Міністерство освіти і науки України

Національний університет «Львівська політехніка»

ПРОЕКТУВАННЯ ВБУДОВАНИХ КОМП’ЮТЕРНИХ СИСТЕМ

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до циклу лабораторних робіт для студентів спеціальностей 7.091503 «Спеціалізовані комп’ютерні системи»

Затверджено на

засіданні кафедри

спеціалізованих

комп’ютерних систем

Протокол № _8_ від

«23» лютого 2015

Львів 2015

Проектування вбудованих комп’ютерних систем: Методичні вказівки до циклу лабораторних робіт для студентів спеціальностей 7.091503 «Спеціалізовані комп’ютерні системи» / Укл.: Р.В. Кочан, Г.І. Клим. – Львів: Видавництво Національного університету «Львівська політехніка», 2015. – 30 с.

Укладачі Кочан Р.В., канд. техн. наук, доц.

Клим Г.І., канд. фіз.-мат. наук, доц.

Рецензент Попович Р.Б., канд. техн. наук, доц.

Благітко Б.Я., канд. техн. наук, доц.

Відповідальний за випуск Дунець Р.Б., д-р техн. наук, проф.

ВСТУП

Даний цикл лабораторних робіт укладений відповідно до навчальної програми з дисципліни «Проектування вбудованих комп’ютерних систем» та містить чотири лабораторні роботи.

Цикл лабораторних робіт побудовано на сумісному застосуванні системи автоматизованого проектування Proteus та середовища розробки програмного забезпечення Keil uVision. Proteus забезпечує розроблення та емуляцію роботи апаратного забезпечення розроблених мікропроцесорних пристроїв, а Keil uVision - розроблення і відлагодження їхньої програми роботи з використанням мов програмування як високого, так і низького рівнів.

Виконання лабораторних робіт передбачає:

• створення і перевірку функціонування вузлів електричної схеми;

• розроблення алгоритму роботи процесора;

• написання та відлагодження програми роботи процесора;

• відлагодження і перевірку функціонування мікропроцесорних пристроїв.

Лабораторні роботи орієнтовані на наявну на кафедрі СКС обчислювальну техніку. Методичні вказівки допоможуть студентам ефективно використати відведений час на виконання лабораторних робіт, вчасно виконати та захистити звіти.

Лабораторна робота № 1

Тема: Формування аналогового сигналу з заданими параметрами з допомогою широтно-імпульсного модулятора.

Мета: Ознайомлення з роботою широтно-імпульсного модулятора.

Короткі теоретичні відомості

Широтно-імпульсна модуляція (ШІМ, англ. Pulse-width modulation (PWM)) — наближення бажаного сигналу (багаторівневого або неперервного) до дійсних бінарних сигналів, таким чином, щоби, в середньому, за деякий відрізок часу, їхні значення булли рівними. Формально, це можна записати наступним чином:

,

де x(t) - бажаний вхідний сигнал на проміжку часу від t1 до t2, а ∆Ti - тривалість i -го ШІМ імпульсу, кожного з амплітудою A. ∆Ti підбирається таким чином, щоби сумарні площі (енергії) обох величин були приблизно рівні за досить тривалий проміжок часу.

Керованими "рівнями", як правило, є параметри живлення силової установки, наприклад, напруга імпульсних перетворювачів /регуляторів постійної напруги/або швидкість електродвигуна. Для імпульсних джерел x(t) = Uconst стабілізації.

ШІП — широтно-імпульсний перетворювач, що генерує ШІМ-сигнал за заданим значенням керуючої напруги. Основною перевагою ШІМ — високий коефіцієнт корисної дії його підсилювачів потужності, який досягається за рахунок їх роботи винятково в ключовому режимі. Це значно зменшує потужність, яка виділяється на силовому керуючому елементі (як правило транзисторі).

При широтно-імпульсній модуляції як несуча частота використається періодична послідовність прямокутних імпульсів, а інформаційним параметром, пов'язаним з дискретним модулюючим сигналом, є тривалість цих імпульсів. Періодична послідовність прямокутних імпульсів однакової тривалості має постійну складову, обернено пропорційну шпарності імпульсів, або прямо пропорційну їхній тривалості. Пропустивши імпульси через фільтр низьких частот з частотою зрізу меншою, ніж частота вихідних імпульсів ШІП, цю постійну складову можна легко виділити, одержавши постійну напругу. Якщо тривалість імпульсів буде різною, ФНЧ виділить напругу, яка плавно змінюється, і яка відслідковує закон зміни тривалості імпульсів. Таким чином, за допомогою ШІМ можна створити нескладний цифро-аналоговий перетворювач, вихідна величина якого задається тривалістю імпульсів, а ФНЧ перетворить імпульсну послідовність у неперервний вихідний сигнал.

ШІМ використають транзистори, які працюють в ключовому режимі, тобто коло струму, яке проходить через транзистор увесь час або розімкнуте (транзистор працює в закритому режимі), або замкнуте (транзистор - в стані насичення). У першому випадку транзистор має нескінченний опір, тому струм в колі не тече, а отже і потужність, яка виділяється на цьому транзисторі рівна нулю.

В другому випадку опір транзистора є мінімальним, це призводить, до того, що і спад напруги на ньому є близьким до нуля, отже потужність, яка виділяється теж мала.

Вихідним сигналом ШІМ є імпульсний сигнал постійної частоти й змінної шпарності, тобто відношення тривалості імпульсу до його періоду. За допомогою задання шпарності (тривалості імпульсів) можна міняти середню напругу на виході ШІМ.

У цифровій техніці, виходи якої можуть приймати тільки одне із двох значень. Схема реалізації ШІМ містить генератор опорного сигналу на базі N-бітного лічильника. Цифрові ШІП працюють на фіксованій частоті, яка зазвичай значно перевищує реакцію керованих установок (передискретизація). У періоди між фронтами тактових імпульсів, вихід ШИП залишається стабільним, на ньому діє або низький рівень або високий, залежно від виходу цифрового компаратора, що порівнює значення лічильника з рівнем очікуваної вихідної напруги V(n).

Безперервний аналоговий сигнал може відновлюватися усередненням імпульсів ШІМ на протязі багатьох періодів за допомогою фільтра низьких частот. Хоча зазвичай навіть цього не потрібно, оскільки об'єкти керування – мають інерцією, тому імпульси з виходу ШІП згладжуються, і при достатній частоті ШІМ - сигналу, поводиться як при керуванні звичайним аналоговим сигналом.