Архитектура измерительных систем с мп и микроЭвм

Измерительная система (ИС), предназначенная для автоматического сбора, преобра­зования и обработки измерительной информации, является одной из составных частей более общего понятия — измерительной информационной системы (ИИС), куда помимо ИС вхо­дят также системы автоматического контроля, технической диагностики и распознавания.

В ГОСТ 8.437—81 приведено следующее определение: ИИС — "совокупность функ­ционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных тех­нических средств для получения измерительной информации, ее преобразования, обработки в целях представления потребителю (в том числе ввода в АСУ) в требуемом виде либо авто­матического осуществления логических функций контроля, диагностики, идентификации". В ИИС объединяются технические средства, начиная от датчиков, АЦП, каналов передачи и кончая устройствами выдачи информации, а также вычислительные средства с соответст­вующим программным обеспечением, необходимым как для управления работой собственно системы, так и для решения в ИИС измерительных и вычислительных задач, а также управ­ления конкретным экспериментом.

Обобщенная структурная схема ИИС (рисунок 5) содержит следующие составные части:

1 - группу датчиков (Д), размещенных постоянно в определенных точках объекта ис­следования, перемещающихся в пространстве (сканирующего типа) или воспринимающих одновременно поле исследуемого объекта;

2 - аналоговые преобразователи (АЛ), содержащие предусилительные и согласую­щие устройства, фильтры, нормирующие и функциональные преобразователи, аналоговые ка­налы связи;

Рисунок 5- Обобщенная структурная схема измерительной информационной сис­темы

3 - аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и многоканальные аналоговые комму­таторы, схемы выборки-хранения, компараторы;

4 - цифровые устройства (ЦУ), включающие формирователи импульсов, таймеры, преобразователи кодов, цифровые коммутаторы, специализированные цифровые вычисли­тельные устройства (умножители, быстрые преобразователи Фурье и др.), устройства па­мяти;

5 - каналы передачи (КП), содержащие каналы цифровой связи, модемы, оптические линии связи, формирователи помехозащищенных кодов;

6 - устройства отображения и регистрации (ОиР) результатов измерения, включаю­щие печатающие устройства, накопители информации на магнитной ленте и дисках, дис­плеи, сигнализаторы, цифровые индикаторы;

7 - цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) и выходные демультиплексоры, мощ­ные усилители и формирователи выходных импульсов;

8 - регуляторы (Р), включающие различные исполнительные устройства (двигатели, нагреватели, реле и т.д.);

9 - интерфейсные устройства (ИУ) для связи отдельных блоков между собой и с сис­темой;

10 - устройство управления (УУ), реализуемое обычно на базе микропроцессоров или микроЭВМ;

11 - магистраль (М), содержащую как внутрисистемные шины связи, так и устрой­ства, позволяющие объединять отдельные ИИС в локальные сети и иерархические системы.

Конечно, не во всякой ИИС требуется включение всех приведенных на рис.1 бло­ков. Для каждой конкретной системы или прибора количество блоков, состав функций и связи между блоками должны устанавливаться особо.

На начальной стадии развития автоматизированных ИИС (60-е годы) в них использо­вались специализированные вычислительные устройства, построенные на дискретной полу­проводниковой базе и работающие по жесткой программе. Эта ступень развития средств из­мерения, сбора и обработки информации соответствовала первому поколению ИИС. Сис­темы первого поколения характеризуются централизованным циклическим получением из­мерительной информации и обработкой ее с помощью специализированных вычислительных устройств. Дальней­шая обработка информации при необходимости в большинстве случаев проводилась вне ИИС, в универсальных ЭВМ.

Развитие вычислительной техники, появление мини-ЭВМ позволило в конце 60-х - начале 70-х годов перейти от выполнения ряда операций измерения и обработки информа­ции в ИИС аппаратным путем по жесткой программе к гибкому программному их выполне­нию, к изменению в процессе работы программным путем структуры и состава работающих функциональных блоков системы. Объединение измерительной части и ЭВМ, а также ис­пользование в качестве элемент­ной базы микроэлектронных схем малой и средней степени интеграции привело к появлению второго поколения ИИС. Системы второго поколения ха­рактеризуются адресным сбором информации, преиму­щественно программной обработкой информации с помощью ЭВМ, входящей в состав системы, и в меньшей степени с помощью специализированных вычислительных устройств, использованием мик­роэлектронных схем малой и средней степени интеграции, блочно-модульным принципом построения.

