Микропроцессорная техника

Размещено на http://www.allbest.ru/

План работы

микропроцессор прибор метрологический

Введение

1. Введение в микропроцессорную технику

1.1 Микропроцессор, микропроцессорный комплект, микропроцессорная система

1.2 Характеристики микропроцессоров

1.3 Архитектура микропроцессора

1.4 Микропроцессорная система

1.5 Управление работой микропроцессорной системы

2. Общие вопросы применения микропроцессоров в измерительных приборах

2.1 Функции, выполняемые микропроцессорами в приборах

2.2 Улучшение метрологических характеристик приборов

2.3 Что осложняет и ограничивает использование микропроцессоров в средствах измерения

2.4 Программируемые мультиметры

3. Методы тестирования микропроцессорных систем измерительных приборов

3.1 Специфика контроля и диагностики

3.2 Логический анализ

3.3 Сигнатурный анализ

Заключение

Список литературы



Введение

Нелегко поверить, что до 1971 г. человечество не знало микропроцессора -- самого выдающегося достижения электроники после изобретения транзистора. А сегодня микропроцессоры прочно вошли в нашу жизнь, и буквально с каждым днем открываются все новые и новые возможности их применения. Сейчас уже трудно назвать такие области техники или научных исследований, в которых бы не использовались микропроцессоры.

По широте и эффективности применения микропроцессоров одно из первых мест занимает контрольно-измерительная техника. Все нарастающее распространение они получают в системах управления, технике связи, радиотехнике, электронике, медицинской диагностической и лечебной аппаратуре, сфере обслуживания и даже в детских игрушках. Само собой разумеется, что микропроцессоры, разработки которых становятся все более разнообразными, а производство непрерывно растет, служат основой создания новых поколений электронных вычислительных машин (микро-ЭВМ).

Микропроцессорные системы стали органической частью электронных измерительных приборов, применяемых для измерения многочисленных и разнообразных параметров электрических сигналов, а также характеристик неэлектрических физических величин.

Проникновение микропроцессоров в измерительную технику во много раз повысило точность приборов, значительно расширило их функциональные возможности, упростило управление работой, повысило надежность, быстродействие, открыло пути решения задач, которые ранее вообще не решались. Трудно переоценить значение микропроцессоров для создания измерительно-вычислительных комплексов -- автоматизированных средств измерений, предназначенных для исследования, контроля и испытаний сложных объектов.

Когда целесообразно применять микропроцессоры?

В каждом конкретном случае вопрос об эффективности использования микропроцессора в проектируемом измерительном приборе решает разработчик прибора. Тем не менее, анализ уже имеющихся приборов и литературных источников позволяет привести общие соображения, облегчающие ориентацию специалистам, перед которыми возникла дилемма: «Применить микропроцессор или традиционное схемное решение в рамках жесткой логики?» Они сводятся к тому, что использование микропроцессоров в средствах измерения оправданно в следующих типичных ситуациях:

Требуемое для решения задачи число интегральных схем (корпусов) 30 (некоторые специалисты считают, что следует ориентироваться на микропроцессор при 50).

Прибор должен быть многофункциональным, программируемым, необходима функциональная гибкость.

Предвидятся дальнейшие развитие измерительной системы, наращивание, расширение ее функций.

Измерительная система должна взаимодействовать с большим числом входных и выходных устройств.

Требуется запоминание группы данных.

Предвидится фиксация в памяти большого числа логических состояний.

Используются алгоритмы косвенных и совокупных измерений, а вычислительные процедуры должны быть автоматизированы.

Обязательны высокие метрологические характеристики, трудно достижимые или не достижимые обычными путями.

Требуются самокалибровка и самодиагностика.

Статистическая обработка результатов измерений должна быть органической частью измерительной процедуры и должна выполняться автоматически.

Значения погрешностей измерений должны определяться по ходу измерения и отображаться на дисплее прибора.

Требуются новые возможности прибора, которые могут быть осуществлены только с помощью микропроцессора.

Быстродействие микропроцессора достаточно высоко для работы проектируемого средства измерения в реальном масштабе времени, а если он не удовлетворяет этому требованию, то приемлемо применение мультимикропроцессорной системы, позволяющей получать необходимое быстродействие.

Велик объем измерений, и при их выполнении требуется высокая производительность Введение в микропроцессорную технику.

1.1 Микропроцессор, микропроцессорный комплект, микропроцессорная система

Микропроцессор -- это процессор, выполненный в виде одной или нескольких больших интегральных схем (БИС). Приставка «микро» к слову «процессор» подчеркивает миниатюризацию процессора в результате высокой степени интеграции образующих его схем. Таким образом, микропроцессор представляет собой полупроводниковый прибор, состоящий из одной или нескольких программно-управляемых БИС и выполняющий функции автоматической обработки цифровой информации. Его миниатюрные габаритные размеры и незначительная масса, малое потребление энергии открыли возможность введения микропроцессора непосредственно в электронную схему измерительного прибора, средств управления, и других устройств. Микропроцессор намного дешевле, более экономичен и надежен в работе, чем обычный процессор, построенный из набора интегральных схем малого и среднего уровней интеграции.

Так как микропроцессор -- это универсальная БИС с программируемой логикой работы, то он заменил многие типы интегральных схем с жесткой, фиксированной логикой. Изменением программы достигается возможность решения с помощью микропроцессора множества разнообразных задач.

Необходимо подчеркнуть, что микропроцессор рассчитан на совместную работу с запоминающими устройствами н устройствами ввода-вывода информации. В зависимости от функциональных возможностей микропроцессоры делят на универсальные и специализированные.

