2 Разработка архитектуры системы

В данном разделе описывается обобщенная структура программно-доступных элементов системы на функциональном уровне, без ненужных детализаций. При разработке архитектуры устройства часто решается вопрос о программном или аппаратном решении той или иной задачи проектирования архитектуры. Так как проектируемая система не требует сложных вычислений и не обращается к устройствам со сложным интерфейсом, то вся функциональность будет решена программным путем.

2.1 Архитектура процессора

Архитектуру процессора полностью определяет тип выбранного микропроцессора, так как К1810ВМ88 является однокристальным микропроцессором.

2.2 Архитектура памяти

Проектируемая МПС содержит два типа запоминающих устройств: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, подтип статическое ОЗУ), для хранения данных, которые часто меняют свои значения и перепрограммируемое постоянное устройство (ПЗУ), для хранения программы и данных.

Поскольку не требуется строгого разделения адресного пространства между ОЗУ и ПЗУ, ввиду их малого объема, то разделение производится на две равные половины, размером 512 Кбайт с помощью старшей адресной линии А19.

Архитектура памяти приведена на рисунке 2.1. Необходимо учитывать, что ОЗУ должно располагаться по младшим адресам, а ПЗУ по старшим. Такое разграничение обусловлено тем, что ОЗУ содержит таблицу векторов прерываний, а ПЗУ точку входа в программу, которая располагается в последнем параграфе памяти (по адресу 0FFFF0h).

Рисунок 2.1 – Архитектура памяти проектируемой МПС.

2.3 Архитектура ввода/вывода

Для обмена с устройствами ввода/вывода выбрана синхронная структура интерфейса. Синхронный обмен выбран потому, что все устройства ввода/вывода проектируемой МПС всегда готовы к обмену.

Архитектура ввода представляет собой две клавиатуры(матричное включение): клавиатура цифр (0-9) для ввода номера заплыва и клавиатура букв (А-Я) для ввода фамилий спортсменов, а также кнопки управления(линейное включение). Архитектура ввода представлена на рисунках 2.2-2.4.

Рисунок 2.2 – Клавиатура букв (А-Я) для ввода фамилий спортсменов

Рисунок 2.3 – Клавиатура цифр (0-9) для ввода номера заплыва

Рисунок 2.4 – Кнопки управления

Архитектура вывода представлена на рисунках 2.5-2.6. Дисплей состоит из 66 семисегментных индикаторов и 64 матричных индикаторов, которые для уменьшения аппаратных затрат включены по схеме динамической подсветки.

Рисунок 2.5 – Подключение семисегментных индикаторов.

Рисунок 2.6 – Подключение матричных индикаторов.

3 Разработка аппаратного обеспечения устройства

В данном разделе описывается процесс разработки аппаратной части устройства. Разработка включает в себя следующие этапы:

• разработка структурной схемы – обобщенное представление структуры аппаратной части;

• разработка электрической функциональной схемы;

• разработка электрической принципиальной схемы;

• расчет дискретных элементов;

3.1 Структурная схема устройства

Структурная схема устройства представлена в приложении А.

3.2 Функциональная схема устройства

Функциональная схема устройства представлена в приложении Б.

3.3 Принципиальная схема устройства

Принципиальная схема устройства состоит из двух модулей, схемы которых представлены в приложении В.

3.4 Схема подключения модулей

Схема подключения модулей представлена в приложении Г.

3.5 Расчет дискретных элементов

На принципиальной схеме необходимо подать уровень логической единицы на пять входов: (1 вход), (2 входа), (1 вход), (1 вход). По второму закону Кирхгофа получим формулу для расчета уровня логической единицы:

(3.1)

Примем , , и подставим в формулу (3.1), получим:

(3.2)

На основе данных, полученных из формулы (3.2), выбран резистор : .

RC-цепь автоматического сброса рассчитывается по следующим формулам:

(3.3)

Примем , и подставим в формулу (3.3), получим:

, где – временная константа;

(3.4)

Из формулы (3.4) следует: . Так как конденсаторы имеют меньший диапазон значений, сначала выберем конденсатор : . Соответственно сопротивление : .

Ниже рассчитываются дискретные элементы клавиатуры.

Для контура, когда ни одна кнопка не нажата:

(3.5)

Примем , и подставим в формулу (3.5), получим:

(3.6)

Для контура, когда нажата кнопка:

(3.7)

Примем , , и подставим в формулу (3.7), получим:

(3.8)

На основе данных формул (3.6) и (3.8) выбраны резисторы … : и диоды .. : .

Так как кнопки управления и финиша спортсменов включены по схеме схожей со схемой включения кнопок клавиатуры, поэтому в соответствии с результатом формулы (3.6) резисторы … : .

Ниже рассчитываются дискретные элементы дисплея.

Транзисторы … активируют знакосинтезирующие индикаторы дисплея. Поскольку схема включения динамическая, то анодный ток рассчитывается по следующей формуле:

(3.9)

Из технических характеристик выбранных знакосинтезирующих индикаторов следует, что , всего индикаторов в дисплее , в каждом по сегментов. Подставим значения в формулу (3.9):

(3.10)

Из (3.10) следует, что для транзисторов … , поэтому выбираем , у которого .

Рассчитаем сопротивление в цепи базы … транзисторов … :

(3.11)

Примем , , , и подставим в формулу (3.11), получим:

(3.12)

Таким образом, резисторы … :

Транзисторы … , активируют отдельный сегмент на знакосинтезирующем индикаторе. При динамической индикации ток через один сегмент рассчитывается по формуле:

(3.13)

При , получим:

(3.14)

Из (3.14) следует, что для транзисторов … , поэтому выбираем с .

Резисторы , , _… , , ограничивают ток через сегмент.

По второму закону Кирхгофа:

(3.15)

Примем , и подставим в формулу (3.15), получим:

(3.16)

На основе данных (3.16) выбраны резисторы , , _… , , : .

Резисторы , , _… , , создают рабочий ток базы. По второму закону Кирхгофа:

(3.17)

и подставим в (3.17), получим:

(3.18)

На основе данных формулы (3.18) выбраны резисторы , , _… , , : С2-23-0,125-1 кОм ± 10 %

Транзисторы .. осуществляют выбор матричного индикатора.

Поскольку схема включения динамическая, то анодный ток рассчитывается по следующей формуле:

(3.19)

Из технических характеристик выбранных индикаторов следует, что , всего индикаторов в дисплее , в каждом по сегментов. Подставим значения в формулу (3.9):

(3.20)

Из (3.20) следует, что для транзисторов .. , поэтому выбираем , у которого .

Рассчитаем сопротивление в цепи базы … транзисторов .. :

(3.21)

Подставим значения и получим:

(3.22)

Таким образом, резисторы … :

Транзисторы .. осуществляют выбор столбца/сроки матричного индикатора. При динамической индикации ток через один сегмент рассчитывается по формуле:

(3.23)

При , получим:

(3.24)

Из (3.24) следует, что для транзисторов .. , поэтому выбираем , у которого .

Резисторы , , _… , , ограничивают ток через сегмент.

По второму закону Кирхгофа:

(3.25)

Примем , и подставим в формулу (3.25), получим:

(3.26)

На основе данных (3.26) выбраны резисторы , , _… , , : .

Резисторы , , _… , , создают рабочий ток базы. По второму закону Кирхгофа:

(3.27)

и подставим в (3.27), получим:

(3.28)

На основе данных формулы (3.28) выбраны резисторы , , _… , , : С2-23-0,25-100 Ом ± 10 %