книги / Цифровая обработка сигналов в измерительной технике

Сигналы: номер команды «НК», «Пуск» и «Сброс» управляют про­ граммой работы мультиметра. Количество сигналов «НК» выбирается на один больше числа измеряемых величин. Передается информация по шинам ДМ магистрали БС. При получении любой из команд «НК» и «Пуск» МП отвечает сигналом' подтверждения и выполняет програм­ му цифровой обработки, заданную командами «НК», поступающими на коммутатор К «РХ», причем одна из этих команд служит для зада­ ния начального адреса программы измерения одновременно всех ве­ личин и выдачи их на блок индикации, а остальные команды предна­ значены для выбора начального адреса программы измерения любой из измеряемых величин. Коммутатор К «РХ» позволяет использовать входы БМУ как для задания начального адреса, так идля организации

условных переходов по состоянию четырех младших разрядов аккуму­ лятора ЦП.

Работа МП и всего прибора начинается по команде «Пуск», которая поступает через БС на вход загрузки начального адреса микрокоман­ ды БМУ. Во время работы осуществляется контроль состояния МП, для чего предназначен так называемый байт состояния, который считы­ вается с шин СМ БС. Этот байт определяет следующие три возможных состояния МЦ:

1)устройство занято выполнением, предыдущей операции и не может реагировать на управляющие сигналы;

2)операция закончена и выполнена правильно;

3). операция закончена с ошибкой, т. е. возникло переполнение и вы­

полнение операции прекращено.

Указанные состояния могут использоваться для тестового контроля

ив случае необходимости отображаться на световом табло передней панели прибора.

Несколько подробнее рассмотрим состав, назначение и отдельные функции узлов МП.

Центральный процессор непосредственно реализует арифметические

илогические операции, выполнен 32-разрядным и построен на микро­ схемах К589ИК02 с использованием двух схем ускорения переноса К589ИК03. Он является синхронным устройством с временем цикла синхронизации 220 нс, задаваемым сигналами ГТИ. Управление ра­ ботой ЦП осуществляется микропрограммно стандартным для серии К589 способом. Управляющие сигналы подаются на входы F процессо­ ра, они определяют выполняемую операцию и участвующие в ней ре­ гистры. Код микрооперации F состоит из двух полей: функциональной группы (Р-групПы), определяющей тип арифметическо-логической операции, и группы регистров (P-группы), указывающей, какой из внутренних регистров участвует в операции.

Входные данные (операнды) поступают в аккумулятор ЦП через БС по входам М, выходные данные считываются с шин D. Для реализа­

ции сдвигов на несколько разрядов влево или вправо шины процессора соединены перекрестно с шинами J. В процессоре имеется возможность маскирования входов по шинам К, управляемым микропрограммно по­ средством генератора масок и регистра микрокоманд. Цепи переноса CJ, СО и сдвига LJ, L0 объединены между собой и подключены к БМУ.

Блок микропрограммного управления служит для управления це­ пями переноса и сдвига ЦП и задает последовательность выборки микрокоманд из ПЗУ. Он выполнен на микросхеме К589ИК01 и исполь­ зует стандартную для серии К589 систему переходов к следующему ад­ ресу микрокоманды. Управление выбором следующего адреса осу­ ществляется 7-разрядным полем микрокоманды АС0...АС6. От двух до пяти старших разрядов микрокоманды АС определяют тип пере­ хода, остальные разряды служат для выбора необходимого ряда или столбца. Ветвление микропрограмм может управляться входом призна­ ков FJ и данными на входах SX0...SX3 и РХА...РХ7. Кроме того, имеется возможность ветвления по входу ЛСО, который задается комму­ татором К «ЛСО», управляемым микропрограммно. Управление вво­ дом и выводом флагов (признаков) осуществляется по входным шинам

FC0...FC3.

Память микрокоманд ПЗУ построена на восьми микросхемах КР556РТ5 и составляет 1К 32-разрядных слов. Она содержит две страницы по 512 слов, организованных как матрица размером 32 ряда по 16 столбцов. Страница памяти выбирается разрядом Р микрокоман­ ды. Конкретная 32-разрядная микрокоманда данной страницы выбира­ ется девятиразрядным адресом микрокоманды, формируемым БМУ.

