Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Классификация встраиваемых программно-аппаратных средств. Принципы построения встраиваемых средств с использованием непрограммируемых элементов 14
1.1 Классификация встраиваемых ПАС 14
1.2 Принципы построения встраиваемых ПАС с использованием непрограммируемых элементов 18
1.2.1 Устройства на основе дискретных элементов и микросхемах малой и средней степени интеграции 18
1.2.2 Устройства на основе элементов с программной реализацией 29
Выводы 38
Глава 2 Принципы построения встраиваемых ПАС на основе микропроцессоров 40
2.1 Программно-аппаратные средства на основе 8-и разрядных микропроцессоров 40
2.2 Программно-аппаратные средства на основе 16-и разрядных
2.3 Программно-аппаратные средства на основе одноплатных микро-ЭВМ 63
Выводы 71
Глава 3 Принципы построения встраиваемых ПАС на основе микроконтроллеров 72
3.1 Разработка встроенных программно-аппаратных средств на основе микроконтроллеров С164 73
3.2 Разработка встроенных программно-аппаратных средств на основе микроконтроллеров ХЕ164 78
Выводы 93
Глава 4 Разработка алгоритмических методов повышения точности измерений с использованием встроенных ПАС 94
4.1 Использование метода кусочно-линейной аппроксимации технических характеристик устройств 95
4.2 Разработка метода повышения точности измерений ваттметров поглощаемой мощности с преобразователями на низкобарьерных арсенид-галлиевых диодах 107
4.3 Разработка методов повышения точности калибровки уровня выходного сигнала генераторов СВЧ- и КВЧ диапазонов с использованием четвертьволновых отрезков тракта 112
4.4 Разработка автоматизированной системы калибровки уровня выходного сигнала источников миллиметрового диапазона волн 121
Выводы 123
Глава 5. Пути построения встроенных программно-аппаратных средств для нового поколения РИП 125
5.1 Разработка принципов управления приборной частью РИА 127
5.2 Унифицированные последовательные внутриприборные интерфейсы 130
5.3 Применение перспективных МК при проектировании
встроенных программно-аппаратных средств 139
5.4 Определение оптимального состава внешних интерфейсов 142
Выводы 145
Заключение 146
Список использованной литературы
- Устройства на основе дискретных элементов и микросхемах малой и средней степени интеграции
- Программно-аппаратные средства на основе 8-и разрядных микропроцессоров
- Разработка встроенных программно-аппаратных средств на основе микроконтроллеров ХЕ164
- Разработка методов повышения точности калибровки уровня выходного сигнала генераторов СВЧ- и КВЧ диапазонов с использованием четвертьволновых отрезков тракта
Устройства на основе дискретных элементов и микросхемах малой и средней степени интеграции
Программируемые встраиваемые системы по своим функциональным характеристикам разделяются на системы на основе микропроцессоров и системы на основе микроконтроллеров. Дальнейшую классификацию программируемых систем можно провести по принципам управления (фиксированная система команд или микропрограммный уровень управления), по технологии реализации на - однокристальные и многокристальные (секционные), архитектуре ядра, разрядности арифметико-логического устройства (АЛУ) и системных магистралей и т.д.
Непрограммируемые устройства с аппаратной реализацией на микросхемах малой и средней степени интеграции, а также дискретных элементах являются устройствами управления с логикой, определяемой схемотехникой устройства. Изменение алгоритма работы такого устройства возможно только путём изменения схемы. В литературе [2, 3, 4], рассматривающей вопросы автоматизации систем управления, такие устройства называют цифровыми автоматами.
Цифровым автоматом называется «конечный» автомат (детерминированный преобразователь информации с конечными множествами внутренних состояний, а также входных и выходных сигналов), работающий с дискретной информацией, отождествляющейся с цифровым представлением в той или иной системе счисления [ 5].
В последнее время для создания встроенных устройств управления широко применяются программируемые логические интегральные схемы (PLD, Programmable Logic Device). Подобные схемы позволяют создавать реконфигурируемые устройства управления, не имеющие программного обеспечения, но позволяющие изменять свои функциональные возможности (логику управления) путём перезагрузки файла конфигурации.