Под универсальным микропроцессором (называемым иначе микропроцессором общего назначения) понимают микропроцессор, которому присущи все особенности центрального процессора. Такие микропроцессоры служат основой микро-ЭВМ, используются для решения широкого круга задан в системах управления, измерительных приборах, диагностических устройствах и т. п.

Специализированный микропроцессор рассчитан на узкое применение, решение конкретной задачи и оптимизирован по определенному параметру. Так, специализированный матричный перемножитель (его называют также арифметическим расширителем) решает только одну задачу -- умножение двух чисел, но выполняет эту процедуру во много раз быстрее, чем универсальный микропроцессор.

Микропроцессорный комплект или набор -- это совокупность специально разработанных отдельных микропроцессорных и других интегральных схем, которые совместимы по своим конструктивно-технологическим данным: могут быть собраны в единое целое. Они предназначены для совместной работы в микро-ЭВМ, микропроцессорных системах, микроконтроллерах и т. п. Обычно в комплект входят БИС микропроцессора, запоминающих устройств, ввода-вывода информации, микропрограммного управления и др.

Микропроцессорная система -- это собранная в единое целое совокупность взаимодействующих БИС микропроцессорного комплекта -- модулей (иногда дополненная БИС из других комплектов), организованная в работающую систему, т. е. вычислительная или управляющая система с микропроцессором в качестве узла обработки информации. Система, в которой используются два или более микропроцессоров, называется мультимикропроцессорной системой.

Помимо рассмотренных понятий микропроцессора, микропроцессорного комплекта и микропроцессорной системы приведем еще определения микро-ЭВМ и микроконтроллера.

Микро-ЭВМ -- это конструктивно законченное вычислительное устройство, построенное на основе микропроцессорного комплекта БИС или модулей в отдельном корпусе и имеющее свой источник питания, пульт управления, узлы ввода-вывода информации, что позволяет использовать его в качестве автономного, независимо работающего устройства со своим программным обеспеченней.

На практике нередко применяют функциональный блок, содержащий микропроцессорный комплект и оформленный конструктивно в виде платы. Он может выполнять роль микро-ЭВМ, встраиваемой в измерительный прибор или Другую аппаратуру (без источника питания, корпуса, пульта управления, периферийных узлов), но не могущей работать как самостоятельное, автономное устройство. Такой блок, выполняющий функции управления, называют микроконтроллером. Иногда для сокращения его называют просто контроллером. Он может быть программируемым и непрограммируемым. Контроллеры для измерительных систем выпускают и в виде автономных устройств.

1.2 Характеристики микропроцессоров

Свойства микропроцессоров могут быть описаны многими характеристиками. К основным из их, которыми пользуются при сопоставлении и выборе микропроцессоров, можно отнести:

Вид микропроцессора (универсальный или специализированный, однокристальный или многокристальный).

Технология изготовления: р-канальная МОП (p-МОП), п-канальная МОП {п-МОП), комплементарная МОП (КМОП), кремний на сапфире, биполярная ТТЛ, ТТЛ с диодами Шотки (ТТЛДШ), иижекционной интегральной логики {И²Л), эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ). Информация о технологии изготовления дает представление о потреблении энергии и среднем быстродействии микропроцессора.

Разрядность (4; 8; 16; 32) -- длина информационного слова, которое может быть одновременно обработано микропроцессором. Она может быть фиксированной или наращиваемой (у многокристальных микропроцессоров).

Емкость адресуемой памяти. Характеризует возможности микропроцессора по взаимодействию с запоминающим устройством.

Принцип управления: программное управление с «жесткой логикой», микропрограммное управление (хранимая в памяти логика).

Быстродействие. В справочниках наиболее часто его характеризуют продолжительностью выполнения одной операции (или числом операций «(регистр- регистр» в секунду), а также тактовой частотой продолжительностью цикла простой команды.

Мощность потребления.

Питающие напряжения (число уровней, номиналы).

Конструктивные данные: габаритные размеры корпуса, число выводов.

Условия эксплуатации (интервал рабочих температур, относительная влажность воздуха, допускаемые вибрационные нагрузки и т. п.).

Надежность.

Стоимость

У ЭВМ каждое новое поколение имело более высокие основные технико-экономические характеристики по отношению к предыдущему поколению и поэтому вытесняло его. В микропроцессорной технике появление новой разработки не исключает применения ранее созданных микропроцессоров, а расширяет технические возможности применения микропроцессорных систем. Различные «поколения» микропроцессоров существуют совместно в течение продолжительного периода, часто взаимно дополняя (а не исключая) друг друга.

1.3 Архитектура микропроцессора

Под архитектурой микропроцессора понимают принцип его внутренней организации, общую структуру, конкретную логическую структуру отдельных устройств, совокупность команд и взаимодействие между аппаратной частью (устройствами, входящими в состав микропроцессора) и программой обработки информации системой, выполненной на основе микропроцессора. Иначе говоря, архитектуру микропроцессора определяют как совокупность его свойств и характеристик, рассматриваемую с позиции пользователя.

Архитектуры микропроцессоров во многом сходны с архитектурами процессоров ЭВМ, но имеют и свою специфику.

Множество выпускаемых промышленностью универсальных микропроцессоров можно разделить по конструктивному признаку на две разновидности:

однокристальные микропроцессоры с фиксированной длиной (разрядностью) слова и определенной системой команд;

многокристальные (секционированные) микропроцессоры с наращиваемой разрядностью слова на микропрограммным управлением. Они составляются из двух и более БИС. В последнее время появились и однокристальные микропроцессоры с микропрограммным управлением.

Внутренняя логическая организация однокристальных микропроцессоров в значительной степени подобна организации ЭВМ общего назначения. Это дает возможность при разработке микропроцессорной системы на основе однокристального микропроцессора опираться на методы проектирования и использования обычных ЭВМ малой и средней производительности.