.Буферный регистр микрокоманд предназначен для промежуточного хранения кода данной микрокоманды. В результате этого все управля­ ющие сигналы микрокоманды, кроме сигналов, управляющих перехо­ дом к следующему адресу микрокоманд Р, АС, подаются на соответст­ вующие входы через регистр, а- после управления следующим адресом микрокоманд Р, АС подключается к входам БМУ непосредственно. Такое включение обеспечивает совмещение цикла выполнения текущей •микрокоманды, хранимой в РМК, и одновременного выбора адреса следующей микрокоманды, что позволяет существенно увеличить ско­ рость выполнения микропрограмм и тем самым повысить быстродейст­ вие прибора.

Блок связи содержит схемы -приема 12-разрядного кода данных и управляющих сигналов, схемы выдачи адресов на ЗУ «/» и,ЗУ «i/», результатов измерения и текущего контроля работы МП на блок ре­ гистрации, а также схемы формирования сигналов для управления другими узлами прибора. Он выполнен на элементах К589ИР12, К589АП16 и К589АП26.

Вкратце изложим основные принципы построения микропрограмм микропроцессора серии К589 в рассматриваемом цифровом мульти­ метре.

Микрокоманда микропроцессора, как было сказано выше, пред­ ставляет собой 32-разрядное слово, содержащее стандартные и специ­ альные поля.

К стандартным полям относятся следующие микрокоманды! АС — управление следующим адресом микрокоманды;

К— управление маской ЦП;

Суправление синхронизацией ЦП;

SA » SB — управление коммутатором ветвления ЛСО;

А— управление блоком, связи;

В— управление остальнвши узлами мультиметра.

Управление последовательностью действий арифметического уст­ ройства, а также всего прибора в целом осуществляется с помощью

операндов и хранения результатов операции, регистр хранения отбра­ сываемых разрядов мантиссы при операциях с плавающей запятой, ре­ гистр для подсчета циклов, регистры порядка и знака результата для операций с плавающей запятой, регистры подготовки операндов для операций с плавающей.запятой, регистр хранения признаков результа­ та операции и рабочие"регистры. Кроме того, все регистры, за исключе­ нием рабочих, могут использоваться для выполнения любых промежу­ точных функций как в отдельных микропрограммах, так и в частях микропрограмм, когда они не используются по своему основному на­ значению.

При записи микропрограмм каждая микрокоманда занимает одну строку таблицы, которая разбивается на следующие поля [78, 99]:

1.Порядковый номер микрокоманды.

2.Адрес микрокоманды. Состоит из номера страницы и номеров^ ряда и столбца страницы в виде ряд — столбец.

3.Условные обозначения. В этой графе записываются условные обозначения, содержащие различные дополнительные сведения пояс­

нительного характера.

4. Функция арифметического устройства. В графе записывается микрофункция арифметического устройства. Поясняющие надписи могут записываться, если это необходимо, с учетом использования в данной микрооперации признаков, определяемых следующим полем микрокоманды.

5. Управление признаками. В графе записывается микрофунк­ ция управления вводом-выводом признаков.

6.Маска, сигналы управления. В графе записывается маска вхо­ дов процессора.

7.Коммутатор К «АСО». В графе записывается код сигнала управле­ ния ветвлением по К «ЛСО». В скобках дается пояснительная надпись

сназванием сигнала, управляющего в данном случае сигналом К «ЛСО».

8.Функция перехода. В графе указывается тип перехода, номер следующей микрокоманды и соответствующий этому номеру адрес микрокоманды.

9.Функции управления мультиметром.

10.Примечание. В графе даются дополнительные пояснения по

выполняемым микрооперациям.

При выполнении любой арифметической операции должна обеспе­ чиваться следующая последовательность работы МП и соответственно обращений к нему. Прежде всего записываются необходимые операнды в регистры ЦП, который затем переходит непосредственно к выполне­ нию заданной операции над записанными ранее операндами. По окон­ чании операции ЦП переносит результат в блок регистрации.

Переход к выполнению конкретной операции осуществляется с по-

•мощью ветвления микропрограммы по коду операции. Для этой цели код операции записывается микропрограммно в регистр кода операции. Выбор необходимой ветви микропрограммы, соответствующей коду операции, осуществляется с помощью ветвления по РХ (JPX).

Микропрограммы операций над числами с фиксированной запятой

иоперации обмена операндами имеют индивидуальные непересека* ющиеся ветви.

Для уменьшения объема памяти микрокоманд в микропрограммах операций с фиксированной запятой и во всех операциях с плаваю­ щей запятой использованы одноуровневые подпрограммы, включаю­ щие общие для операций деления и для всех операций с плавающей за­ пятой части программы.

