ZESZYTY WAUXO.VE POLITECHNIKI SLiyoKIEJ______________________________________ 1937
S e r i a : AUTOMATYKA z. 33 Nr k o l . 853
Manfred S E I FART, Bernd HERTWIG Hendrik HANISCH
T e c h n isc h e Hochschule " O tto von G u e r ic k e " Magdeburg
INTELIGENTNA KARTA V/EjŚd ANALOGOV/YCH DO SYSTEMU MIKROKOMPUTESO./EGO K 1520
S t r e s z c z e n i e . Z asto s o w a n ie mikrokomputera do wyboru k a n a ł u , ko
r e k c j i błędów i p r z e t w a r z a n i a a/C pozw ala na z w i ę k s z e n i e d o k ł a d n o ś c i i u n i w e r s a l n o ś c i systemów pomiarowych, a ta k ż e um ożliw ia r e z y g n a c j ę z k osztow nej k a l i b r a c j i . J e ż e l i mikrokom puter w k o n f i g u r a c j i m in im aln ej u m ieszczony j e s t na k a r c i e w e jś ć an alogo w ych , o d c ią żo n y z o s t a j e sy s te m nadrzędny i u zy s k u je s i ę o s z c z ę d n o ś c i s p r z ę to w e . W a r t y k u l e p r z e d s ta w i o n o r o z w i ą z a n i e t a k i e g o s y s te m u .
1. Wstęp
Od s z e r e g u l a t na całym ś w i e c i e używane s ą u kłady we j ść analogowych do systemów mikrokomputerowych, k tó r e na j e d n e j k a r c i e z a w i e r a j ą 3 - , 16- -w e jśc io w y m u l t i p l e k s e r analogow y, wzmacniacz pomiarowy i p r z e tw o r n ik A/C wraz z wymaganymi układami dopasow ującym i i s t e r u j ą c y m i , u m o ż l i w i a j ą cymi s p r z ę ż e n i e z m a g i s t r a l ą sy stem u komputerowego [i] . Z asto s o w a n ie mi
k r o p r o c e s o r a pozwala na i s t o t n e z m n i e j s z e n i e n ak ła d u sp rz ę to w e g o i z a k r e su wymaganych r e g u l a c j i . 'H dalszym c i ą g u a r t y k u ł u p r z e d s t a w i o n y z o s t a n i e t a k i sy s t e m .
Omawiany sy stem pomiarowy umożliw ia au to m aty c zn ą k a l i b r a c j ę . Do r e a l i z a c j i te g o c e l u k a r t a n ie z aw ie ra żadnych dodatkowych elementów op rócz ź r ó d ł a n a p i ę c i a o d n i e s i e n i a i m i k r o p r o c e s o r a ( j e s t to m i k r o p r o c e s o r U 8 8 0 , odpow iednik Z 8 0 ) . M i k r o p r o c e s o r p r z e jm u je ró w n o cześn ie s t e r o w a n ie p rz e tw o rn ik a A/C.
Kompletny system umożliw ia p r z e t w a r z a n i e 6 sygnałów an alogo w ych , j e s t p r o s t y i b ard zo d o kład n y . K a r ta może z n a l e ź ć z a s t o s o w a n ie w w i e lu przemy
słow ych u k ład ach pomiarowych i s t e r u j ą c y c h . Maksy mai ny z a k r e s n a p i ę ć w e jś ciowych wynosi ± 1 , 5 V p rzy maksymalnej r o z d z i e l c z o ś c i 15 b i tó w . N a jm n i e j
s z e r o z r ó ż n i a n e n a p i ę c i e wynosi więc 100^uV (1 L.3B). D z i ę k i temu bez zmia ny wzmocnienia ( p r z e ł ą c z a n i a zakresów pomiarowych) i bez d o kład n y ch d z i e l ników r e z y s t a n c y j n y c h w y tw a r za jąc y c h n a p i ę c i e o d n i e s i e n i a można m ierzyć s y g n a ł y o n ajn iż sz y m poziom ie pochodzące z te r m o p ar , mostków r e z y s t a n c y j - nych, przetworników w i l g o t n o ś c i i c i ś n i e n i a .
