Методологія удосконалення моделі однокристального мікроконтролера Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

------------------□ □----------------------

Запропонована методологія удосконалення однокристального мікроконтролера, яка включає метод візуалізації по визначенню енергетичного резерву та таблично-алгоритмічний метод апаратурної реалізації функціонального перетворювача, що розширює функціональні можливості мікро-контролера та підвищує надійність завдяки інтегруванню в кристалі

Ключові слова: функціональний перетворювач, таблично-алгоритмічний метод

□-----------------------------------□

Предложена методология усовершенствования однокристального микроконтроллера, которая включает метод визуализации по определению энергетического резерва и таблично-алгоритмический метод аппаратурной реализации функционального преобразователя, что расширяет функциональные возможности микроконтроллера и повышает надёжность благодаря интегрированию в кристалле

Ключевые слова: функциональный преобразователь, таблично-алгоритмический метод

□-----------------------------------□

The methodology of the single-chip microcontroller improvement which includes a visualization method on determination of a power reserve and a tabular-algorithmic method for hardware implementation of the functional transformer that extends functional possibilities of microcontroller is offered and promotes reliability due to integration into a crystal

Key words:the functional transformer, the tabular-algorithmic method ------------------□ □----------------------

УДК 681.325.53

МЕТОДОЛОГІЯ

УДОСКОНАЛЕННЯ

МОДЕЛІ

ОДНОКРИСТАЛЬНОГО

МІКРОКОНТРОЛЕРА

А.Г. Лукашенко

Докторант, кандидат технічних наук, старший науковий

співробітник

Центр лазерної техніки та технології*

К. С. Руда ко в

Аспірант, старший викладач**

Р . Є . Ю п и н

Аспірант, асистент** **Кафедра „Спеціалізовані комп’ютерні системи” Черкаський державний технологічний університет бул. Шевченко, 460, м. Черкаси, Україна, 18006 Контактний тел.: 093-917-22-12, (0472) 71-42-43 E-mail: [email protected]

Д. А. Лукашенко

Аспірант*

*Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона Національної академії України вул. Боженко, 11, м. Київ, Україна, 03680 Контактний тел.: (0472)76 -25-73 E-mail: kafedra [email protected]

1. Вступ. Актуальність теми

Мікроконтролери (МК) є зручним інструментом для створення сучасних вбудованих пристроїв в мікропроцесорних системах (МПС) керування у лазерних технологічних комплексах (ЛТК). Однокри-стальний мікроконтролер, що виконаний в єдиному кристалі, містить: процесор, пам’ять даних, пам’ять програм, програмовані інтерфейси, тощо. Прогрес, який досягнутий в останній час у всіх аспектах мікро-, нанотехнологій призвів до значного розширення області застосування мікроконтролерів (МК) завдяки невисокій вартості. Але універсальність й можливість розширення функцій значно нижчі, ніж у системах з однокристальними мікропроцесорами (МП) [1, 2].

Вагомий внесок в розвиток мікроконтолерної техніки внесли роботи Є. Крилова, С. Гаврилюка, В. Уль-ріха, Н. Зайця, В.І. Бойка, В.Я. Жуйкова, А.А. Зорі, В.М. Співака, Т.О. Терещенко, Ю.І. Якіменка та ін.

Проте в цих роботах не відображена методологія удосконалення, тобто, як із множини типів МК вибрати той, який має резерв відповідних параметрів та

визначити метод апаратурної реалізації вбудованої моделі, що дозволяє розширити функціональні можливості мікроконтролерів [3, 5].

Тому удосконалення моделей однокристальних мікроконтролерів являється задачею актуальною.

2. Постановка задачі

Метою даної роботи є створення методології, що сприяє удосконаленню однокристального мікрокон-тролера, яка включає метод візуалізації по визначенню енергетичного резерву та таблично-алгоритмічний метод апаратурної реалізації функціонального перетворювача, що розширює функціональні можливості МК й підвищує надійність завдяки інтегруванню в єдиному кристалі.

