Стартовая >> Книги >> Учеба >> Волоконно-оптические системы передачи данных

Обзор аналогичных конструкций - Волоконно-оптические системы передачи данных

Оглавление
Волоконно-оптические системы передачи данных
Анализ выходной информации и требований технического задания
Обзор аналогичных конструкций
Конструкторско-технологический анализ изделия
Проектирование и выбор конструкции модуля
Расчет показателей надежности микропроцессора
Проектирование ТП сборки платы микропроцессора

1.3 Обзор аналогичных конструкций

Всё множество выпускаемых микроЭВМ можно классифицировать по их конфигурациям таким образом:
- встраиваемые микроЭВМ, конструктивно приспособленные для встраивания в технологическое и другое оборудование (станок, прибор, машина, РЭС и др.) в качестве сборочной единицы и не имеющие индивидуального пульта управления, источника электропитания, декоративного конструктивного оформления. Если встраиваемые микроЭВМ выполнены в виде одной БИС, то они называются однокристальными, если в виде одной ПП-одноплатными;
- портативные сервисные микроЭВМ, содержащие небольшой дисплей, размещающиеся в небольшом чемоданчике и легко транспортируемые;
- микроЭВМ настольной конструкции со встроенными, как правило, в единую конструкцию дисплеем, пультом, малогабаритным устройством печати; память на гибком диске или кассетном магнитофоне. Их часто используют в качестве персональных микроЭВМ;
- микроЭВМ настольной и стоечной конструкции, содержащие набор отдельных конструктивно законченных модулей; процессор, экранный пульт, печатающее устройство, память на гибких дисках и малогабаритных винчестерских твёрдых дисках, функционально объединённых в целостною автономную микросистему. Их можно использовать в качестве персональных микроЭВМ, интеллектуальных терминалов вычислительных систем коллективного пользования, абонентских или рабочих станций локальных или вычислительных сетей.

1.3.1 Организация микроЭВМ на однокристальных МПЦ

Однокристальные МПЦ включают в себя все аппаратурные средства центрального процессора - регистры, АЛУ, схемы управления, а в некоторых случаях даже память. Поэтому микро архитектура МПЦ определяет многие из черт микро архитектуры микроЭВМ (ёмкость и расположение регистров, разрядность и трассировку магистралей данных и управления, наличие и функции буферных регистров и магистралей для передачи всех сигналов). Однокристальные МПЦ имеют ограниченную разрядность и жёсткую систему команд. Наиболее распространенными однокристальными микропроцессорами являются центральные процессорные элементы КР580ИК80А (8-разрядов), КМ1810ВМ86 (16-разрядов) и ряд других.
При разработке структур микроЭВМ на однокристальных МПЦ основными задачами являются: определение состава памяти; определение состава периферийных устройств ввода-вывода; разработка системы прерываний; разработка системы адресации и внутреннего интерфейса микроЭВМ; обеспечение допустимой нагрузочной способности компонентов микроЭВМ. Возможно множество вариантов структур микроЭВМ, построенных на однокристальных МПЦ. Упрощённая структурная схема микроЭВМ на однокристальном МПЦ приведена на рисунке 1.9.
Структурная схема однокристальной микроЭВМ
Рисунок 1.9 - Структурная схема однокристальной микроЭВМ

В микроЭВМ предусматривается использование изолированного ввода-вывода, и таким образом, по крайней мере логически, магистрали ввода-вывода и магистрали памяти могут быть разделены.

1.3.2 Организация микроЭВМ на секционных МПЦ

Построение микроЭВМ на базе микро программируемых секционных МПЦ отличается более широкими возможностями модификации структуры микроЭВМ в соответствии с требованиями конкретного применения. Как правило, такие микро программируемые микроЭВМ требуют разработки двухуровневого управления - микропрограммного и программного. Это позволяет иметь произвольную систему команд, однако усложняет как структуру и архитектуру микроЭВМ, так и сам процесс проектирования. Многокристальные секционные МПЦ имеют разрядность n = 2, 4, 8, 16 бит. Упрощённая структурная схема микроЭВМ на секционных МПЦ приведена на рисунке 1.10.
В микроЭВМ с двумя уровнями управления программа размещается во внешней программной памяти, в ПЗУ команд или в ОЗУ. В качестве программного счетчика обычно используется один из Nn-разрядных РОН, расположенных в блоке из N микропроцессорных секций. Адрес команды выдаётся по выходной адресной шине блока секций на адресные входы программной памяти.
Секционные микропроцессоры различных серий позволяют создавать разнообразные архитектуры высокопроизводительных процессоров ЭВМ.
Структурная схема микроЭВМ
Рисунок 1.7 - Структурная схема микроЭВМ на секционных МПЦ

