Филиппов-21.106

В. М. ФИЛИППОВ, И. Е. ЧЕРТКОВ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ»

ЧАСТЬ 1

ОМСК 2012

УДК 621.311:004.04:004.07(075.8) ББК 39.275.7я73

Ф53

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дис-

циплине «Микропроцессорные информационно-управляющие системы».

Часть 1 / В. М. Филиппов, И. Е. Чертков; Омский гос. ун-т путей сообщения.

Омск, 2012. 36 с.

Представлено семь лабораторных работ, в которых приведены основные теоретические сведения об устройстве, принципах его работы и конструктивных особенностях функциональных элементов (регистров, арифметико-логи- ческих устройств, постоянных и оперативных запоминающих устройств, шинных формирователей, цифровых компараторов), применяемых в микропроцессорных устройствах систем электроснабжения (например, в блоке микропроцессорной релейной защиты, в микропроцессорных системах телемеханики «Топаз», «Исеть»).

Предназначены для студентов четвертого курса специальности 190901 – «Системы обеспечения движения поездов» и студентов пятого курса специальности 190401 – « Электроснабжение железных дорог» – очной формы обучения, могут быть полезны при проведении занятий со слушателями Института повышения квалификации и переподготовки.

Библиогр.: 5 назв. Рис. 17. Табл. 6.

Рецензенты: доктор техн. наук, доцент А. Т. Когут; канд. физ.-мат. наук, доцент А. А. Магазев.

_________________________

© Омский гос. университет путей сообщения, 2012

4

ВВЕДЕНИЕ

Внастоящее время в устройствах автоматики, телемеханики и релейной защиты электрифицированных железных дорог широко применяются микроконтроллеры и микропроцессорные системы, на основе которых разработаны комплексы защиты и автоматики фидеров контактной сети, устройства телеблокировки, системы телемеханики и др. В связи с этим особое значение приобретает задача повышения уровня подготовки специалистов, связанных с проектированием и эксплуатацией устройств электроснабжения электрических железных дорог.

Цель настоящих методических указаний – помочь студентам усвоить основные положения курсов «Микропроцессорная техника в устройствах электроснабжения» и «Микропроцессорные информационно-управляющие системы» при выполнении лабораторных работ по изучению узлов микроконтроллера и принципов работы их основных логических схем, приобрести практические навыки выполнения измерений входных и выходных цифровых сигналов и творческой исследовательской деятельности.

Вкаждой лабораторной работе приведены основные теоретические сведения об устройстве рассматриваемых цифровых устройств, приведена технология проведения исследований.

К выполнению лабораторных работ допускаются студенты, подготовленные теоретически и прошедшие инструктаж по технике безопасности при работе на стендовой установке.

Питание на стенды подается от распределительного щита. Лабораторные стенды, блоки питания и индикации, осциллографы включаются в сеть напряжением 220 В переменного тока.

Во время проведения исследования электрических схем студент обязан: выполнять только ту работу, которая определена преподавателем; работать только на закрепленном за ним рабочем месте и нести ответст-

венность за сохранность оборудования; сборку схем и необходимые переключения на них производить, применяя

только исправные изолированные соединительные провода, при отключенном выключателе питания на стенде;

перед включением стенда показать преподавателю схему для проверки правильности ее сборки и получения разрешения на работу;

5

для подачи сигналов на входы применять блок управления, содержащий несколько кнопок и блок индикации;

при перерывах в работе или в подаче электрической энергии отключать стенд;

в случае возникновения аварийного режима в схеме (искрение, перегрев токоведущих частей, появление дыма и пр.) или при попадании кого-либо из находящихся в лаборатории под напряжение немедленно снять напряжение со всех лабораторных стендов (отключить ввод на распределительном щите) и сообщить об этом преподавателю;

при срабатывании устройства защиты лабораторного стенда и появлении звукового сигнала, сопровождающегося миганием красной лампочки, свидетельствующего о перегрузке, немедленно отключить тумблер питания на стенде и сообщить об этом преподавателю.

После завершения исследований необходимо отключить лабораторный стенд, получить разрешение преподавателя на разборку схемы, разобрать ее, сдать преподавателю комплект соединительных проводов, выданных студенту перед началом работы.

Отчет по результатам лабораторной работы оформляется на листах формата А4 или в специальной тетради и должен содержать титульный лист; цель работы; основные теоретические сведения; назначение, характеристику исследуемого объекта; порядок выполнения работы; результаты эксперимента в виде таблиц и временных диаграмм; результаты моделирования работы схемы в среде Multisim или Proteus; выводы по результатам выполненной работы; ответы на контрольные вопросы (по заданию преподавателя).

При написании отчетов по лабораторным работам необходимо соблюдать требования СТП ОмГУПС-1.2-2005 (Работы студенческие учебные и выпускные квалификационные. Общие требования и правила оформления текстовых документов) и СТП ОмГУПС-1.3-02 (Работы студенческие учебные и выпускные квалификационные. Основные правила оформления чертежей).

