Компьютерная Томография

соответствует разъем 17.

INIT управляет инвертированным состоянием сигнала инициализации

устройства (Init). При этом установка нулевого значения бита означает

инициализацию принтера.

AFD управляет состоянием сигнала автоматический прогон

строки(Automatic Feed XT). Когда бит установлен в 1, принтер после

печати каждой строки будет автоматически переходить на новую строку.

STRB управляет синхронной передачей данных в устройство. Когда он

принимает значение 1, передаваемые данные могут считываться с линий данных.

3.2 Программирование параллельного порта.

Программирование подключенной к параллельному порту аппаратуры

заключается в установке определенных битов в регистрах данных и управления

и чтении определенных битов из регистра состояния. При этом если с

регистром данных проблем не возникает (это обычный байтовый регистр), то

два других регистра имеют некоторые особенности Во-первых, некоторые биты

являются инверсными. При записи в регистр управления нуля в этих битах

устанавливаются единицы, а если на входах регистра состояния установлены

нули, то их этих битов считываются единицы. Во-вторых, если четыре бита

регистра управления расположены в младших битах байта (биты 0 - 3), то пять

битов регистра состояния - в старших (биты 3 - 7). Полная информация об

отображении сигналов шин управления и состояния интерфейса Centronics на

регистры параллельного порта компьютера приведена в табл. 3.2.

Табл. 3.2.

Отображение сигналов шин управления и состояния интерфейса Centronics на

регистры параллельного порта компьютера.

| Ш И Н А | С И Г Н А Л | Б И Т |И Н В Е Р С И Я |

| | -STROBE | 0 | инверсный |

|Управление | | | |

| | -AUTO FD | 1 | инверсный |

| | -INIT | 2 | прямой |

| | -SLCT IN | 3 | инверсный |

| | -ERROR | 3 | прямой |

| | | | |

|Состояние | | | |

| | SLCT | 4 | прямой |

| | PE | 5 | прямой |

| | -ASK | 6 | прямой |

| | -BUSY | 7 | инверсный |

Программное прерывание 17h предоставляет некоторые возможности по работе

с параллельным портом принтера. Однако этих возможностей недостаточно для

полноценного программирования подключенных к этому порту внешних устройств.

Кроме того использование прерывания существенно замедляет работу программы,

поэтому рекомендуется непосредственно считывать данные по соответствующему

адресу. Действительно полезной оказывается функция N1 - инициализация

порта(вход: AH=1,DX-номер порта(0,1 или 2); выход: AH-статус порта). Дело в

том, что эту процедуру необходимо выполнять после окончания работы с

принтером. Поэтому рекомендуется вызывать функцию N1 прерывания 17h при

выходе из программы.

Следует отметить, что, начиная с BIOS для IBM PC/AT, выпущенного в

марте 1986 года, считывание значения из регистра состояния параллельного

порта производится дважды, что связано с тем, что изменение состояния BUSY

имеет растянутый фронт.

Двунаправленный порт обычно используется в режиме совместимости -

именно этот режим устанавливается изначально при выполнении программы POST.

Однако, программист может использовать расширенный режим работы порта для

подключения нестандартной аппаратуры. В этом случае на компьютерах PS/2

выбор расширенного режима работы параллельного порта производится при

конфигурации аппаратуры компьютера путем записи нулевого значения в бит 7

порта 0102h.

В других компьютерах двунаправленный режим контроллера параллельного порта

может выть выбран при выполнении программы начальной конфигурации BIOS.

Все сигналы интерфейса Centronics передаются в уровнях ТТЛ и

рассчитаны на подключение одного стандартного входа ТТЛ.

4. Разработка принципиальной схемы устройства.

Исходя из разработанной структурной схемы, можно выделить следующие

части проектируемой схемы.

Аналого-цифровой преобразователь должен преобразовывать аналоговый

сигнал, пропорциональный углу поворота гантрии симулятора в цифровой код

для дальнейшей обработки с помощью ЭВМ.

Преобразователь аналогового сигнала подгоняет его уровень под

требования АЦП, т.е., как будет показано ниже, осуществляет его ослабление,

а также служит буфером.

