристальное программируемое устройство параллельного ввода/вывода информации произвольного формата. Адаптер позволяет осуществлять параллельный обмен данными в режиме программного управления или по прерываниям. При этом обеспечивается организация как однонаправленного, так и двунаправленного ввода/вывода. Определение и переопределение типа интерфейса выполняется программными методами с помощью специальных процедур инициализации.

Структурная схема программируемого периферийного адаптера ВВ55А приведена на рис. 1. В состав ППА входят три двунаправленных 8-разрядных порта (A, B и C), разбитых на две группы, два устройства управления группами портов и интерфейсная логика для согласования с системной магистралью. Порты содержат буферные регистры и шинные формирователи с тремя состояниями. Схема управления содержит регистр управляющего слова CW, который доступен только для записи и определяет режимы работы ППА. Программный доступ к такому регистру дает возможность оперативно управлять работой адаптера и изменять характеристики интерфейса в соответствии с текущей необходимостью.

Обмен информацией между МП и внутренними регистрами ППА осуществляется через двунаправленный шинный формирователь и управляется сигналами CS, A0, A1, RD и WR в соответствии с требованиями к шине Microbus. Адресные сигналы (А0 и А1) выбирают один из внутренних регистров, а стробы RD и WR управляют направлением передачи согласно табл. 1. Вход RESET служит для аппаратного сброса БИС в исходное состояние, при этом все внутренние регистры ППА, включая регистр управляющего слова CW, обнуляются.

Настройка ППА выполняется программно с помощью специального управляющего слова MS (Mode Selection), которое назначает режим работы каждому каналу. Эти режимы могут быть изменены в любое время. Для хранения MS используется 7-разрядный регистр управляющего слова CW, запись в который осуществляется при передаче в ППА управляющего слова с установленным в «1» битом D7. Управляющее слово определяет режим работы каждого канала ВВ в соответствии с форматом, приведённым на рис. 2.

Таблица 1

Устройства управления групп А или В воспринимают только свою часть управляющего слова. При записи нового управляющего слова все буферные регистры портов обнуляются.

Адаптер поддерживает три режима работы портов:

режим 0 - однонаправленный ВВ без квитирования (применим к любому из трех портов). Код режима - “00”;

режим 1 - однонаправленный ВВ с квитированием (применим к портам A и B). Код режима – “01”;

режим 2 - двунаправленный ВВ (допускается только для порта A).

При работе портов A и B в режимах 1 и 2 часть линий порта C из соответствующей группы используется для управления обменом с периферийным устройством (ПУ). Код режима “10” или “11”.

При сбросе бита D7 управляющее слово носит название BSR (Bit Set/Reset) и применяется для независимой установки (сброса) разрядов выходного порта C при его использовании для управления ПУ. Формат слова BSR представлен на рис. 3.

Порты A, B и C для работы в том или ином режиме программируются независимо друг от друга. Так, если порт B запрограммирован для ввода данных в режиме 1, то порт A может выполнять любую другую операцию обмена из числа возможных. Свободная от управления часть порта C может программироваться для ввода или вывода в режиме 0, причем младшая половина порта независимо от старшей.

Применение ППА ВВ55А позволяет организовать связь микроЭВМ с приемниками и передатчиками цифровой информации в параллельном коде, а также строить схемы адаптеров радиального параллельного интерфейса (ИРПР).

При работе портов в режимах 1 и 2 управление обменом информацией с ПУ осуществляется дополнительными сигналами управления. Для генерации сигналов управления используются отдельные линии порта C. При разработке следует учитывать, что усложнённый алгоритм управления вводом-выводом, свойственный этим режимам, затрудняет построение аппаратной части периферийного устройства и программную реализацию.

В режиме 0 осуществляется прямой однонаправленный ввод/вывод через любой из трёх портов без каких-либо сигналов сопровождения. В этом режиме интерфейс можно представить как набор параллельных линий ВВ, организованных в две байтовые и две 4-разрядные шины, причём каждая может быть применена либо для ввода, либо для вывода независимо от других.

