Методичні вказівки до курсової роботи з дисципліни "Архітектура комп’ютерів" для студентів базового напрямку 08. 04 "Комп’ютерні науки"



Сторінка1/2
Дата конвертації26.04.2016
Розмір0.63 Mb.
  1   2

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ”ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”




РОЗРОБКА ОБЧИСЛЮВАЛЬНОЇ СИСТЕМИ ОБРОБКИ

АНАЛОГОВОЇ ІНФОРМАЦІЇ




Методичні вказівки до курсової роботи

з дисципліни “Архітектура комп’ютерів”

для студентів базового напрямку 6.08.04 “Комп’ютерні науки”


Затверджено на засіданні кафедри

Системи автоматизованого проектування”



Протокол № 9 від 2008 р.

Львів - 2008


РОЗРОБКА ОБЧИСЛЮВАЛЬНОЇ СИСТЕМИ ОБРОБКИ АНАЛОГОВОЇ ІНФОРМАЦІЇ: Методичні вказівки до курсової роботи з дисципліни “ Архітектура комп’ютерів ” для студентів базового напрямку 6.08.04 “Комп’ютерні науки”/Укл. Панчак Р.Т., Процько І.О., Теслюк В.М., НУ “Львівська політехніка”, 2008.

Укладачі: Р.Т. Панчак, ст. викл. ,

І.О. Процько, канд. техн. наук, доцент,

В.М. Теслюк, канд. техн.наук, доцент.


Відповідальний за випуск С.П. Ткаченко, канд. техн.наук, доцент


Рецензенти : В.І. Каркульовський, канд. техн.наук, доцент,

П.О. Кравець, канд. техн.наук, доцент



МЕТА КУРСОВОЇ РОБОТИ
Виконання курсової роботи має за мету :

  • поглиблення теоретичних знань з апаратних і програмних засобів обчислювальних мікропроцесорних пристроїв (МПП);

  • розвиток навиків самостійної розробки загальної структури МПП з аналого-цифровим і цифро-аналоговим перетворенням інформації, побудови принципових схем окремих вузлів, розробки та відлагодження програмного забезпечення на мові Асемблер для мікропроцесора (МП) КР580ВМ80;

  • набуття навиків роботи з технічною та довідниковою літературою по вибору аналого-цифрового і цифро-аналогового перетворювачів (АЦП і ЦАП), використання стандартних і написання власних підпрограм з прикладного програмного забезпечення МП КР580ВМ80.

Курсова робота має сприяти закріпленню і узагальненню знань, отриманих студентом на лекційних, лабораторних і практичних заняттях, застосуванню цих знань до комплексного вирішення конкретної інженерної задачі, тобто розв’язання взаємно зв’язаних між собою питань аналогової і цифрової техніки, математики і програмування. Разом з тим ряд деяких питань теми курсової роботи мають бути розроблені більш детально на основі загального вирішення задачі.



ЗАВДАННЯ ДО КУРСОВОЇ РОБОТИ

Тема курсової роботи: Розробка обчислювальної системи обробки аналогової інформації. Інша тема може бути вказана або погоджена з викладачем. Окремі пункти завдання для курсової роботи за погодженням з викладачем можуть бути уточнені або замінені в процесі виконання роботи.


Постановка задачi: Розробити компоненти апаратного і програмного забезпечення обчислювальної системи на базі мікропроцесорного пристрою (МП КР580ВМ80), яка включає аналогово-цифровий і цифро-аналоговий перетворювачі і виконує функцію цифрової обробки аналогової інформації. Обробка описується заданим пропорційно-інтегро-диференціальним рівнянням y(t)=f(x), що пов’язує аналогові сигнали х(t) на вході і у(t) на виході системи.

ПОРЯДОК ЗДАЧІ КУРСОВОЇ РОБОТИ

В процесі виконання курсової роботи всі текучі питання студент повинен виясняти на консультаціях. Закінчена, але не підшита курсова робота представляється викладачу. До захисту курсова робота не допускається у випадку:

- не виконання суттєвих пунктів завдання;

- при відсутності необхідних розрахунків і програм, що виконуються;

- при невиконанні правил оформлення пояснювальної записки;

- при наявності грубих помилок, невірних трактувань і т.д.;

- при незадовільних відповідях студента під час співбесіди на попередньому перегляді роботи.

