Организация ввода/вывода данных

В качестве устройств ввода в МПС часто используются различные электромеханические переключатели: кнопки, тумблеры и т.п., а в качестве устройств выводасветодиодные двоичные или знакосинтезирующие семисегментные индикаторы. В зависимости от их количества они могут подключаться к портам ввода/вывода по линейной или матричной схемам.

Линейная схема применяется для подключения небольшого количества УВВ. Типовая схема линейного подключения переключателей приведена на рис. 6.13. Для увеличения помехоустойчивости кнопки включаются так, чтобы активным уровнем управляющего сигнала, соответствующего нажатой кнопке, был уровень логического нуля. В неактивном состоянии на кнопке поддерживается пассивный единичный уровень за счет резистора R.

Рис. 6.13. Линейная схема подключения переключателей

Типовые схемы линейного подключения индикаторов приведены на рис. 6.14. Светодиоды светятся при протекании через них прямого тока. При этом возможно их зажигание нулевым (рис. 6.14,а) или единичным (рис. 6.14,б) уровнями. Резистор R₀служит для ограничения тока, протекающего через светодиод.

В качестве знакосинтезирующих индикаторов целесообразно использовать индикаторы с общим анодом с включением по рис. 6.14,в. Для зажигания некоторого сегмента необходимо подать на соответствующий вход нулевой уровень. Для ограничения напряжения на индикаторе используются кремниевые диоды в цепи общего анода или резисторы в цепи каждого сегмента.

Применение резистора в цепи общего анода недопустимо, так как при различном количестве светящихся сегментов в ней течет различный ток. Это приведет к различному падению напряжения на этом резисторе и колебанию питающего напряжения на индикаторе. В результате индицируемые знаки будут светиться с разной яркостью. Кремниевые диоды являются нелинейными элементами, и падение напряжения на них практически не зависит от протекающего тока.

Рис. 6.14. Линейные схемы подключения индикаторов:

а) двоичные индикаторы с зажиганием нулевым значением;

б) двоичные индикаторы с зажиганием единичным значением;

в) знакосинтезирующий индикатор

При использовании двоичных переключателей и индикаторов линейную схему целесообразно применять при их количестве до 16 штук, что требует для реализации интерфейса до двух портов ввода или вывода. При использовании знакосинтезирующих индикаторов каждый индикатор в линейной схеме подключается к отдельному порту, и ее рекомендуется применять при количестве индикаторов до 45 штук.

При большом количестве УВВ они включаются по матричной схеме. Типовая схема матричного подключения переключателей, используемых в качестве устройств ввода, приведена на рис. 6.15. При этом множество переключателей организуется в матричную структуру размерностью Mв узлы которой они и включаются. Строки матрицы подключаются к выходам порта вывода DD1, а столбцык входам порта ввода DD2. Как правило, подобным образом подключаются различные клавиатуры типа "набор сухих контактов".

Считывание информации о состоянии переключателей осуществляется путем сканирования клавиатуры. Для этого активируют одну из строк клавиатуры, подавая на нее нулевой уровень с выхода порта вывода DD1. Все остальные строки должны быть пассивны, что обеспечивается подачей на них единичных уровней. Далее осуществляется ввод состояния активной строки через порт ввода DD2. Если в активной строке есть включенная кнопка, то на соответствующем столбце будет нулевое значение за счет его соединения со строкой. Код нажатой кнопки формируется путем программной обработки введенной информации. Полная информация о состоянии клавиатуры считывается перебором всех ее строк. Диоды предотвращают замыкание выходов порта вывода при одновременном включении кнопок одного столбца.

Использование матричной схемы подключения переключателей позволяет с помощью двух портов ввести состояния 88 = 64 элементов вместо 28 = 16 элементов в линейной схеме.

Рис. 6.15. Матричная схема подключения переключателей (клавиатуры)

Матричное включение индикаторов, как правило, требует их работы в динамическом режиме. Типовая схема динамической индикации для знакосинтезирующих индикаторов приведена на рис. 6.16,а, в которой одноименные сегменты всех индикаторов объединяются и через усилители VT_cподключаются к выходам порта вывода DD2. Однако, в любой момент времени могут светиться сегменты лишь одного индикатора. Выбор индикаторов осуществляется путем подачи на один из них анодного напряжения питания через усилитель VT_A. Анодные усилители управляются с выходов порта вывода DD1. Для выбора индикатора в соответствующий разряд порта DD1 необходимо записать 0. При низком напряжении на базе транзисторы VT_Aоткрываются и подключают выбранный индикатор к источнику питания +5В. Для свечения некоторых сегментов этого индикатора в соответствующие разряды порта DD2 необходимо вывести 0. При низком напряжении на базе транзисторы VT_cоткрываются, и через выбранные сегменты начинает протекать ток. Для ограничения этого тока последовательно с каждым сегментом включаются резисторы R₀, защищающие индикаторы и усилители. Сопротивление R₀определяется требуемой яркостью свечения сегментов.

Рис. 6.16. Матричное подключение индикаторов:

а) схема; б)временная диаграмма обслуживания

В схеме динамической индикации полный цикл обслуживания индикаторов занимает время, равное kT_исекунд, где kколичество индикаторов, T_ивремя включения одного индикатора. Следовательно, импульсы тока включения каждого индикатора имеют скважность, равную k (рис. 6.16,б). Очевидно, что при динамической индикации отображение информации фактически имеет мерцающий характер. Однако известно, что вследствие инерционности зрения при частоте мерцаний f>=24 Гц изображение кажется непрерывным. Исходя из этого, условие для выбора интервала индикации T_иимеет вид f=1/(kT_и)>=24. Отсюда, при известном k можно получить значение для T_и<=1/(24k).

С энергетической точки зрения одинаковая яркость свечения сегментов при динамической и статической индикации обеспечивается при равенстве динамической W_дини статической W_стэнергий, выделяемых током в светящемся элементе в пределах цикла обслуживания индикаторов (см. рис. 6.16,б). Учитывая, что для электрического тока W=PT, а P=I²R, получим соотношение для расчета амплитуды импульсного прямого тока I_пр.имппитания сегментов. Действительно, из условия W_дин=W_стможно получить

W_дин = I²_пр.импRT_и, W_ст = I²_пр.стRkT_и, I²_пр.импRT_и = I²_пр.стRkT_и,

I_пр.имп = I_пр.ст.

Отсюда следует, что для сохранения яркости свечения ток импульсного питания сегмента должен быть увеличен в раз по сравнению с током статического питания. При этом анодный ток может быть еще в 8 раз больше, так как одновременно могут светиться все сегменты индикатора. Очевидно, что при типовом токе I_пр.ст=10 mA токи питания индикатора в динамическом режиме могут быть весьма велики. Это определяет необходимость использования транзисторов в качестве усилителей, так как требуемый ток превышает нагрузочную способность ИМС.

Очевидно, что с увеличением k увеличивается и требуемая амплитуда тока импульсного питания I_пр.имп, который для индикатора имеет ограниченное значение I_{пр.имп.max}. Для обеспечения надежности должно выполняться условие I_пр.имп< I_{пр.имп.max}или I_пр.ст< I_{пр.имп.max}. Это условие определяет максимальное количество индикаторов k_max< (I_{пр.имп.max}/I_пр.ст)², которое может использоваться в одной схеме динамической индикации.