Входная информация адаптером не запоминается и читается при низком уровне напряжения сигнала на входе RD. Выходная информация защелкивается в выходной буферный регистр выбранного порта по срезу сигнала WR и остаётся на выходе порта до нового цикла вывода или изменения режима.

Описание лабораторного стенда

Основой стенда является БИС КР580ВВ55А. Вывод информации осуществляется через порт А. Для индикации информации, выводимой в порт A, используются светодиоды HL1-HL8. Для имитации сигналов от периферийных устройств служат кнопки К1 и К2 (биты С7 и С6 соответственно).

После включения питания или после нажатия на кнопку «СБРОС» УМК все порты ППА переходят в высокоомное состояние и светодиоды HL1-HL8 загораются.

Адресация микросхемы производится при выполнении команд IN port и OUT port. При этом по шине управления на соответствующие выводы микросхемы подаются сигналы RD и WR. В качестве дешифратора адреса используется дешифратор двоичного кода в позиционный (К555ИД7). Подключая его входы к различным разрядам шины адреса, можно варьировать распределение регистров ППИ в пространстве ввода-вывода МП К580ВМ80. Для задания базового адреса микросхемы необходимо установить перемычку между соответствующим выводом дешифратора и выводом 6 БИС К580ВВ55. Соответствие между выходами дешифратора и базовым адресом ППА приведено в табл. 2.

Таблица 2

Для адресации внутренних регистров К580ВВ55 используются два младших разряда шины адреса. Например, если выбрать в качестве базового адрес 80, то при выполнении команд IN 80 , IN 81 , IN 82 или IN 83, на выводе 15 дешифратора вырабатывается логический «0», разрешающий работу ППА.

ЗАДАНИЕ

1. Вывести в порт двоичное число, используя базовый адрес микросхемы 90. Произвести проверку правильности выдачи по светодиодному индикатору.

2. Используя порты А и С, написать программу вывода данных в циклическом режиме. Тип выдаваемых данных, скорость выдачи и базовый адрес микросхемы по вариантам указаны в табл. 3.

Таблица 3

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ПРОГРАММИРУЕМЫЙ ИНТЕРВАЛЬНЫЙ ТАЙМЕР К580ВИ53

Цель работы : изучение принципов программирования и режимов работы таймера К580ВИ53

Основные сведения

Программируемый интервальный таймер (ПИТ) КР580ВИ53 является функционально законченным однокристальным периферийным устройством встраиваемого типа, предназначен для работы совместно с микропроцессором К580ВМ80 и решает одну из наиболее важных проблем любой микропроцессорной системы (МПС) – генерацию точных временных интервалов под программным контролем.

Структурная схема таймера КР580ВИ53 приведена на рис. 4. В состав БИС входят три канала, основу которых составляют 16-разрядные вычитающие счетчики (СТ0, СТ1 и СТ2) с частотой счета по входу CLK до 2 МГц. Каждый канал ПИТ может работать независимо от других в одном из шести программно заданных режимов. Счетчики каналов программно доступны для записи и чтения и могут работать как в двоичном, так и в двоично-десятичном коде. Управление режимами осуществляется с помощью управляющих слов CW, которые определяют режим работы таймера, код счета (двоичный или двоично-десятичный) и формат обмена данными с МП при операциях со счетчиками.

Связь ПИТ с МПС осуществляется через двунаправленную восьмиразрядную шину данных D0–D7 под управлением пяти сигналов A0, A1, CS, RD и WR. При двухбайтовом формате данных операция со счетчиками выполняется дважды: сначала записывается (считывается) младший байт, затем - старший. Обслуживание СТ выполняется параллельно и независимо друг от друга. При подаче питания на БИС состояния регистров счетчиков и режимы работы не определены, поэтому перед началом работы каждый канал таймера должен быть инициализирован индивидуально посылкой соответствующего слова состояния CW.

Любое слово CW, за исключением операции защёлкивания (RL=0), сопровождается 1-2 байтами слова данных DW начального состояния выбранного СТ. Выполнение операции начинается только после загрузки последнего байта данных. Последовательность инициализации каналов произвольна, причем допускается приостановка инициализации любого канала на неопределённое время с последующим её продолжением или началом новой. Формат слова CW приведен на рис. 5.

