Проектирование микропроцессорной системы для идентификации объекта управления

 

 

К2.006.106.ПЗ

 

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

 

 

 

 

Тульский Государственный Университет

 

Кафедра Электронных Вычислительных Машин

 

 

 

 

Пояснительная записка

 

к курсовому проекту по дисциплине «Микропроцессорные системы»

 

 

Проектирование микропроцессорной системы

для идентификации объекта управления

 

 

 

 

 

 

 

 

Автор  работы :  студент гр. 230261 Мясников А. А.

Специальность :  220100

Обозначение КП : К2.006.106

Руководитель работы: Венцлавович Ю.Р.

Работа защищена : ______________ оценка ________________

Члены комиссии : ______________________________________

 

 

 

 

 

 

 

Тула 2000

 

Содержание

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Курсовой проект предназначен для приобретения практических навыков проектирования несложных микропроцессорных систем различного назначения. Проект базируется на теоретической части дисциплины “Микропроцессорные системы”. Задание на курсовой проект выдается руководителем проекта.

Курсовой проект выполняется с целью закрепления знаний по курсу “Микропроцессорные системы” и развития навыков самостоятельного проектирования микропроцессорных систем, специализированных на конкретный вид информации.

Задачами курсового проекта является:

• практическое овладение методикой проектирования микропроцессорных систем;
• анализ вариантов проектных решений и выбор на его основе оптимального решения;
• синтеза функциональной схемы микропроцессорной системы на основе анализа исходных данных и принятого оптимального решения;
• получение навыков разработки аппаратного и программного обеспечения микропроцессорной системы;
• дальнейшее развитие навыков функционально-логического, схемотехнического и конструкторского проектирования, оформления и выпуска конструкторской документации в соответствии с ГОСТ.

Для решения перечисленных задач необходимы знания не только курса “Микропроцессорные системы”, но и ряда смежных дисциплин, а также умение пользоваться нормативно-справочной информацией.

 

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

 

1. Алгоритм обработки входных данных.

Модель объекта заданна уравнением:

где: ai (i=1,…,r) и bi (i=1,…,l) – неизвестные параметры;

xn – ненаблюдаемый шум;

xn-i и zn-i – наблюдаемые переменные.

Оценки параметров определяются итерационной процедурой фильтра Калмана:

где: j = [zn-1, …, zn-r, xn-1, …, xn-l]T

q = [a1, …, ar, b1, …, bl]T

s02 – дисперсия независимого ненаблюдаемого шума xn

2. Характеристики входной информации:

число источников входной информации – 8;

мин/макс уровень изменения входных сигналов – 3/4;

минимальная дисперсия погрешности измерений, ґ´10-2 – ssи2 = 5;

максимальная дисперсия погрешности измерений, ґ´10-2 – ssc2 = 50;

3. Требуемые характеристики выходной информации:

число потребителей выходной информации – 1;

ограничение на время запаздывания выходной информации относительно входной (время формирования ответной реакции), мс – 0,15;

4. Требуемые общие характеристики МПС:

тип связи с источником входной информации – последовательная;

тип связи с потребителем выходной информации – последовательная;

5. Конструктивные параметры:

корпус Desktop  – 152х533х419мм

тип платы   – Baby-AT  8,57х13,04 дюйма

тип монитора  – SVGA 15'

блок питания  – 250 Вт

 

6. Группа эксплуатации – транспортируемые и портативные, предназначенные для длительной переноски людьми на открытом воздухе или в неотапливаемых наземных и подземных сооружениях, работающие и не работающие на ходу.

Климатические факторы

изменение температуры окружающей среды

пониженная температура, Со  -50

время выдержки, час    2-6

повышенная температура, Со  60

время выдержки, час    2-6

повышенная влажность

относительная влажность, %  93

температура, Со     40

время выдержки, час    72

пониженная температура 

предельная       -50

рабочая       -10

повышенная температура

предельная      50

рабочая       60

пониженное давление

температура      -10

давление, Па      6,1*104

время выдержки, час    2-6

атмосферные осадки

интенсивность дождя, мм/мин  3

время выдержки, час    0,33

морской туман

температура       27

содержание воды г/м3     2-3

время выдержки, час    48

 

Механические

вибрации на одной частоте

частота, Гц      20

ускорение, g      2

время выдержки, час    0,5

вибрации в диапазоне частот

диапазон частот, Гц    10-70

ускорение, g      0,8-3,8

удары многократные

число в минуту     40-80

ускорение, g      15

общее число ударов    12000

 

АНАЛИЗ АЛГОРИТМА ВЫЧИСЛЕНИЙ

 

На основе технического задания можно построить следующую схему включения разрабатываемой микропроцессорной системы:

Входной информацией в данном курсовом проекте является входные и выходные значения параметров идентифицируемого объекта (xn и zn). Графически алгоритм вычисления вектора оценок q = [a1, …, ar, b1, …, bl] изображен на рис. 2.

По изображенному алгоритму была написана программа на языке С, моделирующая процесс вычислений производимых МПС. Листинг программы находится в приложении 1, результат моделирования приведен в приложении 2.

 

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА МПС

 

Центральную часть разработанной структуры микропроцессорной системы составляет центральный процессор, построенный на основе микропроцессора (МП) и выполняющий основные функции процесса обработки информации и управления этим процессом. Внутренняя память МПС (для хранения программ и данных) - полупроводникового типа, размещается на одной плате вместе с CPU, она представлена в виде модулей постоянной (ROM). Микропроцессор управляется генератором синхросигналов (G). В системе также присутствует математический сопроцессор (FPU).

