ВТиИТ лекции

Устройства обмена данными с другими микроконтроллерами и центральным процессором

Обмен данными с другими микроконтроллерами в управляющей системе, содержащей несколько совместно работающих микроконтроллеров, может осуществляться по последовательному каналу или путем совместного использования внешней памяти.

Обмен данными по последовательному каналу выполняется с использованием последовательного порта (SP). Обмен производится путем посылки отдельных кадров, каждый из которых содержит стартовый бит, семь или восемь информационных битов и один стоповый бит. В состав кадра может быть включен дополнительный бит, который используется для контроля по четности правильности пересылки данных или для различения кадров, содержащих адреса абонентов, и кадров содержащих данные, при включении контроллера в простейшую локальную сеть.

Последовательный порт может также осуществлять последовательный ввод или вывод байтов с использованием внешних сдвигающих регистров, которые в этом случае выполняют функции дополнительных параллельных портов ввода или вывода.

Умикроконтроллеров некоторых типов в число периферийных устройств входит второй последовательный порт (SSIO), с помощью которого осуществляется непосредственный обмен байтами между двумя микроконтроллерами путем последовательной передачи байта и сопровождающей серии импульсов сдвига. Порт SSIO содержит два последовательных канала, каждый из которых может работать в режиме передачи или в режиме приема. Максимальная скорость обмена (на частоте 16 МГц): в асинхронном режиме - 1 Мбод; в синхронном режиме - 4 Мбод.

Микроконтроллеры почти всех модификаций имеют аппаратные средства, обеспечивающие совместное использование внешней памяти несколькими микроконтроллерами. Согласование работы микроконтроллеров при обращении к внешней памяти реализуется с помощью сигналов НОLD, HLDA, BREQ и дополнительной внешней аппаратуры.

Умикроконтроллеров некоторых типов имеется "подчиненный" порт (Slave Port), предназначенный для обмена данными с центральным процессором в иерархической управляющей системе. Через "подчиненный" порт микроконтроллер подключается непосредственно к системной магистрали микропроцессорной системы. Обмен данными происходит под управлением центрального процессора, который обращается к микроконтроллеру, как к собственному порту ввода и вывода. При появлении необходимости передать данные в центральный процессор микроконтроллер посылает запрос прерывания.

Устройства приема и обслуживания запросов прерывания

Запросы прерывания текущей программы могут поступать от внешних источников или формироваться внутри микроконтроллера в различных периферийных устройствах. Общее число источников запросов прерывания у микроконтроллеров разных типов может быть 21, 28 или 37.

Запросы прерывания могут маскироваться путем посылки кодов маски в соответствующие регистры специальных функций. В микроконтроллерах всех типов имеется программный контроллер прерываний (PIC). Обслуживание запроса прерывания с использованием PIC заключается в переходе от выполнения текущей программы к выполнению другой определенной программы, составленной разработчиком программного обеспечения.

Адрес первой команды каждой прерывающей программы (вектор прерывания) хранится в определенной паре ячеек ПЗУ в области памяти, отведенной для хранения специальных данных. После завершения выполнения прерывающей программы происходит возврат к прерванной программе.

Прерывающая программа в свою очередь может быть прервана при поступлении любого незамаскированного запроса прерывания вне зависимости от соотношения приоритетов запроса, вызвавшего переход к данной программе, и нового запроса прерывания.

В микроконтроллерах некоторых типов кроме программного контроллера прерываний имеется микропрограммный контроллер прерываний (PTS). Любой запрос прерывания, кроме нескольких особых запросов, может быть направлен для обслуживания или в PIC или в PTS.

Обслуживание запроса прерывания с использованием PTS заключается в выполнении типовой микропрограммы, при этом выполнение операций по микропрограмме совмещается во времени с выполнением команд текущей программы. Микропрограммы PTS охватывают, в основном, пересылки данных. Прерывания, обслуживаемые PTS, отрабатываются быстрее, чем те, которые обслуживаются обычным способом. Однако, программировать PTS непросто, а отлаживать еще сложнее.

