Пристрій мікропроцесорної обробки аналогової інформації
Размещено на /
Мiністерство освiти та науки України
Нацiональний унiверситет "Львiвська Полiтехнiка"
Кафедра САПР
Пояснювальна записка
До курсової роботи
з курсу "Комп’ютери та мікропроцесорні системи"
ПРИСТРІЙ МІКРОПРОЦЕСОРНОЇ ОБРОБКИ АНАЛОГОВОЇ ІНФОРМАЦІЇ
Керiвник:Теслюк В.М.Виконав:
Cтудент: Зелінський Андрій Я.
Прийняв
Панчак Р.Т.
ЛЬВІВ -2005
Завдання на курсовий проект студента
Тема проекту: “Пристрій мікропроцесорної обробки аналогової інформації”
Постановка задачі: Розробити компоненти технічного і програмного забезпечення мікропроцесорного пристрою на базі МП КР580ВМ80, який включає аналогово-цифровий і цифро-аналоговий перетворювачі і виконує функцію цифрової обробки аналогової інформації. Обробка описується заданим пропорційно-інтегро-диференціальним рівнянням, що пов’язує аналогові сигнали x(t) на вході і y(t) на виході системи.
Визначення варіантів індивідуального завдання:
Номер залікової книжки студента: 0308356
Для таблиці 1 (k=20) порядковий номер варіанта буде:
L1={([56/20]+{ 56/20})/20}+1=18+1=19;
Для таблиці 2 (k=3) порядковий номер варіанта буде:
L2={([56/3]+{ 56/3})/3}+1=2+1=3;
Для таблиці 3 (k=2) порядковий номер варіанта буде:
L3={([56/2]+{ 56/2})/2}+1=0+1=1;
Для таблиці 4 (k=17) порядковий номер варіанта буде:
L4={([56/17]+{ 56/17})/17}+1=8+1=9;
Для таблиці 5 (k=14) порядковий номер варіанта буде:
L5={([56/14]+{ 56/14})/14}+1=4+1=5;
Для таблиці 6 (k=11) порядковий номер варіанта буде:
L6={([56/11]+{ 56/11})/11}+1=6+1=7;
Початкові дані
функціональна залежність:
розрядність АЦП - 10;
полярність вхідного сигналу: однополярний(невід’ємні);
організація обміну з АЦП - через переривання з RST6 використовуючи режим 1 роботи контролера КР580ВВ55;
об’єм ОЗП і організація мікросхеми пам’яті – 8K використовуючи мікросхеми пам’яті з організацією 4096x1
вид функціонального вузла: постійний запам’ятовуючий пристрій
Анотація
Зелінський Андрій Ярославович
“Пристрій мікропроцесорної обробки аналогової інформації”. Курсова робота. - НУ “Львівська політехніка”, каф.: САПР, дисципліна: “Комп’ютери і мікропроцесорні системи”, 2005.
Кусова робота складається з 37 сторінок, 10 таблиць, 21 схем, 2 додатків.
В даній курсовій
роботі розроблено
компоненти
апаратного
і програмного
забезпечення
мікропроцесорного
пристрою, який
включає аналого-
і цифро-аналогові
перетворювачі
і виконує обробку
за функціональною
залежністю
аналогового
сигналу. Дана
робота охоплює
ввід і первинну
обробку аналогової
інформації,
подальшу цифрову
обробку інформації
за програмою
і вхідними
даними, а також
вивід обробленої
інформації
в аналоговій
формі для подальшого
використання.
