Классификация современных измерительных устройств

Работа добавлена на сайт samzan.net:

1. Классификация современных измерительных устройств.

Измерительный прибор — средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне.

По способу представления информации (показывающие или регистрирующие):

-Показывающий измерительный прибор — измерительный прибор, допускающий только отсчитывание показаний значений измеряемой величины.

-Регистрирующий измерительный прибор — измерительный прибор, в котором предусмотрена регистрация показаний. Регистрация значений может осуществляться в аналоговой или цифровой формах. Различают самопишущие и печатающие регистрирующие приборы.

По методу измерений:

-Измерительный прибор прямого действия — измерительный прибор (манометр, амперметр),  в котором осуществляется одно или несколько преобразований измеряемой величины и значение её находится без сравнения с известной одноимённой величиной.

-Измерительный прибор сравнения — измерительный прибор, предназначенный для непосредственного сравнения измеряемой величины с величиной, значение которой известно.

По форме представления показаний:

-Аналоговый измерительный прибор — измерительный прибор, показания которого или выходной сигнал являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины.

-Цифровой измерительный прибор — измерительный прибор, показания которого представлены в цифровой форме.

По другим признакам:

-Суммирующий измерительный прибор — измерительный прибор, показания которого функционально связаны с суммой двух или нескольких величин, подводимых к нему по различным каналам.

-Интегрирующий измерительный прибор — измерительный прибор, в котором значение измеряемой величины определяются путём её интегрирования по другой величине.

По способу применения и конструктивному исполнению (стационарные, щитовые, панельные, переносные);

По принципу действия учётом конструкции (с подвижными частями и без подвижных частей);

По характеру шкалы и положению на ней нулевой точки (равномерная шкала, неравномерная, с односторонней, двухсторонней (симметричной и несимметричной), с безнулевой шкалой);

По конструкции отсчётного устройства (непосредственный отсчёт, со световым указателем — световым зайчиком, с пишущим устройством, язычковые — вибрационные частотомеры, со шкалой на оптоэлектронном эффекте — люминофор, ЖК, СИД светоизлучающий диод);

По точности измерений (нормируемые и ненормируемые — индикаторы или указатели);

По виду используемой энергии (физическому явлению) — электромеханические, электротепловые, электрокинетические, электрохимические;

По роду измеряемой величины (вольтметры, амперметры, веберметры, частотомеры, варметры и т. д.).

Для измерительных приборов характерен следующий ряд параметров:

Диапазон измерений — область значений измеряемой величины, на который рассчитан прибор при его нормальном функционировании (с заданной точностью измерения).

Порог чувствительности — некоторое минимальное или пороговое значение измеряемой величины, которое прибор может различить.

Чувствительность связывает значение измеряемого параметра с соответствующим ему изменением показаний прибора.

Точность  — способность прибора указывать истинное значение измеряемого показателя (предел допустимой погрешности или неопределённость измерения).

Стабильность —   способность прибора поддерживать заданную точность измерения в течение определенного времени после калибровки.

2. Структура измерительного канала цифровых устройств. На вход системы поступает в общем случае аналоговый сигнал S(t), сформированный информационным устройством (или датчиком), являющимся источником данных. Сигнал S(t) рассматривается как реализация случайного процесса. Цепь преобразования данных одного устройства (или датчика) в многоканальной системе образует измерительный канал.

В блоке подготовки сигнал подвергается предварительной аналоговой обработке – согласование, усиление (приведение амплитуды к динамическому диапазону устройства выборки и хранения – УВХ), полосовая фильтрация (ограничение полосы частот сигналов для корректной оцифровки).

Поскольку подсистема обработки в ИИС является цифровой системой, то каждый сигнал подвергается процедуре аналого-цифрового преобразования в модуле АЦП. Последовательность отсчетов от различных измерительных каналов объединяется в общий поток для последующего ввода в компьютер или передачи по каналу связи. В ряде случаев могут применяться устройства сжатия данных (либо сжатие осуществляется после ввода данных в компьютер – программные методы сжатия).

____________________________________________

Подсистема передачи включает кодер и декодер канала связи, передающее и приемное устройства и собственно канал связи (среда с антенными устройствами). Кодер и декодер осуществляют помехоустойчивое кодирование и декодирование сигналов с целью дополнительной защиты передаваемых сообщений от помех в канале связи и могут отсутствовать при наличии качественного канала.

Восстановление исходного аналогового сообщения по цифровым отсчетам с допустимой погрешностью производится на приемной стороне. В современных системах восстановление непрерывного сообщения, как правило, не выполняется, поскольку регистрация, хранение и обработка информации выполняются в цифровом виде, но принципиальная возможность восстановления предусматривается.

Измерительные системы в “чистом виде” – мониторинг, диагностика, контроль, научные исследования, системы реального времени.

3.Формы представления измерительной информации

измеряемое значение представляет собой произведение числового значения на размер соответствующей единицы. В процессе измерения информация об этом числовом значении (измерительная информация) передается с помощью сигналов. При аналоговом способе измерения устанавливается прямая связь между значением измеряемой величины и значением физической величины сигнала. Так, например, в ртутном термометре высота столбика соответствует определенной температуре. Таким образом, используется не само числовое значение, а аналоговая величина.

В противоположность этому цифровой метод измерения характеризуется тем, что результат измерения, точное числовое значение (размер) вырабатывается в измерительном устройстве или по меньшей мере выводится из него. При этом обработка сигнала производится числовым методом, как в цифровых вычислительных машинах.

В отношении точности отсчета разница состоит в том, что при цифровом показании отсчет производится практически без ошибки При отсчете аналогового показания преобразование его в число производится оператором, причем точность отсчета заранее не определена и зависит от способности оператора к интерполяции. Поэтому отсчет аналоговых показаний принципиально содержит погрешности.

Преимущество аналогового вывода измеряемого значения состоит в большей наглядности. Наблюдение за стрелочным прибором на щите управления существенно проще, чем за цифровыми показаниями. Кроме того, аналоговый регистратор передает существенно больше информации, чем ряд чисел цифропечатающего устройства. Этот факт подтверждается тем, что для интерпретации ряда чисел часто прибегают к графическому изображению, что эквивалентно преобразованию цифровой информации в аналоговую

Однако при цифровом методе обработка чисел происходит последовательно, причем продолжительность цикла обработки быстро возрастает с ростом точности. Аналоговая обработка, наоборот, осуществляется непрерывно, одновременно, что существенно улучшает динамические свойства измерительной системы. Это особенно важно при измерении физических величин, изменяющихся во времени.

Аналоговые методы представления измеряемых величин по сравнению с цифровыми являются менее точными. Однако эти методы, основанные на непрерывных физических процессах, де-ляют доступными для измерительной техники исключительно большое разнообразие физических эффектов; к тому же обычно их очень просто реализовать. Часто аналоговые методы представляют единственную возможность воспринять измеряемое значение.

4. Основные компоненты  компьютерных измерительных приборов.

Задача: построить прибор, решающий поставленные задачи с наилучшими характеристиками (Рис.4).

Рис.4

Главные параметры датчиков: полоса пропускания и амплитуда выходного сигнала.

Функции БСС (блок согласования сигналов):

1.  найти формат взаимодействия;
2.  согласование формата данных;
3.  обеспечение необходимого вида и формы сигнала;
4.  обеспечение стабильного источника питания;

Виды согласования сигналов:

1) по амплитуде (если сигнал имеет очень малую амплитуду необходимо его усилить, сигналы с большой амплитудой- делить), см рис.5.

Рис.5

2) по частоте (обеспечивается с помощью фильтров):

а) фильтр нижних частот (ФНЧ) или LPF (рис.6)

Сопротивление конденсатора: Zc=1/jwc

RРис.6

Частотная характеристика ФНЧ представлена на рис.7, где 1- характеристика идеального ФНЧ, 2- реального ФНЧ. Частоты от 0 Гц до fm образуют полосу пропускания фильтра.

Рис.7

Полоса пропускания обычно определяется первым лепестком амплитудно- частотной характеристики, относящимся к интервалу частот от 0 до fm (см рис 8)

Рис.8

б) фильтр верхних частот (ФВЧ) или HPF (рис.9 а) схема, б) частотная характеристика)

а)               б)

Рис.9

3) по импедансу (см рис.10)

Rвх ={L} или {H} (низкое или высокое входное сопротивление)

Рис.10

Благодаря высокому входному сопротивлению операционных усилителей и наличию обратной связи сигнал от блока 1 к блоку 2 передается без искажений (рис.11)

Рис.11

Также для оптимальной работы устройств необходимо стабильное питание (см функции БСС).

Для датчиков целесообразно обеспечить наличие отдельного источника питания.

5. Структурная схема систем сбора измерительной информации.

Пример:

Электрокардиографы: - малогабаритный (АЦП), его преимущества: точность и дешевизна

                                        - кардиограф с современным дизайном, ЖКИ, но менее точный

Предназначение данной системы состоит в исследовании физических  явлений.

Рис.1.

Для каждого сигнала каждого датчика необходим АЦП, который преобразует аналоговую величину в соответствующий ей двоичный цифровой код. Если АЦП один, то лучше мультиплексировать сигнал. На входе АЦП один канал.

На рис.1 введены следующие обозначения:

D1,D2 – датчики,

1- мультиплексор (устройство в системе передачи данных, обеспечивающее независимый обмен информацией одновременно по нескольким каналам связи между ЭВМ и различными абонентскими пунктами),

2- кондиционирование сигнала (операция, необходимая для того, чтобы сделать его «удобным» для цифровой части. Она позволяет установить соответствие цифровой и действительной (Ф.я.) формы),

3- плата (см далее),

4- датчики,

5- контроллер (микропроцессор), (микропроцессор- самостоятельное или входящее в состав компьютера устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших интегральных схем),

ОУ- отсчетное устройство,

6- анализ данных

Плата

Плата обычно содержит в себе 4 элемента (см рис.2): АЦП, ЦАП, счетчик, осуществляющий операцию сброса, порты.

                       0-8 выводов  Рис. 2.

Датчики

Виды датчиков:

1.  Цифровые (уровни 0 и 1)
2.  Аналоговые (на выходе постоянный сигнал во времени, но переменный по амплитуде)

Основные характеристики датчиков:

1.  Выходной сигнал
2.  Частота (т.к. чтобы оцифровать сигнал необходимо знать какие частоты входят в состав сигнала, какие частоты на выходе)

К характеристикам также можно отнести: погрешность измерения, напряжение питания, выходной токовый сигнал аналоговый (1 уровень: 0-20 мА; 2 уровень 4мА и 20мА), массу и габариты.

Минимальная частота дискретизации сигнала равна 40 Гц.

При использовании датчиков возникает вопрос: как передается информация от датчика: в виде значения тока или значения напряжения?

Чтобы определить в каком виде будет представлен сигнал на выходе надо знать в какой среде будет работать датчик. Шумная среда не подходит для передачи сигнала напряжением, следовательно в данном случае выбираем ток.

При использовании датчиков необходимо знать порог чувствительности, т.к. на слабый сигнал АЦП не среагирует. Слабый сигнал требует усиления, поэтому необходим корректный выбор усилителя. Сегодня получили широкое распространение программируемые усилители, в них коэффициент усиления задается.

Самый младший разряд определяет разрешение.

Имеет значение входной диапазон АЦП, (PDF файл (документация)), линейная характеристика датчика (зависимость выхода от входа (рис.3), градуировочная характеристика. На практике необходимо линеризовать зависимость выхода от входа.