1.4 Анализ элементной базы

Целью анализа элементной базы прибора является определение потенциальной возможности ее функционирования в условиях эксплуатации указанных в техническом задании.
Критериями верного выбора электрорадиоэлементов являются:
- соответствие эксплуатационных параметров элементов условиям работы прибора УХЛ 4.2 ГОСТ 15150-69;
- наличие данной элементной базы в производстве;
- удобства установки элементов для выбранного вида монтажа и технологического процесса сборки;
- обеспечение максимальной экономичности прибора.
Обоснование выбора электрорадиоэлементов произведено путем сравнения их технических характеристик соответствующим требованиям технического задания к прибору, учитывая при этом:
- номинальные значения элементов, допустимые отклонения этих величин с учетом воздействия внешних факторов;
- наличие данных типов элементов в производстве;
- общие технические требования к прибору;
- требования к отдельным узлам конструкции;
- унификацию и стандартизацию (это в первую очередь относится к соединителям и переключателям);
- экономическую целесообразность их применения.

1.5 Модуль МПЦ

1.5.1 Устройство модуля МПЦ

Модуль микропроцессора предназначен для программного управления функционирования системы контроля, обработки измеренных величин и индикации отклонения от соосности расположения оптического волокна.
Модуль МПЦ конструктивно состоит из следующих частей:
- платы микропроцессора;
- клавиатуры;
- платы индикации;
Структурная схема модуля МПЦ, поясняющая принципы его работы приведена на рисунке 1.11.
Модуль МПЦ включает в себя:
- генератор тактовых импульсов;
- центральный процессор;
- дешифратор адреса;
- ОЗУ;
- ПЗУ;
- четыре порта ввода - вывода;
- клавиатуру;
- дешифратор кода и цифровых индикаторов.
Модуль МПЦ выполнен на основе БИС серии КР580, КР537 и ИС серий К155 и К514. Структурные особенности, интерфейс, система команд модуля МПЦ в целом определяется типом примененного МПЦ.
Генератор тактовых импульсов вырабатывает две последовательности импульсов Ф1 и Ф2 тактового питания ИМС580 частотой 2 МГц.
Центральный процессор реализован на микросхеме КР580ВМ80А и выполняет функции управления и обработки данных. БИС КР580ВМ80А представляет собой 8-разрядный параллельный микропроцессор с фиксированной системой команд. Процессор содержит 16-разрядный канал адреса, 8-разрядный двунаправленный канал данных четыре выходных и шесть входных линий управления. Для формирования адресного пространства 16Кбайт используются 14 разрядов шины адреса. Сигналы управления WR и RD образуют системные сигналы записи и чтения с активным низким уровнем. Старшие три разряда шины адреса управляют дешифратором адреса, который делит адресное пространство 16Кбайт на четыре области по 2Кбайта для связи с периферийными устройствами. Адресное пространство распределено следующим образом:
- 0000…0FFF – область ПЗУ;
- 1000... 1FFF - область ОЗУ, при этом
- 1800... 1FFF - запасная область для ОЗУ;
- 2000... 3FFF - область устройств ввода-вывода.
ОЗУ емкостью 16Кбайт реализовано на микросхеме КР537РУ10. Режим работы БИС ОЗУ устанавливается с помощью сигналов "чтение" RD и "запись" WR, поступающих из центрального процессора, и выбор устройства СS, задаваемого дешифратором адреса. Чтение и запись информации осуществляется словами размерностью 1байт.
ПЗУ выполнено на микросхеме К573РФ5. Управление БИС ПЗУ осуществляется системным сигналом "чтения" и сигналом "выбор устройства" дешифратора адреса.
Дешифратор адреса выполнен на микросхеме К155ИД7 и формирует сигнал "выбор устройства" по коду, содержащемуся в 12... 14 разрядах адреса, установленного процессором на магистрали адреса. Сигнал "выбор устройства" инициализирует устройство, к которому происходит обращение процессора в соответствии с программой выполнения в текущий момент времени.
Параллельные порты ввода - вывода, реализованные на базе БИС КР580ВВ55А и служат для параллельного обмена информацией между процессором и внешними устройствами: блоком управления, клавиатурой и индикатором.
Двунаправленные буферы канала данных D0...D7 подключены к внутренней 8-разрядной двунаправленной магистрали данных платы микропроцессора и к соответствующим входам внешних устройств. Выбор канала осуществляется подачей на соответствующие входы БИС двухразрядного кода, формируемого процессором на линиях А0 и А1 магистрали адреса платы процессора. Выбор каждого из четырёх портов ввода-вывода осуществляется сигналом "Выбор устройства", поступающим из дешифратора адреса. Микросхема DD-7 служит для выдачи в блок управления управляющих сигналов:
- "Пуск электродвигателя" (ВД03);
- "Сброс/работа" (ВД02);
- "Уст. адреса" (ВД00);
- "Строб считывания CS" (ВД01).
Микросхема DD8 служит для приёма 6-разрядного кода яркости Q1... Q6 точек изображения и управляющего сигнала "Требование А".
Порт С микросхемы DD9 обслуживает клавиатуру, представляющую собой коммутирующую матрицу 4х4. Принцип действия клавиатуры состоит в следующем: сначала на все горизонтальные линии подаётся уровень лог. "0", а состояние вертикальных линий анализируется программным способом. Если нажата какая-либо клавиша, то лог. "0" передаётся на одну из вертикальных линий. Затем под программным управлением шины меняются ролями: лог."0" подаётся на вертикальные линии матрицы, а состояние горизонтальных анализируется. Таким образом, определяется перекрёстный элемент матрицы клавиатуры.
Канал А микросхемы DD9 используется для управления гашением цифровых индикаторов HL1...НL3 и для засветки комбинации сегментов типа "1_1" индикатора НL4 в случае, если отклонение световода превышает 79 мкм.
Через микросхему DD10 осуществляется вывод на дешифратор цифрового индикатора кода величины осевого смещения световода.
Управляющие входы всех портов (WR, RD, RES, А0, А1) присоединены к соответствующим системным линиям управления платы процессора.