6

Лабораторная работа 1

РЕГИСТРЫ

Ц е л ь р а б о т ы: практическое ознакомление с регистрами; изучение функциональных возможностей и принципа работы микросхем регистров.

1.1. Краткие теоретические сведения

Регистры процессора представляют собой сверхоперативную (сверхбыструю) память небольшого размера, которая предназначена для временного хранения служебной информации и выполнения микроопераций над ней. Количество регистров в разных процессорах может быть от шести – восьми до нескольких десятков. Регистры могут быть универсальными и специализированными. Специализированные регистры, которые присутствуют в большинстве процессоров, – это ре- гистр-счетчик команд, регистр состояния, регистр указателя стека. Остальные регистры процессора могут быть как универсальными, так и специализированными.

Регистры, являющиеся одними из наиболее распространенных узлов ЭВМ, представляют собой многоразрядные схемы, число разрядов которых соответствует разрядности обрабатываемой информации. Каждый разряд регистра состоит из триггера и некоторых других логических элементов.

К числу выполняемых регистром микроопераций относятся

–установка в нулевое или единичное состояние;

–прием информации в прямом и обратном коде;

–выдача информации из регистра в прямом или обратном коде;

–сдвиг информации в разрядной сетке.

Любой триггер, входящий в состав регистра, называют разрядом, а число разрядов – длиной регистра. Регистр из n разрядов может находиться в 2n состояниях.

Для построения регистров в зависимости от выполняемых микроопераций могут быть использованы триггеры, различные по функциональному признаку (например, RS-, JK-, Т-, D-типа) и по организации (синхронные и асинхронные, с внутренней задержкой и без внутренней задержки).

Регистры по способам приема и выдачи данных делятся на параллельные (статические), последовательные (сдвигающие) и параллельно-последовательные.

7

Впараллельных регистрах прием и выдача информации производятся одновременно по всем разрядам. Основная функция параллельных регистров – хранение информации.

Впоследовательных регистрах информация принимается и выдается разряд за разрядом. Поскольку тактирующие сигналы сдвигают информацию в разрядной сетке, то такие регистры получили название сдвигающих.

Последовательно-параллельные регистры имеют одновременно входы последовательного и параллельного приема информации и могут выполнять взаимные преобразования последовательных кодов в параллельные и наоборот.

По количеству каналов передачи данных различают парафазные и однофазные регистры. В парафазных регистрах величины передаются по двум цепям каждая, т. е. каждый разряд передается в виде прямого значения перемен-

ной ai и ее инверсией ai , а в одноразрядных – только по одной цепи (ai или ai ). По способу тактирования различают однотактные и многотактные регистры. Первые управляются одной последовательностью синхроимпульсов, а вто-

рые – несколькими.

1.1.1. Параллельные регистры

Параллельные регистры состоят из разрядных схем, не связанных между собой (рис.1).

Рис. 1. Структура параллельного регистра

Параллельный регистр с однофазными входом и выходом принимает информацию в два такта. Сначала все триггеры устанавливаются в нулевое состояние (синхронизируются), а на втором такте триггеры, на инверсные входы которых подаются нулевые сигналы, устанавливаются в единичное состояние.

Если вместо RS-триггеров в схеме использовать D-триггеры, то получит-

8

ся схема с однофазным входом и записью без предварительного сброса триггеров в нулевое состояние.

В микропроцессорных системах управления устройствами электроснабжения параллельные регистры не нашли широкого применения, так как их использование требует организацию сложной двухтактной синхронизации, чтобы исключить свободное прохождение сигналов с входов регистра на его выходы.

1.1.2. Последовательные (сдвиговые) регистры

Регистры, на которых выполняются микрооперации сдвига, называются последовательными или сдвиговыми (рис. 2). Сдвиг информации может быть осуществлен в сторону старших разрядов или в сторону младших разрядов на i разрядов одновременно, где i = 1, …, n – 1. Регистры, имеющие обе цепи сдвига, называются реверсивными [2].

Рис. 2. Схема последовательного регистра

Последовательный регистр работает следующим образом. С приходом положительного импульса синхронизации (или тактового импульса) первый триггер перейдет в нулевое состояние, так как на вход D до прихода импульса синхронизации поступал нулевой сигнал. Во второй триггер будет записываться состояние первого и так далее, в каждый следующий триггер будет записываться состояние предыдущего. Следовательно, число в регистре будет сдвинуто на бит числа. Под действием каждого последующего импульса синхронизации на выходе регистра (выходе последнего триггера) будет поочередно каждый разряд записанного числа, начиная с младшего, т. е. в последовательном коде.

Широкое распространение в микропроцессорах, применяемых для управления устройствами электроснабжения, получили последовательные регистры на базе микросхем КР1564ИР8 (рис. 3).

Микросхема КР1564ИР8 представляет собой восьмиразрядный регистр, который имеет восемь выходов. Микросхема имеет два вывода питания: поло-

9