Аналого-цифровой микропроцессор Советский патент 1981 года по МПК G06J3/00 

(54) АНАЛОГО-ЦИФЮВОЙ МИКРОПРОЦЕССОР

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в устройствах преобразования и обработки цифровой и аналоговой информации различных информационноизмерительных и управляющих систем. Известно устройство, содержащее аналоговый коммутатор, аналоговое запоминающее устройство, преобразователь напряжения в код, регистр адреса канала и устройство синхронизации 1. Устройство вьшолнено в виде единого модуля однако его : возможности ограничены только операциями коммутации аналоговых входов, фиксации напряжений и преобразованием их в цифровой код. С помощью этого устройства невозможно произвести цифровую программную обработку взиных и осуществить цифроаналоговое преобразование. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является микропроцессор, содержащий аккумулятор данных магистрали и входной регистр, входы которых соединены с магистралью, а выходы - с входами арифметикологического устройства, выход которого соедивен с магастралью, регистр и дешифратор микрокоманд. Лдштый микропроцессор вьгаош{«н конструктивно в виде одной микросхемы я имеет широкие возможности в области цифровой обработки шфэрмащга (2). Недостатком его :етляется возможность только t poBbix ввдсж обработки информащш. fsaatase систем а&томатизироваш{ого и автоматического управле1шя и контроля требует создания ytraBepcajKHoro модуля, позвошгющего реализовать аналогов, аяалого-ц(|фрсфые и цифровые 4 нк1$йя. Прямое решешю данной проблемы заключается в простом объедаяегаш цифрового микропроцесссфа с модуляиж аналоговой и аналого-шфровой обработки входной информации и дафроашшоговыми MOJO: лями обработки выхошюй цифровой информации. Модуль, построенный по такому принципу, должен содержать входной коммутатор, аналоговые тапоминакщие устройства, ряд преобразо1вателей напряжения в код и преобразователей кода в напряжение различной точности и бьгстродействия, а также микрспроцессор. 38 Создание такся-о модуля встречает целый рад структурных, конструктивных и технолоппеских трудностей. Кроме того, подобный модуль не будет обладать габкостью в аналогоцифровых функциях, что не допустит или еделает «фезвычайно избыточным его применение в ряде задач. Цель изобретения - повышение коэффициента использования оборудования, увеличение гибкости микропроцессора. Поставлашая цель достигдатся тем, что микропроцессор, содержаищй регистр микрокоманд вход которого является управляющим входом микропроцессора, а выход подключи к входу дешифратора микрокоманд, блок ввода-вывода арифметико-логическое устройство, блок памяти данных, регистр, блок регистровой памяти, управляющие входы которого соеданены с выходом децшфратора микрокоманд, первый блока Ввода-вьтода являются соответствещо входом и выходом микропроцессора, выход арифметико-логического устройства и второй выход блока ввода-вьшода подключены к информационным входам регистра, биока памяти данных и блока регистровой памяти, выход которого подключён к информационным входам регистра, блока памяти данных и к вт(ЧН)му входу блока ввода-вьшода, выходы регистра и блока памяти данных соединены соответственно с входами, артфметико-логического устройства, выход которого соединен с вторым входом блока ввода-вывода, введены две группы элементов коммутации аналоговых сигналов, аналоговое запоминающее устройство блок сравнения, коммутатор цифровых сигнале, коммутатор аналоговых сигналов, регистр старших разрядов, регистр младших р рядов, двй преобразователя кода в напряжение, два злемеига коммутации аналоговых сигналов и сумматор, управляющие входы которых подключенЫ к выходу дешифратора микрокоманд информационные входы регастров старших и младцшх разрядов соединены с выходами ариф метико-логического устройства, блока регистровой памяти И с вторым выходом блока вво да-вывода, выход регистра старших разрядов соедшея с входом первого преобразователя кода в напряже1ше, выход регистра младших рк рядрв соединен с входом второго преобразователя кода в напряжение, выходы первого и второго преобразователей кода в напряжение со данеш) соответста0нно с входами сумматора, вы которого Подключен к вход первого элемента к аналоговых сигналов, входы элементов KONiiMyTanBlH аналоговых сигналов оервсй группы оавдииены соответагвенво с аналоговыми входа tsffl мшсропроцоссора, а выходы - соответствеиш с эходами яервой группы аналогового завоАОошсяцего устройства, входы второй групы которого подключены соответственно к вь1-л одам элементов коммутации аналоговых сигалов второй группы, входы которых соединеы соответственно с выходами первого и втоого элементов коммутдпщ аналоговых жтов, выходы аналогового запоюшаккцего устойства соединены соответственно с ашшогсшыи выходами микропроцессора, с входа1 в1 комутатора аналоговых сигналов и с входами лока сравнения, выхода которого :подкл1о 1Ы оответственно к входам коммутатора цифроых сигналов, выход которого соединен с инормаилонным входом регистра, выход комутатора аналоговых (жгналов соединен с вхоом второго элемента коммутации аналоговых игналов. Ш чертеже представлена схема микропроцес-; сора. Микропроцессор содержит группы i и 2 элементов коммутации аналоговых сигналов, аналоговое запоминающее устройство 3, блок 4 сравнения, коммутатор 5 аналоговьга; сигналов, выход 6 микропроцессора, элемент 7 коммутации аналоговых сигналов, коммутатор 8 цифровых сигналов, регистр 9, арифметико-логическое ус:фойство (АЛУ) 10, блок 11 памяти данных, магастраль 12, блок 13 ввода-вывода, блок 14 регистровой памяти, регистр 15 стар ших разрядов, регистр 16 младших разрядов, преобразователи 17 и 18 кода в напряже1ше, сумматор 19, элемент 20 коммутации аналоговых сигналов, цифровой вход-выход 21 микропроцессора, аналоговые входы 22 микропроцессора, управляющий вход 23 микропроцессора регистр 24 микрокоманд, дешифратор 25 микрокоманд, цепи 26 связи. Микропроцессор работает следующим образом. В основе работы микропроцессора лежит принцип микропрограммного управления, функциршровй1ше микропроцессора возможно в ремдаме щфровой обработки даш.ых, режиме многоканального аналого-щфровогб и цифроаналогового преобразования и об тботки, режиме мног4жанальной аналоговой обработки, в программно-комбинированном режйме. В режиме цифровой обраб1Е Т Ш щя помощи микрокоманд, nocTyitatetoax ю ввешних устройсвв и регистр 24 AoocpoKOMafQi, осуществляется арифметическо-логйчеС1«я обработка цифровых даннь х, шркутру-ютух %рз Цифровой входгвыход 21 и блок 13. В режиме мншюканального ашлого-цифр ого преобразования микропрограмкшроващюм можно организовать различные MetoJPtbi аналого-1щфрового преобразования, шпршмер последовательйЬго яриближения, перезгфядасях) урав-. новещивашя, комбинированные и тл. Кроксе того, можно реализовать различные алгоритмы отроса аналоговых каналов и их динамическую смену. В этих режимах осуществляется также необходимая цифровая обработка данных. Режим многоканальной аналоговой обработки содержит операции коммутации каналов, входного сигнала определенного канала в устройство,-циклическийсдаиг аналоговых сигналов в устройстве 3, сложение и вычиташе аналоговых сигналов. Следует заметить, о ячейки устройства 3 инюют вход сигнала обнуления. Кроме того, старший разряд регистра 15 определяет знак выходного напряжения преобразователей 17 и 18. В комбинированном режиме возможно произвольное программно определяемое распредепение функций и методов. В частном лопсропроцессор может реализовать четырехка1Ш1ьно9 аналого-щфровое преобразование, Щ1фровук обработку полученных данных, формирование цифровых кодов управления и преобразование их в аналоговую форму по четырем каналам. Все многообразие функционирования микропроцессора осуществляется с помощью микрокоманд, которые условно можно разделить на следующие группы: выборка входного аналоговото сигнала; передача аналогового сигнала с вреоЗразователей }7 и 18 в устройство 3; пеpeebunot анапог вых сигналов с выходов устройства 3 на его входа; вь читание или еложение га1алоговых сигналов; обнулеш1ё ячеек ус7{Х Ю1гва 3 коммутация выходов схем срав.,йе«й«бяока 4 в регистр 9; запись кодов в регистр 17 ста1Я1ШХ разрядов из регистров общего тзначения блока 14, из АЛУ, из блока 13 ввода-вывода; запись кодов в регистр 18 душадагих разрядов; традиционные микрокоман ды микропроцессора (логаческие и арифметические действия в AJ&, пересылки кодов, управление вводом-вьшодом и щ.). Щп вьшолненки мйкропро{{ессора в одном распределение внешних сигналов лшкропроцессора по ножкам кЬ{Я1уса при налишга корпуса с 40 выводами следуняцее: 8 fiaAoroвых входов; 8 аналоговых выходов; В цифроэьк входов и выходов; 9 входов регистра 24 мшсрокоманд; 2 входа синхронизащш; 3 но мгашла питшшя; вьисод триггера (стояшш АЛУ вывод шины нулевого по сенциала. В качестве примера вьтолшния Mi ponpoцессором аналого-щфровых функций рассмо три Микропрогракшную реализация однокачальвого аналого-цифрового преобразования, вьшолняемаго по методу пор аэрядного уравновеишвания. Алгоритм цодобного аналого-цифрового прео азования может быть представлен в следующем виде: ъыборкл аналогового сигнала с первого входа в устройство 3; запись еданицм в старший разряд АЛУ 10; пересылка; кода to АЛУ в регистр 15 старших