5 Разработка модуля аналогового ввода / вывода

5.1 Анализ технических характеристик сигналов

В таблице 5.1 указаны технические характеристики входных сигналов.

Таблица 5.1- Характеристики входных сигналов

	Характеристики аналоговых входов	AI2
1.	Входной диапазон	0,625 В
2.	Частота сканирования	30 кГц
3.	Разрядность АЦП	12
4.	Напряжение изоляции	500 В
5	Режим обмена	ПР
6.	Количество входов	3

Входной сигнал имеет дифференциальный вид достаточно низкого напряжения: этот факт может потребовать дополнительного усиления сигнала. Частота сканирования сигнала невысока, т.е. цикл преобразования может составить 1/30МГц=33,3мкс, но каналов 3, т.е. на каждый канал по 11,1мкс. При использовании АЦП советского производства, время преобразования которых составляет примерно 10-30 мкс, возможно потребовался бы дополнительный буфер ОЗУ довольно большого размера для обеспечения заданного темпа работы, что повлекло бы за собой дополнительные аппаратные расходы на схему управления и повысило бы энергопотребление. Время преобразования АЦП импортного производства позволяет обойтись без буферного ОЗУ и, соответственно, значительно упростить схему. Требуемая разрядность АЦП заставляет решать вопрос о режиме передачи данных: 16 бит или 8 бит. Использование 16-битной передачи увеличит скорость пересылки данных, но также увеличит аппаратные расходы. Так как за одно обращение к модулю производится пересылка только одного значения, то использование 16-разрядной передачи незначительно увеличит скорость, но зато увеличит стоимость модуля. При использовании 8-разрядного режима необходимо будет только обеспечить буферный регистр для 4 разрядов результата. Требование к напряжению изоляции заставляет использовать гальваническую развязку для каждого входа.

5.2 Анализ режима обмена с модулем

Требуемый режим обмена - обмен по прерыванию. Особенность данного режима заключается в том, что для передачи данных центральному процессору модуль ввода/вывода, посылает запрос прерывания контроллеру прерывания, который обрабатывает его и информирует процессор о поступлении прерывания, после чего процессор завершает цикл выполнения текущей команды, запоминает регистре в стеке и загружает программу - обработчик прерывания, адрес которой расположен в таблице адресов обработчиков прерываний. Данная программа осуществляет обычный программный обмен с модулем вводы/вывода, который подробно описан в п.3.2.

Для генерации прерывания необходимо разработать схему формирования запроса прерывания и подключить ее к свободному входу контроллера прерывания. IBM PC AT имеет 16 линий аппаратных прерываний, но использовать для нужд внешних плат можно только некоторые. Выберем IRQ5 для использования с модулем ввода аналоговых сигналов.

5.3 Разработка структурной схемы

Выделяют следующие основные структурные компоненты модуля ввода аналогового сигнала: схема нормировки сигнала - приводит сигнал к необходимому виду и обеспечивает защиту по входу, фильтр низкой частоты - для отсеивания высокочастотных помех, устройство выборки - хранения - необходимо для фиксации уровня сигнала перед преобразованием, аналого-цифровой преобразователь - преобразование в бинарный код. При разработке структуры модуля необходимо решить вопрос первичности скорости работы устройства и его стоимости. Если необходима высокая скорость преобразования, то вышеперечисленными компонентами оснащают каждый канал аналогового сигнала, но это сильно повышает стоимость устройства. Если требования к скорости не критичны, то данные компоненты используют в единичном экземпляре, а аналоговые входы коммутируют с помощью мультиплексоров. Для требуемого задания выберем второй вариант: первоначальная структурная схема показана на рисунке 5.1., где СН - схема нормировки, АМ - аналоговый мультиплексор, УУ - устройство управления, ФНЧ - фильтр низкой частоты, УВХ - устройство выборки-хранения, АЦП - аналого-цифровой преобразователь.

Рисунок 5.1- Структурная схема модуля

Детальная структурная схему представлена на рис. 5.2. При ее разработке учтены параметры конкретного технического задания. Т.к. входной сигнал дифференциальный, то по каждому входу необходимо обеспечить защиту от перенапряжения, которую можно выполнить с помощью диодов (ДЗ). Для гальванической развязки используем диодные оптопары (ГР). Т.к. амплитуда входного сигнала достаточно мала, будет невозможно подобрать АЦП на заданное входное напряжение, поэтому сигнал требует усиления, для чего в состав устройства включен усилитель (У). Назначение аналогового мультиплексора (АМ), аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и устройства выборки-хранения (УВХ) рассмотрено выше. Т.к. разрядность АЦП равна 12, то для снятия данных в 8-битном режиме необходимо будет организовать 2 регистра 8 и 4 бита (RG), обращение к которым будет вестись по разным адресам УВВ. Регистр управления (RG упр) необходим для формирования адресов каналов аналогового мультиплексора и управлением генератором. Общий алгоритм работы схемы выглядит следующим образом: при обращении программным путем к регистру управления включается генератор и выбирается канал. Генератор формирует импульсы частотой 30 кГц, по переднему фронту сигнала генератора фиксируется значение аналоговой величины в УВХ и запускается преобразование. После преобразования АЦП формирует сигнал «конец преобразования», который поступает на схему формирования запроса прерывания (СФЗ), которая формирует сигнал IRQ на шине PC-104, контроллер прерываний, входящий в состав МПС, обрабатывает пришедший сигнал и запускает программу-обработчик прерывания, которая в свою очередь, по разным адресам УВВ считывает старшую и младшую часть результата преобразования, после чего меняет номер канала в регистре управления и завершает работу. Весь цикл обработки должен завершится быстрее, чем за 1/30кГц = 33,3 мкс, т.к. через это время поступит новый сигнал преобразования от генератора.

Рисунок 5.2- Детальная структура модуля