Несмотря на то, что с течением времени возрастает сложность РИП, обуславливаемая возрастающим числом решаемых каждым прибором измерительных задач, применение встроенных устройств с логикой, определяемой схемотехникой, в ряде приборов сохраняется. Это относится и к ряду относительно простых приборов, имеющих самостоятельноеЭЗ применение, и специализированных приборов, встраиваемых в измерительные системы.
Микропроцессором называется обрабатывающее устройство, разработанное с использованием технологии БИС, выполняющее по заданной программе управление узлами прибора, обработку полученной прибором информации, арифметические и логические операции. В состав МП входят АЛУ, схемы управления и синхронизации, СОЗУ, программный счётчик, дешифратор кода операций, шины адреса и данных, схемы управления памятью и вводом/выводом.
Микроконтроллером (старое название - однокристальная микро-ЭВМ) называется МП, в состав которого входит ряд дополнительных элементов (ПЗУ, ОЗУ, УВВ, генератор тактовых сигналов, различные таймеры и счётчики, АЦП, ЦАП).
Микропроцессорной системой (МПС) называют совокупность информационно-измерительных средств, куда входят один или несколько микропроцессоров. Микропроцессорные системы делятся на универсальные, применяемые в ПЭВМ, рабочих станциях и серверах, специализированные, ориентированные на решения специализированных задач управления или обработки информации в составе технических систем, системы цифровой обработки сигналов (процессоры сигналов) или обработки графики (графические процессоры).
Для характеристики встраиваемых процессорных устройств управления и обработки информации применяется термин «встроенная система» (embedded system). Этот термин для систем, встроенных в РИП, обозначает систему, состоящую из аппаратных средств обработки данных и программного обеспечения, являющихся неотъемлемой частью измерительного прибора. Встраиваемые вычислительные устройства могут
Использование таких устройств, а также устройств с использованием МП и МК в разрабатываемых автором РИП поясняются сведениями, приведёнными в таблице П1 приложения 1. быть как однопроцессорными, так и многопроцессорными. В последнемВЗ случае может осуществляться последовательная или параллельная обработка измерительной информации.
К числу первых микропроцессорных приборов можно отнести разработанные с участием автора в 1979 году и более поздние годы приборы: макет векторного вольтметра, измерители разности фаз типа ФК2-30 32 (образцы), ФК2-33 (серийный прибор), генератор измерительный 2,3 - 6,5 ГГц, генераторы сигналов высокочастотные Г4-87 Г4-90 и ряд других.
Первые применения автором МК относятся к 1989 году, при создании измерителя разности фаз и ослабления уровней VM1101. Однако массовое использование МК осуществлялось с начала 2000-х годов и продолжается до настоящего времени. За это время разработано значительное количество макетов и образцов приборов, в том числе и приборы оптического диапазона.
Принципы построения встраиваемых программно-аппаратных средств с использованием непрограммируемых элементов
Встраиваемые программно-аппаратные средства на основе непрограммируемых элементов широко используются в современных РИП. В качестве подобных устройств целесообразно использовать аппаратно адаптируемые к решаемым задачам управляющие элементы. В ряде случаев используются и логические автоматы, выполненные на микросхемах жёсткой логики.
Программно-аппаратные средства на основе 8-и разрядных микропроцессоров
В 1978 году фирма Monolithic Memories (США) разработала первую логическую интегральную схему (ПЛИС), позволяющую реконфигурировать аппаратную часть разрабатываемой цифровой схемы без перепроектирования изготовленной для неё печатной платой.
В настоящее время различные производители предлагают множество разнообразных ПЛИС. К ним относятся:
PAL (Programmable Array Logic) - однократно программируемая логическая матрица (ПЛМ), выполненная на базе технологий ПЗУ;
CPLD (Complex Programmable Logic Device) - программируемые логические схемы на основе логических вентилей и программируемой коммутационной матрицы. Микросхемы CPLD выполняются на основе энергонезависимой памяти.
