🗊Презентация Глава 1

ЦИФРОВАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА ГЛАВА 1: ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ЦИТ А.C. Белянцева (по лекциям В.Г. Кнорринга)

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ЦИТ Содержание: Примерная структура аналого-цифрового измерительного устройства Коды Что такое код Взгляды на код с разных сторон Важнейшие для ЦИТ цифровые коды Фазовое представление кодов Необходимые сведения об интерфейсах (аппаратных) Где в ЦИТ применяются интерфейсы Вопросы классификации интерфейсов в ЦИТ Некоторые интерфейсы, используемые в ЦИТ

ПРИМЕРНАЯ СТРУКТУРА АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА

ЧТО ТАКОЕ КОД

ВЗГЛЯДЫ НА КОДЫ С РАЗНЫХ СТОРОН Рассматриваем коды для ЦИТ с разных сторон. В соответствии с определением кода, таких сторон четыре: область отображаемых объектов; вид используемых знаков; способ передачи информации; способ построения отображающей функции.

1. ОБЛАСТИ ОТОБРАЖАЕМЫХ ОБЪЕКТОВ В ЦИТ 1.1. Важнейшая для ЦИТ область объектов − числовые значения величин. Ей соответствуют цифровые коды. Если каждому биту αi кодовой комбинации αn αn−1 … α2 α1 соответствует определённое числовое значение mi, код называется взвешенным, а число mi, называется весом i-го разряда. Числовое значение комбинации взвешенного кода находится по формуле В дальнейшем будем считать α1 младшим разрядом (LSB), αn − старшим разрядом (MSB); веса разрядов mi примем целочисленными.

1.2. Часто бывает нужно отобразить, кроме чисел, имена единиц величин и другую буквенную информацию. Тогда используются алфавитно-цифровые коды. Для обмена информацией между цифровыми приборами и компьютером по ГОСТ 26.003−80 рекомендуется код ASCII. Он же используется для управления алфавитно-цифровыми индикаторами. 1.2. Часто бывает нужно отобразить, кроме чисел, имена единиц величин и другую буквенную информацию. Тогда используются алфавитно-цифровые коды. Для обмена информацией между цифровыми приборами и компьютером по ГОСТ 26.003−80 рекомендуется код ASCII. Он же используется для управления алфавитно-цифровыми индикаторами.

1.3. Для отображения пространственных положений в цифровых датчиках бывает удобно использовать специальные коды, не имеющие общего названия, например, коды k↔(k + 1) и другие коды из диссертации В.А. Краснобаева, или коды комбинаторных шкал. 1.3. Для отображения пространственных положений в цифровых датчиках бывает удобно использовать специальные коды, не имеющие общего названия, например, коды k↔(k + 1) и другие коды из диссертации В.А. Краснобаева, или коды комбинаторных шкал.

1.4. При отображении управляющей информации часто используются коды, каждый бит которых рассматривается как самостоятельный управляющий сигнал. 1.4. При отображении управляющей информации часто используются коды, каждый бит которых рассматривается как самостоятельный управляющий сигнал.

Для управления семисегментными жидкокристаллическими или светодиодными индикаторами используется специальный “семисегментный” код. Для управления семисегментными жидкокристаллическими или светодиодными индикаторами используется специальный “семисегментный” код.

1.5. Коды, получаемые непосредственно от источников информации, называются первичными. 1.5. Коды, получаемые непосредственно от источников информации, называются первичными. Эти коды являются областями отображаемых объектов для кодов, обнаруживающих или исправляющих ошибки. Теория кодирования занимается главным образом этими помехоустойчивыми кодами. Они используются для передачи информации в измерительных информационных системах.

2. НЕКОТОРЫЕ ВИДЫ КОДОВЫХ ЗНАКОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ЦИТ 2.1. Внутри цифрового прибора или модуля 0 и 1 изображаются соответственно “низким” и “высоким” уровнями напряжения, в соответствии со стандартами микросхемотехники. 2.2. При передаче сигналов могут использоваться другие стандарты, − в частности. обеспечивающие отсутствие постоянной составляющей сигнала: “Манчестер-2” Bell 202 (в системе HART)

3. ПО СПОСОБУ ПЕРЕДАЧИ РАЗЛИЧАЮТ КОДЫ: 3.1. Параллельные, если кодовые знаки, образующие комбинацию, передаются одновременно по нескольким линиям.

3.2. Последовательные, если кодовые знаки, образующие комбинацию, передаются один за другим по одной линии. 3.2. Последовательные, если кодовые знаки, образующие комбинацию, передаются один за другим по одной линии.

4. ЛОГИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ КОДОВ (ОТОБРАЖАЮЩИЕ ФУНКЦИИ) В общем случае отображение произвольно. Например, структура “семисегментного” кода не отражает структуры множества отображаемых чисел. Однако чаще цифровые коды так или иначе отражают структуру множества чисел. В этом курсе мы будем иметь дело в основном с такими кодами: Натуральным двоичным (straight binary code) Дополнительным двоичным (2′s complement code) Смещённым двоичным (binary offset code) Кодом Грея (Gray code).

ВАЖНЕЙШИЕ ДЛЯ ЦИТ ЦИФРОВЫЕ КОДЫ Натуральный двоичный код Веса разрядов 1; 2; 4; 8; 16… при i = 1; 2; 3; 4; 5… mi = 2i−1.

КОДЫ ДЛЯ БИПОЛЯРНЫХ АЦП И ЦАП ……………… +2 000…010 +1 000…001 0 000…000 –1 111…111 –2 111…110 ……………..

Дополнительный двоичный код может получаться в ЦИТ естественным путём: Дополнительный двоичный код может получаться в ЦИТ естественным путём: Кодированный диск Реверсивный счётчик

Если разрядность АЦП, работающего в дополнительном коде, меньше разрядности слова в контроллере, необходимо выполнить “распространение знака” (sign extension):

Смещённый двоичный код Смещённый двоичный код

Смещённый двоичный код используется для получение биполярной характеристики преобразования при однополярном АЦП или ЦАП Смещённый двоичный код используется для получение биполярной характеристики преобразования при однополярном АЦП или ЦАП

Код Грея (рефлексный или отражённый код) принадлежит к классу однопеременных кодов, позволяющих считывать кодовые комбинации в процессе их изменения Натуральный Грея 00000 00000 00001 00001 00010 00011 00011 00010 00100 00110 00101 00111 00110 00101 00111 00100 01000 01100 и т.д.

Таблица кода Грея, как и других (натурального, дополнительного, смещённого) кодов, замыкается в кольцо 00000000 ………… 00000001 ………... 00000011 ………… 00000010 10000101 00000110 10000111 00000111 10000110 00000101 10000010 ………… 10000011 ………… 10000001 ………… 10000000

Преобразование кода Грея в натуральный двоичный код и в десятичную систему счисления Пример преобразования в натуральный двоичный код: 01001110 gray 0 01 011 0111 01110 011101 0111010 01110100 binary N = 7∙16 + 4 = 116

ФАЗОВОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ КОДОВ Натуральный двоичный код: fi(x) = sin(2πx/2i);

Подробнее о кодах для ЦИТ можно прочитать Подробнее о кодах для ЦИТ можно прочитать в учебном пособии: Кнорринг В.Г. Цифровые измерительные устройства. Теоретические основы цифровой измерительной техники.− СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2003; раздел 2.2. Адрес этой книги в электронной библиотеке: http://elib.spbstu.ru/dl/244.pdf (в последующих ссылках − Кнорринг 2003)

НЕОБХОДИМЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИНТЕРФЕЙСАХ (АППАРАТНЫХ) Где в ЦИТ используются интерфейсы Для связи цифровых датчиков с измерительным блоком могут использоваться известные интерфейсы распределённых систем, например, RS-485, USB, CAN, беспроводные.. Но имеются также специальные стандарты интерфейсов датчикового уровня, например: Для преобразователей угол→код предложен несложный интерфейс SSI; Он далее в этом курсе не встретится. Для датчиков с петлевым питанием используется стандарт HART; О нём будет сказано в связи с микросхемой ЦАП AD5421. Для микросхем цифровых датчиков температуры разработан стандарт 1-wire, получивший более широкое распространение. На его основе строятся системы Micro-LAN.

Последовательный интерфейс 1-wire требует всего двух проводов для связи многих датчиков с измерительным устройством (по ним может передаваться и питание). Последовательный интерфейс 1-wire требует всего двух проводов для связи многих датчиков с измерительным устройством (по ним может передаваться и питание). Но он работает медленно и характеризуется сложным протоколом как на уровне передачи и приёма байтов (см., например, datasheet микросхемы DS18B20), так и на уровне передачи и приёма отдельных битов − каждый принимаемый мастером бит должен им запрашиваться.

