Разработка измерителя гистограмм на однокристальном микропроцессоре

 

 

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

 

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

Радиотехнический факультет

 

Кафедра радиотехники

 

 

 

 

 КУРСОВАЯ РАБОТА

 

                                      

по дисциплине

”Цифровые устройства и микропроцессоры”

 

 

 

Тема: ”Разработка измерителя гистограмм на однокристальном микропроцессоре”

 

 

 

 

ЗАДАНИЕ

на  курсовую  работу

 

по дисциплине ”Цифровые устройства и микропроцессоры ”

Студентка группы РТ-

Перечень вопросов, подлежащих разработке :

На базе микропроцессора разработать измеритель гистограмм последовательности из 1000 входных отсчетов 8 разрядных кодов на 8 колодцах с записью результата во внешнее ОЗУ. Частота ввода 1000 кодов/с

 

Замечания руководителя

 

 

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Условные обозначения

 

БИС – большая интегральная схема

БУВВ – буфер устройств ввода-вывода

ГТИ – генератор тактовых импульсов

МПС – микропроцессорная система

МПУ – микропроцессорное устройство

МСВУ – модуль связи с внешними устройствами

ОЗУ – оперативное запоминающее устройство

ПЗУ – постоянное запоминающее устройство

ППИ – программируемый параллельный интерфейс

РПЗУ – перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство

УУ – устройство управления

ЦП – центральный процессор

ША – шина адреса

ШАМП – шина адреса микропроцессора

ШД – шина данных

ЩДМП – шина данных микропроцессора

ШУ – шина управления

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Целью курсового проектирования является приобретение практических навыков по  проектированию простейших микропроцессорных  устройств и направлено на достижение следующих  основных  целей:

• изучение и сравнительный анализ микропроцессорных комплектов  БИС  и  СБИС  запоминающих  устройств;
• изучение  вариантов построения  цифровых  устройств на основе  микропроцессорных  комплектов  БИС;
• закрепление  навыков по выбору и реализации системного интерфейса, а также способам обеспечения  программной доступности типовых внешних  элементов -  аналого-цифровых  и  цифро-аналоговых преобразователей, датчиков, органов  управления и индикации   и  т.д.;
• демонстрация  практических способностей  по программированию микропроцессорных устройств на уровне Ассемблера и  машинных кодов;
• получение  навыков  по организации  процесса  проектирования,  поиску и  анализу соответствующей научно-технической литературы, а также правильному составлению и оформлению документации в  соответствии с Единой Системой Конструкторской Документации  (ЕСКД).

Объектом проектирования являются простейшее микропроцессорное  устройство (МПУ).

На основании требований к микропроцессорной системе, основными из которых являются быстродействие, стоимость, потребляемая мощность, сложность алгоритмов обработки производится первоначальный выбор микропроцессора.

Если требования по быстродействию устройства невелики, а сложность алгоритма обработки информации велика. то предпочтение может быть отдано однокристальному микропроцессору, например КР580ВМ80А.

В данной курсовой работе надо будет разработать. измеритель дисперсии, для этого используем формулу для нахождения дисперсии .Дисперсия в математической статистике т теории вероятностей - это наиболее употребительная мера рассеивания, то есть отклонение от среднего значения.

 

 

 

 

 

1. Разработка и детализация структурной схемы МПУ

 

1. Анализ принципов работы и целесообразных способов управления внешним устройством

Исходя из того, что на вход проектируемого МПУ поступают входные 8 разрядные отсчеты, а на выходе – 16-разрядные, то нам понадобится один порт ввода и два порта вывода:

Port 1 (00H) – порт сопряжения с АЦП

Port 2 (04H) – порт сопряжения с шиной адреса внешнего ОЗУ.

Port 3 (05H) – порт сопряжения со старшими  8 разрядами шины данных внешнего ОЗУ.

Port 4 (06H) – порт сопряжения с младшим разрядом шины данных, а также сигналами синхронизации записи и чтения данных внешнего ОЗУ.

 

 

 

1.2. Разработка обобщенной структурной  схемы МПУ.

 

Структурная схема МПУ

 

 

Рис. 1

 

 

 

1.3. Особенности системно интерфейса

С задачей  обмена информацией между модулями МПС или другими блоками связано понятие системного интерфейса, то есть совокупности  средств, обеспечивающих совместимость модулей или иных блоков.

Аспектами стандартизации интерфейса являются функциональная, электрическая и механическая совместимости.

Функциональная совместимость модулей требует выработки определенных управляющих сигналов, генерируемых обменивающимися модулями, имеющих заданное смысловое значение и временное положение.

Электрическая совместимость обеспечивается определенными уровнями сигналов, их мощностями и т.п.

Механическая совместимость предполагает применение определенных типов и размер конструкций, соединителей и т.п.

Соответственно сказанному, к основным элементам системного интерфейса относят протокол обмена (совокупность правил, регламентирующих способ выполнения заданных функций), аппаратную часть (физическую реализацию устройств) и программное обеспечение.

Интерфейсы имеют развитую классификацию по признакам конфигурации цепей связи между объектами (магистральные, радиальные интерфейсы и др.), способу передачи информации (параллельные, последовательные и др.), режиму передачи данных (дуплексный, полудуплексный и симплексный), способу обмена (асинхронные и синхронные).

 

 

 

1.4. Разработка структурной и функциональной схем модуля связи с внешними устройствами

Учитывая конкретизацию системного интерфейса из структурной схемы (рис. 1) можно выделить структурную схему МСВУ (рис.2), подлежащую дальнейшей детализации.

Структурная схема МСВУ

Рис.2

 

Для буферизации данных внешних устройств используем программируемый параллельный интерфейс КР580ВВ55. Так как БИС ППИ имеет 3 порта, предназначенных как для ввода, так и для вывода данных, то нам потребуется две БИС для реализации 3-х портов ввода-вывода и управляющих сигналов. А следовательно, понадобится селектор адресов, формирующий управляющие сигналы обращения к конкретному порту ввода-вывода. Таким образом, функциональная схема МСВУ примет вид, показанный на рис. 3.

 

Функциональная схема МСВУ

Рис. 3

 

 

1.5. Разработка и детализация структурной схемы модуля ОЗУ и ПЗУ

Для решения поставленной задачи нам нет необходимости включать в схему ОЗУ, так как все данные могут храниться в регистрах процессора.

Нам потребуется около 100 байт постоянной памяти для хранения кода программы.

Организуем блок ПЗУ на БИС РПЗУ К573РФ1 (информационная емкость 1Кх8).

Составим структурную схему модуля ПЗУ (рис. 4).

Структурная схема модуля памяти.

Рис. 4

 

Рис. 5

 

 

2. Разработка схемы электрической принципиальной МПУ.

Следуя принципу последовательной детализации, обеспечим организацию управления в МПУ обработкой и обменом информацией.

Выходы генератора тактовых импульсов D1 (КР580ГФ24) подключаются непосредственно к МП (D2) через специально предназначенные для этого входы. В схеме генератора стоит кварцевый резонатор с частотой 18500 кГц, которая делится на 9 перед подачей в МП. Кроме того, генератор обеспечивает МП импульсами ”Сброс” и “Готовность”.

Передача самой информации в МП из памяти или портов ввода-вывода есть ЧТЕНИЕ, а из МП в память или порт вывода - ЗАПИСЬ осуществляются по шине данных ШД. С помощью шины адреса ША микропроцессор обращается к ячейкам памяти или портам ввода – вывода. Однако память нельзя подключить к шинам напрямую, так как их сигналы имеют малые значения.

Выполним обмен информацией в МПУ в программно-управляемом режиме, все действия по обмену информацией будут инициироваться прикладной программой.

При этом будет выполнен изолированный способ ввода – вывода, когда связь с устройствами ввода-вывода осуществляется с помощью специальных команд OUT и IN.

Сигналы, управляющие вводом – выводом ЧТВУ, ЗПВУ и чтением памяти ЧТЗУ будут сформированы системным контроллером D3 (КР580ВК28). Одновременно эта микросхема обеспечит повышение нагрузочной способности по шине данных ШД.

Порты сопряжения с внешними регистрами хранения выходных результатов, а также приема внешних управляющих сигналов удобно выполнить на двух БИС ППИ КР580ВВ55, запрограммированных в нулевом режиме.

Схема электрическая принципиальная изображена в приложении 1.

Расчет нагрузочной способности

Для нормального функционирования микропроцессорной системы в случае правильного логического соединения между собой всех микросхем необходимо выполнение следующих условий:

1. Алгебраическая  сумма входных токов всех входов  и выходов микросхем, подключенных к любой линии любой шины (адреса, управления, или данных), должна быть не больше, чем максимальный выходной ток любого источника сигнала, работающего на эту линию. Иначе говоря, если на какую-то линию работает источник сигнала с самым маленьким допустимым выходным током, то этот ток должен, тем не менее, перекрывать сумму входных токов всех БИС, подключенных к данной линии. Поскольку для некоторых микросхем входные токи в состоянии «лог. О» и «лог. 1» различны, то и расчет должен проводиться отдельно как для уровня «лог. О», так и для уровня «лог. 1». В математической форме рассмотренный критерий можно записать так:

                                                  

I0,выхmin >= SI0вхi  ;            I1,выхmin >=  SI1вхi 

                                                  

Где I0,выхmin ,  I1,выхmin  — выходной ток соответственно источника с наименьшим максимально допустимым выходным током в состоянии «лог. О» и источника с наименьшим максимально допустимым выходным током в состоянии «лог. 1» (в общем случае эти источники могут быть разными): I0вхi , I1вхi — входные токи

соответственно в состоянии «лог. О» и «лог. 1» i-того приемника сигнала, подключенного к данной шине.

Максимальные допустимые выходные токи и входные токи в состоянии «лог. О» и «лог. 1» для некоторых типов микросхем приведены в приложении 2.

ШД: I0,выхmin=2 мА, SI0вхi = 0,75+0,2+2*0,01=0,92 мА

ША: I0,выхmin=5 мА, SI0вхi =0,02+0,4+0,2=0,62 мА

2. Сумма входных  емкостей Свх всех источников  и приемников по любой линии  любой шины (адреса, управления или данных) должна быть не больше, чем любая из предельных допустимых емкостей нагрузок Сн источников, работающих на эту линию. Этот критерий подобен предыдущему и для его вычисления необходимо просто подсчитать суммарную емкость тех входов и выходов микросхем, которые подключены к данной шине, а затем проверить, не. превышает ли она величину максимальной емкостной нагрузки для источника сигнала, работающего на эту же шину, у которой такая емкостная нагрузка меньше, чем у любого другого источника. Математически критерий 2 можно записать так:

                                                                                              

Cнmin >= SCвх./вых. I + Cм,

                                                                                                

где См — емкость монтажа и соединительных проводов данной линии.

Для одноплатной микроЭВМ можно взять См =10 пФ. Заметим, что в сумму SСвх/вых i входят и емкости тех контактов, которые являются источниками сигналов на рассчитываемую линию.

ШД: Cнmin =200 пФ, SCвх./вых. I=12+40+24+20=96пФ

ША: Cнmin =200 пФ, SCвх./вых. I=15+2*20+12+20=87пФ

Таким образом, схема электрическая принципиальная измерителя гистограмм является рабочей и полнофункциональной.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Разработка программных средств  МПУ

 

3.1 Разработка схемы алгоритма

 

3.2. Программа на ассемблере

 