FPGA (Field - Programmable Gate Array) - программируемые схемы на основе однотипных логических ячеек и программируемой коммутационной матрицы. В состав логической ячейки входят: конфигурируемый логический блок (Configurable Logic Block - CLB), работа которого задается таблицей истинности (Look-Up Table - LUT), триггер и некоторое число специализированных схем, облегчающих реализацию типичных для цифровой схемотехники узлов. Соединение между отдельными КБ Л осуществляется с помощью трассировочных матриц (General Routing Matrix - GRM). Микросхемы FPGA выполняются на основе статического ОЗУ.
ASIC (Application - Specific Integrated Circuit) - специализированные заказные (непрограммируемые пользователем) интегральные схемы, предназначенные для решения конкретных задач.
Наиболее часто в РИА применяются программируемые микросхемы с технологиями ASIC и FPGA. Специализированные микросхемы ASIC имеют более высокие технические характеристики, но их разработка требует значительных финансовых затрат и может окупиться только при крупносерийном производстве. Устройства, реализованные на базе технологий FPGA, отличаются малыми затратами на разработку и позволяют многократно корректировать разрабатываемый проект, но они уступают устройствам на базе ASIC по производительности и энергопотреблению. Микросхемы FPGA целесообразно применять при разработке мелко- и среднесерийной РИА.
Применение ПЛИС для синтеза цифровых автоматов является удобным, за счёт возможностей предварительного моделирования, тестирования и многократного перепрограммирования, но не дешёвым способом разработки устройств управления для РИА. Синтез автоматов на ПЛИС основан на традиционных подходах, приведённых в разделе 2.2.1. На практике, разработка цифровых автоматов осуществляется с применением САПР фирм изготовителей ПЛИС (Altera, Xilinx, Cadence и др.) позволяющих оптимизировать процесс синтеза встроенными функциями оптимизации. САПР позволяет использовать различные методы описания проектируемых устройств (графические, в форме принципиальных схем или диаграмм состояний, текстовые с использованием языков VHDL, Verilog, Abel и пр.). Эти возможности позволяют отказаться от составления граф-схем алгоритмов работы и таблиц состояний автоматов, которые становятся громоздкими при синтезировании сложных устройств.
В настоящее время основное применение ПЛИС в радиоизмерительных приборах - это реализация на них специализированных интерфейсов (КОП, PCI, VXI, USB, Ethernet и т. д.) и специализированных функциональных блоков цифровой обработки сигналов повышенного быстродействия (цифровые фильтры, широтно-импульсные модуляторы, цифровые декодеры, схемы цифрового синтеза и т. д.).
Постоянное повышение сложности разрабатываемых СБИС, возможность оптимизации используемых при этом решений, сокращение затрат и сроков на разработку цифровых и аналоговых узлов предопределило появление концепции оформления разрабатываемых схем в виде сложно-функциональных блоков (СФ-блоков) В зарубежной литературе употребляется название IP-core (Intellectual Property core). Совокупность нескольких СФ-блоков, интегрированных на одном кристалле называется системой на кристалле (СнК). СФ-блок может быть разработан самим разработчиком прибора или приобретён в виде модели, выполненной на одном из языков описания. В приложении 1 показано применение ПЛИС для реализации различных функциональных устройств в радиоизмерительных приборах, разработанных с участием автора.
Рассмотрим пример применения FPGA фирмы ХШпх в качестве формирователя импульсов, в генераторе оптических импульсов ОГ5-101, предназначенным для поверки и аттестации оптических рефлектометров, в составе автоматизированных рабочих мест [20.а - 22.а, ].