До захисту допускаються студенти, які виконали всі вимоги до оформлення курсової роботи та учбової програми.



ВИМОГИ ДО ЗМІСТУ КУРСОВОЇ РОБОТИ
Курсова робота повинна складатись із наступних розділів:

Завдання до курсової роботи.

Анотація.

Зміст.


Перелік умовних скорочень.

Вступ.


1. Синтез аналогової схеми фільтру.

2. Синтез структурної схеми цифрового фільтру.

3. Вибір і обгрунтування типу АЦП і ЦАП.

3.1. Вибір типу АЦП.

3.2. Вибір типу ЦАП.

3.3. Структура представлення даних.

4. Структурна схема та алгоритм функціонування МПП.

4.1. Опис структурної схеми МПП.

4.2. Розподіл адресного простору.

4.3. Алгоритм функціонування МПП.

5. Загальна структура програми роботи МПП.

5.1. Опис програм вводу, виводу.

5.2. Опис програми обробки інформації.

5.3. Оцінка фінітної частоти вхідного аналогового сигналу.

6. Побудова блоку пам’яті.

6.1. Вибір і обгрунтування типу мікросхеми пам’яті.

6.2. Виділення адресного простору для блоку пам’яті.

6.3. Опис визначення кількості мікросхем пам’яті в блоці.

6.4. Синтез схеми дешифратора адрес для блоку пам’яті.

7. Опис функціонального вузла.


Аналіз результатів та висновки.

Список використаної літератури.

Додаток.

КОРОТКИЙ ОПИС ОСНОВНИХ РОЗДІЛІВ КУРСОВОЇ РОБОТИ
В розділах курсової роботи необхідно відповідно описати.

Завдання до курсової роботи. (Зразок подано в кінці методики). Включити:

1. Назва теми роботи, 2. Термін здачі 3. Початкові дані (функціональна залежність, розрядність АЦП і ЦАП, полярність вхідного сигналу, спосіб організації обміну з АЦП, вид функціонального вузла).



Анотація. Описується коротко суть курсової роботи, об’єм пояснювальної записки і графічних матеріалів, короткі зміст роботи і висновки відносно застосування одержаних результатів.

Наприклад:



Синейко Ю.В.

“ Розробка обчислювальної системи обробки аналогової інформації ”. Курсова робота. - НУ “Львівська політехніка”, каф.: САПР, дисципліна: “ Архітектура комп’ютерів ”, 2008.


Курсова робота складається з 35 сторінок, 6 таблиць, 11 схем, 2 додатків.

В даній курсовій роботі розроблено компоненти апаратного і програмного забезпечення обчислювальної системи, яка включає мікропроцесорний пристрій, аналогово- і цифро-аналогові перетворювачі і виконує обробку за функціональною залежністю аналогового сигналу. Дана робота охоплює ввід і первинну обробку аналогової інформації, подальшу цифрову обробку інформації за програмою і вхідними даними, а також вивід обробленої інформації в аналоговій формі для подальшого використання.


Зміст. Перед текстом пояснювальної записки поміщається зміст роботи на окремій сторінці. Описуються всі розділи та підрозділи пояснювальної записки і відповідна їм нумерація сторінок.

Перелік умовних скорочень. Розшифрувати використані в пояснювальній записці всі абревіатури.

Вступ. Тут необхідно відобразити сучасний стан проблеми, актуальність, перспективність, мету і цілі курсової роботи, а також загальний підхід до розв’язку поставленої задачі.
1. Синтез аналогової схеми фільтру. Обробка сигналу виконується за заданою пропорційно-інтегро-диференціальною залежністю, що пов’язує аналогові сигнали х(t), у(t) на вході та на виході системи. Наприклад,

y(t) = x(t) – ω dx/dt,

де x(t) - вхідний аналоговий сигнал; y(t) - вихідний аналоговий сигнал; ω=2π/T - кругова частота з інтервалом дискретизації T;  - стала безрозмірна величина.