Двусторонний ограничитель уровня необходим для ограничения уровня

входного аналогового сигнала, для предотвращения выхода АЦП из строя при

повороте гантри сверх допустимого диапазона.

Необходимо также обеспечить защиту АЦП, для предотвращения подачи на

него сигналов при выключенных питающих напряжениях.

Источник питания должен служить для обеспечения функционирования

входящих в схему устройств. Для упрощения схем питания предполагается

выбирать для использования элементы с одинаковыми требованиями к питающим

напряжениям.

С целью информирования о включенном состоянии устройства, необходимо

предусмотреть какое-либо устройство индикации.

4.1 Выбор аналого-цифрового преобразователя.

Для преобразования аналогового сигнала от датчика положения гантрии в

цифровую форму, для дальнейшей обработки с помощью ЭВМ необходимо

использование АЦП.

В АЦП входным сигналом является напряжение, а выходным -

соответствующий этому напряжению цифровой код, который образуется в

результате квантования входного напряжения по уровням. Принцип работы АЦП

зависит от метода преобразования. По алгоритму преобразования основные

методы преобразования, используемые в микросхемах АЦП, подразделяются на

методы: последовательного счета, поразрядного уравновешивания

(последовательного счета) и параллельного действия (считывания). [5]

Критерием выбора АЦП являются его параметры: число разрядов,

быстродействие, точность, стоимость.

Число разрядов выходного кода определяет количество возможных уровней

квантования входного сигнала. Для n-разрядного двоичного кода это

количество равно 2n.

Разрешающая способность определяется минимальным входным напряжением,

соответствующим изменению выходного кода на единицу младшего разряда. Она

характеризует порог чувствительности при котором происходит смена выходного

кода.

Нелинейность ([pic] (рис. 4.1) показывает максимальное отклонение

реальной передаточной характеристики от идеальной; выражается в процентах

или долях младшего разряда (МР).

([pic]

([pic]

Рис. 4.1 Нелинейность и абсолютная нелинейность преобразования.

Дифференциальная нелинейность - это отклонение двух входных сигналов,

соответствующих соседним выходным кодам от значения МР. Выражается

дифференциальная нелинейность также в процентах или долях МР.

Абсолютная погрешность преобразования ([pic] в конечной точке шкалы -

это отклонение напряжения от номинального значения, соответствующего

конечной точке характеристики преобразования. Эта погрешность зависит от

шага квантования (методическая погрешность) и инструментальных

погрешностей, вносимых узлами АЦП.

Наиболее быстродействующими являются АЦП параллельного действия,

однако они также самые сложные и самые дорогие. АЦП последовательного счета

имеют самое низкое быстродействие. Широко распространенные АЦП

последовательного приближения обладают средним быстродействием.

Исходя из специфики задачи, для ее выполнения подойдут функционально

завершенные АЦП, пригодные для непосредственного сопряжения с ЭВМ. Такие

АЦП требуют минимального количества вспомогательных элементов, имеют

встроенные источники опорного напряжения, генераторы тактовых импульсов

буферные регистры с тремя состояниями. Важным требованием является работа

АЦП с ТТЛ уровнями для непосредственного подсоединения к параллельному

порту ЭВМ.

Определим требуемую разрядность АЦП. Для обеспечения точности менее

одного градуса число разрядов n должно быть:

n > log[pic]360

Т.е. n должно быть больше или равно 9.

Указанным требованиям удовлетворяет 10 - разрядный функционально

полный АЦП последовательного приближения К1113ПВ1, выполненный по КМДП -

технологии.

Функциональная электрическая схема АЦП К1113ПВ1 показана на рис. 4.2.

Рис.4.2 Функциональная электрическая схема АЦП К1113ПВ1.

Микросхема К1113ПВ1 выполняет функцию 10-разрядного аналого-цифрового

преобразования однополярного или биполярного входного сигнала с

представлением результатов преобразования в параллельном двоичном коде. Она

содержит все функциональные узлы АЦП последовательного приближения, включая

КН, ЦАП, РПП, ИОН, ГТИ, выходной буферный регистр с тремя состояниями,

схемы управления. [6]

Для ее эксплуатации необходимы только два источника питания и

регулировочные резисторы. Выходные каскады с тремя состояниями позволяют

считывать результат преобразования непосредственно на шину данных МП.