Возможность организации подпрограмм обеспечивается с помощью подключения в МП шин SX элемента микропрограммного управления К589ИК01 к его адресным шинам MA. В результате при ветвлении по РХ (JPX) в триггерах микросхемы К589ИК01 запоминается ад­ рес столбца MA микрокоманды перехода к подпрограмме. Регистр кода операции после ветвления по коду операции гасится и на со­ ответствующих входах РХ устанавливается 0. Таким образом, используя ветвление JPXt можно из различных ячеек памяти, форми­ руя одинаковый адрес ряда МАХпопадать в общую точку начала под­ программы. Код выполняемой ‘операции при этом запоминается как адрес столбца MA микрокоманды, в которой записан переход JP X .

Для выхода из подпрограммы в конце ее записывается ветвление JPR, т. е. ветвление собственно по коду операции, из которой програм­ ма попала в данную подпрограмму.

Уменьшение необходимого объема памяти микрокоманд в МП достигается за счет объединения, если это возможно, на отдельных этапах ветвей различных операций, а именно: операция вычитания сво­ дится к операции сложения посредством изменения знака второго опе­ ранда, операция возведения числа в квадрат сведена к операции умноже­ ния. Объединяются также микропрограммы сравнения и проверки чисел.

Впрограмме МП имеются следующие подпрограммы:

1.Подпрограмма цикла расширенного деления. Операция зна­ кового) расширенного деления с фиксированной запятой сводится к пре­ образованию операндов в целые положительные числа, выполнения

деления и последующего преобразования результата с учетом знаков делимого и делителя.

2.Проверка операндов. Подпрограмма осуществляет проверку правильности задания операндов в соответствии с форматами и про­ верку операндов на равенство 0 с запоминанием в соответствующих флагах.

3.Подготовка операндов. Осуществляется непосредственно перед проведением операции и заключается в разделении знака, порядка

имантиссы операнда. Причем мантисса операнда сдвигается влево на два разряда, а в младшие разряды F записываются' нули. Это позволя­ ет повысить точность выполнения операций.

4.Обработка результата операции. Подпрограмма осуществляет нормализацию мантиссы результата, округление результата,.проверку переполнения и исчезновения порядка, а также формирует байт состоя­ ния и байт признаков результата.

Округление результата операций с плавающей запятой выполняет­ ся без смещения, чем достигается максимальная точность вычислений, -так же, как и обычное округление, если результат не находится точно посередине между двумя числами с плавающей запятой. При таком принципе округления результат может получиться как с избытком, так и с недостатком, что предохраняет от накопления ошибки, типичной в случае, если используется округление в одну сторону.

Поскольку основные вычислительные команды микропроцессо­ ра оперируют, главным образом, с целыми числами, удобно пред­ ставлять все входные, выходные и промежуточные величины в виде целых чисел с соответствующими масштабами. С этой целью введем число М, которое назовем масштабом входной величины X. Учиты­ вая, что при проведении расчетов на МП используются только ма­ шинные представления величин в виде X, получаем основное соот­ ношение х = MX. В случае, когда Л"= 1, это соотношение перехо­ дит в равенство х = М, из которого следует, что при таком выборе масштаба он является одновременно ценой младшего разряда пред­ ставления величины х.

Если величина х имеет диапазон изменения \х\s$a, то величина X имеет диапазон изменения \ Х \ ^ А = а/М. В зависимости от значения А для представления величины х выбирается один, два или более байтов.

Рассмотрим некоторые практические рекомендации для выбора масштабов при выполнении основных операций: сложения, умно­ жения и деления.

1. Масштабы слагаемых и их суммы должны выбираться по возможности одинаковыми. Если это по каким-либо причинам не удается, то желательно выбрать их так, чтобы отношения масшта­ бов слагаемых к масштабу суммы представляли собой степени чис­ ла 256, так как умножение и деление в этом случае сводится к до­ бавлению или удалению целого числа байтов. Наконец, если не удается выбрать масштабы и таким образом, то желательно вы­ брать их так, чтобы константы отношений представляли собой сте-

пени двойки. В этом случае умножение и деление на эти константы сводится к выполнению последовательности сдвигов.

2. При использовании подпрограмм умножения следует помнить, что большинство из этих программ осуществляют не чистое умно­ жение, а умножение с округлением. Поскольку округление эквива­ лентно в этом случае отбрасыванию младших разрядов, то их не­ обходимо учитывать при выборе масштаба.

3.К константе можно подойти как к переменной, выбрать для нее масштаб, машинное представление и получить расчетную фор­ мулу, аналогичную приведенной выше.