Формирователь импульсов может также применяться в генераторах импульсов, широтно-импульсных модуляторах, схемах формирования задержек, устройствах временной дискретизации, а также в устройствах проверки волоконно-оптических линий (в качестве задающего генератора). Устройство представляет собой трёхканальный импульсный генератор с регулируемыми длительностями выходных импульсов
Разработка встроенных программно-аппаратных средств на основе микроконтроллеров ХЕ164
Дальнейшее развитие принципов управления РИА с помощью встроенных программно-аппаратных средств на основе микроконтроллеров было направлено на совершенствование системы передачи информации от МК к различным функциональным узлам приборов. Как правило, в качестве внутриприборных шин передачи информации используются параллельные шины. Поэтому, при разработке РИА с встроенными программно-аппаратными средствами, деление приборов на функциональные узлы, с точки зрения системы управления, осуществляется с учётом возможностей параллельных шин [39, 40]. Применение параллельных шин на основе микропроцессорных магистралей (ISA-8, ISA-16, EISA и др.) или каналов передачи информации с использованием портов ввода/вывода МК связано с определёнными трудностями. К ним можно отнести: - введение большого количества буферных элементов (соответствующих количеству линий шины); - применение многоконтактных разъёмов (снижающих надёжность изделия); - выделение большой площади на печатных платах под разводку шины; - увеличение электромагнитных помех с увеличением скорости передачи данных и т.п.
Увеличение степени интеграции цифровых и аналоговых микросхем, введение в их состав интерфейсов, обеспечивающих взаимодействие с стандартными последовательными шинами передачи данных, позволяет применять в современной РИА последовательные внутриприборные шины, реализуя тем самым локальную сеть межмодульной коммуникации внутри прибора. Общение между интеллектуальными модулями (микросхемами) происходит не на уровне элементарных регистровых обращений (циклов чтения/записи данных), а на уровне смысловых сообщений. В ряде случаев (при работе с микросхемами памяти) элементом информации является сообщения, оформленное в виде пакетов. Целостность пакета автоматически отслеживается.
Применение последовательных шин в качестве внутриприборного интерфейса, связывающего микроконтроллер и функциональные узлы прибора, сокращает затраты на конструирование печатных плат, уменьшает габариты, сокращает энергопотребление и увеличивает надёжность изделия. Идея применения стандартного последовательного интерфейса для связиЕЗ микроконтроллера ХС164 с функциональными узлами РИП реализована автором в измерительных приборах оптического диапазона ОГ4-223, ОД1-28, ОМЗ-109, ОГ5-101, а также в приборах СВЧ-диапазона ФК2-40 и МЗ-113.
Рассмотрим применение последовательного внутриприборного интерфейса в измерителе разности фаз и отношения уровней ФК2-40.
Так же, как и амплифазометр VM1101, прибор предназначен для измерения напряжения сигналов и отношения их уровней в диапазоне частот 1 - 1000 МГц и измерения разности фаз между двумя синусоидальными сигналами одной частоты. Отличие измерительных трактов приборов заключается в том, что в приборе ФК2-40 применён цифровой метод квадратурного преобразования (дискретное ортогональное преобразование) исследуемых сигналов. Согласно этому методу исследуемый сигнал на ПЧ непосредственно дискретизируется и обрабатывается полностью в цифровом виде.
По теореме Котельникова колебание U(t), спектр которого не содержит частоты выше /В, может быть точно восстановлено по своим отсчётам (мгновенным значениям), взятым через интервалы t = 1/2 /В, или Д = 1/ t U(i) = Y, U(nAt)sin c27ifB (t - nAt), U(i) можно представить парами отсчётов, взятыми через интервал времени t = 1/2 F. Один отсчёт при этом является мгновенным значением U(t), а другой мгновенным значением - сигнала сопряжённого по Гильберту с U{i). Представим исследуемый сигнал, как это предложено в [41]: U(t)= Y, iu(nAt)sine7iAF(t-nAt)cos2жfQ(t-nAt) "=- (3.1)
Выражение в первой квадратной скобке представляет собой огибающую косинусной составляющей исследуемого сигнала, выражение во второй квадратной скобке – огибающую синусной составляющей. Таким образом, получение мгновенных отсчётов квадратурных составляющих сводится к разделению отсчётов исследуемого сигнала на последовательности чётных и нечётных и последующему инвертированию знака в каждой последовательности через один. Амплитуда и фаза исследуемого сигнала находятся по следующим формулам: При разработке автором устройства управления для амплифазометра выяснилось, что количество линий управления функциональными узлами прибора превышает количество портов ввода/вывода, имеющихся в микроконтроллере ХС164. Решение проблемы было найдено в использовании последовательных интерфейсов 1С и микросхем преобразования последовательного кода в параллельный для передачи управляющих сигналов на блоки ФАПЧ и УПЧ. Преобразование последовательного формата управляющих сигналов в параллельный формат производится в буфере расширения (микросхема PCF8574), автоматически обеспечивающем выполнение протокола связи интерфейса. Разработанные ПАС и алгоритмическое обеспечение, реализующее дискретное ортогональное преобразование исследуемых сигналов, позволили улучшить точность измерения разности фаз до ± 0,35 и отношения уровней сигналов до ± 0,3 дБ в диапазоне частот 1 - 1000 мГц.