Развитие микропроцессорных средств, БИС и СБИС (включая устройства памяти с большим объемом запоминаемой информации) и стандартных цифровых интерфейсных схем, появление микроЭВМ и резкое возрастание роли программного обеспечения системы привело к появлению третьего поколения ИИС. В этих системах с помощью микропроцес­сорных средств выполняются сбор, обработка и промежуточное хранение измерительной информации в местах, максимально приближенных к ее получению. Микропроцессор может встраиваться практически в любой блок ИИС, приведенной на рис.1. Распределенный ха­рак­тер процессов сбора и обработки информации делает эти системы децентрализованными. Они отличаются от централизованных ИИС не столько рассредоточенным расположением аппаратуры, сколько распределением функций. Рассредоточение вычислительной мощности по различным уровням и блокам ИИС позволяет уменьшить потоки информации, сократить общее время обработки, повысить надежность работы и живучесть системы.

Кроме того, в децентрализованных системах снижаются затраты на программирова­ние, поскольку раньше, когда микропроцессоры стоили относительно дорого, разработчики аппаратуры стремились загрузить их как можно больше, что вызывало значительное увели­чение стоимости и времени программирования. В настоящее время в связи с резким удешев­лением микросхем в этом уже нет необходимости, экономически выгоднее увеличивать об­щее количество микропроцессоров в системе.

В ИИС третьего поколения широко осуществляется многофунк­циональная обработка измерительной информации благодаря рациональному сочетанию аппаратных специализи­рованных вычисли­тельных средств с жесткой структурой на базе БИС и СБИС и гибких пе­рестраиваемых структур и программ работы на базе МП и микроЭВМ.

Появление микроЭВМ с достаточно высокой производительностью и большой емко­стью оперативной памяти позволило перейти к созданию полностью автономных ИИС.

Следует отметить, что новые поколения ИИС часто существуют одновременно с пре­дыдущими, дополняют их, берут от них наиболее важное и рациональное.

Неотъемлемой частью архитектуры любой современной измерительной системы с микропроцессорами или микроЭВМ является ее системное и прикладное программное обес­печение (ПО). Различают два вида системного ПО: внутреннее (резидентное) обеспечение, которое образуют служебные программы, постоянно хранимые в памяти системы и необхо­димые для разработки прикладных программ, и кросс-программное обеспечение, представ­ляющее собой комплект программ, используемых пользователем на этапе разработки сис­темы или ее модернизации.

Большинство измерительных приборов и систем со встроенными микропроцессорами из-за ограниченной емкости памяти содержат только прикладные программы пользователя.

Комплекс ПО МП измерительной системы обычно включает библиотеку программ­ных модулей, предназначенных для реализации типовых процедур ввода-вывода, преобра­зования кодов, обработки прерываний, вычисления функций и т.д.

Характерной особенностью ИИС второго и третьего поколений является блочно-мо­дульный принцип их построения, когда отдельные программно-управляемые приборы-мо­дули могут объединяться через общую магистраль (см. рисунок 5) в функционально необходи­мом сочетании. При этом каждый прибор-модуль может применяться и автономно. Исполь­зование приборов-модулей со встроенными микропроцессорами открывает особенно боль­шие возможности по созданию разнообразных ИИС, поскольку в таких приборах обеспечи­вается единый обмен информацией. В большинстве случаев в одном микропроцессоре одно­временно удается совместить функции программного управления прибором и интерфейсные функции.

Лекция 3

3.1. Структура микроконтроллеров. Особенности и выпол­няемые функции

Микроконтроллер – вычислительно-управляющее устройство, предназначенное для выполнения функций контроля и управления периферийным оборудованием.

