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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Computerbasierter Logikanalysator. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Computer Öffentlich verfügbare Literatur zu Computerthemen widmet sich hauptsächlich der traditionellen Nutzung eines Personal Computers (PC) – für Berechnungen, das Erstellen und Bearbeiten von Dokumenten, das Suchen und Speichern von Informationen sowie für Unterhaltung. Weniger verbreitet sind Artikel und Bücher über den Entwurf verschiedener radioelektronischer Geräte mit einem PC. Es gibt fast kein Material darüber, wie ein PC einem Funkamateur beim Einrichten und Debuggen der von ihm erstellten Geräte helfen kann. Man geht davon aus, dass der PC hierfür mit recht aufwendigen und teuren Zusatzplatinen und Anbauteilen ausgestattet werden muss. Allerdings können oft eine Reihe sehr nützlicher Funktionen für einen Funkamateur mithilfe von Standardgeräten implementiert werden, die in jedem PC verfügbar sind, beispielsweise Kommunikationsanschlüsse. Dies wird in diesem Artikel besprochen. Jeder IBM-kompatible PC verfügt über zwei serielle Schnittstellen zur Kommunikation, sogenannte COM-Ports oder RS-232C-Schnittstellen. An einen von ihnen ist meist eine Maus angeschlossen, ohne die heute effektives Arbeiten kaum noch vorstellbar ist; der zweite bleibt oft frei oder wird von Zeit zu Zeit zum Anschluss eines externen Modems und anderer Peripheriegeräte genutzt, die nicht ständig funktionieren. Der Satz der RS-232C-Schnittstellensignale und ihr Zweck werden ausführlich in [1] beschrieben. Alle sind in der Tabelle aufgeführt. 1 zusammen mit RI (Ring Indicator, Schaltkreis 125), der im selben Artikel nicht erwähnt wird. Wie Sie sehen, stehen dem Anwender drei Ausgangs- und fünf Eingangskreise zur Verfügung. Ein Programm, das an den Ausgängen eines COM-Ports Signale der erforderlichen Form erzeugt und gleichzeitig den Zustand seiner Eingänge analysiert, kann einen PC in einen Speicher-Mehrkanal-Logikanalysator mit einem breiten Spektrum an Analyseperioden und umfassender Synchronisierung, Verarbeitung und Anzeige verwandeln Fähigkeiten. Dies kann beim Debuggen einer Vielzahl digitaler Geräte nützlich sein.
Die Hauptschwierigkeit bei der Entwicklung eines Analyseprogramms besteht darin, dass die Standard-Hardware- und Softwarekonfiguration eines IBM-kompatiblen PCs, selbst mit einem Hochgeschwindigkeitsprozessor und RAM, keine genaue Erzeugung von Intervallen von weniger als mehreren hundert Millisekunden unter Verwendung eines DOS-Prozessors ermöglicht unterbricht, wenn der Systemtimer überläuft, und unter Windows - Timermeldungen. Da diese Ereignisse mit einer Periode von ca. 55 ms auftreten, erhält man genau so ein „Quantum“ Zeit. Versuche, den Timer neu zu programmieren, führen zu unvorhersehbaren Folgen für alle laufenden Programme und das Betriebssystem selbst. Sie können die Zeit messen, indem Sie die Anzahl der Zyklen zählen, die das Programm ausführt, und sicherstellen, dass dieser Prozess nicht durch externe Ereignisse unterbrochen wird. Diese Aufgabe wird jedoch in modernen Betriebssystemen nicht richtig gelöst, außerdem ist für jede PC-Hardwarekonfiguration eine Anpassung der Verschlusszeit erforderlich. Unter MS DOS sind solche Probleme einfacher zu lösen, aber die Programmentwicklung wird zu arbeitsintensiv, wenn eine grafische Oberfläche und Hilfsaktionen erforderlich sind: Berechnungen, Drucken von Grafiken. Bei Verwendung eines beliebigen Betriebssystems können Sie jedoch am Ausgang des seriellen TXD-Ports ein Signal mit einer genau festgelegten Frequenz und Form erhalten. Bekanntlich ist die Bitwiederholungsrate der übertragenen Daten gleich dem Quotienten aus der durch einen Quarzresonator stabilisierten Standardfrequenz (115–200 Hz) geteilt durch den Koeffizienten M. Die Systemsoftware wählt diesen Koeffizienten basierend auf Standardinformationen aus und stellt ihn ein Übertragungsraten. Es hindert das Anwendungsprogramm jedoch nichts daran, dem M-Faktor einen beliebigen Wert zwischen 1 und 216 -1 (0FFFFH) zuzuweisen. Somit können am TXD-Ausgang Impulse mit einer Frequenz von 57,6 kHz bis zu Bruchteilen eines Hertz erhalten werden, und eine beliebige Frequenz unter 12 kHz kann mit einem Fehler von nicht mehr als +10 und unter 1,2 kHz - +1 eingestellt werden %. Der serielle Port wird über zehn Acht-Bit-Register seines Controllers gesteuert, der als Universal Asynchronous Transceiver (UART) bezeichnet wird. In der Tabelle Abbildung 2 zeigt die Adressen dieser Register im PC-E/A-Bereich und ihren funktionalen Zweck. Es ist leicht zu erkennen, dass einige von ihnen dieselben Adressen haben. Der Zugriff auf andere wird zusätzlich durch das höchstwertige Bit (D7) des Leitungssteuerregisters gesteuert. Wenn es eine logische 1 enthält, wird auf die Geschwindigkeitsteilerregister (die High- und Low-Bytes der Zahl M) zugegriffen; wenn es 0 ist, auf die Daten des Senders und Empfängers, Interrupt-Auflösung.
