Розробка мікропроцесорного пристрою системи автоматичного регулювання

Розробка мікропроцесорного пристрою системи автоматичного регулювання

Міністерство освіти України

Державний університет

“Львівська політехніка”

Комп’ютерний факультет

Кафедра систем автоматизованого проектування

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

до курсової роботи з дисципліни “Електронні обчислювальні машини

і мікропроцесорні системи”

на тему: Розробка мікропроцесорного пристрою

системи автоматичного регулювання

|Допущено до захисту: |Виконав: |
|Дата: |студентка групи ІСМ-41 |
| |Шаховська Н. Б. |
| |Прийняв: |
| |Теслюк В. М. |
| |Оцінка: |
| |Залікова книжка № 9517007 |
| |Дата: |

Львів

1998

Державний університет

“Львівська політехніка”

КАФЕДРА САП

Дисципліна “Електронні обчислювальні машини і мікропроцесорні системи”

Спеціальність “Інформаційні системи та мережі”

Курс IV Група ІСМ-41 Семестр 7

Завдання на курсову роботу студента

Шаховської Н. Б.

1. Тема проекту: “Розробка мікропроцесорного пристрою системи автоматичного регулювання ”

2. Термін здачі проекту: 16.12.1998

3. Вихідні дані для проекту.

Останні цифри залікової книги: mn=07. За формулою

[pic] визначаємо k=18 l=8; рівняння – [pic] k=3 l=1; розрядність АЦП – 8; k=2 l=1; вхідний сигнал – однополярний невід’ємний; k=9 l=8; організація обміну з АЦП – через переривання RST 7; k=7 l=2; вид функціонального вузла – системний контролер з використанням КР580ВК28.

4. Зміст розрахунково-пояснювальної записки:

1) Для заданого рівняння систем в регулювання здійснити йoгo часткову дискретизацію і отримати відповідне рівняння цифрового фільтра (ЦФ).
Побудувати аналогову схему, яка описується заданим рівнянням.

2) Скласти і детально описати структурну схему МПП з врахуванням особливостей індивідуального завдання.

3) Скласти схему алгоритму функціонування МПП. Вибрати структуру представлення даних при заданій розрядності АЦП, який здійснює дискретизацію і квантування вхідного сигналу.

4) У відповідності з індивідуальним завданням вибрати типи АЦП і ЦАП.
Скласти і описати принципові схеми підключення АЦП і ЦАП до МПП. Нарисувати часову діаграму роботи АЦП.

5) Скласти на мові асемблеру мікропроцесора КР580ВМ80 програму вводу інформації через АЦП і виводу через ЦАП.

6) Скласти програму відповідної цифрової обробки інформації. Оцінити верхню граничну частоту ЦФ.

7) Скласти і детально описати фрагмент принципової схеми реалізації функціонального вузла, вказаного в індивідуальному завданні.
5. Перелік графічного матеріалу

Принципова схема електрична МПП

6. Дата видачі: 15.9.1998

Календарний план
|№ |Назва етапів курсового проекту |Термін |Примітк|
|п/п| |виконання |и |
| | |етапів проекту | |
|1 |Побудова рівняння цифрового фільтру |16.09 – 18.09 | |
|2 |Побудова схеми реалізації ЦФ |19.09 – 20.09 | |
|3 |Побудова аналогової схеми ЦФ |22.09 – 28.09 | |
|4 |Визначення структури МПС |30.10 – 02.10 | |
|5 |Розробка алгоритму функціонування ЦФ |05.09 – 10.10 | |
|6 |Визначення структури представлення |11.10 – 12.10 | |
| |даних | | |
|7 |Вибів АЦП |13.10 – 16.10 | |
|8 |Побудова схеми підключення АЦП |17.10 – 19.10 | |
|9 |Вибір ЦАП |20.10 – 21.10 | |
|10 |Побудова схеми підключення ЦАП |22.10 – 25.10 | |
|11 |Розробка програми переривань |01.11 – 02.11 | |
|12 |Розробка основної програми |05.11 – 10.11 | |
|13 |Визначення верхньої граничної частоти|13.11 – 15.11 | |
| |ЦФ | | |
|14 |Побудова принципової схеми |20.11 –27.11 | |
| |електричної ЦФ | | |
|15 |Опис принципової схеми СК |27.11 – 30.11 | |
|16 |Написання та оформлення пояснювальної|02.12 – 06.12 | |
| |записки | | |

