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.
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.
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
“ ”.
