Стробоскопический аналого-цифровой преобразователь

МИНИСТЕРСТВООБРАЗОВАНИЯУКРАИНЫ

НТУУ«КПИ»

КАФЕДРА АВТОМАТИЗАЦИИЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХИССЛЕДОВАНИЙ

Утверждаю

Зав. КафедройИИТ

________ Ю. М. Туз

Курсоваяработа

по курсу«Микропроцессорныеприборы

и системы»

на тему:

Стробоскопическийаналого – цифровойпреобразователь.

Согласовано: Разработчиккурсовой работыРуководитель студент группыВА-42 курсовойработы ______Токовенко А.С. (4214)

_____ БогомазовС. А.

«____»_________199 г.«____»__________199 г.

1998

ВВЕДЕНИЕ.

Настоящеетехническоеописание иинструкцияпо эксплуатации( в дальнейшемТО ) предназначенодля изучениямодуля стробоскопическогоаналого – цифровогопреобразователя(в дальнейшем- модуль), являющегосякомпоновочнымизделием,используемогопри автоматизациипроизводственныхпроцессов, исодержит сведения,необходимыедля обеспеченияполного использованиятехническихвозможностеймодуля и правильнойего эксплуатации.

1. НАЗНАЧЕНИЕИ ОБЛАСТЬПРИМЕНЕНИЯ.

1. Модуль предназначендля исследованияповторяющихсяпроцессовнаносекунднойи субнаносекунднойдлительностис дальнейшимулучшениемточностныххарактеристикза счет использованияцифровых методовобработкисигналов впрограммно– управляемыхстробоскопическихустройствах,работающихв составеинформационно– вычислительныхсистем.

2. Модульпредназначендля эксплуатациив помещенияхс искусственнорегулируемымиклиматическимиусловиями врайонах с умеренными холоднымклиматом. Рабочаятемпературавоздуха приэксплуатациив составе ПКот 5 до 50С.Верхнее значениеотносительнойвлажности 80%при 35Си более низкихтемпературахбез конденсациивлаги. Атмосферноедавление от84.0 до 106ю7 кПа
   ( 630 –800 mmHg ).

3. Модуль предназначендля эксплуатациив условияхвоздействиявибраций частотойот 5 до 35 Hz с амплитудойне более 0.35mm.

1. ТЕХНИЧЕСКИЕДАННЫЕ.

1. Электрическоепитание модуляосуществляетсяпостояннымтоком отстабилизированногопитания напряжением(5+0.25-0.1) В;

2. Мощность,потребляемаямодулем, непревышает 6;

3. Неинтерфейснымивходными сигналамимодуля являютсянепрерывныесигналы
   напряжениемпостоянноготока : от минус2.5 до 2.5В;

4. Интерфейснымисигналамимежмодульногообмена (в дальнейшем- ИМО) являютсясигналы: данныхД0 – Д11; адресаА0 – А15; чтенияЧТ; записи ЗП;запросы напрерываниеIRQ5, IRQ10, IRQ11; возможностьадресацииAEN; выбор чипа16 битного ввода– вывода I/O CS 16.

5. Количествоканалов модуля– 1.

6. Номинальныестатическиехарактеристикипреобразованиямодуля в зависимостиот значениянапряженияили тока входныхнеинтерфейсныхсигналовопределяется:
   длядиапазонанапряженияи тока неинтерфейсныхвходных сигналов:
   - от минус 2.5 до2.5В;

• от 0 до 20мА поформуле:

,(1.1)
где- десятичныйвыходной кодмодуля;

- значениевходного сигналапостоянноготок (mA) или напряженияпостоянноготока (V);

-наибольшеезначение диапазонаизмерениявходного сигналапостоянноготока (mA) или напряжения постоянноготока (V).

Значения номинальнойцены единицанаименьшегоразряда кодадля напряжениянеинтерфейсныхвходных сигналов:

Таблица 2.1

7. Дискретностьпреобразованиявходных непрерывныхсигналов вдвоичный код– 6 бит ( пять –значащих ишестой - знаковый).