Структура многокристального микропроцессора, микропрограммное управление позволяют достичь гибкости в его применении, улучшить характеристики и сравнительно простыми средствами организовать распараллеливание отдельных машинных операций, что повышает производительность ЭВМ, выполняемых на таких микропроцессорах. Однако, хотя возможности многокристальных микропроцессоров существенно выше, чем однокристальных, многие прикладные задачи, в том числе построения автоматических измерительных приборов, успешно решаются на основе использования однокристального микропроцессора. Поэтому ограничимся знакомством со структурой последнего.

Структура микропроцессора. Рассмотрим структуру однокристального универсального микропроцессора, причем для определенности выберем восьмиразрядный прибор. Как видно из приведенной на рис. 1 структурной схемы, в состав микропроцессора входят арифметическо-логическое устройство, управляющее устройство и блок внутренних регистров. Кратко охарактеризуем эти узлы.

Арифметическо-логическое устройство (АЛУ), служащее ядром микропроцессора, как правило, состоит из двоичного сумматора со схемами ускоренного переноса, сдвигающего регистра н регистров для временного хранения операндов. Обычно это устройство выполняет по командам несколько простейших операций: сложение, вычитание, сдвиг, пересылку, логическое сложение (ИЛИ), логическое умножение (И), сложение по модулю 2.



Рис. 1

Теперь коснемся вопроса о связи между ними. Как видно из рис. 1, для структуры микропроцессора характерно наличие внутренней шины данных, соединяющей между собой его основные части.

Шиной называют группу линий передачи информации, объединенных общим функциональным признаком. В микропроцессорной системе используются три вида шин: данных, адресов и управления.

Разрядность внутренней шины данных, т. е. количество передаваемых по ней одновременно (параллельно) битов числа, соответствует разрядности слов, которыми оперирует микропроцессор. Очевидно, что разрядность внутренней и внешней шин данных должна быть одной н той же. У 8-разрядного микропроцессора внутренняя шина состоит из восьми линий, по которым можно передавать последовательно 8-разр'Ядные слова -- байты. Следует иметь в виду, что по шине данных передаются не только обрабатываемые АЛУ слова, но и командная информация. Следовательно, недостаточно высокая разрядность шины данных может ограничить состав (сложность) команд и их число. Поэтому разрядность шины данных относят к важным характеристикам микропроцессора -- она в большой мере определяет его структуру.

Шина данных работает в режиме двунаправленной передачи. Это означает, что по ней можно передавать слова в обоих направлениях, но, разумеется, не одновременно: требуется применение специальных буферных схем и мультиплексного режима обмена данными между микропроцессором и внешней памятью. Мультиплексный режим (от англ. multiple--многократный, множественный), иногда называемый многоточечным режимом -- режим одновременного использования канала передачи большим числом абонентов с разделением во времени средств управления обменом.

Мультиплексором называют устройство, которое выбирает данные от одного, двух или более входных информационных каналов и подает эти данные на свой выход (рис. 2 а.)

Рис. 2

По схемному решению он представляет совокупность логических элементов И-ИЛИ, управляемых распределителем импульсов. Мультиплексоры могут входить в состав Микропроцессора. Они также выпускаются в виде отдельных БИС, как, например, мультиплексор восьмивходовый одноразрядный; двухвходовый четырехразрядный; трехвходовый четырехразрядный и др.

Противоположную мультиплексору функцию выполняет демультиплексор-- устройство, которое подает данные, подводимые к его входу, на один или более выходных информационных каналов (рис. 2,б).



1.4 Микропроцессорная система

Рис. 3

Согласно приведенному определению микропроцессорная система -- это собранная в единое целое совокупность взаимодействующих БИС микро-процессорного комплекта (иногда дополненная БИС из других комплектов)организованная в систему, т. е. вычислительная или управляющая система с микропроцессором в качестве узла обработки информации. Общая структурная схема. Типовая структура микропроцессорной системы изображена на рис. 3. Кратко охарактеризуем узлы-модули, входящие в ее состав, за исключением уже описанного микропроцессора.

Генератор тактовых импульсов -- источник последовательности прямоугольных импульсов, с помощью которых осуществляется управление событиями во времени. Он задает цикл команды -- интервал времени, необходимый для считывания выборки команды из памяти и ее исполнения. Цикл команды состоит из определенной последовательности элементарных действий, называемых состояниями (тактами). Для некоторых микропроцессоров не требуется внешний генератор тактовых импульсов: он содержится непосредственно в схеме однокристального микропроцессора.

Основная память системы (внешняя по отношению к микропроцессору) состоит из ПЗУ и ОЗУ.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) -- это устройство, в котором хранится программа (и при необходимости совокупность констант). Содержимое ПЗУ не может быть стерто. Оно используется как память программы, составленной заранее изготовителем в соответствии с требованиями ее пользователей. В таких случаях говорят, что программа жестко «зашита» в запоминающем устройстве. Чтобы осуществить иную программу, необходимо применить другое ПЗУ или его часть. Из ПЗУ можно только выбирать хранимые там слова, но нельзя вносить новые, стирать и заменять записанные слова другими. Оно подобно напечатанной таблице выигрышей по облигациям: можно лишь считывать имеющиеся там числа, но заменять их или вносить новые невозможно.

Помимо ПЗУ используются также ППЗУ и РППЗУ.

Программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) отличается от ПЗУ тем, что пользователь может самостоятельно запрограммировать ПЗУ (ввести в него программу) с помощью специального устройства -- программатора, но только один раз (после введения программы содержимое памяти уже нельзя изменить).