Каналы ПИТ могут работать в следующих режимах:

Режим 0 (прерывание по окончании счета). По окончании записи CW на выходе OUT устанавливается «0». После загрузки DW счётчик начинает вычитать по каждому срезу CLK. При установке счетчика в 0, на выходе OUT устанавливается уровень «1», однако работа счетчика при этом не останавливается. Перезапуск канала производится при загрузке новых данных DW. Запись первого байта останавливает счёт, второй байт запускает новый счёт. Вход GATE разрешает счёт при высоком и запрещает его при низком уровне напряжения.

Режим 1 (программируемый одновибратор). Выход OUT генерирует «0» по первому срезу CLK после фронта GATE, и счётчик начинает считать. При установке счетчика в 0 на выходе OUT устанавливается «1». Перезагрузка СТ во время счёта не изменяет длительности текущего импульса, при этом появление нового фронта GATE перезапускает СТ с новым или старым значением. Чтение счётчика возможно в любое время.

Режим 2 (генератор частоты). Выход OUT равен «0» только в течение одного периода входной частоты CLK, который определяется значением DW. Перезагрузка СТ не приводит к изменению длительности текущего периода, но влияет на длительность последующего. При подаче на управляющий вход GATE уровня «0» выход OUT устанавливается в состояние «1». Фронт GATE запускает СТ из начального состояния и может служить для аппаратной синхронизации счетчика.

Режим 3 (генератор прямоугольных импульсов). Уровень «1» на выходе OUT будет сохраняться до тех пор, пока не закончится одна половина счета. При нечетном DW на протяжении (N+1)/2 тактов удерживается «1» и на протяжении (N-1)/2 тактов - «0». При перезагрузке СТ новое значение скажется на результате работы только при переходе OUT в другое состояние. В остальном режим подобен предыдущему.

Режим 4 (программная задержка строба). После записи CW на выходе OUT устанавливается 1. Запуск счёта осуществляется после загрузки DW. При установке счетчика в 0 на выходе OUT генерируется импульс длительностью в один период CLK, а СТ продолжает работать. Перезагрузка СТ во время счёта приводит к перезапуску СТ. Появление уровня «0» на входе GATE приостанавливает счёт.

Режим 5 (аппаратная задержка строба). Счётчик начинает работать только по фронту сигнала, поданного на вход GATE. Новый фронт перезапускает текущий счёт. В остальном режим подобен предыдущему.

Во всех режимах сигнал GATE является управляющим, т. е. запрещает счёт низким уровнем напряжения и (или) перезапускает фронтом. В ряде случаев необходимо контролировать текущее состояние СТ, например, когда СТ используется в качестве счётчика событий или реальных часов. Существуют два метода чтения содержимого СТ. Первый метод состоит в обычном чтении 1-2 байтов выбранного СТ. Если формат данных обмена с CT - слово, то оба байта должны быть считаны до подачи на данный СТ новой команды. Второй метод заключается в чтении содержимого СТ без запрета его работы. Для этого в ПИТ должна быть послана специальная команда защёлкивания (поле RL=0), при которой поле SC определяет счетчик, к которому идет обращение. Остальные разряды CW могут быть произвольными. По команде защёлкивания текущее состояние выбранного СТ записывается в специальный регистр, что не мешает работе СТ. Следующая за командой операция чтения приводит регистр в исходное состояние. Операция чтения подвержена тем же ограничениям, что и в предыдущем случае.

Описание лабораторного стенда

Адресация микросхемы осуществляется аналогично К580ВВ55. Для этого к выводам А1 и А0 через буферы подключены соответствующие разряды шины адреса. Вход таймера 0 подключен к генератору системной частоты УМК (F2). Входы CLK1 и CLK2, а также выходы OUT0, OUT1, OUT2 имеют статус контрольных точек и могут соединяться между собой перемычками. Реакция БИС на сигналы управления приведена в табл. 4.

