3 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРНОГО ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ И ФОРМУЛИРОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К ЁЁ СТРУКТУРНЫМ КОМПОНЕНТАМ. АНАЛИЗ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ И ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ

Разрабатываемая система конструктивно представляет собой встраиваемый в ПЭВМ модуль. Учитывая высокую производительность современных ПЭВМ целесообразно переложить на персональный компьютер выполнение основных функций обработки сигнала в проектируемой системе. Таким образом, затраты на построение аппаратных средств модуля будут минимизированы. Сам модуль будет выполнять функции первичной обработки входных сигналов и обеспечивать поступление информации в ПЭВМ (например, через механизм прерываний). При таком подходе существенно упрощаются задачи по проектированию аппаратных средств системы, интерфейса между модулем и ПЭВМ. Как недостаток - усложняется разработка программного обеспечения. Но учитывая предъявленные технические требования к системе (относительно большое количество входных каналов, требуемый интерфейс с ПЭВМ и т. п.), и, как следствие, достаточно большой объем электронного оборудования, такой подход в заданных условиях представляется наиболее рациональным.

Руководствуясь функционально-модульным подходом в проектировании системы, все аппаратные средства модуля аналого-цифрового преобразования можно укрупненно разбить на четыре части (датчики условно отнесем к самостоятельной структурной единице). К первой части (входной блок) можно отнести аппаратуру, на которую непосредственно поступают сигналы от датчиков. Этот блок должен выполнять соответствующие функции: первичное усиление и фильтрация сигнала, коммутация каналов. Следовательно, аппаратура блока будет представлена фильтрующими и усилительными схемами, аналоговым коммутатором каналов, его схемой управления.

Ко второму блоку (с точки зрения структурного построения системы) можно отнести совокупность технических средств, задачей которых является осуществление аналого-цифрового преобразования. Данный блок целесообразно построить по классической схеме преобразователя напряжение - код. Такой выбор осуществлен в связи с тем, что 1) данная схема будет удовлетворять временным параметрам системы; 2) для дистанционных систем сбора данных наиболее оптимальным является именно такой вариант преобразования [4]; 4) дальнейшая обработка выходного сигнала от такой схемы (модуля вообще) является наиболее приемлемой с точки зрения объема дополнительной аппаратуры для преобразования и обработки сигнала.

Выбор разрядности преобразователя будет определяться точностными требованиями к системе, изложенными в техническом задании на разработку.

Укрупненно данный блок включает в себя следующие функциональные части: регистр последовательного приближения, цифро-аналоговый преобразователь, операционный усилитель, компаратор, генератор тактовых импульсов и схему запуска.

Третий блок проектируемого модуля системы представляет собой аппаратные средства, предназначенные для сопряжения устройства с персональным компьютером. Основные функции данного блока: 1) преобразование последовательного кода, поступающего с выхода блока аналого-цифрового преобразования, в параллельный; 2) осуществление дешифрации базового адреса и адресов регистров устройства; 3) формирование управляющих сигналов для выбора канала и работы преобразователя; 4) буферизация используемых сигналов шины микро-ЭВМ; 5) вспомогательные функции по синхронизации работы составных частей устройства и генерация сигнала вектора прерывания.

Аппаратура, предназначенная для согласования логических уровней составных частей устройства составляет четвертый аппаратный блок разрабатываемого модуля.

Таким образом, теперь можно сформулировать основные требования к структурным компонентам системы (некоторые из них исходят из описанного выше предназначения аппаратных средств).

Применяемые термодатчики должны удовлетворять предъявленным в ТЗ требованиям по диапазону измеряемых температур, погрешности измерения, а также конструктивным требованиям (установка датчиков должна осуществляться на поверхность ИМС и конструктивных элементов ЭВС).

Входной блок должен обеспечивать первичную обработку сигнала (усиление, фильтрация) и коммутацию входных каналов. То есть так обработать сигнал, чтобы его можно было передавать на блок аналого-цифрового преобразования. Необходимо стремиться к минимизации времени переключения канала и ослаблению взаимного влияния сигналов из разных каналов.

Главными требованиями, предъявляемыми к блоку аналого-цифрового преобразования являются точность и время преобразования.

Блок сопряжения устройства с ПЭВМ должен обеспечивать интерфейс между модулем и персональным компьютером по стандарту ISA, выполнять вспомогательные функции по буферизации используемых сигналов шины модуля и синхронизации работы составных частей устройства.

Блок согласования и развязки должен осуществлять функции сопряжения составных частей устройства.