4.Деление двух чисел сводится к делению машинных представ­ лений этих чисел и умножению на константу масштаба. Неправиль­ но выполнять операцию деления машинных представлений по под­ программе деления л-разрядного числа на я-разрядное, так как получаемый ответ — целое число всегда при этом будет нулем. Правильная последовательность действий заключается в том, что­ бы дополнить делимое п младшими байтами, что равносильно ум­

ножению на 2пг а затем использовать подпрограмму деления 2яразрядного числа на я-разрядное с получением я-разрядного ре­ зультата.

5.Программирование упрощается, если избегать прерывания подпрограмм. Программа должна быть построена по методу «шаг за шагом». В общем случае такой подход требует использования стековой памяти;

6.Вычисление выполняется с определенным числом значащих цифр, что вносит в ответ погрешность округления, которая накап­ ливается в ходе вычислений. При вычислениях надо удерживать столько значащих цифр, чтобы погрешность округления была су­ щественно меньше всех остальных погрешностей.

1. Автоматизация радиоизмерений / В. П. Балашов, Р. А- Валитов, Г. П. Вих­ ров и др.; Под ред, В. П. Балашова.— М. 8 Сов. радио, 1966.— 528 о.

2.А . с. 198401 (СССР).

3.А . с. 221785 (СССР).

4.А . с. 222741 (СССР).

5.А . с. 224646 (СССР).

6; А . с. 238642 (СССР).

7.А . е . 242507 (СССР).

8.А. с. 257579 (СССР).

9.А . с. 262988 (СССР).

10.А . с. 275198 (СССР).

11.А . с. 280612 (СССР).

12.А . с. 281907 (СССР).

13.А . с. 286018 (СССР).

14.А . с. 292206 (СССР).

15.А . с. 302716 (СССР).

16.А . с. 308381 (СССР).

17.А . с. 309382 (СССР).

18.А . с. 311214 (СССР).

19.А . с. 316088 (СССР).

20.А . с. 317068 (СССР).

21.А . с. 320814 (СССР).

22.А . с. 321819 (СССР).

23.А . с. 331316 (СССР).

48.А. с. 752195 (СССР).

49.А. с. 765745 (СССР).

50.А. с. 779897 (СССР).

51.А. с. 788043 (СССР).

52.А. с. 868640 (СССР).

53.А. с. 875311 (СССР).

54.А. с. 881966 (СССР).

55.Аппаратура для частотных и временных измерений / Под ред. А. П. Горш­ кова.— М. : Сов. радио, 1971.— 336 с.

56.Балашов Е. П., Пузанков Д. В. Микропроцессоры и микропроцессорные системы.— М. : Радио и связь, 1981.— 328 с.

57.Бахмутский В. Ф. Универсальные цифровые измерительные приборы и

системы.— Киев : Техшка, 1979.— 208 с.

58.Бахтиаров Г. Д,, Малинин В. В., Школин В. П. Аналого-цифровые пре­ образователи.— М. : Сов. радио, 1980.— 280 с.

59.Базикович А. Я., Шапиро Е. 3. Измерение электрической мощности в зву­ ковом диапазоне частот.— Л. : Энергия. Ленингр. отд-ние, 1980.— 168 с.

Л.: Энергия, Ленингр. отд-ние, 1976.— 256 с.

63.Гитис Э. И., Пискулов Е. А. Аналого-цифровые преобразователи.— М. : Энергоиздат, 1981.— 360 с.

64.Григорьян Р. Л., Скрипник Ю. А., Шалдыкин О. К. Анализаторы харак­

теристик радиоэлектронных устройств.— Киев : Техшка, 1981.— 248 с.

65.Де Брейн Н. Г. Асимптотические методы в анализе,— М. : Изд-во иностр. лит., 1961.— 247 с.

66.Демидович Б. П., Марон И. А. Основы вычислительной математики. М. : Наука, 1970.— 664 с.

67.Ермолов P. С. Цифровые частотомеры.— Л. : Энергия. Ленингр. отд-ние,

Л.: Энергия, Ленингр. отд-ние, 1974,— 153 с.

70.Каган Б. М., Сташин В. В. Микропроцессоры в цифровых системах.—

М.: Энергия, 1979.— 192 с.

71.Кирианаки Н. В., Дудыкевич В. Б. Методы и устройства цифрового изме­ рения низких и инфранизких частот.— Львов : Вища школа. Изд-во при Львов. ун­ те, 1975.— 188 с.

72.Кондалев А. И., Денисенко В. П., Козачковский А. Д. Об одном методе выбора микропроцессора для встраивания в радиоизмерительную аппаратуру.— Упр. системы и машины, 1979, ' № 2, с. 70—72.