Таблица 4

ЗАДАНИЕ

1. Запрограммировать канал 0 на режим генератора частоты. Убедиться в наличии сигнала на выходе схемы.

2. Используя канал 0 в качестве генератора опорной частоты для каналов 1 и 2, реализовать генератор прямоугольных импульсов с периодами, указанными в табл. 5.

Таблица 5

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ГЕНЕРАТОР АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ

Цель работы : изучение способов формирования аналоговых сигналов в микропроцессорных системах.

Основные сведения

В настоящее время микропроцессорные управляющие системы (МПУС) используются практически во всех областях науки и техники. Разнообразие решаемых задач предполагает наличие у МПУС возможности управления различными типами исполнительных органов, которые зачастую требуют не цифрового, а аналогового управляющего сигнала. Поэтому в состав управляющей микроЭВМ часто включают узел, преобразующий цифровую форму представления информации в аналоговую.

Аналоговый сигнал, сформированный цифровым способом, обладает рядом преимуществ. Параметры сигнала (период, форма, амплитуда) не зависят от параметров внешней среды, стабильны по времени и могут быть установлены с требуемой точностью. Цифровой генератор в составе МПС позволяет формировать сигналы практически любой формы и легко реализуется по интегральной технологии, что широко используется во многих областях техники (например, в автоматике, радиотехнике и др.). Наиболее общая структурная схема цифрового генератора аналоговых сигналов приведена на рис. 6.

Рис. 6. Структурная схема цифрового генератора

Работа такого устройства состоит в следующем. С генератора тактовых импульсов (ГТИ) тактовая частота подается на вход двоичного счетчика СТ, выходы которого подаются на адресные входы ПЗУ. В ПЗУ хранится цифровой образ сигнала, который необходимо получить на выходе генератора. Далее n-разрядные данные из ПЗУ поступают на цифровые входы ЦАП, на выходе которого получают требуемый аналоговый сигнал. Здесь следует отметить, что шаг дискретизации по времени равен периоду тактовой частоты ГТИ, а количество отсчетов на период сигнала равен 2^m , где m – разрядность счетчика СТ. При этом шаг квантования по уровню определяется как U_оп /2ⁿ , где U_оп – опорное напряжение ЦАП, а n – разрядность ПЗУ.

Используя микропроцессор и порты параллельного ввода-вывода, можно исключить ГТИ, СТ и ПЗУ. Функции ГТИ при этом будет выполнять системный генератор, функции счетчика - микропроцессор, а отсчеты сигнала будут находиться в памяти микропроцессора.

Описание лабораторного стенда

Модуль построен на основе БИС КР580ВВ55А и ЦАП К572ПА1. Значение выводимого байта данных индицируется светодиодами HL1-HL8. На выходе ЦАП формируется ток, пропорциональный входному двоичному коду. Выходное напряжение ЦАП снимается с выхода дополнительного усилителя DA10 и имеет отрицательную полярность.

Результатом преобразования является аналоговый сигнал, получаемый на выходе операционного усилителя DA1, включённого по схеме инвертирующего повторителя. Инверсия аналогового сигнала производится для получения более наглядного его представления. Модуль предназначен для генерации аналогового сигнала с диапазоном изменения от 0 до +3 В с шагом квантования »12 мВ.

ЗАДАНИЕ

1. Произвести калибровку цифрового генератора. Определить U_{вых. max} при входном коде 0FFH и U_{вых. min} . при входном коде 00Н.

2. Написать программу, реализующую пилообразный сигнал. Определить DU (шаг квантования по уровню) и DT (по времени).

3. Написать, ввести и выполнить программу, реализующую сигналы, приведенные в табл. 6.

4. Включение и выключение генератора производить по клавишам К1 и К2 соответственно.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ОРГАНИЗАЦИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ ИНДИКАЦИИ

В ЛИНЕЙНЫХ ДИСПЛЕЯХ

Цель работы: изучение принципа организации линейных устройств отображения информации на базе микропроцессорной системы.