Разработаны согласующие микросхемы, позволяющие работать с шиной 1-wire через стандартные интерфейсы микроконтроллеров: Разработаны согласующие микросхемы, позволяющие работать с шиной 1-wire через стандартные интерфейсы микроконтроллеров:

Для связи цифрового прибора или измерительного блока с компьютером (выхода в систему) также могут использоваться интерфейсы общесистемного применения: RS-232, RS-485, USB, CAN. Для связи цифрового прибора или измерительного блока с компьютером (выхода в систему) также могут использоваться интерфейсы общесистемного применения: RS-232, RS-485, USB, CAN. Но ещё в 1975 году фирмой Hewlett-Packard был создан приборный интерфейс HP-IB, получивший затем названия GPIB (General Purpose Interface Bus) и IEEE-488. В СССР ему соответствовал ГОСТ 26.003−80. Этот интерфейс часто называют КОП − канал общего пользования. Во всех развитых странах выпущено огромное число цифровых приборов с КОП. Несколько изменённая версия Международной электротехнической комиссии IEC-625 получила значительно меньшее распространение, поэтому называть HP-IB “Интерфейсом МЭК” не следует. Сейчас GPIB (IEEE-488, КОП) постепенно сдаёт свои позиции.

Среди интерфейсов модульных систем недолгое время монополистом был КАМАК. Сейчас он полностью устарел. Среди интерфейсов модульных систем недолгое время монополистом был КАМАК. Сейчас он полностью устарел. Ему на смену пришли системы VXI (расширение стандарта VME для измерительных задач) и позже PXI (расширение стандарта PCI для измерительных задач). Буква X расшифровывается как eXtension, а буква I − как Instrumentation. Эти и другие модульные стандарты, как и разнообразные “полевые шины” (fieldbuses) для распределённых систем, в этом курсе рассматриваться не будут.

Наиболее часто в этом курсе будут упоминаться интерфейсы межмикросхемного уровня, связывающие микроконтроллер с АЦП и другими узлами измерительного канала. Наиболее часто в этом курсе будут упоминаться интерфейсы межмикросхемного уровня, связывающие микроконтроллер с АЦП и другими узлами измерительного канала. Эти интерфейсы можно классифицировать по общепринятым признакам. Они могут быть параллельными или (сейчас чаще) последовательными. Параллельные интерфейсы могут обеспечивать передачу полного числа разрядов кода одной посылкой или требовать разбивки на байты или слова, передаваемые последовательно.

Временные диаграммы работы АЦП AD7933 при передаче в микроконтроллер целого слова

Временные диаграммы побайтной передачи результата преобразования АЦП AD7933

Последовательные интерфейсы, как правило, выполняются синхронными. Они могут быть симплексными (с передачей данных в одну сторону), полудуплексными (с поочерёдной передачей в разных направлениях по одной линии) и дуплексными, например, с одновременной передачей управляющей информации на АЦП и результата преобразования от АЦП в микроконтроллер. Последовательные интерфейсы аналого-цифровых микросхем в определённой степени стандартизованы. Последовательные интерфейсы, как правило, выполняются синхронными. Они могут быть симплексными (с передачей данных в одну сторону), полудуплексными (с поочерёдной передачей в разных направлениях по одной линии) и дуплексными, например, с одновременной передачей управляющей информации на АЦП и результата преобразования от АЦП в микроконтроллер. Последовательные интерфейсы аналого-цифровых микросхем в определённой степени стандартизованы. Из различных топологий чаще всего используется радиальная (“точка − точка” или звезда) и магистральная. В микроконтроллере синхронный последовательный интерфейс, согласующийся с требованиями ведомой микросхемы (это важно!!!), может быть реализован манипулированием двумя или тремя произвольными выводами порта (технология bit banging), использованием синхронного режима работы UART МК 8051 или встроенных блоков I2C или SPI. Своеобразными блоками дуплексного синхронного последовательного интерфейса оснащаются сигнальные процессоры.

Предлагаемая фирмой Analog Devices схема сопряжения микросхемы АЦП AD7887 с микроконтроллером 8051

В UART микроконтроллера 8051, работающем в синхронном режиме, полярность тактовых импульсов (serial clock) фиксирована.

Ещё хуже то, что UART микроконтроллера 8051 считает первый принятый бит младшим, а последний старшим. Подавляющее большинство аналого-цифровых микросхем выдаёт или принимает данные в обратном порядке, старшим битом вперёд. READ 1: MOV A,SBUF; Read Buffer RLC A; Rearrange Data MOV B.0,C; Reverse Order of Bits RLC A; MOV B.1,C; RLC A; MOV B.2,C; RLC A; MOV B.3,C; RLC A; MOV B.4,C; RLC A; MOV B.5,C; RLC A; MOV B.6,C; RLC A; MOV B.7,C; MOV A,B; MOV @R0,A; Write Data to Memory

В современном микроконтроллере с архитектурой 8051 могут быть, наряду с UART, стандартные синхронные интерфейсы (в данном примере SMBus и SPI).

