43584 (Аппаратно-программные средства ввода/вывода аналоговой информации в системах реального времени)

Московский институт

инженеров железнодорожного транспорта

--------------------------------------------------------------

Кафедра: Автоматизированные системы управления

АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА ВВОДА-ВЫВОДА

АНАЛОГОВОЙ ИНФОРМАЦИИ В СИСТЕМАХ РЕАЛЬНОГО

РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

Методические указания "Аппаратно-программные средства

систем сбора данных и управления"

М О С К В А 1 9 9 2 г.

.

СОДЕРЖАНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ...........................................

2. ХАРАКТЕРИСТИКА КОНТРОЛЛЕРА ВВОДА-ВЫВОДА АНАЛОГОВОЙ

ИНФОРМАЦИИ.........................................

2.1. Назначение и устройство контроллера...........

2.2. Организация управления работой АЦП и ЦАП......

3. СРЕДСТВА ПРОГРАММИРОВАНИЯ ВВОДА-ВЫВОДА АНАЛОГОВОЙ

ИНФОРМАЦИИ.........................................

4. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ В ПЭВМ..................

4.1. Назначение и функции таймера ПЭВМ.............

4.2. Программные средства для измерения времени....

5. Контрольные вопросы...........................

6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................

.

1.ВВЕДЕНИЕ

При решении задач автоматизации контроля и управления техни-

ческими системами как правило возникает необходимость сбора и об-

работки информации,представленной в виде аналоговых электрических

сигналов.Источником информации при этом служат первичные преобра-

зователи (датчики) ,преобразующие физические параметры системы в

электрический сигнал.При этом часто требуется,чтобы и управляющее

воздействие было представленно в аналоговой форме.

Решение такого рода задач основано на использовании аналого-

цифровых (АЦП) и цифро-аналоговых (ЦАП) преобразователей. Требо-

вания,предъявленные к выбору средств аналогового ввода-выво-

да,обусловлены,с одной стороны,характеристиками объекта контро-

ля(количество и частотный спектр измеряемых параметров),а с дру-

гой стороны - необходимостью обеспечить совместимость (информаци-

онную,электрическую,конструктивную), с управляющей ЭВМ.

В настоящее время применяют два варианта подключения аналого-

вых устройств к ЭВМ.

-непосредственно к системной магистрали ЭВМ;

-с использованием промежуточного контроллера с выходом на

стандартный интерфейс (типа КАМАК,МЭК и т.п.)

В данной работе используются встроенный контроллер ввода-выво-

да аналоговой информации pro411B в составе IBM-совместимой ПЭВМ

"МАЗОВИЯ".

2. ХАРАКТЕРИСТИКА КОНТРОЛЛЕРА ВВОДА-ВЫВОДА АНАЛОГОВОЙ

ИНФОРМАЦИИ pro411B.

2.1.Назначение и устройство контроллера.

Контроллер pro411B реализован в виде платы для компьютеров

класса IBM PC XT/AT и предназначен для ввода-вывода аналоговых

сигналов с использованием АЦП и ЦАП.Плата контроллера размещается

внутри системного блока ПЭВМ, занимая один из свободных разьёмов

расширения, предназначенных специально для установки дополнитель-

ного оборудования ПЭВМ. При этом обеспечиваются основные требова-

ния по конструктивной, электрической и информационной совмести-

мости контроллера с системной магистралью компьютера.Для подключе-

ния приёмников и источников аналоговых электрических сигналов

контроллер имеет специальный стандартизированный разъём, вынесен-

ный на заднюю панель системного блока.

Структурная схема контроллера pro411B приведена на рис.1.

.

-------¬

¦ +-----T-------------------------------------------- ШУпр

¦ЦП/ОП +-----¦---------------T---------------------------- ШАдр

¦ +-----¦---------------¦-----------------T---------- ШДан

L------- ¦ ¦ ¦

--------- ¦ ¦

¦ ¦ ¦

-----¦-----------------------¦-----------------¦--------------¬

¦----+---¬ --------------+-----------------+------------¬ ¦

¦¦ +-----+ ДшА ¦ ¦

¦¦ +-----+ ¦ ¦

¦¦ ¦ L-----T----------T----------T----------T------ ¦

¦¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦¦ ¦ ------¦----------¦----------¦----------¦-----¬ ¦

¦¦ +-----+-----+----¬-----+----¬-----+----¬-----+----¬¦ ¦

¦¦ ¦ ¦¦ P0 ¦¦ P1 ¦¦ P2 ¦¦ P3 ¦¦ ¦

¦¦ +-----+L----------L----------L----------L----------¦ ¦

¦¦ ¦ L--------T-T-------------T---------------T---- ¦

¦¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦¦ +--------T-----¦-¦------T------¦-------¬ ¦ ¦