Основними задачами дослідження є:

- системний аналіз параметрів існуючих фізичних моделей мікроконтролерів фірм Atmel, Microchip і Fujitsu для визначення відповідних МК, що мають резерв за енергетичними параметрами;

Е

- запропонувати модель функціонального перетворювача для вбудовування на площі кристалу визна-ченного МК. Модель перетворювача двійкового коду в однополярні оборотні коди реалізується апаратурно на базі таблично-алгоритмічного методу.

3. Рішення задачі

Для рішення поставлених задач створюється перелік сучасних МК фірм Atmel, Microchip і Fujitsu з параметрами, які отримані або експериметально, або

Pp =

150 - Tc

0.23

(2)

Тс - максимальна температура, °С ; и - максимально допустима робоча напруга;

I - максимально допустимий робочий струм; f - максимальна допустима робоча частота МК;

^ - час обробки аналогової величини відповідним МК.

Перелік визначальних величин, що використовує основні параметри сучасних мікроконтролерів представлений в табл. 1.

Таблиця 1

Перелік визначальних величин створений із основних параметрів сучасних мікроконтролерів та умовні критерії

№ Назва мікроконтролера Tc, °С U, В I, А Е , мкс f, МГц Pp , мВт Критерії

(Pp/ (и -I)) (f■*зд)

1 ATTiny11L + 125 5,5 0,1 0,5 2 108,7 0,198 1

2 ATTiny12 + 125 5,5 0,1 0,5 8 108,7 0,198 4

3 AT90S1200 + 125 5,5 0,2 0,5 12 108,7 0,099 б

4 AT90S2313 +85 б 0,2 0,5 10 282,61 0,236 5

5 ATMega8 + 125 5,5 0,3 0,5 16 108,7 0,066 8

б ATMega103L + 105 3,6 0,4 0,5 4 195,65 0,136 2

7 ATmega169PAuto +85 б 0,2 0,75 16 282,61 0,236 12

8 MB90F474L +85 3,6 0,07 4,65 10 282,61 1,189 46,5

9 MB90F523B +85 5,5 0,06 12,5 16 282,61 0,856 200

10 MB90F543G/GS +85 5,5 0,06 26,3 16 282,61 0,934 420,8

11 MB90F562B +85 5,5 0,05 6,13 16 282,61 1,028 98,08

12 MB90F583C/CA +85 5,5 0,05 34,7 16 282,61 1,028 555,2

13 PIC10F200 + 125 6,5 0,08 10 4 108,7 0,209 40

14 PIC12C508 + 125 7,5 0,2 10 4 108,7 0,072 40

15 PIC14000 + 125 б 0,3 0,25 20 108,7 0,060 5

1б PIC16C432 + 125 7 0,3 10 20 108,7 0,052 200

17 PIC17C42 + 125 7,5 0,25 1 25 108,7 0,058 25

18 PIC18C242 + 125 7,5 0,3 12,86 40 108,7 0,048 514,4

19 dsPIC30F1010 + 125 5,5 0,3 3,5 14,6 108,7 0,066 50,93

20 dsPIC33FJ06GS101 + 125 4 0,3 0,5 40 108,7 0,091 20

21 PIC32MX340F128H +85 4 0,3 10 80 282,61 0,236 800

на підставі технічної документації (ТУ, довідкової літератури, протоколів експерименту), тобто параметри містять об’єктивні значення.

В роботах [3, 4, 5] показано, що при відсутності аналітичного виразу залежностей між потужністю розсіювання, часом обробки аналогової величини, максимальною робочою частотою, максимальною робочою напругою та максимальним робочим струмом, які являються одними з основних параметрів мікро-контролерів, доцільно застосувати теорію неповної подібності та розмірностей для рішення поставлених задач.

Приклад узагальненого математичного опису залежностей між параметрами мікроконтролерів (табл. 1) має наступний вигляд:

^Рр,и,шзд)=о, (1)

де Рр - потужність розсіювання, яка обчислюється за формулою (2) [4]:

Застосовуючи теорію неповної подібності та розмірності створюються рівняння на основі умовних критеріїв [3, 5]. Умовними критеріями подібності називаються прості безрозмірні степеневі комплекси, що сформовані із визначальних величин [3]. Тому при застосуванні теорії неповної подібності визначальних величин за даними табл. 1, формули (1) та при використанні евристичного методу визначення умовних критеріїв подібності рівняння приймає наступний вигляд:

¥(рРди ■ ^ ■ д)=о (3)

де (Рр/(и I)) - величина, яка характеризує енергетичний резерв МК;

^ ) - величина, яка характеризує швидкість

процесу обробки МК.

