11.2. ОДНОКРИСТАЛЬНЫЕ МИКРОЭВМ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ СЕРИИ К1813

При решении задач цифровой фильтрации сигналов, распознавания образов, синтеза и анализа речи, возникающих в акустике, гидро- и радиолокации, сейсмологии, ядерной физике, необходимо использовать специализированные однокристальные микроЭВМ цифровой обработки аналоговых сигналов (или аналоговые микропроцессоры — АМП). Структура таких устройств формируется на основе следующей цепн преобразования и обработки сигналов: , где — входные (выходные) аналоговые сигналы; ЦОС — цифровая обработка сигналов.

Примером реализации такой структуры являются аналоговые микропроцессоры (табл. 10.3) МКП серий .

БИС представляет собой однокристальную микро-ЭВМ цифровой обработки аналоговых сигналов (ОМЦОАС) с аналоговыми устройствами ввода-вывода, предназначенную для построения функциональных узлов систем обработки сигналов и управления с использованием цифровых методов. Настройка БИС на реализацию конкретного алгоритма обработки сигналов выполняется программой, записанной в РПЗУ.

Выполняя заданную программу, ОМЦОАС осуществляет дискретизацию сигналов с четырех аналоговых каналов, преобразование полученных отчетов в цифровую форму и их цифровую обработку, результаты которой передаются на восемь выходов в аналоговой или логической, совместимой с ТТЛ, форме. ОМЦОАС выполняет аналого-цифровое преобразование с разрядностью 9 бит и частотой дискретизации не более .

Структура ОМЦОАС показана на рис. 11.17,а. БИС состоит из двух частей: аналоговой и цифровой, объединенных общим управлением.

Аналоговая часть обеспечивает сопряжение БИС с источниками сигналов. Она содержит входной -канальный аналоговый мультиплексор AM, АЦП, ЦАП и выходной -канальный демультиплексор ДМ. AM обеспечивает коммутацию входных каналов аналоговых сигналов , выборку и хранение мгновенных значений обрабатываемых сигналов. Хранение выборки обеспечивается конденсатором, подключенным к выводам (рис. ). Для того чтобы смещение сигнала не превышало 0,5 ЕМР, емкость внешнего конденсатора С не должна превышать .

Рис. 11.17.

А ЦП преобразует выборочное значение сигнала в цифровой -разрядный дополнительный код. Преобразование выполняется по методу последовательного приближения (поразрядного уравновешивания) по командам программы. Цифровое значение формируется в истре девять циклов сравнения компаратором сигнала выборки с выхода AM с аналоговым значением кода , формируемым ЦАП в следующей последовательности: знак, старший разряд, младший разряд.

При длительности цикла команды 600 не и формирования -разрядного кода выборка входного сигнала требуется 25 команд: 9 команд для формирования разрядов кода и 16 команд для установки АЦП. После преобразования с выхода код передается в цифровую часть ОМЦОАС, а ЦАП через ДМ — на выходы микросхемы.

Цифровой ввод-вывод обеспечивается от AM, выводы которого в этом случае используются для приема последовательного кода (АСО/ППК), выдачи последовательного кода (АСЗ/ВПК) и управляющих сигналов «Записи» и «Чтения» ЧТ). Последовательный ввод осуществляется командами ввода и формирования разрядов регистра . при этом знаковый разряд передается без инверсии, а остальные с инверсией, на выходе формируется сигнал «Чтения». Последовательный вывод кода в инверсном виде начинается со старшего разряда. На выходе формируется сигнал «Записи». Режим ввода-вывода выбирается аппаратно в соответствии с выводами (табл. 11.2). Уровни сигналов по входу и выходу БИС определяются внешним опорным напряжением , подаваемым ко входу . При этом диапазон входного сигнала может находиться в пределах .

Таблица 11.2

Цифровая часть БИС предназначена для выполнения операций обработки сигнала. Она состоит из АЛУ, регистра , ОЗУ, памяти программ РПЗУ и схемы синхронизации СС,

АЛУ выполняет вычисления в дополнительном коде с -разрядной точностью над масштабированным операндом и операндом В, поступающими из ОЗУ, Результат вычислений записывается в ОЗУ по адресу операнда В. Старший разряд переменной знаковый, а диапазон переменной находится в пределах — . Минимальноеальное упрощение любой переменной при этом составляет АЛУ логические схемы для сдвша влево и переполнения. Переполнение возникает в тех случаях, когда результат вычислений выходит за пределы разрядной сетки ОЗУ (25 разрядов). В результате сдвига влево также может возникав переполнение.

Для работы в режиме переполнения в АЛУ предусмотрено расширение разрядной сетки до 28. При работе без переполнений четыре старших разряда этой разрядной сетки содержат значение знакового разряда. При переполнении в разряды записывается результат сдвига влево, разряд используется для хранения информации о переносе, возникающем после выполнения операций АЛУ. Признаком переполнения служит различие -знаковых разрядов АЛУ.

