7.2 Архітектура мікропроцесорної системи

Мікропроцесорна система (МПС) – це зібрана в єдине ціле сукупність взаємодійних інтегральних схем цифрової логіки та аналогових схем, організована в обчислювальну або в керувальну систему з мікропроцесором (мікроконтролером) як вузлом обробки інформації.

Узагальнена структура мікропроцесорної системи наведена на рис.7.1. Коротко охарактеризуємо основні елементи, що входять до її складу.

Генератор тактових імпульсів - джерело послідовності прямокутних імпульсів, за допомогою яких здійснюється керування роботою МП у часі. Для сучасних МП не потрібний зовнішній генератор тактових імпульсів - він міститься безпосередньо в його схемі.

Основна пам’ять системи (зовнішня щодо МП) складається з постійного (ПЗП) і оперативного (ОЗП) запам’ятовувальних пристроїв.

ПЗП – це пристрій, в якому зберігається програма та сукупність констант. Вміст ПЗП не стирається при відключенні живлення. ПЗП використовується як пам’ять програми.

ОЗП - це пам'ять програм, даних, що підлягають обробці, і результатів обчислень.

Рисунок 7.1

Пристрій введення-виведення (ПВВ) здійснює введення в систему даних, що підлягають обробці. Пристрій виведення (ПВ) перетворює вихідні дані (результат обробки інформації) у форму, зруч­ну для сприйняття користувачем або зберігання. ПВВ є гнучкі магнітні диски, клавіатура, дисплей, аналого-цифрові і цифроаналогові перетворювачі, графобудівники, принтери тощо.

Далі розглянемо системи шин. Шиною називається група ліній пере­дачі, що використовуються для виконання певної функції (по одній лі­нії на кожен передавальний біт). Особливістю структури МПС є магістраль­на організація зв'язків між модулями, що входять у її систему. Вона здійснюється за допомогою трьох шин. Ці шини з’єднують МП із запам'ятовувальним пристроєм (ПЗП, ОЗП) і інтерфейсами введення-виве­дення, внаслідок чого створюється можливість обміну даними між розгля­нутими модулями системи.

Шина даних (ШД) - це двонаправлена шина: по ній дані можуть нап­равлятися в МП або з нього. При цьому необхідно підкресли­ти, що одночасна передача даних в обох напрямках неможлива. Ці процеду­ри рознесені в часі за допомогою часового мультиплексування.

По шині адреси (ША) інформація передається тільки в одному напрямі - від МП до модуля пам’яті або ПВВ.

Шина управління (ШУ) використовується для передачі сигналів, що обслуго­вують взаємодію, синхронізацію роботи всіх модулів системи і внутрішніх вузлів МП.

Перевагою шинної структури є можливість вмикання до МПС нових модулів, наприклад кількох блоків ОЗП і ПЗП, для одержання потрібного обсягу пам’яті.

7.3 Покращення метрологічних характеристик

Розглянемо основні можливості і способи зменшення похибок у приладах, що містять мікропроцесорні системи.

Вилучення систематичної похибки. Найбільш часто систематичні похибки обумовлені зсувом нуля, невідповідністю реального значення коефіцієнта передачі номінальному значенню, нерівномірністю амплітудно-частотної характеристики тракту передачі сигналу, впливом характеристики аналого-цифрового перетворювача (АЦП).

Наявність у приладі мікропроцесорної системи дозволяє скоригувати, вилучити систематичні похибки. Для вилучення впливу зсуву нуля, наприклад, у цифровому вольтметрі, його вхідні контакти замикаються накоротко і приєднуються до точки з нульовим потенціалом (заземлюються). При цьому число, одержуване на виході АЦП, характеризує зсув нуля. Воно запам'ятовується і віднімається з показів приладу.

Принцип корекції систематичної похибки, пов'язаної з тим, що значення коефіцієнта передачі вимірювального каналу відрізняється від номінального, такий (рис.7.2).

Рисунок 7.2

У пам'яті мікропроцесорної системи зберігається число В, що не руйнується при відключенні живлення системи і відповідає строго визначеному значенню А₀ вхідної напруги, тобто число, що повинно бути отримане на виході АЦП, якщо на вхід вольтметра надходить напруга із значенням А₀, і коефіцієнт передачі тракту сигналу, а також коефіцієнт перетворення АЦП відповідають своїм номінальним значенням. Усередині приладу є цифроаналоговий перетворювач (ЦАП), що містить зразкове джерело живлення. При підведенні числа В до входів ЦАП на його виході формується напруга, значення якої дорівнює А₀. Ця напруга подається на вхід приладу. У результаті аналого-цифрового перетворення виходить число В', що відрізняється від числа В через наявність систематичної похибки. Її характеризує відношення чисел α=В/В'. Значення коефіцієнта α обчислює мікропроцесор, і воно фіксується в пам'яті. Таким чином, у пам'яті міститься коригувальний коефіцієнт.

Зменшення впливу випадкової похибки. Ця складова похибки вимірювання, як відомо, не може бути вилучена. Її вплив можна зменшити раціональною обробкою результатів спостережень.

Для оцінки випадкових похибок користуються ймовірнісними характеристиками.

Оцінку середнього значення результатів спостережень обчислюють за формулою

(7.1)

де Х_і — результат і-го спостереження, не спотворений систематичною похибкою; N — число спостережень.

Оцінкою середнього квадратичного відхилення випадкової похибки результату спостережень служить вираз

(7.2)

де — відхилення і-го результату спостереження від його середнього значення.

У теорії похибок доводиться, що середнє квадратичне відхилення результату виміру, що визначається як , обчисленого для N груп серії незалежних спостережень (в кожній групі по N спостережень), при великому числі N набагато менше за середнє квадратичне відхилення . Розраховують за формулою

. (7.3)

Формула (7.3) визначає абсолютну похибку. Для знаходження відносної середньої квадратичної випадкової похибки значення , обчислене за (7.2), відносять до .

З написаних виразів видно, що проведення багаторазових вимірювань з наступним усередненням – ефективний спосіб зменшення впливу випадкової похибки на результат вимірювання.

Компенсація внутрішніх шумів. Ця операція дозволяє підвищити чутливість вимірювального приладу, розширити діапазон вимірюваних значень напруги в сторону малих значень. Принцип компенсації, використаний у вимірювачі рівня високочастотних сигналів, такий.

До складу приладу входить вимірювальний перетворювач, що здійснює перетворення високочастотної напруги змінного струму в напругу постійного струму, значення якої відповідає середньому квадратичному значенню напруги змінного струму. Ще до подачі досліджуваного сигналу s(t) протягом інтервалу часу, затрачуваного на автоматичне регулювання нуля, вимірюється середній квадрат шумового сигналу n{t} на вході перетворювача. Результат вимірювання запам'ятовується. Після підведення до входу приладу корисного сигналу на вході перетворювача виходить сума сигналу і шуму. В перетворювачі сумарний сигнал s(t)+n(t) підноситься до квадрату, в результаті чого мають сигнал . Усереднення цього сигналу дає . Оскільки сигнали s(t) і n(t) незалежні, середнє значення їхнього добутку дорівнює нулю.

З результату усереднення віднімається виміряний раніше середній квадрат шумового сигналу, і отримана різниця дорівнює . Добування квадратного кореня дає середнє квадратичне значення “чистого” корисного сигналу s(t), оскільки шумова складова скомпенсована.