Ввод-вывод данных микропроцессорной системы
Большинство встроенных МПС содержат узлы обработки входных сигналов и формирования выходных сигналов. Для выполнения данной функции присутствует модуль ввода/вывода, например параллельного или последовательного обмена, аналогового или цифрового ввода-вывода.
6.1 Аналоговый ввод/вывод микропроцессорной системы
Прежде чем создавать систему, необходимо уточнить требуемый динамический диапазон входных и выходных сигналов. Динамический диапазон определяет, с какой точностью должны быть измерены входные сигналы или сформированы выходные.
Так, например, если температура должна измеряться в диапазоне 0...100 °С и точность измерения должна составлять 1 °С, понадобится 100 дискретных величин. Поскольку 8-битный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) может разбить величину входного напряжения на 28, или 256, значений, для данной системы вполне допустимо применение 8-битного АЦП. Но если точность измерения температуры повышается и должна составлять 0,1 °С, тогда понадобится 1000 дискретных величин, следовательно, – 10-битный АЦП.
Действительно, диапазон температур 1…100 °С может быть приведен к разным величинам размаха входного сигнала: 0...5 В, 4…20 мА или 0...1 В. В обоих случаях динамический диапазон остается тем же. Однако в диапазоне 0...5 В для обеспечения точности 1 °С каждый шаг составляет 19,5 мВ, который получается делением 5 В/256, а для обеспечения точности 0,1 °С – 4,8 мВ (5 В/1024). В случае диапазона 0...1 В каждый шаг уменьшается соответственно до 3,9 мВ и 976 мкВ. Это повлияет на выбор типов АЦП и операционных усилителей и т.п.
Определение параметров, связанных с динамическим диапазоном, поднимает вопросы калибровки. Измеряемая величина, заключенная в определенном динамическом диапазоне, подразумевает определенное число бит для достижения требуемой точности. Однако реальные компоненты, применяемые для измерения реальных величин, сами обладают собственными погрешностями.
При построении МПС калибровочные константы можно хранить во внешнем электрически стираемом ППЗУ (ЭСППЗУ – Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, EEPROM) или флэш-памяти (рис. 37).
Калибровочные константы для всех используемых датчиков можно хранить в одной и той же области памяти, что требует меньшего объема памяти. К тому же, если калибровка выполняется с помощью программных вычислений, вместо поиска из таблицы констант, одна подпрограмма может быть использована для любых датчиков одного типа (рис. 37 а).
Рис. 37. Методы хранения калибровочных констант датчика
Схема на рис. 37 б иллюстрирует другой метод хранения констант не совместно с МП, а в ППЗУ, содержащем калибровочные константы, которое находится на одной плате с датчиком. ППЗУ может представлять собой небольшую ИС, соединенную с МП при помощи последовательного интерфейса. Особенности данной схемы подключения следующие:
– поскольку каждый датчик снабжен ППЗУ со своими калибровочными константами, плата датчика может быть заменена без дополнительных трудностей;
– датчики могут быть откалиброваны без специального согласования с МПС;
– требуется больше запоминающих устройств – по одной интегральной схеме ППЗУ на каждый датчик.
На рис. 37 в представлена схема, на которой в месте с датчиком устанавливается МК, выполняющий калибровку и хранение данных во внутреннем ППЗУ МК. Особенности третьей схемы следующие:
– при одинаковых измеряемых величинах на центральную плату всегда будет поступать одна и та же величина независимо от разброса параметров датчиков;
– если датчик недоступен и должен быть заменен в готовом изделии, замена не повлияет на программное обеспечение главного процессора, поскольку все калибровки сохранены на удаленной плате во внутренней памяти МП датчика;
– требуется поддерживать большее количество МП техники, в некоторых случаях, с серьезным ПО, что может значительно увеличить стоимость.