Файл: Анализ методов и устройств ввода информации в компьютер (Теоретические аспекты вводы информации в компьютер).pdf
Добавлен: 28.03.2023
Просмотров: 140
Скачиваний: 4
Введение
Актуальность исследования. В данной работе рассмотрены и описаны конструкции и принципы работы устройств ввода информации в компьютер, а также программы для подготовки текстовой информации.
Вообще, компьютер – это инструмент, расширяющий сознание.
Человек всегда стремился к прогрессу: взял в руки палку, изобрел колесо, множество механизмов и инструментов. А теперь, когда человек научился умножать силу рук, увеличивать скорость ног, зоркость глаз и тонкость слуха, ему понадобился инструмент для усиления интеллекта.
К началу 60-х годов в мире работали тысячи электронно-вычислительных машин. Они становились все современнее, усовершенствованное. Сегодня в компьютере ежесекундно происходит множество различных операций.
Сегодняшний компьютер интерактивен. Он незаметно для нас следит за каждым нашим действием, фиксирует каждое нажатие клавиш и движение мыши. Компьютер вносит изменения в данные, с которыми работают его программы.
Современный компьютер называют «персональным», так как каждый человек, от ребенка до интеллектуала, использует его неповторимо, по-своему. Широта функциональных возможностей компьютера напрямую зависит от типа используемой операционной системы, от того, какие системные средства содержат ее ядро, как она обеспечивает взаимодействие компонентов триединого комплекса человек – программы – оборудование.
Целью данной работы является анализ методов и устройства ввода информации в компьютер, для достижения поставленной цели были выделены следующие задачи:
- рассмотреть теоретические аспекты вводы информации в компьютер;
- изучить устройства и способы ввода информации.
Объект исследования – устройства ввода информации в компьютер.
Предмет исследования - методы и устройства ввода информации в компьютер.
Структура работы состоит из введения, основной части, заключения и списка литературы.
Теоретической и методологической базой данной работы послужили труды российских и зарубежных авторов в области информатики, материалы периодических изданий и сети Интернет.
Глава 1. Теоретические аспекты вводы информации в компьютер
1.1 Ввод информации
Ввод аналоговой информации в персональный компьютер на сегодняшний день является актуальной проблемой. решение этой задачи осуществляется специализированными платами сбора информации, подключаемыми к портам расширения компьютера [2, с. 10]. Они используются совместно с программными комплексами, созданными на высокоуровневых объектно-ориентированных языках [5, с. 67].
В качестве устройства ввода данных предлагается использовать канал преобразования аналоговой информации в цифровой код на основе микроконтроллера (МК) ATmega16 фирмы Atmel [1, с. 15]. Он имеет встроенный АЦП последовательного приближения, дифференциальный усилитель с программно выбираемым коэффициентом усиления, универсальный синхронный и асинхронный приемо-передатчик (уСАПП). Входы АЦП могут объединяться попарно для формирования каналов передачи информации. Имеется возможность предварительного усиления аналогового сигнала. В качестве источника опорного напряжения АЦП используется напряжение питания МК или внутренний (внешний) источник опорного напряжения. На входе АЦП установлен 8-канальный аналоговый мультиплексор.
работа АЦП МК определяется заданием битов регистров ADCSRA, SFIOR и ADMUX. Для включения АЦП логическая 1 записывается в бит ADEN регистра ADCSRA, а для выключения - в бит, соответственно, записывается логический 0. Запуск каждого преобразования в режиме одиночного преобразования, а также запуск первого преобразования в режиме непрерывного преобразования осуществляется установкой логической 1 в бит ADSC регистра ADCSRA. Запуск преобразования по прерыванию осуществляется установкой 1 в флаге необходимого прерывания. При этом бит ADSC регистра ADCSRA аппаратно устанавливается в 1. Запуск преобразования в этих режимах может быть также осуществлен установкой логической 1 в бит ADSC регистра ADCSRA.