Адрес	Команда	Маш. код	Время в тактах
0000	MVI A, 92H	3E 92	7	Программирование ППИ 1
0002	OUT 03H	D3 03	10	-
0004	MVI A, 80H	3E 80	7	Программирование ППИ 2
…..	OUT 07H	D3 07	10	на вывод данных
	MVI C, 08H	0E 08	7	Счетчик
	MVI A, 00H	3E 00	7	-
	MVI B 00H	06 00	7	-
Zero:	MOV A, B	78	5	Вывод адреса
	OUT 04H	D3 04	10	-
	INR B	04	5	Увеличение B на 1
	MVI A, 00H	3E 00	7	вывод 0 на данные
	OUT 05H	D3 05	10	-
	OUT 06H	D3 05	10	-
	MVI A, 01H	3E 01	7	MEMW = 1
	OUT 07H	D3 07	10	-
	MVI A, 00H	3E 00	7	MEMW = 0
	OUT 07H	D3 07	10	-
	DCR C	0D	5	Уменьшение C на 1
	JNZ Zero	C2 Zero	10	Прыжок на вывод адреса
	LXI H, 3E8H	21 E8 03	10	1000 -> (HL)
Input:	IN 02H	DB 02	10	Проверка флага ГД
	RAR	1F	4	задержка
	JNC Input	D2 Input	10	Прыжок на проверку флага ГД
	IN 00H	DB 00	10	Ввод данных с АЦП
	MOV B,A	47	5	Замена B на A
	RAR	1F	4	Деление на 32
	RAR	1F	4	-
	RAR	1F	4	-
	RAR	1F	4	-
	RAR	1F	4	-
	MOV C, A	4F	5	Сохранение результата
	RAL	17	4	Умножение на 32
	RAL	17	4	-
	RAL	17	4	-
	RAL	17	4	-
	RAL	17	4	-
	CMP B	B8	5	Сравнение B и C
	JNC In_RAM	D2 In_RAM	10	Прыжок на ввод данных с ОЗУ
	INR C	0C	10	Увеличение C на 1
	MOV B, C	41	5	Замена B на C
In_RAM:	MVI A, 8AH	3E 8A	7	Программируем ППИ2 на ввод данных
	OUT 07H	D3 07	10	-
	MOV A, B	78	5	Вывод Index ячейки
	OUT 04H	D3 04	10	-
	MVI A, 03H	3E 03	7	MEMR = 1
	OUT 07H	D3 07	10	-
	IN 05H	DB 05	10	Введение значения ячейки [index]
	MOV D, A	57	5	Замена D на A
	IN 06H	DB 06	10	-
	ADI 80H	C6 80	7	Увеличение A на 1
	MOV E, A	5F	5	Замена E на A
	MOV A, D	7A	5	Замена A на D
	ACI 00H	CE 00	7	Уменьшение A на 1
	MOV D, A	57	5	Замена D на A
	MVI A, 02H	3E 02	7	MEMR = 0
	OUT 07H	D3 07	10	-
Out_RAM:	MVI A, 80H	3E 80	7	Программируем ППИ2 на вывод данных
	OUT 07 H	D3 07	10	-
	MOV A, B	78	5	Выводим index ячейки
	OUT 04H	D3 04	10	-
	MOV A, D	7A	5	Вывод значения [index] ячейки
	OUT 05H	D3 05	10	-
	MOV A, E	7B	5	Замена A на E
	ANI FBH	E6 FB	7	-
	ADI 01H	C5 01	7	MEMW = 1
	OUT 06H	D3 06	10	-
	MVI A, 00H	3E 00	7	MEMW = 0
	OUT 07H	D3 07	10	-
	DCR L	2D	5	Уменьшаем HL на единицу
	JP m1	F2 m1	10	Прыжок на m1
	DCR H	25	5	Уменьшение H на 1
m1:	MOV A, H	7C	5	Замена A на H
	ORA L	B5	4	-
	JZ 04H	CA 04 00	10	Если в HL 0, то переходим на обнуление
	JMP Input	C3  Input	10	массива, иначе читаем след. значение…
	Объем:	134 байт