Якщо обробка виконується над аналоговим сигналом, то такий пристрій називають аналоговим фільтром. Передавальна характеристика аналогового фільтру забезпечує відповідні амплітудно-частотні та фазово-частотні залежності, які визначають тип фільтру. Для прикладу розглянемо синтез аналогового фільтру на основі заданої функціональної залежності:

y(t) = x(t) - ω dx/dt,

На основі операційного підсилювача ОП1 зібрана схема диференціатора, на ОП2 - схема додавання-віднімання, а на ОП3 – схема інвертора аналогового сигналу. За функціональною схемою 1 1 = R4/R3, ω = - R1C R4/R2 .



Схема 1. Функціональна схема аналогового фільтра


Сигнал на виході кожного операційного підсилювача ОП визначається співвідношеннями, що наводяться в приведеній схемі 2 на основі простих функціональних залежностей на ОП :





Схема 2. Функціональні залежності на спрощених схемах з ОП.

Варто зауважити про врахування знаку вихідної величини на виході інвертуючого операційного підсилювача.


2. Синтез структурної схеми цифрового фільтру. Розділ включає виведення рівняння цифрового фільтру та реалізацію структурної схеми на основі одержаного дискретного рівняння.

В лінійних системах вхідний x(t) та вихідний y(t) аналогові сигнали в загальному випадку зв’язані пропорційно-інтегро-диференціальним законом регулювання. Розглянемо перехід від пропорційно-інтегро-диференціальної функціональної залежності до її представлення в кінцево-різницевій формі. Прикладом такого рівняння з усіма трьома типами членів є наступне:



,

де x(t) - вхідний аналоговий сигнал; k - коефіцієнт передачі; і - сталі часу; y(t) - вихідний сигнал, що необхідно сформувати на виході системи.

Дискретизація аналогового рівняння полягає в заміні безперервної величини її дискретними відліками і відповідними перетвореннями похідних та інтегралів. Очевидна дискретизація першої похідної - її заміна першою скінченою різницею:

,

де t - інтервал дискретизації.

Аналогічні скінченні різниці використовуються при дискретизації похідних вищих порядків. Так, наприклад, похідна другого порядку може бути замінена виразом:


.
Один з способів дискретизації інтеграла полягає в його усуненні шляхом диференціювання рівняння. Інший спосіб прямої дискретизації пов’язаний з такими перетвореннями:

.

В результаті часової дискретизації при заміні безперервної величини її дискретними відліками для заданого рівняння отримаємо рівняння цифрового фільтра. Це рівняння в загальній формі при обробці інформації в реальному масштабі часу, має вигляд:



,

де m i k -кількість відліків, які обробляються цифровим фільтром в кожний момент часу (додатні цілі числа); - коефіцієнти, які визначають характеристики фільтра.

При наявності в правій частині рівняння членів виду фільтр називається рекурсивним, при відсутності таких членів - не рекурсивним.

Цифровий фільтр може бути реалізований як апаратурно, так і програмно. При апаратурній розробці необхідними схемними елементами є вузли, що реалізують перемножувачі, суматори і елементи затримки. Наприклад, на схемі 3 зображена структурна схема апаратної реалізації цифрового фільтра, який описується рівнянням:



Схема 3. Структурна схема реалізації рівняння цифрового фільтра,



де: Д – елемент затримки, Х – елемент множення, ∑ – суматор


3. Вибір і обґрунтування типу АЦП і ЦАП. Розділ складається з підрозділів.
3.1 Вибір типу АЦП. (Підрозділ містить обґрунтування вибору даного типу АЦП, його умовне позначення АЦП, опис виводів, технічні параметри, структурна схема підключення до МП, часова діаграма роботи АЦП).
3.2 Вибір типу ЦАП. (Підрозділ містить обґрунтування та умовне позначення ЦАП, опис виводів, технічні параметри, структурна схема підключення до МП).
3.3 Структура представлення даних. (Аналіз максимального і мінімального можливих вихідних значень Yn, схема одержаної структури даних).
Пристрій, який реалізує на основі одержаних дискретних рівнянь задану функціональну залежність приведено схемі 4.