1.5.2 Работа модуля микропроцессора и описание программы.

При подаче напряжения питания на блок микропроцессора, а также после нажатия клавиши "Сброс" начинается работа процессора с адреса 0000Н, т. е. включается ПЗУ через дешифратор адреса DD4 и начинается выполнение записанной в нём программы. Перед выполнением измерений необходимо занести в ОЗУ модуля МПЦ значение разрешающей способности оптического датчика системы. Для этого после нажатия клавиши Х последовательным нажатием соответствующих цифровых клавиш вводится дробная часть разрешающей способности. Например: при разрешающей способности 0.155 мкм вводятся цифры 155.
Программное обеспечение предназначено для управления работой блоком управления и оптико-механическим блоком, а также обработки результатов измерения. Функционирование системы контроля осуществляется при реализации следующей последовательности действий:
- начальная установка функциональных элементов схемы в исходное состояние, обеспечиваемая установкой единичного импульса на выходе С2 (ВД02) параллельного порта DD7;
- запуск электродвигателя, обеспечиваемый подачей лог. "1" на вход коммутатора в ОМБ;
- поворот наконечника на 45 градусов, остановка электродвигателя в момент перекрытия кривошипом мальтийского механизма светового потока от светодиода к фотодиоду и формирование сигнала готовности ОМБ к съёму информации фотодатчика;
- перевод схемы управления платы АЦП БУ в режим записи цифрового кода (соответствующего видеосигналу) в буферное ОЗУ, достигаемый установкой лог. "0" на трех входах С0, С1, С2 параллельного интерфейса DD7(запись осуществляется под управлением тактовых сигналов генератора сигналов управления ФПЗС);
- переключение схемы АЦП в режим считывания цифрового кода из буферного ОЗУ в память модуля микропроцессора(по окончании записи в ОЗУ БУ 1024 значений одной строки развертки изображения);
- установка адреса в буферном ОЗУ последовательной установкой лог. "Г' на выходе С0(ВД00) параллельного интерфейса DD7;
- установка сигнала "выбор кристалла" для управления ИМС памяти, обеспечиваемая программной установкой лог. "1" на выходе С1(ВД01)параллельного интерфейса DD7;
- организация приема данных из буферного ОЗУ через порт С с параллельного интерфейса DD8 и ОЗУ БН в момент действия сигнала "СS";
- перевод платы АЦП в режим "запрет работы" и переход к обработке полученных результатов.
В результате выполнения указанных действий в памяти модуля микропроцессора записан массив из 1024 чисел, несущий информацию об амплитуде видеоимпульсов одной считанной строки. Расстояние между центрами фоточувствительных ячеек жестко фиксировано и равно 15 мкм, что позволяет определить расстояние между любыми точками разложения изображения. Центр световода определяется подсчетом количества выходных импульсов ФПЗС, превышающих некоторый уровень:

