Stfw.RuНа этапе постановки задачи определяются входные и выходные требования к МПУ, математические методы решения поставленной задачи, разрабатываются алгоритмы решения задачи и взаимодействия МПУ с РЭУ. Анализируя алгоритмы, решаемые МПУ и РЭУ, формируются требования и ограничения на их реализацию. Эти этапы являются типичными для любого РЭУ и поэтому обычно не вызывают затруднений.
2.12. Основные этапы проектирования микропроцессорных устройств
На последующих этапах процесс проектирования раздваивается на аппаратурную и программную части. Первый же этап: выбор типа МП и структуры МПУ требует от специалиста знаний элементной базы МПУ, их систем команд, имеющегося программного обеспечения, средств отладки и т. п. На основе этих знаний осуществляется разбиение структуры МПУ на аппаратурную и программную части. Далее, исходя из выбранной структуры МПУ, конкретизируются требования к программному обеспечению и аппаратурным средствам. Осуществляется предварительная разработка программы и аппаратуры. Оцениваются основные характеристики МЛУ. Эти характеристики сравниваются с требованиями, предъявляемыми к МЛУ. Если полученные характеристики являются удовлетворительными, то осуществляется совместная отладка программного обеспечения и аппаратурных средств. По результатам отладки выпускается техническая документация.
Если характеристики не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к МЛУ, выбирается другой МП или изменяется структура МПУ и весь процесс проектирования повторяется. Если для всего имеющегося в распоряжении разработчика набора МП и допустимых структур построения МЛУ не будет найдено удовлет-ворительное решение, то необходимо изменить требования, предъявляемые (К МПУ. Это достигается либо выбором более эффективных математических методов и алгоритмов, либо перераспределением задач между РЭУ и МЛУ.
В книге основное внимание будет уделено следующим этапам: выбору типа МП и структуры МПУ, предварительной разработки программного обеспечения и аппаратных средств, определению характеристик МЛУ. Этапы постановки задачи и формирования требований к разрабатываемым устройствам подробно изложены в специальной литературе, например [30, 32]. Отладка программного обеспечения рассмотрена в [9 - 11].
Кроме разработки программного обеспечения можно выделить еще ряд особенностей применения МПУ в РЭА: реальный масштаб времени обработки сигналов, использование аппаратных микропроцессоров, разработка специальных периферийных устройств и интерфейсных схем.
Реальный масштаб времени обработки сигналов (РМВ). Под РМВ обработки сигналов понимается необходимость обеспечения временного ограничения на выполнение алгоритма обработки сигналов: Тпр<Т, где Тпр - время выполнения программы микропроцессором; Т - допустимое время выполнения программы. Значение Гпр зависит от выполняемого алгоритма обработки, типа МП, его системы команд, структуры и т. п. Значение Т определяется структурой и требованиями к РЭУ, параметрами обрабатываемого сигнала. Для различных РЭУ и сигналов Т определяется по-разному. Рассмотрим, как определяется Т для МЛ БПФ (см. рис. 2.5).
Пример 2.7. Пусть МП БПФ решает задачу спектрального анализа сигнала, имеющего следующие параметры: полоса анализируемых частот AF= = 100 кГц, длительность обрабатываемого сигнала Гс = 10 мс. Требуется определить Т для МП БПФ и МП БО.
Для обеспечения РМВ необходимо, чтобы допустимое время спектрального анализа T
Использование аппаратных микропроцессоров. Для большинства задач обработки сигналов быстродействие микропроцессорных вычислителей недостаточно. Необходимо построение многомикро-процессорных систем. В |[2, 33] приведены примеры таких систем.
Существенное повышение быстродействия МПУ может дать применение аппаратных микропроцессоров, реализующих наиболее сложные, с вычислительной точки зрения, участки алгоритма обработки. Так, использование матричного сумматора в вычислителе управления лучом ФАР (пример 2.5) позволяет осуществить расчет фазового распределения за время, приблизительно равное 9tсл.
Возможны различные структурные варианты использования аппаратных микропроцессоров совместно с программными, некоторые из них приведены на рис. 2.13. В [2] приведены программы, реализации алгоритмов БО и БПФ для МП серий КР580, К589. В табл. 2.2 представлены данные о числе операций, используемых в алгоритмах, и времени вычисления этих операций.
