Розмір шрифту:
ПРОГРАМНИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ КОДІВ ШКАЛЬНОЇ ІНДИКАЦІЇ
Остання редакція: 08-05-2021
Тези доповіді
1. ВСТУП
Для формування символів на семисегментних, матричних та шкальних індикаторах (ШІ) використовують різні перетворювачі коду (ПК), які формують однозначний зв'язок між вхідними та вихідними змінними. ПК в практичних реалізаціях здебільшого будуються апаратно на основі інтегральних схем. Серійно випускаються мікросхеми для багатьох ПК: двійкового коду в десятковий, шістнадцятковий, в код Грея або зворотний. Але в сучасних розробках доречно реалізовувати перетворювачі програмно, особливо у вбудованих системах на основі мікроконтролерів (МК). Алгоритми обробки цифрової інформації перетворення даних дозволяють створювати програмовані ПК, що є дуже гнучким і технологічним методом з низькою собівартістю, тому що він реалізується наявним в системі МК. Відмова від логічних елементів у схемі ШІ дозволяє спростити схемотехнічну реалізацію, а отже і тестування, так як внесення змін до програми у випадку помилки набагато простіше, ніж переробка готової схеми.
Особливо цікавою є розробка алгоритмів програмних ПК для ШІ, які мають високий рівень ергономічних параметрів та забезпечують безпомилкове зчитування інформації зі шкали в складних умовах експлуатації.
Метою роботи є оптимізація будови програмних ПК для шкального виводу інформації у технічних засобах на основі МК.
2. ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ДОСЛІДЖЕННЯ
Підсистема індикації на основі МК отримує ззовні інформацію у вигляді двійкового нормального коду (ДНК), яка підлягає обробці та відображенню. Одним із найбільш розповсюджених кодів для візуалізації вихідних даних у системах шкальної індикації є позиційний одиничний код (ПОК) [1]. Згідно діючого ГОСТу 26.014-81 ПОК є числом, яке подається позицією (порядковим номером) символу "1" в ряду символів "0". При обміні інформацією у формі ДНК число розрядів в кодових комбінаціях повинно бути кратним 8 або 9, причому в 8-му (9-му) розряді при наявності контролю записується сума по модулю 2 або її інверсія попередніх 7 (8) розрядів. Також для збудження елементів інформаційного поля (ІП) ШІ використовують одиничний нормальний код (ОНК), в якому числа подаються кількістю одиниць [1]. Нижче наведено таблицю відповідності десяткового, ДНК, ОНК та ПОК без контрольного розряду.
Таблиця 1
Таблиця відповідності десяткового, ДНК, ОНК та ПОК
При апаратній реалізації засобів індикації на МК для її надійного функціонування між його портами та ШІ необхідно використовувати додаткові ключі (буферні підсилювачі), щоб уникнути перегріву та руйнування кристалу МК через підвищення вихідного струму або напруги на відповідних лініях. У типовому випадку зміна зображення на ІП відбувається в обробнику переривання часу, ініційованому таймером МК. В якості апаратної платформи доцільно використати МК сімейства MCS-51 завдяки його універсальності та низької собівартості.
3. РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕННЯ
Основою побудови ПК є таблиця відповідності, в якій записується повний набір вхідних і вихідних кодів у вигляді масиву з усіх варіантів значень, які потрібні для збудження ШІ [2]. Програмна реалізація ПК зводиться до знаходження для кожного вхідного слова певного вихідного коду керування підсистемою індикації.
Відповідно до застосування ШІ ІП може мати різний розмір. Типовими варіантами матриці елементів ІП є індикатори з кількістю рядків або стовпців в діапазоні 6…15 [3]. Слід зауважити, що перетворення коду буде відрізнятися в залежності від кількості шин, що комутуються. Типова розрядність портів МК дорівнює восьми, тому при кількості шин, що не перевищує 8, реалізується простіший ПК. Найбільш актуальними на практиці є розмірності матриці ІП 8х8 та 10х10 [3].
При керуванні ІП розмірністю 8х8 або менше не виникає жодних функціональних проблем, тому що усі регістри типових МК мають регістри та порти розрядністю у байт. Але при матриці 10х10 необхідно використати по 10 ліній для збудження її молодших і старших шин (розрядів). При цьому у типового МК один порт має лише 8 ліній, тому потрібно задіяти по дві додаткові лінії з іншого порту. Для формування символів і збудження матриці ІП зазвичай використовуються дані у формі ОНК та ПОК. Перетворення вхідного коду у потрібні вихідні двійкові комбінації відбувається через таблицю відповідності, яка є складовою ПК та програмно реалізується у вигляді масиву. Для створення різниці потенціалів на анодах і катодах застосовується «бітова логіка» MCS-51 при формуванні кодів на відповідній групі шин матриці. Після перетворення вхідного коду результат завантажується у порти МК, а далі через ключі посилений сигнал подається на шини матриці ІП для формування відповідного символу.