На базі критеріального рівняння (3) та даних параметрів МК (табл. 1) будується графік залежностей основних технічних параметрів в безрозмірних координатах (Рр/(и ■ I)) та ^ ) (рис. 1).

З

Рис. 1. Графік залежності основних технічних параметрів в безрозмірних координатах (Рр/и ■ і) та ^ ■ tэд) для різних типів мікроконтролерів

З графіку видно, що масив МК з оцінкою величини, що характеризує енергетичний резерв МК розподіляється на дві групи (І, ІІ), найкращою з них є група №І. В групі №І виявлено, що найкращі енергетичні характеристики у мікроконтролера MB90F474L фірми Fujitsu, а найкращими характеристиками швидкодії володіє мікроконтролер MB90F583C/CA фірми Fujitsu.

Таким чином, визначені такі фізичні моделі МК, які можна удосконалювати, тобто додатково ввести в межах площі єдиного кремнієвого кристалу функціональний блок за вимогою розробника.

В роботах [6, 7], на підставі системного аналізу сучасних моделей та методів апаратурної реалізації функціонально орієтованих перетворювачів інформації, визначено, що перспективними методами апаратурної реалізації функціонального блоку є таблично-алгоритмічні методи. Вони забезпечують високу надійність, швидкодію, малі розміри топології, малу потужність споживання, високий процент виходу придатних кристалів з пластини, що забезпечує низьку вартість виробу.

Прикладом функціонального блоку представлена таблично-алгоритмічна модель спеціалізованого перетворювача двійкового коду в однополярні оборотні коди, яка зображена на рис. 2.

Процес перетворення детально описаний в роботі [7].

Із рис. 2 видно, що модель має просту конструкцію, малу потужність споживання, зворотній зв’язок забезпечує перетворення інформації на одному регістрі, тобто модель відповідає вимогам розробника.

Отже, методологія удосконалення мікроконтро-лерів включає крім традиційних операцій наступні:

• визначення переліку основних технічних параметрів сучасних мікро-контролерів;

• визначення теоретичних основ для виявлення резерву параметрів мі-кроконтролерів;

• створення переліку визначальних величин, що є адекватним переліком основних технічних параметрів;

• створення узагальненого математичного опису залежності між параметрами мікроконтролерів;

• вибір методу визначення критеріїв подібності;

• створення критеріального рівняння;

• побудова знакової моделі в безрозмірних координатах;

• визначення типів мікроконтролерів, що мають резерв за енергетичними параметрами, що дозволяє розширити функціональні можливості цього МК;

• визначення моделі додаткового функціонального блоку за вимогами технічного завдання узгодженого з розробником системи;

• визначення перспективного методу апаратурної реалізації функціонального блоку, що забезпечує високу надійність, швидкодію, малу потужність споживання, високий відсоток виходу придатних кристалів з пластини та низьку вартість.

4. Висновки

• Визначені МК, що мають резерв за енергетичними параметрами на підставі системного аналізу параметрів існуючих фізичних моделей МК фірм Atmel, Microchip і Fujitsu.

• Запропонована модель перетворювача двійкового коду в однополярні оборотні коди, що реалізується апаратурно на базі таблично-алгоритмічного методу, яку додатково можна ввести в межах площі єдиного кремнієвого кристалу для розширення функціональних можливостей МК.

Рис. 2. Образно-знакова модель перетворювача двійкового коду в однополярні оборотні коди: 1 - регістр входу; 2 - комбінаційна схема адреси; 3 - блок вентилів; 4 - ПЗП; 5 - блок елементів АБО; 6 - керуючий тригер; 7, 8 - керуючі входи;

9, 11, «скид» - зовнішні керуючі входи пристрою

.уз

• Запропонована методологія удосконалення сучасних МК на базі теорії неповної подібності та розмірностей і таблично-алгоритмічного методу апаратурної реалізації. Вона дозволяє в межах площі

єдиного кремнієвого кристалу розширити функціональні можливості, що відкриває шлях подальшого зниження вартості мікропроцесорних систем керування в ЛТК.

