Устройство связи ПЭВМ с экспериментальной физической установкой

УДК 681.3

УСТРОЙСТВО СВЯЗИ ПЭВМ С ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ

ОРЛОВ В.В, ПАШИНСКАЯ В.А.

Предложен способ организации двусторонней связи однонаправленного ПЭВМ типа IBM PC и магнитного масс-спектрометра МИ-1201 посредством стандартного параллельного порта, имеющегося в составе ПЭВМ.

При автоматизации физического эксперимента возникает вопрос о выборе способа связи экспериментальной установки с ПЭВМ посредством организации соответствующего канала ввода-вывода.

Известно, что канал ввода-вывода (КВВ) пред-ставставляет собой совокупность аппаратных и программных средств, предназначенных для управления обменом информации и непосредственной передачи данных между ПЭВМ и периферийным устройством (ПУ) [1,2]. Таким образом, КВВ является функциональным элементом системы ввода-вывода. Он образует маршрут передачи данных и осуществляет управление обменом, начиная от установления связи. Физическая реализация КВВ отличается широким разнообразием. Подключение ПУ к КВВ осуществляется специальными аппаратными средствами (интерфейсом) в соответствии с правилами обмена сигналами.

К числу наиболее распространенных способов связи ПЭВМ с ПУ относятся связи через: системную шину ПЭВМ; последовательный порт; параллельный порт. Рассмотрим их особенности.

1. Связь через системную шину ПЭВМ. Полностью универсальный КВВ, имеющий доступ ко всем ресурсам ПЭВМ и обладающий максимальным быстродействием, можно реализовать путем подключения объекта управления к системной шине ПЭВМ. Недостатками интерфейса являются: необходимость вскрытия корпуса компьютера, что неприемлемо для пользователей, имеющих гарантийные ПЭВМ, и установка в слот расширения “материнской” платы модуля аппаратного интерфейса пользователя, выполненной фотоспособом в промышленных условиях, что для многих пользователей также может стать проблемой.

2. Связь через последовательный порт. Для организации связи ПЭВМ с объектами управ-ления пользователя наиболее удобно использовать последовательный порт ввиду его большой гибкости (двусторонняя связь, большой диапазон скоростей передачи, возможность как программного управления, так и управления по прерываниям). Но при этом следует учитывать следующее: применение последовательного порта подразумевает, что в составе объекта управления пользователя имеется либо аналогичный порт, либо жесткое логическое устройство, эмулирующее протокол обмена порта, что резко усложняет объект управления.

Таким образом, применение последовательного порта оправдано только в случае значительного удаления объекта управления от микропроцессорной

системы управления (МПСУ) ввиду простоты линии связи, ее помехоустойчивости и наличия в составе оборудования экспериментальной установки встроенной МПСУ, выполненной на базе микропроцессорного комплекта, не имеющего собственных ресурсов для общения с оператором.

3. Связь через параллельный порт. Параллельный порт ПЭВМ (интерфейс Centronics), предназначенный в основном для связи с печатающим устройством, не требует какой-либо специальной аппаратной поддержки и имеет хорошее быстродействие. Однако его применение для организации связи ПЭВМ с ПУ ограничивает тот факт, что порт предназначен для односторонней связи и работает только на вывод информации из ПЭВМ.

Из литературы [3, 4] известны случаи использования служебных (управляющих) линий порта для ввода одного или нескольких (не более 5) бит информации. Ограничение объема информации, определяемое физической организацией линии связи, не позволяет использовать интерфейс Centronics для связи ПЭВМ с физической экспериментальной установкой.

Основным достоинством интерфейса Centronics является его стандартность — он имеется на каждом компьютере и работает одинаково (различие может иметь только скорость передачи данных). Для подключения внешнего устройства к параллельному порту не требуется вскрывать системный блок компьютера. Плата аппаратной поддержки может иметь любое исполнение, в том числе и макетное.

Необходимо также отметить такое достоинство интерфейса Centronics, как простота его программирования на любом уровне, поскольку с этой точки зрения интерфейс представляет собой три программно доступных регистра. Все сигналы интерфейса программно доступны, что позволяет реализовать произвольные протоколы информационного обмена в рамках имеющегося их набора и быстродействия компьютера. Подробные сведения о протоколе интерфейса, составе сигналов и назначении выводов разъема приводятся в [4]. Следует помнить, что порт имеет ограничения на длину связи (1,5 - 2 м) и нагрузочную способность (1 вход ТТЛШ). Эти ограничения легко преодолеть, применив линию связи с использованием оптоэлектронных формирователей.

Рассмотренные выше особенности организации связи ПЭВМ с ПУ позволяют сделать вывод, что наиболее приемлемым для автоматизации физической установки является использование параллельного порта ПЭВМ (интерфейс Centronics), при условии преодоления упомянутых ограничений по объему принимаемой информации.

Исходя из изложенного выше, нашей целью стала разработка программно-аппаратного комплекса, позволяющего за счет некоторого снижения быстродействия реализовать двунаправленность параллельного порта ПЭВМ в полном объеме (обмен байтом).

