TSAiU_Lektsia_4
.pdf
Лекция№4.Техническаяреализацияинтерфейсававтоматизированныхсистемахна основеЭВМсемейства IBM
Реализацию интерфейса обмена данными по готовности и алгоритм обмена рассмотрим на примере ввода данных в ОЗУ из модуля АЦП (типа L-154) в АС на основе ЭВМ семейства IBM. Аналого-цифровой преобразователь, предназначен для преобразования входного напряжения Ux, зафиксированного во время выборки, в 12-разрядный параллельный код.
АЦП позволяет измерять мгновенное значение сигнала. Устройство выборки-хранения (УВХ) запоминает его на время преобразования в цифровой код.
Вход АЦП соединяется с внешними аналоговыми сигналами объекта через измерительный усилитель и один из входов 32-х (16-и) разрядного коммутатора. На входы коммутатора могут поступать сигналы с датчиков объекта, а выход коммутатора соединен с входом АЦП через измерительный усилитель.
Различают ассиметричную схему включения сигналов с общей землей (рис. 4.1.) и дифференциальную схемувключения сигналов (рис. 4.2.).
Ch1 
Ch2 
… АЦП
Ch32
Рис. 4.1. Ассиметричная схема включения сигналов с общей землей
Ch1+ 
Ch2+ 
… |
Ус. |
АЦП |
|
Ch1-
Ch2- 
Рис. 4.2. Дифференциальная схема включения сигналов
Дифференциальную схемупредпочтительно использовать в ситуации когда:
1)Амплитуда сигналов менее 1В.
2)Сигналы передаются по длинным линиям через зашумленную среду.
3)Источники сигнала плавающие (незаземленные источники).
Дифференциальную схемуможно использовать и с заземленными источниками сигнала. Асимметричные системы измерения (с общей землей) рекомендуется использовать, когда входные
сигналы не удовлетворяют указанным критериям, т.е.:
•Сигналы высокого уровня (обычно > 1В).
•Сигналы передаются по коротким, не более 15 футов ≈ 4.5 м, экранированным линиям, в среде без шума (1фут=12 дюймов, 1 дюйм 2,54 см).
1
|
Технические характеристики АЦП, усилитель, мультиплексор: |
|
|
Диапазон изменения входных сигналов: |
; |
|
Разрешающая способность: |
разная на разных |
|
диапазонах; |
|
|
Коэффициенты усиления: |
= 1; 2; 5; |
|
Максимальное время преобр азования: |
; |
|
Входное сопротивление: |
; |
|
Время переключения канала мультиплексора: Т = 4мкс. |
|
4.1 Программная модель интерфейса
Программная модель интерфейса включает следующие регистры:
Регистр данных АЦП;
Регистр управления;
Регистр состояния;
Регистр запуска.
РД АЦП: 12 разрядный (относительный адрес 0) доступен ЦП для чтения.
После запуска АЦП на измерение и окончания преобразования напряж ения в цифровой код — код передается в РД и сохраняется в нем до следующего запуска.
Разряды РД - D0 - D11 содержат код числа, пропорциональный входномунапряжению в соответствии с таблицей:
Код |
Диапазон ( 5.12)В |
Диапазон ( 2.56)В |
Диапазон( 1.024)В |
0 |
-5.12 |
-2.56 |
-1.024 |
2048 |
0 |
0 |
0 |
4095 |
5.12 - U |
2.56 - U |
1.024 - U |
АЦП обычно не вычисляет конечное значение сигнала (например, напряжение в вольтах). Он передает код, пропорциональный напряжению в приложение пользов ателя.
Задача вычисления значения сигнала отводится программномуобеспечению, которое и вычисляет результат, в зависимости от реш аемой задачи.
Например, при измерении температуры с помощью термопары, нас интересует величина температуры в С или К а не напряжение на выходе.
Т.о. одно и тоже устройство может выполнять множество измерений, просто изменяя приложение, которое читает данные.
Принципы преобразования данных АЦП.
Квантователь АЦП имеет следующую характеристику 
2
n (код)
4
3
2
1
-1 |
|
|
∆U |
Uвх |
|
|
|
||
-2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-3 |
|
|
|
|
-4 |
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 4.3 Характеристика квантователя АЦП
По n нельзя определить точ ное значение входного сигнала, но можно указать максимальную ошибку: 
.
Если квантователь АЦП имеет характеристику отличную от приведенной, то последняя формула принимает иной вид, например для АЦП L-154:
.
n – Цифровой код на выходе АЦП, лежащий в диапазоне: 
, т.е. 0 – 4095.
Регистр данных – 12-ти разрядный, минимальное значение 0, максимальное 4095.
Регистр управления 8-и разрядн ый (относительный адрес + 2) предназначен для установки номера канала коммутатора, режима подключения входного сигнала и диапазона его измерения (коэффициента усиления), Процессору РУ доступен для записи.
7 |
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
0 |
U2 |
U1 |
M32 |
C4 |
C3 |
C2 |
C1 |
C0 |
Старшие два бита определяют диап азон измерения в выбранном канале.
U2 |
U1 |
Значение |
1 |
1 |
|
1 |
0 |
|
0 |
1 |
В |
0 |
0 |
Запрещенная |
|
|
комбинация |
Бит М32 определяет режим подклю чения входных сигналов. M32 = 1 – 32-х канальный режим.