Література

1. Гребнев, В. В. Микроконтроллеры семейства AVR фирмы А^еі [Текст] / В. В. Гребнев. - М. : ИП Радиософт, 2002. - 174 с.

2. Классификация и структура микроконтроллеров [Электронный ресурс] / Электроника просто и понятно - Режим доступа : \WWWy 'таЬ: http://naf-st.ru/articles/mpmc/m011/ - 20.03.2010 г. - Заглавие с экрана.

3. Лебедев, А. Н. Моделирование в научно-технических исследованиях [Текст] / А. Н. Лебедев. - М. : Радио и свіязь, 1989. - 224 с.

4. Лукашенко, А. Г. Виявлення резерву предмета дослідження на основі теорії неповної подібності та розмірностей [Текст] / А. Г. Лукашенко, О. А. Кулигін, В. М. Лукашенко // Вісник Хмельницького національного університету. - 2009. - № 3. - С. 184 - 187.

5. Лукашенко, А. Г. Швидкодіючий метод візуалізації вибору сучасних мікроконтролерів [Текст] / А. Г. Лукашенко, К. С. Рудаков, Р. Є. Юпин, Д. А. Лукашенко // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2011. - № 4/9(52). - С. 63 - 65.

6. Лукашенко, В. М. О перспективности таблично-алгоритмических методов при реализации високих информационных технологий [Текст] / В. М. Лукашенко // Вісник ЧІТІ. - 2000. - № 4. - С. 18 - 22.

7. Перетворювач двійкового коду в однополярні оборотні коди [Текст] : пат. 44833 України, МПК G 06 Б 5/ 02 / Лукашенко В. М., Корпань Я. В., Лукашенко А. Г., Рудаков К. С., Лукашенко Д. А., Юпин Р. Є., Чичужко М. В. ; заявник та патентовласник Черкаси, Черкаський державний технологічний університет. - №и200906159 ; заявл. 15.06.2009 ; опубл. 12.10.2009, Бюл. № 19.

-----------------□ □-------------------

У статті запропоновано метод більш точного формування лічильної матриці в системах візуаліза-ції гама-випромінювання с кодованою апертурою. Наведені результати моделювання для джерел в площинах на різних відстанях

Ключеві слова: кодовані апертури, лічильна матриця

□ □

В статье предложен метод более точного формирования матрицы счетности в системах визуализации гамма-излучения с кодированной апертурой. Приведены результаты моделирования для источников в плоскостях на различном расстоянии Ключевые слова: кодированные апертур, матрица счетности

□ □

Method of the more exact count matrix creation by coded aperture gamma-ray imaging system is proposed in the paper. Results of modeling of the source distribution in the planes at different distances are presented

Key words: coded apertures, count matrix

-----------------□ □-------------------

УДК 621.4.001; 624.4.001.57

ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ

ПАРАМЕТРОВ КОДИРУЮЩЕЙ АПЕРТУРЫ НА ФОРМИРОВАНИЕ ТЕНЕГРАММЫ

А.А. Никуляк

Младший научный сотрудник Отдел информационно-аналитического моделирования*

Контактный тел.: 066-989-57-21

О . В . М а л а х о в

Кандидат технических наук, директор* *Научно-исследовательский институт «Искра» ул. Звейнека, 145с, г. Луганск, Украина, 91033 Контактный тел.: (0642) 717-592 E-mail: [email protected], [email protected]

Д.А. Мельничук

Кандидат экономических наук, доцент Кафедра высшей математики Донбасский государственный технический университет

1. Введение

Применение кодированных апертур в системах для получения пространственных распределений

плоских и объемных источников гамма излучения с непрерывным позиционно-чуквствительным детектором (ПЧД) позволяет получать изображения с достаточно высоким пространственным разрешением и

3