Основные сведения

Отображение информации является важной частью любого информационного процесса измерения, управления и контроля. Воспринимаемая человеком информация должна быть представлена в эффективной форме с минимальными требованиями к перекодировке и пересчёту. Поэтому цифровое воспроизведение информации во многих случаях лучше аналогового.

В цифровой технике применяют индикаторы, основанные на различных принципах действия. Наиболее распространённым и удобным средством отображения информации являются семисегментные индикаторы (ССИ). Семь отображающих элементов позволяют высвечивать десятичные и шестнадцатеричные цифры, некоторые буквы русского и латинского алфавитов, а также некоторые специальные знаки. Структуру ССИ можно показать на примере АЛС321А (рис. 7).

Для отображения многосимвольной информации используются линейные дисплеи. Такой дисплей представляет собой «линейку», смонтированную из отдельных ССИ. Число знакомест дисплея определяется в соответствии с требованиями к МПС.

Существует два способа организации интерфейса микроЭВМ с линейным дисплеем: статический и динамический. Первый предполагает наличие на входах каждого ССИ преобразователя кодов (например, К514ИД1) и буферных регистров, в которых фиксируется выводимая информация. Очевидно, что с увеличением разрядности дисплея повышается и стоимость МПС. Динамический же способ отображения информации основан на том, что любой световой индикатор является инерционным прибором, а человеческому глазу отображаемая на дисплее информация, если её обновлять с частотой примерно 50 раз в секунду, представляется неизменной. Такой способ вывода информации на дисплей требует значительно меньших аппаратных затрат, но более сложного программного обеспечения. Именно этот способ организации вывода информации получил преимущественное распространение в МПС.

На рис. 8 показана функциональная схема n-разрядного линейного дисплея с динамической индикацией. Дисплей работает следующим образом. На шину данных (ШД) последовательно выдаются значения разрядов индицируемого числа, стробируемые сигналом «Зп». Данные поступают на преобразователь из двоичного кода в семисегментный, с выхода которого информация параллельно заводится на все разряды дисплея. Счетчик Сч и дешифратор Дш служат для определения активного разряда линейного дисплея (разряда, в который выводится текущая информация с ШД). По сигналу «Зп» происходит изменение активного разряда так, что последовательно перебираются все разряды дисплея. Следует отметить, что чем больше разрядность дисплея, тем менее ярко светятся индикаторы, т. к. время свечения одного разряда уменьшается в силу необходимости выдерживать период между повторением информации, равный 20 мс.

В микропроцессорной системе для реализации такого принципа необходимо использовать два порта. К одному из них подключают параллельно одноименные выводы сегментов индикаторов, а на другом реализуется «бегущая единица».

Описание лабораторного стенда

Низкая нагрузочная способность ППА К580ВВ55А не допускает прямого соединения с семисегментными индикаторами, поэтому в схеме в качестве промежуточных усилителей тока используются логические элементы И-НЕ с открытым коллектором К155ЛА8. Ограничивающие резисторы R1-R8 обеспечивают протекание через сегменты тока, достаточного для их засветки. Дисплей выполнен на четырёх семисегментных светодиодных цифробуквенных индикаторах HG1-HG4 АЛС321А. Индикатор HG1 занимает правое знакоместо дисплея. Схема включения семисегментных индикаторов определяет активный уровень управляющего сигнала для байта выборки (уровень логической «1») и для байта индикации (уровень логического «0»).

В данной лабораторной работе преобразование двоичного кода в код семисегментных индикаторов осуществляется программно. Двоичному коду индицируемого символа ставится в соответствие определённый байт индикации, который и выдаётся в выходной порт В. Перекодировку удобнее всего проводить табличным способом, для чего байты индикации размещаются в смежных ячейках памяти в порядке возрастания исходных двоичных кодов символов. Такое расположение байтов индикации упрощает процесс перекодировки. Значения байтов индикации для десятичных цифр приведены в табл. 7.