МПС связана с окружающей средой с помощью источников входной информации и потребителей выходной информации. В качестве источников Sn используются датчики, измеряющие значения переменных наблюдаемого объекта, например, технологического процесса. В качестве потребителей Dn могут служить исполнительные механизмы различных типов (клапаны, задвижки, преобразователи и усилители сигналов и т.п.).

Каналы ввода и вывода информации преобразуют поступающие сигналы в требуемую форму и обеспечивают связь внешней среды с МПС, через порты ввода/вывода.

В одном и том же цикле работы МПС входная информация вводится в МПС и выводится из МПС. Ограничение на цикл определяется временными характеристиками объекта. Неизбежное в таких случаях запаздывание выходной информации (управляющих воздействий) от входной (состояния объекта) должно быть ограничено величиной, которая также определяется характеристиками объекта (его передаточными функциями, запасами устойчивости по амплитуде и фазе и др.). Поэтому выбор параметров элементов МПС производится с учетом таких ограничений.

 

 

Длительность цикла Тс определяется из выражений:

1. Разрядность АЦП

2. Округление результата оптимальное

, где h - шаг дискретизации по уровню сигнала

3. Точность преобразования

4. Время преобразования

5. Длительность цикла

где tn - время преобразования значения сигнала в цифровой код,

m - количество источников входной информации.

 

Определив ограничение на длительность Тс, можно определить ограничение на длительность такта работы процессора

 

РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

 

Листинг программы оценки параметров объекта приведен в приложении 3.

Вся программа располагается в ПЗУ и состоит из двух функциональных блоков: блока инициализации МПС (настройка нужным образом процессора, сопроцессора, инициализация переменных) и рабочей части, которая в режиме реального времени производит прием и обработку данных (схема алгоритма обработки входной информации изображена на рис.2).

Все ПО составлено на языке ассемблера выбранного МП, который позволяет непосредственно получить двоичные ("объектные") коды команд, записываемые далее в ПЗУ. При включении питания или по сигналу RESET управление передается модулю инициализации, который устанавливает систему в исходное состояние.

Программа самостоятельно обрабатывает ситуацию деления на ноль. Отключение питания или другие неотложные события, как, например аппаратный сбой, не оказывает критического воздействия на МПС и не могут вывести ее из строя. Из чего можно сделать вывод, что для МПС не требуются обработчики прерываний.

Обмен с внешней средой осуществляется через 8-ми разрядные последовательные порты ввода/вывода за один цикл ввода и вывода соответственно. Программное обеспечение оптимизировано по скорости выполнения для выбранного микропроцессора и использует преимущества 32-х разрядной обработки данных и взаимодействия с внешними устройствами.

 

ВЫБОР МПК И РАЗРАБОТКА АРХИТЕКТУРЫ МПС

 

Выбор осуществлялся между МПК на базе процессора 8086 и МПК на базе процессора 80386 фирмы Intel. Для оценки времени задержки выходных данных посчитаем количество тактов, необходимое каждому процессору для выполнения расчетов. Результаты сравнения представлены в таблице 1.

Таблица 1

Параметр	Процессор
	8086	80386
Тактовая частота	5МГц	33МГц
Макс. кол-во тактов	750	4950
Необходимое кол-во тактов	9784	4892

 

При частоте синхронизации 33 МГц, время одного такта составляет 30 нс, из чего следует, что время необходимое для приема, обработки и выдачи результата составляет:

30*4892 = 146760 нс = 0.147 мс,

при допустимом времени задержки 0.15 мс.

Таким образом, был выбран микропроцессорный комплект на базе микропроцессора 80386 фирмы Intel с частотой 33 МГц, который наиболее полно удовлетворяет предъявленным требованиям и ограничениям. Этот МПК является однокристальным микропроцессором с фиксированной системой команд и архитектурой. С помощью интерфейсных БИС и прикладного программного обеспечения осуществляется настройка МПС на заданный класс алгоритмов. При проектировании МПС требуются средства подготовки и отладки программ.

Микропроцессор работает на частоте 33 МГц; обрабатывает входные данные целого типа формата байт. Поступающая в МПС информация хранится в виде вектора (одномерный массив), часть промежуточных результатов и констант храниться в виде массивов, соответствующих размерностей.

МПС, для реализации своих задач, содержит в своем составе следующий набор БИС:

• центральный процессор i80386;
• арифметический сопроцессор i80387;
• генератор тактовой частоты 82384;
• приемопередатчик данных 8286;
• защелки адреса 8282;
• МС статического ОЗУ КМ185РУ8, МС ПЗУ КР556РТ20 и набор МС, формирующих управляющие сигналы (1533ИД3, 1533ИД14, 1533ЛА3);
• МС универсального синхронно-асинхронного приемопередатчика (KP580BB51A), предназначенную для последовательного протокола обмена данными.

 

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОРА МПС

 

На этом этапе разрабатывается процессор. Исходной информацией при разработке процессора является его архитектура. На ее основании разрабатывается структура процессора и его интерфейс с системной шиной.

При проектировании процессоров на основе МПК с однокристальными МП решались задачи разработки средств синхронизации, интерфейса шины данных, адреса и системной шины; средств управления и синхронизации операций чтения/записи на системной шине; средств доступа к системной шине; средств поддержки режимов работы процессора.