¦¦ БУ +--------+-T---¦-¦------+-T----¦-------+-¬ ¦ ¦

¦¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦¦ ¦ ---+-+---+-+--¬---+-+----+---¬---+-+-----+--¬ ¦

¦¦ ¦ ¦ ¦¦ ¦¦ ¦ ¦

¦¦ ¦ ¦ АЦП ¦¦ ЦАП ¦¦ Таймер ¦ ¦

¦¦ ¦ ¦ ¦¦ ¦¦ ¦ ¦

¦¦ ¦ L------T-------L------T-------L-------------- ¦

¦¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦¦ ¦ -------+------¬ ¦ ¦

¦¦ +-----+ Коммутатор ¦ ¦ ¦

¦¦ +-----+ каналов ¦ ¦ pro411B ¦

¦L-------- LT-T-T-------T- ¦ ¦

L---------------¦-¦-¦-------¦--------¦-------------------------

¦ ¦ ¦ ¦ ¦

0 1 2 15 Вых

Рис. 1. Структурная схема контроллера pro411B

.

Блок управления(БУ) предназначен для организации взаимодействия

контроллера с системной магисталью ПЭВМ и обеспечивает согласо-

ванную работу всех его элементов. Системная магистраль подключена

непосредственно к центральному процессору(ЦП) и оперативной памя-

ти (ОП) компьютера и состоит из трёх групп линий параллельной пе-

редачи:управления, адреса и данных. Связь с контроллером pro411B

осуществляется в асинхронном режиме и всегда только по инициативе

ЦП.

Особую роль для организации обмена данными с процессором игра-

ют специальные регистры контроллера, называемые портами ввода-вы-

вода. Каждый порт ввода-вывода имеет уникальный адрес. Процессор

располагает специальными средствами, позволяющими по известному

адресу(ПЭВМ обеспечивает возможность адресовать до 65535 портов),

обращаться к любому порту ввода-вывода для чтения или записи дан-

ных. Контроллер pro411B имеет 4 однобайтных порта P0-P3 с адреса-

ми 300H-303H. Адреса соответствующих портов pro411B могут быть

изменены при помощи специальных переключателей, расположенных на

плате.

Таким образом, чтобы передать или получить информацию от уст-

ройства, прцессор в соответствующих линиях магистрали формирует

управляющий сигнал(чтение или запись), устанавливает адрес требу-

емоего порта и(в случае записи) посылает данные. Дешифратор ад-

реса порта(ДшА) контроллера определяет, с каким из портов затре-

бована связь, а блок управления реализует операцию чтения данных

из магистрали в порт или выдаёт данные из порта в магистраль.

С портами ввода-вывода связаны функциональные блоки контролле-

ра: АЦП,ЦАП,таймер и коммутатор каналов. Коммутатор каналов

обеспечивает возможность подключения к АЦП нескольких источников

аналоговых сигналов. Таймер предназначен для настройки АЦП на тре-

буемую частоту опроса, поддерживая режим автоматического запуска

через заданный прмежуток времени( от 18мкс до 65мс).

Блок АЦП контроллера pro411B обеспечивает преобразование нап-

ряжение-код методом последовательной аппроксимации и характеризу-

ется следующими параметрами:

- разрядность кода:12 бит;

- диапазон входного напряжения: -10..+10 В;

- время преобразования: 15 мкс;

- число коммутируемых каналов: 16.

Блок АЦП реализует режим работы с автоматическим переключением

каналов, а также предоставляет возможность призводить как внеш-

ний (программный), так и внутренний (автоматический) запуск через

заданный интервал времени.

Блок ЦАП контроллера имеет следующие характеристики:

- разрядность кода: 12 бит;

- диапазон выходного напряжения: -10..+10 В;

- время стабилизации выходного напряжения: 500 нс;

- скорость нарастания выходного напряжения: 0.5 В/мкс;

- количество выходов: 1.

.

2.2 Организация управления работой АЦП и ЦАП

Как отмечалось выше, связь ЦП ЭВМ с контроллером pro411B

организуется путём обмена данными с портами ввода-вывода, име-

ющими адреса 300H-303H.При этом ЦП является активной стороной

и имеет возможность в произвольные моменты времени выполнять

операции чтения данных из любого порта или записи данных в

порт. Каждый из портов предназначен для обмена информацией

строго определённого назначения и формата. Более того, один и

тот же порт может использоваться для данных различного типа в

зависимости от того, какая операция (чтение или запись) выпол-

няется.В таблице 1 дано описание функций, реализуемых путём

записи или чтения портов ввода-вывода контроллера pro411B.

Таблица 1

Назначение портов ввода-вывода контроллера pro411B

------T--------T-----------------------T-------------------------¬

¦АДРЕС¦ОПЕРАЦИЯ¦ ФОРМАТ ¦ НАЗНАЧЕНИЕ ¦

¦ПОРТА¦ +--T--T--T--T--T--T--T--+ ¦

¦ ¦ ¦ 7¦ 6¦ 5¦ 4¦ 3¦ 2¦ 1¦ 0¦ ¦

+-----+--------+--+--+--+--+--+--+--+--+-------------------------+

¦ ¦ запись ¦b7¦b6¦b5¦b4¦b3¦b2¦b1¦b0¦Младшие 8 бит кода ЦАП ¦

¦300H +--------+--+--+--+--+--+--+--+--+-------------------------+

¦ ¦ чтение ¦a7¦a6¦a5¦a4¦a3¦a2¦a1¦a0¦Младшие 8 бит кода АЦП ¦

+-----+--------+--+--+--+--+--+--+--+--+-------------------------+

¦ ¦ запись ¦c3¦c2¦c1¦c0¦b ¦b ¦b9¦b8¦Старшие 4 бита кода ЦАП ¦

¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦и номер канала АЦП ¦

¦301H +--------+--+--+--+--+--+--+--+--+-------------------------+

¦ ¦ чтение ¦c3¦c2¦c1¦c0¦a ¦a ¦a9¦a8¦Старшие 4 бита кода АЦП ¦

¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦и номер канала АЦП ¦

+-----+--------+--+--+--+--+--+--+--+--+-------------------------+

¦ ¦ запись ¦ X¦ X¦ Z¦ D¦t3¦t2¦t1¦t0¦Установка режимов АЦП ¦

¦302H +--------+--+--+--+--+--+--+--+--+-------------------------+

¦ ¦ чтение ¦ X¦ X¦ X¦ X¦ X¦ E¦ R¦ X¦Признаки формирования ¦

¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦кода АЦП ¦

+-----+--------+--+--+--+--+--+--+--+--+-------------------------+

¦303H ¦ запись ¦произвольное значение ¦Запуск АЦП на измерения ¦

L-----+--------+--+--+--+--+--+--+--+--+--------------------------

В таблице испоьзованы следующие обозначения:

а11...а0 - биты кода измеренного напряжения на входе АЦП

(0-4095);

b11...b0 - биты кода устанавливаемого напряжения на выходе

ЦАП (0-4095);

с3...с0 - номер канала АЦП (0-15);

t3...t0 - номер эадаваемой временной задержки между запус-

ками АЦП в автоматическом режиме(0-15);

D - бит установки режима автоматического запуска АЦП (D=1);

Z - бит установки режима автоматического декрементирования

номера канала АЦП (Z=1);

R - бит признака готовности кода АЦП к считыванию (R=1 -

преобразование закончено, данные готовы к считыванию);

E - бит признака ошибки набегания (E=1 -сформирован новый

код АЦП при невостребованном старом);

X - неиспользуемые разряды (устанавливаются в 0).

.

3. СРЕДСТВА ПРОГРАММИРОВАНИЯ ВВОДА-ВЫВОДА АНАЛОГОВОЙ

ИНФОРМАЦИИ

Программное управление работой контроллера аналогового уст-

ройства осуществляется с использованием операций чтения/записи

применительно к портам ввода-вывода.

На языке ТурбоПаскаль для обращения к портам применяется спе-

циальная языковая конструкция Port[:word],обладающая

всеми свойствами массива значений типа byte,индексируемого по ад-

ресу порта в пределах 0..65535 (в десятичной системе) или

O..FFFF (в шестнадцатиричной). Ниже приведён пример использования

конструкции Port:

var x,y:byte;

var a:word;

begin

a:=$300;

x:=Port[a]; {чтение из порта с адресом a}

y:=1;

Port[$303]:=y {запись в порт с адресом 303H}

Port[$302]:=32+16 {

end;

4. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ В ПЭВМ

4.1.Назначение и функции таймера ПЭВМ

Для контроля текущего времени и измерения временных интервалов

ПЭВМ имеет специальное устройство, называемое таймером[4]. Таймер

состоит из трёх идентичных независимых блоков, называемых канала-

ми. Канал 0 используется непосредственно для организации подсчёта

текущего времени, а также для синхронизации дисковых операций.

Канал 1 управляет процессом регенерации оперативной памяти. Канал

2 используется для генерации звуковых сигналов.

Вход каждого канала таймера связан с генератором тактовых им-

пульсов ПЭВМ, при этом частота импульсов, подаваемых на вход тай-

мера Fвх постоянна и равна 1193180 Гц для всех типов ПЭВМ IBM. На