програмний мікропроцесорний перетворювач фільтр
Зміст
Перелік умовних скорочень
Вступ
1. Синтез аналогової схеми фільтру
1.1 Виведення рівняння цифрового фільтра
1.2 Побудова структурної схеми апаратної реалізації цифрового фільтра
1.3 Побудова аналогової схеми, що описується даним рівнянням
2. Вибір та обгрунтування типу АЦП і ЦАП
2.1 Вибір типу АЦП та принципова схема підключення АЦП до МПП
2.2 Вибір типу ЦАП та принципова схема підключення ЦАП до МПП
2.3 Структура представлення даних
3. Структурна схема та алгоритм функціонування МПП
3.1 Опис структурної схеми МПП
3.2 Розподіл адресного простору
3.3 Алгоритм функціонування МПП
4. Загальна структура програми роботи МПП
4.1 Опис програми вводу, виводу
4.2 Опис програми обробки інформації
4.3 Оцінка верхньої фінітної частоти вхідного аналогового сигналу
5. Реалізація блоку ОЗП для МПС розміром 8К на елементах 4096x1
6. Опис постійних запам’ятовуючих пристроїв
Висновок
Список літератури
Перелік умовних скорочень
МПП – мікропроцесорний пристрій;
МПС – мікропроцесорна система;
МП – мікропроцесор;
ГТІ – генератор тактових імпульсів;
ПЗП – постійний запам’ятовуючий пристрій;
ППЗП – програмований постійний запам’ятовуючий пристрій;
ЕППЗП- електрично програмований постійний запам’ятовуючий пристрій;
ОЗП – оперативний запам’ятовуючий пристрій;
АД – адресний дешифратор
СК – системний контролер;
АЦП – аналогово-цифровий перетворювач;
ЦАП – цифро-аналоговий перетворювач;
СШ – системна шина.
ШД – шина даних;
ША – шина адрес;
ШК – шина керування.
РШ – розрядна шина
Вступ
Цифрові фільтри є найбільш поширеним елементом систем цифрової обробки сигналів. Порівняно невисока швидкодія багатьох мікропроцесорних комплектів ВІС і послідовний принцип обробки інформації в мікро-ЕОМ обмежеють їх застосування для реалізації цифрових фільтрів в реальному масштабі часу. Збільшення продуктивності та швидкодії мікропроцесорних пристроїв цифрової обробки сигналів потребує додаткових апаратних ресурсів. У багатьох системах цифрова фільтрація являється лише частиною складного комплексу задач обробки інформації і додаткові апаратні затрати недоцільні. Тоді буває корисним застосування табличних способів представлення алгоритмів, які зменшують час обробки за рахунок збільшення програмних ресурсів
Цифрові фільтри мають ряд переваг порівняно з аналоговими, побудованими на резисторах, конденсаторах та підсилювачах:
Нечутливість характеристик фільтра до розкиду параметрів елементів, що входять до його складу, їх часовому і температурному дрейфам.
Малі розміри та висока надійність роботи фільтра, пов’язані з використанням ВІС.
Легкість зміни параметрів і характеристик цифрового фільтра, що при використанні МП здійснюється модифікацією програмного забезпечення або таблиць коефіцієнтів.
Можливість реалізації адаптивних фільтрів, тобто фільтрів з параметрами, що змінюються в процесі роботи.
На нинішній час важко назвати області і сфери людської діяльності, де б не застосовувались мікропроцесорні системи. Основними з них є: науково-технічні розрахунки, автоматизовані системи управління виробництвом, обробка даних і зв’язок, системи автоматизації наукових експериментів, системи автоматизації проектування.
В даній роботі розробляється мікропроцесорний пристрій системи автоматичного регулювання на базі МПК К580, який здійснює прийом, обробку і видачу сигналів.
Побудова аналогової схеми, що описується даним рівнянням
На основі вихідного рівняння будуємо аналогову схему цифрового фільтру з використанням операційних підсилювачів.
Прості функціональні залежності на ОП.
Побудова аналоговой схеми фільтру на операційному підсилювачі:
Задана функціональна залежність:
x(t) – вхідний аналоговий сигнал;
y(t) – вихідний аналоговий сигнал;
w – частота;
Схема
1.1 Функціональна
схема аналогового
фільтру
На основі схеми 1:
2. Синтез структурної схеми фільтру
Виведення рівняння цифрового фільтра
Задана функціональна залежність:
Для часової дискретизації використаємо наближені рівності
.