x(t) k y(t) y(t)
Схема 4. Структурна схема пристрою мікропроцесорної обробки аналогового сигналу: Вх ОП - блок вхідного операційного підсилювача (може включати пристрій вибірки-зберігання); АЦП -аналого-цифровий перетворювач; МПС - мікропроцесорна система; ЦАП - цифро-аналоговий перетворювач; Вих ОП - вихідний операційний підсилювач.
3.1 Вибір типу АЦП. Аналого-цифровий перетворювач в обчислювальних системах застосовується для узгодження представлення інформації між джерелами аналогових сигналів (здавачами, сенсорами) та цифровими пристроями обробки. Рівень вхідного аналогового сигналу необхідно узгоджувати з вхідним діапазоном АЦП. Найчастіше перетворювачі аналогового сигналу в цифровий код використовують однополярні вхідні сигнали в діапазоні 0...5В або двополярні - -2,5В ...+2,5В. Якщо діапазон вхідного сигналу буде складати тільки частину повного вхідного діапазону АЦП, то деякі вихідні кодові комбінації перетворювача можуть мати значний вплив похибок перетворення. Тому блок Вх ОП виконує функцію попереднього масштабування вхідного сигналу. Зміна вхідного сигналу під час процесу перетворення в АЦП також вносить невизначеність при перетворенні. Тому блок Вх ОП - може включати пристрій вибірки-зберігання у випадку:
[dx(t)/dt]max ПД/2n tпер ,
де, ПД- повний діапазон вхідного сигналу; tпер - час перетворення; n - розрядність АЦП. В курсовій роботі вважатимемо, що ця умова не виконується і не будемо розглядати блок ВхОП з пристроєм вибірки-зберігання.
При виборі типів АЦП і ЦАП доцільно дотримуватись таких вимог:

  • кількість розрядів АЦП і ЦАП рівна і відповідає умовам індивідуального завдання;

  • керування роботою АЦП і ЦАП здійснюється з мінімальними апаратними і програмними затратами;

  • цифрові виходи АЦП і входи ЦАП мають відповідні логічні рівні, тобто допускають підключення до каналів вводу-виводу;

  • відповідність полярності вхідного і вихідного сигналу до завдання і схем вибору АЦП та ЦАП .

В таблиці1 наведено ряд мікросхем АЦП та деякі їх параметри.
Таблиця 1

Основні параметри ряду мікросхем АЦП



Мікросхема

Вид перетворення

n

,мкс

m

1

2

3

4

5

К572ПВ1

Послідовне наближення

12

110

48

(КР572ПВ1)










( 40 )

К572ПВ2

Подвійне інтегрування

14




48

(КР572ПВ2)










( 40 )

К572ПВ3

Послідовне наближення

8

7,5

18

К572ПВ4

Послідовне наближення

8

25

28

К1113ПВ1

Послідовне наближення

10

30

18

К1107ПВ1

Однократний відлік

6

0,1

64

К1107ПВ2

Однократний відлік

8

0,1

64

К1107ПВ3

Однократний відлік

6

0,02

16

К1108ПВ1

Послідовне наближення

10

0,9

24

К572ПВ3

Послідовне наближення

8

7,5

18

К1107ПВ4

Однократний відлік

8

0,03

64

К1107ПВ5

Однократний відлік

6

0,02

24

К1108ПВ2

Послідовне наближення

12

2

40

( n - кількість двійкових розрядів; - час перетворення; m - кількість виводів мікросхеми )

Існують різні види перетворення аналогового сигналу в АЦП що відрізняються послідовністю виконуваних операцій, схемотехнічними рішеннями, технологічними особливостями та конструктивними рішеннями. До фундаментальних видів перетворення слід віднести послідовні (двійково-вагового наближення, двохетапного інтегрування), послідовно-паралельні, паралельні. За часовими параметрами для виконання курсової роботи достатньо використати послідовні АЦП. Тому в таблиці наведено типи АЦП, що використовують послідовне наближення або подвійне інтегрування. Спосіб паралельного або однократного відліку використано в основному для реалізації надшвидкодіючих перетворювачів.

Одним з основних технічних параметрів АЦП є tпер- час перетворення, або число відліків вхідного сигналу, що виконує перетворювач за одиницю часу забезпечуючи повну точність. Важливо, щоб час програми обробки на МП був менший від часу перетворення, що забезпечить без затримки обробку вхідних цифрових кодів.