В микроконтроллерах фирмы Atmel можно встретить синхронный “двухпроводный” интерфейс TWI, “совместимый с I2C и SMBus”

Так выглядит “двухпроводная” магистраль SMBus в описании микроконтроллера фирмы Silicon Laboratories

Магистральные интерфейсы требуют задания адресов ведомых устройств. Магистральные интерфейсы требуют задания адресов ведомых устройств. В микросхемах 1-wire уникальный адрес записывается в микросхему изготовителем, например, для DS18B20 он выглядит так (CRC − защитная кодовая комбинация):

Пример микросхем АЦП с фиксированным адресом на шине I2C

Отсутствие адресных выводов в данном случае компенсируется выпуском однотипных микросхем с различными фиксированными адресами на шине I2C

Соединение АЦП с микроконтроллером по стандарту I2C

Запись данных в регистр конфигурации микросхем AD7991/AD7995/AD7999. Четыре бита записываемого байта определяют выбор одного, двух, трёх или четырёх последовательно опрашиваемых каналов; пятый бит выбирает внешний или внутренний (VDD) источник опорного напряжения. Остальные биты связаны с тонкими вопросами работы интерфейса, которых здесь не будем касаться

Запуск АЦП и чтение двух байтов данных

Использование бита Acknowledge для управления работой АЦП

Принцип работы SPI при соединении двух микроконтроллеров Выводы ведомых аналого-цифровых микросхем обозначаются иначе. В частности, для выбора ведомого (slave select) используется стандартный вывод chip select, а MISO и MOSI заменяются на SDO и SDI

Достоинством интерфейса SPI является его гибкость. Достоинством интерфейса SPI является его гибкость. SPI нужно настраивать соответственно временной диаграмме обмена данными, которая требуется для конкретной ведомой аналого-цифровой микросхемы. Бит полярности в регистре управления определяет исходное состояние линии тактовых импульсов, а бит фазы выбирает фронт тактового импульса, по которому бит данных будет “защёлкнут” в регистре, − см. следующий слайд. Некоторые контроллеры (Atmel) позволяют даже изменять порядок следования битов: от младшего к старшему (как было принято в телетайпах и сохранилось в UART) или от старшего к младшему, как принято в ЦИТ.

Пример временнóй диаграммы ведомой микросхемы: 8-разрядный АЦП AD7923. Исходно на линии SCLK низкое напряжение. Каждый бит выводится на линию DOUT передним фронтом тактового импульса; “защёлкивать” его целесообразно следующим фронтом

В соответствии с временнóй диаграммой предыдущего слайда выполняется настройка SPI в микроконтроллере: CPOL = 0; CPHA = 1. При сопряжении этого АЦП с микроконтроллером 8051 нужно было инвертировать тактовые импульсы

Особый случай: временная диаграмма 14-разрядного АЦП AD7940 и других АЦП сходной структуры Важно: первый бит помещается на шину не тактовым импульсом, а сигналом chip select, и может быть “защёлкнут” только спадающим фронтом тактового импульса, хотя следующие биты выводятся именно спадающими фронтами!!!

Порт SPI может обслуживать несколько ведомых устройств Рисунок − из описания микроконтроллера Atmel

Топология “звезда”, показанная на предыдущем слайде, не является единственно возможной при использовании SPI для обслуживания нескольких ведомых микросхем. Топология “звезда”, показанная на предыдущем слайде, не является единственно возможной при использовании SPI для обслуживания нескольких ведомых микросхем. Иногда ведомые микросхемы, например, ЦАП, соединяются цепочкой − daisy-chain. Это возможно, если у этих микросхем выведен на внешние контакты не только вход, но и выход сдвигающего регистра.

Пример микросхем АЦП, требующих одновременного чтения и записи данных

SPI позволяет одновременно читать и записывать данные, но при 16-битном формате данных требует двух пересылок Сигнальные процессоры читают и записывают одновременно слова данных длиной до 16 битов. RFS − Receive Frame Synchronization; TFS − Transmit Frame Synchronization.

Беспроводные интерфейсы аналого-цифровых устройств перспективны, но пока в этом курсе не рассматриваются. Беспроводные интерфейсы аналого-цифровых устройств перспективны, но пока в этом курсе не рассматриваются.