2.2 Классификация вторичной аппаратуры

Для выбора системы рассмотрим классификацию вторичной аппаратуры, которая представлена на рисунке 2. Классификацию приведем только для систем с сигналами электрической природы. Вторичная аппаратура выдает выходной сигнал в виде визуального отображения или звукового сопровождения.

На классификации расписана аппаратура, выполняющая обработку над сигналами электрической природы дискретной или аналоговой формы. Данная аппаратура делится на аналоговую, цифровую и комбинированную.

Аналоговая аппаратура работает только с сигналами непрерывной формы, производя над ними различные операции (усиление, преобразование тока в напряжение и наоборот) и выдает окончательный результат преобразования в понятном для оператора в виде (визуальное отображение: светящиеся символы, шкалы, экраны; звуковое сопровождение: динамики и различные звуковые излучатели).

Цифровая аппаратура работает с дискретными электрическими сигналами (последовательные и параллельные кода), выполняет по необходимости над ними арифметико-логические операции и выдает окончательный результат аналогично аналоговой аппаратуре. Арифметико-логические операции выполняют различные арифметические и логические элементы (элементарная логика, регистры, дешифраторы, счетчики, сумматоры, сравнивающие устройства, микропроцессоры, микроЭВМ и т.д.).

Комбинированная предназначена для преобразования электрических сигналов непрерывной формы в сигналы дискретной формы (аналого-цифровой преобразователь) и наоборот (цифро-аналоговый преобразователь). Выдача окончательного результата преобразования может отображаться визуально или подаваться на другой тип аппаратуры: аналоговую или цифровую. Таким образом комбинированная аппаратура является связующим звеном между аналоговой и цифровой аппаратуры.

Также любой выше перечисленный тип аппаратуры может не содержать на своих выходах элементы визуального или звукового сопровождения, а подключаться к другому типу вторичной аппаратуры.

2.3 Выбор вторичного преобразователя

С учетом технического задания и постановки задачи определим какой тип аппаратуры будем использовать. Для начала перечислим требования, по которым будем производить выбор технического решения разрабатываемого устройства. Устройство должно выполнять следующие операции:

1. усиливать исследуемые напряжения до определенного уровня в зависимости от требований аппаратуры;

2. преобразовывать аналоговый сигнал в цифровой, т.к. необходимо выполнить над данными сигналами арифметические операции, а это возможно выполнить только с помощью цифровой техники;

3. выполнять над данными арифметико-логические операции и операции над организацией обмена данными;

4. выдавать окончательный результат вычислений в цифробуквенном виде на цифровое табло с необходимым числом индицируемых знаков;

5. иметь возможность ввода величины константы оператором, необходимой для корректировки результата и выбора измеряемой диэлектрической жидкости.

С учетом вышеперечисленных требований и используя классификацию вторичной аппаратуры (рисунок 2) выбираем устройство, содержащее и аналоговую, и цифровую, и комбинированную аппаратуру.

Аналоговая аппаратура будет содержать в себе операционный усилитель, необходимый для усиления входных измеряемых напряжений до уровней, которые сможет распознать комбинированная аппаратура: аналого-цифровой преобразователь (АЦП). АЦП преобразует сигнал аналоговой формы в сигнал цифровой формы (параллельный код), с которыми уже конкретно работает цифровая аппаратура.

Т.к. необходимо выполнить арифметико-логические операции выбираем цифровую аппаратуру с использованием микропроцессорного элемента, который будет организовывать работу всего устройства. Режим работы микропроцессорного элемента будет определяться управляющей программой, находящейся в постоянном запоминающем устройстве.

Итоговый результат будет выводиться на цифровое табло с определенной разрядностью.

В дальнейшем разрабатываемый прибор будет называться: «Микропроцессорный блок обработки информации ЭГПП».

2.4 Описание структурной схемы устройства

Структурная схема разрабатываемого устройства приведена на чертеже УИТС.411711.023 Э1. Устройство содержит три устройства: модуль микропроцессора, модуль аналого-цифрового преобразования и модуль индикации. Каждый модуль выполняет свою определенную задачу. Рассмотрим принцип действия каждого конкретного модуля.