При підстановці цих величин у вихідне рівняння одержимо:
Винесемо за дужки спільні множники:
Виконаємо заміну :
Нехай
,
,
Тоді остаточно рівняння цифрового фільтру набуде вигляду:
Отже, фільтр
є рекурсивним,
оскільки в
правій частині
рівняння присутні
члени виду
Побудова структурної схеми апаратної реалізації цифрового фільтра
Схема 2.1 Структурна схема реалізації рівняння цифрового фільтра, де: DL – елемент затримки, ХY – елемент множення, ∑ – суматор
2. Вибір та обгрунтування типу АЦП і ЦАП
2.1 Вибір типу АЦП
У відповідності з умовами даної роботи для цифрового фільтру потрібно використати 12-розрядний АЦП і 16-розрядний ЦАП.
При розгляді ЦАП і АЦП мають місце наступні критерії:
Час перетворення.
Похибка перетворення.
Складність застосування.
Поширеність.
В якості мікросхеми АЦП з 12-розрядним вихідним сигналом для даного цифрового фільтра виберемо 12-розрядний АЦП К572ПВ1А, що має наступні характеристики:
| Розрядність | 12 |
| Час перетворення, мкс. | 170 |
| Вхідна напруга, В | 5 |
Напівпровідникова ВІС функціонально завершеного АЦП призначена для використання в електронній апаратурі в складі блоків аналогового вводу.Мікросхема виконує функцію 12-розрядного аналого-цифрового перетворення однополярного і біполярного вхідного сигналу з представленням результатів перетворення в паралельному двійковому коді. Мікросхема випускається у 48-вивідному металкерамічному герметичному корпусі типу 4434.48-2 з вертикальним розміщенням виводів.
Позначення АЦП АЦП К572ПВ1А на схемі електричній принциповій
Призначення виводів мікросхеми К572ПВ1А:
| Виводи | Призначення |
| 1 | Послідовний вхід |
| 2 | Вхід управління СР |
| 3 | +5В |
| 4-15 | D0-D11 |
| 16 | Вхід управління МР |
| 17 | Вхід управління режимом |
| 22 | Вихід “Цикл” |
| 23 | Вхід порівняння |
| 24 | -15В |
| 25 | Вхід ТІ |
| 26 | Вихід “Кінець перетворення” |
| 27 | Вхід “Запуск” |
| 28 | Вхід “Цикл” |
| 29 | Вхід стробування ЦАП |
| 30 | Цифрова земля |
| 31 | Кінцевий вивід матриці R-2R |
| 32 | Спільний вивід резисторів 1,2 |
| 40 | Вивід регістра 1 |
| 41 | Вивід регістра 2 |
| 42 | Опорне навантаження |
| 43 | Аналоговий вхід 1 |
| 44 | Аналоговий вхід 2 |
| 45 | Спільний вивід резисторів аналогових вх. 1,2 |
| 46 | Аналоговий вихід 1 |
| 47 | Аналоговий вихід 2 |
| 48 | Анагогова земля |
Встановлення АЦП у вихідний стан і запуск його в режим перетворення здійснюється з допомогою входу “гашення/перетворення”. При поступанні на вхід “гашення/перетворення” рівня логічного нуля АЦП починає перетворення вхідної інформації. Через час, необхідний для перетворення на виході АЦП “готовність даних” з’являється сигнал з рівнем логічної одиниці, що сигналізує про готовність виводу даних з АЦП в МПП. МПП, прийнявши дані, встановлює на вході “гашення/перетворення” рівень логічної одиниці, що “гасить” інформацію, що є в регістрі послідовного наближення, і АЦП знову готовий до прийому, опрацювання вхідних даних
Запуск АЦП здійснюється видачею 0 в розряд C7 (сигнал “гашення/перетворення”) каналу С ППІ.Оскільки згідно умови мені необхідно використати режим 1 роботи ППІ , то в складі МПП потрібно використати 2 мікросхеми ППІ, причому одну з них запрограмувати на ввід через канали А та В , а другу – на вивід. Запуск АЦП будемо здійснювати з використанням порта С 1-шої ППІ. По закінченні перетворення на вході “готовніть даних” з’являється сигнал логічна “1”, який подається на вхід розряду С2 каналу С ППІ .