Анотація

ВИКОНАННя ДАНОї КУРСОВОї РОБОТИ ПРИСВячЕНЕ РОЗРОБЦі МіКРОПРОЦЕСОРНИХ
ПРИСТРОїВ СИСТЕМ АВТОМАТИЗОВАНОГО ПРОЕКТУВАНя. ЗАГАЛЬНИЙ ОБСяГ РОБОТИ
СТАНОВИТЬ 40 СТОРіНКИ. В ДАНіЙ КУРСОВіЙ РОБОТі є 14 РИСУНКіВ ТА 5 ТАБЛИЦЬ.
ДЛя ВИКОНАННя РОБОТИ ВИКОРИТАНО 9 ЛіТЕРАТУРНИХ ДЖЕРЕЛ ПЛЮС МЕТОДИчКА ПО
ОФОРМЛЕННЮ КУРСОВОї РОБОТИ. ЗА СВОєЮ СТРУКТУРОЮ ВОНА ДіЛИТЬСя НА 7 чАСТИН,
КОЖНА З яКИХ ВіДПОВіДАє ПЕВНОМУ ЗАВДАННЮ, ЩО ПЕРЕРАХОВАНі ВИЩЕ.

Виконання курсової роботи присвячене для реалізації наступної мети:
1. поглиблення теоретичних знань, технічних і програмних засобів мікропроцесорних пристроїв;
2. розвиток навиків самостійної розробки загальної структури МПП з аналогово-цифровим і цифро-анлоговим перетворенням інформації, побудови принципових схем окремих вузлів принципів, розробки та відлагодження програмного забезпечення на мові асамблеру мікропроцесора КР580ВМ;
3. набуття навиків роботи з технічною та довідниковою літературою з питань реалізації ряду вузлів МПП, вибору аналого-цифрового і цифро-аналогово перетворювачів (АЦП і ЦАП), використання стандартних підпрограм з прикладного програмного забезпечення МП КР580ВМ80.

ЗМІСТ


СПЕЦИФіКАЦії 6

ВСТУП 7

1. ПОБУДОВА ЦИФРОВОГО ФІЛЬТРА 9

1.1 Побудова аналогової схеми 10

2. Структурна схема МП-пристрою 13

3. Алгоритм функціонування МП-пристрою 15

3.1 Схема алгоритму функціонування МПП як цифрового фільтру, що визначається заданим рівнянням 15

3.2 Вибір структури представлення даних 18

4. Вибір АЦП і ЦАП 20

4.1 Вибір АЦП 20

4.2 Вибір ЦАП 25

5. Програма вводу інформації через АЦП і виводу через ЦАП 28

6. Програма цифрової обробки інформації. 30

6.1 Оцінка верхньої граничної частоти фільтру 32

7. Опис фрагменту принципової схеми реалізації системного контролера.
33

Висновок 38

Список літератури 39

Додатки 40

специфікації

|АБРЕВіАТУРА |ЗНАчЕННя |
|АЦП |- аналогово-цифровий перетворювач |
|БЕ |- буферний елемент |
|ВІС |- велика інтегральна схема |
|ГТІ |- генератор тактових імпульсів (див. ТГ) |
|ДШВ/В |- дешифратор каналів вводу/виводу |
|ДШП |- дешифратор адрес пам’яті |
|ДОН |- джерело опорної напруги |
|ЗП |- запам’ятовуючий пристрій |
|КН |- компаратор напруги |
|МК |- мікроконтролер |
|МП |- мікропроцесор |
|МПП |- мікропроцесорний пристрій |
|МПС |- мікропроцесорна система |
|ОЗП |- оперативний запам’ятовуючий пристрій |
|ПЗП |- постійний запам’ятовуючий пристрій |
|ПІ |- підсилювач-інвертор |
|ПП |- підпрограма |
|ППІ |- паралельний програмований інтерфейс |
|РКС |- регістр керуючого слова |
|РПН |- регістр послідовних наближень |
|СК |- системний контролер |
|СШ |- системна шина |
|ТГ |- тактовий генератор (див. ГТІ) |
|ША |- шина адрес |
|ШД |- шина даних |
|ШК |- шина керування |
|ШФ |- шифратор |
|ЦАП |- цифро-аналоговий перетворювач |
|ЦП |- центральний процесор |
|ЦФ |- цифровий фільтр |