Уклон в сторону управления накладывает отпечаток на особенность архитектуры микроконтроллеров. Основной из этих особенностей является то, что наряду с процессорным ядром микроконтроллеры имеют в своём составе подсистему ввода-вывода и под­систему памяти. В последнем случае принято говорить об однокристальных микро-ЭВМ.

Рассмотрим особенности организации каждой из подсистем микроконтроллеров.

Процессорное ядро

Современные микроконтроллеры могут быть построены как по Гарвардской (напри­мер, MCS-51 Intel), так и по Фон Неймановской архитектуре (например, MCS-96 Intel и 80C166 Siemens). Все они имеют внешнюю системную магистраль для обмена данными с внешней памятью и допол­нительными периферийными устройствами. Классические семей­ства микроконтроллеров (MCS-51) имеют, как правило, мультиплексные шины ад­реса/данных, что было обусловлено необходимостью минимизировать размер микросхемы. Однако современные быстродейст­вующие микроконтроллеры используют уже демультип­лексную шину, что ускоряет работу системы. Некоторые модели микроконтроллеров имеют возможность работать либо мульти­плексной, либо с демультиплексной шиной, в зависимо­сти от требуемой конфигурации сис­темы. В случае демультиплексной шины контроллер бы­стрее обменивается данными по ма­гистрали. При работе с мультиплексной шиной, освобо­дившиеся выводы используются как порты ввода-вывода (например, MCS251 Intel и 80C166 Siemens).

Практически все микроконтроллеры выполняют только операции с фиксированной точкой. Существуют 8-разрядные (например, MCS-51 Intel и MC6805 Motorola), 16-разряд­ные (например, MCS-96 Intel, 80C166 Siemens и MC6816 Motorola), 32-разрядные (например, MC683 Motorola и MPC500 PowerPc) микроконтроллеры. Системы команд микроконтролле­ров поддерживает, как правило, широ­кий набор методов адресации в т.ч. битовую адреса­цию.

Подсистема памяти.

Существуют микроконтроллеры с аккумуляторной (MCS-51) и регистровой (MCS-96) организацией. Количество регистров и их разрядность зависит от конкретной модели. За­час­тую микроконтроллеры имеют несколько банков регистров (MCS-48, MCS-51, 80C166).

Память данных определенного объема присутствует на простом микроконтроллере практически всегда. Она обменивается данными с процессорным ядром по внутренней маги­страли микроконтроллера, которая может быть организована иначе, чем внешняя. Поэтому обмен данными с внутренней памятью данных, как правило, осуществляется быстрее, чем с внешней.

Варианты реализации внутренней памяти программ могут быть различными:

1. Она может отсутствовать. В этом случае микроконтроллер выполняет программу, счи­тывая команды из внешней памяти программ через системную магистраль.

2. Она может быть выполнена в виде масочного постоянного запоминающего устрой­ства (ПЗУ). В этом случае микроконтроллер не нуждается во внешней памяти программ. Од­нако в этом случае программа во внутреннюю память записывается однократно на этапе из­готовления кристалла и не может быть изменена в дальнейшем. Как правило, программа, за­писанная во внутреннюю память, выполняется быстрее, чем из внешней памяти.

3. Она может быть выполнена в виде однократно программируемого ПЗУ (ППЗУ). В этом слу­чае пользователь сам может записать программу во внутреннюю память, но лишь одна­жды. Для записи программы, как правило, необходим специальный программатор. Од­нако суще­ствуют микроконтроллеры, способные программировать сами себя (например, микроконтроллер MCS-96, в котором програм­матор реализован внутри кристалла).

4. Она может быть выполнена в виде ППЗУ с ультрафиолетовым (УФ) стиранием. В этом случае память про­грамм может быть многократно перепрограммирована с помощью программатора. Перед очередным программированием она должна быть очищена с помощью УФ излучения.

5. Она может быть выполнена в виде Flash-памяти. В этом случае память программ может быть многократно перепрограммирована в процессе работы системы.

6. Она может быть реализована в виде оперативного запоминающего устройства (ОЗУ). В этом случае для загрузки программы по­сле включения питания используется так называемый Boot Strep загрузчик. Это механизм, позволяющий после включения питания за­грузить начальную программу функционирования по последовательному каналу связи, либо по системной магистрали.