Разработанная плата адаптера связи интерфейса Centronics с магнитным масс-спектрометром МИ-1201 и программное обеспечение позволяют автоматизировать масс-спектрометрический эксперимент. Программное обеспечение комплекса построено по модульному принципу и выполнено на алгоритмическом языке высокого уровня Турбо Паскаль вер-

РИ, 1997, № 1

105

сии 6.0 с максимальным использованием средств встроенного Ассемблера.

Для обеспечения программного обмена комплекс использует три подпрограммы: 1) инициализации порта — производит инициализацию порта, используя средства BIOS; 2) вывода данных — производит пересылку данных из ПЭВМ в обменное устройство (ОУ) через активный порт (подпрограмма выполнена средствами встроенного Ассемблера—программирование на нижнем уровне); 3) ввода данных — возвращает байт данных, считанных из ОУ через активный порт, также используя Ассемблер.

Применение в подпрограммах встроенного Ассемблера позволяет оптимизировать объектный код и тем самым получить максимальное быстро- действие адаптера связи.

Структурная схема адаптера показана на рис.

Устройство функционирует следующим образом. Внешнее устройство (в нашем случае — приборная магистраль масс-спектрометра) заносит байт данных

Л

Рис. Структурная схема устройства связи ПЭВМ с масс-спектрометром

в регистр RG1 и одновременно изменяет состояние триггера флага готовности, сигнализируя ПЭВМ о готовности данных (линия “Код готов”). В случае программного метода обмена управляющая программа в необходимый момент времени проверяет наличие установленного флага “Код готов”. Обнаружив флаг готовности, функция чтения данных производит ввод данных по следующему алгоритму.

1. В регистр RG2 заносится код 80H, который сравнивается компаратором с кодом RG1.

2. Анализируются биты состояния компаратора ‘>’ и ‘=’ и в зависимости от их значения принимается решение об изменении кода, которое осуществляется по алгоритму поразрядного уравновешивания, что позволяет за минимальное (в нашем случае восемь) число проб подобрать в регистре RG2 код, аналогичный коду RG1.

3. Изменяющийся код сохраняется в локальной переменной, в которой в момент равенства кодов в регистрах RG1 и RG2 будет находиться значение, равное коду RG1.

4. Как только равенство кодов достигнуто, значение локальной переменной присваивается в качестве выходного параметра функции чтения и производится сброс флага готовности, свидетельствующий о том, что обмен произведен и ПЭВМ готова принять следующий байт данных.

5. Далее процесс обмена повторяется в необходимые моменты времени согласно алгоритму.

Таким образом, наличие двух регистров и цифрового компаратора, а также использование алгоритма поразрядного уравновешивания позволяет за минимально возможное время осуществить считывание байта данных из внешнего устройства, производя тем самым двунаправленный обмен с использованием нестандартного параллельного порта ПЭВМ.

Предложенный адаптер связи позволил осуществить двустороннюю связь ПЭВМ типа IBM PC и магнитного масс-спектрометра МИ-1201.

Автоматизация масс-спектрометрического экпе-римента способствует эффективности исследований, созданию оригинальных методик, основанных на автоматизации прибора. ПЭВМ позволяет обрабатывать информацию, полученную от масс -спектрометра, осуществлять цифровое управление разверткой масс-анализатора, определять параметры спектральных линий, накапливать серии спектров и формировать графические и табличные отчеты. Кроме того, за счет использования режима накопления спектров улучшается отношение сигнал-шум при регистрации спектров малой интенсивности. Автоматическая регистрация масс-спектра позволяет существенно уменьшить время измерения, что важно при исследовании нестабильных веществ.

Предлагаемое устройство связи ПЭВМ типа IBM PC с внешними устройствами пользователя позволяет с минимальными затратами реализовать на его основе автоматизированные системы научных исследований, информационно-измерительные системы реального времени и отладочные средства микропроцессорных систем.

Литература: 1. Ларионов А.М., Горнец Н.Н. Периферийные устройства в вычислительных системах.— М.: Высш. шк.— 1991.— 336 с. 2. Романенко В.Д., Игнатенко Б.В. Адаптивное управление технологическими процессами на базе микроЭВМ.— Киев: Вища школа.— 1990.— 334 с.

3. Шевкопляс Б.В. Микропроцессорные структуры. Инженерные решения.— М.: Радио и связь.— 1990.— 512 с. 4. Новиков Ю.В., Калашников О.А., Гуляев С.Э . Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM PC.- М.: ЭКОМ.-1997.- 224с.

Поступила в редколлегию 20.12.97

Орлов Вадим Владимирович, инженер ФТИНТ НАН Украины. Научные интересы: разработка программного и аппаратного обеспечения микропроцессорных систем управления. Хобби: радиолюбитель. Адрес: 310164, Харьков, пр. Ленина, 47, тел. 30-85-38.

Пашинская Влада Анатольевна, аспирантка ФТИНТ НАН Украины. Научные интересы: молекулярная биофизика, изучение межмолекулярных взаимодействий методом масс-спектрометрии. Хобби: музыка, литература. Адрес: 310164, Харьков, пр. Ленина, 47.

106

РИ, 1997, № 1