Разработка методов повышения точности калибровки уровня выходного сигнала генераторов СВЧ- и КВЧ диапазонов с использованием четвертьволновых отрезков тракта
Основой современных встроенных вычислительных средств являются МК, обладающие высоким уровнем интеграции и допускающие размещения большого количества различных периферийных устройств на одном кристалле.
Рассмотренный принцип модульно-структурированного построения аппаратной части системы управления на базе стандартных последовательных интерфейсов предполагает использование при разработке современной РИА МК различных фирм. Это позволяет разработчику прибора оптимально выбирать МК для решения поставленных задач, обеспечивая требуемые функциональные возможности при минимальной стоимости разработки.
Различиями между микроконтроллерами разных фирм являются архитектура процессорного ядра, интегрируемые на кристалле МК модули памяти и периферийные устройства, разрядность обрабатываемых данных (от 4 до 64 бит), быстродействие, тип и объем памяти программ, энергопотребление и ряд других. Под процессорным ядром понимаем совокупность элементов, состоящую из центрального процессора, внутренней магистрали, объединяющей различные шины, схемы синхронизации и схемы управления, обеспечивающей работу процессора в различных режимах (Сброс, Запуск, Пониженное потребление электроэнергии и др.) [73].
Разрядность микроконтроллера определяется максимальной разрядностью целочисленных данных, обрабатываемых за 1 такт. Фактически она определяется разрядностью арифметико-логического устройства (АЛУ) и разрядностью регистров, взаимодействующих с ним.
Важнейшим различием микроконтроллеров является их принадлежность к одной из двух концепций построения системы команд процессоров. Архитектура процессоров с полным набором команд (CISC) недавнего времени являлась практическим стандартом 8-и и 16-и разрядных микроконтроллеров. CISC-процессоры отличаются мощным набором команд (размером от одного до нескольких байтов) с развитыми возможностями адресации. Выполнение одной команды занимает, как правило, несколько машинных циклов. Некоторые производители до сих пор выпускают высокопроизводительные МК основанные на CISC-ядре. Например, компания Renesas анонсирует свои 32-х разрядные микроконтроллеры RX с оптимизированной гарвардской архитектурой и пятью внутренними шинами. Шина передачи команд имеет ширину 64 разряда, остальные 32 разряда. Микроконтроллеры работают на частоте 100 МГц [74].
Большинство современных микроконтроллеров используют архитектуру процессора с сокращённым набором команд (RISC). RISC-микроконтроллеры имеют большое количество (не менее 16 - 32) регистров общего назначения с возможностью равноправного использования. Эта особенность позволяет компилятору во время выполнения операций сохранять промежуточные данные вычислений в регистрах, не отправляя их в память. Как правило, ядро процессора, реализованное на RISC-архитектуре, содержит меньшее число транзисторов и, как следствие, занимает меньшую площадь кристалла и обеспечивает меньшее потребление энергии.
Производительность ядра микроконтроллера определяется разрядностью его АЛУ, количеством и разрядностью регистров, наличием арифметического сопроцессора, пропускной способностью внутренних шин, системой команд, способом адресации операндов, организацией процесса выборки и исполнении команд.