JA Z 1.1. S e i f a r t , B. Hertw.ig, H. H anisch
2. Opis układu
Układ e l e k t r o n i c z n y k a r t y ( r y s . 1) obejm uje p r z e tw o r n i k s y g n a ł u a n a l o gowego na w s p ó łc zy n n ik w y p e łn ie n ia p r a c u j ą c y zgod nie z z a s a d ą równoważe
nia ładunku o r az m u l t i p l e k s e r w e jśc io w y [ 4 , 5 ] . M u l t i o l e k s e r s t e rowany j e s t p r z e z | m i k r o p r o c e s o r U 880 p o p r z e z t r a n s o p t o r y . P r z e tw o r
n ik s y g n a ł u analogowego na w sp ó łc zy n n ik w y p e ł n ie n ia s ł u ż y do p r z e t w a r z a nia u /C . J e s t on sterow an y p r z e z m i k r o p r o c e s o r i p r z e k a z u j e i n f o r m a c j e na m a g i s t r a l ą danych. Oba s y g n a ł y p r z e s y ł a n e s ą rów nież za pomocą t r a n s o p t o - rów, co zapewnia p e ł n ą i z o l a c j e g a lw a n ic zn ą c z ę ś c i a n a l o g o w e j. Część a n a logowa z a s i l a n a j e s t ze s t a b i l i z o w a n e j p r z e t w o r n i c y n a p i ę c i a .
Głównym elementem c z ę ś c i c y fro w e j j e s t m i k r o p r o c e s o r U 8 8 0 . J e g o o p ro gramowanie um ieszczono w p a m ię c i EPROM U 555 o p o je m n o śc i 1 K b a j t a . Wy
miana danych między m ikrop rocesorem U 880 na k a r c i e i systemem mikrokom
puterowym K 1520 (w dalszym c i ą g u zwanym K 1 5 2 0 ) , w zglę d n ie innym s y s t e mem mikrokomputerowym na b a z i e Z 8 0 , odbywa s i ę za p ośrednictw em dwubra- mowej p am ię c i RAM, s k ł a d a j ą c e j s i ę z dwóch układów U 214 (odpow iednik 2114) i buforów m a g i s t r a l i , k t ó r a może być w p e ł n i w ykorzystan a p r z e z K 1520 do wykonywania programu i p a m ię ta n i a danych. P ie r w sz e 16 b ajtó w z a p i s u j e z n a j d u j ą c y s i ę na k a r c i e U 8 8 0 , j e ż e l i p rz e tw a rz a n e m ają być s y g n a ł y a n alo g o w e . K 1520 ma p r i o r y t e t w d o s t ę p i e do p a m ię c i RAM. Dwu
st r o n n y d o s t ę p do p am ię c i RAM r e a l i z u j ą dwa 8 - b ito w e dwukierunkowe p o r t y i je d e n 10-bitow y m u l t i p l e k s e r a d r e s u . W przypadku ró wnoczesnego ż ą d an ia d o s t ę p u do p a m i ę c i , cyfrowy u kład s t e r o w a n i a k a r t y wytwarza s y g n a ł WAIT d l a U 880.
Możliwość wymiany ipam ięci EPROM z n a j d u j ą c e j s i ę na k a r c i e umożliwia r e a l i z a c j ę d a l s z y c h f u n k c j i wspomaganych p r z e z K 1520 (mp. c z a s o c h ł o n nych o b l i c z e ń a ry tm e ty c zn y c h ) n i e z a l e ż n i e od p r z e t w a r z a n ia sygnałów a n a logowych.