Устройства контроля правильности функционирования микроконтроллера.

Все микроконтроллеры семейства MCS-96 имеют сторожевой таймер (WDT). Сторожевой таймер по прошествии определенного интервала времени переводят микроконтроллер в состояние сброса. Правильно работающая программа должна предотвращать сброс микроконтроллера от WDT путем периодического сброса в нулевое состояние самого WDT. При сбое в ходе программы сторожевой таймер своевременно не сбрасывается, и при его переполнении микроконтроллер переводится в состояние сброса, что предотвращает появление и развитие опасных ситуаций в системе управления.

Микроконтроллеры некоторых типов имеют схему обнаружения падения частоты генератора тактовых импульсов (OFD). При снижении частоты ниже определенного уровня OFD вырабатывает сигнал сброса и переводит микроконтроллер в состояние сброса. Это предотвращает появление опасных комбинаций сигналов на выходах микроконтроллера, которые могут возникнуть при остановке генератора тактовых импульсов в произвольный момент времени в процессе выполнения программы.

Характеристики микроконтроллеров подсемейств

К числу основных функциональных характеристик микроконтроллера относятся:

емкость расположенных на кристалле регистрового оперативного запоминающего устройства (RRAM), постоянного запоминающего устройства (ROM), оперативного запоминающего устройства (RAM):

максимальная тактовая частота (F max)

число команд в системе команд (N );

состав периферийных устройств.

По значению тактовой частоты мажет быть определено быстродействие

микроконтроллера. У микроконтроллеров подсемейства 8X9Y команды коротких операций выполняются за 12 периодов тактовой частоты. При тактовой частоте 12 Мгц микроконтроллеры данного подсемейства имеют быстродействие 1000000 коротких операций в секунду. У микроконтроллеров остальных подсемейств команды коротких операций выполняются за 8 периодов тактовой частоты, и при тактовой частоте 16 Мгц обеспечивается быстродействие 2000000 коротких операций в секунду.

При этом следует иметь в виду, что короткие операции в микроконтроллере семейства MCS-96 по своему содержанию существенно отличаются от коротких операций в микроконтроллере с регистром-аккумулятором. Так, например, одной короткой операции "сложение" в микроконтроллере семейства MCS-96 при представлении данных в формате "байт" соответствует последовательность из трех коротких операции в микроконтроллере семейства MCS-51, а при представлении данных в формате "слово" - соответствует последовательность из шести коротких операций.

Кроме того, в систему команд микроконтроллеров семейства MCS-96 входят команды умножения и деления чисел в формате "слово" В микроконтроллерах других семейств такие операции выполняются по подпрограммам, что резко увеличивает время их выполнения.

Цифровая обработка сигналов Общие принципы цифровой обработки сигналов

Одним из основных направлений развития приборостроения является все более широкое использование цифровых методов представления, хранения, передачи и обработки информации. Данные методы позволяют не только повысить метрологические показатели по сравнению с аналоговыми приборами, но и максимально автоматизировать процесс измерения и обработки.

Цифровая обработка сигналов (ЦОС), в том числе и измерительной информации, имеет ряд преимуществ по сравнению с другими способами:

хорошая стабильность и воспроизводимость;

отсутствие таких дестабилизирующих факторов, присущих аналоговым устройствам как температурный и временной дрейф, разброс параметров, воздействие наводок и помех;

гибкость - возможность программной реализации алгоритмов обработки измерительной информации и изменение параметров аппаратуры;

возможность создание адаптивных систем с перестраиваемой структурой;

простота настройки и повышение метрологических характеристик без использования трудоемких и прецизионных операций (подгонка образцовых резисторов).

Цифровая обработка сигналов позволяет выполнять в принципе любое формально описываемое преобразование сигнала по сколь угодно сложному алгоритму со сколь угодно большой степенью точности. Существует несколько типичных задач решаемых, с помощью ЦОС в измерительных приборах.