73.Консон А. С., Лукошявичюс-Лукошгос А.-С. А. Вопросы определения эко­ номической эффективности применения микропроцессоров.— Приборы и системы упр. 1979, № 10, с. 38—40.

74.Левин Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники.— М. ;

Сов. радио, 1969.— 728 с.

75.Лившиц Н. А., Пугачев В. Н. Вероятностный анализ систем автоматиче­ ского управления.— М. : Сов. радио, 1963.— T. 1. 896 с.

76.Мартяшин А. И., Шахов Э. К.» Шляндин В. М. Преобразователи электри­ ческих параметров для систем контроля и измерения.— М. : Энергия, 1976.— 392 с.

11.Махнанов В. Д., Милохин Н. Г. Устройства частотного и время-импульс- ногоГ преобразования.— М. гЭнергия, 1970,— 128 с.

78.Микропроцессорные комплекты интегральных схем: состав и структура. Справочник / Под ред. А. А. Васенкова, В. А. Шахнова.— М. : Радио и связь, 1982.— 192 с.

79. Минц М. Я.» Кучеренко Г. Н. Анализ влияния нелинейных искажений на точность определения сдвига фаз между основными гармониками.— В кн.: вопро­ сы улучшения технических параметров выпрямительных и транзисторных приборов. Сб. науч. тр. Л. : ВНИИ электр. изм. приборов, 1970.— с. 364—368.

80.Минц М. Я., Чинков В. Н. О погрешности измерения временных интерва­ лов методом счета импульсов,— Измерител. техника, 1980, N2 7, с. 40—47.

81.Моисеев В. С. Системное проектирование преобразователей информации.—

Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1982.— 255 с.

82.Нестеров П. В. Развитие и оценка архитектуры микропроцессоров.— Зарубеж. радиоэлектроника, 1979, вып. 4, с. 32—69 с.

83.Новицкий П. В., Кнорринг В. Г., Гутников В. С. Цифровые приборы с частотными датчиками.— Л. : Энергия, Ленингр. отд-ние, 1970.— 424 с.

84.Орнатский П. П. Автоматическйе измерения и приборы.— Киев Вища школа. Головное изд-во, 1980,— 560 с.

85.Орнатский П. П. Теоретические основы информационно-измерительной тех­

ники.— Киев : Вища школа. Головное изд-во, 1983,— 455 с.

86.Островерхов В. В. Динамические погрешности аналого-цифровых преобра­ зователей.— Л. : Энергия, Ленингр. отд-ние, 1975.— 176 с.

87.Пампуро В. И. Прогнозирование стабильности информационных устройств.— Киев : Техшка, 1978.— 248 с.

88.Прянишников В. А. Интегрирующие цифровые вольтметры постоянного тока.— Л. : Энергия, Ленингр. отд-ние, 1976.— 224 с.

89.Розенберг В. Я. Введение в теорию точности измерительных систем.— М. i Сов. радио, 1975.— 303 с.

90.Рудой А. И., Таранов С. Г. Прецизионные источники периодического сиг­ нала.— Киев : Наук, думка, 1982.— 184 с.

91.Смеляков В. В. Цифровая измерительная аппаратура инфранизких час­ тот.— М. : Энергия, 1975.— 168 с.

92.Смирнов П. Т. Цифровые фазометры,— Л. : Энергия, Ленингр. отд-ние, 1974.— 144 с.

93.Сурду М. Н., Мельник В. Г., Орнатский О. А. К выбору методики расче­ та параметров квазисинусоидального напряжения.— В кн,:.Техника электрических измерений. Киев : Наук, думка, 1979, с. 41—48.

94.Сурду М. Н., Мельник В. Г., Орнатский О. А. Погрешности формирова­ ния квазисинусоидального напряжения цифрового генератора.— В кн,: Техника

электрических измерений. Киев : Наук, думка, 1979, с. 13—19.

95. Харкевич А. А. Борьба с помехами.— М. : Наука, 1965.— 276 с.

96.Хлистунов В. Н, Основы цифровой электроизмерительной техники и циф­ ровые преобразователи.— М.; Л. : Энергия, 1966.— 346 с.

97.Швецкий Б. И. Электронные цифровые приборы.— Киев : Техшка, 1981.—

247с.

98. Шляндин В. М. Цифровые измерительные устройства.— М. : Высш. пне.,

1981.— 335 с.

99. Snyder F. G. The Microprocessor Shake — Ont.— Digital Design, 1974, V. 4, JSfs 9, p. 20—22.