Przy p r z e t w a r z a n i u sygnałów analogowych m i k r o p r o c e s o r U 880 wybiera k an ały w s p o s ó b z a p i s a n y w p a m ię c i EPROM. P r z e tw o r n ik s y g n a ł u analogo w e
go na w sp ó łc zy n n ik w y p e łn ie n ia im p u lsu wytwarza w sp ó łc zy n n ik w y p e łn ie n ia p r o p o r c j o n a l n y do n a p i ę c i a wejściosvego danego k a n a łu .
Ponieważ we w s z y s t k i c h p r z e tw o r n ik a c h an alogo w o-cyfro w ych w y s tę p u je b łą d z e r a , w i e l k o ś ć t e g o b łę d u m ierzona j e s t okresowo w k a n a le wejściowym leżącym na p o t e n c j a l e z e r a , po czym z o s t a j e zap am ię tan a w wewnętrznych r e j e s t r a c h . P r zez o d j ę c i e t e g o błę d u można p rz e p ro w a d z ić k o r e k c j ę w a r t o ś c i m ierzon ych . P rzy p r o d u k c j i k a r t y dokonuje s i ę pomiaru n a p i ę c i a o d n i e s i e n i a , k t ó r e g o w a r t o ś ć z a p i s a n a z o s t a j e w p am ię c i EPROM. W artość ta s ł u ży do a u to m a ty c z n e j k o r e k c j i błędów wzm ocnienia, k t ó r e mogą w y s t ą p i ć np.
wskutek zmian długoterm inow ych parametrów elementów. K o r e k c ja błę d u wzmoc
n i e n i a odbywa s i ę n a s t ę p u j ą c o : w o k r e ś lo n y c h o d s t ę p a c h c z a s u dokonuje s i ę pom iaru n a p i ę c i a o d n i e s i e n i a , a otrzymaną w a r to ść cy fro w ą porównuje
Ei o - E2 o- E3 o - E a o- E 5 O- Ee o - U ie f ° - A G N D iD j-o -
3 o
„ 00
CL 00
O
M a g is t r a la a d re s o w a
Do Di D 2 D 3 Da Ds Ü6D 7 M a g i s t r a l a
d a n y c h
E P R O M U555
r r r n r i
M a g i s t r a l a s t e r u ją c a . separacja
¡/g a lw a n ic z n a
Dc CE0
? Q 0;v1 ir>
-* o 1o- =5
3Z
A T W
Jwsp.wypetnie-
M B m p ^---
MB 111 Takt
A x MB10A
| u Q
a j CE -
■ D 0... D3
M a g is tra la adresow a
M a g is tr a la d an y c h
R A M 2 x U21A
□
U k t a d s te ru ją c y
+ 5V
- 5 V
Rys. 1. S c h e a a t blokowy i n t e l i g e n t n e j k a r t y w e jść analogowych F i g . 1. B łoc k d i a g r a a o f i n t e l l i g e n t a n a l o g i n p u t c a rd
82868282
144 M. S e l f a r t , B. H e r t w i g , ' H. Haniach
s i ę z z ap am ię tan ą w p am ięci EPROM w a r t o ś c i ą z a d a n ą. J e ż e l i w m i ę d z y c z a s i e n a s t ą p i ł y zmiany wzm ocnienia, np. w p rz e tw o rn ik u s y g n a ł u analogow ego na w spó łc zyn n ik w y p ełn ien ia, n a s t ę p u j e k o r e k c j a , w t r a k c i e k t ó r e j U 380 zmie
n ia c z ę s t o t l i w o ś ć takto w an ia p rz e tw o rn ik a A/C p r a c u j ą c e g o z g o d n ie z z a s a dą równoważenia ładunku t a k , by b łą d z n i k n ą ł . Metoda ta odznacza s i ę b a r dzo p r o s t ą r e a l i z a c j ą układową. D z ię k i temu można c a ł k o w i c i e zrezygnować
z r e g u l a c j i , w y s tę p u ją c y c h w zwykłych sy s te m a c h p r z e t w a r z a n i a sygnałów analogowych.