выход

вход

6. Вопросы согласования измерительных сигналов.

Блок согласования сигналов кондуктометрических датчиков ОВЕН БКК1

Датчик уровня подключается к входным фильтрам низких частот (ФНЧ1...ФНЧ4). Далее через коммутационное устройство (КУ) сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). В устройстве сравнения (УС) происходит сравнение уровня оцифрованного сигнала датчика со значением уставки опорного напряжения (ОН). Значение уставки опорного напряжения выбирается DIP-переключателем установки порога срабатывания. Устройство управления (УУ) выполняет функцию выбора канала измерения датчика уровня и управления соответствующим выходным ключом (Ключ 1...Ключ 4). Срабатывание выходного ключа происходит при контакте соответствующего сигнального электрода с жидкостью, одновременно засвечивается соответствующий светодиод «Уровень».

Блок согласования сигналов кондуктометрических датчиков ОВЕН БКК1 предназначен для отслеживания четырех уровней токопроводящей жидкости.

Может использоваться как самостоятельное изделие для управления исполнительными механизмами, либо как устройство согласования кондуктометрических датчиков с ОВЕН ПЛК (или контроллерами других производителей).

Новый прибор линейки сигнализаторов уровня САУ, четырехканальный аналог САУ-М6 в DIN-реечном исполнении.

Прибор ОВЕН БКК1 выпускается в корпусе на DIN-рейку типа Д3.

Функциональные возможности Овен БКК1:

четыре независимых канала контроля уровня жидкости в резервуаре

повышенная помехоустойчивость и надежность благодаря использованию новой цифровой схемотехники

исполнение на DIN-рейку (размещение внутри щита)

два варианта питания – 24 В или 220 В

работа с различными по электропроводности жидкостями: кислотами, щелочами, слабыми растворами солей, водой водопроводной, технической, очищенной и др.

простая настройка без демонтажа прибора

Технические характеристики Овен БКК1-24:

Напряжение питания прибора 14…36 В пост. тока (номинальное 24 В)

Потребляемая мощность не более 1 ВА

Количество каналов контроля уровня 4

Напряжение питания датчиков уровня не более 10 В, перем. тока 1,5...2,5 Гц

Тип дискретного выхода 4 транзисторных двунаправленных ключа

Допустимая нагрузка выхода 50 мА пост. тока 36 В

Тип корпуса на DIN-рейку 35 мм Д3(три)

Габаритные размеры корпуса 54х95х57 мм

Степень защиты корпуса IP20

Температура окружающего воздуха –25...+70 °С

Относительная влажность воздуха (при 25 °С и ниже без конденсации влаги) не более 80 %

Атмосферное давление 84...106,7 кПа

Технические характеристики прибора Овен БКК1-220:

Напряжение питания прибора 90…264 В 47...63 Гц(номинальное 220 В)

Потребляемая мощность не более 2 ВА

Количество каналов контроля уровня 4

Напряжение питания датчиков уровня не более 10 В перем. тока 1,5...2,5 Гц

Блок согласования сигналов кондуктометрических

датчиков ОВЕН БКК1 Пример временной диаграммы

работы выходного ключа (реле).

Тип дискретного выхода 4 электромагнитных реле, нормально разомкнутый контакт

Допустимая нагрузка выхода 2 А перем. тока 240 В

Тип корпуса на DIN-рейку 35 мм Д3

Габаритные размеры корпуса 54х95х57 мм

Степень защиты корпуса IP20

Температура окружающего воздуха –10...+50 °С

Относительная влажность воздуха (при 25 °С и ниже без конденсации влаги) не более 80 %

Атмосферное давление 84...106,7 кПа

Модификации прибора Овен БКК1-220:

24— 24 В постоянного тока, выходы-транзисторные ключи

200— 220 В переменного тока, выходы — э/м реле

7. Комбинированные и последовательные  логические измерительные элементы.

Логические элементы - устройства, предназначенные для обработки информации в цифровой форме (последовательности сигналов высокого - "1" и низкого - "0" уровней). Это позволяет значительно сократить количество операций и элементов, выполняющих эту обработку.

Логические элементы делятся на комбинационные (порт: транзистор + элемент) и последовательные. Последние отличаются наличием памяти (ПЗУ).

Триггеры и регистры являются простейшими представителями цифровых микросхем, имеющих внутреннюю память. Выходные сигналы микросхем с внутренней памятью зависят от того, какие входные сигналы и в какой последовательности поступали на них в прошлом, то есть они помнят предысторию поведения схемы. Триггеры и регистры сохраняют свою память только до тех пор, пока на них подается напряжение питания. 

Большим преимуществом триггеров и регистров перед другими типами микросхем с памятью является их максимально высокое быстродействие (то есть минимальные времена задержек срабатывания и максимально высокая допустимая рабочая частота). Однако недостаток триггеров и регистров в том, что объем их внутренней памяти очень мал, они могут хранить только отдельные сигналы, биты (триггеры) или отдельные коды, байты, слова (регистры).

В основе любого триггера (англ. — "тrigger" или "flip-flop") лежит схема из двух логических элементов, которые охвачены положительными обратными связями (то есть сигналы с выходов подаются на входы). В результате подобного включения схема может находиться в одном из двух устойчивых состояний, причем находиться сколь угодно долго, пока на нее подано напряжение питания.

Пример так называемой триггерной ячейки на двух двухвходовых элементах И-НЕ приведен на рис ниже.

 

У схемы есть два инверсных входа: -R — сброс (Reset), и -S — установка (Set), а также два выхода: прямой выход Q и инверсный выход –Q.

Для правильной работы схемы отрицательные импульсы должны поступать на ее входы не одновременно. Приход импульса на вход -R переводит выход -Q в состояние единицы, а так как сигнал -S при этом единичный, выход Q становится нулевым. Этот же сигнал Q поступает по цепи обратной связи на вход нижнего элемента. Поэтому даже после окончания импульса на входе -R состояние схемы не изменяется (на Q остается нуль, на -Q остается единица). Точно так же при приходе импульса на вход -S выход Q в единицу, а выход -Q — в нуль. Оба эти устойчивых состояния триггерной ячейки могут сохраняться сколь угодно долго, пока не придет очередной входной импульс, — иными словами, схема обладает памятью.

Существуют J-,K-, JK- триггеры, RS- триггеры. В счетчиках используются К- триггеры. В линиях, интерфейсах, портах для передачи используют Latch- триггеры

1) RS-триггер

S-set, R- reset

Здесь на входе не может быть два одинаковых уровня 0 и 0 или 1 и 1, ввели: 0 и 1: set и reset  

S	R	Q
0	1	0	1
1	0	1	0

На выходе не может быть 2 одинаковых уровня.

RS-триггер (обозначается ТР) — самый простой триггер, но редко используемый.

2)  D-триггер

D-триггер (обозначается ТМ) — наиболее распространенный тип триггера. Помимо общих для всех триггеров входов установки и сброса S и R, он имеет один информационный вход D (вход данных) и один тактовый вход.

3) J,K – тип (для счетчиков):

  

    

JK-триггер (обозначается ТВ) значительно сложнее по своей структуре, чем RS-триггер. Он относится к так называемым тактируемым триггерам, то есть он срабатывает по фронту тактового сигнала.

1)Элемент “НЕ”, реализующий функцию логического отрицания.

2) Элемент “И” (AND) реализует функцию логического умножения.

      

3) Элемент “ИЛИ” (OR) реализует функцию логического сложения.

4) Элемент “И-НЕ” (отрицательный “И”, NAND)

  

5)Элемент “ИЛИ-НЕ” (отрицательный “ИЛИ”,NOR)

                     

6) Элемент “Исключающее ИЛИ”. Сумматор (XNOR): Y=X1+X2

              

8. Дискретизация и квантование измеряемых  сигналов.

Аналоговый сигнал является непрерывной функцией времени, в АЦП он преобразуется в последовательность цифровых значений. Следовательно, необходимо определить частоту выборки цифровых значений из аналогового сигнала. Частота, с которой производятся цифровые значения – частота дискретизации.

Непрерывно меняющийся сигнал подвергается оцифровке (значения сигнала измеряются через интервал времени ∆Т – период дискретизации). Точность восстановления ограничена ошибкой квантования, однако в соответствии с теоремой Котельникова точное восстановление возможно только если частота дискретизации выше, чем удвоенная максимальная частота в спектре сигнала.

Таким образом, понятие оцифровка сигнала включает в себя понятия дискретизации и квантования.

Дискретизация- измерения, проведенные в определенные промежутки времени (рис.12).

f дискретизации>>>fm (первой гармоники входного сигнала)

f дискретизации ≥ 2fm (по Котельникову)

∆Т (время между отсчетами) выбирается: а) в зависимости от цели; б) в зависимости от желаемого качества сигнала на выходе.

Например, частота дискретизации 44 кГц (музыкальный диск) – соответствуют стандартному качеству звука.

Дискретизация предполагает выбор отсчетов, следовательно будем использовать логический элемент «И», реализующий операцию умножения:

Генератор импульсов (тактовых сигналов, «клоков») воспроизводит сигнал приближающийся к виду дельта-функции:

Главный недостаток таких импульсов- их нестабильность.

Для того чтобы увеличить объем информации о реальном сигнале полученном после оцифровки, необходимо уменьшить шаг дискретизации.

Квантование по уровню фактически означает присвоить отсчету цифровой эквивалент или выразить результат в цифрах.

Шаг квантования может представлять собой мм, см, м и т.д., при этом ошибка может изменяться в пределах от -0,5 кванта до +0,5 кванта.

На рис (а): 1- идеальная функция преобразования (переходная характеристика идеальных АЦП и ЦАП), 2- реальная функция после квантования (имеет ступенчатый характер),

∆Q – погрешность (шаг квантования). Ошибка квантования (Шум квантования), является следствием ограниченного разрешения АЦП, составляет {+ ∆Q/2;-∆Q/2}. Из вышесказанного следует, что закон распределения- равномерный (рис. (б)). В зависимости от типа аналого-цифрового преобразования шум квантования может возникать из-за округления (до определённого разряда) сигнала или усечения (отбрасывания младших разрядов) сигнала

9. Типы и структуры АЦП.

Это устройство преобразует входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Как правило, АЦП — электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Разрешение АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе. Например, АЦП, способный выдать 256 дискретных значений (0..255), имеет разрядность 8 бит (2^8=256).

Выделяют 4 основных типа АЦП:

-АЦП параллельного преобразования (флеш)

-АЦП последовательного преобразования

-Сигма-дельта АЦП

-АЦП двойного интегрирования

АЦП параллельного преобразования

Данный тип АЦП содержит по одному компаратору на каждый дискретный уровень входного сигнала. В любой момент времени только компараторы, соответствующие уровням ниже уровня входного сигнала, выдадут на своем выходе сигнал превышения. Сигналы со всех компараторов поступают на логическую схему, которая выдает цифровой код, зависящий от того, сколько компараторов показали превышение. Эти АЦП очень быстры, но обычно имеют разрешение не более 8 бит (256 компараторов), так как имеют большую и дорогую схему. АЦП этого типа имеют очень большой размер кристалла микросхемы, высокую входную ёмкость, и могут выдавать кратковременные ошибки на выходе. Часто используются для видео или других высокочастотных сигналов.

Компаратор и его характеристика представлены на рис. 15.