фильтрация сигнала;

его масштабирование;

сжатие (компрессия) измерительных сигналов;

дискретное преобразование Фурье;

преобразования спектра сигнала;

определение сложных функциональных зависимостей, аппроксимация функцией данного вида;

синтез нелинейных передаточных функций;

статистический анализ полученных результатов.

Чтобы выполнить цифровую обработку необходимо предварительно преобразовать аналоговый сигнал на входе в цифровой код с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Обратное преобразование на выходе цифрового сигнала в аналоговый вид выполняется с помощью цифроаналогового преобразователя (ЦАП).

Алгоритмы цифровой обработки сигналов могут реализовываться как в устройствах на жесткой логике, в том числе и на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС), так и в устройствах с программной логикой – универсальных либо специализированных микропроцессорах и микроконтроллерах, а также в универсальных компьютерах.

Алгоритмы цифровой обработки сигналов Дискретные фильтры Общие положения

Дискретные фильтры, равно как и аналоговые, выполняют преобразование спектра сигнала за счет различного коэффициента передачи для разных гармонических составляющих. Фильтры классифицируются как фильтры верхних частот (ФВЧ), фильтры нижних частот (ФНЧ), и полосовые – пропускающие и задерживающие.

В отличие от аналоговых схем дискретные фильтры работают не с непрерывными сигналами, а с сигналами дискретизированными по времени, то есть с сигналами, представленными в виде последовательностей входных и выходных отсчетов сигнала. Другое название такого представления сигнала - решетчатая функция, значения этой функции определены только для определенных значений аргумента. Промежуток времени между двумя соседними отсчетами сигнала называется периодом дискретизации Tд, величина обратная ему - частотой дискретизации fд.

При дискретизации непрерывных сигналов частоту дискретизации следует выбирать с учетом теоремы Котельникова. Теорема Котельникова определяет, что для адекватного представления непрерывной по времени функции при помощи дискретной частота дискретизации должна быть, по крайней мере, в два раза больше, чем самая высокочастотная гармоническая составляющая непрерывного сигнала. Это определяет верхний частотный предел диапазона, в котором адекватно работают дискретные методы обработки сигналов (фильтрация, преобразование Фурье и др.).

Алгоритм цифровой фильтрации

В основе построения цифрового фильтра лежит реализация следующего алгоритма, называемого разностным уравнением:

M N

yn bk xn k ak yn k k 0 k 1

где: xn – отсчет входного сигнала в текущий момент времени n (n-тый такт работы схемы) xn-k – отсчеты выходного сигнала в предыдущие моменты времени n-k, задержанные на i

тактов.

yn – отсчет выходного сигнала в текущий момент времени n

yn-k – отсчет выходного сигнала в предыдущие моменты времени n-i a, b – постоянные множители - коэффициенты фильтра.

Цифровой фильтр

Аналоговое преобразование: Uвх (t) Uвых (t)

Цифровое преобразование: x(nT) y(nT) (x- вход, y- выход)

Переходим от аналогового сигнала к цифровому:

Передаточная функция ( H(z) Y(z)X(z)).где Y(z), X(z) – это Z преобразования

соответственно входных и выходных последовательностей.

Z – преобразование цифровой последовательности X(nT), n = 0,1…

Цифровые процессоры обработки сигналов

Особенности архитектуры ЦПОС

Особенности архитектуры цифровых процессоров обработки сигналов (ЦПОС) (Digital Signal Processors – DSP) связаны с особенностью программ, по которым им приходится работать:

программы выполняются, как правило, в реальном масштабе времени - по мере поступления входного сигнала, что придает критическую важность вопросам повышения быстродействия;

программы содержат много логических и особенно арифметических операций и практически не содержат программ перехода;

происходит постоянный и быстрый ввод вывод данных, зачастую в аналоговой форме

программы относительно короткие и достаточно редко изменяются, зачастую остаются неизменными на протяжении всего срока эксплуатации процессора.