3. Zasada d z i a ł a n i a p rz e tw o rn ik a A/C
P r z e t w a r z a n ie A/C o p a r t e j e s t na z a s a d z i e równoważenia ładu n ku. V/ me
t o d z i e t e j n a p i ę c i e w e jśc io w e p rz e tw a rz a n e j e s t na p r o p o r c j o n a l n y do n i e go w s p ó łc zy n n ik w y p e łn ie n ia im p u ls u , k t ó r y zam ien ian y j e s t na c y f r ę p r z e z
z l i c z a n i e (w l i c z n i k u wyniku) w określonym od cinku c z a s u [2, 3 , 4 ] . L i c z n ik wyniku i g e n e r a t o r t a k t u z r e a li z o w a n y j e s t p rzy u ż y c iu m ik r o p r o c e so r a u |8 8 0 . Ta te c h n ik a układowa pozwala na r e a l i z a c j ę t e j f u n k c j i p r z e z s p r z ę towe s t e r o w a n i e c i ą g u rozkazów U 8 8 0 , p r z y minimalnym n a k ł a d z i e e le m e n to wym, programowym i czasowym [5] .
W omawianej m e to d zie o b s z a r adresow y U 880 p o d z i e lo n y j e s t na dwie po
łowy. V/ d o ln e j połow ie o b s z a r u ad reso w eg o s y g n a ł y Chip S e l e o t z dekodera a d r e s u ak ty w u ją EPROM i RAM. 'II g ó r n e j połow ie o b s z a r u adreso w eg o CPU nie d z i a ł a żadna p am ię ć. W yjście p rz e tw o rn ik a s y g n a ł u analogow ego na w s p ó ł
c zy n n ik w y p e łn ie n ia im p u lsu s p r z ę ż o n e j e s t z U 880 p r z e z r e z y s t o r za po-r mocą l i n i i danych m a g i s t r a l i dan ych. D a ls z e r e z y s t o r y p o łą c zo n e z l i n i a m i danych, k tó ry c h d r u g i e końce l e ż ą na p o t e n c j a l e LOW lub HIGH powodują, że w g ó r n e j połow ie o b s z a r u adreso w eg o U 880 można c z y t a ć dwa różne r o z k a z y , k t ó r e z a l e ż ą t y l k o od s t a n u w yjściow e go p r z e tw o rn ik a s y g n a ł u analogowego na w sp ó łc zy n n ik w y p e ł n i e n i a .
P r z e tw a r z a n ie A/C ro zp oczyn a s i ę od r o zk a z u sk o k u , k t ó r y powoduje w y j ś c i e z o b s z a r u adreso w eg o EPROM i i n i c j a c j ę p r z e t w a r z a n ia c i ą g u rozkazów z g ó r n e j połowy o b s z a r u adreso w ego CPU. To p r z e t w a r z a n i e rozkazów powtarza s i ę t a k d ł u g o , a ż l i c z n i k rozkazów p r z e j d z i e p r z e z górną połowę o b s z a r u adresow ego i r o z p o c z n i e ponownie o r z e t w a r z a n i e rozkazów z EPROM-u.
Czas p r z e t w a r z a n i a p rz etw o rn ik a A/C z równoważeniem ładunku o k r e ś lo n y j e s t p r z e z l i c z b ę i c z a s c y k lu rozkazów z g ó r n e j połowy o b s z a r u a d r e s o wego. D z ię k i zm ianie o d l e g ł o ś c i skoku z EPROM-u do g ó r n e j połowy o b s z ar u adresow ego można więc o b l i c z y ć zmianę c z a s u p r z e t w a r z a n i a . Możliwość t ę w y k o r z y s tu je s i ę p rzy wypracowywaniu wyniku końcowego. P o d ł ą c z e n i e r e z y s torów do m a g i s t r a l i danych powoduje p o w stan ie rozkazów INC BC i INC DE.