Рис.15

Uпорог.i в компараторах разное.

Схема АЦП параллельного преобразования:

.

Из схемы (рис.16): 111 на выходах ОУ дают Uоп=7 В.

∆Q=Uоп/2^n=7/8=0,875

Разрешение АЦП : 2^n * 0,875.

Достоинства данного АЦП:

-каждый компаратор имеет свой порог (Uпорог.);

-высокое быстродействие.

Недостатки:

-необходимо много компараторов;

-высокая стоимость АЦП.

АЦП последовательного счета 

Этот преобразователь является типичным примером последовательных АЦП с единичными приближениями и состоит из компаратора, счетчика и ЦАП (рис. 8). На один вход компаратора поступает входной сигнал, а на другой - сигнал обратной связи с ЦАП.

 

    Работа преобразователя начинается с прихода импульса запуска, который включает счетчик, суммирующий число импульсов, поступающих от генератора тактовых импульсов ГТИ. Выходной код счетчика подается на ЦАП, осуществляющий его преобразование в напряжение обратной связи Uос. Процесс преобразования продолжается до тех пор, пока напряжение обратной связи не сравняется со входным напряжением и переключится компаратор, который своим выходным сигналом прекратит поступление тактовых импульсов на счетчик. Переход выхода компаратора из 1 в 0 означает завершение процесса преобразования. Выходной код, пропорциональный входному напряжению в момент окончания преобразования, считывается с выхода счетчика. Время преобразования АЦП этого типа является переменным и определяется входным напряжением. Его максимальное значение соответствует максимальному входному напряжению и при разрядности двоичного счетчика N и частоте тактовых импульсов fтакт равно

tпр.макс=(2N-1)/ fтакт.                 (5)

    Например, при N=10 и fтакт=1 МГц  tпр.макс=1024 мкс, что обеспечивает максимальную частоту выборок порядка 1 кГц. Статическая погрешность преобразования определяется суммарной статической погрешностью используемых ЦАП и компаратора. Частоту счетных импульсов необходимо выбирать с учетом завершения переходных процессов в них. При работе без устройства выборки-хранения апертурное время совпадает с временем преобразования. Как следствие, результат преобразования черезвычайно сильно зависит от пульсаций входного напряжения. При наличии высокочастотных пульсаций среднее значение выходного кода нелинейно зависит от среднего значения входного напряжения. Это означает, что АЦП данного типа без устройства выборки-хранения пригодны для работы с постоянными или медленно изменяющимися напряжениями, которые за время преобразования изменяются не более, чем на значение кванта преобразования. Таким образом, особенностью АЦП последовательного счета является небольшая частота дискретизации, достигающая нескольких килогерц. Достоинством АЦП данного класса является сравнительная простота построения, определяемая последовательным характером выполнения процесса преобразования.

АЦП двойного интегрирования

АЦП двойного интегрирования использует интегратор, за которым следует компаратор и счетная логика. Сначала вход интегратора подключается к входному сигналу, и емкость интегратора заряжается до уровня входного напряжения в той же полярности. После определенного числа тактов, вход интегратора переключается к источнику опорного напряжения, и емкость интегратора разряжается до величины этого напряжения.
В тот момент, когда ключ замыкается на VREF1 (VREF - Voltage Reference - Эталонное напряжение для АЦП или напряжение сравнения для компаратора), счетчик отсчитывает столько же тактов, сколько занимало время первоначального интегрирования. Когда напряжение на выходе интегратора падает ниже величины второго опорного напряжения, выход компаратора переходит в состояние высокого логического уровня, счетчик останавливается, а значение счетчика соответствует величине входного напряжения.

Более высокое входное напряжение позволяет емкости интегратора зарядиться до большей величины в течение времени первоначального интегрирования, что приводит к большему времени разряда до VREF2, и к большему выходному значению счетчика. Меньшее значение напряжения на входе приводит к меньшему потенциалу на емкости интегратора, и, соответственно, к меньшему выходному числу. Более простой интегрирующий АЦП с одинарным интегрированием, инициирует счетчик во время зарядки емкости, и останавливает счет, когда достигнуто опорное напряжение (вместо заряда за определенное время). Однако на преобразователь с одинарным интегрированием влияют погрешности тактовой частоты.

Схема с двойным интегрированием устраняет проблемы точности синхронизации, так как один и тот же генератор тактовых импульсов применяется для задания времени зарядки емкости и для приращения (инкремента) содержимого счетчика.

Надо отметить, что кратковременное изменение — дрожание (в научной литературе называется джиттер) длительности тактовых импульсов и дрейф в течение одного преобразования будут влиять на точность результата. Преобразователь с двойным интегрированием тратит относительно длительное время на выполнение преобразования, зато присущая интегратору фильтрация устраняет шум.

10.Сигма-дельта  АЦП.

Сигма- Дельта АЦП (называемые также Дельта-Сигма АЦП) производят аналого - цифровое преобразование с частотой дискретизации во много раз превышающей требуемую и путем фильтрации оставляет в сигнале только нужную спектральную полосу. Это один из самых важных типов АЦП. Они эффективны в тех задачах, где не требуются большие частоты дискретизации, но необходимо высокое разрешение сигнала.

В современных сигма-дельта АЦП преобразование осуществляется с избыточной дискретизацией (передискретизацией), цифровой фильтрацией и децимацией преобразуемого сигнала. Децима́ция — уменьшение частоты дискретизации  дискретного во времени сигнала путем удаления его отсчетов.  Частота дискретизации (или частота сэмплирования) — частота взятия отсчетов непрерывного во времени сигнала при его дискретизации (в частности, аналого-цифровым преобразователем). Измеряется в Герцах

Своим названием эти преобразователи обязаны наличием в них двух блоков: сумматора (обозначение операции -  S) и интегратора (обозначение операции - D ). Один из принципов, заложенных в такого рода преобразователях, позволяющий уменьшить погрешность, вносимую шумами, а следовательно увеличить разрешающую способность - это усреднение результатов измерения на большом интервале времени.(Kfд, fд, ±Uос)

На рисунке  компаратор ЗАМЕНИТЬ на АЦП!

DSP – дециматор

Основные узлы АЦП - это сигма-дельта модулятор и цифровой фильтр. Схема n-разрядного сигма-дельта модулятора первого порядка приведена на рис. 14. Работа этой схемы основана на вычитании из входного сигнала Uвх(t) величины сигнала на выходе ЦАП, полученной на предыдущем такте работы схемы. Полученная разность интегрируется, а затем преобразуется в код параллельным АЦП невысокой разрядности. Последовательность кодов поступает на цифровой фильтр нижних частот.

Порядок модулятора определяется численностью интеграторов и сумматоров в его схеме. Сигма-дельта модуляторы N-го порядка содержат N сумматоров и N интеграторов и обеспечивают большее соотношение сигнал/шум при той же частоте отсчетов, чем модуляторы первого порядка. 

Сравнивая Сигма-дельта АЦП  с АЦП многотактного интегрирования, можно сделать вывод о достоинствах первого:

-линейность характеристики преобразования сигма-дельта АЦП выше, чем у АЦП многотактного интегрирования равной стоимости

-высокая точность;

-хорошее разрешение;

-относительно малая стоимость

-абсолютная помехозащищенность

-сигма-дельта АЦП практически не имеет внешних элементов, что существенно сокращает площадь, занимаемую им на плате

-Емкость конденсатора интегратора у сигма-дельта АЦП значительно меньше (десятки пикофарад), так что этот конденсатор может быть изготовлен прямо на кристалле ИМС (интегральной микросхемы).

Недостатки: узкая полоса пропускания (подходит для «медленных» сигналов)

11. Цифро-аналоговые  преобразователи.

ЦАП – это устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного) кода в аналоговый сигнал (ток, напряжение или заряд). Цифро-аналоговые преобразователи являются интерфейсом между дискретным цифровым миром и аналоговыми сигналами. ЦАП применяется всегда, когда надо преобразовать сигнал из цифрового представления в аналоговое, например, в проигрывателях компакт-дисков.

Разрядность ЦАП – количество различных уровней выходного сигнала, которые ЦАП может воспроизвести, например, однобитный ЦАП способен воспроизвести 2 уровня (2^1=2), а восьмибитный – 256 (2^8) уровней.

Выделяют три основных типа ЦАП:

Широтно-импульсный модулятор — простейший тип ЦАП. Стабильный источник тока или напряжения периодически включается на время, пропорциональное преобразуемому цифровому коду, далее полученная импульсная последовательность фильтруется аналоговым фильтром низких частот. Такой способ часто используется для управления скоростью электромоторов, а также становится популярным в Hi-Fi (класс аппаратуры) аудиотехнике;

ЦАП передискретизации, такие как дельта-cигма ЦАП, основаны на изменяемой плотности импульсов. Передискретизация позволяет использовать ЦАП с меньшей разрядностью для достижения большей разрядности итогового преобразования. Быстродействие дельта-сигма ЦАП достигает сотни тысяч отсчетов в секунду, разрядность — до 24 бит.

Взвешивающий ЦАП, в котором каждому биту преобразуемого двоичного кода соответствует резистор или источник тока, подключенный на общую точку суммирования. Сила тока источника (проводимость резистора) пропорциональна весу бита, которому он соответствует. Таким образом, все ненулевые биты кода суммируются с весом. Взвешивающий метод один из самых быстрых, но ему свойственна низкая точность. По этой причине взвешивающие ЦАП имеют разрядность не более восьми бит;

Цепная R-2R схема является вариацией взвешивающего ЦАП. В R-2R ЦАП взвешенные значения создаются в специальной схеме, состоящей из резисторов с сопротивлениями R и 2R. Это позволяет существенно улучшить точность по сравнению с обычным взвешивающим ЦАП, т.к. сравнительно просто изготовить набор прецизионных элементов с одинаковыми параметрами. Недостатком метода является более низкая скорость вследствие паразитной емкости;

Сегментный ЦАП содержит по одному источнику тока или резистору на каждое возможное значение выходного сигнала. Теоретически, сегментные ЦАП имеют самое высокое быстродействие, т.к. для преобразования достаточно замкнуть один ключ, соответствующий входному коду;

Гибридные ЦАП используют комбинацию перечисленных выше способов. Большинство микросхем ЦАП относится к этому типу; выбор конкретного набора способов является компромиссом между быстродействием, точностью и стоимостью ЦАП.

12.Типы и структуры линий ввода/вывода современных компьютерных приборов.

Каждый МК имеет некоторое количество линий ввода/вывода, которые объединены в многоразрядные (чаще 8-разрядные) параллельные порты ввода/вывода. В памяти МК каждому порту ввода/вывода соответствует свой адрес регистра данных. Обращение к регистру данных порта ввода/вывода производится теми же командами, что и обращение к памяти данных. Кроме того, во многих МК отдельные разряды портов могут быть опрошены или установлены командами битового процессора.

В зависимости от реализуемых функций различают следующие типы параллельных портов:

-однонаправленные порты, предназначенные только для ввода или только для вывода информации;

-двунаправленные порты, направление передачи которых (ввод или вывод) определяется в процессе инициализации МК;

-порты с альтернативной функцией (мультиплексированные порты). Отдельные линии этих портов используются совместно со встроенными периферийными устройствами МК, такими как таймеры, АЦП, контроллеры последовательных интерфейсов;

-порты с программно управляемой схемотехникой входного/выходного буфера.