Из табл. 2.2 видно, что умножение занимает значительную часть времени вычисления БО. Использование умножителей КР1802ВРЗ для вычисления БО позволяет снизить время ее вычисления для МП КР580 до 3082 мкс, для К589 до 20,4 мкс, для КР1802 до 1,5 мкс.
2.13. Структурные схемы подключения аппаратных микропроцессоров к программным:
а - микропроцессор выполняет базовую операцию по программе, хранимой в ПЗУ; б - операция умножения выполняется аппаратно; в - базовая операция выполняется аппаратно
Таблица 2.2
Операции Число операций Время выполнения операций, мкс
КР580 К589 КР580 К589
Умножение 4 4 1030 39,2
Сложение 13 16 2,0 0,2
Пересылки:
память - регистр 35 7 3,5 8,0 0,2. 0,4
регистр - регистр 8 11 2,5 0,2
Прочие операции 5 2 5,5 - 8,5 0,2
БО 65 40 4430 164
Разработка специальных периферийных устройств и интерфейсных схем. Технические характеристики АЦП и ограниченное быстродействие микропроцессоров приводят к необходимости реализации предварительной обработки радиотехнического сигнала традиционными методами, т. е. с использованием аналоговой техники. На рис. 2.5 изображен МП БПФ, на входе которого включен формирователь квадратур. Входной сигнал может поступать непосредственно на АЦП, но тогда потребуется увеличить частоту дискретизации как минимум в 2 раза. Кроме того, значительно повышается требование к длительности выборки дис,кретных от-счетов. Это время должно составлять доли периода входного сиг-нала. Поэтому в данном случае формирователь квадратур является специальным периферийным устройством, использование которого позволяет снизить требования к АЦП и (МП БПФ.
2.14. Структурная схема устройства сопряжения РЛС с магнитным накопителем микро-ЭВМ
Основной задачей интерфейсных схем сопряжения является организация обмена данными между источниками, приемниками информации и МП. При этом сопряжение должно осуществляться как по формату данных, так и по скорости обмена. На рис. 2.14 приведена структурная схема устройства сопряжения импульсной РЛС с магнитным накопителем микро-ЭВМ, обеспечивающим регистрацию в РМВ выборок из эхосигнала, следующих с частотой дискретизации 1 МГц в виде 8-разрядных параллельных слов [34]. Данное устройство применяется при исследовании отражательной способности поверхности земли. Для решения этой задачи требуется большой объем памяти запоминающего устройства. Это может быть обеспечено магнитным накопителем. Второй особенностью является высокая скорость поступления информации. Помимо измерительной информации необходимо записывать также служебную (текущее время, координаты РЛС и т. п.).
Выравнивание скоростей информационных потоков, поступающих с РЛС, служебных сигналов и скорости записи обеспечивается использованием буферного ЗУ (БЗУ).
Сигнал с РЛС поступает на АЦП и анализатор входного сигнала, который вырабатывает стробирующий импульс, запускающий генератор тактовых импульсов (ГТИ1). Одновременно АЦП осуществляет дискретизацию входного сигнала по времени и квантование по уровню. Частота дискретизации 1 МГц. Разряд-ность АЦП 8 бит, шаг квантования 20 мВ. АЦП формирует часть отсчетов, число которых определяется длительностью стробирую-щего импульса тс: N=xc/TR. Этот массив записывается в ОЗУ1.
Запись служебной информации осуществляется по мере заполнения накапливающего регистра. Входной регистр выполняет роль коммутатора; после окончания записи в ОЗУ1 сигнального массива он осуществляет запись в ОЗУ 1 служебного массива по соседним адресам. Адреса формирует регистр адреса 1. Сигнальный и служебный массивы составляют кадр записи. Для разделения кадров вводится маркер кадра. Очередной кадр информации записывается в соседние ячейки памяти.
После того как будет полностью заполнен модуль ОЗУ1, емкость которого около 2К байт, устройство управления (УУ) переключает режимы работы модулей: ОЗУ1 на считывание, ОЗУ2 иа запись.
Для формирования синхроимпульсов считывания информации используется ГТИ2, частота которого согласована с магнитным накопителем. Считываемая информация через коммутатор поступает на формирователь, вырабатывающий выходной код, определяемый типом магнитного накопителя.
Устройство сопряжения позволяет записывать информацию в РМВ со скоростью значительно ниже скорости поступления информации с РЛС.
