39417

Устройство сбора данных

Курсовая

Информатика, кибернетика и программирование

В радиотехнических системах и в технике связи УСД используются для обработки сигналов функционального контроля каналов связи диагностирования состояния аппаратуры. Имеется F аналоговых каналов. Необходимо опрашивая их согласно заданной последовательности получаемые из каналов аналоговые величины с помощью АЦП преобразовывать в цифровую форму двоичные слова стандартной длины 1 байт = 8 бит и помещать в последовательные ячейки некоторой области ЗУ начиная с ячейки имеющей адрес G. Разработать системы формирования адресов ячеек ОЗУ и...

Русский

2013-10-04

368.5 KB

1 чел.

Федеральное   агентство   связи

Московский технический университет связи и информатики

Кафедра  вычислительной  техники  и  управляющих  систем

            Курсовая работа

        «Устройство сбора данных»             

                                          Выполнил:   Видехин А.А.                                  

                                                                      Группа:    МС0503    

                                                               Вариант 3                                                            

                                                      

      Москва 2008

                                            

         

                                         Введение

Информационно-измерительные и управляющие цифровые микропроцессорные системы, к которым относится проектируемое устройство сбора данных (УСД), предназначены для измерения, сбора, обработки, хранения и отображения информации с реальных объектов. Такие системы используются практически во всех отраслях народного хозяйства для контроля и управления технологическими процессами, накопления статистических данных. В радиотехнических системах и в технике связи УСД используются для обработки сигналов, функционального контроля каналов связи, диагностирования состояния аппаратуры. Первичная информация в УСД поступает, как правило, по каналам от датчиков в виде аналогового напряжения. В УСД информационные каналы опрашиваются. Поступающие из них мгновенные отсчеты сигналов преобразуются в цифровую форму и помещаются в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) с целью последующей их обработки.

Аппаратура УСД состоит из двух частей — операционного и управляющего устройств (ОУ и УУ). УУ является цифровым автоматом, который вырабатывает в некоторой временной последовательности управляющие сигналы. Существуют два принципиально разных подхода к проектированию микропрограммного автомата: использование принципа схемной логики и программной логики. Курсовой проект выполнен основываясь на принципах схемной логики.


  1.  Задание     

Спроектировать устройство сбора данных (УСД). Имеется F аналоговых каналов. Необходимо, опрашивая их согласно заданной последовательности, получаемые из каналов аналоговые величины с помощью АЦП преобразовывать в цифровую форму (двоичные слова стандартной длины 1 байт = 8 бит) и помещать в последовательные ячейки некоторой области ЗУ, начиная с ячейки, имеющей адрес G.

Цифровая процессорная система, фрагментом которой является проектируемое УСД, имеет в своем составе ЗУ емкостью Q бит.

Требуется:

  1.  Исходя из задания разработать ОЗУ цифровой системы.
  2.  Разработать системы формирования адресов ячеек ОЗУ и номеров опрашиваемых каналов.
  3.  Реализовать УСД в виде процессорного устройства, построенного на принципах схемной логики, и привести его функциональную схему.
  4.  Синтезировать схему УУ.
  5.  Составить полную электрическую схему УСД.

Исходные данные приведены в таблице 1.Вариант 3

Таблица

F10

G16

θ

а0

а1

а2

а3

7

003С

512 х 8

10

11

00

01

Порядок опроса каналов задан в таблице 2.

Таблица

Начальная последовательность каналов

0

1

2

3

4

5

6

Порядок опроса каналов

2

0

3

4

6

1

5

                      2. Структурная схема и состав УСД

Структурная схема УСД приведена на рис. 1. В состав УСД входят:

Мультиплексор (MS): имеет F аналоговых входов и m управляющих (адресных) входов. При подаче на адресный вход двоичного числа — адреса — происходит подключение одного из аналоговых каналов, имеющих данный адрес, к выходу MS. Число опрашиваемых аналоговых каналов связано с числом адресных входов k = 2m.

АЦП: имеет 1 аналоговый вход и 8 выходов, по которым в двоичном, параллельном коде выдается число, соответствующее уровню поданного на вход АЦП отсчета аналогового сигнала. Перед началом работы АЦП на него должен быть подан сигнал запуска.

АЦП выполняет преобразования за несколько тактов. После окончания преобразования АЦП выдает сигнал ОК (окончание преобразования) на устройство управления. Сигнал ОК - флаг (обозначается как Тфл), должен быть зафиксирован с помощью триггера до момента окончания записи данных опрашиваемого канала в ячейку памяти ОЗУ.