Порты выполняют роль устройств временного согласования функционирования МК и объекта управления, которые в общем случае работают асинхронно. Различают три типа алгоритмов обмена информацией между МК и внешним устройством через параллельные порты ввода/вывода:

-режим простого программного ввода/вывода;

-режим ввода/вывода со стробированием;

-режим ввода/вывода с полным набором сигналов подтверждения обмена.

Рис. 1 - Типовая схема двунаправленного порта ввода/вывода МК

Триггер управления разрешает вывод данных на внешний вывод. В современных МК, как правило, обеспечивается индивидуальный доступ к триггерам данных и управления, что позволяет использовать каждую линию независимо в режиме ввода или вывода.

Необходимо обратить особое внимание на то, что при вводе данных считывается значение сигнала, поступающее на внешний вывод, а не содержимое триггера данных. Если к внешнему выводу МК подключены выходы других устройств, то они могут установить свой уровень выходного сигнала, который и будет считан вместо ожидаемого значения триггера данных.

Другим распространенным вариантом схемотехнической организации порта ввода/вывода является вывод с "открытым истоком", называемый еще "квазидвунаправленным". Такая организация вывода позволяет создавать шины с объединением устройств по схеме "монтажное И".

13.Микроконтроллеры, архитектура, критерий выбора.

Микроконтроллер.

Основная часть прибора, работающего без компьютера- микроконтроллер.

Микроконтроллер- микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами

Из рис.: EEPROM- память данных;

Flash- флеш-память

Основные части устройства:

- память

- процессор

- блок ввода/вывода

-периферия

Микроконтроллер:

Рис.47

ШИМ- широтно- импульсная модуляция (приближение желаемого сигнала (многоуровневого или непрерывного) действительным бинарным (с 2-мя уровнями- вкл/выкл)

Корпус микроконтроллера оценивается по следующим параметрам:

- компактность

- расстояние между выводами (0,7-0,8)

Аналоговый вход (1) представляет собой входной порт:

Цифровой вход

Также есть отдельные аналоговые выходы (здесь обратная последовательность элементов):

ШИМ располагается на выходе, его задача- получить точный уровень напряжения.

Важно знать количество свободных ножек (выводов) для присоединения периферии.

Микроконтроллер работает со следующими интерфейсами:

SPI, I2C, Microware, USB, RS-485, RS-232, 1.Wire, Bluеtooth

Типы памяти: EEPROM, Data Flash, Flash Card

Типы памяти по энергозависимости:

- volatile- memory (RAM) (энергозависимая)

- unvolatile (ROM) (энергонезависимая)

ROM, EEPROM- для хранения данных

Flash- для программ (энергонезавис.)

Кроме того, в состав микроконтроллера входят таймеры, кварцевые генераторы, часы.

При выборе микроконтроллера важно обратить внимание на энергопотребление, связанное с частотой (чем больше частота, тем больше потребление, и, следовательно, больше нагрев).

Архитектуры микроконтроллера

-CISC (Complex Instruction Set Computer)

-RISC (Reduced Instruction Set Computer)

Архитектура компьютера

- Гарвардская

- Фон-Нейманская

Архитектура фон Неймана

Это принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Когда говорят о данной архитектуре, подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных

Гарвардская архитектура

Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий: выборку 2-х операндов, выбор инструкции и ее выполнение, сохранение результата. Идея заключалась в физическом разделении линии передачи команд и данных (здесь присутствует отдельная шина для данных)

При выборе оцениваются следующие параметры:

- система команд

- архитектура

- частота

- стоимость

- встроенный (невстроенный)

- количество портов

- объем памяти (сегодня появилась кэш-память, она «ближе» к процессору)

- температурный режим работы

- техническая поддержка (microchip.ru)

Классификация  микроконтроллеров (критерий выбора).

В настоящее время выпускается целый ряд типов МК. Все эти приборы можно условно разделить на три основных класса:

-8-разрядные МК для встраиваемых приложений;

-16- и 32-разрядные МК;

-цифровые сигнальные процессоры (DSP).

Наиболее распространенным представителем семейства МК являются 8-разрядные приборы, широко используемые в промышленности, бытовой и компьютерной технике. Причиной жизнеспособности 8-разрядных МК является использование их для управления реальными объектами, где применяются, в основном, алгоритмы с преобладанием логических операций, скорость обработки которых практически не зависит от разрядности процессора. Современные 8-разрядные МК обладают, как правило, рядом отличительных признаков. Перечислим основные из них:

-модульная организация, при которой на базе одного процессорного ядра (центрального процессора) проектируется ряд (линейка) МК, различающихся объемом и типом памяти программ, объемом памяти данных, набором периферийных модулей, частотой синхронизации;

-использование закрытой архитектуры МК, которая характеризуется отсутствием линий магистралей адреса и данных на выводах корпуса МК. Таким образом, МК представляет собой законченную систему обработки данных, наращивание возможностей которой с использованием параллельных магистралей адреса и данных не предполагается;

-использование типовых функциональных периферийных модулей (таймеры, процессоры событий, контроллеры последовательных интерфейсов, аналого-цифровые преобразователи и др.), имеющих незначительные отличия в алгоритмах работы в МК различных производителей;

-расширение числа режимов работы периферийных модулей, которые задаются в процессе инициализации регистров специальных функций МК.

Процессорное ядро включает в себя:

-центральный процессор;

-внутреннюю контроллерную магистраль (ВКМ) в составе шин адреса, данных и управления;

-схему синхронизации МК;

-схему управления режимами работы МК, включая поддержку режимов пониженного энергопотребления, начального запуска (сброса) и т.д.

Рис. 1 - Модульная организация МК. Изменяемый функциональный блок включает в себя модули памяти различного типа и объема, порты ввода/вывода, модули тактовых генераторов (Г), таймеры. В относительно простых МК модуль обработки прерываний входит в состав процессорного ядра. В более сложных МК он представляет собой отдельный модуль с развитыми возможностями. В состав изменяемого функционального блока могут входить и такие дополнительные модули как компараторы напряжения, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и другие. Каждый модуль проектируется для работы в составе МК с учетом протокола ВКМ (внутреннюю контроллерную магистраль). Данный подход позволяет создавать разнообразные по структуре МК в пределах одного семейства.

14. Интегрированные среды разработки для  программирования  микроконтроллеров.

Каждая фирма занимается разработкой своей среды.

Microchip = Mplab IDE (1)

                    AVR Studio (2)

Функции сред (1) и (2) одинаковы, но (2)- дороже.

1.  представляет собой вариант языка Assembler.

Этапы разработки программ:

Рис.59.

Внутрисистемное программирование (ISP)- микроконтроллер находится на плате.

Рис.60.

IAP - программирование в приложении (аналог ISP).

В интегрированной среде: редактор, симулятор (программа) и эмулятор (программа+Hardware).

Рис.61. Упрощенная схема управления светодиодами.

Цветом на рис. 61 обозначен программируемый бит (0 или 1), в зависимости от этого загорается определенный светодиод.

Mplab IDE- MPLAB Интегрированная среда разработки (IDE) является свободным, интегрированным набором инструментов для разработки встраиваемых приложений на микроконтроллерах PIC и Оки микроконтроллеров

AVR Studio 4 - новая профессиональная интегрированная среда разработки (Integrated Development Environment - IDE), предназначенная для написания и отладки прикладных программ для AVR микропроцессоров в среде Windows 9x/NT/2000. AVR Studio 4 содержит ассемблер и симулятор.

AVR Studio поддерживает COFF как формат выходных данных для символьной отладки. Другие программные средства третьих фирм также могут быть сконфигурированы для работы с AVR Studio.

Окно исходного текста программ

Ключевое окно в AVR Studio это окно исходного текста программы. Когда объектный файл открыт, автоматически создается окно исходного текста программ. В окне отображается код, который выполняется в отладочном окружении (эмуляторе или программном симуляторе) а текстовый маркер всегда находится на строке, которая будет выполнена в следующем цикле.

Выполнение программ и пошаговый режим

Пользователь может выполнять программу полностью в пошаговом режиме, трассируя блоки функций, или выполняя программу до места, где стоит курсор. В дополнение можно определять неограниченное число точек останова, каждая из которых может быть включена или выключена. Точки останова сохраняются между сессиями работы.

Просмотр регистров

В окне исходного текста программы выводится информация о процессе выполнения программы. В дополнение, AVR Studio имеет много других окон, которые позволяют управлять и отображать информацию о любом элементе микроконтроллера.

Этапы разработки программ:

Постановка задачи

Формулировка и анализ физической задачи

Составление математической модели

Составление алгоритма задачи

Создание программы

Составление текста программы

Ввод текста программы в компьютер

Синтаксическая отладка программы

Тестирование и семантическая отладка

Документирование программы

Запуск готовой программы и анализ полученных результатов

15. Обобщенная процедура подключения  АЦП к Микроконтроллеру.

Понадобилось мне тут недавно подключить к МК внешнее АЦП на 12 бит по SPI. И в этой статье решил рассказать, что из этого получилось. В первую очередь, хотелось чтобы это АЦП можно было подключить к МК в Протеусе и получить результат там. Покапавшись по интернету и посмотрев цены, остановился на 12-и битном одноканальном АЦП фирмы Microchip MCP3201. Самого MCP3201 в Протеусе нет, но есть 10-и битный MCP3001. Отличается он от MCP3201 лишь тем, что он 10-ти битный и поэтому есть небольшое отличие в обработке уже полученных данных, а получать с него данные также как с 12-и битного. Но обо всем по порядку.

Основные характеристики MCP3201

-12 бит

-Интерфейс SPI

-Диапазон напряжения питания: 2.7-5.5 В

-Низкое энергопотребление

-100ksps при питании 5В\

-50ksps при питании 2.7В

Назначение ножек:

-Vref - опорное напряжение

-IN+ - положительный аналоговый вход

-IN- - отрицательный аналоговый вход

-Vss - земля

-CS - выбор чипа

-Dout - выход данных

-CLK - синхроимпульсы

-VDD - питание

Цоколевка микросхемы показана на рисунке ниже.

Для работы с АЦП по SPI нужно знать, что обмен данными в SPI представляет из себя обмен между двумя регистрами. Это значит, что если мы отсылаем байт на АЦП, то после передачи в регистре SPDR будет байт, который находился в АЦП. Зная это, открываем даташит на MCP3201 и находим раздел в котором описывается подключение к МК и видим там рисунок, показывающий что нужно выставить на ножках SPI, чтобы забрать данные с АЦП. А делается это очень просто. Подаем с МК на CLK синхронизирующие импульсы и по нужному фронту (в зависимости от режима SPI) забираем данные с ножки DO. Как видно из рисунка, нужно получить два байта с АЦП, а потом из этих байтов собрать с использованием битовых операций 12 бит данных. 

16. Методы обмена данными между АЦП и Микроконтроллером.

Существует 3 метода:

-простой опрос (Если АЦП быстрый, то без таймера)

-метод прерывания: простое и векторное

-прямой доступ к памяти

 АЦП с микроконтроллером не может общаться через RS-232, для этого создан интерфейс SPI (связь микроконтроллера с периферийными устройствами).

Также можно упомянуть ТGPIB – универсальная шина для межприборного общения (1 Мбайт/сек)

IEEE488- стандарт для GPIB  

HP488 – стандартный интерфейс для передачи на расстояние 1-2 метра (7-8 Мбайт/сек)

I2C- стандартный интерфейс

Схема структуры обмена данными

Информацией получаемой из физической среды могут быть данные о влажности, температуре и т.д.