разрядов; запись выходного напряжения с преобразователей 17 и 18 пересылки в устройство 3; результат сравнения из блока 4 сравнения в регистр 9; сдвиг содержимого АЛУ в сторону младших разрядов на i; пересылка содержимого АЛУ в блок 11; сложение в АЛУ содержимого регистра и блока 11; если сигнал триггера переполнения АЛУ равен нулю, то переход к третьему действию; считывание выходного кода. Рассмотренный алгоритм легко модифицируется на случай многоканаш ного преобразования. Следует отметить, что развитие средства микропрограммирования в микропроцессоре позволяет проводать непрерьшный контроль и диагностику практически всех его блоков. При этом операции контроля N.oryT проводиться в .специа;в но выделенном временном интервале или проводиться параллельно с ocHOBHbfM алгоритмом функционирования. Данное качество весьма ценно Для систем управления и контроля технологических процессов, где тртдиционно оно достигается за счет значительных дснюлнительных аппаратурных затрат. Таким образом, в основу работы аналогоцифрового микропроцессора заложе1п 1 принципы многофункциональности, контролируемости и микропрограммируемостя. Кроме традиционных микрокоманд микропроцессор выполняет широкий набор аналоговых и аналого-цифровых микрокоманд, что позволяет реализовать различные варианты специализированных аналого-цифровых систем, а также систем управления, систем сбора и обработки аналоговой информации и т.п. Применение микропроцессора в подобных системах упроЩает процесс проектирования, изготовления и зксвлуатащга зтих систем, сокращает объем оборудования и расигаряет их функщганальные возможности. изобретения Аналого-цифровой микропроцессор, содержащий регастр дйнсрокоманд, вход которого является, управляющим входом мякропршессора, а выход подключен к входу дешифратсфа мик рокоманд, Ёйок ввода-вывода, артфметико-логическое устройство, блок памяш данных, регистр, блок регистровой памяти, управляюцще хода которого соединены с выходом дешифратора микрокоманд, первый вход и выход лока ввода-вывода являются соответственно ходом в вь ходом М1жрапроцессора, выход рифметюсо-логнческого устройства и ыход блока Швода-вывода подключены к инорма сйонным входам регистра, блока памя785ТВ данньк я блока регистровой памяти, выход которого подключен к информавдонным входам регистра, блока памяти второму входу блока ввода-вьгаода, выходы регистра и блока памяти данных соединены соответственно с входами арифметико-логического устройства, выход которого соединен с вторым входом блока ввода-вывода, отличающийся тем, 7ГО, с целью повышения коэффициента ишользования оборудования и увеличения гибкости, в него введены две группы элементов коммутации аналоговых сигналов, аналоговое запоминающее устройство, блок сравнения, коммутатор цифровых сигналов, коммутатор аналоговых сигналов, регистр старших разрядов, регистр младших разрядов, два преобразователя кода в напряжение, два элемента коммутации аналоговых сигналов и сумматор, т1равляющне входа которых подключены к выходу дешифратора микрокоманд, ивф фмационные входы регистров старших и мла ших разрядов соединены с выходами арифметико-логического устройства, блока регистровой памяти и с вторым выходом блока ввода-вывода, выход регистра старших разрядов соединей с входом первого преобразователя кода в напряжение, выход регистра младших разрядов соединен с входом второго преобртзователя кода в напрячсение, выходы первого и второго преобразователей кода в напряжение сйеединены соответственно с входами суммаюрл, выход которого подключен к входу первсйо элемента коммутации аналоговых сяпиалов, входы злеменгов коммутации аналоговых сигналов первой группы соединеяь соответствен- но с аналоговыми входами микропроцессора, а выходы - соответственно с входами первой группы аналогового запоАганающего устройства, входы второй группы пбдключены соответственно к выходам злементов коммутащш аналоговых сигналов второй группы, входы которых соединегал соответственно с выходa ш первого я второго злеменхдв коммутации . аналоговых сигналов, выходы аналогового запоминающего устройства соединены соответственно с аналоговыми выхода1 га микропроцессора, с входами коммутатора аналоговых сигналов и с входами блока сравнения, выходы которого подключены соответственно к вхо{Щм коммутат( 1ЩФРОВЫХ сигналов, выход которого соедш н с информационным входом регистра, коммутатора аналоговых сигналов сЬед1В{Ш. с входом второго элемента коммутации ашлоговых сягнглав. Источники информахщи, принятые во внимание П{ж экспертизе 1.Electronics. 1975, № , с. 148. 2. Дж., Джуш; П. Микро-ЭВМ и микропроцессоры. М. Мир, 1979, с,-248 (про-/ тотип).