Часова діаграма роботи АЦП К572ПВ1А
Принципова схема підключення АЦП до МПП
2.2 Вибір типу ЦАП
При аналізі коефіцієнтів рівняння цифрового фільтру виявилося, що розрядність Yn може зрости , більш детально це пояснено у пункті структури представлення даних. Отже, нам потрібен 14-розрядний ЦАП з високою швидкодією та функціональною завершеністю.
В якості мікросхеми ЦАП для даного цифрового фільтру з чотирнадцятирозрядним вихідним сигналом можна вибрати 14 – розрядний ЦАП К427ПА1. К427ПА1 має наступні характеристиками :
| Розрядність | 14 |
| Час перетворення, мкс. | 30 |
| Кількість виводів | 40 |
Позначення ЦАП К572ПА1 на схемі принциповій електричній
2.3 Структура представлення даних
Рівняння цифрового фільтру має вигляд:
Причому
,
,
,
припустимо що
Тоді
.
Розглянемо
При аналізі
коефіцієнтів
вважатимемо
що
є
малою величиною.
З отриманої рівності видно , що ми не моженмо однозначно визначити чи коефіцієнт буде >1 чи <1, а отже не можем визначити чи збільшится розрядність вихідних даних. Отже нам потрібно взяти ЦАП з більшою розрядністю ніж АЦП для того щоб не втратити дані.
Вхідні дані представляємо як беззнакові дані, коефіцієнти і вихідні дані ми можемо отримати зі знаком, тобу старший біт відведемо для представлення знаку.
Структура представлення даних буде наступною:
а0 – 1 байт
а1 – 1 байт
а1 – 1 байт
b0 – 1 байт
Yn – 2 байти
| Х | X |
Yn-1 – 2 байти
| Х | X |
Xn – 2 байти
| Х | Х | Х | Х |
Xn-1 – 2 байти
| Х | Х | Х | Х |
Xn-2 – 2 байти
| Х | Х | Х | Х |
3. Структурна схема та алгоритм функціонування МПП
3.1 Опис структурної схеми МПП
Системна шина складається з трьох окремих шин: шини даних, шини адрес і шини керування. Лінії СШ характеризуються спрямованістю.Спрямованість визначається по тому, який з пристроїв є визначальним за рівнем сигналу.
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 нуль чи одиничку на виході, третій стан, стан з високим вихідним опором — високоімпендансний стан. Кожна мікросхема, яка адресується в МПП пі’єднана до ША через адресний дешифратор (АД).
Мікропроцесор - центральний пристрій мікропоцесорної системи (МПС). Мікропроцесор в складі даного МПП виконує наступні функції: формує адреси команд,видає команди з пам’яті, їх дешифрує, видає для них команди, потрібні адреси, виконує над ними операції, при необхідності записує результат в пам’ять, формує керуючі сигнали для обміну, реагує на можливі зовнішні сигнали.
Тактовий генератор призначений для формування синхроімпульсів для роботи МП і інших пристройв МПС. Синхроімпульси мають амплітуду 12B, але відрізняються один від одного щільністю і зсунуті. Крім того, мікросхема КР580ГФ24, яка виконує функцію ГТІ, приймає участь в прийомі та видачі керуючих 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 (a0, a1, bo).
ОЗП служить для тимчасового зберігання інформації, потрібної для розрахунків.
Системний контролер К580ВК28 призначений для формування сигналів керування, які формуються процесором (MEMP, MEMW,IOR, IOW, INTA).