БС - блок согласования сигналов

Фильтры: Чебышева, RS и др.

В БС входит: встроенный АЦП и невстроенный (встроенный – хуже, чем невстроенный).

Микроконтроллер имеет встроенный АЦП.

Микроконтроллер работает со следующими интерфейсами:

SPI, I2C, Microwire, USB, RS-485, RS-232, Bluеtooth

Схематически изобразим способы управления обменом.

Способ 1: опрос

Рис.35

Таймер запускает АЦП, который сообщает процессору о готовности.

Способ 2: прерывание

Рис.36

Процессор работает (выполняет какую-либо программу), но в определенный момент времени он получает сигнал от АЦП и принимает от него данные.

Если схема содержит 2 и более АЦП (векторная структура), микроконтроллер должен определить какой из них готов к передаче данных, следовательно нужен адрес АЦП.

Таким образом, при наличии векторной структуры каждое устройство имеет адрес и инструкцию.

Рис.37

Инструкция - подпрограмма, обрабатывающая прерывание

                   - программа для получения данных

                   - способ получения данных от АЦП

Способ 3: прямой доступ к памяти (DMA)

DMA предполагает наличие специальных контроллеров.

Рис.38

1- контроллеры, производят прямую запись в память минуя микроконтроллеры. DMA применяют для передачи больших объемов данных.

Прерывание

Рис.39

Микроконтроллер содержит 4 порта по 8 бит, входы и выходы которых содержат 3 состояния: «0», «1» и «разрыв». Разрыв появляется если на одно устройство поступает несколько различных сигналов.

Рис.40

На рис.40 красной линией показан сигнал, выступающий в качестве выходного (при условии «0»), черной линией - в качестве входного. 1 означает, что работает выход, 0 будет означать, что работает вход. Таких портов (рис.40) 8 штук.

Для прерывания выделяется сигнал - подается уровень «1» на определенной «ноге» (меняется уровень напряжения от 0 до1).

17. Способы генерации  тактовых сигналов.

Генератор тактовой частоты (генератор тактовых импульсов) генерирует электрические импульсы заданной частоты (обычно прямоугольной формы) для синхронизации различных процессов в цифровых устройствах — ЭВМ, электронных часах и таймерах, микропроцессорной и другой цифровой технике. Тактовые импульсы часто используются как эталонная частота — считая их количество, можно, например, измерять временные интервалы.

В микропроцессорной технике один тактовый импульс, как правило, соответствует одной атомарной операции. Обработка одной инструкции может производиться за один или несколько тактов работы микропроцессора, в зависимости от архитектуры и типа инструкции. Частота тактовых импульсов определяет скорость вычислений.

В зависимости от сложности устройства, используют разные типы генераторов.

Классический

В несложных конструкциях, не критичных к стабильности тактового генератора, часто используется последовательное включение нескольких инверторов через RC-цепь. Частота колебаний зависит от номиналов резистора и конденсатора. Основной минус данной конструкции — низкая стабильность. Плюс — предельная простота.

Кварцевый.

Генератор Пирса. В схеме используется минимум компонентов: один цифровой инвертор, один резистор, два конденсатора и кристалл кварца, который действует как высокоизбирательный элемент фильтра. 

Кварц + микросхема генерации

Микросхема генерации представляет собой специальную микросхему, которая при подключении к её входам кварцевого резонатора будет выдавать на остальных выводах частоту, делённую или умноженную на исходную. Данное решение используется в часах, а также на старых материнских платах (где частоты шин были заранее известны, только внутренняя частота центрального процессора умножалась коэффициентом умножения).

Программируемая микросхема генерации

В современных материнских платах необходимо большое количество разных частот, помимо опорной частоты системной шины, которые, по возможности, не должны быть зависимы друг от друга. Хотя базовая частота всё же формируется кварцевым резонатором (частота — 14,3 МГц), она необходима лишь для работы самой микросхемы. Выходные же частоты корректируются самой микросхемой. Например, частота системной шины может быть всегда равна стандартным 33 МГц, AGP — 66 МГц и не зависеть от частоты FSB процессора.

Если в электронной схеме необходимо разделить частоту на 2 используют Т-триггер в режиме счётчика импульсов. Соответственно, для увеличения делителя увеличивают количество счётчиков (триггеров).

Тактовый генератор

Тактовый генератор — автогенератор, формирующий рабочие такты процессора («частоту»). В некоторых процессорах (например, Z80) выполняется встроенным.

Кроме тактовки процессора в обязанности тактового генератора входит организация циклов системной шины. Поэтому его работа часто тесно связана с циклами обновления памяти, контроллером ПДП и дешифратором сигналов состояния процессора.

18. Интерфейс RS- 232,RS-485.

RS-232 (англ. Recommended Standard 232) — используемый в телекоммуникациях стандарт последовательной асинхронной передачи двоичных данных между терминалом (англ. Data Terminal Equipment, DTE) и коммуникационным устройством (англ. Data Communications Equipment, DCE).

Это широко распространенный высокоскоростной и помехоустойчивый промышленный последовательный интерфейс передачи данных.

RS-232 — интерфейс передачи информации между двумя устройствами на расстоянии до 15 метров. Информация передается по проводам цифровым сигналом с двумя уровнями напряжения. Логическому "0" соответствует положительное напряжение (от +5 до +15 В для передатчика), а логической "1" отрицательное (от -5 до -15 В для передатчика). Асинхронная передача данных осуществляется с фиксированной скоростью при самосинхронизации фронтом стартового бита.

По структуре это обычный асинхронный последовательный протокол, то есть передающая сторона по очереди выдает в линию 0 и 1, а принимающая отслеживает их и запоминает. Данные передаются пакетами по одному байту (обычно 8 бит).

Вначале передаётся стартовый бит, противоположной полярности состоянию незанятой линии, после чего передаётся непосредственно кадр полезной информации, от 5 до 8 бит. Увидев стартовый бит, приемник выжидает интервал T1 и считывает первый бит, потом через интервалы T2 считывает остальные информационные биты. Последний бит — стоповый бит (состояние незанятой линии), говорящий о том, что передача завершена. В конце байта, перед стоп битом, может передаваться бит чётности (parity bit) для контроля качества передачи. Он позволяет выявить ошибку в нечетное число бит (используется, так как наиболее вероятна ошибка в 1 бит).

RS-485 (англ. Recommended Standard 485), EIA-485 (англ. Electronic Industries Alliance-485) — стандарт физического уровня для асинхронного интерфейса. Регламентирует электрические параметры полудуплексной многоточечной дифференциальной линии связи типа «общая шина».

Стандарт приобрел большую популярность и стал основой для создания целого семейства промышленных сетей широко используемых в промышленной автоматизации.

В стандарте RS-485 для передачи и приёма данных используется одна витая пара проводов, иногда сопровождаемая экранирующей оплеткой или общим проводом. Передача данных осуществляется с помощью дифференциальных сигналов. Разница напряжений между проводниками одной полярности означает логическую единицу, разница другой полярности — ноль.

Стандарт RS-485 оговаривает только электрические и временные характеристики интерфейса.

-До 32 приёмопередатчиков в одном сегменте сети.

-Максимальная длина одного сегмента сети: 1200 метров.

-Только один передатчик активный.

-Максимальное количество узлов в сети — 256 с учётом магистральных усилителей.

Передача данных идёт по двум линиям, A и B.

-Логическая единица: (B - A) > +200мВ

-Логический ноль: (B - A) < -200мВ

Разъем состоит из двух или трех контактов:

-B или '+' (TxD+/RxD+), не инвертированный

-A или '-' (TxD-/RxD-), инвертированный

-Опциональный общий провод. Соединение общих шин устройств не обязательно, но улучшает устойчивость работы интерфейса.

19. Последовательная передача данных USART, UART

Интерфейс USART (универсальный синхронно-асинхронный приемо-передатчик) - весьма гибкий модуль последовательной связи. USART поддерживает полнодуплексную асинхронную или синхронную передачу данных. USART также может работать в режиме "ведущий SPI" для работы с шиной SPI.

Рассмотрим прием байта. При отсутствии передачи линия находится в состоянии "1" . Признаком начала передачи является так называемый старт-бит, который всегда "0". За ним следуют 8 бит данных, младшим битом вперед. Заканчивается посылка стоп-битом, который всегда "1".

Приемник по первому спаду - начало старт-бита - синхронизируется, отсчитывает половину периода (времени передачи одного бита) и проверяет уровень на входе. Если он не "0" - значит, помеха, все отменяется. Если "0" - далее отсчитывает по полному периоду, и вдвигает 0 или 1 в сдвиговый регистр. Когда все 8 бит приняты, отсчитывается еще один период и проверяется наличие на входе "1" - стоп-бита. Если стоп-бит не равен "1", фиксируется ошибка, иначе байт считается принятым.(start0-7stop)

UDR - в этот регистр пишется байт на передачу, из него же считывается принятый байт. Хотя имя (и адрес) одно, физически это разные регистры, поскольку USART полностью дуплексный - приемник и передатчик работают независимо друг от друга (но с одной скоростью). 

USR - регистр состояния.

UCR - регистр управления.

И последний регистр - UBRR - регистр задания скорости.  Записываемый туда байт определяет коэффициент деления тактовой частоты.

-Последовательный канал (UART/USART)

-Некоторые микроконтроллеры серии AVR имеют: -  встроенный универсальный последовательный асинхронный приемопередатчик (UART);

-  универсальный последовательный синхронно/асинхронный приемопередатчик (USART).

-Протокол UART (USART) — это довольно распространенный протокол последовательной передачи информации. Такой протокол, в частности, использует последовательный порт компьютера (СОМ-порт). При помощи UART (USART) можно организовывать линию связи не только между двумя микроконтроллерами, но и между микроконтроллером и компьютером. Для обмена информацией UART (USART) использует две линии: RxD и TxD. Одна линия используется для приема информации, другая — для передачи. В модулях UART посылка может быть восьми- или девятиразрядной. В модуле USART ее  длина может составлять от 5 до 9 разрядов.

-Кроме того, модули могут вырабатывать и контролировать разряд четности. Скорость передачи определяется специальным внутренним программируемым делителем и частотой тактового генератора микроконтроллера. Коэффициент деления делителя может изменяться от 2 до 65536. Для того, чтобы  последовательный канал мог нормально обмениваться информацией с внешними устройствами, необходимо так подобрать коэффициент деления и частоту тактового генератора, чтобы получить одну из стандартных скоростей передачи информации. Например 2400, 4800, 9600,14400,19200, 28800 бит в секунду.

20. Передача данных  по интерфейсу  I2C.

I2C (Inter-Integrated Circuit) — последовательная шина данных для связи интегральных схем, разработанная фирмой Philips в начале 1980-х как простая шина внутренней связи для создания управляющей электроники. Используется для соединения низкоскоростных периферийных компонентов с материнской платой, встраиваемыми системами и мобильными телефонами. В стандартном режиме шина обеспечивает передачу последовательных 8-битных данных со скоростью до 100 кбит/с. Для осуществления процесса обмена информацией  по шине I2C используется всего два сигнала: линия данных SDA, линия синхронизации SCL.

3 режима работы при организации обмена данными:

1) полный дуплекс

Дуплексный режим позволяет вести передачу и прием одновременно в двух встречных направлениях.

