Проектирование генератора, формирующего аналоговый сигнал

Проектирование генератора, формирующего аналоговый сигнал

1. АНАЛИЗ ЗАДАНИЯ

.1 Формирование кодовой таблицы аналогового сигнала

По заданию необходимо спроектировать генератор, формирующий аналоговый сигнал, заданный на рисунке 1.

Для получения заданного аналогового сигнала на выходе генератора необходимо провести его преобразование. Обработка сигнала производится с учетом заданной частоты дискретизации Fs=45кГц, максимального напряжения Umax=4,02 В и количества отсчетов на период N=32.

Разобьем заданный сигнал на 32 временных интервала, величина которых ts определяется частотой дискретизации:

генератор сигнал микроконтроллер порт

ts=1/Fs,=1/45 кГц=0,022 мс.

Таким образом, длительность одного периода сигнала составит:

=N*ts,=32*0,022=0,704 мс.

Проекции точек, соответствующих границам временных интервалов, на ось напряжений (отсчеты), позволяют получить мгновенные значения напряжений в точках дискретизации.

Для каждого отсчета формируемого сигнала необходимо определить кодовую комбинацию, соответствующую значению выходного напряжения Uвых.

С учетом формы сигнала и необходимой точности преобразования будем использовать восьмиразрядные кодовые комбинации. Тогда, при 28 получим 256 уровней квантования сигнала по напряжению.

По заданию максимальное выходное напряжение соответствует величине 4,02 В, следовательно опорное напряжение Uref можно принять равным 5,12 В.

Значение напряжения, формируемого на выходе n-разрядного ЦАП, определяется соотношением:

выхN=DN*Uref/2n,

где Dn - десятичный эквивалент числа на входе ЦАП, соответствующий отсчету N,ref - величина опорного напряжения,

n - количество уровней квантования при n-разрядном преобразовании.

Минимальное приращение напряжения на выходе ЦАП определяется как:

∆UвыхMIN=Uref/2n,

∆UвыхMIN=5,12/256=0,02 В

Следовательно, десятичный эквивалент числа на входе ЦАП, соответствующий отсчету N, определяется соотношением:

=UвыхN/∆UвыхMIN,

Где UвыхN - значение выходного напряжения, принятое для отсчета N.

Результаты обработки заданного сигнала приведены на рисунке 1.

Рисунок 1 - Дискретизация заданного сигнала генератора

Для каждого значения DN следует определить соответствующую шестнадцатиричную кодовую комбинацию HN, округляя значения до ближайшего целого.

Результаты дискретизации аналогового сигнала, формируемого на выходе генератора, приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Кодовая таблица выходного сигнала генератора

1.2 Общая характеристика микроконтроллера P83C51RB+

Генератор разрабатывается на базе однокристальной микро-ЭВМ Philips P83C51RB+ с рабочей частотой 33 МГц. Основные характеристики микроконтроллера приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Основные характеристики микроконтроллера P83C51RB+

Условное графическое обозначение микроконтроллера P83C51RB+ представлено на рисунке 2.

Рисунок 2 - УГО микроконтроллера P83C51RB+ в корпусе DIP40

Назначение выводов микроконтроллера приведены в таблице 3.

.2.1 Организация памяти и программная модель P83C51RB+

Микроконтроллеры семейства MCS-51 относятся к классу устройств с гарвардской архитектурой, т.е имеют разделенные адресные пространства памяти программ и памяти данных. Функционально и логически они разделены за счет реализации различных алгоритмов адресации и формирования разных сигналов управления. К ним относятся: внешняя память программ (ВПП), резидентная память программ (РПП), внешняя память данных (ВПД), резидентная память данных (РПД).

Память программ предназначена для хранения команд, констант, управляющих слов инициализации, таблиц перекодировки входных и выходных переменных и т.п.

Адресация ячеек памяти программ осуществляется с использованием программного счетчика PC или регистра-указателя данных DPTR.

Объем внешней памяти данных может достигать 64 Кбайт. Для обращения к внешней памяти данных используется только косвенная адресация с помощью регистров R0 и R1 или с помощью 16-разрядного регистра-указателя DPTR. Обращение к внешней памяти данных сопровождается стробирующими сигналами чтения RD^ и записи WR^.