M32 = 0 – 16-ти канальный дифференциальный режим подключения. C4, C3, C2, C1, C0 – канал мультиплексора.
Если установлен дифференциальны й режим, то C4=0. Если C4, C3, C2, C1, C0 равны 0, т о это означает 1-й канал.
3
Если C4=0, C3=1, C2=1, C1=1, C0=1 то установлен канал 16, то при дифференциальном режиме подключения сигналов.
После переключения канала мультиплексора нельзя сразу давать командузапуска, необходимо установить задержку 4мкс на время переключения канала.
После запуска АЦП на измерение срабатывает внутреннее устройство выборки хранения (УВХ), которое запоминает мгновенное значение сигнала на момент запуска.
Регистр состояния 8-ми разрядный, адрес +2, указывает состояние АЦП и счетчиков – таймеров, ЦП регистр доступен для чтения.
7 |
6 |
5 |
4 |
|
3 |
2 |
1 |
0 |
|
1 |
1 |
1 |
1 |
|
|
|
T2 |
T1 |
T0 |
|
|
||||||||
|
|
|
|||||||
Бит 3 указывает состояние АЦП. После запуска АЦП на измерение бит 3 устанавливается на время выполнения преобразования и сбрасывается по окончании преобразования.
Регистр запуска 8-ми разрядный, адрес +4. Запись произвольного значения в регистр запускает АЦП на измерение.
4.2Алгоритмы измерений входного сигнала
1.Установка режима измерения: номер канала, режим подключения входного сигнала, диапазон измерения, задержка на вре мя переключения канала.
2.Однократные измерения в выбранном канале: запуск на измерение, проверка готовности данных, чтение данных из регистра данных.
3.Преобразование кодов в значение сигнала.
4.Представление результата в цифровой или графической форме.
Первые два пункта алгоритма измерения выполняются специальной программой — инструментальным драйвером устройства.
Инструментальные драйверы – набор процедур, которые выполняют команд ы, необходимые для функционирования аппаратных средств системы.
Пример: Реализация алгоритма измерения входного сигнала напряжения по готовности АЦП. Условия измерения: 1-ый канал мультиплексора, диапазон измерения: 
, д ифференциальный режим подключения входного сигнала.
Program Demo_Read_ADC; var i, U: integer; Procedure wait(i:word);
Begin for j:=1 to I do end; {Обеспечивает задержку0-10 мкс, в зависимости от параметра i .} begin
Port[$302]:=$40; {Установка режимма, диапазона, канала.}
{Задержка 4 мкс. на время переключения канала мультиплексора.} Port[$304]:=$FF; {Запуск АЦП на измерение}
asm NOP end; {Задержка несколько наносекунд для начала измерения АЦП.} while (Port[$302]>=$F8) do ; {Проверка окончания измерения.} U:=PortW[$300]; {Чтение данных из регистра данных АЦП}
writeln (‗Напряжениена выходе1-го канала‘,0.5*(U-2048), ‗[мВ]‘);{Преобразованиеивыводданных.} end.
4
4.3 Методика управления и оценки состояния внешних устройств
Для управления любым устройством используется информация из регистров интерфейса. В интерфейс вводятся регистры управления. Приказы ВУ передаются в виде последовательности слов с определенным набором нулей и единиц. Регистры управления процессорувсегда доступны для записи и не всегда доступны для чтения. Если регистр управления доступен для чтения, можно узнать последнее управляющее слово.
Оценка состояния простого внешнего устройства производится с помощью флага готовности. Если устройство может выполнять несколько операций, то для проверки его состояния используется слово состояния.
Для оценки состояния процессор должен прочитать регистр и проанализировать отдельные биты регистра. Зачастую приходится выполнять манипуляции с отдельными битами регистров.
4.4 Проверка, установка, сброс отдельных разрядов регистров внешнего устройства
Для проверки, установки или сброса отдельных разрядов регистров чаще всего используются логические операции: ИЛИ, И, НЕ.
С целыми переменными указанные операции выполняются столько раз, сколько бит содержит переменная.
Операция ИЛИ – используется для установки битов в регистре ВУ или ячейке ОЗУ. Для установки битов операция выполняется над содержимым регистра и вспомогательного слова, укоторого установлены те биты, которые требуется установить в результате.
Пример: Установить старший бит (7) регистра. 01010101 – регистр, 10000000 – вспомогательное слово.
Выполним операцию ―ИЛИ‖и получим: 11010101 – установлен в результатебит 7.
Операция И – применяется для сброса или проверки отдельных разрядов ячейки ОЗУ, или регистра ВУ.
Длясбросаотдельныхразрядоввыполняетсяоперация―И‖надсодержимымрегистраи вспомогательного слова, укоторого установлены все биты кроме сбрасываемых.
Пример: 10101010 – регистр, 01111111 – вспомогательное слово для сброса старшего бита. Выполним операцию ―И‖и получим: 00101010 – сбросился бит 7.
Для проверкиотдельных битовв регистре ВУили ячейке ОЗУ необходимовыполнить операцию ―И‖ над содержимым регистра и вспомогательного слова, укоторого сброшены все биты кроме тестируемых.
Пример: Проверить бит 7.
10101010 – регистр, 10000000 – вспомогательное слово. Выполнимоперацию―И‖и получим:10000000–проверилибит7.
5