2) полудуплексный

Полудуплексный режим позволяет выполнять поочередный обмен данными в обоих направлениях. В каждый момент времени передача может вестись только в одном направлении: один передает, другой принимает. И пока передача не закончилась, принимающий ничего не может сообщить передающему

3) однодуплексный

В симплексном режиме передача данных может вестись только в одном направлении: один передает, другой принимает

Скорость передачи 80 Кбит/сек.

В I2C 7 бит, что соответствует 128 устройствам (2^7=128).

Если ширина адреса 10 бит, тогда можно адресовать 2^10= 1024 устройств.

Условия передачи «старт» и «стоп».

1) «Старт».

Процедура обмена начинается с того, что формируется состояние «Старт»- генерируется переход сигнала линии SDA из высокого состояния в низкое при высоком уровне на линии SCL. Этот переход воспринимается всеми устройствами, подключенными к шине, как признак начала процедуры обмена.

2) «Стоп»

Обмен завершается тем, что формируется состояние «Стоп» - переход состояния линии SDA из низкого состояния в высокое при высоком состоянии линии SCL (см рис.49, но наоборот):  SDA=0, clock меняется от 0 до 1.

Состояния «Старт» и «Стоп» всегда вырабатываются ведущим. Считается, что шина занята после фиксации состояния «Старт», свободна - через некоторое время после фиксации состояния «Стоп».

I2C позволяет подключать 5 -6 устройств на одной плате.

АСК- acknowledge

I2C находит применение в устройствах, предусматривающих простоту разработки и низкую себестоимость изготовления при относительно неплохой скорости работы.

Список возможных применений:

-доступ к модулям памяти NVRAM;

-доступ к низкоскоростным ЦАП/АЦП;

-регулировка контрастности, насыщенности и цветового баланса мониторов;

-регулировка звука в динамиках;

-управление светодиодами, в том числе в мобильных телефонах;

-чтение информации с датчиков мониторинга и диагностики оборудования, например, термостат центрального процессора или скорость вращения вентилятора охлаждения процессора;

-чтение информации с часов реального времени (кварцевых генераторов);

-управление включением/выключением питания системных компонент;

-взаимодействие с микроконтроллерами PICAXE серии «X».

21. Передача данных  по интерфейсу  SPI.

SPI (англ. Serial Peripheral Interface, SPI bus — последовательный периферийный интерфейс, шина SPI) — последовательный синхронный стандарт передачи данных в режиме полного дуплекса, разработанный компанией Motorola для обеспечения простого и недорогого сопряжения микроконтроллеров и периферии. SPI также иногда называют четырёхпроводным (англ. four-wire) интерфейсом.

В отличие от стандартного последовательного порта (англ. standard serial port), SPI является синхронным интерфейсом, в котором любая передача синхронизирована с общим тактовым сигналом, генерируемым ведущим устройством (процессором). Принимающая (ведомая) периферия синхронизирует получение битовой последовательности с тактовым сигналом. К одному последовательному периферийному интерфейсу ведущего устройства-микросхемы может присоединяться несколько микросхем. Ведущее устройство выбирает ведомое для передачи, активируя сигнал «выбор кристалла» (англ. chip select) на ведомой микросхеме. Периферия, не выбранная процессором, не принимает участия в передаче по SPI.

В SPI используются четыре цифровых сигнала:

-MOSI или SI — выход ведущего, вход ведомого (англ. Master Out Slave In). Служит для передачи данных от ведущего устройства ведомому.

-MISO или SO — вход ведущего, выход ведомого (англ. Master In Slave Out). Служит для передачи данных от ведомого устройства ведущему.

-SCLK или SCK — последовательный тактовый сигнал (англ. Serial Clock). Служит для передачи тактового сигнала для ведомых устройств.

-CS или SS — выбор микросхемы, выбор ведомого (англ. Chip Select, Slave Select).

Главным составным блоком интерфейса SPI является обычный сдвиговый регистр, сигналы синхронизации и ввода/вывода битового потока которого и образуют интерфейсные сигналы. Таким образом, протокол SPI правильнее назвать не протоколом передачи данных, а протоколом обмена данными между двумя сдвиговыми регистрами, каждый из которых одновременно выполняет и функцию приемника, и функцию передатчика. Непременным условием передачи данных по шине SPI является генерация сигнала синхронизации шины. Этот сигнал имеет право генерировать только ведущий шины и от этого сигнала полностью зависит работа подчиненного шины.

Регистр SPDR - это как раз и есть регистр сдвига. Если устройство сконфигурировано как master,  то запись байта в регистр SPDR вызовет начало передачи - то есть тактовый генератор выдаст восемь тактов, за которые регистры сдвига master  и slave  устройств обменяются своим содержимым, после чего тактовые импульсы прекращаются, а в обоих устройствах устанавливаются флаги SPIF

В течение передачи по интерфейсу SPI данные одновременно передаются и принимаются по двум линиям синхронно с синхроимпульсами сдвига. Полярность и фаза последовательных синхроимпульсов сдвига - это основной компонент, определяющий формат передачи данных по интерфейсу SPI. Полярность последовательных синхроимпульсов соответствует свободному логическому состоянию линии синхронизации и поэтому также определяет, какой фронт синхроимпульса является активным ребром, бит выбора полярности синхроимпульсов (CKPOL; SPICF).

Фаза последовательных синхроимпульсов определяет, какой фронт используется для выборки данных последовательным регистром сдвига. Бит выбора фазы синхроимпульсов (CKPHA; SPICF.1) Совместно биты CKPOL и CKPHA позволяют определить четыре возможных формата передачи данных по SPI интерфейсу. Эти форматы приведены на рисунке.

Форматы передачи данных по SPI интерфейсу (определяется битами CKPOL и CKPHA)

Длительность SPI посылки.  Бит CHR позволяет выбирать длительность посылки 8 или 16 бит.

Скорости обмена данными по SPI интерфейсу. При работе в режиме ведомого, синхроимпульсы формирует внешнее ведущее устройство SPI интерфейса. Для правильной работы в режиме ведомого, частота синхроимпульсов не должна превышать частоту системных синхроимпульсов, деленную на 8.

22. Форматы шестнадцатеричных файлов.

Intel HEX — формат файла, предназначенного для представления произвольных двоичных данных в текстовом виде. Файл обычно имеет расширение HEX (hexadecimal). Встречаются две модификации: intel-standart и intel-extended. Intel-standart поддерживает только 16 бит адрес (до 64 кБайт). Intel-extended имеет расширенный список типов записей и 32-бит адрес.

Достоинством формата (в отличие от простого двоичного) является возможность указывать только определенные области адресов (с точностью до байта). Многие микроконтроллерные архитектуры имеют несколько областей программирования с обширными пустотами в адресации между ними.

Файл состоит из текстовых ASCII строк. Каждая строка представляет собой одну запись. Каждая запись начинается с двоеточия (:), после которого идет набор шестнадцатеричных цифр кратных байту:

-Начало записи (:).

-Количество байт данных, содержащихся в этой записи. Занимает один байт (две шестнадцатеричных цифры), что соответствует 0…255 в десятичной системе.

-Начальный адрес блока записываемых данных — 2 байта. Этот адрес определяет абсолютное местоположение данных этой записи в двоичном файле.

-Один байт, обозначающий тип записи. Определены следующие типы записей:

-0 — запись содержит данные двоичного файла.

-1 — запись обозначает конец файла, данных не содержит. Имеет характерный вид «:00000001FF».

-2 — запись адреса сегмента (подробнее см.ниже).

-4 — запись расширенного адреса (подробнее см.ниже).

-Байты данных, которые требуется сохранить в EPROM (их число указывается в начале записи, от 0 до 255 байт).

-Последний байт в записи является контрольной суммой. Рассчитывается так чтобы сумма всех байтов в записи была равна 0.

-Строка заканчивается стандартной парой CR/LF (0Dh 0Ah).

Запись адреса сегмента

Пример записи:
:020000021000EC где:

-02 Количество байт данных

-0000 В этом типе записи всегда равно 0000

-02 Тип записи 02 (запись адреса сегмента).

-1000 Номер параграфа (реальный адрес будет равен 0x10000).

-EC Контрольная сумма

Запись расширенного адреса

Пример записи:
: 0200000400FFFB где:

-02 Количество байт данных

-0000 Всегда равно 0

-04 Тип записи 04 (запись расширенного линейного адреса)

-00FF Старшее слово смещения адреса (0x00FF0000)

-FB Контрольная сумма

Пример одной записи данных:
:10246200464C5549442050524F46494C4500464C33 где:

-10 Количество байт данных (16 байт)

-2462 Адрес памяти, куда будет помещена запись.

-00 Тип записи — данные.

-464C...464C Данные

-33 Контрольная сумма записи.

SREC — формат текстового ASCII файла разработанный фирмой Motorola для хранения двоичных данных, также иногда называется Motorola S-record или S19. Формат имеет ряд преимуществ по сравнению с бинарными форматами. ASCII файлы можно изменять с помощью текстового редактора.

Этот формат был разработан в 1970 для процессора Motorola 6800 и используется многими компиляторами как конечный результат работы, особенно у компиляторов для встраиваемых систем.

SREC файл состоит из записей, представляющих собой ASCII символы. Все шестнадцатеричные (Hex) числа записаны в виде старший байт слева. Записи имеют следующую структуру:

1.  Старт, один символ S.
2.  Тип записи, одна цифра, 0 до 9, определяет тип поля данных.
3.  Число байт, две шестнадцатеричных цифры, указывающие количества байт в оставшейся части записи (адрес, поле данных, контрольная сумма).
4.  Адрес, четыре, шесть или восемь шестнадцатеричных цифр определяющих начальный адрес блока данных этой записи в памяти.
5.  Данные, двоичные данные закодированные шестнадцатеричными числами длиной n байт.
6.  Контрольная сумма, два шестнадцатеричных числа, дополняет до FF сумму чисел полей: число байт, адреса и данных. Необходима для проверки целостности данных.

Есть восемь типов записей, которые перечислены ниже:

Пример записи: S00F000068656C6C6F202020202000003C

где: S Старт; 0Тип записи; 0F Количество байт

0000 Адрес; 68656C6C6F20202020200000 Данные

3C Контрольная сумма

23. Программируемые системы на кристалле PSoC.

С появлением программируемых систем на кристалле (PSoC) фирмы Cypress разработчики получили мощный инструмент для проектирования; система на кристалле по цене восьми битного микроконтроллера. Такие стандартные элементы микроконтроллеров как АЦП, ЦАПы, таймеры, счетчики, ШИМы, UART легко реализуются в PSoC.

PSoC — это 8-разрядный микроконтроллер с ядром М8С, с конфигурируемой цифровой периферией и конфигурируемыми аналоговыми элементами. Название расшифровывается как «программируемая система на кристалле» (Programmable SoC). PSoC имеет небольшой набор стандартной периферии и блок конфигурируемых элементов, который выделяет эти микроконтроллеры из устройств той же ценовой категории. Конфигурируемые элементы (блоки) разделены на две группы:

-аналоговые, предназначенные для построения ЦАП, АЦП, компараторов, активных фильтров и т. п.;

-цифровые, предназначенные для построения счетчиков, ШИМ, последовательных каналов передачи, последовательного интерфейса с периферией (SPI), универсальных асинхронных приемопередатчиков (UART).