В АЛУ можно программно установить два режима обработки переполнения: с ограничением и без ограничения. В режиме С ограничением переполнения результат заменяется ближайшим максимально допустимым значением переменной с учетом знака , если переполнение вызвала отрицательная переменная, , если переполнение вызвала положительная переменная), и на вывод переполнения (ПП) выдается сигнал низкого уровня. В режиме без ограничения переполнения после выполнения АЛУ соответствующей операции 25 младших разрядов результата выполнення записываются в ОЗУ по адресу операнда В.

Регистр предназначен для масштабирования операндов с выхода А ОЗУ (левый сдвиг до разряда, правый — до ). При сдвиге влево освободившиеся правые разряды заменяются нулями, а при сдвиге вправо освободившиеся левые разряды заменяются значениями знакового разряда (дополнительный код). Сдвиг эквивалентен умножению операнда А на принимает значение от —13 до .

ОЗУ выполняет функции памяти данных и представляет собой двухадресное ОЗУ статического типа с произвольной выборкой 40 X 25, ОЗУ адресуется шестью разрядными адресами от 000000 до 100111 с использованием только прямой адресации. Расширенное поле адресов ОЗУ (64 слова вместо 40) используется для адресации регистра и формирования констант Адрес регистра адреса используются для формирования 16 констант. ОЗУ имеет два регистра: А и В. С регистра А считывается информация, которая через поступает на один вход АЛУ в качестве операнда А. Через регистр В информация поступает на второй вход АЛУ в качестве операнда В.

Таблица 11.3

Результаты вычисления АЛУ записываются в ОЗУ только по регистру В.

Память программ представляет собой РПЗУ с ультрафиолетовым стиранием 192 X 24 разряда, в которую записываются командные слова.

Рис. 11.18.

Командное слово длиной 24 разряда разбито на пять полей, из которых одно управляет работой аналоговой части, остальные четыре — цифровой (рис. 11.18). Цифровые операции (табл. 11.3) задаются полем и обеспечивают выполнение пересылок слов данных (LDA), арифметического сложения (ADD), сложения с модулем 2 (АВА), вычитания (SUB), вычитания модуля (ABS), логического И (AND), исключающего ИЛИ (XOR). Операция LIM формирует максимальное положительное число , если операнд А неотрицателен, или максимальное отрицательное число , если операнд А отрицателен. Код цифровой операции выдается на АЛУ и управляет работой.

В полях (табл. 11.4) устанавливаются адреса операндов В и А ОЗУ. При в поле указывается константа (табл. 11.5) в двоичном дополнительном коде, изменяющаяся в с шагом 0,125.

Таблица 11.4

В поле указывается, на сколько разрядов можно сдвинуть вправо (на разрядов) влево (на 2 разряда) операнд А в регистре .

В полях задаются аналоговые операции, которые реализуют следующие операции: ввод — выборка сигнала с входов , аналого-цифровое преобразование выборок сигнала (CVTS, ), вывод (OUTK) сигналов на выходы Выхк анализ отдельных битов регистра Pel (CNDS, CVD„), а также операции «Конец программы» (ЕОР) и «Холостая операция» (NOP).

Таблица 11.5

В рабочем режиме из РПЗУ последовательно считываются четыре команды и записываются в -разрядный буферный регистр. Считывание одной команды выполняется за четыре такта работы генератора тактовых импульсов (ГТИ). Программный счетчик возвращается в исходное состояние после выполнения последней команды, а также после выполнения операции «Конец программы». Одновременно со считыванием четверки команд процессор выполняет предыдущие четыре команды.

Схема синхронизации управляет работой всех узлов БИС. Вывод «Работа программирование» задает режим работы БИС и всегда подключается к корпусу. Однако его логическое значение зависит от подключения источника питания —5 В. В рабочем режиме, когда напряжение источника питания —5 В подключено, вывод Р/ПР соответствует состоянию логической «1». В режиме программирования, когда напряжение источника —5 В отключено, на выводе — логический .

Выводы предназначены для подключения кварцевого резонатора (КР) или подачи внешних тактовых импульсов (ТИ). На вывод «Синхроимпульс цикла» (СЦ) выдается импульс низкого уровня, обозначающий начало цикла выборки команды из РПЗУ, Двунаправленный вывод служит для выдачи сигнала низкого уровня при чтении из РПЗУ команды ЕОР («Конец программы» КПР) и перехода на начало программы и для приема внешнего сигнала «Сброс» (R), который обнуляет программный счетчик, в результате чего выполнение программы начинается с нулевого адреса. Сигнал R необходимо стробировать импульсами СЦ, которые позволяют синхронизировать работу ОМЦОАС с другими устройствами системы (рис. 11.19).

Система команд ОМЦОАС (табл. 11.6) ориентирована на реализацию алгоритмов обработки сигналов. Каждая команда занимает в РПЗУ одно -разрядное слово и выполняется за четыре такта (600 не). Цифровые команды реализуют операции над содержимым в ОЗУ с адресами А и В. Поле В указывает адрес результата и одной из переменных, поле А — второй переменной или константы, которую можно промасштабировать путем сдвига на число разрядов, указанных полем ,

Рис. 11.19.