Несколько АЦП могут обслуживать один МП, и наоборот. По уровням входных и

выходных логических сигналов АЦП сопрягается с цифровыми ТТЛ ИС.

Классификация БИС по группам А, Б, В проводится по значениям параметров

нелинейности и дифференциальной нелинейности.

Микросхемы К1113ПВ1 изготавливаются по биполярной технологии,

модифицированной для совмещенного формирования на кристалле биполярных

транзисторов, а также элементов инжекционной логики и тонкопленочных

прецизионных резисторов. Технология позволяет разместить в одной БИС

большое число цифровых элементов и выполнить аналоговые узлы с высоким

уровнем параметров. В процессе производства осуществляется настройка АЦП до

требуемых значений электрических параметров путем подгонки сопротивлений

тонкопленочных резисторов лазерным лучом.

Микросхемы К1113ПВ1 выпускаются в 18-выводном герметичном

металлокерамическом корпусе типа 238.18-1 с вертикальным расположением

выводов.

Нумерация и расположение выводов микросхемы:

1-9 - цифровые выходы 9-1;

10 - напряжение источника питания (+5 В);

11 - гашение и преобразование;

12 - напряжение источника питания (-15 В);

13 - аналоговый вход;

14 - общий (аналоговая земля);

15 - управление сдвигом нуля;

16 - общий (цифровая земля);

17 - готовность данных;

18 - цифровой выход 10 (младший разряд);

Основные электрические параметры микросхемы К1113ПВ1А представлены в

табл. 4.1.

Табл. 4.1

Основные электрические параметры АЦП К1113ПВ1

|Параметр |Не менее |Не более |

|Число разрядов n |10 |- |

|Нелинейность ([pic], % |- 0,1 |0,1 |

|Дифференциальная нелинейность ([pic], % |- 0,1 |0,1 |

|Абсолютная погрешность преобразования в конечной| | |

|точке шкалы |- 20 |20 |

|Напряжение смещения нуля на входе, мВ |- 30 |30 |

|Время преобразования t, мкс |- |30 |

|Напряжение питания U1, В |4,5 |5,5 |

|Напряжение питания U2, В |-16,5 |-13,5 |

|Ток потребления I1 |- |10 |

|Ток потребления I2 |- |20 |

|Входное сопротивление , кОм |10 |- |

|Диапазон униполярного входного напряжения, В |- |10,24 |

|Диапазон биполярного входного напряжения, В |-5,12 |5,12 |

Табл. 4.1 Продолжение.

|Предельно допустимое значение униполярного | | |

|входного напряжения, В |0 |10,5 |

|Предельно допустимые значения биполярного | | |

|входного напряжения, В |-5,5 |5,5 |

Номинальные значения напряжений источников питания: U1=5 В [pic]5% и

U2=-15 В [pic]5%. Диапазоны их предельных изменений составляют U1=(4,5 -

5,5) В, U2=-(16,5 - 13,5) В.

В БИС К1113ПВ1 выходной ток ЦАП сравнивается с током, протекающим

через входной резистор от источника сигнала. Тем самым формируется

логический сигнал управления РПП. Стабилизация разрядных токов ЦАП

осуществляется встроенным ИОН на основе стабилитрона со скрытой структурой.

Включение АЦП в режиме работы с униполярным входным напряжением

предполагает подсоединение вывода 15 к цифровой земле (вывод 16). При этом

на выходе встроенного ЦАП задается ток, равный току СР, но противоположной

полярности. При работе АЦП с биполярным входным напряжением электрические

сигналы на вывод 15 не подаются.

Тактирование РПП обеспечивается импульсами встроенного ГТИ с частотой

следования 300-400 кГц. Установка РПП в исходное состояние и запуск его в

режим преобразования производятся по внешнему сигналу "Гашение и

преобразование". По окончании преобразования АЦП вырабатывает сигнал

готовность данных" и информация из РПП поступает на цифровые выходы через

каскады с тремя состояниями. Временные диаграммы работы АЦП

приведены на рис. 4.3.

[pic]

Рис. 4.3 Временные диаграммы работы АЦП К1113ПВ1.