В режимах одиночного и непрерывного преобразований цикл обработки аналогового сигнала начинается по первому фронту тактового сигнала после установки бита ADSC. При использовании запуска по прерыванию цикл преобразования начинается по первому фронту тактового сигнала после установки соответствующего флага прерывания. В момент его установки происходит сброс предделителя модуля АЦП, обеспечивая фиксированную задержку между генерацией запроса на прерывание и началом цикла преобразования. Преобразование запускается при установке необходимого флага, даже если прерывание запрещено. Длительность цикла преобразования составляют 13 тактов при использовании несимметричного входа и 14 тактов - при дифференциальном входе (определяется работой схемы синхронизации). Выборка и запоминание аналогового сигнала осуществляются за 1,5 и 2,5 такта соответственно. После окончания преобразования бит ADSC сбрасывается в 0 (при одиночном преобразовании). Полученный цифровой код сохраняется в регистре данных АЦП, который физически состоит из двух регистров ввода/вывода ADCH:ADCL. После включения МК в них содержится нулевое значение. Результат преобразования может доопределяться выравниванием вправо (старшим 6 битам регистра ADCH присваиваются нулевые значения) или влево (младшим 6 битам регистра ADCL присваиваются нулевые значения). Управление выравниванием результата преобразования осуществляет бит ADLAR регистра ADMUX. Если он установлен в 1, то результат преобразования выравнивается по левой границе 16-битного слова, если сброшен в 0, то по правой границе. Считывание данных регистров ADCH и ADCL для получения результата преобразования выполняется в определенной последовательности. Первым считывается регистр ADCL, а затем ADCH.
После преобразования устанавливается флаг прерывания ADIF регистра.
ADCSR и генерируется запрос на прерывание. Флаг ADIF сбрасывается при запуске подпрограммы обработки прерывания аппаратно от АЦП или программно. разрешение прерывания осуществляется установкой в логическую единицу бита ADIE регистра ADCSR при установленном флаге I регистра SREG.
В режиме непрерывного преобразования новый цикл начнется после записи результата в регистр АЦП. В режиме одиночного преобразования новое преобразование может быть запущено после сброса бита ADSC. Реально цикл преобразования начинается только через один такт после окончания текущего преобразования.
Величина частоты дискретизации преобразования аналогового определяется с помощью предделителя частоты АЦП, коэффициент деления которого определяется состоянием битов ADPS2, ADPS1, ADPS0 регистра ADCSRA/ ADCSR. Наибольшая точность преобразования достигается при тактовой частоте модуля АЦП в диапазоне от 50 Гц до 200 кГц.
Номера выводов МК, подключаемых через мультиплексор к входу АЦП, определяются состоянием битов MUX3, MUX4 регистра ADMUX. Для каналов с дифференциальным входом указанные биты определяют также коэффициент предварительного усиления входного сигнала.
Предварительный усилитель, используемый каналами с дифференциальным входом, имеет встроенную схему коррекции напряжения смещения. Оставшаяся после коррекции величина смещения может быть устранена программно. Для этого входы дифференциального усилителя подключаются к одному и тому же выводу МК. Полученная величина синфазного сигнала вычитается из результата полученных преобразований аналогового сигнала. Ошибка смещения может быть снижена до величины, меньшей 1 младшего значащего разряда АЦП [3, с. 69].
Программа работы МК создана в среде AVR-Studio на языке программи рования Assembler. Блок-схема алгоритма программы МК приведена на рис. 1.
Рис. 1. Блок-схема алгоритма программы МК
После подачи питания на МК происходит его инициализация. Настраиваются стек МК, таблица прерываний, производится предварительная настройка АЦП (определение скорости преобразования, выбор источника опорного напряжения). Затем происходит конфигурирование модуля уСАПП. Выбираются скорость работы и формат кадра (количество битов данных в кадре, количество стоп-битов, настройка бита четности). Далее в программе реализуется цикл ожидания приема режима работы устройства. В случае получения кода режима регистратора устройство переходит в режим регистратора. В случае получения кода осциллографа выполняется подпрограмма работы устройства в режиме осциллографа.
Подпрограмма режима регистратора начинается с цикла ожидания приема номера канала, на котором необходимо произвести измерения. После получения номера канала осуществляется конфигурирование АЦП (выбирается режим одиночного преобразования, устанавливается выбранный канал мультиплексора). После завершения конфигурирования АЦП-программа выполняет одно холостое преобразование. Это действие необходимо для повышения точности преобразования. Затем программа выполняет первое корректное преобразование и отправляет данные в персональный компьютер.