MS и АЦП берутся как стандартные схемы с соответствующими характеристиками. Устройство управления на некоторых тактовых интервалах с учетом осведомительных сигналов, поступающих от других устройств (в дальнейшем такие сигналы обозначаются буквой Xi), формирует управляющие сигналы Yn, которые обеспечивают запуск других устройств и согласованную их работу.


3. Разработка блока выработки адреса ЗУ

Требуется синтезировать устройство, которое, начиная с определенного начального адреса G, производить формирование последующих адресов, отличающихся друг от друга на единицу, размещение данных идёт в ячейки с последовательно возрастающими адресами. Разработку такого устройства можно осуществить с помощью счетчиков. Длина адресного слова определяется емкостью памяти.

Емкость памяти θ = 512 = 29

Начальный адрес ячейки памяти G = 003С 16 = 0000 0000 0011 11002

Блок будет содержать четыре четырехразрядных суммирующих двоичных счетчика с предустановкой. Схема блока представлена на рис. 2.


        4. Разработка блока выработки адресов каналов коммутатора

Число каналов F = 710. Блок можно синтезировать с использованием четырехразрядного двоичного счетчика, последовательно формирующего двоичные адресные числа от 1 до 4 с перекодировкой данной последовательности с помощью дешифратора (DC)  и шифратора (CD). После опроса всех каналов срабатывает схема прерывания счета и формируется сигнал сброса счетчика в ноль.

Адрес опрашиваемого канала подается на коммутатор (мультиплексор) параллельным двоичным кодом через ключи. Этот делается для синхронного поступления на мультиплексор всех разрядов адресного слова.

Шифратор – устройство, осуществляющее преобразование десятичных чисел в двоичные. Для обратного преобразования двоичных чисел в небольшие по значению десятичные числа используются дешифраторы.

Схема блока выработки адресов каналов коммутатора показана на рисунке 3.


5. Словесное описание цикла сбора данных

Составим словесное описание работы УСД в виде последовательности выполняемых в нем микроопераций.

  1.  Цикл сбора данных начинается с того, что в счетчик СТ21 блока выработки адресов ячеек памяти производится запись адреса первой ячейки области памяти ОЗУ, отведенной для хранения данных. Очевидно, что в качестве СТ21 удобно использовать такой счетчик, в котором предусмотрена возможность предустановки начального адреса (НА). Ввод начального адреса осуществляется параллельным кодом. Подав на одни входы установки НА логический ноль (потенциал земли или корпуса), а на другие — логическую единицу ( напряжение источника питания ), можно обеспечить запись требуемого адреса в счетчик в одном такте.
  2.  Счетчик СТ22 блока выработки номера канала сбрасывается в «0». Тем самым в нем формируется адрес аналогового канала, опрашиваемого первым.
  3.  Производится сброс в «0» триггера Тфл (гашение флага). При записи данных первого из опрашиваемого каналов Тфл = 0. Однако перед началом опроса всех последующих каналов, поскольку состояние триггеров флага фиксируется, Тфл = 1. Поэтому эта микрооперация необходима.
  4.  Адрес аналогового канала из СТ22 выдается на адресные входы коммутатора. Коммутатор подключает первый опрашиваемый канал к входу АЦП.
  5.  Производится запуск АЦП, и в нем начинается процесс аналого-цифрового преобразования.
  6.  Проверяется содержимое триггера Тфл. Пока Тфл = 0, устройство пребывает в режиме ожидания окончания преобразования в АЦП. По окончании преобразования АЦП вырабатывает сигнал ОК, устанавливающий Тфл в состоянии 1. Как только Тфл устанавливается в 1, при наличии разрешающего сигнала, осуществляется запись данных с выхода АЦП в требуемую ячейку памяти.
  7.  В СТ21 подготавливается адрес следующей ячейки ОЗУ путем прибавления единицы к содержимому счетчика (к адресу предыдущей ячейки).
  8.  В СТ22 формируется адрес следующего аналогового канала путем прибавления единицы к содержимому счетчика.
  9.  Проверяется содержимое счетчика СТ22. Если (СТ2) = 0, то операции 3-8 повторяются. В противном случае происходит завершение цикла сбора данных (выход из цикла), так все каналы оказываются опрошенными.

На основании словесного описания составим в соответствующем порядке список микроопераций, необходимых для управления ОУ:

y1 — установка в 0 СТ22 (сброс), (СТ2 2 ← 0);

y2 — разрешение записи начального адреса G в СТ21;

уЗ — сброс ТФЛ (Тфл ← 0);

у4 — разрешение передачи адреса аналогового канала на коммутатор [комм.←(СТ22)];

у5 — запуск АЦП (зап. АЦП);

y6 — разрешение записи данных из АЦП в ОП [ОП ← (АЦП) ];

у7 — увеличение на 1 (CT21) приращение счетчика [инкремент СТ21 ← (СТ21) + 1];

у8 — увеличение на 1 (СТ22) - приращение счетчика [СТ22 ← (СТ22) + 1].

В процессе выполнения цикла сбора данных в ОЗУ УСД вырабатываются осведомительные сигналы: сигнал X1 = 1 — сигнал ОК и сигнал Х2 = 1 —завершение цикла сбора данных (опроса всех каналов). Если количества каналов меньше 16, а используется 16-разрядный счетчик, то необходимо составить схему, вырабатывающую сигнал логической единицы для обнуления счетчика после опроса всех каналов.                   

6. Синтез управляющего устройства

УСД состоит из двух основных узлов: операционного узла (ОУ) и узла управления (УУ). ОУ — это устройство, в котором непосредственно выполняются операции, реализуемые процессором. В нашем примере на входы ОУ поступают данные с выхода АЦП, представленные в виде параллельного двоичного кода, а преобразования, осуществляемые в ОУ, состоят в приеме этих данных из того или иного аналогового канала и пересылки их в требуемые ячейки оперативной памяти.

УУ в определенной последовательности формируют управляющие сигналы y1, у2... и с их  помощью координирует работу элементов схемы ОУ, обеспечивая в нем требуемую обработку информации. Под действием каждого из этих сигналов в элементах ОУ производятся некоторые элементарные действии, называемые микрооперациями. К числу таких действий, например, относятся разрешение записи данных в память, приведение в исходное состояние счетчика и т. п.

В каждый тактовый период синхроимпульсов в ОУ может выполняться одна или несколько независимых друг от друга микроопераций в различных элементах схемы. Набор микроопераций, выполняемых в ОУ одновременно (в одном такте), называется микрокомандой (МК), т.е. для управления всеми микрооперациями достаточно выдачи из УУ одного сигнала, который далее разветвляется по всем соответствующим направлениям. При необходимости управления микрооперацией сигналом «0», а МК = 1, в цепь передачи устанавливается инвертор.

УУ работает под действием команд — двоичных кодов, подаваемых на входы Z1, Z2... На входы X1, Х2... УУ поступают осведомительные сигналы, иначе называемые условиями или признаками, которые формируются ОУ и влияют на последующие значения управляющих сигналов Y, определяя тем самым последующие этапы преобразования операндов в зависимости от результатов, полученных в ОУ при выполнении предыдущей микрокоманды.


7. Абстрактный синтез УУ

На основе изложенного выше описания цикла сбора данных составляем блок-схему алгоритма функционирования:

Рис. 4


Анализ алгоритма показывает, что микрооперации y1, y2, а также y3, y4, y5 и y6, y7, y8 не зависят друг от друга и могут выполняться одновременно в одном такте. Следовательно, эти микрооперации в группах можно объединить в микрокоманды. Затем следует произвести разметку получившейся блок-схемы. Начало и конец блок-схемы обозначим a0, что соответствует исходному состоянию управляющего автомата. Вход каждого блока, следующего за операторными блоками, которые имеют прямоугольную форму, помечаем символами a1, a2, a3, соответствующими последующим состояниям

УУ.

Рис.5

Далее на основе произведенной разметки блок-схемы алгоритма строится граф функционирования УСД. Каждому из состояний управляющего автомата соответствует узел графа, дугами графа изображаются переходы автомата из одного состояния в другое, причем возле каждой дуги указывается условие перехода X и выполняемая на данном тактовом интервале микрокоманда Y.

                  

8. Этап структурного синтеза УУ

Управляющее устройство состоит из комбинационного цифрового устройства (КЦУ) и из запоминающего устройства (ЗУ), которое в свою очередь состоит из двух JK триггеров:

                                                                                                                        

Эта схема содержит КЦУ и ЗУ, состоящее из двух JK — триггеров. Как известно, для обеспечения перехода JK из состояния a(t) в новое состояние a(t+1), на входе J и K нужно подавать определенные сигналы возбуждения. Набор таких сигналов показан в таблице 3.

Таблица

Вид перехода

Входные сигналы

Q(t)

Q(t+1)

J(t)

K(t)

0

0

0

-

0

1

1

-

1

0

-

1

1

1

-

0

 

  Сигналы XI, Х2, Q1, и Q2 выступают в роли аргументов, а сигналы Y1, Y2, Y3 являются логическими функциями, которые должен реализовывать КЦУ.

Таблица

Условия перехода

Предыдущее состояние

Следующее состояние

Сигналы возбуждения триггеров

Выполняемая микрокоманда

Х1

Х2

а t

Q2

Q1

а t+1

Q2

Q1

J2

K2

J1

K1

Y1

Y2

Y3

-

-

a0

1

0

a1

1

1

-

0

1

-

1

0

0

-

-

a1

1

1

a2

0

0

-

1

-

1

0

1

0

0

-

a2

0

0

a2

0

0

0

-

0

-

0

0

0

1

-

a2

0

0

a3

0

1

0

-

1

-

0

0

1

-

0

a3

0

1

a1

1

1

1

-

-

0

0

0

0

-

1

a3

0

1

a0

1

0

1

-

-

1

0

0

0

 

 

    При помощи карт Карно находим нормальные минимальные дизъюнктивные формы для функций:

 

 

 

 


 

 


На основании полученных с помощью карт Карно выражений построим обобщенную схему КЦУ в базисах И-ИЛИ.


9. Общая схема УСД

10. Расчет максимального быстродействия УСД

В этом пункте требуется подсчитать fВ вх известно, что Fт=500 кГц - тактовая частота,

Тт=2мкс - период одного такта,

N=7 - число каналов.

S=3N+1=22 мкс

TΣ=S·Tт=44 мкс

Где S- число тактов на опрос N каналов,

TΣ- период максимальной fd(частоты дискретизации) для каждого канала.

Тогда:

Список литературы

1. Лебедев О.Н. “Микросхемы памяти и их применение” – М.: Радио и связь, 1990.

2. Багданович М.И. “Цифровые и интегральные схемы” – Беларусь, 1981.

3. Калабеков Б.А. “Микропроцессоры и их применение в системах передачи и обработки сигналов” – М.: Радио и связь, 1998

4. Конспект лекций по ВТиИТ.


каналы

0

1

7

MS

Блок

выработки

адреса каналов

АЦП

Устройство управления

(УУ)

Генератор тактов

ПАМЯТЬ

Устройство

выработки

адреса ячейки памяти

запуск

конец преобразования

Запись памяти

0     1               m

0     1               k

адресные входы

0

1

7

Рис.1

Y1        CT21←0

Начало

Y2        CT22←G

Y3        Tфл0

Y5        Зап. АЦП

Y4        Кл1

Y7  CT21=CT21+1

Y8  CT22=CT22+1

Y6        ОП АЦП

(Tфл)=1

(Tфл)=1

Конец

Да(1)

Да(1)

Y1           y1, y2

Y2          y3, y4, y5

Y3         y6, y7, y8

X1

X2

а0

а1

а2

1

а3

а0

1

X1X2

Q2Q1

00      01     11     10

00

01

11

10

Q2Q1

X1X2

00

01

11

10

00      01     11     10

00

01

11

10

Q2Q1

X1X2

00      01     11     10

00      01     11     10

00

01

11

10

Q2Q1

X1X2

00      01     11     10

00

01

11

10

Q2Q1

X1X2

00

01

11

10

Q2Q1

00      01     11     10

X1X2

00      01     11     10

00

01

11

10

Q2Q1

X1X2


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

60781. Чтение отрывка из произведения Э.Н. Успенского «Крокодил Гена и его друзья» 176.5 KB
  Крокодил Гена Чебурашка и их друзья прославили Эдуарда Успенского. За этой книгой были написаны и другие сказочные детективные приключенческие и фантастические произведения...
60783. Моделирование лица (основы) 60 KB
  На мой взгляд Surfce это один из самых удобных средств для создания более сложных моделей. Конечно же можно будет применить и NURMS если нужна будет более подробная модель но для лица чистого Surfce достаточно но только при высоких знаниях и при имении больших навыков за спиной но это только моё мнение. Я буду объяснять как работать с Surfce по собственному готовому лицу.
60786. Логические операции Boolean. Визуализатор (визуализатор архитектурных проектов) 6.97 MB
  В результате получится пуговица как на рисунке. Откроется меню стандартных примитивов показанное на рисунке справа. Появится меню показанное на рисунке справа. Должно получится примерно так как на рисунке левее.
60787. Лоскутное моделирование в 3d max 343 KB
  При работе с треугольными лоскутами важно помнить что они всегда будут содержать 72 треугольные грани независимо от размеров лоскутной сетки. Эти грани будут увеличиваться при увеличении размера лоскута или сжиматься при его уменьшении.
60788. Интерполяция результатов эксперемента 114.5 KB
  Цель работы: Изучение методов обработки результатов физических экспериментов с применением интерполяции. Получение аналитической функции описывающей закон изменения измеряемой величины.
60789. Дмитро Луценко – поет-лірик, поет-пісняр 84.5 KB
  Особливо мене схвилювали поезії про війну. Я так ніжно кохав свою дорогу матусю Щоразу коли згадую її гірку долю у мене в душі щось перевертається. Того ж вечора були написані слова: Грає море зелене Тихий день догора Дорогими...