Таблица 7

ЗАДАНИЕ

Написать процедуру вывода информации на четырехзначный дисплей в динамическом режиме. Исходные данные для программы: четырехзначное шестнадцатеричное (десятичное) число, хранящееся в четырех смежных ячейках ОЗУ. Процедуру необходимо оформить в виде подпрограммы, которая должна выполнять следующие действия:

1. гашение индикаторов;

2. выборку из памяти первого (четвертого) числа;

3. получение байта индикации (перекодировка);

4. выдачу байта индикации в порт;

5. выборку первого (четвертого) знакоместа;

6. паузу

7. выход в основную программу.

Величина паузы подбирается так, чтобы исключить мерцание индикаторов.

Алгоритм основной программы выбирается согласно варианту:

Вариант 1 : двоично-десятичный счетчик нажатий на кнопку К1;

Вариант 2 : секундомер (запуск осуществляется по нажатию на кнопку К1, останов – по нажатию на кнопку К2);

Вариант 3 : таймер с прямым счетом (запуск осуществляется по нажатию на кнопку К1).

Для всех вариантов величину единицы младшего разряда принять равной 0,1 с. В программе также необходимо реализовать функцию «антизвона» для кнопок К1 и К2 с целью исключения многократного срабатывания подпрограммы от одного нажатия кнопки. Факт нажатия кнопки фиксировать при перепаде состояния соответствующего бита старшей половины порта С. Младшая половина порта С используется в качестве дешифратора, необходимого для управления индикаторами (см. рис. 7).

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

АППАРАТНО-ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ

АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

Цель работы: изучение принципов построения и алгоритмов аналого-цифровых преобразователей на основе микропроцессорной системы.

Основные сведения

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) представляет собой функционально законченный узел, однозначно преобразующий значение аналоговой величины в число заданного цифрового формата. АЦП широко применяются в измерительных системах и измерительно-вычислительных комплексах для согласования аналоговых источников сигналов с цифровыми устройствами обработки информации.

Существуют различные способы аналого-цифрового преобразования, согласно которым различают несколько типов АЦП, различающиеся по точности, быстродействию, помехозащищённости и сложности реализации. Наиболее широкое распространение получили АЦП следующих типов:

· с непосредственным кодированием;

· интегрирующие;

· с табличной обработкой данных.

Наиболее широкими возможностями обладают системы, базирующиеся на АЦП компенсационного типа, характерной особенностью которых является наличие уравновешивающей обратной связи. Типовая структура таких АЦП (рис. 9) содержит компаратор (К), осуществляющий сравнение преобразуемого напряжения U_x с сигналом обратной связи U_k , формирователь кода (ФК), на выходе которого формируется эквивалентный входному напряжению U_x р-разрядный цифровой код N и ЦАП, преобразующий код N в непрерывный сигнал U_k .

Процесс уравновешивания в компенсационных устройствах определяется величиной и знаком разности (U_x - U_k ). В процессе уравновешивания ФК вырабатывает по определённому алгоритму последовательность цифровых кодов, которые преобразуются ЦАП в компенсирующий сигнал U_k . Процесс уравновешивания завершается при установлении равенства напряжений U_x и U_k с заданной погрешностью, при этом код на выходе ФК эквивалентен преобразуемой величине U_x . В дальнейшем речь пойдет только об уравновешивающих АЦП.

Алгоритмы уравновешивания

Существующие алгоритмы уравновешивания в АЦП и цифровых устройствах компенсационного типа можно разбить на три группы:

· развёртывающие;

· следящие;

· комбинированные.

Алгоритмы развёртывающего уравновешивания формируют компенсационную величину повторяющимися циклами. В каждом цикле компенсирующая величина изменяется по заранее заданной программе от некоторого начального значения, например от нуля, до нуля, до конечного значения. В настоящее время в аналого-цифровых устройствах наибольшее распространение получили алгоритмы развертывающего уравновешивания с линейным развёртыванием и с развёртыванием с неравномерными ступенями.

Линейное развёртывание имеет наиболее простую реализацию. Одним из его разновидностей является развёртывание с равномерными ступенями. Алгоритм с равномерно-ступенчатым развёртыванием называется также алгоритмом единичных приближений. Суть такого алгоритма заключается в сравнении измеряемого напряжения с образцовым напряжением ступенчатой формы, возрастающим с постоянным шагом квантования. Временная диаграмма изменения напряжений для схемы, реализующей такой алгоритм, приведена на рис. 10.