Rozkazy t e r ó ż n i ą s i ę t y l k o bitem danych, do k tó r e g o d o łą c z o n y j e s t r e z y s t o r p rz e tw o rn ik a s y g n a łu analogow ego na w s p ó łc zy n n ik w y p e ł n i e n i a .
I n t e l i g e n t n a k a r t a w e jś ć a n a lo g o w y c h .. 145
J e ż e l i p a r a r e j e s t r ó w DE ( l i c z n i k wyniku) z o s t a n i e p rzed przetw arzan ie m wyzerowana, po p r z e tw o r z e n iu w i e l k o ś ć cyfrowa d o stę p n a j e s t w DE i po dokonaniu k o r e k c j i z e r a może z o s t a ć p r z e n i e s i o n a do p am ię ci RAM.K 1520 może s t a l e p o b i e r a ć z p am ię c i RAM a k t u a l n ą w a r t o ś ć m ie r z o n ą.
4 . Zakres n a p i ę ć w e jścio w ych i c z a s p r z e t w a r z a n ia
Zakre3 n a p i ę ć w e jścio w ych może obejmować n a p i ę c i a je d n e g o lu b obu zn a
ków. J e ż e l i p rz e tw a rz a n e j e s t n a p i ę c i e je d n e g o znaku o z a k r e s i e 0 . . . - 3 V, muszą z o s t a ć uwzględnione d o d a t n i e w a r t o ś c i błę d u z e r a . Cyfrowa k o r e k c ja b ł ę d u z e r a możliwa j e s t je d n a k t y l k o p rz y ujemnych w a r t o ś c i a c h b łęd u (d o d a t n i e n a p i ę c i a w e jśc io w e w zględnego n a p i ę c i a błęd u n ie mogą być p r z e tw a r z a n e ) . D la te g o wprowadzając dodatkowy prąd na w e j ś c i e i n t e g r a t o r a z n a j d u ją c e g o s i ę w p rz e tw o rn ik u s y g n a ł u analogow ego na w s p ó łc zy n n ik w y p e łn ie n ia n a l e ż y zape w n ić, by wypadkowy b łą d z e r a b y ł ujemny.
J e ż e l i z a k r e s n a p i ę ć w e jśc io w y c h obejm u je oba z n ak i ( - 1 , 5 . . . + 1 , 5 V ), maksymalna r o z d z i e l c z o ś ć w z a k r e s i e 0 . . . + 1 , 5 V wynosi 14 b itó w . Zakres n a p i ę ć w ejśc io w y ch o b e jm u jący oba z n ak i r e a li z o w a n y j e s t p r z e z p r z e s u n i ę c i e z e r a z a k r e s u w e jśc io w eg o o 1 ,5 V, d z i ę k i dodatkowemu prądowi wpływa
jącemu do w e j ś c i a i n t e g r a t o r a t a k , by p r z e tw o r n ik A/C p rz y n a p i ę c i u w e j ś ciowym + 1 ,5 V zn ajd o w ał s i ę na dolnym końcu z a k r e s u pomiarowego. Znak w y lic z a n y j e s t w pow iązan iu z k o r e k c j ą z e r a .
Czas p r z e t w a r z a n ia p rzy r o z d z i e l c z o ś c i 15 bitó w wynosi 80 ms, a przy r o z d z i e l c z o ś c i 10 bitów z m n ie js z a s i ę do 2 , 5 ms. S c a lo n e p r z e t w o r n i k i o d u ż e j r o z d z i e l c z o ś c i wymagają w z g lę d n ie dużych czasów p r z e t w a r z a n i a . Ce
c h u je j e je d n a k duża o d porn o ść na z a k łó c e n i a i p r o s t a budowa. Poza tym do t łu m i e n i a z a k łó c e ń n ie s ą p o trz e b n e a n i u k ła d y p r ó b k u j ą c o - p a m i ę t a j ą c e , a n i f i l t r y .