Подпрограмма режима осциллографа начинается с цикла ожидания настроек. После получения настроек выполняется конфигурирование АЦП (устанавливаются дифференциальный, или несимметричный, режим, коэффициент усиления предусилителя, номер канала, режим непрерывного преобразования). Далее программа запускает АЦП, отправляет данные в ПЭВМ и осуществляет проверку сигнала «стоп», в случае получения последнего программа переведет устройство в режим ожидания следующей операции. Если сигнал «стоп» не принят, то цикл измерения и отправки данных повторяется.
На рис. 2 представлена принципиальная электрическая схема устройства ввода аналоговой информации [4, с. 434]. Основой предлагаемого устройства служит МК ATmega16 со встроенным АЦП и интерфейсом уСАПП. Питание МК осуществляется от стабилизатора напряжения на микросхеме DA1 (Кр142ЕН5А). Она формируется напряжением 5 В, которое используется для питания всех элементов схемы и в качестве опорного напряжения АЦП. Конденсаторы С1, С2, С3 и С5 используются для лучшей стабилизации напряжения питания.
Тактовая частота МК задается конденсаторами C6, C7 и кварцевым резонатором Z1 номиналом 12 МГц. Емкость С6 и С7 должна составлять от 12 до 22 пФ в соответствии с описанием МК. частота кварцевого резонатора обеспечивает высокую производительность МК и скорость передачи данных 115 200 бит/с с минимальным количеством ошибок.
Данные на персональный компьютер передаются по интерфейсу RS232. Интерфейс RS232 использует диапазон напряжения от -12 до +12 В. логическому нулю соответствует диапазон напряжений от +3 до +12 В, логической единице - от -3 до -12 В. Интерфейс УСАПП МК использует уровни напряжения ТТл, где логическому нулю соответствует диапазон напряжений от 0,0 до +0,4 В, а логической единице - от +2,4 до +5,0 В. Преобразователь уровней RS232-TTO реализован на транзисторах УТ1-КТ3107, УТ2-КТ3102, резисторах R1-R4 номиналом 4,7 кОм, диодах VD1, VD2 - 1N4148 и конденсаторе C4 номиналом 10 мкФ.
Выводы МК MOSI, MISO, SCK и RESET используются для записи в контроллер микропрограммы. Код микропрограммы может быть изменен без отключения МК от схемы.
Устройство может измерять напряжение в диапазоне от 0 до 5 В с частотой в диапазоне от 25 до 2000 Гц. Погрешность измерения напряжения не превышает 2,0 %, погрешность измерения частоты не превышает 0,1 %, в диапазоне температур от 0 до 40 °С. В режиме регистратора реализована возможность измерять одновременно до 8 сигналов. Минимальный интервал измерений в режиме регистратора составляет 1 с. Исследуемый сигнал подключается к одному из выводов МК ADC0-ADC7. Питание схемы осуществляется от любого источника постоянного тока с напряжением от 7 до 15 В и мощностью не менее 1 Вт.
Рис. 2. Принципиальная электрическая схема
Разработанное устройство пред- многоканальных точных измере- полагается использовать в учебном ний в заводских и лабораторных процессе, а также при проведении условиях.
1.2 Программное обеспечение устройств ввода информации
Устройства ввода-вывода делятся на два типа: блок-ориентированные устройства и байт-ориентированные устройства. Блок-ориентированные устройства хранят информациюв блоках фиксированного размера, каждый из которых имеет свой собственный адрес. Самое распространенное блок-ориентированное устройство - диск. Байт-ориентированные устройства не адресуемы и не позволяют производить операцию поиска, они генерируют или потребляют последовательность байтов. Примерами являются терминалы, строчные принтеры, сетевые адаптеры. Однако некоторые внешние устройства не относятся ни к одному классу, например, часы, которые, с одной стороны, не адресуемы, а с другой стороны, не порождают потока байтов. Это устройство только выдает сигнал прерывания в некоторые моменты времени.
Внешнее устройство обычно состоит из механического и электронного компонента. Электронный компонент называется контроллером устройства или адаптером. Механический компонент представляет собственно устройство. Некоторые контроллеры могут управлять несколькими устройствами. Если интерфейс между контроллером и устройством стандартизован, то независимые производители могут выпускать совместимые как контроллеры, так и устройства.