Выполняя операции сложения-вычитания над сдвинутыми значениями переменной А, можно реализовать программно операцию умножения переменной на константу. Выполнение операции умножения основывается на однозначности представления двоичной константы в виде взвешенной суммы двоичных цифр где или 1. Произведение вычисляется суммированием промасштабированных значений переменной А для позиций , в которых . Суммирование-вычитание промасштабированных значений позволяет формировать произвольные константы. В качестве операнда А при этом используются -разрядные константы, выбираемые полем А. В поле аналоговой операции цифровых команд указывается холостая операция NOP или операции ввода-вывода аналого-цифрового преобразования. Это позволяет совместить во времени выполнение цифровых и аналоговых операции.

Заполнение ноля аналоговой операции проверки условия CVDn позволяет реализовать цифровые команды условного перехода. Команда условной пересылки LDA CVD., используется для условной загрузки константы в ячейку ОЗУ, адресуемую полем В. Константа формируется полями A, S, а условие выполнения загрузки определяйся содержимым разряда регистра DAR, выбираемого полем операции CNDn.

Команда условного сложения ADD используется для операции умножения на переменную. Переменная (множитель) размещается в регистре DAR, а операция сложения промасштабированного на разрядов множимого А выполняется, если разряд множителя равен единице. Результат умножения формируется в ячейке ОЗУ, адресуемой полем В.

Команда условного вычитания SUB CNDn используется для выполнения операции деления на переменную.

Таблица 11.6

По команде выполняется сложение или вычитание промасштабированного на делителя из ячейки, адресуемой полем А, в зависимости от значения переноса вычисленного при выполнении предыдущей команды. Значение вычисленного по текущей команде переноса образует разряд частного и заносится в разряд регистра DAR, В результате выполнения девяти команд условного вычитания в регистре DAR формируется частное, а в ячейке ОЗУ, адресуемой полем В, — остаток от деления.

Размещение операций проверки условий в поле аналоговых операций логических команд ABA, XOR используется для запрета и разрешения режима ограничения результата при возникновении переполнения разрядной сеткн АЛУ. При этом цифровые операции команд (сложение с модулем и исключающее ИЛИ) всегда выполняются.

Поэтому в цифровые полях В, A, S команд необходимо указывать коды, значения которых не влияют на результаты вычислений.

Команды ША, , OUTA реализуют соответствующие аналоговые операции и используются для ввода-вывода значений обрабатываемых сигналов. В цифровой части команд при этом, как указывалось, располагаются цифровые операции, необходимые по программе.

Рис.

Холостая команда NOP используется для заполнения аналоговой части цифровых команд. Как самостоятельная команда она может использоваться для формирования временных задержек в программе, для обеспечения требуемой длительности выполнения программы.

Команда ЕОР завершает программу и обеспечивает безусловный возврат в ее начало (на нулевой адрес РПЗУ).

Команды RNZ, JNZ обозначают условные переходы в начало программы и на 32 ячейки вперед соответственно. Команды имеют форматы XOR 44 и выполняются в зависимости от состояния триггера CND, который хранит результат последней операции . Если операция условной передачи управления находится в одной команде с аналоговой операцией CNDS CNDrt, то сначала анализируется соответствующий бит регистра DAR, а затем полученное значение используется операцией условной передачи управления.

За один цикл обращения к РПЗУ выбирается сразу четыре команды. Поэтому команды передачи управления ЕОР, RNZ и JNZ должны располагаться по определенным адресам РПЗУ: команды ЕОР и RNZ — по адресам , а команды JNZ — по адресам где .

Невыполнение этих условий может привести к неправильному выполнению программы. Кроме того, если команда JNZ расположена по адресам , где , то переход не выполняется независимо от значения CND. Если при операции , то выполняются пять команд, расположенных после JNZ, и затем — переход на 32 команды вперед.

Программирование ОМЦОАС. Схема включения ОМЦОАС в режиме программирования показана на рис. 11.20,а. В режиме программирования -разрядное командное слово разбивается на шесть -разрядных слов (рис. ). РПЗУ имеет организацию (192 X 6) X 4.

Рис. 11.21.

Запись и чтение содержимого РПЗУ идет через двунаправленные выводы , управление сигналом на выводе ЗП/ЧТ. Высокий уровень на этом выводе соответствует режиму записи, низкий — режиму чтения. Внутренний счетчик адресов изменяет свое состояние по спаду сигнала на входе СИ, а при ннзком уровне сигнала на входе R счетчик адреса устанавливается в «0». Для записи данных в РПЗУ по входам необходимо на вход «Запись программы» (ЗППР) подать импульсы амплитудой 25 В длительностью (рис. 11.20,в), а при чтении — импульсы амплитудой . Для правильного программирования БИС сигналы на входы СИ, R, ЗП/ЧТ рекомендуется подавать через вентили с открытым коллектором. Выходные каскады по линиям требуют подключения внешних резисторов. При записи в РПЗУ данные представляются в прямом коде, а при считывании из РПЗУ — в инверсном. На рис. 11.21 показана схема включения БИС для обработки аналоговых сигналов.