Необходимо отметить, что следует добиваться минимальной «паразитной» задержки сигнала во всех составных частях устройства (изначально определяющими являются задержки в блоке аналого-цифрового преобразователя и коммутатора, однако применяемая элементная база может внести существенные коррективы во временной баланс [4]).

Как уже было отмечено выше, основная логическая обработка сигнала в разрабатываемой системе возлагается на средства ПЭВМ, в которую встраивается проектируемый модуль.

Реализация вышеизложенных положений по структурному построению аппаратных средств разрабатываемого модуля приведена на схеме электрической структурной БГУИ.411117.001Э1.

После выбора и обоснования структурного построения разрабатываемой системы следует определить те конструкторские расчеты, которые необходимо выполнить в процессе проектирования.

Проведение того или иного конструкторского расчета обуславливается тремя факторами: 1) заданными в ТЗ количественными требованиями к разработке, выполнение которых необходимо подтвердить (в частности, параметры надежности и технологичности); 2) необходимостью получения численных данных для проектирования (конструктивно-технологический и электрический расчеты элементов печатного монтажа (ЭПМ)); 3) математической проверкой принятых инженерных решений (расчет вибропрочности).

Таким образом, в рамках данного проекта предполагается выполнение следующих конструкторских расчетов: 1) надежности; 2) конструктивно-технологический ЭПМ; 3) электрический ЭПМ; 4) вибропрочности; 5) технологичности. Кроме этого, в исследовательской части проекта предполагается выполнить теоретический расчет теплового режима экспериментально исследуемого системного блока ПЭВМ.

Исходя из представленных возможностей требуемого интерфейса между модулем и ПЭВМ (стандарт ISA), а также из соображений целесообразности (соответствие между функциональными задачами модуля и персонального компьютера, в который он встраивается), наиболее рациональным способом взаимодействия технических и программных средств модуля АЦП и ПЭВМ для разрабатываемой системы является использование системы прерываний ПЭВМ.

Как известно, главная задача механизма прерываний заключается в предоставлении микропроцессору эффективного средства для быстрого отклика на непредсказуемые события. Обработка прерываний, выполняемая таким механизмом, повышает пропускную способность вычислительной системы, позволяя периферийным устройствам выдавать на микропроцессор запросы на обслуживание в тех случаях, когда они в нем нуждаются [6]. Это гораздо эффективнее опроса периферийных устройств микропроцессором с целью выявления того, необходимо ли им обслуживание.

Прерывания, которые, как правило, связаны с внешними по отношению к микропроцессору устройствами (модули расширения, дисковые накопители, принтеры), получили название аппаратных прерываний. Все запросы на аппаратные прерывания из системной шины направляются через контроллеры прерываний 8259A. Эти контроллеры генерируют запросы прерываний на вход INTR микропроцессора, которые могут маскироваться в процессоре.

Контроллеры прерываний могут принимать сигналы прерываний от нескольких устройств, назначать им приоритеты и прерывать работу процессора.

В архитектуре PC AT подсистема аппаратных прерываний состоит из двух контроллеров 8259А (главного - MASTER и подчиненного - SLAVE). Они объединены таким образом, что могут обслужить 15 запросов на прерывания.

Инициализация и установка режимов работы контроллера выполняется путем его программирования как устройства ввода-вывода с помощью команд байтного ввода-вывода OUT и IN микропроцессора.

Установка контроллера в исходное состояние и определение алгоритма обслуживания прерываний, а также его изменение в процессе работы осуществляют с помощью команд контроллера двух типов: команд инициализации (ICW) и рабочих команд (OCW).

Кoнтроллер может выполнять следующий набор операций: маскирование - индивидуальное маскирование запросов, специальное маскирование обслуживаемых запросов; установку статуса уровней приоритета по установке исходного состояния, по обслуженному запросу, по указанию; окончание прерываний - обычное и специальное, а также автоматическое; чтение регистра запросов, регистра обслуженных запросов, регистра маски, результатов опроса.

Таким образом, подсистема прерываний реализуется в самом чипсете ПЭВМ. Внешние же сигналы, поступающие с шин расширения (ISA, PCI, AGP и др.) должны быть перераспределены между резервными линиями запросов на прерывания. Во избежание конфликтности между внешними устройствами при разработке модулей расширения необходимо предусмотреть возможность осуществления выбора (от модуля) того или иного номера прерывания, за которым будет закреплено устройство.

Анализируя взаимодействие технических и программных средств системы, необходимо еще раз подчеркнуть, что на модуль АЦП возложены функции по первичной обработке сигнала и «предоставлении» входной информации в ПЭВМ.