Синтез многофункциональных гетерогенных информационно-измерительных систем на основе программируемых аналого-цифровых микроконтроллеров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Синтез многофункциональных гетерогенных информационно-измерительных систем на основе программируемых аналого-цифровых микроконтроллеров

А.В. Капитонов,

С.М. Крылов,

А.С. Крылова,

Д.В. Лавров,

М.В. Сараев,

В.Н. Толчев

Аннотация

Рассматриваются основные подходы и методы синтеза многоцелевых (многофункциональных) информационно-измерительных систем для работы с гетерогенными (разнородными) множествами цифровых и аналоговых сигналов.

В работах [1-7] рассмотрен ряд базовых концепций, связанных с анализом и синтезом структур предельно-многофункциональных (фактически - универсальных) программно-управляемых технологических систем различного назначения, в том числе структур многоцелевых программируемых аналого-цифровых микроконтроллеров, получивших название "многоцелевые программируемые аналого-цифровые системы на кристалле" (МПАЦ СНК). В дальнейшем справедливость этих концепций была многократно подтверждена как отечественными [4, 5, 8, 9], так и зарубежными [10-14] разработками, причём в области не только аналого-цифровых [10-12], но и биотехнологических [13, 14] систем. Базовая структура МПАЦ СНК, разработанная для практического применения в соответствии с этими концепциями, приведена на рис. 1. В [4, 7] доказано, что такая структура способна реализовать любые конечные алгоритмы преобразования, анализа и синтеза аналоговых сигналов с конечной точностью, если число и состав блоков обработки информации не выходит за рамки множества {F11, F12,…, Fmn}.

Р и с. 1. Базовая структура МПАЦ СНК для практических реализаций:

Fij - технологические ячейки (ТЯ), реализующие в совокупности набор аналитических и технологических операций в полной технологии T, CA - схема адресации, реализующая нужный механизм выборки ячеек хранения объектов операций

Следует отметить, что для МПАЦ СНК среди блоков ТЯ (рис. 1), согласно [4], обязательно должны присутствовать хотя бы небольшие массивы программируемых логических матриц (ПЛМ), иначе максимально возможный уровень гибкости (универсальности) системы не достигается. Это связано, прежде всего, с тем, что полнота технологии для обработки смешанных аналого-цифровых сигналов предполагает и полноту включённой в неё чисто цифровой технологии, которая, в соответствии с существующими теоретическими представлениями, должна реализовывать любые цифровые (в частности булевы) функции из функционально полного базиса [15].

Кроме того, в современных МПАЦ СНК, в отличие от традиционных аналого-цифровых микроконтроллеров с расширенным набором периферии, в качестве ТЯ обычно используются так называемые конфигурируемые блоки (КБ), позволяющие разработчику создавать свои собственные, проблемно-ориентированные подсистемы обработки информации, отсутствовавшие в явном виде в исходной архитектуре системы [1, 4, 8, 10-12].

В работе [16] предложено улучшить технические (в частности точностные) характеристики, а также расширить набор реализуемых функций КБ (ТЯ) за счёт использования гетерогенных функциональных компонентов. Для многоцелевых информационно-измерительных систем (ИИС), построенных на базе современных МПАЦ СНК и предназначенных для работы с гетерогенными наборами сигналов, это представляется весьма перспективным, поскольку позволяет сразу учесть фактор гетерогенности при проектировании архитектуры как самой МПАЦ СНК, так и ИИС на её основе. Там же показано, что основной набор функциональных блоков для реализации ТЯ (КБ) может состоять из блоков, имеющих не более чем два входа и не более чем два выхода [16].

В табл. 1 приведены все возможные сочетания типов основных входных и выходных электрических сигналов и параметров, наиболее часто используемых (или могущих быть использованными) для представления информации в современных ИИС. Поскольку таблица однородна и симметрична относительно диагонали, то строки с Iа по R (левая колонка) опущены для краткости.

Т а б л и ц а 1

Сводная таблица возможных сочетаний вход-выход для электрических сигналов и параметров

Обозначения входных и выходных сигналов и параметров в таблице: U - сигналы напряжения, I - тока, R - величина сопротивления, C - величина ёмкости, L - величина индуктивности. Строчными буквами обозначены: ц - цифровые сигналы, а - аналоговые, ф - фаза сигнала, д - длительность импульсного сигнала, h - амплитуда импульса, ч - частота сигнала.