ВСТУП

ТЕРМіН “МіКРОПРОЦЕСОР”, ЗВИчАЙНО, НЕСЕ ПЕВНУ іНФОРМАЦіЮ ПРО ПРИСТРіЙ,
НАЗВАНИЙ ТАКИМ іМЕНЕМ. ЦЕ ПРИСТРіЙ ДЛя ОБРОБКИ ДАНИХ.

На відміну від стандартного ЦП логічні схеми МП реалізовані на одній або декілька ВІС, а так як останній також називаються мікросхемами, то стає зрозумілим походження терміна “мікропроцесор”.

Очевидно, що обробка даних – одна із головних функцій МП, яка включає як і маніпулювання так і обрахунок даних. Іншою функцією МП є управління системою. Схеми управління дозволяють декодувати і виконувати програми – набір команд для обробки даних. Робота мікропроцесора складається з наступних кроків: спочатку вибирається команда, потім логічна схема її декодує, після чого здійснюється виконання цієї команди. Також відбувається обмін інформацією з зовнішніми пристроями, які під’єднані до мікропроцесора.

Мікропроцесори являють собою цифрові великі інтегральні схеми (ВІС), призначені для виконання простих операцій, інакше названих командами, що зчитуються і здійснюються послідовно з великою швидкістю. До числа внутрішніх схем мікропроцесора відносяться багаторозрядні регістри, рівнобіжні тракти даних, буфери для підключення зовнішніх пристроїв, багатофункціональні схеми, логічні схеми синхронізації і керування.
Багатофункціональні схеми придназначені для реалізації простих арифметичних і логічних дій над двійковими числами, що знаходяться в регістрах процесора, і пересилок даних як усередині процесора, так і між ним і зовнішніми пристроями. Схеми синхронізації і керування задають порядок дій процесора, для виконання функцій синхронізації їм необхідні тактові імпульси, що постійно поступають.

Розвиток інтегральної технології і схемотехніки цифрових електронних схем призвів до появи інтегральних мікросхем із великою і дуже великою ступенями інтеграції (ВІС і ДВІС), що містять на однім кристалі (в однім корпусі) декілька десятків тисяч, а в останніх розробках сотні тисяч елементарних транзисторів. На основі таких схем в останні роки вдалося створити мікропроцесори функціонально закінчені, що управляються збереженою в пам'яті програмою (здебільшого малорозрядні) пристрої опрацювання цифрової інформації, виконані у виді однієї або декількох ВІС або ДВІС.

Мікропроцесорні засоби використовуються у виді мікропроцесорних комплектів інтегральних мікросхем, що мають єдине конструктивно- технологічне виконання і призначених для спільного застосування.
Мікропроцесорний комплект крім самого мікропроцесора містить мікросхеми, що підтримують функціонування мікропроцесора і розширюють його логічні можливості.

Мікроконтролер являє собою логічний автомат з високим ступенем детермінованості, який допускає небагато варіантів в його системному включенні.

В пристроях управління об’єктами мікроконтролери розглядаються у вигляді сукупності апаратно-програмних засобів. При проектуванні мікроконтролерів треба вирішувати одну з найскладніших задач розробки: задачу оптимального розподілу функцій між апаратними засобами і програмним забезпеченням. Рішення такої задачі ускладнюється тим, що взаємоз’язок і взаємодія між апаратними і програмними засобами динамічно змінюються.

В даний час розповсюджена така методологія, при якій весь цикл розробки мікроконтролера поділяють на три фази:

1) аналіз задачі і вибір апратних засобів;

2) розробка прикладного програмного забезпечення;

3) комплексування апаратних засобів і програмного забезпечення;

Цифро-аналоговим перетворювачем (ЦАП) називають пристрій, що генерують вихідну аналогову величину, яка відповідає цифровому коду, що поступає на вхід перетворювача. Цифро-аналогові перетворювачі використовуються для узгодження ЕОМ з аналоговими пристроями.

Дана курсова робота присвячена розробці ЦФ по заданому рівнянню. Її виконання поділено на етапи, кожен з яких висвітлює ту частину реалізації, яка описується.

1. ПОБУДОВА ЦИФРОВОГО ФІЛЬТРА

КОЖНИЙ НЕПЕРЕРВНИЙ СИГНАЛ, ЩО ПРЕДСТАВЛяєТЬСя ЗМіННОЮ В чАСі НАПРУГОЮ,
ХАРАКТЕРИЗУєТЬСя СВОїМ СПЕКТРОМ чАСТОТ. БУДЬ-яКА чАСТОТА АБО ПОЛОСА чАСТОТ
МОЖЕ БУТИ ПОСИЛЕНА, ПОСЛАБЛЕНА, ВИКЛЮчЕНА АБО ВИДіЛЕНА ФіЛЬТРАЦієЮ.
ФіЛЬТРАЦія – ЦЕ ПРОЦЕС ЗМіНИ СПЕКТРА чАСТОТ СИГНАЛА. ПРИКЛАДОМ ФіЛЬТРАЦії
СИГНАЛіВ МОЖЕ СЛУЖИТИ ВИКЛЮчЕННя ШУМіВ, ВИЗВАНИХ НЕДОСКОНАЛіСТЮ КАНАЛіВ
ПЕРЕДАчі, РОЗДіЛЕННя ДВОХ АБО БіЛЬШЕ СИГНАЛіВ, СПЕЦіАЛЬНО ЗМіШАНИХ ДЛя
ЗБіЛЬШЕННя ПРОПУСКНОї ЗДАТНОСТі КАНАЛА ЗВ’яЗКУ, ДЕМОДУЛяЦія СИГНАЛіВ. БУДЬ- яКИЙ НЕПЕРЕРВНИЙ СИГНАЛ, СПЕКТР яКОГО ОБМЕЖЕНИЙ ВЕРХНіМИ чАСТОТАМИ, МОЖЕ
БУТИ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ У ВИГЛяДі ПОСЛіДОВНОСТі СВОїХ ЗНАчЕНЬ, ЩО РОЗДіЛЕНі ОДИН
ВіД ОДНОГО ПРОМіЖКАМИ чАСУ [pic].

Цифровий фільтр – пристрій, який дозволяє перетворити дискретизований сигнал x(t) у інший y(t). Це цифрова схема для зміни частотного спектра дискретних сигналів. Цифровий фільтр може бути реалізований як апаратурно, так і програмно. При апаратурній реалізації необхідними схемними елементами є перемножувачі, суматори і елементи затримки [1].

Задано рівняння автоматичного регулювання вхідного x(t) та вихідного y(t) сигналів:

[pic] (1.1).

У даному рівнянні x(t) – вхідний сигнал, який є відхиленням від еталонного сигналу, y(t) – керуючий сигнал, який подається з системи регулювання на об’єкт керування, [pic] – стала часу, [pic] – частота.

Дискретизація аналогового рівняння полягає в заміні безперервної величини її дискретними відліками [pic] (1.2) і відповідними перетвореннями похідних.

Дискретизація першої похідної: [pic] (1.3).

Дискретизація другої похідної: [pic] (1.4).

Звідси випливає: [pic].(1.5).

Спростимо вираз:

[pic](1.6)

Здійснимо заміну:

[pic], [pic], [pic] (1.7).

Тоді:

[pic] (1.8) при

[pic] (1.9).

Дане рівняння є рекурсивним фільтром, оскільки присутні члени yn-1 та yn-2.

Звідси, структурна схема реалізації цифрового фільтру зображена на рис.1.1.