Das Signalformat am TXD-Ausgang hängt vom Code ab, der in das Leitungssteuerregister geschrieben wird. Die D1- und D0-Bits dieses Codes legen die Anzahl der Informationsbits in dem vom UART gesendeten (oder empfangenen) Wort fest. Es können fünf (in den genannten Ziffern - Code 00) bis acht (Code 11) sein. Die Anzahl der Stoppbits hängt vom Zustand von Bit D2 ab: 0 – eins; 1 - zwei. Bei fünf Informationsbits wird anstelle von zwei Stoppbits eines übertragen, jedoch anderthalb Dauer, was aus Kompatibilitätsgründen mit alten mechanischen Fernschreibern gemacht wurde. Die Bits D3–D5 des Leitungssteuerregisters steuern das Paritätsbit. Wenn D3=1, wird es bei der Übertragung zwischen der letzten Information und dem ersten Stoppbit „eingefügt“, andernfalls fehlt es. Der Sender wählt den Wert dieses Bits automatisch so aus, dass die Gesamtzahl der Einsen in den Informations- und Steuerbits gerade (mit D4=1) oder ungerade (mit D4=0) wird. Diese Logik kann durch Setzen von D5=1 deaktiviert werden. Das Steuerbit wird zum Wert von Bit D4 umgekehrt, unabhängig von der Anzahl der Einsen in den Informationsbits. Logisch 1 in Bit D6 schaltet den Kommunikationsunterbrechungssimulationsmodus ein. Am TXD-Ausgang wird unabhängig vom Zustand aller anderen Bits und Register ein konstanter logischer Pegel von 0 gesetzt. Der Zweck von Bit D7 wurde oben beschrieben. In der Tabelle Abbildung 3 zeigt einige Beispiele für die Bildung von Signalen verschiedener Frequenzen und Tastverhältnisse in der TXD-Schaltung, die bei weitem nicht alle Möglichkeiten ausschöpfen. Die in der entsprechenden Spalte der Tabelle dargestellte Signalform kann direkt am TXD-Ausgang des UART beobachtet werden. Am externen Port-Anschluss ist es invertiert. Die unten beschriebene Kopplungsvorrichtung invertiert das Signal jedoch wieder und seine Form stimmt wieder mit der Tabelle überein.
Denken Sie daran, dass die Übertragung eines in das Senderdatenregister geschriebenen Bytes mit dem niedrigstwertigen Bit beginnt. Da ein Byte nur einmal übertragen wird, ist es für den Erhalt eines streng periodischen Ausgangssignals erforderlich, das angegebene Register unmittelbar nach seiner Freigabe wiederholt zu laden. Die Bereitschaft zum Schreiben eines neuen Bytes wird durch D5=1 im Zeilenstatusregister angezeigt. Wenn Sie keine Zeit damit verschwenden möchten, ständig das Statusregister abzufragen, können Sie Interrupts verwenden. Normalerweise generiert der COM1-Port-Controller IRQ4 und COM2 generiert IRQ3. Die Generierung von Interrupt-Anfragen, wenn der Sender bereit ist, muss durch Schreiben einer logischen 1 in Bit D1 des Interrupt-Freigaberegisters aktiviert werden. Wenn Anfragen aus anderen Gründen gleichzeitig zulässig sind, sollten Sie bei der Verarbeitung zunächst das Interrupt-Identifikationsregister lesen und erst, nachdem Sie sichergestellt haben, dass in seinen Bits D2 und D1 der Binärcode 10 vorhanden ist, ein neues Byte in die Senderdaten schreiben registrieren. Die Signalpegel an den RTS- und DTR-Ausgängen hängen vom Zustand der D1- und D0-Bits des Modem-Steuerregisters ab. Es wird empfohlen, logische Nullen in die Bits D2 und D3 dieses Registers zu schreiben. Bei einigen PCs trennt jedoch ein Nullwert in Bit D0 den UART vom Interrupt-Controller. Wenn Sie zu Bit D3 eine logische 1 hinzufügen, werden die TXD- und RXD-Schaltkreise innerhalb des UART miteinander verbunden (die sogenannte „interne Schleife“), was für Debugging- und Diagnosezwecke verwendet werden kann. Die Bits D4, D5, D6 und D7 des Modemstatusregisters zeigen die aktuellen Signalpegel an vier Eingängen an – CTS, DTS, RI und DCD. Die Fähigkeit des UART, in den Einheiten D0-D3 die Tatsachen von Zustandsänderungen der genannten Schaltkreise in den Intervallen