Шинний формувач К580ВА86 використовується для підвищення навантажувальної здатності шини адрес, до якої під’єднані майже всі компоненти МПП.
Дві мікросхеми ППІ К580ВВ55 в даному МПП служать для обміну інформацією з зовнішніми пристроями АЦП і ЦАП.
3.2 Розподіл адресного простору
В адресний простір МП КР580ВМ80 входить 64К адрес пам’яті (216), що визначається 16 - розрядною адресною шиною. Мікропроцесор КР580ВМ80 може здійснювати синхронний і асинхронний обмін інформацією за даними адресами з пам’ятю (ПЗП, ОЗП) та зовнішніми пристроями. При обробці інформації МП зчитує коди команд, операнди і записує одержаний вміст в регістри РЗК або виконує обмін інформації з пам’ятю та зовнішніми пристроями.
Організація звертання до пристроїв обміну іеформації буде реалізована у вигляді роздільного керування пам’ятю і зовнішніми пристроями. Лиш тільки дві команди IN і OUT, в цьому випадку, призначені для обміну інформації з зовнішніми пристроями. Так, як для цих команд адрес для зовнішнього пристрою 8-ми розрядний, то МП КР580ВМ80 може звертатись до 256 пристроїв воду і 256 пристроїв виводу. При цьому адресний простір пам’яті буде максимальним (64К).
Опишемо розміщення коефіцієнтів та змінних в адресному просторі
| Адреса в пам’яті | Назва параметра | Тип пам’яті |
| 0000h | RST 0 | ПЗП |
| 0008h | RST 1 | |
| 0010h | RST 2 | |
| 0018h | RST 3 | |
| 0020h | RST 4 | |
| 0028h | RST 5 | |
| 0030h | RST 6 | |
| 0038h | RST 7 | |
| 500h | SP | ОЗП |
| 501h | а0 | |
| 502h | а1 | |
| 503h | а2 | |
| 504h | b0 | |
| 512h | Xn-2 | |
| 514h | Xn-1 | |
| 516h | Xn | |
| 518h | Yn-1 | |
| 520h | Yn |
3.3 Алгоритм функціонування МПП
Як відомо, ввід інформації від АЦП може здійснюватися одним з двох способів:
програмним опитуванням, при якому ініціатором обміну є мікропроцесор, періодично опитуючи готовність даних;
режимі переривань, при якому готовність даних формує сигнал переривання для МП, в результаті чого МП переходить на підпрограму обробки переривання (ввід інформації від АЦП).
Реалізація переривання можлива або з використанням команди RST N, або з використанням контролера переривань КР580ВН59. В двійковій формі команда RST N має вигляд:
1 1 К2 К1 К0 1 1 1
де К2 К1 К0 - двійковий код числа N.
При використанні цієї команди за сигналом «Готовність даних» від АЦП на шині даних повинен бути сформований код команди RST N. Цю команду можна легко згенерувати – розряди, які дорівнюють 1, отримуються підключенням лінії даних через резистор до +5 В, а код К2К1К0 можна отримати від шифратора на 3 лінії з 8.
Після того, як сигнал «Готовність даних» поступає на вхід синхронізації тригера відбувається перехід від “0” до “1” і дані з входу D (“1”) передаються на вихід Q, який з’єднаний з виводом запиту переривання INT мікропроцесора. Очевидно, що ця зміна відбувається коди на вході “R” (виводі INTE) сигнал має рівень “1”, тобто переривання дозволено. Після цього мікропроцесор переходить до підпрограми обробки переривання, яка зчитує дані з портів ППІ і заносить їх в пам’ять попередньо заборонивши переривання. По завершенню роботи підпрограми обробки переривання мікропроцесор повертається до виконання головної програми, в які опрацьовуються дані зчитані обробником переривання.Потім результат записується в пам’ять і в порти виводу на ЦАП, в кінці програми дані підготовлюються для наступного повторення операцій, тобто на місце Xn-1 записується Xn, на місце Xn-2 записується Xn-1, на місце Yn-1 Записується Yn.