При матричному з’єднанні елементів ІП їх статичне збудження неможливе. Тому використовується динамічне формування зображення на індикаторі. При двотактній реалізації адитивного шкального подання інформації потрібно сформувати 4 коди по два для кожного такту [1]. Такий ПК будується на основі табл. 2, де х – розряди, які не використовуються при матриці 8х8, а у виділених останніх двох рядках міститься перетворення для матриці 10х10, яке потребує 2 додаткові розряди та відповідні лінії портів для керування ІП.
Таблиця 2
Таблиця істинності ПК для керування ШІ розмірністю 8х8 та 10х10
Бачимо, що при формування зображення в першому такті застосовано перетворення у ОНК старших розрядів, а у другому – перетворення в ПОК та ОНК для старших та молодших розрядів матриці, відповідно.
4. ВИСНОВКИ ТА ПЕРСПЕКТИВИ ПОДАЛЬШИХ ДОСЛІДЖЕНЬ
Представлений програмний ПК для шкального виводу інформації є гнучким та універсальним. Він дозволяє працювати з матричними ІП довільної розмірності, які на практиці використовують від 6 до 15 ліній керування. Розробники вбудованих систем зі ШІ можуть на основі представлених результатів програмно реалізувати потрібні засоби візуалізації, оскільки модельний ряд МК MCS-51 містить вироби з різноманітною конфігурацією.
Для формування символів на семисегментних, матричних та шкальних індикаторах (ШІ) використовують різні перетворювачі коду (ПК), які формують однозначний зв'язок між вхідними та вихідними змінними. ПК в практичних реалізаціях здебільшого будуються апаратно на основі інтегральних схем. Серійно випускаються мікросхеми для багатьох ПК: двійкового коду в десятковий, шістнадцятковий, в код Грея або зворотний. Але в сучасних розробках доречно реалізовувати перетворювачі програмно, особливо у вбудованих системах на основі мікроконтролерів (МК). Алгоритми обробки цифрової інформації перетворення даних дозволяють створювати програмовані ПК, що є дуже гнучким і технологічним методом з низькою собівартістю, тому що він реалізується наявним в системі МК. Відмова від логічних елементів у схемі ШІ дозволяє спростити схемотехнічну реалізацію, а отже і тестування, так як внесення змін до програми у випадку помилки набагато простіше, ніж переробка готової схеми.
Особливо цікавою є розробка алгоритмів програмних ПК для ШІ, які мають високий рівень ергономічних параметрів та забезпечують безпомилкове зчитування інформації зі шкали в складних умовах експлуатації.
Метою роботи є оптимізація будови програмних ПК для шкального виводу інформації у технічних засобах на основі МК.
2. ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ДОСЛІДЖЕННЯ
Підсистема індикації на основі МК отримує ззовні інформацію у вигляді двійкового нормального коду (ДНК), яка підлягає обробці та відображенню. Одним із найбільш розповсюджених кодів для візуалізації вихідних даних у системах шкальної індикації є позиційний одиничний код (ПОК) [1]. Згідно діючого ГОСТу 26.014-81 ПОК є числом, яке подається позицією (порядковим номером) символу "1" в ряду символів "0". При обміні інформацією у формі ДНК число розрядів в кодових комбінаціях повинно бути кратним 8 або 9, причому в 8-му (9-му) розряді при наявності контролю записується сума по модулю 2 або її інверсія попередніх 7 (8) розрядів. Також для збудження елементів інформаційного поля (ІП) ШІ використовують одиничний нормальний код (ОНК), в якому числа подаються кількістю одиниць [1]. Нижче наведено таблицю відповідності десяткового, ДНК, ОНК та ПОК без контрольного розряду.
Таблиця 1
Таблиця відповідності десяткового, ДНК, ОНК та ПОК
Дясятковий код
ДНК
ОНК
ПОК
0
00000000
00000000
00000000
1
00000001
00000001
00000001
2
00000010
00000011
00000010
…
…
…
…
7
00000111
01111111
01000000
8
00001000
11111111
10000000
При апаратній реалізації засобів індикації на МК для її надійного функціонування між його портами та ШІ необхідно використовувати додаткові ключі (буферні підсилювачі), щоб уникнути перегріву та руйнування кристалу МК через підвищення вихідного струму або напруги на відповідних лініях. У типовому випадку зміна зображення на ІП відбувається в обробнику переривання часу, ініційованому таймером МК. В якості апаратної платформи доцільно використати МК сімейства MCS-51 завдяки його універсальності та низької собівартості.
3. РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕННЯ
Основою побудови ПК є таблиця відповідності, в якій записується повний набір вхідних і вихідних кодів у вигляді масиву з усіх варіантів значень, які потрібні для збудження ШІ [2]. Програмна реалізація ПК зводиться до знаходження для кожного вхідного слова певного вихідного коду керування підсистемою індикації.
Відповідно до застосування ШІ ІП може мати різний розмір. Типовими варіантами матриці елементів ІП є індикатори з кількістю рядків або стовпців в діапазоні 6…15 [3]. Слід зауважити, що перетворення коду буде відрізнятися в залежності від кількості шин, що комутуються. Типова розрядність портів МК дорівнює восьми, тому при кількості шин, що не перевищує 8, реалізується простіший ПК. Найбільш актуальними на практиці є розмірності матриці ІП 8х8 та 10х10 [3].
При керуванні ІП розмірністю 8х8 або менше не виникає жодних функціональних проблем, тому що усі регістри типових МК мають регістри та порти розрядністю у байт. Але при матриці 10х10 необхідно використати по 10 ліній для збудження її молодших і старших шин (розрядів). При цьому у типового МК один порт має лише 8 ліній, тому потрібно задіяти по дві додаткові лінії з іншого порту. Для формування символів і збудження матриці ІП зазвичай використовуються дані у формі ОНК та ПОК. Перетворення вхідного коду у потрібні вихідні двійкові комбінації відбувається через таблицю відповідності, яка є складовою ПК та програмно реалізується у вигляді масиву. Для створення різниці потенціалів на анодах і катодах застосовується «бітова логіка» MCS-51 при формуванні кодів на відповідній групі шин матриці. Після перетворення вхідного коду результат завантажується у порти МК, а далі через ключі посилений сигнал подається на шини матриці ІП для формування відповідного символу.
При матричному з’єднанні елементів ІП їх статичне збудження неможливе. Тому використовується динамічне формування зображення на індикаторі. При двотактній реалізації адитивного шкального подання інформації потрібно сформувати 4 коди по два для кожного такту [1]. Такий ПК будується на основі табл. 2, де х – розряди, які не використовуються при матриці 8х8, а у виділених останніх двох рядках міститься перетворення для матриці 10х10, яке потребує 2 додаткові розряди та відповідні лінії портів для керування ІП.
Таблиця 2
Таблиця істинності ПК для керування ШІ розмірністю 8х8 та 10х10
Формування кодів старших розрядів для 1-го такту
Формування кодів молодших розрядів для 1-го такту
Формування кодів старших розрядів для 2-го такту
Формування кодів молодших розрядів для 2-го такту
0001
хх00000000
0001
хх11111111
0001
хх00000001
0001
хх00000001
0010
хх00000001
0010
хх11111111
0010
хх00000010
0010
хх00000011
0011
хх00000011
0011
хх11111111
0011
хх00000100
0011
хх00000111
0100
хх00000111
0100
хх11111111
0100
хх00001000
0100
хх00001111
0101
хх00001111
0101
хх11111111
0101
хх00010000
0101
хх00011111
0110
хх00011111
0110
хх11111111
0110
хх00100000
0110
хх00111111
0111
хх00111111
0111
хх11111111
0111
хх01000000
0111
хх01111111
1000
хх01111111
1000
хх11111111
1000
хх10000000
1000
хх11111111
1001
0011111111
1001
1111111111
1001
0100000000
1001
0111111111
1010
0111111111
1010
1111111111
1010
1000000000
1010
1111111111
Бачимо, що при формування зображення в першому такті застосовано перетворення у ОНК старших розрядів, а у другому – перетворення в ПОК та ОНК для старших та молодших розрядів матриці, відповідно.
4. ВИСНОВКИ ТА ПЕРСПЕКТИВИ ПОДАЛЬШИХ ДОСЛІДЖЕНЬ
Представлений програмний ПК для шкального виводу інформації є гнучким та універсальним. Він дозволяє працювати з матричними ІП довільної розмірності, які на практиці використовують від 6 до 15 ліній керування. Розробники вбудованих систем зі ШІ можуть на основі представлених результатів програмно реалізувати потрібні засоби візуалізації, оскільки модельний ряд МК MCS-51 містить вироби з різноманітною конфігурацією.
Ключові слова
перетворювач кодів; мікроконтролер; дискретно-аналогова індикація; шкала; бітова логіка