Ступенчато возрастающее напряжение формируется путём подачи на ЦАП двоичного кода, увеличивающегося от 0 до своего максимального значения. Увеличение кода на единицу приводит к изменению напряжения на выходе ЦАП на величину шага квантования. При достижении образцовым напряжением значения измеряемой величины компаратор вырабатывает сигнал, запрещающий изменение цифрового кода на входах ЦАП, который в этот момент времени является цифровым представлением измеряемого напряжения. Блок-схема алгоритма для программной реализации метода приведена на рис. 11. Следует отметить, что рассмотренный метод имеет большое время преобразования и поэтому в быстродействующих системах не применяется.

Существенное сокращение времени преобразования достигается развёртыванием компенсирующей величины с неравномерными ступенями. Наибольшее распространение на практике получили алгоритмы поразрядного уравновешивания, в которых величина ступеней выбирается в зависимости от веса разряда формируемого цифрового кода. Такие алгоритмы называются также алгоритмами последовательных приближений.

В АЦП, реализующих метод последовательного приближения, двоичный код меняется таким образом, чтобы обеспечить по возможности быстрое уравновешивание измеряемого напряжения напряжением, получаемым с выхода ЦАП. Временная диаграмма развёртывания с неравномерными ступенями приведена на рис. 12.

Рассмотрим подробнее работу алгоритма. Уравновешивание начинается со старшего разряда, в котором устанавливается единица, после чего производится сравнение измеряемого напряжения и напряжения на выходе ЦАП. Если уравновешивающее напряжение меньше измеряемого, то установленная в старшем разряде единица в дальнейшем сохраняется, а если больше – то единица сбрасывается, т. е. в дальнейшем в этом разряде будет сохраняться нуль. Далее таким же образом проверяются все остальные разряды, включая самый младший. Блок-схема алгоритма метода последовательных приближений (поразрядного уравновешивания) приведена на рис. 13.

Простейшим вариантом алгоритма следящего уравновешивания является уравновешивание с равномерной ступенчатой отработкой компенсирующей величины. АЦП, в которых реализуется такой алгоритм уравновешивания, представляют собой реализацию астатической следящей системы с промежуточным параметром N, представленным в цифровой форме. В исходном состоянии код N равен нулю и напряжение на выходе ЦАП U_k также равно нулю. Далее код начинает возрастать аналогично методу единичных приближений, что приводит к появлению сигнала обратной связи. Компаратор К осуществляет управление направлением счета так, что при U_х > U_k формирователь кода работает в режиме прямого счёта, а при U_х < U_k - в режиме обратного счёта. Процесс аналого-цифрового преобразования заканчивается при выравнивании напряжений U_х и U_k , при этом цифровой код N эквивалентен преобразуемой величине. С момента установления равенства напряжений U_k и U_х при ограниченной скорости изменения U_х АЦП переходит в следящий режим и код N в любой момент времени эквивалентен U_х с погрешностью, не превосходящей единицы младшего разряда. Режиму следящего уравновешивания предшествует режим начальной отработки до установления равенства напряжений U_х и U_k .

Алгоритм следящего уравновешивания в режиме слежения обеспечивает максимальную скорость уравновешивания по сравнению с АЦП, реализующими другие алгоритмы. Блок-схема алгоритма следящего уравновешивания приведена на рис. 14.

Надо отметить, что в реальных аналого-цифровых следящих системах могут возникать периодические колебания, приводящие к появлению неустойчивости цифрового кода в младших разрядах. Устранение таких колебаний достигается загрублением порога чувствительности или использованием компараторов с гистерезисной характеристикой. Однако такие способы устранения периодических колебаний приводят к дополнительному увеличению погрешности преобразования.