zwischen Programmaufrufen in dieses Register aufzuzeichnen, ist sehr nützlich. Es gibt auch Unterbrechungen für die Änderung des Modemzustands. Sie entsprechen Bit D3 des Interrupt-Enable-Registers und Code 11 in den Bits D2 und D1 des Interrupt-Identifikationsregisters. Leider ist die RXD-Eingangsschaltung, die bei der bestimmungsgemäßen Verwendung einer seriellen Schnittstelle die wichtigste ist, für die betrachtete Aufgabe nicht von großem Interesse. Weitere Einzelheiten zum Zweck und zur Verwendung von UART-Registern können beispielsweise in [2] nachgelesen werden. Die logischen Signalpegel an den Ein- und Ausgängen der seriellen Schnittstelle müssen im Bereich von -3...-15 V (logisch 1) und +3...+15 V (logisch 0) liegen. Um Geräte auf TTL- und CMOS-Chips zu debuggen, müssen diese Pegel entsprechend umgewandelt werden. Dies kann über eine Schnittstelleneinheit erfolgen, deren Diagramm in Abb. dargestellt ist. 1. Elemente der DD1-Mikroschaltung wandeln die Ausgangssignale des Ports in die erforderlichen Pegel um, und die Schalter an den Transistoren VT1-VT4 führen die Rückwandlung durch. Mit dem Schalter SA1 kann einer der Port-Eingänge direkt mit dem TXD-Ausgang verbunden werden. Dies kann erforderlich sein, um den Analyseprozess zeitlich zu bestimmen.
Der XS1-Stecker wird mit einem bis zu mehreren Meter langen Kabel an die serielle Port-Buchse des PCs angeschlossen, das zu debuggende Gerät wird an die XS2-XS11-Buchsen angeschlossen. Es ist am besten, den Schnittstellenknoten und das zu debuggende Gerät über eine gemeinsame Quelle mit Strom zu versorgen. Oft verfügt das zu debuggende Gerät nicht über die negative Spannung, die zur Stromversorgung der Kollektorkreise der Transistoren VT1-VT4 erforderlich ist. In diesem Fall werden sie von der negativen Spannung der Port-Ausgangssignale gespeist, die durch die Dioden VD1-VD3 „gleichgerichtet“ werden, die sich im logischen 1-Zustand befinden. Das vom Autor entwickelte Signalgenerator- und Logikanalysatorprogramm läuft in einer 32-Bit-Windows-Umgebung. Sein Hauptfenster „Analyzer“, dargestellt in Abb. 2 ist ein Bildschirm eines virtuellen Vierkanal-Speicheroszilloskops (entsprechend der Anzahl der Eingangskreise des Ports). Auf der linken Seite des Bildschirms befinden sich Indikatoren („LEDs“), die die Überwachung langsamer Prozesse erleichtern. Nach dem Start des Programms müssen Sie im Menü „Port“ den Kommunikationsport auswählen, mit dem es arbeiten soll.
Der Oszilloskop-Sweep kann kontinuierlich mit einer bestimmten Periode oder einmalig erfolgen (gestartet durch Drücken der entsprechenden Taste). Mit der Schaltfläche „Stopp“ können Sie das Bild einfrieren. Nachdem Sie das Fenster „Synchronisation“ (Abb. 3) geöffnet haben, wählen Sie eines der Eingangs- oder Ausgangssignale als Synchronisationssignal aus.
Im Fenster „Sweep“ (Abb. 4) stellen Sie die Taktfrequenz der Analyse und deren Dauer ein.
Das Dialogfeld „Output Line Modes“, in dem die Frequenz und Form der erzeugten Signale eingestellt werden, ist in Abb. dargestellt. 5. Das Teilungsverhältnis der Taktfrequenz wird durch einen Dekadenschalter geändert. Das Programm berechnet und zeigt im Fenster die Frequenz- und Wiederholungsperiodenwerte an, die dem angegebenen Koeffizienten und der ausgewählten Signalform am TXD-Ausgang entsprechen. Die Erzeugung kann kontinuierlich, einzeln oder in Bursts mit einer bestimmten Anzahl von Impulsen erfolgen.
Die DTR- und RTS-Signalpegel werden mit den Tasten „0“ und „1“ eingestellt. Darüber hinaus können diese Ausgänge eine „Rechteckwelle“ oder eine beliebige Wellenform erzeugen. Signalgenerator- und Logikanalysatorprogramm des Autors Literatur
Autor: A. Schreiber, Moskau
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