Репрограммируемое постоянное запоминающее устройство (РППЗУ), называемое также стираемым ПЗУ, имеет такую особенность: хранимая информация может стираться несколько раз (при этом она разрушается). Иначе говоря, РППЗУ допускает перепрограммирование, осуществляемое с помощью программатора. Это облегчает исправление обнаруженных ошибок и позволяет изменять содержимое памяти.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), которое иначе называют запоминающим устройством с произвольной выборкой (ЗУПВ) или произвольным доступом (ЗУПД), служит памятью данных, подлежащих обработке, и результатов вычислений, а в некоторых микропроцессорных системах -- также программ, которые часто меняются. Его характерное свойство заключается в том, что время, требуемое для доступа к любой из ячеек памяти, не зависит от адреса этой ячейки. ОЗУ допускает как запись, так и считывание слов. По отношению к этому запоминающему устройству приемлема аналогия с классной доской, на которой мелом записаны числа: их можно многократно считывать, не разрушая, а при необходимости -- стереть число и записать на освободившемся месте новое. Следует иметь в виду, что информация, содержащаяся в ОЗУ, исчезает, стирается, если прерывается напряжение питания.

Интерфейсом называют устройство сопряжения. Это упрощенное определение. В более строгом толковании под интерфейсом понимают совокупность электрических, механических и программных средств, позволяющих соединять модули системы между собой и с периферийными устройствами. Его составными частями служат аппаратные средства для обмена данными между узлами и программные средства -- протокол, описывающий процедуру взаимодействия модулей при обмене данными. Интерфейс микропроцессорной системы относится к машинным интерфейсам. В микропроцессорной системе применяют специальные интерфейсные БИС для сопряжения периферийных устройств с системой (на рис. 2 они показаны в виде модулей интерфейса ввода и интерфейса вывода). Для этих БИС характерна универсальность, осуществляемая путем программного изменения выполняемых ими функций.

Более простые задачи решают порты ввода-вывода -- схемы, спроектированные (запрограммированные) для обмена данными с конкретными периферийными устройствами: приема данных с клавиатуры или устройства считывания, передачи их дисплею, телетайпу и т. п.

Порт -- это схема средней степени интеграции, содержащая адресуемый многорежимный буферный регистр ввода-вывода (МБР) с выходными тристабильными схемами (о них идет речь ниже при описании схемы ОЗУ), логикой управления и разъемом для подключения устройств ввода-вывода. Возможности перепрограммирования порта ограничены.

Когда периферийные устройства, входящие в состав микропроцессорной системы, сложны, выполняют многочисленные разнообразные операции, то для сопряжения применяют усложненный интерфейс, называемый периферийным программируемым адаптером. Он содержит набор встроенных портов и других регистров, облегчающих программирование и осуществление временного согласования. К одному периферийному программируемому адаптеру может быть подключено несколько простых устройств ввода-вывода. Подобный интерфейс считают универсальным интерфейсом широкого применения, поскольку его можно сочетать почти со всеми имеющимися периферийными устройствами.

Для многих микропроцессорных систем и микро-ЭВМ характерно несоответствие между относительно высокой скоростью обработки информации внутри микропроцессора и низкой скоростью обмена данными между модулями через интерфейс.

Устройство ввода осуществляет введение в систему данных, подлежащих обработке, и команд. Устройство вывода преобразует выходные данные (результат обработки информации) в форму, удобную для восприятия пользователем или хранения. Устройствами ввода-вывода служат блоки считывания информации с перфоленты и магнитной ленты (или записи на них), кассетные магнитофоны, гибкие диски, клавиатуры, дисплеи, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, графопостроители, телетайпы и т.п.

Далее предметом нашего внимания будут шины системы. Шиной называют группу линий передачи, используемых для выполнения определенной функции (по одной линии на каждый передаваемый бит). Особенность структуры микропроцессорной системы заключается в магистральной организации связей между входящими в ее состав модулями. Она осуществляется с помощью трех шин. По ним передаются вся информация и сигналы, необходимые для работы системы. Эти шины соединяют микропроцессор с внешней памятью (ОЗУ, ПЗУ) и интерфейсами ввода-вывода, в результате чего создается возможность обмена данными между микропроцессором и другими модулями системы, а также передачи управляющих сигналов.

Рассмотрим назначение и функции каждой из трех шин (на примере 8-разрядного микропроцессора), показанных на рис. 3.

Шина данных. Это двунаправленная шина: по ней данные могут направляться либо в микропроцессор, либо из него (на рис. 3 такая особенность шины данных подчеркнута стрелкой с двумя остриями, одно из которых обращено к микропроцессору, а другое -- от него). При этом необходимо еще раз подчеркнуть, что невозможна одновременная передача данных в обоих направлениях. Эти процедуры разнесены во времени в результате применения временного мультиплексирования.

Шина адреса (или адресная шина). По ней информация передается только в одном направлении -- от микропроцессора к модулям памяти или ввода-вывода.

Шина управления. Служит для передачи сигналов, обусловливающих взаимодействие, синхронизацию работы всех модулей системы и внутренних узлов микропроцессора. Одна часть линий шины управления служит для передачи сигналов, выходящих из микропроцессора (на рис. 3 это условно показано стрелкой, острие которой направлено вправо), а по другой части линий передаются сигналы к микропроцессору (на рис. 3 -- стрелка с острием, направленным влево).

Достоинством шинной структуры является возможность подключения к микропроцессорной системе новых модулей, например нескольких блоков ОЗУ и ПЗУ для получения требуемой емкости памяти.

1.5 Управление работой микропроцессорной системы

Вводные замечания. Нормальное функционирование любой системы, в которой циркулируют электрические сигналы, немыслимо без четкого взаимодействия ее составных частей, координации их работы. Для достижения этого необходимо организовать управление во времени всеми событиями, происходящими в системе, синхронизировать ее работу.