В настоящее время при реализации встроенных вычислительных средств наиболее перспективным является применение 16-и и 32-х разрядных микроконтроллеров, позволяющих эффективно использовать языки высокого уровня (С/С++, ПАСКАЛЬ) для разработки программ, без которых невозможна подлинная унификация встроенного программного обеспечения. Наибольшее распространение получило применение языка С/С . Синтаксис этого языкаиэ обеспечивает краткость программы, а компиляторы генерируют эффективный объектный код. Одна из наиболее существенных особенностей С/С состоит в том, что различия между выражениями и операторами нивелируются. В языке разделены машинно-зависимые и независимые свойства. Благодаря этому работоспособность большинства программ не зависит от архитектуры процессора и памяти. Немногочисленные же аппаратно-зависимые части кода можно локализовать в отдельных подпрограммах.
16-и разрядные микроконтроллеры выпускаются фирмами Renesas Technology (серия H8S, М16С), Texas Instruments (серия MSP430), Infineon (серии ХС166, ХЕ166), STMicroelectronics (STIOx) и многими другими. Некоторые из этих МК базируются на CISC-архитектуре и не обладают высокой производительностью. Контроллеры, основанные на RISC-архитектуре, могут успешно конкурировать с рядом семейств 32-х разрядных МК. Производительность 16-и разрядных микроконтроллеров составляет 20 - 100 MIPS (Million Instructions Per Second).
Наибольшей производительностью обладают 32-разрядные микроконтроллеры выпускаемые зарубежными фирмами (Renesas, Freescale, Samsung, Texas Instruments, STMicroelectronics, Infineon, Atmel, NXP, NEC, Sharp и др.). Отечественные фирмы (Миландр, Ангстрем и др.) выпускают подобные микроконтроллеры на основании лицензионных соглашений. МК имеют разную архитектуру ядра (ARM7, ARM9, ARM10, ARM11, Cortex, SuperH, AVR32, R32C, TriCore и др.), разные типы и размеры внутренней памяти, наборы различных интерфейсов и периферийных модулей и особенности их взаимосвязей, что отражает концепции производителей об оптимальном предназначении контроллеров для разных областей применения. Производительность 32-х разрядных МК находится в пределах 50 - 400 MIPS (Million Instructions Per Second). Современные технологии изготовления этих микроконтроллеров обеспечивают низкое энергопотребление и малые габариты. Основное применение 32-х разрядныхВЗ МК - высокопроизводительные мобильные устройства, средства коммуникации, навигаторы, игровые и телевизионные приставки и пр., требующие больших объёмов линейных вычислений, решения задач цифровой фильтрации и преобразования сигналов для нормальных условий эксплуатации.
При выборе МК для РИП следует руководствоваться не только их производительностью, набором поддерживаемой периферии, объёмом памяти и стоимостью, но и временем реакции на недетерминированные события (время обработки прерываний), чувствительностью к внешним электромагнитным помехам. Именно по этим показателям многие 32-х разрядные МК уступают 16-и разрядным [75, 76].
Надёжность микроконтроллеров в значительной степени определяется надёжностью флэш-памяти и характеризуется интенсивностью отказов, возникающих в результате эффектов «старения» её структуры и приводящим к утечке заряда на плавающем затворе транзисторов. С ростом температуры окружающей среды интенсивность отказов памяти существенно увеличивается [76]. Поэтому в радиоизмерительных приборах целесообразно применять микроконтроллеры, рассчитанные на работу в максимальном температурном диапазоне. Ряд зарубежных фирм применяет меры по повышению надёжности своих изделий. Так фирмой Infineon в МК серий XС166 и ХЕ166 (рабочий диапазон температур от -45 до 125 С), применён метод динамической коррекции ошибок флэш-памяти. Коррекция осуществляется с помощью кодов Хемминга. Для этого разрядность команд, хранящихся во флэш-памяти, увеличена с 64 до 72. Такое расширение позволяет в режиме реального времени аппаратно корректировать отдельные ошибочные биты и обнаруживать двойные неправильные биты в командах.