АЦП со следящим уравновешиванием целесообразно применять в тех случаях, когда необходимо непрерывное преобразование плавно меняющихся сигналов без скачкообразных изменений; в системах обегающего контроля без датирования измерительных отсчётов; в системах контроля отклонений параметров от заданных; для преобразования сигналов в условиях воздействия импульсных помех.

В отличие от АЦП следящего уравновешивания АЦП поразрядного уравновешивания являются принципиально устойчивыми и удобными для применения в многоканальных измерительных системах с датированием отсчётов, в системах, требующих синхронной работы отдельных устройств и др.

Описание лабораторного стенда

Модуль состоит из ППА КР580ВВ55А, узла цифроаналогового преобразователя и компаратора. Выводимый при помощи ППА байт данных индицируется на светодиодах HL1-HL8. Узел ЦАП включает в себя БИС ЦАП К572ПА1 и вспомогательные операционные усилители. Компаратор построен на операционном усилителе КР140УД8Б и сравнивает напряжение, снимаемое с выхода ЦАП, с измеряемым напряжением U_х . Выходной сигнал компаратора принимает значение логической «1» при выполнении условия U_х > U_цап и логического «0» при условии U_х < U_цап . Результат сравнения подаётся на разряд 4 порта C ППА и используется для управления процессом аналого-цифрового преобразования.

Модуль может служить для измерения мгновенного значения напряжения (с программной синхронизацией моментов измерений) в диапазоне от 0 до +3В. На основе этого модуля возможна программная реализация некоторых методов аналого-цифрового преобразования.

ЗАДАНИЕ

1. Произвести калибровку ЦАП. Определить U_{вых. макс} при входном коде 0FFH и U_{вых.мин} при входном коде 00Н.

2. Написать, ввести и выполнить программы для реализации вышеперечисленных алгоритмов реализации АЦП. Старт преобразования выполнить по нажатию на К1, вывод информации производить на светодиодный двоичный индикатор.

3. Написать программы для реализации вышеперечисленных методов реализации АЦП с выводом на семисегментный индикатор в динамическом режиме, используя подпрограмму динамической индикации. Номером варианта считать порядковый номер метода (по тексту).

Список литературы:

1. Янсен Й. Курс цифровой электроники: В 4 т. Микрокомпьютеры. – М.: Мир, 1987. Т. 4 – 406 с.

2. Каган Б. М., Сташин В. В. Основы проектирования микропроцессорных устройств автоматики. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 304 с.

3. Рафикузаман М. Микропроцессоры и машинное проектирование микропроцессорных систем: В 2 кн. – М.: Мир, 1988. Кн. 1. – 312 с.

4. Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем: Справочник: В 2 т. / В. Б. Абрайтис, Н. Н. Аверьянов, А. И. Белоус и др.; Под ред. В. А. Шахнова – М.: Радио и связь, 1988.

5. Федорков Б. Г., Телец В. А . Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 320 с.

Оглавление:

Лабораторная работа № 1

Организация параллельного ввода-вывода …………………………… 3

Лабораторная работа № 2

Программируемый интервальный таймер К580ВИ53 ……………….. 9

Лабораторная работа № 3

Генератор аналоговых сигналов ………………………………………. 14

Лабораторная работа № 4

Организация динамической индикации в линейных дисплеях ……... 16

Лабораторная работа № 5

Аппаратно-программная реализация аналого-цифрового

преобразования ………………………………………………………… 20

Список литературы …………………………………………………….. 27

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ УСТРОЙСТВА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Методические указания

к лабораторным работам № 1-5

для студентов специальности 210100

«Управление и информатика в технических системах »

Иванов Виктор Эдуардович

Левенец Алексей Викторович

Главный редактор Л. А. Суевалова

Редактор Е. Н. Ярулина

Компьютерная верстка А. В. Левенец

Лицензия на издательскую деятельность

ЛР № 020526 от 23.04.97

Подписано в печать __.__.__. Формат 60 x 84 1/16.

Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,63.

Уч.-изд. л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ С 110.

Издательство Хабаровского государственного

технического университета.

680035, Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136.

Отдел оперативной полиграфии издательства

Хабаровского государственного технического университета.

680035, Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136.