3. Разработка и описание общего алгоритма функционирования фильтра

Общий алгоритм функционирования фильтра строится на основе выводов и определений, сделанных при анализе задачи, и включает в себя все функции устройства, реализуемые аппаратно и реализуемые программно. Он содержит также все сигналы и сообщения, необходимые для взаимосвязи аппаратно-реализуемых и программно-реализуемых операций (сигналы и сообщения, которые обеспечивают взаимодействие аппаратной части фильтра и программы).

Общий алгоритм функционирования фильтра приведен на рис.3. Работа фильтра начинается с подачи питания. Импульс, сформированный схемой сброса (дифференцирующая RC-цепь) при подаче питания, обнуляет программный счетчик МК и инициирует формирование импульса сброса RST для установки МК в исходное состояние. Исходное состояние МК после сброса однозначно определено и его следует учитывать при инициализации МК и МП-системы в целом.

Программа инициализации МП-системы должна начинаться с нулевого адреса. При инициализации выполняются необходимые настройки аппаратных и программных модулей МК и МП-системы на заданные режимы функционирования и с определёнными параметрами.

Таймер-счётчик Т/С0 (аппаратный узел) в режиме таймера настраивается на период переполнения, равный Т_Д; таймер запускается для формирования непрерывной последовательности импульсов с частотой дискретизации F_Д. Разрешаются внутренние прерывания от Т/С0, которые используются для программного формирования импульсов запроса данных, и внешние прерывания от входа INT1 – для пуска выполнения рабочего цикла фильтра по сигналу готовности данных с АЦП. Порт РА (РУ55) настраивается на ввод данных, а порт РВ (РУ55) – на вывод данных на ЦАП. Программа инициализации завершается операцией останова МК.

Из состояния останова МК выводится сигналом внутреннего прерывания от флага TF0 переполнения Т/С0. По данному прерыванию выполняется программный модуль формирования и вывода импульса запроса данных. После запроса данных программа снова переходит в состояние останова и находится в нём до следующего прерывания по входу INT1 сигналом готовности данных от АЦП.

Последующие операции (ввод, оперативные обращения к памяти, арифметические преобразования, преобразование кодов и вывод) в каждом цикле работы фильтра выполняются под управлением рабочей программы фильтра. Каждый рабочий цикл программы также заканчивается остановом – ожиданием очередного прерывания.

Рис. 3 Общий алгоритм функционирования фильтра

4. Обоснование построения аппаратной части фильтра

В состав аппаратной части фильтра входят микроконтроллер (МК), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), периферийные устройства. Периферийные устройства предназначены для приёма и выдачи данных в параллельном и последовательном коде, приёма и выдачи событий, ввода и вывода аналоговых сигналов, контроля правильности работы микроконтроллера и обслуживания запросов прерывания. По техническому заданию цифровой фильтр необходимо построить на наборе БИС КР1830BE31, КР1821РФ55, КР1821РУ55, АЦП AD792AN-3 и ЦАП AD9708.

МК КР1830BE31

У микросхемы КР1830BE31 отсутствует встроенная память программ (ПЗУ), поэтому для решения задач, поставленных в задании необходимо использование внешней. Микроконтроллер выполнен по комплементарной технологии (КМОП) и выпускается в корпусе, имеющем 40 внешних выводов. Предназначен для использования в системах локальной обработки информации и для автоматизации управления высокопроизводительными устройствами различного назначения в качестве микроконтроллера, имеющего ограниченный ресурс питания. Микроконтроллер имеет технические характеристики и встроенные внутренние узлы, необходимые для построения автономной МП-системы. Используем таймер-счетчик для формирования импульса пуска периферийного устройства с частотой дискретизации Fд.

КР1821РФ55 (Intel 8755): ПЗУ с портами ввода-вывода

В состав БИС РФ55 входит ПЗУ емкостью 2К х 8 бит и два 8-разрядных порта ввода – вывода. Каждая линия обоих портов может программироваться индивидуально и определяться как входная или выходная. Порты могут работать только в режиме простого обмена без каких-либо сопровождающих сигналов, причем выводимый байт запоминается в буферном регистре порта, а вводимый – не запоминается. Для создания данного фильтра будем использовать порт РА для вывода данных на ЦАП (вывод отсчета ).

КР1821РУ55 (Intel 8155/ 8156): ОЗУ с портами ввода-вывода

В состав БИС РУ55 входит ОЗУ емкостью 256 х 8 бит, два 8-разрядных порта ввода – вывода и один 6-разрядный порт ввода – вывода. Все линии обоих портов программируются вместе и определяются как входные или выходные. Порты могут работать в режиме простого обмена без каких-либо сопровождающих сигналов или в режиме обмена с квитированием. Для создания данного фильтра будем использовать порт РА для ввода данных с внешнего устройства (ввод входного отсчета ) в режиме простого ввода без квитирования.

AD7892AN-3: АЦП с устройством выборки хранения, генератором тактовых импульсов и многофункциональным интерфейсом

Микросхема AD7892AN-3 представляет собой 12-разрядный АЦП, работающий от одного источника питания +5 В и реализующий алгоритм последовательных приближений с временем преобразования . На кристалле расположены так же устройство выборки-хранения (УВХ), источник опорного напряжения +2,5 В (ИОН) и многофункциональный цифровой интерфейс. УВХ имеет время хранения, позволяющее правильно формировать цифровые коды с точностью 12 разрядов для входной синусоиды с максимальной амплитудой и частотой до 300 кГц. Согласно ТЗ диапазон входного напряжения должен быть (-2,5…+2,5)В, поэтому выбрана модификация AD7892AN-3. Так же по ТЗ указана разрядность данных n = 8, поэтому будут использоваться не все выводы данного 12-разрядного АЦП, а только 8 выводов старших разрядов.

AD9708: ЦАП с источником опорного напряжения и дифференциальным токовым выходом

Микросхема AD9708 представляет собой 8-разрядный ЦАП, работающий от одного источника питания с напряжением от +2,7 В до +5,5 В. Построен по схеме на транзисторных источниках тока, весовые токи формируются с помощью матрицы R-2R. Опорный источник напряжения может выбираться либо внутренний – с напряжением +1,2 В, либо внешний.

На вход ЦАП подаётся параллельный 8-разрядный код – число без знака. Входной код хранится в буферном регистре ЦАП (регистр-защёлка). Максимальная частота преобразования входных кодов – 125 МГц. Имеет два токовых выхода: на основном выходе ток пропорционален числовому значению входного кода, на дополнительном (комплементарном) – числовому значению обратного входного кода. Выходной ток полной шкалы (максимальный ток, соответствующий максимальному значению входного кода) может регулироваться от 20 до 2 мА без ухудшения характеристик преобразования. Выходное сопротивление по обоим токовым выходам – более 100 кОм. Токовые выходы могут использоваться в симметричном, несимметричном включении или же как выходы по напряжению.

Потребляемая мощность при напряжении питания +5 В составляет 175 мВт в рабочем режиме или 20 мВт – в режиме пониженного энергопотребления.

Для расчёта напряжения на выходе БИС AD9708 используются следующие соотношения: ; ; ,

где – амплитуда напряжения на выходе ЦАП, – ток полной шкалы (максимальный ток) выхода, – сопротивление резистора нагрузки для выхода, – опорный ток, – опорное напряжение, – сопротивление внешнего резистора на выводе FS ADJ для задания опорного тока.