8. Пределыдопускаемойосновнойпогрешностипреобразованиямодуля, выраженнойв процентахот нормирующегозначения, равного4000, равны 0.2%

9. Пределідопускаемойдополнительнойпогрешностипреобразованиямодуля, вызваннойотклонениемнапряженияпитания на0.25 или минус 0.1Вот номинальногозначения, равныполовине пределовдопускаемойосновнойпогрешности.

10. Пределыдопускаемойдополнительнойпогрешностипреобразованиямодуля, вызваннойизменениемтемпературыокружающеговоздуха отнормальногозначения длялюбой температурыв пределахрабочей областина каждые 10С,равны половинепределовдопускаемойосновнойпогрешности.

3. УСТРОЙСТВОИ РАБОТАМОДУЛЯПО СТРУКТУРНОЙСХЕМЕ.УСТРОЙСТВОИ РАБОТАМОДУЛЯПО ПРИНЦИПИАЛЬНОЙСХЕМЕ.

Структурнаясхема стробоскопическогоаналого – цифровогопреобразователя,предназначенногодля использованияв системах смежмодульнымпараллельныминтерфейсомМПИ представленана рисунке 3.1.

Рис. 3.1. Структурнаясхема стробоскопическогоАЦП.

G – генератор;См – смеситель;ЦАП – цифроаналоговыйпреобразователь;
АЦП– аналого –цифровойпреобразователь;ВБ – выходнойбуфер; БУ – блокуправления.

Модуль содержитследующие узлы:

• Генератор;

• Смеситель;

• Линию задержки;

• Аналого – цифровойпреобразователь;

• Цифроаналоговыйпреобразователь;

• Выходное буферноеустройство;

• Блок управления.

Преобразователь,содержащийодин канал,обеспечиваетсчитываниемгновенныхзначений входныхсигналов ипреобразованиеих в цифровойкод. С приходомна вход устройствасигнала запускаот блока управлениягенераторстробирующихимпульсовформируеткороткие импульсы,под действиемкоторых кратковременнооткрываютсябыстродействующиеключевые схемыстробоскопическихсмесителейи на входныхемкостях усилителейпроисходитзапоминаниемгновенныхзначений напряженийисследуемыхсигналов. Усиленныйсигнал с выходастробоскопическогосмесителянепосредственнопреобразуетсяв цифровой кодс помощьюбыстродействующегопараллельногоаналого – цифровогопреобразователяАЦП ичерез схемувыходногобуферногоустройстваВБ поступаетна ЭВМ. Элементзадержки сигналазапуска АЦПвключен с цельюустранениявлияния переходныхпроцессовустановлениявыходных сигналовв стробоскопичесомсмесителе.

В рассматриваемомстробоскопическомАЦП используетсяструктура собратной связью,реализующаякомпенсационныйпринцип измерения.Компенсирующеенапряжениеподается насхему стробоскопическогосмесителя СМс цифроаналоговымпреобразователемЦАП. Сигнал навыходе стробоскопическогосмесителяпропорционаленразности входногои компенсирующегонапряжения.Обратная связьпозволяетсущественноповысить линейностьпреобразования,снизить требованияк числу разрядовАЦП. Достигаетсятакже высокаяверностьвоспроизведениясигналов, посколькукомпенсирующеенапряжениев момент стробированияпрактическиравно входномуи схема смесителяне нагружаетисточник входногосигнала.

Обратная связьв системе,осуществляемаячерез ЭВМ, позволяетиспользоватьразличныеалгоритмыстатистическойобработки,проводитьподстройкупетлевогокоэффициентапередачи дляполученияоптимальнойпереходнойхарактеристики.

Взаимодействиестробоскопическогопреобразователяс ЭВМ осуществляетсяс помощью блокауправления,обеспечивающегоформированиесигналов дляорганизациипрограммногообмена и прерыванияпрограммы. Припостроенииблока управленияиспользованыстандартныедля магистралиМПИ структурылогическихузлов. Логическоеустройствообеспечиваетдешифрациюадресов регистров:запуска, чтения,записи и маскированияпрерывания.В качествесигнала запросана прерываниеГОТОВО,поступающегона логическоеустройствоорганизациирежима прерыванияиз преобразователя,используетсясигнал запускаАЦП. Этот жесигнал устанавливаетв состояниеготовностиседьмой разрядрегистра состояния.

В приложенииприведенапринципиальнаясхема каналастробоскопическогоАЦП с интерфейснойчастью. Наиболееответственнымузлом преобразователя,определяющимего метрологическиехарактеристики,являетсястробоскопическийсмеситель. Свыхода усилителяDA₁ выборкавходного сигналапоступает навход дополнительногобыстродействующегоусилителяК1420УД1. Применениеповторителяна мощном полевомтранзистореVT₁ необходимодля увеличениянагрузочнойспособностисхемы. Преобразованиеамплитудысигнала выборкив цифровой кодосуществляетсяDD₁₃ –схемой параллельногоАЦП К1107ПВ3, позволяющегонепосредственноизмерять сигналыамплитудойдо 2.5 В. ЗапускАЦП осуществляетсяот формирователяимпульсов намикросхемеDD₁₄ .По фронту импульсапроисходитсчитываниеи преобразованиев код входногосигнала, посрезу – запоминаниеполученногорезультатана выходе схемы.Задержка импульсазапуска параллельногоАЦП на 150200нс по отношениюк моменту запускагенераторастроб импульсовDA₂,необходимаядля установлениясигналов навыходе усилителявыборки DA₁,обеспечиваетсясхемой DD₆,DD₇,построеннойна базе дифференциальныхприемниковК500ЛП114. Использованиепяти последовательновключенныхкаскадов задержки,два из которыхохвачены цепьюположительнойобратной связидля обостренияфронтов импульсазапуска АЦП,позволяетполучить достаточновысокую стабильностьвремени задержкии соответственномалую апертурнуюнеопределенность.Код с выходаАЦП DD₁₃через схемыпреобразователейуровня DD₂₀,DD₂₁поступает насхему выходногобуферногоустройстваDD₂₂,DD₂₃.Информацияиз буферногоустройствав ЭВМ вводитсяпо сигналуСчитывание,поступающемуот блока управленияпри обращениипо соответствующемуадресу. Приэтом содержимоеразрядов 0 4 с выхода АЦПпоступаетсоответственнона разряды кDA0 DA4 канала МПИ,содержимоепятого разрядас выхода АЦПпоступает наседьмой (знаковый)разряд шиныданных МПИ, аиз разрядапереполненияАЦП поступаетк D5 МПИ. Такаяорганизациявыхода АЦПпозволяетупроститьобработкуинформациив ЭВМ.

Для повышениянагрузочнойспособностивнешней шиныМПИ используемыесигналы интерфейснойчасти подаютсячерез буферныерегистры DD₁– DD₃,DD₂₄,DD₂₅.Для адресациинеобходимыхпортов собранасхема на компараторахDD₅,DD₈,DD₁₁,элементе логическое«И» DD₉и дешифраторе2 на 4 – DD₁₀.Стробированиесигналов издешифраторасигналами IOR иIOW для созданиясоответствующихстробов (чтение,запись, запуск,маскированиезапроса напрерывание)реализованона микросхемеDD₁₂.При поступлениисигнала готовностьмодульгенерируетзапрос на прерываниес помощью триггераDD₁₈.Запрос на прерываниеможно маскироватьпрограммно.Триггер маскислужит длятого, чтобытриггер прерыванияможно былоотключить отлиний запросана прерывание(для использованияэтих линийдругими устройствами).Маскированиепроисходитпо разряду D0соответствующегопорта. Стробготовностьустанавливаетв «1» триггерпрерывания.

При обработкепрерыванияпроцессорчитает информациюиз регистрапо соответствующемуадресу. Причтении сбрасываетсяв «0» триггерпрерывания.Состояние линипрерыванияможно прочитатьпрограммнопо линии D7.

4.РУКОВОДСТВОК ПРОГРАММИРОВАНИЮ.

4.1. Принцип работы:

4.1.1. Функции,выполняемыемодулем, состоятв приеме данных,снятых состробоскопическогоАЦП. Послепринятия данных из АЦП генерируетсясигнал готовностьи интерфейснаячасть должнасгенерироватьсигнал прерывания,говорящегоо том, что данныеготовы к пересылкеиз модуля вЭВМ. Номер прерываниязадается распайкойперемычек внаборном полеблок элементов.В наборном полеосуществляетсявыбор из 5,10 или11 прерывания.Существуетвозможностьмаскированиявыданногопрерыванияпутем выдачив порт маски.В таком случаечтение готовностиосуществляетсяпрограммно.После соответствующегоанализа введенныхданных длясоздания обратнойсвязи должновыдаватьсяслово в портдля цифроаналоговогопреобразователя.После включенияпитания модулядля избежанияпопаданияложных данныхрекомендуетсяпроизвестичтение из портапо адресу14301h.

4.1.2. Модульсодержит4 порта ввода– вывода :

• Порт поадресу 14300h,управляющийзапускомстробоскопическогоАЦП. ЗапускАЦП производитсявыдачей впорт любыхданных. С помощьюданной командыформируетсястроб запуска.

Порт 14301h,управляющийчтением данныхиз модуля..При этом изпорта считываетсябайт данных.Формат байтаприведен втаблице 4.1.

Таблица 4.1

• Порт 14302h,управляющийзаписью данныхв ЦАП. Ответноеслово, формируемоедля ЦАП,состоит из 11разрядов данных.Передача егоиз ЭВМ в модульосуществляетсявыдачей словав порт. Приэтом в модулеформируетсястроб I/O CS 16, говорящийо том, что обменпроизводитсясловом, а небайтом.

• Порт 14303h,управляющиймаскированиемпрерыванияи считываниемсостояния АЦПпри обмене снеготовностью.Перед использованиемнеобходиморазрешить илизапретитьобмен по прерываниюв модуле. Еслипрерываниеразрешено, тообмен будетсовершатьсяпо прерыванию.В противномслучае будетосуществлятьсяобмен с неготовностьюТип обменазадается выдачейпо линии D0 числав порт.Формат словапредставленв таблице 4.2.

Таблица 4.2

Если обменпроизводитсяс неготовностью,то состояниеАЦП считываетсяпо линииD7. Описаниеразличныхсостояний битаприведено втаблице 4.3

Таблица 4.3

Процессорможет записатьинформациюв порт выводапри выполнениикоманд:

MOVDX,XXX

MOVAL,YYY

OUTDX,AL
либосчитать информациюиз порта вводапри выполнениикоманд:

MOVDX,XXX

INDX,AL
гдеХХХ – адреспорта ввода/вывода,YYY – выводимыеданные.

5. ПРОГРАММНОЕОБЕСПЕЧЕНИЕ.

При работемодуля обменможет бытьреализованпо желаниюпользователяпо прерываниюлибо с неготовностью.Блок – схемаработы программногообеспеченияпредставленана рисунке 5.1.(обмен по прерыванию)и на рисунке5.3. (обмен с неготовностью).На рисунке 5.2.представленаблок – схемаобработчикапрерывания.

Рис. 5.1. Обмен попрерыванию.

После включенияпитания модулядля избежанияпопаданияложных данныхследует произвестичтение из порта301h. После этогоидет установканачальныхпараметровсистемы :

• Задаетсявектора обработкипрерывания;

• производитсяначальныйзапуск АЦП.

Программаобработкивключает в себя;

• чтение данныхиз модуля;

• запись полученныхданных в буфердля дальнейшейобработки;

• Обработкаполученныхданных;

• Чтение избуфера данныхдля дальнейшегоотправленияв ЦАП;

• Выводданных в модульдля ЦАП.

Рис 5.2. Блок– схемаобработчикапрерывания.

5.1. ЗапускАЦП производитсявыдачей поадресу 14300h любыхданных. С помощьюданной командыформируетсястроб запускаАЦП. Чтениеданных из модуляпроизводитсяпо адресу 14301h. Приэтом из портасчитываетсябайт данных.Формат байтаприведен втаблице 5.1.

Таблица 5.1

5.2. Послесчитываниябайта он отправляетсяв буфер входныхданных дляпоследующейобработки.

Рис5.3. Блок – схемаобмена с неготовностью.

5.3. Далеевызываетсяподпрограммаобработкивходных данныхдля полученияответного словадля ЦАП. Ответноеслово состоитиз 11 разрядовданных. Передачаего из ЭВМ вмодуль осуществляетсявыдачей словапо адресу 14302h. Приэтом в модулеформируетсястроб I/O CS 16, говорящийо том, что обменпроизводитсясловом, а небайтом. Подпрограммуобработкиполученныхданных и формированиеответного словапишет пользовательсамостоятельно.

5.4. Передиспользованиемнеобходиморазрешить илизапретить обменпо прерываниюв модуле. Еслипрерываниеразрешено, тообмен будетсовершатьсяпо прерыванию.В противномслучае будетосуществлятьсяобмен с неготовностьюТип обменазадается выдачейпо линии D0 числапо адресу 14303h.Формат словапредставленв таблице 5.2.

Таблица 5.2

Если обменпроизводитсяс неготовностью,то состояниеАЦП считываетсяпо линииD7 по адресу 14303h.

6. ЛИТЕРАТУРА.

1. Уинн Л. Рош.Библияпо техническомуобеспечениюУинна РОШа.Минск. 1992.

2. Томпкинс.Уэбстер.Проектированиеи сопряжениеконтроллеровс ЭВМ.

3. Джордейн.ОписаниеIBM PC AT.

4. Питер Абель.Язык ассемблерадля IBM PC ипрограммирования. Москва. «Высшаяшкола». 1992 г.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Примерподпрограммыобмена по прерыванию

TITLECTRNAM(EXE)

STCKSGSEGMENTPARA‘Stack’; Инициализациясегмента стека

DW32DUP (?)

STCKSGENDS

;----------------------------------------------------

DATASGSEGMENTPARA‘Data’; Инициализациясегмента данных

VECT5EQU5H; Заданиевекторов

VECT10EQU10H; прерываний

VECT11EQU11H

ACPSTRTEQU14300H; Адрес запускаАЦП

ACPREADEQU14301H; Адрес чтенияиз модуля

ACPWRITЕEQU14302H; Адресзаписи в модуль

ACPFLAGEQU14303H; Адрес маски

KBSAVEDWORD?; Переменнаявектора прерывания

ENDFLAGDB0; Флаг окончанияобмена

DATASGENDS

;----------------------------------------------------

INTTABSEGMENTAT0H; Получаемдоступ к таблицевекторов

ORGVECT5*4H

KBADDRLABELDWORD

INTTABENDS

;----------------------------------------------------

CODESGSEGMENTPARA‘Code’

BEGINPROCFAR

ASSUMECS:CODESG,DS:INTTAB, SS:STCKSG, ES:DATASC

PUSHDS

SUBAX,AX; Проводим

PUSHAX; начальную

MOVAX,DATASC; инициализацию

MOVES,AX; сегментов

MOVAX,INTTAB

MOVDS,AX

CLI; Запрет прерываний

MOVAX,WORD PTR KBADDR

; Устанавливаемновый

MOVWORD PTR KBSAVE,AX

; вектор прерывания

MOVAX,WORD PTR KBADDR + 2

; и сохраняемстарый

MOVWORD PTR KBSAVE + 2,AX

MOVWORD PTR KBADDR,OFFSETCALC

MOVWORD PTR KBADDR + 2,CS

MOVDX,ACPFLAG; Производимустановку

MOVAL,1; маски прерывания

OUTDX,AL

STI; Разрешаемпрерывание

ASSUMEDS:DATASG

MOVDX,ACPREAD; Производимчтение

INDX,AL; случайныхданных

MOVDX,ACPSTRT;Начальныйзапуск

OUTDX,AL;АЦП

CHK:MOVAL,ENDFLG;Проверка окончанияобмена

JZCHK

MOVENDFLG,0;Сброс флагаокончанияобмена

;Задаетсяусловие проверкиокончанияпроцесса.

;Еслипроцесс продолжается,то переход кметке AGAIN,

;Впротивномслучае на ENDPROG

AGAIN:MOVDX,ACPSTRT;Запуск АЦП

OUTDX,AL

JMPCHK;И переход кследующемуциклу

ENDPROG:ASSUMEDS:INTTAB

;Восстановлениеисходных

MOVAX,WORD PTR KBSAVE

; параметровв таблице

MOVWORD PTR KBADDR,AX

; векторовпрерываний

MOVAX,WORD PTR KBSAVE + 2

MOVWORD PTR KBADDR + 2,AX

POPDS; Восстановлениесегмента данных

CSAEGENDS

ENDBEGIN; Окончаниепрограммы

;Подпрограммаобработкипрерывания

CALCPROCNEAR

PUSHAX; Сохраняемрегистры

PUSHBX

PUSHCX

PUSHDX

PUSHSI

PUSHDI

PUSHDS

PUSHES

PUSHF

MOVDX,ACPREAD; Производимчтение из АЦП

INDX,AL

PUSHAX; Осуществляемпередачу данных

; через стекдля последующей

; обработки

CALLEXECUTE; Вызов подпрограммыобработки

POPAX; Получениеданных из стека

MOVDX,ACPWRITE; Запись вмодуль

OUTDX,AX

MOVENDFLG,0FFH; Вскидываниефлажка

POPF; Восстановлениерегистров

POPES

POPDS

POPDI

POPSI

POPDX

POPCX

POPBX

POPAX

IRET; Выход изпрерывания

CALCENDP

Пример подпрограммыобмена с неготовностью.

TITLECTRNAM(EXE)

STCKSGSEGMENTPARA‘Stack’; Инициализациясегмента стека

DW32DUP (?)

STCKSGENDS

;----------------------------------------------------

DATASGSEGMENTPARA‘Data’; Инициализациясегмента данных

ACPSTRTEQU14300H; Адрес запускаАЦП

ACPREADEQU14301H; Адрес чтенияиз модуля

ACPWRITЕEQU14302H; Адресзаписи в модуль

ACPFLAGEQU14303H; Адрес маски

DATASGENDS

;----------------------------------------------------

CODESGSEGMENTPARA‘Code’

BEGINPROCFAR

ASSUMECS:CODESG,DS:DATASG, SS:STCKSG, ES:DATASC

PUSHDS

SUBAX,AX; Проводим

PUSHAX; начальную

MOVAX,DATASC; инициализацию

MOVDS,AX; сегментов

MOVES,AX

MOVDX,ACPFLAG; Производимустановку

MOVAL,0; маски прерывания

OUTDX,AL

MOVDX,ACPREAD; Производимчтение

INDX,AL; случайныхданных

STRT:MOVDX,ACPSTRT;Запуск

OUTDX,AL;АЦП

MOVDX,ACPFLAG;Производимчтение

CHK:INDX,AL; готовности

ANDAL,10000000B; Накладываеммаску

JZCHK; Готово кобмену?

PUSHAX; Осуществляемпередачу данных

; через стекдля последующей

; обработки

CALLEXECUTE; Вызов подпрограммыобработки

POPAX; Получениеданных из стека

MOVDX,ACPWRITE; Запись вмодуль

OUTDX,AX

;Задаетсяусловие проверкиокончанияпроцесса.

;Еслипроцесс продолжается,то переход кметке AGAIN,

;Впротивномслучае на ENDPROG

AGAIN:JMPSTRT;Переход наследующий цикл

ENDPROG:POPDS

CSEGENDS

ENDBEGIN

Лист

Лист

СОДЕРЖАНИЕ.

1. Введение4

2. Назначениеи областьприменения5

3. Техническиеданные6

4. Устройствои работа модуляпо структурнойсхеме. Устройствои
   работа модуляпо принципиальнойсхеме8

5. Руководствок программированию12

6. Программноеобеспечение14

7. Литература18

8. Приложения