З метою зменшення кількості проміжних елементів розроблені функціонально завершені АЦП, які сумісні з КР580ВМ80 та іншими МП, які працюють з ТТЛ-рівнями і можуть мати вихідні каскади з трьома стійкими станами, що спрощує їх спряження з шиною даних МП.

Для прикладу розглянемо мікросхему К572ПВ4 аналого-цифрового перетворювача. К572ПВ4 призначена для перетворення аналогових сигналів, що надходять по восьми паралельних каналах, у цифровий код з наступним його збереженням в ОЗП і зчитуванням МПС кодів перетворення з його пам'яті. В його склад входять аналоговий мультиплексор (АМП) для переключення вхідних каналів, сам АЦП, внутрішня пам‘ять (ВОЗП) об’ємом 64 біти (організація 8 × 8) для збереження результатів перетворення по кожному з каналів, вихідний буфер (БР) з трьома станами, схема управління (СУ) з послідовним опитуванням каналів, фіксацією адреси, записом і зчитуванням інформації.




Схема 5. Часова діаграма роботи АЦП.


Мікросхема АЦП К572ПВ4 виготовлена за КМОП технологією. Мікросхема К572ПВ4 забезпечує стабільну роботу при напрузі живлення Ucc =5 В ±5% у наступних режимах:

  • однополярному (позитивної полярності) з зміною вхідного, напруги в діапазоні від 0 до 2,5 В призначеннях UREF1=2,5 В і UREF2=0,

  • однополярному (негативної полярності) зі зміною вхідної напруги в діапазоні від

-2,5 В до 0 при значеннях UREFl = 0 і UREF2= - 2,5 В;

  • біполярному зі зміною вхідних напруг у діапазоні від - 1,25 В до 1,25 В при значеннях UREF1 = 1,25 В и UREF2 = — 1,25В.


Схема 6. Умовне позначення АЦП КР572ПВ4.


Нумерація і призначення виводів мікросхеми КР572ПВ4,електричну схему якої показано на схемі 6:

1 – вихід мультиплексора В; 2-9 — входи мультиплексора 0 (AIN7) — 7 (AINO);

10 — опорна напруга UREF1;

11— опорна напруга UREF2;

12 — вибір каналу і початок перетворення STAТ;

13 — вхід керування зчитуванням даних ОЗП CS;

14 — загальний вивід 0;

15 — вхід тактових імпульсів CLK;

16 — вхід керування при звертанні до ОЗП ALE;

17-19 — адресні входи АО-А2;

20 — цифровий вихід 8 (СР) (DВ7);

2126 — цифрові виходи 2-7 (DВ6)—2 DВ1);

27 — цифровий вихід 1 (МР) (DВ0);

28 — напруга джерела живлення Ucc

При частоті послідовностей тактових імпульсів на вході CLK (вивід 15) 1.6 МГц., яка співпадає по значенню з частотою перетворення, то час tпр АЦП не перевищує 25 мкс. на канал.

Протягом усього періоду перетворення, рівного сумі часів tc – часу перетворення для кожного з восьми каналів, цифрова інформація зберігається в ВОЗП. Це забезпечує прямий доступ до пам’яті АЦП у кожній з моментів часу. Наступна зміна даних у ВОЗП відбувається наприкінці кожного циклу, перетворення, причому тільки в стовпці, що відповідає номеру опитуваного каналу. Запис інформації в ВОЗП проводиться по сигналу WR, а зчитування – по сигналу RD.

Адреса вибору каналу визначається у відповідності, зі значенням цифрового коду, записаного в адресні шини А0- А2 (виходи 17—19).

При звертанні до ВОЗП дані про стан адресних шин А2 А0 надходять у регістр адреси АЦП при високому рівні логічного сигналу ALE (вивід 16) і фіксується при його нульовому рівні.

Зчитування цифрової інформації ВОЗП на вихідну 8-розрядну шину здійснюється при подачі на вхід CS (вивід 13) сигналу логічний 0, після чого комірки буферного регістра переходять зі стану високоімпедансного в провідний стан. Аналого-цифровий пристрій здатний обмінюватися цифровою інформацією з КМОП і ТТЛ (малопотужними) ВІС і МП.

Для вибору відповідного режиму роботи АЦП непотрібно спеціальних сигналів керування, так як режим забезпечується комбінацією значень UREF1 і UREF2. При чому, значення які подаються в діапазоні від -2.5 до +2.5 визначають мінімальне та максимальне значення вхідного сигналу для перетворення.