Рис 1.1 Структурна схема реалізації цифрового фільтра;

ХУ – елементи множення, DL – елементи затримки, [pic] – суматор.

Недоліками цифрових фільтрів, які реалізовані на основі МП (наприклад, серія КР580, яка використовується), є обмежена швидкодія.

1.1 Побудова аналогової схеми

При побудові аналогової схеми, яка відповідає заданому пропорційно- диференційному рівнянню (1.8) використовуємо перетворення Лапласа [9]:

[pic](1.10)

Коефіцієнт при х(р) має вид дробово-раціонального виразу, в якому знаменник є сумою зображень за Лапласом опорів резистора, конденсатора та індуктивності ( в залежності від порядку заданого рівняння), а чисельник є частиною цієї суми. Вид цього дробово-раціонального виразу визначає аналогову схему.

Підставимо у рівняння перетворення Лапласа:

[pic] (1.11)

Отримане алгебраїчне рівняння розв’яжемо відносно у(р):

[pic]. (1.12)

Домножимо чисельник і знаменник на [pic]. Отримаємо:

[pic] (1.13).

А це еквівалентно рівнянню Г-подібного фільтра з Г-подібним входом з рівнянням

[pic] (1.14) із відомою схемою (рис. 1.2):

рис. 1.2 Схема Г-подібного фільтру з Г-подібним входом

В отриманому нами виразі знаменник являє собою опір послідовного коливального кола з втратами, а чисельник є опором конденсатора, тобто аналогова схема являє собою послідовне з’єднання резистора, індуктивності та ємності, причому вихідна напруга знімається з конденсатора.

Тому Z1 = ZR+ ZL; Z2= ZC (1.15), де [pic] (1.16).

Тут k – довільна стала.

Тобто схема реалізації даного фільтру має такий вигляд:

рис. 1.3 Аналогова схема, яка описується заданим рівнянням

2. Структурна схема МП-пристрою

МіКРОПРОЦЕСОРНИЙ ПРИСТіЙ – ФУНКЦіОНАЛЬНО і КОНСТРУКТИВНО ЗАКіНчЕНИЙ
ПРИСТРіЙ, яКИЙ ПРЕДСТАВЛяє СОБОЮ СХЕМНО-КОНСТРУКТИВНЕ З’єДНАННя ДЕКіЛЬКОХ
СХЕМ, яКИЙ ВКЛЮчАє ОДИН АБО ДЕКіЛЬКА МіКРОПРОЦЕСОРіВ, ПРИЗНАчЕНИЙ ДЛя
ОТРИМАННя, ОБРОБКИ, ПЕРЕДАчі, ПЕРЕТВОРЕННя ТА КЕРУВАННя іНФОРМАЦієЮ.

Для мікропроцесорних пристроїв характерна шинна структура, під якою розуміється те, що всі компоненти МП - пристрою під’єднані до так званої системної шини – набору ліній, що з’єднують елементи системи [1].

Структурна схема можливої реалізації проектованого МП-пристрою наступна
(рис. 2.1).

рис. 2.1 Структурна схема МПП

де:

V МП – мікропроцесор;

V ПЗП – постійний запам’ятовуючий пристрій;

V ТГ – тактовий генератор;

V ОЗП – оперативний запам’ятовуючий пристрій;

V СК – системний контролер;

V АЦП – аналого-цифровий перетворювач;

V ЦАП – цифро - аналоговий перетворювач;

V ДШП – дешифратор адрес пам’яті;

V ДШВ/В – дешифратор адрес вводу/виводу.

Системна шина розділяється на три окремі шини:

V ШД – шина даних;

V ША – шина адрес;

V ШК – шина керування.

Лінії системної шини характеризується спрямованістю (тобто хто з пристроїв є визначальним за рівнем сигналу). Тут ШД – двоспрямована; ША – односпрямована; ШК – набір окремих ліній, що мають свій напрям. За рахунок того, що виводи всіх компонент МП - пристрою під’єднані до СШ, вони повинні мати крім станів, що забезпечують логічний 0 чи 1 на виході третій стан, стан з високим вихідним опором.

Опишемо складові МПС.

Мікропроцесор в складі МП-пристрою виконує функції:

V формує адреси команд,

V видає команди з пам’яті,

V їх дешифрує,

V видає для них команди потрібні адреси, виконує над ними опереції – передбачені команди, при неодхідності записує результат в пам’ять,

V формує керуючі сигнали для обміну, реагує на можливі зовнішні сигнали.

Тактовий генератор призначений для формування синхроімпульсів для роботи МП і інших пристроїв МП. Синхроімпульси мають амплітуду 12B, але відрізняються один від одного щільністю і є зсунуті. Крім того мікросхема
КР580ГФ24, яка виконує функцію ТГ, приймає участь в прийомі та видачі керучих сигналів СШ.

ПЗП служить для постійного зберігання потрібних даних і програм. У випадку даного цифрового фільтру він зберігає програму, за якою працює цифровий фільтр, а також постійні коефіціенти.

ОЗП служить для тимчасового зберігання інформації, потрібної для розрахунків.

СК виконує 3 функції:

V фіксація слова стану процесора;

V формування частини сигналів, які належать шині керування МПС;

V буферизація шини даних.

Він формує керуючі сигнали по сигналам стану МП при зверненні до ЗП: RD i WR, при зверненні до ПВВ: RDIO, WRIO, INTA. А також забезпечує прийом і передачу 8-розрядної інформації між каналом данихМП по виходам D7 – D0 і системним каналом по DB7–DB0. Він складається з двонаправленої буферної схеми даних, регістрів стану і дешифраторів керуючих сигналів.

ППІ в даному МП-пристрої служить для обміну інформацією між МП і зовнішніми пристроями АЦП і ЦАП. Крім того, в склад МП-пристрою входять такі допоміжні елементи, як буферний регістр для організації переривань RST
7, окремі логічні елементи, дешифратори.

3. Алгоритм функціонування МП-пристрою

3.1 СХЕМА АЛГОРИТМУ ФУНКЦіОНУВАННя МПП

яК ЦИФРОВОГО ФіЛЬТРУ, ЩО ВИЗНАчАєТЬСя

ЗАДАНИМ РіВНяННяМ

Система переривань призначена для прийому, пріоритетноі обробки і обслуговування запитів переривань. В загальному випадку запити переривань можуть формуватися по командах програми, внутрішніх або зовнішніх джерелах.
Прийом і обробку програмних і внутрішніх переривань виконують внутрішні засоби процесора. При проектуванні системи для обробки цих переривань необхідно розробити програми обробки переривань.

Реалізація переривання виконується за допомогою команди

RST N. Джерела запитів переривань ідентифікуються двома способами:

V послідовне опитування;

V векторний спосіб.

Адреси команд JМР INТ І у таблиці переходів для кожного запиту переривань визначаються на основі коду, що ідентифікує запит, ККК у командах RSТ N або САLL ADRК, що формуються джерелом запиту переривання. По команді RSТ N адреси в таблиці переходів приймають значення 0000 000, 00
КК, К 000. Таким чином, таблицю переходів розташовують з адреси 000016 по адресу 003F16 з інтервалом у 8 адрес. При використанні команди САLL ADRV адреси в таблиці переходів задаються безпосередньо адресною частиною команди САLL, тому таблиця може розташовуватися в довільному місці ЗП. Для формування команд RSТ N або САLL ADRV V необходими зовнішнього засоби, сопрягаемие з МП через системну шину [3].

Для прийому запитів переривання і формування сигналу переривання МП потребує лише регістр запитів переривань із буфером системної шини і схеми логічного об'єднання вхідних запитів переривань. Програма опитування зчитує вміст регістра запитів переривань, опитує кожен його розряд і передає керування програмам обслуговування переривань.

Страницы: 1, 2



Реклама
В соцсетях
бесплатно скачать рефераты бесплатно скачать рефераты бесплатно скачать рефераты бесплатно скачать рефераты бесплатно скачать рефераты бесплатно скачать рефераты бесплатно скачать рефераты