В «стандартную периферию» входят следующие блоки:

1. 8-разрядный умножитель, способный выполнять как умножение, так и умножение с накоплением (MAC );

2. система управления тактовыми сигналами, которые используются как для тактирования ядра и стандартной периферии, так и для конфигурируемых блоков;

3. контроллер I2 C , Master/Slave с тактовой частотой до 400 кГц;

4. Decimator — интегратор (первого или второго порядка).

5. программно управляемая система мониторинга питания POR/LVD;

6. генератор опорного напряжения для работы аналоговых блоков и компараторов POR/LVD;

7. Switch Mode Pump (SMP) — управляемый генератор, который при подключении внешней индуктивности, емкости и диода позволяет сделать повышающий преобразователь напряжения.

Программируемые системы на кристалле(PsoC).

Под программируемой системой на кристалле в общем случае понимается микросхема с интегрированным процессором, памятью, логикой и периферией, при этом окончательная аппаратная конфигурация программируется пользователем под конкретную задачу.

Класс PSoC можно подразделить на подклассы однородных и блочных систем.

В однородных PSoC одни и те же области кристалла при программировании могут быть использованы для реализации разных функций. Однородные PSoC обладают большой гибкостью и универсальностью применения по сравнению с блочными.

В блочных PSoC используются аппаратные и hard-ядра, то есть области кристалла, выделенные под строго определенные функции и выполненные по технологии ASIC. Реализация hard-ядер снижает универсальность, но уменьшает площадь кристалла и значительно повышает плотность системы в целом.

Преимущества технологии и области применения

Преимуществом PSoC является достаточно большая гибкость в сочетании с относительной дешевизной, а также достаточно широкая область применения. PSoC может применятся в таких областях, как:

-измерительная аппаратура

-бытовая электроника

-беспроводные технологии

-средства связи

-вычислительная аппаратура

24. Плисы. Архитектура, применение, программирования.

Программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС, англ. programmable logic device, PLD) — электронный компонент, используемый для создания цифровых интегральных схем. В отличие от обычных цифровых микросхем, логика работы ПЛИС не определяется при изготовлении, а задаётся посредством программирования (проектирования). Для программирования используются отладочные среды, позволяющие задать желаемую структуру цифрового устройства в виде принципиальной электрической схемы или программы на специальных языках Verilog, VHDL.

Существует 2 вида плисов:

1) CPLD (англ. complex programmable logic device — сложные программируемые логические устройства) содержат относительно крупные программируемые логические блоки — макроячейки, соединённые с внешними выводами и внутренними шинами. Функциональность CPLD кодируется в энергонезависимой памяти, поэтому нет необходимости их перепрограммировать при включении. Может применяться для расширения числа входов/выходов рядом с большими кристаллами, или для предобработки сигналов (например, контроллер COM-порта, USB, VGA).

Основой CPLD является матрица макроячеек, в которой реализованы логические соединения вентилей или более сложные логические операции. Блоки макроячеек объединены программируемой коммутационной матрицей с последующим выходом на входы (выходы) схемы. 

2) FPGA (англ. field-programmable gate array) (ППВМ) содержат блоки умножения-суммирования, которые широко применяются при обработке сигналов (DSP), а также логические элементы (как правило, на базе таблиц перекодировки — таблиц истинности) и их блоки коммутации. FPGA обычно используются для обработки сигналов, имеют больше логических элементов и более гибкую архитектуру, чем CPLD. Программа для FPGA хранится в распределённой памяти, которая может быть выполнена на основе энергозависимых ячеек статического ОЗУ. 

FPGA программируются путём изменения логики работы принципиальной схемы, например с помощью исходного кода на языке проектирования (типа VHDL), на котором можно описать эту логику работы микросхемы. ППВМ является одной из архитектурных разновидностей программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).

ППВМ могут быть модифицированы практически в любой момент в процессе их использования. Они состоят из конфигурируемых логических блоков, подобных переключателям с множеством входов и одним выходом (логические вентили или gates). Принципиальное отличие ППВМ состоит в том, что и функции блоков, и конфигурация соединений между ними могут меняться с помощью специальных сигналов, посылаемых схеме. 

Отличие этих двух видов определяется:

- строительным блоком

- цифровой логикой

Некоторые производители плисов: Atmel, Altera , Lattice semiconductor , Xilinx 

Один плис может заменить целый прибор. Микропроцессор построен на основе плисов (цифровая логика - аналоговой части нет).

Микроконтроллер: АВР, Микрочип, MPLab, каждая фирма дает свою среду.

Язык программирования: текстовый, графический.

25. Сетевая модель передачи информации (OSI).

Сетевая модель OSI (базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем, англ. Open Systems Interconnection Basic Reference Model) — абстрактная сетевая модель для коммуникаций и разработки сетевых протоколов. Представляет уровневый подход к сети. Каждый уровень обслуживает свою часть процесса взаимодействия. Благодаря такой структуре совместная работа сетевого оборудования и программного обеспечения становится гораздо проще и прозрачнее.

В настоящее время основным используемым семейством протоколов является TCP/IP, разработка которого не была связана с моделью OSI.

Модель состоит из 7-ми уровней, расположенных друг над другом. Уровни взаимодействуют друг с другом (по «вертикали») посредством интерфейсов, и могут взаимодействовать с параллельным уровнем другой системы (по «горизонтали») с помощью протоколов. Каждый уровень может взаимодействовать только со своими соседями и выполнять отведённые только ему функции.

Рассмотрим подробнее каждый из перечисленных уровней.

7. Прикладной уровень (уровень приложений; англ. application layer)

6. Уровень представления (англ. presentation layer)

5. Сеансовый уровень (англ. session layer)

4. Транспортный уровень (англ. transport layer)

3. Сетевой уровень  (англ. network layer)

2. Канальный уровень (англ. data link layer)

1. Физический уровень (англ. physical layer) 

Для запоминания названий 7-и уровней модели OSI на английском языке рекомендуют использовать фразу "All people seem to need data processing". Для запоминания уровней на русском языке существует фраза: "Просто представь себе тачку, стремящуюся к финишу".

26. Модули Xport и Wiport.

Последовательный сервер XPort представляет собой компактное средство, предназначенное для подключения к ЛВС (локальная вычислительная сеть) или сети Интернет любых устройств, имеющих последовательный интерфейс. Сегодня XPort обеспечивает самый высокий уровень интеграции, реализованный в последовательных серверах. Он размещается в компактном сетевом разъеме RJ-45 и включает в себя контроллер DSTni-LX 186, ОЗУ, сетевой адаптер 10/100 Base-T, высокоскоростной последовательный порт, светодиодные индикаторы и три программируемых входа-выхода. В объеме, обычно занимаемом сетевым разъемом, теперь размещается полнофункциональный сетевой интерфейс.

Интегрированный модуль с разъемом RJ-45 обеспечивает выделенный однокристальный сетевой интерфейс:

-Полный стек TCP/IP протоколов и ПО для инсталляции в Windows

-Скорость обмена до 230 Кбит/с

-2 x 12 контактов 2 мм контакты Компактный малой высоты (>12 мм)

-Двухштырьковая шина GPIO

WiPort – это сервер последовательных устройств величиною со спичечный коробок, впервые предлагающий беспроводный Ethernet стандарта IEEE 802.11b и обычный проводной Ethernet в едином компактном интегрированном преобразователе с разъемом RS-232.

WiPort не зависит от вычислительной платформы и объединяет в едином модуле процессор, память, 802.11b-приемопередатчик, и два высокоскоростных последовательных порта. WiPort включает также операционную систему, встроенный web-сервер, полный стек протоколов TCP/IP.  40-контактный модуль WiPort может поддерживать самые различные интерфейсы, а гибкая антенна позволяет разместить WiPort в любом месте на плате.

WiPort также предлагает беспрецедентные скорости последовательной передачи данных, поддерживая до 920 Kбит/сек и дает больше возможностей управления, предоставляя 11 одновременно настраиваемых каналов ввода/вывода – больше чем может предоставить любой беспроводной сервер устройств. Кроме того, программное обеспечение, разработанное для Xport полностью совместимо с платформой WiPort, что позволяет быстрее и легче перейти от проводных систем к беспроводным.

Итак, пользователи смогут получать удаленный доступ, осуществлять управление и мониторинг из любой точки с помощью интернета. Благодаря легкой интеграции WiPort, производители в самых разных отраслях, включая системы безопасности, промышленную автоматизацию, торговлю, медицину, строительство и др. смогут быстро внедрить в свои продукты поддержку проводных и беспроводных интернет-сетей для каждой конкретной задачи.

27. Пакеты для проектирования  электронных устройств Eagle и Proteus.

Eagle (компания CADSoft 1997 год). Это комплексное средство для разработки печатных плат, начиная с создания принципиальной электрической схемы и заканчивая созданием печатной платы и её трассировкой. Pro-версия позволяет разрабатывать печатные платы размером до 1600x1600 мм (16 слоёв) с разрешением до 1/10000 мм. Для этого в программе реализованы три модуля: графический редактор схем (Schematic Module), редактор печатных плат (Layout Editor), весьма гибкий и удобный редактор библиотек (Library Editor) и автотрассировщик (Autorouter).  Кроме этого программа имеет довольно большую библиотеку, содержащую множество стандартных и достаточно распространённых электронных компонентов, например микроконтроллеры.

В стандартный комплект поставки входят также модули, проверяющие правильность подключения электрических цепей (ERC – Electrical Rule Check) и правильность расположения компонентов на плате (DRC – Design Rule Check). Причём две последних операции выглядят намного приятнее, чем в более продвинутых системах. EAGLE проверяет правильность дизайна и соединений так, что пользователь вообще не знает, что этим занимается какая-то посторонняя утилита.

Систему единиц (дюймовую или метрическую) можно изменить на любой фазе работы с проектом без каких-либо потерь.

Одним из основных достоинств данного пакета профессионалы выделяют полную синхронность изменений в проекте. К примеру, если вы изменили или удалили какой-либо компонент на схеме, это тут же отразится на рисунке платы. Кроме того, в EAGLE откат событий (UNDO) возможен на любое количество действий.

Proteus (компания Labcenter Electronics). Proteus – это пакет программ для автоматизированного проектирования электронных схем. Пакет представляет собой систему схемотехнического моделирования, базирующуюся на основе моделей электронных компонентов принятых в PSpice. Отличительной чертой пакета Proteus Professional является возможность моделирования работы программируемых устройств: микроконтроллеров, микропроцессоров, DSP и прочее. Дополнительно в пакет Proteus Professional входит система проектирования печатных плат. Proteus Professional может симулировать работу следующих микроконтроллеров: 8051, ARM7, AVR, Motorola, PIC, Basic Stamp. Библиотека компонентов содержит справочные данные.

Поддерживает более 6000 аналоговых и цифровых моделей устройств. Работает с большинством компиляторов и ассемблеров. PROTEUS VSM позволяет очень достоверно моделировать и отлаживать достаточно сложные устройства, в которых может содержаться несколько МК одновременно и даже разных семейств в одном устройстве!

Proteus состоит из двух основных модулей:

ISIS графический редактор принципиальных схем служит для ввода разработанных проектов с последующей имитацией и передачей для разработки печатных плат в ARES. К тому же после отладки устройства можно сразу развести печатную плату в ARES которая поддерживает авто размещение и трассировку по уже существующей схеме.

ARES графический редактор печатных плат со встроенным менеджером библиотек и автоматической расстановкой компонентов на печатной плате.

PROTEUS имеет уникальные возможности:

-USBCONN этот инструмент позволяет подключиться к реальному USB порту компьютера.

-COMPIM этот компонент позволяет вашему виртуальному устройству подключится к РЕАЛЬНОМУ COM-порту вашего ПК.

28. Использование платформы  Eclipse для создания программного обеспечения встроенных систем.

Eclipse (от англ. затмение) — свободная интегрированная среда разработки модульных кроссплатформенных приложений. Развивается и поддерживается Eclipse Foundation.

Наиболее известные приложения на основе Eclipse Platform — различные «Eclipse IDE» для разработки ПО на множестве языков (например, наиболее популярный «Java IDE», поддерживавшийся изначально, не полагается на какие-либо закрытые расширения, использует стандартный открытый API для доступа к Eclipse Platform).

Eclipse служит в первую очередь платформой для разработки расширений, чем он и завоевал популярность: любой разработчик может расширить Eclipse своими модулями. Уже существуют Java Development Tools (JDT), C/C++ Development Tools (CDT), разрабатываемые инженерами QNX совместно с IBM, и средства для языков Ada (GNATbench, Hibachi), COBOL, FORTRAN, PHP и пр. от различных разработчиков.

Eclipse JDT (Java Development Tools) — наиболее известный модуль, нацеленный на групповую разработку: среда интегрирована с системами управления версиями — CVS, GIT в основной поставке, для других систем (например, Subversion, MS SourceSafe) существуют плагины. В силу бесплатности и высокого качества, Eclipse во многих организациях является корпоративным стандартом для разработки приложений.

Eclipse написана на Java, потому является платформо-независимым продуктом, за исключением библиотеки SWT, которая разрабатывается для всех распространённых платформ. Библиотека SWT используется вместо стандартной для Java библиотеки Swing. Она полностью опирается на нижележащую платформу (операционную систему), что обеспечивает быстроту и натуральный внешний вид пользовательского интерфейса.

Основой Eclipse является платформа расширенного клиента (RCP — от англ. rich client platform). Её составляют следующие компоненты:

-Ядро платформы (загрузка Eclipse, запуск модулей);

-OSGi (стандартная среда поставки комплектов (англ. bundles));

-SWT (портируемый инструментарий виджетов);

-JFace (файловые буферы, работа с текстом, текстовые редакторы);

-Рабочая среда Eclipse (панели, редакторы, проекции, мастеры).

Гибкость Eclipse обеспечивается за счёт подключаемых модулей, благодаря чему возможна разработка не только на Java, но и на других языках.

Платформа

Eclipse Project включает в себя:

-Eclipse Platform — каркас.

-Plug-in Development Environment — инструмент расширения Eclipse-платформы посредством Eclipse-плагинов

-Java Development Tools — инструмент разработки Java-программ и Eclipse-плагинов в частности

-Rich Client Platform — платформа расширенного клиента, минимальный набор плагинов для построения программы с графическим интерфейсом

29-30. Средства ввода и вывода.

Се́нсорный экран — устройство ввода информации, представляющее собой экран, реагирующий на прикосновения к нему.

Достоинства.

-Простота интерфейса.

-В аппарате могут сочетаться небольшие размеры и крупный экран.

-Быстрый набор в спокойной обстановке.

-Серьёзно расширяются мультимедийные возможности аппарата.

Недостатки.

-Нет тактильной отдачи

-Высокое энергопотребление.

-Особо тонкие модели экранов даже при незначительном повреждении рискуют быть растресканными или вообще разбитыми.

Резистивные сенсорные экраны.

Четырёхпроводной экран.

 

Резистивный сенсорный экран состоит из стеклянной панели и гибкой пластиковой мембраны. И на панель, и на мембрану нанесено резистивное покрытие. Пространство между стеклом и мембраной заполнено микроизоляторами, которые равномерно распределены по активной области экрана и надёжно изолируют проводящие поверхности. Когда на экран нажимают, панель и мембрана замыкаются, и контроллер с помощью АЦП регистрирует изменение сопротивления и преобразует его в координаты прикосновения (X и Y). В общих чертах алгоритм считывания таков:

-На верхний электрод подаётся напряжение +5В, нижний заземляется. Левый с правым соединяются накоротко, и проверяется напряжение на них. Это напряжение соответствует Y-координате экрана.

-Аналогично на левый и правый электрод подаётся +5В и «земля», с верхнего и нижнего считывается X-координата.

Существуют также восьмипроводные сенсорные экраны. Они улучшают точность отслеживания, но не повышают надёжности.

Пятипроводной экран

 

Пятипроводной экран более надёжен за счёт того, что резистивное покрытие на мембране заменено проводящим (5-проводной экран продолжает работать даже с прорезанной мембраной). На заднем стекле нанесено резистивное покрытие с четырьмя электродами по углам.

Изначально все четыре электрода заземлены, а мембрана «подтянута» резистором к +5В. Уровень напряжения на мембране постоянно отслеживается АЦП. Когда ничто не касается сенсорного экрана, напряжение равно 5 В.

Как только на экран нажимают, микропроцессор улавливает изменение напряжения мембраны и начинает вычислять координаты касания следующим образом:

-На два правых электрода подаётся напряжение +5В, левые заземляются. Напряжение на экране соответствует X-координате.

-Y-координата считывается подключением к +5В обоих верхних электродов и к «земле» обоих нижних.

Матричные сенсорные экраны.

Конструкция и принцип работы.

Конструкция аналогична резистивной, но упрощена до предела. На стекло нанесены горизонтальные проводники, на мембрану — вертикальные.

При прикосновении к экрану проводники соприкасаются. Контроллер определяет, какие проводники замкнулись, и передаёт в микропроцессор соответствующие координаты.

Особенности

Имеют очень низкую точность. Элементы интерфейса приходится специально располагать с учётом клеток матричного экрана. Единственное достоинство — простота, дешевизна и неприхотливость. Обычно матричные экраны опрашиваются по строкам (аналогично матрице кнопок); это позволяет наладить мультитач. Постепенно заменяются резистивными.

Ёмкостные сенсорные экраны.

Конструкция и принцип работы

Принцип действия ёмкостного сенсорного экрана

Ёмкостный (или поверхностно-ёмкостный) экран использует тот факт, что предмет большой ёмкости проводит переменный ток.

Ёмкостный сенсорный экран представляет собой стеклянную панель, покрытую прозрачным резистивным материалом (обычно применяется сплав оксида индия и оксида олова). Электроды, расположенные по углам экрана, подают на проводящий слой небольшое переменное напряжение (одинаковое для всех углов). При касании экрана пальцем или другим проводящим предметом появляется утечка тока. При этом чем ближе палец к электроду, тем меньше сопротивление экрана, а значит, сила тока больше. Ток во всех четырёх углах регистрируется датчиками и передаётся в контроллер, вычисляющий координаты точки касания.

В более ранних моделях ёмкостных экранов применялся постоянный ток — это упрощало конструкцию, но при плохом контакте пользователя с землёй приводило к сбоям.

Ёмкостные сенсорные экраны надёжны, порядка 200 млн нажатий (около 6 с половиной лет нажатий с промежутком в одну секунду), не пропускают жидкости и отлично терпят не токопроводящие загрязнения. Прозрачность на уровне 90%. Впрочем, проводящее покрытие, расположенное прямо на внешней поверхности, всё ещё уязвимо. Поэтому ёмкостные экраны широко применяются в автоматах, лишь установленных в защищённом от непогоды помещении. Не реагируют на руку в перчатке.

Стоит заметить, что из-за различий в терминологии часто путают поверхностно- и проекционно-ёмкостные экраны. По классификации, применённой в данной статье, экран, например, iPhone является проекционно-ёмкостным, а не ёмкостным.

Проекционно-ёмкостные сенсорные экраны. 

Конструкция и принцип работы.

Принцип действия проекционно-ёмкостного сенсорного экрана

На внутренней стороне экрана нанесена сетка электродов. Электрод вместе с телом человека образует конденсатор; электроника измеряет ёмкость этого конденсатора (подаёт импульс тока и измеряет напряжение).

Особенности

Прозрачность таких экранов до 90%, температурный диапазон чрезвычайно широк. Очень долговечны (узкое место — сложная электроника, обрабатывающая нажатия). На ПЁCЭ может применяться стекло толщиной вплоть до 18 мм, что приводит к крайней устойчивости. На непроводящие загрязнения не реагируют, проводящие легко подавляются программными методами. Поэтому проекционно-ёмкостные сенсорные экраны широко применяются и в персональной электронике, и в автоматах, в том числе установленных на улице.

Сенсорные экраны на поверхностно-акустических волнах

Конструкция и принцип работы

Экран представляет собой стеклянную панель с пьезоэлектрическими преобразователями (ПЭП), находящимися по углам. По краям панели находятся отражающие и принимающие датчики. Принцип действия такого экрана заключается в следующем. Специальный контроллер формирует высокочастотный электрический сигнал и посылает его на ПЭП. ПЭП преобразует этот сигнал в ПАВ, а отражающие датчики его соответственно отражают. Эти отражённые волны принимаются соответствующими датчиками и посылаются на ПЭП. ПЭП, в свою очередь, принимают отражённые волны и преобразовывают их в электрический сигнал, который затем анализируется с помощью контроллера. При касании экрана пальцем часть энергии акустических волн поглощается. Приёмники фиксируют это изменение, а микроконтроллер вычисляет положение точки касания. Реагирует на касание предметом, способным поглотить волну (палец, рука в перчатке, пористая резина).

Мультитач (англ. multi-touch — множественное прикосновение) — функция сенсорных систем ввода, осуществляющая одновременное определение координат двух и более точек касания. Мультитач может применяться, например, для изменения масштаба изображения: при увеличении расстояния между точками касания происходит увеличение изображения. Кроме того, мультитач-экраны позволяют работать с устройством одновременно нескольким пользователям. Они часто используются для осуществления других, более простых функций сенсорных дисплеев, таких как single touch или квази мультитач.

Наиболее распространённые мультитач-жесты

-Сдвинуть пальцы — мельче

-Раздвинуть пальцы — крупнее

-Двигать несколькими пальцами — прокрутка

-Поворот двумя пальцами — поворот объекта/изображения/видео

1. Часы с дополнительными функциями
2. Дипломная работа- Расчет параметров тягового электродвигателя
3. Фонема аксиоматика и выводы
4. За даними фінансової звітності підприємства форма 1 додаток А проведіть оцінку ризику втрати платоспромо
5. Формування національної свідомості учнів у десятому класі в курсі вітчизняної історії
6. История развития рекламы
7. ГЭСЭРТУР 2
8. стратегия развития
9. Теоретическое знакомство с явлением преобразования тепловой энергии в электрическую при контакте разноро
10. рациональной функции Представление правильной дробнорациональной функции в виде суммы простейших дробе
11. . ~ 304 с. ил. 20 23 Андрей Петрович РЯБУШКИН 1861 ~ 1904 43 Из стен Московского училища вышел один из самых п
12. Розважально-конкурсні програми
13. принципів права Європейського Союзу- принципи права Європейського Союзу ~ це керівні засади що концентров
14. Определение фактических навигационных элементов на контрольном этапе
15. 10.2013. Дата.
16. тематического образования
17. Анализ хозяйственной деятельности
18. Диагностирование асинхронных двигателей единых серий
19. вариантов технологии
20. Особенности воспитания религией в Китае

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе