50. Способы организации связи между микропроцессором и внешними устройствами.

Устройство, которое дополнительно подключено к микропро­цес­сор­ной системе для поддержки ввода/вывода данных, а также времен­ного и архивного хранения данных, называется периферийным (или внешним) устройством. Микропроцессорные системы без внешних устройств (клавиатура, дисплей, накопители информации на магнитных носителях, принтер) оказываются бесполезными. Поэтому разработчики вычислительных систем уделяют большое внимание организации взаимодействия системы с внешними устройствами. Основное требование при этом – надежная, без потерь передача информации.

Аппаратные средства и программное обеспечение, необходимые для связи периферийных устройств с микропроцессорной системой назы­ваю­тся интерфейсом. Аппаратные средства интерфейса включают сигналы обмена данными а также оборудование, обеспечивающее этот обмен. Порядок следования сигналов во времени называется протоколом обмена.

Интерфейсы принято делить на магистральные и радиальные. Магистральным называется такой интерфейс, к которому подключаются одновременно несколько устройств. Такой интерфейс обычно исполь­зуе­тся для связи блоков самой вычислительной системы. Для связи микропроцессорной системы и внешнего устройства используется обычно радиальный интерфейс (для каждого внешнего устройства используется свой канал связи). По протоколу обмена интерфейсы делят на параллельные и последовательные. Стандартные интерфейсы общего применения обычно ориентированы на байтовый (восьми­бито­вый) обмен информацией. В параллельном интерфейсе байт данных передается по восьми линиям одновременно, а в последовательном по одной линии бит за битом последовательно. Естественно, под линией здесь понимается два провода (информационный и общий).

Интерфейс ввода-вывода данных должен иметь специальные ре­гис­тры для промежуточного хранения данных. Данные сначала записы­ва­ются процессором в этот регистр, а затем периферийное устройство получает их. Микропроцессорная система может иметь много таких регистров, и процессор должен иметь возможность их адресовать. Имеются два способа отображения этих регистров в адрес­ном прост­ранстве микропроцессорной системы. Во-первых, регистры могут составлять часть пространства адресов памяти сис­темы. В этом случае регистры доступны как обычные ячейки оперативного запо­ми­нающего устройства. Все микропроцессорные команды, которые работают с памятью, могут работать и с регистрами ввода/вывода. Чте­ние и запись в регистры стробируются сигналами управления микропро­цессора, предназначенными для управления памятью. Недостаток этого пути – уменьшение объема памяти, доступ­но­го для хранения данных. Второй способ адресации регистров состоит в использовании отдельно­го адресного пространства для отображения регистров ввода/вывода. В этом случае регистры называются портами ввода/вывода. Для записи и чтения информации из портов ввода/вывода используются специаль­ные команды микропроцессора. Для микро­про­цес­сора 8086, напри­мер, имеются команды IN и OUT. Кроме того, микропроцессор исполь­зует для управления портами ввода/вывода иные сигналы, чем для управления ячейками памяти.

Пример схемы пользовательского интерфейса

На рисунке показано подключение светодиода (VD1) к шинам микропроцессорной системы. Светодиод в данной схеме рассматривается как периферийное устройство. В качестве порта вывода используется D-триггер. Логическая схема определяет адрес этого порта. Информация, которая записывается в порт, стробируется сигналом IOWC. В данном примере использован второй способ адресации портов ввода/вывода.

Часто для внешнего устройства данные необходимы в аналоговом виде, в то время как микропроцессорная система работает с двоичными числами. В этом случае для преобразования сигналов необходимы цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). Данные от различных датчиков (температуры, давления и других) часто передаются как непрерывные аналоговые напряжения или токи. Чтобы микропро­цес­сор­ная система могла их обработать, аналоговые сигналы должны быть преобразованы в цифровые двоичные сигналы, которые могут читаться микропроцес­со­ром. Подобные функции выполняют аналого-цифро­вые преобразо­ва­те­ли (АЦП). Интерфейсные схемы при ис­поль­зовании АЦП и ЦАП строятся так же, как и в обычном случае. В составе интерфейса должен быть регистр, куда помещаются данные. Этот регистр может быть частью ЦАП или АЦП, но чаще это допол­нительный регистр. Кроме него в интерфейсе должен быть преду­смотрен еще один регистр, который используется для управления АЦП или ЦАП. Процессор просто передает параллельные цифровые данные в регистры в интерфейсе устройства. Преобразование и передача данных между этими регистрами и внешними устройствами осуществляются автоматически электронными схемами интерфейса.

Интерфейсы дисководов, графических дисплеев, и других слож­ных устройств ввода/вывода работают подобным же образом. Несмотря на существенные различия между характеристиками различных типов пери­фе­рийных устройств, большинство из них рассматривается микропроцессором как набор адресуемых регистров. Эти интерфейсы включают в себя специальные регистры управления и состояния, в которые микропроцессор передает команды интерфейсу или считывает его текущее состояние.

Задание № 1

Произвести синтез цифрового автомата. Составить принципиальную схему цифрового автомата, соответствующего таблице истинности. Упростить схему цифрового автомата в соответствии с правилами преобразования логических схем. Составить цифровой автомат на элементах ТТЛ или КМОП-логики. Привести диаграммы выходных и входных сигналов логической схемы.

Cтро- ка	Параметры			Выходное напряжение Yвых
	Х1	Х2	Х3	2-вариант
1	0	0	0	0
2	1	0	0	1
3	0	1	0	0
4	1	1	0	0
5	0	0	1	1
6	1	0	1	1
7	0	1	1	0
8	1	1	1	0

Строка	Входы			Входы
	Х1	Х2	Х3	YВЫХ
1	0	0	0	0	1
2	1	0	0	1	0
3	0	1	0	0	1
4	1	1	0	0	1
5	0	0	1	1	0
6	1	0	1	1	0
7	0	1	1	0	1
8	1	1	1	0	1

Строка 2 ; Строка 5;строка 6.

Искомая функция записывается в виде логической суммы произведений

Y=Y₂+Y₅+Y₆;

В соответствии с дистрибутивным законом для логического умножения:

Задание № 2

Рассчитать параметры инвертирующего усилителя, выполненного на операционном усилителе, который обеспечивает коэффициент усиления по напряжению ku при сопротивлении нагрузки Rн . Для расчетов принимаем ku =4 и Rн =47 кОм.(из № варианта)

№ варианта	KU	RH, KOм
2	4	47

Uип1 = +15±1,5 В; Rвх ≥ 1 МОм;

Uип2 = –15±1,5 В; Iвх ≤ 200 нА; Kу.U ≥ 30000;

Iвх ≤ 25 нА; f1 = 1 МГц;

Uсм = ±10 В; Uвых V = 2 В/мкс

Uвых.м = +11 В;

Iвых.доп ≤ 2,5 мА;

Uвых.м = –11 В;

(1) Решим уравнения (1) относительно сопротивленияR₂:

подставив в (2) численные значения получим

Для ограничения выходного тока операционного усилителя увели-

чиваем R2 в 10 раз. Принимаем R2  51кОм

Определим мощность резистора R2 . Для этого найдем максималь-

ный ток, протекающий по резистору R2 : (3)

Подставив численные значения параметров в (3), имеем .

Тогда мощность резистора R2

или после подстановки численных значений параметров

P_R2=(0,22*10^-3)²*51*10³=2,47*10^-3Вт

С учетом стандартного ряда мощностей, выбираем резистор R2

типа МЛТ – 0,01 – 51кОм ±5 %.

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя определяется

в соответствии с выражением (5)

Решая (5) относительно R₁, получим ;

Сопротивление резистора R₁ выбираем из ряда номинальных значений Е24: R1 =1,5кОм.

Определим мощность резистора R₁. Для этого из (5) найдем максимальное входное напряжение:

тогда

С учетом численных значений параметров

Из ряда стандартных мощностей выбираем резистор R1 типа МЛТ –0,01 – 1,5 кОм ±5%.С целью уменьшения токов и напряжений сдвигов в схему включают резистор R3 . Резистор R3 выбирают из условия равенства входных сопротивлений по инвертирующему и неинвертирующему входам операционного усилителя:

В соответствии с выражением (5), проведем проверку коэффициента усиления инвертирующего усилителя:

Погрешность превышает 5%, поэтому найденные значения резисторов неприемлемы.

Задание № 3

Рассчитать параметры неинвертирующего усилителя (рис. 9), выполненного на операционном усилителе, который обеспечивает коэффициент усиления по напряжению ku при сопротивлении нагрузки Rн .

Для расчетов принимаем ku  4 и Rн  47кОм. (№ варианта из таблицы)

Для расчетов используем операционный усилитель типа К140УД6.

Определяем сумму сопротивлений резисторов R1 и R2 при заданной нагрузке Rн из условия ограничения выходного тока Iвых операционного усилителя на допустимом уровне:

Решим (8) относительно R1 +R2 :

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя определяется в соответствии с выражением (9)

Из (9) определим отношение сопротивлений R2 и R1 и составим систему уравнений

(10)

Решая систему уравнений (10) относительно R1, получаем, что R1 1100 Ом. Тогда R2 3300 Ом.

Найдем ток, протекающий через резисторы R₁ и R₂ : (11)

В соответствии с (4), определим мощность резисторов R1 и R2 :

Согласно стандартному ряду сопротивлений принимаем R3 0,82 кОм.

Так как ОУ охвачен обратной связью и не потребляет ток по входным цепям, то ток, протекающий через R3 чрезвычайно мал. Поэтому мощность резистора принимаем равной 0,01 Вт, а резистор выбираем

типа МЛТ – 0,01 – 0,82 кОм 5 %.

Проведем проверку коэффициента усиления неинвертирующего

усилителя по выражению (9):

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА(ИНТЕРНЕТ РЕСУРСЫ)

http://knowledge.allbest.ru/radio/2c0a65625a3ac68a4d53a884212..

http://topref.ru/referat/70923.html

http://rushkolnik.ru/docs/114/index-1885415.html

http://referat7.ru/refs/source/ref666-48234.html

http://window.edu.ru/resource/077/76077/files/praktika.pdf

http://inethub.olvi.net.ua/ftp/library/share/homelib/spec252/...

http://ru.wikipedia.org/wiki/Триггер

http://libooks.org/book_515_glava_14_Soprotivlenie_pri_dopros...

http://www.referat.wwww4.com/view-text-106154

ttp://uchebilka.ru/fizika/48081/index.html?page=2

http://window.edu.ru/library/pdf2txt/666/18666/1166/page14

http://www.studmed.ru/docs/document3427?page=3&view=1

http://rushkolnik.ru/docs/114/index-1885422.html

http://rushkolnik.ru/docs/114/index-2231882.html

http://rushkolnik.ru/docs/114/index-2231882.html

http://dlib.rsl.ru/rsl01002000000/rsl01002869000/rsl010028693...

http://dlib.rsl.ru/rsl01005000000/rsl01005507000/rsl010055078...

1