Блок-схема алгоритму функціонування МПС
Блок-схема підпрограми обробки переривань
4. Загальна структура програми роботи МПП
4.1 Опис програми вводу, виводу
В даній схемі використуваються два контроллери КР580ВВ55 (ППІ) з наступними адресами:
| Перша ППІ (підключена до АЦП) | Друга ППІ (підключена до ЦАП) | ||
| Порт А | 80h | Порт А | 90h |
| Порт B | 81h | Порт B | 91h |
| Порт C | 82h | Порт C | 92h |
| РКС | 83h | РКС | 93h |
Для запуску АЦП (сигнал Гашення/Перетворення) будемо використовувати розряд C0 каналу С.
Ввід-вивід інформації буде здійснюватися в режимі 1 роботи ППІ через канал А та В.
Спочатку треба ініціалізувати дві ППІ для цього виконуємо
| 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
MVIA,10111110B; запрограмували режим 1 для портів А та В на ввід.
OUT083H
| 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 |
MVIA,10101100B
OUT093H;запрограмували режим 1 для портів 2-ої ППІ на вивід
Щоб запустити АЦП необхідно використати слово маніпуляції біта, в якому в розрядах D3-D1 задається номер біта порта С, а в розряді D0 – значення яке необхідно туди записати.Ознакою слова маніпуляції біта є нуль в найстаршому розряді, розряди D6-D4 – не використовуються для слова маніпуляції біта.
Тепер запускаємо АЦП
MVIA,00000000B;встановити в „0” старший розряд каналу С
OUT083H
MVIA,00000001B; встановити в „1” старший розряд каналу С
OUT083H
Після того як АЦП перетворить вхідний сигнал у 12-розрядний двійковий код буде сформовано сигнал „Готовність даних” який через тригер встановить сигнал INT=1, аце означає що почне виконуватися обробник переривання, код якого через буферний регістр буде виставлений на шину даних . Програма обробки переривання запише дані з портів А і В ППІ у комірки пам’яті і керування повернеться до головної програми.
Текст програми обробки переривання:
IRQ:
DI;заборона переривань, щоб цей обробник не був перерваний
PUSHB
PUSHD
PUSHH
PUSHPSW
IN80H; зчитуємо з порта А в акумулятор
STA516H; записуємо у пам’ять молодший байт Xn
IN81H; зчитуємо з порта В в акумулятор
ANI0FH; виділяємо 4 молодші біти з каналу В які є 9 ,10,11 i 12 розрядом Xn
STA517H;записуємо у пам’ять старший байт Xn
POPPSW
POPB
POPD
POPH
IRET
Програма виводу інформації на ЦАП буде викликатись в кінці кожного циклу обчислення Yn і її текст виглядає так :
VYVID:
LDA520H; завантажуємо в акумулятор молодший байт результату
OUT90H; виводимо в канал А
LDA521H; завантажуємо в акумулятор старший байт результату
ANI3FH;обнулення 14 і 15 бітів
OUT91H; виводимо в канал В
RET
4.2 Опис програми обробки інформації
Програма обробки інформації влючає в себе підпрограми множення 8-розрядного числа на 16-розрядне, підпрограму сумування добутків, що розміщені у стеку.
Підпрограма множення двобайтового числа на однобайтове без знаку.
Вхідні дані: регістр DE – множене; акумулятор A - множник.
Результати: регістри A,H,L- добуток (A – старші розряди; L - молодші).
Підпрограма використовує регістр C.
DMULT: LXI H,0
MVI D,0
MVI C,8
Z1: DAD H
RLC
JNC Z2
DAD D
Z2: DCR C
JNZ Z1
RET
Підпрограма сумування 16-розрядних чисел розміщених у стеку
Вхідні дані: вказівник стеку
Результати: регістри