Из этого проистекают такие особенности архитектуры:

в процессорах цифровой обработки сигналов очень часто используется так называемая Гарвардская архитектура - с раздельными блоками памяти для хранения программ и данных. Они могут иметь разную разрядность, к ним происходит обращение по разным командам;

большая (иногда нестандартная) разрядность обрабатываемых данных - 16, 24, 32, 48, 64, 128, что позволяет увеличить диапазон обрабатываемых чисел без применения формата с плавающей запятой или обрабатывать по несколько чисел одновременно;

блоки, предназначенные для ускорения выполнения команды умножения - сдвиговые регистры, матричные умножители;

память команд и данных на самом кристалле процессора;

возможность параллельного выполнения нескольких операций одновременно, например, ввода вывода и арифметических команд;

все команды имеют одинаковую длину и выполняются за одинаковое время, что позволяет использовать счетчик команд для отсчета временных интервалов.

Все эти особенности архитектуры проявляются таких процессорах как аналого-цифровой процессор КР1813ВЕ1, процессоры серии TMC320 фирмы Texas Instruments, DSP фирм

Motorola и Analog Devices.

ЦПОС семейства TMS320C1x

Первый процессор семейства - TMS320C10 был выпущен в 1982 г. и благодаря ряду удачных технических решений получил широкую распространенность.

Особенности семейства

В основу микропроцессора положена модифицированная Гарвардская архитектура, отличием которой от традиционной Гарвардской архитектуры является возможность обмена данными между памятью программ и памятью данных, что повышает гибкость устройства.

Арифметические функции в процессоре реализованы аппаратно. Он имеет аппаратные умножитель, устройство сдвига, аппаратную поддержку автоинкремента / декремента адресных регистров данных (ARO, AR1).

Технические характеристики

TMS320C10 является 16-разрядным процессором. Его адресное пространство составляет 4К 16-разрядных слов памяти программ и 144 16-разрядных слов памяти данных. длительность командного такта процессора составляет 160-200 нс.

С внешними устройствами процессор взаимодействует через 8 16-разрядных портов ввода/вывода. Предусмотрена возможность обработки внешнего прерывания.

Литература

1.Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. – СПб.: БХВ – Санкт-Петербург, 2000. – 528 с.:ил.

2.Калабеков Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы: Учебник для техникумов связи. – М.: Телеком, 2000. – 336 с.

3.Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. – М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2005. – 528 с.

4.Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем: Справочник: В 2 т. / Н.Н.Аверьянов, А.И.Березенко, Ю.И.Борщенко и др.; Под ред. В.А.Шахнова. - М.: Радио и связь, 1988

5.Гилмор Ч. Введение в микропроцессорную технику: Пер. с англ.-М.: Мир, 1984. – 334 с., ил.

6.Цифровые процессоры обработки сигналов: Справочник / А.Г.Остапенко, С.И.Лавшинский, А.Б.Сушков и др.; Под ред. А.Г.Остапенко, - М.: Радио и связь, 1994. – 264 с.

7.С.Марков. Цифровые сигнальные процессоры. Книга 1. М.: фирма МИКРОАРТ, 1996. – 144 с.

8.Шагурин И.И. Микропроцессоры и микроконтроллеры фирмы Motorola: Справ. пособие. – М.: Радио и связь, 1998. – 569 с.

9.Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах / В.В.Сташин, А.В.Урусов, О.Ф.Мологонцева. – М.: Энергоатомиздат, 1990 .- 224 с.

10.Норенков И.П., Трудоношин В.А. Телекоммуникационные технологии и сети. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1998. – 232 с.

11.Гольденберг Л.М., Матюшкин Б.Д., Поляк М.Н. Цифровая обработка сигналов.: Учебное пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 1990. – 256с.

12.Однокристальные микроЭВМ /Боборыкин А.В., Липовецкий Г.В. и др. / М.:

МИКАП, 1994. – 400с.