Структура памяти данных приведена на рисунке 3. Объем внешней памяти данных может достигать 64 кбайт.

Рисунок 3 - Структура памяти данных P83C51RB+

Резидентная память данных предназначена для хранения переменных в процессе выполнения управляющей программы. Обращение к резидентной памяти данных производится одним байтом в адресном пространстве от 00h до FFh (256 байт). К адресному пространству резидентной памяти данных примыкают адреса блока регистра специальных функций - SFR.

Рисунок 4 - Структура памяти программ P83C51RB+

Программная модель включает ресурсы микроконтроллера, которые доступны программисту при создании программы. Прежде всего, к ней относятся регистры общего назначения, программно доступные регистры специальных функций, ячейки резидентной памяти.

* - возможность побитной адресации.

.2.2 Параллельные порты ввода/вывода

В микроконтроллере имеется 4 многофункциональных 8-битовых порта ввода/вывода Р0, Р1, Р2 и Р3, предназначенные для обмена информацией с различными внешними устройствами, такими, как внешняя память программ и данных. Каждый порт является фиксатором-защелкой и может адресоваться как побайтно, так и побитно.

Порт P0 - двунаправленный порт ввода/вывода, выходные каскады с открытым стоком. Через порт Р0 выводится младший байт адреса, а также выдается и принимается в микроконтроллер байт данных при работе с внешней памятью программ/данных. Также задаются данные при программировании внутренней памяти программ и читается ее содержимое.

Порт Р1 является двунаправленным портом ввода/вывода, выходные каскады которого «подтянуты» к единице внутренними нагрузочными резисторами. Линии P1.0 и P1.1 используются для обслуживания третьего счётчика/таймера (T/C2).

Через порт Р2 выводится старший байт адреса (разряды А8-А15) внешней памяти программ и данных.

Все порты могут быть использованы для организации ввода/вывода информации по двунаправленным линиям передачи. Однако порты 0 и 2 не могут быть использованы для этой цели в случае, если система имеет внешнюю память, связь с которой организуется через общую разделяемую шину адреса/данных, работающую в режиме временного мультиплексирования.

Альтернативные функции порта 3 представлены в таблице 5

Таблица 5 - Альтернативные функции Р3

В схеме генератора сигнала порты Р0 и Р2 используются при обращении к внешней памяти. Порт Р1 используется для организации управления работой генератора и индикации.

1.2.3 Таймеры/счетчики

В составе микроконтроллера имеются независимые программно-управляемые таймеры/счётчики событий Т/С0, Т/С1 и Т/С2. Они функционируют на основе регистровых пар TH0, TL0, TH1, TL1 и TH2, TL2.

При работе в качестве таймера содержимое T/C инкрементируется в каждом машинном цикле, через каждые 12 периодов резонатора.

При работе в качестве счётчика содержимое T/C инкрементируется под воздействием перехода из 1 в 0 внешнего входного сигнала, подаваемого на соответствующий (T0, T1) вход микроконтроллера. Опрос сигналов выполняется в каждом машинном цикле. Так как на распознавание перехода требуется два машинных цикла, то максимальная частота подсчёта входных сигналов равна 1/24 частоты резонатора. На длительность периода входных сигналов ограничений сверху нет. Для гарантированного прочтения входного считываемого сигнала он должен удерживать значение 1 как минимум в течение одного машинного цикла.

Для управления режимами работы и для организации взаимодействия таймеров T/C0 и T/C1 с системой прерываний используются регистры специальных функций TMOD и TCON.

Таблица 6 - Формат регистра TMOD

Назначение битов M1, M0, если M1, M0 равны 0 то режим 0, если M1=0, M0=1 то режим 1, если M1=1, M0=0 то режим 2, если M1, M0 равны 1 то режим 3.

Бит C\T, если C\T=1 то счётчик, если C\T=0 то таймер.

Бит GATE- управление режимом блокировки.=1 таймер/счётчик разрешён, если вход INT0=1(аппаратное разрешение).=0 таймер/счётчик разрешён, если бит разрешения TR0 в регистре TCON=1(программное разрешение).

Таблица 7 - Формат регистра TCON

Бит IT, управление типом внешнего прерывания, 1-прерывание по срезу, 0- прерывание по уровню

Бит IE- флаг прерывания по внешнему уровню, флаг IE устанавливается в 1 при переходе запроса на соответствующий внешний уровень.

Бит TR управление работой таймера/счетчика TR0=0-остановка, TR0=1-работа.

Бит TF флаг переполнения таймера, 1- переполнение таймера, 0 нет переполнения, формируется запрос на прерывание при переполнении таймера.

Для таймер/счетчиков режимы работы 0, 1 и 2 одинаковы, режимы 3 различны.

Режим 0. Соответствует тринадцатиразрядному таймеру-счетчику, который состоит из регистра THx и пяти младших битов регистра TLx, выполняющего функцию предделителя частоты на 32.

Режим 1. В этом режиме TL0 и TH0 образуют единый 16 разрядный регистр При переходе из состояния «все единицы» в состояние «все нули», устанавливается флаг переполнения в регистре TCON и таймер продолжает счёт с нуля.

Режим 2. При переходе из состояния «все единицы» в состояние «все нули» 8-битного счётчика TL1 приводит не только к установке флага TF1, но и автоматически перезагружает в TL1 содержимое старшего байта (TH1) таймерного регистра, которое предварительно было задано программным путем. Перезагрузка оставляет содержимое TH1 неизменным.

Режим 3. Используется редко. T1 останавливается, T0 работает как два незавимимых 8 битных таймера/счётчика.

Длительность формирования каждой кодовой комбинации определяется таймером/счетчиком T0 микроконтроллера. При переполнении таймера формируется запрос прерывания, в процессе обслуживания которого микроконтроллер читает из памяти и выводит в порт следующую кодовую комбинацию и начинает отсчет длительности следующего такта.

Определим количество машинных циклов, соответствующих временному интервалу ts при заданной рабочей частоте  микроконтроллера. Длительность одного машинного цикла при тактовой частоте 33 МГц составит:

,

.

Определим количество машинных циклов М, необходимых для формирования временного интервала 22 мкс:

,

.

Наиболее удобным режимом работы таймера T0 является Режим 2, обеспечивающий автоматическую перезагрузку регистра TL0 при переполнении. Перед включением таймера в регистр TH0 необходимо записать число Х, с которого начинает счет регистр TL0 (начальную уставку таймера). Так как счет производится по возрастанию, значение числа Х, соответствующее отсчету 60 машинных циклов до переполнения таймера (значение FFh+1), определяется выражением:

,

.

Таким образом, перед первым включением таймера T0 необходимо определить его режим работы, установив значения соответствующих битов в регистре TMOD, и запись в регистры TL0 и TH0 начальную установку С4h.

.2.4 Система прерываний P83C51RB+

Микроконтроллер P83C51RB+ имеет четырехуровневую систему прерываний, поддерживает семь векторов прерывания.

Внешние прерывания INT0^ и INT1^ могут быть вызваны уровнем, либо переходом сигнала из 1 в 0 на входах P83C51RB+ в зависимости от значений управляющих бит IT0 и IТ1 в регистре TCON. От внешних прерываний устанавливаются флаги IE0 и IE1 в регистре ТСОN, которые инициируют вызов соответствующей программы обслуживания прерывания. Сброс этих флагов выполняется аппаратно только в том случае, если прерывание было вызвано по переходу (срезу) сигнала. Если же прерывание вызвано уровнем входного сигнала, то для сброса флага IE соответствующая подпрограмма обслуживания прерывания должна воздействовать на источник прерывания, чтобы он снял свой запрос.

Таблица 8 - Структура системы прерываний.

Таблица 9 - Приоритеты прерываний

Каждое из прерываний может быть индивидуально разрешено или запрещено установкой или сбросом соответствующих битов в регистре IE. В этом регистре также присутствует бит глобального (одновременного) запрещения всех прерывании вне зависимости от состояния соответствующего бита индивидуального разрешения/запрещения.

Таблица 10 - Регистр IE

Каждому из источников прерываний путем установки или сброса соответствующего бита в регистр IP может быть программно присвоен высокий или низкий уровень приоритета, приоритетом может в свою очередь быть прервана подпрограмма обслуживания прерывания с высоким приоритетом.

Для организации обслуживания прерывания необходимо в ячейку памяти программ с адресом 0Вh (вектор прерывания таймера Т0) записать код команды безусловного перехода к подпрограмме обработки прерывания таймера Т0.

.3