где Nср - номер ячейки ФПЗС, соответствующий центру световода;
Nп, Nл - номера ячеек ФПЗС, соответствующих правой и левой границам изображений световода.
Определение левой (правой) границы светового пятна, соответствующего сердцевине ОВ, осуществляется при просмотре массива 1024 значений и их сравнение с опорным уровнем при последовательном наращивании (уменьшении) параметра массива.
После полного поворота наконечника с остановками через 45 градусов, памяти модуля микропроцессора находится информация о положении центра сердцевины ОВ по восьми направлениям.
Алгоритм программы управления системой контроля представлен в приложении 1. Программа реализует описанные выше действия по определению биения световода относительно оси наконечника по измеренному положению центра оптического излучения световода по 8 направлениям. Для выполнения этих измерений организован цикл с параметром R, изменяющийся от 1 до 8. Оператор 2 задает начальное значение R=1. Оператор 2 формирует импульс запуска электродвигателя путем установки высокого уровня на выходе С3 параллельного интерфейса DD7.
В операторе 4 реализована проверка готовности ОМБ к считыванию информации фотодатчика, что сопровождается появлением высокого уровня на входе С7 параллельного интерфейса DD7.
Установкой лог. "0" на выходах С0...С3 ИС DD7(оператор 5) схема БУ переводится в режим записи строки из датчика К1200ЦЛ1 в буферное ОЗУ БУ, осуществляет под управлением генератора сигналов управления фотодатчиком. Оператором 6 организован цикл считывания информации из буферного ОЗУ БУ в ОЗУ модуля микропроцессора оператор 7 формирует импульс на выходе С0 ИС DD7 для установки адреса в буферном ОЗУ. Оператор 8 формирует импульс С1 ИС DD7 для выработки сигнала ИС памяти - "Выбор кристалла".
В операторе 9 организован прием данных в ОЗУ ММ из буферного ОЗУ БУ через входы С0...С5 ИС DD8 оператор 10 формирует задние фронты управляющих сигналов записи лог. "0" в разряды С0...С3 интегральной схемы DD7.
Цикл ввода значений выполняется 1024 раза (операторы 11 - 12). По его окончании в памяти ММ находятся коды, соответствующие выходному аналоговому сигналу каждой фоточувствительной ячейки с сохранением соответствия порядкового номера ячейки и номера значения в массиве данных DАСР [1].
Оператор 13 записывает лог. "0" в разряд С2 ИС DD7, запрещая работу схемы управления платы АЦП на время обработки результатов. В операторах 14-22 определяется максимальное (А) и минимальное (М) значения кода яркости измеренного светового излучения, используемые при определении уровня отсечки (ОТЗ) в операторе 23.
В операторах 24—27 определяется номер фоточувствительной ячейки фотодатчика, соответствующий левой границе сердцевине OВ (по изображению распределения излучения световода на видеоконтрольном участке).
В операторах 28-21 производится определение номера фоточувствительной ячейки фотодатчика, соответствующего правой границе сердцевины OВ.
При выполнении оператора 32 производится определение номера центральной ячейки распределения излучения сердцевины световода.
Оператор 33 увеличивает параметр R на единицу и после проверки условия в операторе 34 переходит к измерению центра в следующем положении световода (после поворота на 45 градусов). По окончании цикла из 8 измерений в операторах 35-41 определяется биение световода относительно оси наконечника, выраженное в количестве ячеек.
Оператор 42 задает коэффициент увеличения оптической системы.
В операторе 43 определяется биение световода, выраженное в микрометрах, значение которого выводится на цифровое табло оператором 44. Многократное выполнение программы обеспечивается повторным запуском программы при нажатии “ ” ММ. При возникновении сбоев в работе необходимо нажать клавишу “Сброс – СК” и повторить цикл измерений нажатием клавиши
“ ”.



 
« Внутрицеховая система электроснабжения нефтеперерабатывающего завода   Вопросы и ответы по аккумуляторным батареям »
электрические сети