Зміні вхідної аналогової напруги UIRN у межах від 0 до 2,5 В і від -2,5 В до 0 відповідає зміна вихідного коду від 00...00 до 11...11.

У біполярному режимі роботи СР вихідного коду стає знаковим.

Зміні UIRN у межах від -2,5 до 2,5В відповідає зміна вихідного коду від 00..00 до 11.. 11. Тобто це є прямий знаковий код додатне значення (+) рівне від 00..00 до 01..11, а від’ємне (-) від 10..00 до 11.11.

При виборі АЦП необхідно чітко визначитись з вихідним кодовим представленням. Найчастіше на цифрових виходах дані подаються в прямому двійковому, оберненому двійковому, двійковому доповненому і двійковому зміщеному кодах.

Таблиця 2.

Вихідне кодове представлення АЦП

Десяткове число

Прямий

код


Обернений

код


Доповняльний

код


Зміщений

код


+0,7

0,111

0,111

0,111

1,111

+0,6

0,110

0,110

0,110

1,110

+0,5

0,101

0,101

0,101

1,101

+0,4

0,100

0,100

0,100

1,100

+0,3

0,011

0,011

0,011

1,011

+0,2

0,010

0,010

0,010

1,010

+0,1

0,001

0,001

0,001

1,001

+0,0

0,000

0,000

0,000

1,000

-0,0

1,000

1,111

1,000

0,000

-0,1

1,001

1,110

1,111

0,111

-0,2

1,010

1,101

1,110

0,110

-0,3

1,011

1,100

1,101

0,101

-0,4

1,100

1,011

1,100

0,100

-0,5

1,101

1,010

1,011

0,011

-0,6

1,110

1,001

1,010

0,010

-0,7

1,111

1,000

1,001

0,001

-0,8

--

--

1,000

0,000

Для спряження АЦП і ЦАП з МП доцільно використати програмований паралельний інтерфейс (ППІ) КР580ВВ55. При програмному опитуванні АЦП можна використати режим 0 ППІ, а при вводі через переривання-режим 0 або 1.

На схемі 7 зображено фрагмент структурної схеми підключення 8-розрядних АЦП (в режимі програмного опитування) і ЦАП до МПП через КР580ВВ55.

Схема 7. Структурна схема підключення АЦП і ЦАП до МПП.


На аналоговий вхід АЦП подається сигнал x(t) через резистор R , який визначає масштаб перетворення. Цифрові виходи Р (1-8) АЦП підключені до каналу А ППІ. Виводи, що відповідають сигналам П (пуск) і ГТ (готовність), підключені відповідно до розрядів 0 і 4 каналу С. Цифрові входи ЦАП підключені до каналу В. На виході блоку ЦАП (з відповідними елементами) формується аналоговий сигнал y(t). Обмін між ППІ і МП здійснюється через виводи D (0-7), які підключені до шини даних. Канал А і старша тетрада каналу С (розряди 4-7) ППІ повинні бути запрограмовані на ввід інформації, канал В і молодша тетрада каналу С (розряди 0-3) - на вивід.

На схемі 8 наведено приклад фрагменту схеми підключення АЦП до шин МПП в режимі вводу вводу інформації через переривання при використанні команди RST N (рестарт). Запуск АЦП (сигнал П), як і в режимі програмного опитування, здійснюється через паралельний інтерфейс КР580ВВ55 (розряд 0 каналу С). ППІ використовується в режимі 0, сигнал ГТ після інвертування поступає на вхід синхронізації тригера К155ТМ2. Коли на вході “С” відбувається перехід від рівня логічного 0 до рівня логічної 1, дані з входу D (тобто логічна 1) передаються на вихід Q , який з’єднаний з виводом запиту переривання INT мікропроцесора КР580ВМ80. Очевидно, що ця зміна стану тригера відбувається лише тоді, коли на вході “R” (виводі INTE ) сигнал має рівень логічної 1, тобто переривання дозволено.



Схема 8. Приклад фрагменту схеми підключення АЦП до шин МПП.

  1   2


База даних захищена авторським правом ©shag.com.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка