Разработка информационно-управляющей системы для периферийного блока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

В данном курсовом проекте разрабатывается структурная и схема электрическая информационно-управляющией системы для периферийного блока. Данная система разрабатывается на базе микроконтроллера Intel 8086 и содержит следующие блоки: ПЗУ емкостью 16 Кб, ОЗУ емкостью 64 К. Управляющими сигналами являются как аналоговые, так и релейные. Для связи с ЭВМ система имеет типовые интерфейсы(USB и LPT). Помимо принципиальной содержит структурную схему и функциональные узлы некоторых блоков. Курсовая работа выполнен на 20 листах, содержит чертежи: Э3 формата А1, Э1 формата А2 и алгоритм программы ввода аналоговой информации, 7 рисунков.

Таблица 1 Задание на курсовой проект

Число входных сигналов: аналоговых релейных
	4
	12
Величина входного аналогового напряжения, В	±0,1
Максимальная основная частота входного сигнала, Гц	400
Уровни релейных сигналов совместимы с ТТЛ уровнями	+
Ввод релейных сигналов через прерывание, асинхронно	+
Макс. длина проводников до источника первичного сигнала, м	1,5
Вывод информации на цифровое табло: число строк число столбцов
	32
	48
Элементы индикации	точечные
Время формирования сигнала на выходе, с	не более 0,05
Точность представления входной информации, %	не хуже 0,02
Точность представления выходной информации, %	не хуже 0,2
Функциональная клавиатура	12 клавиш
Объем памяти команд, Кб	не менее 16
Объем памяти данных, Кб	не менее 64

информационный микропроцессор тактовый частота

1. Техническое задание

Введение

Данное техническое задание распространяется на разработку схемы электрической принципиальной информационно-управляющей системы для периферийного устройства, предназначенной для сбора информации с 4 аналоговых и 12 релейных каналов, вывода на табло состоящего из 32 строк и 48 столбцов, также предусмотрена связь с ЭВМ посредством через типовые интерфейсы (USB и LPT-порта) и управление системой с помощью клавиатуры.

1.1 Основание для разработки

Информационно-управляющую систему для периферийного устройства КНФУ400.280.001 разрабатывают на основании задания на курсовое проектирование по дисциплине «ПЦиПУЭВС».

1.2 Технические требования

1.2.1 Состав изделия

Спроектированное изделие должно содержать в своем составе следующие устройства: микропроцессор, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), АЦП, блок ввода 4 входных аналоговых сигналов, блок ввода 12 входных релейных сигналов, табло индикации 24 строки по 48 столбцов, контроллер параллельного порта, последовательный порт, функциональная клавиатура на 12 клавиш.

1.2.2 Технические параметры

Число входных сигналов:

аналоговых 4

релейных 12

Величина входного аналогового напряжения, В ±0,1

Максимальная основная частота входного сигнала, Гц 400

Уровни релейных сигналов совместимы с ТТЛ уровнями +

Ввод релейных сигналов через прерывание, асинхронно +

Макс. длина проводников до источника

первичного сигнала, м не более 1,5

Вывод информации на цифровое табло:

число строк 32

число столбцов 48

Элементы индикации точечные

Время формирования сигнала на выходе, с не более 0,05

Точность представления входной информации, % не хуже 0,02

Точность представления выходной информации, % не хуже 0,2

Функциональная клавиатура 12 клавиш

Объем памяти команд, Кб не менее 16

Объем памяти данных, Кб не менее 64

Для связи с ЭВМ система должна иметь типовые интерфейсы: параллельный порт (типа LPT), последовательный порт USB

1.2.3 Принцип работы

Принцип работы заключается в том, что система производит сбор информации с аналоговых и релейных входов поочередно со всех каналов и преобразует её.

Информация хранится в оперативной памяти, обрабатывается по определенному алгоритму.

Полученные данные записываются в оперативную память.

Затем эти значения выводятся на цифровое табло и поступают в ЭВМ.

1.3 Технические требования

1.3.1 Требования к надежности

Показатели надежности должны соответствовать ГОСТ 25359-82.

1.3.2 Условия эксплуатации

Разрабатываемое устройство на базе микропроцессора intel 8086 предполагается эксплуатировать в условиях УХЛ 4 ГОСТ 15150 - 69 при следующих условиях:

- температура окружающей среды, °С от +1 до +35

-относительная влажность воздуха

при температуре +20°С, % 60

-предельное значение при температуре +25°С

и продолжительности воздействия не более 6 месяцев, % 80

- атмосферное давление, кПа от 86,0 до 106,7

1.3.3 Требования безопасности

Требования безопасности должны соответствовать ГОСТ 12.2.006-87, надежность работы вычислителя должна обеспечиваться выбором условий эксплуатации. При эксплуатации вычислителя необходимо следить за правильностью распайки и обеспечением надежного механического крепления элементов, а также надежного заземления всего изделия в целом. При пайке выводов микроконтроллера и других микросхем следует принимать жесткие меры, исключающие повреждение из-за перегрева, механических усилий или воздействия статического напряжения.

2. Техническое предложение

2.1 Принцип работы системы

Принцип работы заключается в сборе данных с аналоговых и релейных входов. Управление данными осуществляется через сигналы управления. С их помощью включаются определенные команды. Источником этих команд является микроконтроллер (DD10).

Данные проходят по двунаправленной шине данных (ШД). В отличие от адреса, эта шина двунаправлена. Для хранения данных применены двунаправленные регистры (DD18, DD19).

Микроконтроллер устанавливает на адресную шину текущий адрес. По установленному адресу из ПЗУ по сигналу чтения на шину данных передается код операции. КОП фиксируется в регистре команд процессора. Контроллер расшифровывает КОП, настраивает связи между ними на выполнение текущей операции[4].

При помощи сигналов синхронизации во внутренних регистрах процессора фиксируется преобразованная информация. Если текущая команда выполнена, контроллер устанавливает следующий адрес, по которому читается новый код операции и процесс выполнения команды повторяется [1], [4].

2.2 Разработка структурной схемы системы

Применение микропроцессоров (МП) в контрольно-измерительной аппаратуре позволяет в несколько раз повысить точность, скорость и надежность измерений, позволяет автоматизировать измерения и обработку результатов. Рассмотрим несколько вариантов:

Структура ЭВМ отображает основные функциональные блоки и связи между ними. В зависимости от класса ЭВМ, ее сложности, структурное построение будет различаться. Например, типовая структура простейшего вычислителя (микроконтроллера) может быть представлена в виде (рисунок 1) [1].

Рисунок 1 Структура микроконтроллера

Основа любого структурного построения ЭВМ - процессор (CPU), формирующий основные сигналы в схеме.

Для обмена командами и данными используются две шины - шина адреса (ША) и шина данных (ШД). Структурные блоки оперативной памяти (ОЗУ), постоянной памяти (ПЗУ), контроллеров внешних устройств подключены к этим шинам.

Следует заметить, что шины адреса и данных можно рассматривать как некий «скелет» всей модели, неизменный для конкретного типа ЭВМ.

Состав блоков при этом может изменяться, но способ их объединения - шины - неизменный.

Можно выделить следующие блоки:

- блок ввода аналогового сигнала;

- блок вывода аналогового сигнала(для вывода на какой-либо внешний приемник обработанный сигнал);

- блок ввода релейного сигнала;

- ОЗУ, ПЗУ;

- USB, индикация, LPT порт, клавиатура.

Выбор блока осуществляется с помощью адресного дешифратора (программируемой логической матрицы (DD17)).

Структурная схема представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 Структурная схема

2.3 Разработка функциональной схемы системы

Неизменными остались от структурной схемы следующие блоки: микроконтроллер, адресный дешифратор, индикация и USB контроллер, подключаемый к порту USB [6].

Представлены следующие микросхемы:

- регистры адреса(2шт.) и данных(2);

- ОЗУ(2) и ПЗУ(2).

Блок ввода аналоговых сигналов.



Рисунок 3 Блок ввода аналоговых сигналов

Ввод аналоговой информации осуществляется с помощью 12 - разрядного АЦП AD7892.

Четыре аналоговых сигнала через разъем поступают на двухполярный мультиплексор К561КП2. Так как величина входного аналогового напряжения 0,1 В, используем операционный усилитель, повысив напряжение до 5В.

Переключение входов мультиплексора осуществляется двумя младшими разрядами адреса A0, А1, А2 которые подаются через регистр, для того чтобы преобразованный сигнал не записанный в память сохранялся, не должен изменяться номер канала мультиплексора.

Далее сигналы подаются на вход Vin1 АЦП. По окончании преобразования сигнала, АЦП выдает сигнал о конце преобразования, который записывает выходную информацию на регистры КР580ИР82 (DD12, DD13).

Блок ввода релейных сигналов.

Блок ввода релейных сигналов состоит из разъема, регистра и элементов логики. Необходимо ввести 12 входных релейных сигналов. Сигналы с разъема с частотой тактового сигнала процессора пишутся в регистр, причем, выходы регистра, подключенные на шину данных закрыты, сигнал OE имеет высокий уровень.

С появлением единицы, код пишется в регистр и формируется сигнал запроса на прерывание через схему ИЛИ.

Рисунок 4 Блок ввода релейных сигналов

Блок вывода аналогового сигнала.

Рисунок 5 Блок вывода аналоговых сигналов

Блок вывода аналоговых сигналов состоит:

- ЦАП;

- операционного усилителя, для повышения напряжения и токов выходного сигнала.

Управление происходит с ПЛМ (DD17).

LPT - порт параллельный, байтовый. Предназначен для передачи информации в обе стороны побайтно. Поскольку способ передачи асинхронный, источник - приемник имеют сигналы запроса передачи, подтверждения готовности, строб, а также дополнительные сигналы.

Параллельный обмен с внешними устройствами выполняется через программируемый контроллер К580ВВ55, который позволяет осуществлять обмен 8-разрядными данными по трем каналам: А, В, С. Буферы каналов позволяют подключать наборные поля, индикацию и различные внешние устройства [7].

2.4 Выбор элементной базы

2.4.1 Расчет разрешающей способности и быстродействия АЦП

При вводе аналогового сигнала его представление в дискретную форму проводят, учитывая требуемый интервала дискретизации, который определяется теоремой Котельникова. Величина t определяет временной интервал только для одного сигнала.

Максимальная частота входного сигнала = 400 Гц.

Допустимая погрешность входного сигнала 0,02%.

Интервал времени, необходимый для преобразования сигнала:

Полученное значение - это время преобразования одного сигнала из аналоговой в цифровую форму.

Так как число каналов равно 4, то

Примем, что время преобразования одного сигнала (одного канала):

, где

Поэтому

Выбор разрядности АЦП:

,

где n-число разрядов АЦП, n=12

Выбирем 12-разрядный параллельный АЦП AD7892.

2.4.2 Расчет тактовой частоты процессора

Поскольку команда косвенной адресации выполняется за 2 цикла - 10 тактов, то .

Учитывая коэффициент запаса и то что в расчете брали тактовую частоты для одного канала, принимаем тактовую частоту процессора .

По двум характеристикам (тактовой частоте и разрядности) выбираем микропроцессор - Intel 8086 [4].

2.4.3 Расчет разрядности ЦАП

Согласно техническому заданию:

- точность () представления выходной информации не хуже 0,2%;

- время формирования сигнала на выходе не более 0,05с.

Поэтому необходимо спроектировать ЦАП с операционным усилителем.

Выбор разрядности ЦАП:

n = 8,

где n-число разрядов ЦАП.

Выбирают 10-ти разрядный ЦАП AD9761.

Частотный диапазон 0ч200Гц. По этому значению выбираем операционный усилитель THS5651A, которого не ниже 200Гц.

2.4.4 Выбор ОЗУ и ПЗУ

Объем памяти берем из технического задания:

ОЗУ не менее 64кб

ПЗУ не менее 16кб

Выбираем ОЗУ - две микросхемы (AS7C256) по 32 Кб.

В качестве ПЗУ используем 2 микросхемы AT28C64 (8Кб каждая).

3. Техническое описание

3.1 Описание структурной схемы устройства

Система состоит:

- процессорный блок (DD10);

- блок ввода аналоговых сигналов, имеющий 4 аналоговых входов;

- блок ввода релейных сигналов (12 входов);

- внешнее ОЗУ (DD21, DD22) и ПЗУ (DD23, DD24);

- блок отображения информации(DD16);

- контроллер параллельного порта (DD25), контроллер последовательного порта (DD27) и функциональная клавиатура (12 клавиш).

Структурная схема информационно-вычислительной системы приведена на рисунке 6:

Рисунок 6 Структурная схема

Управление АЦП осуществляется при помощи контроллера и выходным сигналом адресного дешифратора, ОЗУ - встроенным в микропроцессор блоком управления внешней памяти, блок отображения - сигналами с шины адреса и шины данных и сигналом адресного дешифратора.

3.2 Описание принципиальной схемы устройства

Схема электрическая принципиальная информационно-управляющей системы для периферийного устройства КНФУ.400280.001 построена на микропроцессоре Intel 8086 (DD10) [4]. К микропроцессору через формирователи шин адреса и данных (DD14-DD15, DD18, DD19) подключена оперативная память (DD21, DD22) суммарным объемом 64 Кб.

Управление происходит с выводов адресного дешифратора с помощью сигналов CS0…8.

Ввод аналоговой информации производится с помощью АЦП (AD7892) DА6. Аналоговый сигнал поступает на мультиплексор DА9. Переключение входов мультиплексора осуществляется младшими разрядами адреса А0,А1,А2. По окончании преобразования сигнал с АЦП записывает преобразованный 12-тиразрядный код в регистры DD18, DD19. Затем процессор проводит чтение с регистров.

Режим чтение/запись устанавливается сигналами W/R [4]. Установлены регистры адреса DD14, DD15, для сохранения адреса в течение выполнения всего цикла команды, которые управляются сигналом микроконтроллера ALE.

Вывод информации осуществляется с помощью матрицы точечных индикаторов [5].

Система обрабатывает 12 релейных сигналов, поступающих с разъема XР2. По мере поступления информации на вход, формируется прерывание с помощью элементов DD1 и DD5, которое поступает на вход внешнего прерывания микроконтроллера (NMI). При появлении прерывания, контроллер обращается к блоку ввода релейных сигналов, выставляется сигнал CS, который подается на вход разрешения считывания на регистры DD6, DD7 и выполняет чтение поступивших данных. Для связи с ЭВМ система имеет типовые интерфейсы(USB и LPT) [6], [7].

3.3 Карта адресного пространства

Распределение адресного пространства микропроцессора Intel8086 приведено в таблице 2:

Таблица 2 Карта адресного пространства

19FFF 16000	Свободное место
15FFF	ОЗУ
06000
05FFF	Свободное место
05800
057FF	Клавиатура
05700
056FF	LPT-порт
05600
055FF	USB
05500
054FF	Индикация
05400
053FF	ЦАП
05300
052FF	Регистры АЦП
05200
051FF	АЦП запуск
05100
050FF	Регистры прерываний
05000
04FFF	ПЗУ
01000
00FFF	PrA
00000

3.4 Поверочные расчеты

3.4.1 Расчет на потребляемую мощность

Потребляемая мощность включённых микросхем приведена в таблице 3.

Таблица 3 Расчёт на потребляемую мощность

№	Тип	Кол-во	Рпотр, мВт	Рпотр?, мВт
1	AS7C256	2	1000	2000
2	AT28C64B	2	200	400
3	AD7892	1	400	400
4	Intel 8086	1	1700	1700
5	MT-6116	1	500	500
6	К140УД	8	200	1600
7	THS5651A	1	175	175
8	К561КП	1	145	145
9	К140УД24	1	450	450
10	К1533ИР23	3	155	465
11	К155ЛА1	1	55	55
12	К155ЛА3	1	110	110
13	К155ЛЕ3	2	95	190
14	КР531ИР11	1	600	600
15	К580ГФ84	1	800	800
16	КР580ВА86	2	800	1600
17	КР580ВВ55	1	600	600
18	КР580ИР82	4	800	3200
Итого	14990

3.4.2 Расчет на нагрузочную способность

Согласно схеме электрической принципиальной выбираем самый нагруженный участок.

Это шина адреса микропроцессора: к ее младшим разрядам подключено 8 входов - что не превышает максимально допустимого.

3.4.3 Анализ времени задержки

Определяем период тактового сигнала, который должен быть больше суммы задержек в критической цепи. Рассчитывают задержку в цикле выборки команды.

T1 - задержка в регистре адреса шины (КР580ИР82) 30нс

T2 - задержка в адресном дешифраторе (ПЛМ КР1558ЯР1) 45нс

Т3 - время чтения из памяти команд (AT28C64B ) 50нс

Т4 - время распространения по шине (КР580ВА86) 30нс

Т5 - время фиксации в регистре команд процессора, принимают равным задержке в регистре адреса (время задержки КР580ИР82) 30нс

Сравнивают с

,

30+45+50+30+30=185 нс=0,185 мкс

0,2>0,185

4. Программная часть

Подпрограмма ввода аналоговой информации, состоит из следующих частей:

Сохранение содержимого всех регистров

Загрузка начального адреса канала

Загрузка начального адреса ОЗУ

Установка номера канала

Чтение данных из АЦП

Пересылка данных в ОЗУ

Инкремент канала

Декремент счетчика каналов

Сохранение ячейки адреса ОЗУ

Восстановление всех регистров

Выход.

Текст программы:

PUSH A /сохранение содержимого всех регистров

Ld АХ, 05100 /загрузка начального адреса канала

Elob EX, 06000 /загрузка начального адреса ОЗУ

Label

Est AX, #0H /установка номера канала

NOP /задержка на преобразование

Eldb DX, 05200 /пересылка данных из АЦП в DX

Est EX, DX /пересылка данных из DX в ОЗУ, адрес EX

Inc AX /инкремент канала

Inc EX /инкремент адреса ОЗУ

Dec BX /декремент счетчика каналов

Jne Label /сравнение с нулем

Pop A /восстановление всех регистров

Ret /выход

Алгоритм программы обработки прерывания представлен в графической части и на рисунке 7:

Рисунок 7 Алгоритм программы обработки прерывания

Преобразование выполняется началом команды чтения. Команда чтения выставляет адрес на шину адреса и адресный дешифратор формирует сигнал выборки для мультиплексора и АЦП. Чтение возможно в любой регистр, так как в это время на шине данных ничего нет, важно поставить на шину адреса нужный адрес с тем, чтобы сигнал с адресного дешифратора открыл мультиплексор.

Время преобразования в АЦП конечно поэтому после команды чтения шины выставляем по новому адресу команду чтения АЦП. Содержимое регистра выхода АЦП читаем в конкретном регистре процессора. Чтобы преобразованный второй сигнал вновь возвращается к адресному пространству запуска АЦП мультиплексор переключается вход, выполняем преобразования. Выполнив преобразование, читаем новой командой регистр АЦП.

Заключение

В ходе работы спроектирована информационно-управляющая система для периферийного устройства к которой составлены следующие схемы - структурная на формате А2, электрическая принципиальная на формате А1, а так же алгоритм программы ввода аналоговой информации. В проекте описывается функционирование устройства и приводится описание принципа работы.

Технические параметры устройства соответствуют параметрам, установленным в Техническом задании: число входных аналоговых и релейных сигналов - 4 и 12 соответственно; амплитуда входного аналогового сигнала ±0,1 В; максимальная основная частота входного сигнала 400 Гц; вывод информации осуществляется с помощью матрицы точечных индикаторов 32х48; время формирования сигнала на выходе - не более 0,05 с; точность представления входной информации - не хуже 0,02 %; точность представления выходной информации - не хуже 0,2 %.

Размещено на Allbest.ru

...