Напряжение от источников питания и входных сигналов подаются на БИС

АЦП К1113ПВ1 в следующей последовательности: потенциал земли, напряжения

питания, напряжения на входы управления, входное напряжение. Порядок снятия

напряжений обратный. Допускается одновременная их подача и снятие.

ИС К1113ПВ1А использует два питающих напряжения +5 В и -15 В. В

разрабатываемой схеме используются напряжения, получаемые с источника

питания симулятора: +15 и -15 В. Необходимое для питания АЦП напряжение +5

В получается с помощью интегрального стабилизатора напряжения К142ЕН5В.

Известно, что при обработке аналоговых сигналов, изменяющихся с

частотой, соизмеримой или большей, чем скорость работы АЦП, из аналогового

сигнала приходится делать выборки. [5] Для этого некоторое значение

сигнала в определенные моменты запоминается на время, необходимое для того,

чтобы АЦП преобразовал его в двоичный код. Эту функцию выполняют устройства

выборки и хранения аналогового сигнала (УВХ). Это своего рода аналоговые

запоминающие устройства. Обычно схемы УВХ в своей основе имеют интегратор

на операционном усилителе (ОУ) с высокоомной нагрузкой и малыми токами

утечки, снабженный ключевыми схемами. Также УВХ выпускаются в виде

комплексных ИС.

Необходимо определить целесообразность использования УВХ в

разрабатываемом устройстве. Очевидно, что потребность в УВХ возникает,

когда частота аналогового сигнала больше скорости работы АЦП. Если же за

время преобразования t аналогового сигнала в цифровой код, изменение

первого будет меньше разрешающей способности АЦП, необходимость в УВХ

отпадает. Гантри симулятора проходит полный оборот за 40 с. Разделив 40 на

1024 получим время, соответствующее изменению кода на единицу:

40/1024=0,039 с, т.е. около 40 мс. Время же преобразования выбранного АЦП

составляет 30 мкс, что более чем в 1000 раз меньше. Таким образом

применение УВХ в данном устройстве не оправдано и аналоговый сигнал

предполагается подавать непосредственно на вход АЦП после подгонки его под

уровень входного сигнала (динамический диапазон) АЦП.

Определим точность преобразования с помощью 10-ти разрядного АЦП.

Изменение выходного кода на единицу младшего разряда произойдет при

повороте гантрии на угол ( равный:

[pic]

Таким образом, разрешающая способность преобразователя, исходя из

разрядности АЦП, составит 0,35(.

Т.к. датчик положения гантри - потенциометр питается двуполярным

напряжением ((10В), АЦП будет использоваться в биполярном режиме.

Напряжение полной шкалы регулируется резистором, подключенным к аналоговому

входу. Схема включения АЦП показана на рис. 4.4.

Рис. 4.4 Схема включения АЦП К1113ПВ1.

Как видно из описания выбранного АЦП для его связи с компьютером

потребуется 13 линий. 10 линий непосредственно должны передавать цифровые

данные о положении гантрии. Выход АЦП "Готовность" передает информацию о

готовности данных. На вход "Гашение и преобразование" будет передаваться

информация о приеме данных программой. Вход АЦП "Цифровая земля"

подключается к земле компьютера.

Проблема нехватки разрядов регистра данных параллельного порта (8

разрядов вместо требуемых 10) решается подачей двух младших разрядов в

регистр состояния, а 8-ми старших разрядов непосредственно в регистр

данных. Порядок подключения разрядов АЦП к регистру данных таков: старший

разряд АЦП к старшему биту регистра данных. Девятый и десятый разряды АЦП

подключается соответственно к шестому и седьмому битам регистра состояния

(считая, что младший бит - первый).

Выходная линия АЦП "Готовность" подключается к пятому биту регистра

состояния.

На вход АЦП "Гашение и преобразование" сигнал подается со второго бита

регистра управления. Данный бит является инверсным, т.е. при записи в него

единицы, на линии появляется ноль.

Земля схемы подсоединяется к земле компьютера также через разъем

параллельного порта.

Выбор именно этих битов параллельного порта обусловлен структурой

самого порта, а также конструктивным и программным удобством их

использования

Цоколевка параллельного порта и использование его контактов показано

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6