Opisana tu i z r e a li z o w a n a k a r t a w e jś ć analogowych mimo swej p r o s t o t y ł ą c z y w s o b i e f u n k c j ę z b i e r a n i a analogow ych danych pomiarowych z fu n k c ją przygotowywania danych do n ad rzęd nego sy stem u komputerowego.
LITERATURA
[1] S e i f a r t M .: A n a l o g w e r t e r f a s s u n g und - a u s g a b e mit M ik rorech n e rn . N a c h r i c h t e n t e c h n i k E l e k t r o n i k 30 ( 1 9 8 0 ) , z . 11 s s . 4 5 2 - 4 5 7 .
[2] S e i f a r t M ., Bogk D . : Spannungs - und S tro m fr e q u e n z w a n d le r nach dem I n t e g r a t i o n s v e r f a h r e n , r f e 26 ( 1 9 7 7 ) , z . 15, s s . 5 07-510 i z . 16, s s . 535 -5 3 7 .
[3] L e o p o ld H . : F re q u e n z , Z e i t und T a s t v e r h a l t n i s a l s S i g n a l p a r a m e t e r . E l e k t r o n i k 27 ( 1 9 7 8 ) , z . 6 , s s . 6 9 - 7 2 .
146 *1 ."art, B. H ertw ig , H. H an lsch
[4] B ren d le M., Herkommer T h .: S p an n u g s -/F r e q u e n z - U m se tz e r mit hoher G e n a u ig k e it . E l e k t r o n i k 29 ( 1 9 8 0 ) , z . 2 4 , s s . 8 5 - 8 8 .
[5] Opis patentow y " C a ł k u j ą c y p r z e tw o r n ik A/C z k o m p en sacją ła d u n k u " . ffP H 03K /257871.
R e c e n z e n t: P r o f . d r i n ż . S t a n i s ł a w MALZACHER
Wpłynęło do R e d a k c j i 2 8 . 0 1 . 1 9 6 6 r .
IU1ATA AHAJlOrOBO BBOAA C PA 3BH T0/Î J10rH K 0/l AJW MMKPOKUMnbiUTEPHOil CHCTEMii
K 152C
P e 3 B « e
H c n o J i Ł 3 0 B ć L H H e U H K p o K o u n b m i e p a A J i a o n p o c a K a H a j i o B , H c n p a B J i e i i H H o m H Ö o K h a H a j i o r o - U H $ p o B o r o n p e o ö p a 3 0 B a H H U A a ë T B O 3 M o x H 0 C T b y j i y u n e H i i a t o h h o c t h h T H Ö K O C T H a H a J I O r O B h O C y C T p O H C T B 3 B 0 . H a . H C H H X e H H H C T O H M O C T H K a j I H C p O B K H . P a 3 - u e m e H H e O A K o n j i a i H o r o M H K p o K O M n b i o t ę p a H a n j i a i e a w a j i o r o B o b b o a u p a a r p y x a e T r x a B i i y » B U H H C j i H T e j t b H y x ) C H C i e M y H n o H u x a e T 3 a i p a i y H a a n n a p a T y p y . B C T a T b e o n u c a n a C H C i e M a s i o r o B H A a .
INTELLIGENT ANALOG INPUT CARD FOR K 1520 MICROCOMPUTER SYSTEM
S u m m a r y
The use o f y j? f o r s c a n n i n g , e r r o r c o r r e c t i o n and AC c o n v e r s i o n a l lo w s to a c h i e v e th e a c c u r a c y and f l e x i b i l i t y c h a r a c t e r i s t i c improvement f o r the a n a l o g i n p u t sy s t e m s a s w e l l a s r e d u c t i o n o f i t 3 c a l i b r a t i o n c o s t s . The a n a l o g i n p u t c a r d w ith s i n g l e - b o a r d m icrocom pu ter a l l o w s t o redu ce the h o s t computer d u t i e s a s w e l l a s to d e c r e a s e the h a rd w are . The s o l u t i o n o f such sy s te m i 3 p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r .