Само собой разумеется, что для микропроцессорной системы, представляющей собой сложную цифровую систему с многократным обменом данными, передачей команд, одновременным участием многих блоков в выполнении операции, синхронизация обязательна. Это можно проиллюстрировать простым примером. Пусть требуется передать байт, полученный в результате выполнения операции, из АЛУ через шину данных в ячейку ОЗУ. Очевидно, что в течение интервала времени, пока на адресных входах ОЗУ находится код адреса, на линиях шины данных должен быть только байт, посланный из АЛУ (и никакой иной). В противном случае либо произойдет ошибочная запись, либо указанный байт вообще не попадет в память.

Задача временного согласования в микропроцессорной системе решается с помощью специальных сигналов, получаемых из управляющего устройства микропроцессора. Рассмотрение действия всей совокупности управляющих сигналов, вопросов синхронизации работы системы при выполнении всевозможных операций не представляется осуществимым в главе столь малого объема. Поэтому ограничимся освещением основных понятий и типовых примеров, поясняющих принцип временного согласования главным образом применительно к микропроцессору.

Управляющее устройство. Это устройство, выполняющее функции управления и синхронизации, «руководит» сменой событий в требуемой последовательности, согласуя их с сигналами тактового генератора. Оно состоит из управляющего автомата (его называют первичным), служащего для управления процессами внутри микропроцессора, и схемы, которая, получая сигналы извне, вырабатывает сигналы, управляющие системой. Поступающий из памяти в составе команды код операции дешифрируется в управляющем устройстве (дешифратором кода операции) -- преобразуется в двоичные сигналы, воздействующие на модули и блоки микропроцессорной системы, которые должны участвовать в выполнении данной команды.

Режим прерывания. По ходу работы микропроцессорной системы иногда появляется необходимость немедленной передачи данных в микропроцессор из устройства ввода-вывода, не предусмотренной программой. Иначе говоря, система должна реагировать на неожиданно возникшее внешнее условие. В таких ситуациях требуется, чтобы микропроцессор, получив из соответствующей линии шины управления сигнал «запрос на обслуживание внешних устройств» (он поступает на ввод ЗПр), прервал работу по программе и начал выполнение программы обработки внешнего условия. Такой режим называют прерыванием. Оно возможно тогда, когда имеется команда, позволяющая микропроцессору реагировать на запрос прерывания. Только в этом случае микропроцессор выдает на вывод РПр сигнал «разрешение на обслуживание внешнего устройства», т. е. разрешение прерывания, и выполняет подготовительные операции для того, чтобы начать работу по программе прерывания.

Различают три вида прерывания: простое, векторное и приоритетное. Простое прерывание сигнализирует о том, что единственное устройство ввода или вывода нуждается в обслуживании микропроцессором. Векторное прерывание позволяет распознать прерывание, требуемое любым из периферийных устройств. Это осуществляется с помощью поля данных или «вектора», в котором указывается конкретное устройство, диктующее необходимость прерывания. Приоритетное (первоочередное) прерывание заключается в том, что помимо распознавания прерывания, запрашиваемого любым из устройств ввода-вывода, определяется, какое из устройств имеет приоритет в обслуживании по сравнению с другими. Такой вид прерывания, иначе называемый многоуровневой обработкой, может осуществляться лишь в нескольких типах микропроцессоров.



2. Общие вопросы применения микропроцессоров в измерительных приборах

2.1 Функции, выполняемые микропроцессорами в приборах

Конкретное рассмотрение функций микропроцессорных систем в измерительных приборах показывает, что с помощью этих систем достигаются многофункциональность приборов, упрощение управления процессом измерения, автоматизация регулировок, самокалибровка и автоматическая поверка, улучшение метрологических характеристик прибора, выполнение вычислительных процедур, статистическая обработка результатов наблюдений, определение и перевод в линейную форму функции измеряемой физической величины, создание программируемых, полностью автоматизированных приборов. Появился новый класс «интеллектуальных» приборов, называемых также «думающими» или «разумными».

Радикально изменилась идеология построения приборов. Микропроцессор стал основной частью собственно прибора, что привело к изменению конструкции и схемных решений, компоновки, управления, включению обработки данных в измерительную процедуру (выполняемую без участия экспериментатора). Внедрение микропроцессоров открыло возможность построения многофункциональных приборов с гибкими программами работы, сделало приборы более экономичными, облегчило решение задачи выхода на стандартную интерфейсную шину [канал общего пользования (КОП)] и управления интерфейсом. Все это упростило эксплуатацию приборов, резко повысило производительность труда их пользователей.

Рассмотрим более подробно основные возможности, особенности приборов, содержащих микропроцессорные системы, и выясним, в результате чего достигаются эти возможности.

Многофункциональность. Идея построения многофункциональных измерительных приборов, предназначенных для измерения нескольких параметров сигналов или характеристик объекта исследования, не нова.

Она осуществляется уже более двух десятилетий. Но до применения микропроцессоров многофункциональные приборы представляли собой совокупность нескольких функциональных узлов, объединенных в одно конструктивное целое. При эксплуатации таких приборов переход от одной функции к другой производится с помощью коммутирующих устройств. В результате коммутации соединительных цепей пользователь составляет, «собирает» из отдельных узлов определенный прибор для измерения конкретного параметра сигнала или характеристики испытуемого объекта. Алгоритм работы средства измерений, заложенный мри его разработке, в процессе эксплуатации сохраняется неизменным. Иначе говоря, традиционные многофункциональные приборы выполнены по схеме с жесткой логикой. Для нее характерно противоречие между многофункциональностью, числом возможных функций прибора, с одной стороны, и экономической, а также технической эффективностью -- с другой. Проблема коммутации и управления никогда не теряла остроты при конструировании приборов, предназначенных для выполнения ряда функций, и далеко не всегда решалась успешно.

Микропроцессорная система, введенная в состав многофункционального средства измерения, радикально изменила его, преобразовала устройство с жесткой логикой работы в программно-управляемое устройство. Функциональные возможности такого устройства определяются выполняемой программой, и могут быть, легко видоизменены путем перехода к другой программе, хранимой в ПЗУ. Поэтому программируемую логику работы подобных приборов иногда называют «хранимой». Она создает гибкость перестройки, позволяет наращивать функции при модернизации прибора без существенных изменений в его схеме. Применение программируемой логики, как правило, уменьшает стоимость прибора.

Расширение измерительных возможностей приборов.

Применение микропроцессоров позволяет существенно расширить возможности измерений широкого перечня параметров сигналов и характеристик устройств. Это связано прежде всего с использованием, казалось бы устаревших, видов измерений: косвенных и совокупных.

Известно, что косвенное измерение заключается в нахождении искомого значения физической величины по известной математической зависимости между этой величиной и физическими величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Иначе говоря, искомое значение данной физической величины вычисляется по результатам прямых измерений других физических величин.

Из-за необходимости применения нескольких приборов, снятия ряда отсчетов и последующих вычислений косвенные измерения воспринимаются многими экспериментаторами как примитивные, несовременные. Даже при использовании микрокалькуляторов вычисления в некоторых случаях могут занимать значительное время, и, главное, они, требуя постоянного внимания и работы экспериментатора, не позволяют достичь высокой производительности.

Кроме того, не очень проста процедура оценки погрешностей косвенных измерений, а без этого никакое измерение не может быть признано достоверным.

Коренным образом меняется положение при включении в состав прибора микропроцессорной системы. По команде, получаемой с клавиатуры, она автоматически в соответствии с заданной программой выбирает режимы измерений, запоминает результаты прямых измерений, проводит необходимые вычисления и выдает найденное значение измеряемой физической величины на дисплей. Хотя измерения по своей природе остаются косвенными, экспериментатор воспринимает их как прямые, поскольку, подключив прибор к объекту исследования, непосредственно получает результат измерения.

Однако на практике нередко возникает необходимость нахождения косвенным путем значений и таких физических величин, которые зависят от большого числа непосредственно измеряемых других физических величин. Применение микропроцессорных систем делает эти измерения простыми и удобными для пользователя, получающего прямые показания прибора и не ощущающего того, что фактически выполняются сложные косвенные измерения.

Еще более эффективны микропроцессорные системы при совокупных измерениях, т. е. производимых одновременно измерениях нескольких одноименных физических величин, при которых искомые значения величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.

Упрощение и облегчение управления прибором. На первый взгляд расширение функций, выполняемых программируемыми приборами, должно было бы привести к увеличению числа органов управления. Но в действительности это не так. Одним из критериев высокого уровня программного обеспечения измерительного прибора является степень сложности его передней панели.

Принято считать, что «разумный» прибор должен иметь простой набор органов управления. Для современных приборов, содержащих микропроцессоры, характерна кнопочная система управления, конструктивно оформляемая в виде клавиатур (выносной или на передней панели прибора), внешне напоминающей клавиатуру калькулятора.

Так, например, у одного из цифровых мультиметров, обладающего многими функциональными возможностями, управление изменением функций, диапазонов измерений и режимов работы (всего 44 сочетания) осуществляется с помощью клавиатуры, состоящей всего из 17 клавиш. Этого удалось достичь вследствие того, что каждая клавиша управляет аналоговыми схемами косвенным образом -- через микропроцессор, а последний селектирует различные сочетания сигналов, вводимых при нажатии клавиш.

Радикально уменьшает число органов управления автоматизация выбора пределов измерений, интервала дискретизации напряжения исследуемого сигнала и других режимов работы прибора. В некоторых приборах предусмотрены сигнализация о некорректных шагах экспериментатора и выдача на дисплей инструкций, указывающих, что должен предпринять экспериментатор, какова правильная последовательность действий.

Возможность получения математических функций измеренных значений. В зависимости от решаемой задачи экспериментатора могут интересовать не непосредственно получаемое при измерении значение физической величины, а его различные математические функции. Многие приборы, содержащие микропроцессорные системы, позволяют автоматически выполнять запрограммированные функциональные преобразования.

В некоторых приборах предусмотрена возможность вычисления по желанию пользователя произвольных (разумеется, в определенных пределах) математических соотношений.

Получение статистических характеристик.

Микропроцессорные приборы, специально предназначенные для измерения статистических характеристик сигналов, обладают более широкими возможностями.

Миниатюризация и экономичность аппаратуры. Резкое уменьшение числа компонентов в схеме прибора вследствие выполнения многих функций микропроцессорной системой, их относительно невысокая стоимость, значительное снижение потребляемой мощности позволяют строить малогабаритные и экономичные приборы.

Повышение надежности приборов.

Оно обусловлено уменьшением числа элементов схем, осуществлением автодиагностики, применением узлов с некалиброванными характеристиками (например, усилителя в канале вертикального отклонения осциллографа), возможностью выполнения коррекции погрешностей, улучшающей метрологическую надежность.

Сокращение продолжительности разработки. Часто для получения новых свойств прибора, выполняемого на основе микропроцессорной системы, не требуется значительных изменений в схеме и тем более в конструкции прибора. Основное содержание разработки заключается в создании необходимого программного обеспечения.

Организация измерительных систем.

Прибор, содержащий микропроцессор, обычно снабжен (или может быть дополнен) интерфейсной картой, позволяющей подключать его к стандартной интерфейсной шине. Это дает возможность объединять определенную совокупность приборов в единую измерительную систему (измерительно-вычислительный комплекc).

2.2 Улучшение метрологических характеристик приборов

Общие сведения.

Метрологическими характеристиками средства измерения называют характеристики свойств средства измерения, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений. Не приводя полной классификации погрешностей измерений и измерительных приборов, отмечаем, что по закономерности проявления различают систематические, случайные и грубые погрешности. Напомним их определения:

систематическая погрешность -- составляющая погрешности измерений, остающаяся постоянной по величине и знаку или проявляющаяся с определенной закономерностью при повторных измерениях одной и той же физической величины;

случайная погрешность -- составляющая погрешности измерений, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины, т. е. погрешность, значение и знак которой не могут быть точно предсказаны;

грубые погрешности -- погрешности, существенно превышающие ожидаемую при данных условиях погрешность (грубые искажения результатов измерения).

Рассмотрим в общем плане возможности и способы уменьшения погрешностей в приборах, содержащих микропроцессорные системы.

Исключение систематической погрешности. Наиболее часто систематические погрешности обусловлены смещением нуля, несоответствием реального значения коэффициента передачи тракта сигнала номинальному значению, неравномерностью амплитудно частотной характеристики тракта передачи сигнала, влиянием характеристики аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Наличие в приборе микропроцессорной системы позволяет скорректировать, исключить систематические погрешности.

Микропроцессорная система, входящая в состав измерительного прибора, позволяет накапливать результаты многократных наблюдений и обрабатывать по определенному алгоритму.

Компенсация внутренних шумов.

Эта операция позволяет повысить чувствительность измерительного прибора, расширить диапазон измеряемых значений напряжения в сторону малых значений.



2.3 Что осложняет и ограничивает использование микропроцессоров в средствах измерения

Трудности выбора базового микропроцессора. Промышленность уже выпускает много типов микропроцессоров, и число новых разработок лавинообразно нарастает. Нередко говорят о высоких темпах появления новых поколений микропроцессоров. Но, в отличие от ЭВМ, у которых каждое последующее поколение по основным технико-экономическим показателям превосходит предыдущее и обычно вытесняет его, микропроцессоры всех поколений сосуществуют и взаимно дополняют (а не вытесняют) друг друга. Так, например, появление 16- или 32-разрядных микропроцессоров, ничуть не уменьшив роли 8-разрядных микропроцессоров, расширило круг решаемых задач, позволило повысить быстродействие устройств, открыло возможности получения новых свойств разрабатываемых систем. Более того, иногда микропроцессорные комплекты, характеризующиеся одинаковой разрядностью микропроцессора, различаются по быстродействию, емкости запоминающих устройств. Очевидно, что каждый из этих микропроцессорных комплектов может с одинаковым успехом быть использован в «своем» проектируемом приборе в соответствии с решаемой задачей, заданными характеристиками прибора.

Но это еще не все. Дело в том, что появление большого числа типов универсальных микропроцессоров вовсе не уменьшило количества разработок специализированных микропроцессоров, которые рассчитаны на конкретные применения и часто оптимизированы по различным параметрам. Поэтому далеко не всегда поставленные задачи должны решаться с помощью универсального микропроцессора. Нередки ситуации, когда намного эффективнее специализированный микропроцессор. Так, операция перемножения двух однобайтовых чисел универсальным микропроцессором, структура которого предопределяет вычисления по программе сложение со сдвигом», требует значительного времени. Например, микропроцессор, характеризуемый быстродействием 1 млн. регистровых операций в секунду перемножает два однобайтовых числа примерно за 50 мкс (могут быть колебания в зависимости от программы). В то же время специализированные микропроцессоры, выполняемые в однокристальном исполнении, -- матричные перемножители (в отечественной литературе их также называют арифметическими расширителями) -- обладают гораздо более высоким быстродействием: два 8-разрядных числа они перемножают за: интервал времени, не превышающий сотых долей микросекунды. Поэтому в ситуациях, когда необходима высокая скорость перемножения, исключительную ценность представляет специализированный микропроцессор.

Выпускаются большие интегральные схемы, выполняющие быстрое преобразование Фурье, монолитные корреляторы, схемы, представляющие однокристальное сочетание АЦП и микропроцессора, «аналоговый» микропроцессор и т. п.

Обилие разнообразных микропроцессорных средств, не всегда с достаточной полнотой освещенных в справочных изданиях, хотя и представляет большие возможности, несомненно, осложняет процедуру выбора базового микропроцессора для проектируемого средства измерения.

Ограниченное быстродействие микропроцессоров. Рассматривая вопрос о применении микропроцессора, следует внимательно проанализировать его быстродействие, выяснить, достаточно ли оно для решения сформулированной задачи. При этом важно правильно ориентироваться в справочных данных, характеризующих быстродействие микропроцессора.

В общем плане по аналогии с ЭВМ быстродействие микропроцессора интерпретируется как средняя скорость выполнениям некоторого алгоритма. Очевидно, что эта усредненная характеристика может довольно сильно расходиться с числовым значением скорости выполнения алгоритма, определяющего последовательность выполнения операций для решения конкретной задачи.

Программное обеспечение. При разработке измерительных систем и приборов, содержащих микропроцессоры, наибольшую трудность представляет программное обеспечение. Сложность решения этой задачи определяется: необходимостью овладения специалистами в области электроники, хорошо знающими микропроцессоры, искусством программирования микропроцессорных систем, в частности умением рационально выбрать язык программирования;

большим разнообразием программ, которые с достаточной полнотой удовлетворили бы потребности различных пользователей прибора;

высокой стоимостью программного обеспечения, во много раз превышающей аппаратурные затраты;

трудностью отладочной процедуры, требующей применения специальных средств отладки программ.

В определенной степени задачу программного обеспечения вновь создаваемых устройств облегчает наличие уже разработанных пакетов прикладных программ для широко используемых микропроцессоров.

2.4 Программируемые мультиметры

Под мультиметром понимают универсальный многофункциональный измерительный прибор, позволяющий измерить несколько параметров электрических сигналов и компонентов цепей электронных устройств. Наиболее часто мультиметры измеряют напряжения постоянного и переменного тока, сопротивление резистора, емкость конденсатора, коэффициент усиления, затухание четырехполюсника, частоту н другие параметры.

Программируемые мультиметры строятся на основе микропроцессора и выполняют много функций. Но, большое число функций присуще и микропроцессорным цифровым вольтметрам. Поэтому в тех случаях, когда нахождение значений параметров с помощью мультиметра базируется на прямых измерениях напряжения с последующими вычислениями, нелегко четко провести грань, разделяющую эти два вида измерительных приборов. Нередко можно столкнуться с тем, что два прибора выполняют почти одинаковые функции, но один из них назван цифровым вольтметром, а второй -- цифровым мультиметром. Отсюда понятно, что все основные положения относятся и к микропроцессорным мультиметрам.

Тем не менее, вообще говоря, функциональные возможности цифровых мультиметров шире, чем у цифровых вольтметров. Например, где описан программируемый мультиметр, хотя и отмечается, что он сохраняет все свойства цифровых вольтметров высокой точности, подчеркиваются дополнительные, новые возможности, создаваемые выносной клавиатурой. Она позволяет программировать мультиметр на языке символических обозначений, которые нанесены на клавишах. Иначе говоря, программа вводится с клавиатуры. С ее помощью пользователь мультиметра имеет возможность набирать и задавать программы, определяющие измеряемый параметр, режим измерений, запоминание результатов наблюдений, алгебраические и тригонометрические вычисления при осуществлении косвенных измерений, статистическую обработку Конструктивно такой мультиметр состоит из основного прибора с клавиатурой на передней панели (как у цифрового вольтметра) и дополнительного блока -- вычислительного контроллера, выполненного на основе отдельного, второго микропроцессора. В составе микроконтроллера имеются внутренняя логическая плата и внешняя клавиатура (подобная применяемой в микрокалькуляторах). С ее помощью пользователь получает доступ к управляющему микропроцессору, находящемуся внутри основного прибора. Логическая плата микроконтроллера выполняет требуемую обработку данных и дополнительных инструкций по интерпретации команд, вводимых с клавиатуры. Микропроцессор либо сразу выполняет команды, либо направляет их в модуль памяти для хранения и использования впоследствии.

Система команд, набираемых на клавиатуре, включает операции вычисления алгебраических (в том числе логарифмических) и тригонометрических функций, определяемых пользователем, а также команды, относящиеся к чисто программной процедуре: условных переходов, адресации, вывода на дисплей и т. п.

Одна из возможностей прибора -- косвенное измерение мощности, рассеиваемой на резисторе сопротивления R (рис. 4).

Рис. 4



По программе предполагаются измерение падения напряжения U на резисторе и последующее вычисление мощности по известной формуле P = U²/R. При выполнении указанной программы прибор фактически представляет собой уже не вольтметр, а измеритель мощности. Характерно то, что эта функция прибора задана программным путем, причем требуются всего 10 шагов программы.

Для набора определенной программы время затрачивается только один раз, так как ее можно записать в съемный модуль памяти программ.



3. Методы тестирования микропроцессорных систем измерительных приборов

3.1 Специфика контроля и диагностики

Испытание микропроцессоров и микропроцессорных систем называют тестированием. Его проводят для проверки качества функционирования системы, диагностики и отыскания неисправностей.

В современной электронной технике диагностические процедуры стали очень сложными.

Если еще на стадии проектирования микропроцессорной системы не продуманы вопросы ее тестирования, то в процессе эксплуатации системы они могут вырасти в трудно разрешимую проблему.

Каковы же основные особенности устройства и работы микропроцессорной системы, влияющие на организацию ее контроля и диагностики, определяющие специфику требуемой для тестирования аппаратуры. Можно отметить шесть таких особенностей:

В микропроцессорных системах 'циркулируют потоки цифровых данных, представляющие собой разнообразные комбинации битов, слова различной длины, появление которых зачастую апериодично. К тому же длительности цифровых сигналов могут изменяться в широких пределах.

Микропроцессоры -- это устройства со сложной внутренней структурой и многочисленными внутренними .путями передачи информации, данных. Процедура, последовательность передачи информации внутри микропроцессора определяется программой. Ее успешное выполнение зависит от временных соотношений для различных входных и выходных сигналов.

Трудность описания схем, обусловленная принципиальным отличием микропроцессорной системы от многофункциональных приборов, построенных то схемам с жесткой логикой.

Высокая скорость процессов, протекающих в устройствах с микропроцессорами; элементарные сигналы существуют в течение очень малого интервала времени (часто -- доли микросекунды) и кодовые комбинации, как правило, не повторяются, во всяком случае регулярно.

Наличие двунаправленных шин -- шин, по которым цифровые сигналы передаются в обоих направлениях. Это затрудняет интерпретацию данных и адресов. Значительные осложнения при отыскании неисправностей создает параллельная структура шин, к которым подключено сразу несколько устройств.

Большое число элементарных операций, за которыми должны следить контрольно-испытательные устройства. Так, например, в измерительных приборах с микропроцессорным управлением число шагов процессорных программ может достигать нескольких тысяч.

...