Моделирование устройства средствами пакета Micro-Cap

Принципиальная схема устройства и описание работы.

Обоснование схемотехнических решений и элементной базы при разработке принципиальной схемы.

Функциональная схема

Анализ технического задания.

Для подключения клавиатуры предназначен последовательный синхронный двунаправленный интерфейс, состоящий из двух обязательных сигналов KB-Data, KB-Clock. Обе линии на системной плате подтягиваются резисторами к шине +5 В. На обеих сторонах интерфейса выходные сигналы низкого уровня формируются выходами элементов с открытым контроллером (стоком), а состояние линий может быть прочитано через входные линии контроллеров. Вид разъемов (со стороны задней панели) и назначение контактов приведены на рис.1.1. Конструктивно возможны два разъема – обычная 5-контактная розетка DIN (клавиатура АТ) или малогабаритная розетка mini-DIN (PS/2). На этот же разъем через плавкий предохранитель поступает напряжение питания клавиатуры +5 В. На разъеме mini-DIN могут присутствовать и сигналы мыши PS/2 (для встроенных трекболов).

Рис. 1.1 Разъемы (вид со стороны контактов) подключения клавиатур: а - AT и б – PS/2

Питание от разъема клавиатуры часто используется такими устройствами, как внешние накопители или адаптеры локальных сетей, подключаемыми к параллельному порту. Плавкий предохранитель, установленный на системной плате, может не выдержать броска тока, потребляемого этими устройствами. При этом откажется работать и клавиатура – ее индикаторы даже и не мигнут при включении.

Процессор общается с клавиатурой через контроллер интерфейса клавиатуры – микроконтроллер 8042 или программно-совместимый с ним, установленный на системной плате. Для обмена информацией в основном используется порт 60h, из которого принимаются скан-коды. О необходимости чтения скан-кода контроллер сигнализирует процессору через аппаратное прерывание IRQ1, сигнал которого вырабатывается по каждому событию клавиатуры (нажатию и отпусканию клавиши). Задание параметров автоповтора, выбор таблиц скан-кодов, управление светодиодными индикаторами, а также управление режимом сканирования матрицы клавиш и запуск диагностического теста осуществляется командами, посылаемыми к клавиатуре.

Работу двунаправленного интерфейса иллюстрирует рис.1.2, а, где серым светом помечены сигналы, формируемые контроллером, а черным – клавиатурой. В исходном состоянии обе линии «отпущены» выходными формирователями в состояние с высоким уровнем. Клавиатура может начать передачу данных в произвольный момент, когда интерфейс находится в покое. Клавиатура формирует стартовый бит (низкий уровень) на линии KB-Data и первый импульс KB-Clock, что является сигналом контроллеру о необходимости начала приема. После подъема KB-Clock она выводит 0-й бит данных на линию KB-Data, а затем и следующий импульс KB-Clock. Контроллер должен «защелкивать» принятый бит данных по спаду KB-Clock. Так передаются все 8 бит данных и бит паритета, дополняющий число единичных бит до нечетного. После синхроимпульса бита паритета контроллер клавиатуры должен сформировать импульс KB-Clock, подтверждающий прием байта (Ack). Если весь байт с битом паритета не будет получен контроллером за 2 мс, контроллер прекращает прием данного байта и фиксирует ошибку тайм-аута.

Рис. 1.2 Временные диаграммы интерфейса клавиатуры: а – прием посылки от клавиатуры, б – передача команды в клавиатуру

Обратная передача – вывод команды контроллера в клавиатуру – происходит несколько сложнее (рис. 1.2, б). Из состояния покоя контроллер устанавливает низкий уровень KB-Clock а 250 мкс и формирует старт-бит (низкий уровень) – это сигнал клавиатуре на прием команды. На него клавиатура должна ответить серией 11 импульсов KB-Clock. По спаду очередного синхроимпульса контроллер выставляет очередной бит данных, а клавиатура его «защелкивает» по фронту формируемого ею же синхроимпульса. После бита паритета (9-й импульс) и единичного стоп-бита (10-й) на 11-м импульсе клавиатура формирует нулевой бит подтверждения (Ack). После этого контроллер формирует импульс KB-Clock (60 мкс), который является запросом на прием ответа клавиатуры. Контроллер ожидает окончания ответа на этот запрос не более 20 мс, и если ответ не придет за это время, сформирует ошибку тайм-аута. Ошибка будет также в случае, если клавиатура не введет первый синхроимпульс за 15 мс от начала запроса или контроллер не примет данные, включая стоп-бит, за 2 мс с момента появления синхроимпульса бита 0. На системной плате PC/XT контроллера 8042 не было, а интерфейс клавиатуры (однонаправленный) был реализован аппаратной логикой – регистром сдвига, параллельный выход которого подключается к выходам порта А системного интерфейса i8255. По приему байта от клавиатуры вырабатывается аппаратное прерывание IRQ1 обработчик которого может прочитать принятый байт из порта 60h. С помощью бит 7 и 6 порта 61h возможны программная блокировка и сброс клавиатуры соответственно. Сброс клавиатуры XT осуществляется обнулением линии KB-Clock.

При создании схемы передатчика клавиатуры PC будем использовать следующие блоки:

пуск

D-триггер (ворота для импульсов)

сброс

регистр сдвига

посылка тактов

Рис. 3 Принципиальная схема устройства

Функциональное назначение цифровых микросхем серии 74HC

Таблица П4.1. Триггера, регистры и счетчики

		Условное обозначение
Число элементов в корпусе микросхемы	Логическая функция
	4-х битный двоично-импульсный счетчик	НС93
	D-триггер	HC74
	4-х битный параллельно допускающий регистр сдвига	95А

Таблица П4.2. Логические элементы

Число элементов	Число входов	Логическая функция	Условное обозначение
в корпусе микросхемы
		2И
		3НЕ-И

Для представления устройства передатчика клавиатур

Рис. 4 Схема передатчика клавиатуры PC В программе Micro-Cap

В приложении приведены графические характеристики некоторых элементов.

Заключение

В ходе курсовой работы была исследована схема передатчика сигналов с клавиатуры ПК. Цель работы была достигнута и принципиальная схема успешно работает.

Список использованной литературы

1. Шило. Л. В. Популярные цифровые микросхемы.: Справочник, - М.: радио и связь, 1989. – 352 с.

2. Бирюков С. А. Цифровые устройства на МОП – интегральных микросхемах. – М.: Радио и связь, 1990. – 128 с.

3. Хвощ С. Т., Варлинский Н. Н., Попов Е.О. Микропроцессоры и микроэвм в системах автматического управления. Л.: Машиностроение, 1987. – 640 с.: ил.

Приложения

В приложениях представлены графические характеристики некоторых элементов.

Дата добавления: 2014-12-24