Обозначения в клетках таблицы: пробел - гомогенное сочетание входных и выходных сигналов и (или) параметров, Г - гетерогенное сочетание вход-выход.

Табл. 1 не является исчерпывающей, поскольку с теоретической точки зрения возможны и другие, достаточно экзотические типы электрических сигналов и параметров, способных кодировать и передавать информацию. Однако для наших целей табл. 1 достаточно представительна, поэтому в первом приближении можно ограничиться ею. Общее число Г гетерогенных сочетаний вход-выход, согласно табл. 1, составляет величину

, (1)

где n - общее число рассматриваемых гетерогенных сигналов и (или) параметров (для табл. 1 значение n = 15).

Полученный по формуле (1) результат дополнительно подтверждает вывод, сделанный в [16] о том, что множество потенциальных схемотехнических решений для гетерогенных систем на несколько порядков превосходит множество потенциальных решений для систем, использующих только гомогенные сигналы и параметры.

В [16] показано также, что в общем случае для реализации функционально полных наборов как цифровых (булевских), так и аналоговых (по Шеннону - см. [17]) функций, достаточно функциональных блоков следующих типов: а) двухвходовых с одним выходом, б) так называемых "разветвителей" (линейных блоков с одним входом и двумя симметричными выходами), и в) источников опорных сигналов (констант). С учётом этого обстоятельства можно получить следующие оценки числа гетерогенных вариантов реализаций блоков типа а), б) и в):

(2)

где Га, б - число гетерогенных реализаций блоков типа а) и б); Гв - число гетерогенных реализаций блоков типа в).

Таким образом, согласно (2) для основных функциональных блоков типа а) число всех возможных гетерогенных реализаций (при n = 15) достигает 3360 на один двухвходовой функциональный блок, что ещё больше расширяет поле возможных базовых схем обработки гетерогенных сигналов. Кроме того, согласно [16] для системы с n типами гетерогенных сигналов требуется, по крайней мере, (n - 1)2 линейных конверторов, преобразующих один из типов сигналов в любой другой.

В [4] показано, что для МПАЦ СНК со структурой, приведенной на рис. 1, возможны три основных варианта реализации алгоритмов обработки сигналов:

1) рекурсивный (Р);

2) потоковый (П);

3) смешанный, т.е. рекурсивно-потоковый (РП).

Применительно к аналоговым (А) и цифровым (Ц) вычислительным подсистемам МПАЦ СНК каждый из этих вариантов имеет свои преимущества и недостатки. В табл. 2 перечислены основные из них. При этом качественная оценка каждого варианта делалась на основе анализа цифровых схем стандартной для классических микроконтроллеров разрядности (8 дв. разрядов) и соответствующих им по функциям аналоговых схем, реализованных на одной и той же элементной базе и в одной и той же технологии.

Т а б л и ц а 2

Преимущества и недостатки различных вариантов организации алгоритмов функционирования цифровых (Ц) и аналоговых (А) подсистем МПАЦ СНК

Как видно из табл. 2, основное качественное отличие между аналоговыми и цифровыми подсистемами МПАЦ СНК состоит в меньшей точности аналоговых вычислительных процессов при вычислении значений (амплитуд) сигналов (колонка 4), и, наоборот, - в более точной привязке процессов аналоговых вычислений к непрерывной временной шкале (колонка 5). Последнее легко объяснимо спецификой аналоговых операций, в которых время всегда рассматривается как непрерывная функция, тогда как дискретность привязки ко времени в цифровых тактируемых системах (к которым относятся МПАЦ СНК) всегда задаётся тактовой частотой, и только специальные цифровые системы с так называемым "ждущим запуском" могут быть лишены этого дефекта.

Первый из упомянутых выше недостатков преодолевается за счёт синтеза гетерогенных функциональных компонентов, использующих отдельные преимущества различных гетерогенных схем, например, высокую точность импульсных схем на переключаемых конденсаторах, простоту реализации токовых ЦАП и достаточно высокое быстродействие современных "непрерывных" ДОУ [16]. Второй недостаток, как уже отмечалось, - введение специальных "ждущих" цифровых схем, использующих идеологию непрерывной (потоковой) обработки данных. Решению последней задачи может также способствовать формирование в МПАС СНК конфигурируемых аналого-цифровых подсистем, реализующих так называемые "стробоскопические" и "развёртывающие" (с использованием аналоговой развёртки) алгоритмы, позволяющие априори привязывать начало выполнения различных операций в ТЯ к непрерывной или же предельно дискретной шкале времени с разрешением более высоким, чем разрешение, определяемое тактовой частотой МПАЦ СНК. В частности, такого рода подсистемы могут быть реализованы в реконфигурируемом варианте схемы выборки и блоке СА на рис.1.

Современные многофункциональные ИИС, как и многие другие многоцелевые электронные системы, помимо высокого быстродействия, точности и надёжности должны отвечать следующим общим требованиям;

1) иметь минимально возможные габариты;

2) эффективно сопрягаться с компьютерами;

3) иметь автономные портативные реализации;

4) иметь минимальную стоимость.

С учётом этих требований и особенностей современных МПАЦ СНК, максимально приближающихся по своей внутренней структуре к рис. 1 (например, МПАЦ СНК типа PSoC фирмы Cypress Semiconductor), можно предложить следующие варианты конфигураций для технических реализаций гетерогенных ИИС (рис. 2):

Адаптер на рис. 2 выполняет функции сопряжения входных и выходных цепей МПАЦ СНК с тестируемым объектом, на который могут подаваться различные тестирующие сигналы и измеряться различные параметры, как связанные с тестовыми воздействиями, так и не зависящие от них.

Вместо USB c оптическим каналом (OPTO USB на рис. 2) может использоваться беспроводной USB-интерфейс (радио-USB). В этом случае БП ГР заменяется на автономный блок питания всей измерительной и интерфейсной части ИИС, включая радио-USB и МПАЦ СНК.

Вариант "а" реализации ИИС на рис. 2 - самый простой и поэтому самый экономичный. Однако он имеет существенный недостаток, связанный с тем, что весьма сильно зашумлённая "земля" ПК связана с "землёй" измерительной части ИИС, что приводит к необходимости введения дополнительных средств шумоподавления. Кроме того, поскольку шина питания интерфейса USB имеет только один источник положительной полярности, возникают дополнительные трудности при генерировании и измерении сигналов напряжения отрицательной полярности. От этих недостатков свободны варианты "б" и "в", в которых отсутствует гальваническая связь между "землёй" ИИС и ПК. Оптимальный вариант конфигурации блока "Индикаторы и клавиатура" рис. 2 в - чёрно-белый или цветной малогабаритный графический ЖКИ-дисплей и микроджойстик, позволяющий "прокручивать" меню стандартных функций влево-вправо и вверх-вниз, а также выбирать соответствующие режимы и параметры измерений.

Р и с. 2. Три базовые конфигурации для технических реализаций гетерогенных ИИС:

а - с гальванической связью с персональным компьютером (ПК); б - с гальванической развязкой

от ПК; в - автономный вариант. OPTO USB - контроллер USB-интерфейса с оптической развязкой;

БП ГР - блок питания с гальванической развязкой; БП - автономный блок питания

Важным дополнительным достоинством варианта "а" является возможность его использования в дистанционных системах выполнения реальных лабораторных работ и экспериментов [18]. При этом внешний (реальный) тестируемый объект может отсутствовать, а вместо него в этом случае используются внутренние блоки МПАЦ СНК, на которые подаются генерируемые внутри МПЦ СНК тестовые сигналы. Данные о реакции этих (реальных) объектов возвращаются удалённому пользователю, проводящему дистанционный эксперимент. цифровой гетерогенный информационный

Для вариантов "а" и "б" возможны два режима взаимодействия между ПК и ИИС: 1) с использованием режимов перепрограммирования МПАЦ СНК и двустороннего обмена данными в процессе выполнения измерений, и 2) - без перепрограммирования, т.е. с использованием только режима двустороннего обмена данными. Первый режим полезен при отладке ИИС, а также в учебных целях (например, в качестве "дистанционной лаборатории реальной электроники"). Второй - при использовании ИИС в качестве многофункционального измерительно-тестирующего прибора типа "супермультиметра" с дополнительными функциями осциллографа, характериографа и цифрового анализатора [9].

Для реализации в полной мере всех перечисленных возможностей структура МПАЦ СНК должна отвечать как указанным выше критериям, так и ряду других требований, рассмотренных в [4]. К сожалению, среди микросхем, выпускаемых мировой электронной промышленностью, таких нет. Наиболее близкими по своим характеристикам к требуемым являются МПАЦ СНК типа PSoC фирмы Cypress Semiconductor [10-12]. Предварительный анализ показывает, что использование различных "скрытых" возможностей этих микросхем позволяет надеяться на разработку недостающих IP-модулей, реализующих многие из режимов и функций, которые требуются для достижения максимально возможной многофункциональности МПАЦ СНК и ИИС на их основе.

Библиографический список

Крылов С.М. Об одном подходе к созданию универсальных устройств сопряжения цифровых и аналоговых систем. В кн.: Автоматизированные моделирующие и управляющие системы. Сб. науч. трудов. Куйбышев: КПтИ, 1980ю С. 111-116.

Крылов С.М. Модели универсальных дискретно-аналоговых машин на основе машины Тьюринга // Электронное моделирование. 1982. №3. С. 6-10.

Крылов С.М. Формальная технология и универсальные системы // Кибернетика. 1986. №4. С. 85-89 (Ч. 1), 1986. №5. С. 28-31 (Ч. 2).

Крылов С.М. Формальная технология и эволюция. М.: Машиностроение-1, 2006. 384 с.

Дмитриев Д.П., Крылов С.М., Лавров Д.В., Пешков С.А., Романов К.В. Исследования в области общей теории систем на основе формально-технологического расширения теории алгоритмов // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. Вып. 8. Самара: СамГТУ, 2000. С. 171-179.

Крылов С.М. Синтез универсальных информационно-измерительных приборов и систем // Известия вузов. Приборостроение. 2003. №12. С. 8-11.

Krylov S.M. Universal Programmable Completely Automated Factories-on-a-Chip. In: Proceedings of the 9th International Conference on the Commercialization of Micro and Nano Systems COMS2004. Aug.29 - Sept.2, 2004, Edmonton, Alberta, Canada. P. 269-273.

Крылов С.М. Программируемый аналого-цифровой интерфейс для микро-ЭВМ // Электронная промышленность. 1986. №7-8. С. 126-130.

Дмитриев Д.П., Крылов С.М. БИС дискретно-аналогового процессора // Электронная техника. 1999. Сер. 3 Микроэлектроника. Вып. 1 (153). С. 32-36.

Snyder W. Analog Array Boards Microcontroller Chip // EETimes, 5/1/2002, Issue № 14155, 2002, p.12. Интернет ресурс: http://www.eetimes.com/story/OEG20020430S0042.

Snyder W. Programmable circuit. EP 1220108 A2. Int Cl.7: G06F 15/78, G06F 9/38. Date of publication: 03.07.2002, Bulletin 2002/27.

Mar M., Sullam B., and Blom E. An Architecture for a Configurable Mixed-Signal Device // IEEE Journal of Solid-State Circuits. Vol. 38. N3. March 2003. P. 565-568.

Abstraction layers for scalable microfluidic biocomputers / Thies W., Urbanski J.P., Thorsen T., and Amarasinghe S. In: International Meeting on DNA Computing, Seoul, Korea, June 2006.

AquaCore: a programmable architecture for microfluidics / Amin A.M., Thottethodi M., Vijaykumar T.N., Wereley S., Jacobson S.C. In: Proceedings of the 34th annual international symposium on Computer architecture ISCA` 7, June 9-13, 2007, San Diego, California, USA. P. 254-265.

Яблонский С.В. Введение в дискретную математику. М.: Наука, 1986. 384 с.

Крылов С.М., Сараев М.В. Синтез конфигурируемых блоков для аналого-цифровых систем-на-кристалле с использованием гетерогенных функциональных компонентов // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. 2007. Сер. Технические науки. №2 (20). С. 58-63.

Шеннон К. Математическая теория дифференциального анализатора. В кн.: Работы по теории информации и кибернетике / Пер.с англ. М.: Иностранная литература, 1963. С. 709-728.

Крылов С.М, Сараев М.В., Толчев В.Н. Лаборатория реальной электроники с дистанционным доступом // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. 2007. Сер. Технические науки. №1 (19). С. 86-90.

Статья поступила в редакцию 29 февраля 2008 г.

Размещено на Allbest.ru