2.3.1 Модуль микропроцессора. Модуль микропроцессора (ММП) выполняет все необходимые операции для обработки данных и организации обмена данными между всеми модулями устройства.

Модуль микропроцессора содержит следующие элементы: микропроцессор (МП), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), генератор тактовых импульсов, делитель тактовых импульсов, блок начальной установки МП, схема управления периферийными устройствами и схема останова микропроцессора.

МП выполняет следующие функции: по заданной управляющей программе, записанной в ПЗУ, считывает поочередно два двоичных 8-битовых кода с блока аналого-цифрового преобразования, соответствующие первому и второму аналоговым сигналам, после обрабатывает их и выполняет над ними арифметические и логические операции, преобразует окончательный двоичный код в двоично-десятичный код и выводит его на цифровое табло в блок индикации.

В ПЗУ хранятся кода команд и констант управляющей программы. Для возможности перепрограммирования ПЗУ, оно должно иметь возможность многократного программирования и долговременного хранения данных. Так как разрабатываемое устройство может применяться в различных экспериментальных системах, объем памяти ПЗУ должен быть максимально возможным, для того, чтобы можно было занести необходимый объем данных управляющей программы для данной экспериментальной системе.

ОЗУ необходимо для хранения промежуточных команд и констант, которые образуются при работе МП. Также в ОЗУ можно хранить двоичные кода, считываемые с блока аналого-цифрового преобразования, для того, чтобы МП делал выборку необходимого кода.

Генератор тактовых импульсов вырабатывает тактовые импульсы с определенной частотой, которые управляют работой МП устройства. Данные импульсы поступают также на делитель тактовых импульсов, которые делятся на необходимые импульсы с более меньшими частотами для организации работы аналого-цифровых преобразователей и динамической работы блока индикации.

Блок начальной установки предназначен для перезапуска МП, если произошел сбой в его работе. При запуске данного блока происходит обнуление всех ячеек памяти и регистров МП, все его адресные шины и шины данных переходят в начальные нулевые положения и МП готов к считыванию данных из ПЗУ, которые организуют начало работы МП.

Система управления периферийными устройствами предназначена для того, чтобы МП мог различать и обращаться к запоминающем устройствам и устройствам ввода-вывода при обмене с ними данными. Устройствами ввода-вывода в разрабатываемом устройстве являются блоки аналого-цифрового преобразования, блок константы и блок индикации.

Схема останова микропроцессора предназначена для остановки микропроцессора во время считывания им двоичных кодов с блока аналого-цифрового преобразования, для того чтобы микропроцессор не считал пустые кода в момент преобразования аналогового напряжения аналого-цифровым преобразователем. Данная схема останавливает работу микропроцессора, при этом сохраняются все рабочие состояния микропроцессора, до тех пор пока не придет разрешающий сигнал от соответствующего аналого-цифрового преобразователя, который запустит микропроцессор. Данная схема позволяет согласовать работу более быстрых устройств, таких как микропроцессор, с более медленными, таких как аналого-цифровые преобразователи.

2.3.2 Модуль аналого-цифрового преобразования. Модуль аналого-цифрового преобразования (МАЦП) состоит из двух аналогичных каналов для двух входных сигналов и схему ввода переменной константы, которая передает в общую шину, по запросу МП, двоичный код требуемой константы. Рассмотрим работу блока на примере одного из каналов.

Каждый канал содержит последовательно соединенные элементы: усилитель напряжения, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и буферный усилитель.

С помощью усилителя напряжения можно увеличить уровень напряжения входного сигнала до определенного уровня, который достигается подбором элементов в обратной связи. Усиленный сигнал подается на аналого-цифровой преобразователь, преобразующий его в цифровой двоичный 8-битовый код. Полученный код по 8-разрядной шине подается на входы буферного усилителя, который выдает данный код при разрешающем сигнале от МП устройства в общую шину данных, чтобы мог считать МП в процессе работы. Аналогично работает второй канал, но считывание полученного кода происходит при другом разрешающем сигнале от МП устройства.