Выпускная квалификационная работа. Тема: "Разработка аэродромной служебной оптической системы связи " (стр. 6 )

Счетчик представляет собой электронный счетчик импульсов. Счетчики импульсов предназначаются для отсчета импульсов и представления их числа в заданной системе счисления. Их используют в распределителях импульсов, в схемах измерения и образования временных интервалов, в различных программных устройствах и т. д.

В соответствии с принятым основанием m системы счета различают счетчики двоичные, троичные, четверичные и т. д.

Счетчики могут быть одноразрядными (позволяют отображать цифры или числа, соответствующие одному разряду системы счисления) либо многоразрядными. Очевидно, что для того, чтобы отображать определенные цифры в системе счисления, один разряд счетчика должен иметь столько отличающихся друг от друга состояний, сколько цифр в системе. Состояния счетчика отображаются статическими потенциалами (или импульсами) на его выходах. Очевидно, что у одноразрядного счетчика должно быть столько выходов, сколько у него имеется состояний. Каждое состояние одного разряда счетчика может отображаться в соответствии с принятой двоичной системой прямым (1) или инверсным (0) сигналом, которым соответствуют прямой и инверсный выходы (т. е. на каждую цифру может быть два выхода) (в дальнейшем везде, где специально не оговорен инверсный выход, речь идет о прямом выходе).

Выходы одного разряда счетчика и его состояния, как и цифры в системе счисления, будем обозначать от 0 до m-1. При этом, если сигнал 1 имеется на выходе 0, будем считать, что счетчик отображает цифру 0 или находится в состоянии 0. На остальных (прямых) выходах при этом сигнал 0. Если сигнал 1 имеется на выходе 1, то счетчик находится в состоянии 1.

       В общем случае, если сигнал 1 присутствует на произвольном выходе то и счетчик находится в mi-м состоянии, т. е. отображает цифру mi.

Чтобы счетчик можно было использовать для отображения n-разрядного числа, он должен также состоять из n-разрядов (многоразрядный счетчик), причем многоразрядное число будет отображаться комбинацией состояний счетчиков каждого разряда (цифрами, записанными в каждом разряде).

Одноразрядный счетчик может быть замкнутым (кольцевым) или разомкнутым. Кольцевой счетчик после отсчета числа импульсов, равного числу значащих цифр m, возвращается в исходное положение и при дальнейшем поступлении импульсов начинает отсчет снова. Разомкнутый счетчик после отсчета определенного числа импульсов возвращается в положение, в котором на всех его выходах появляется сигнал 0.

Отсчет вновь может быть, начат только после поступления специального пускового импульса.

Счетчики обычно выполняют на элементах, имеющих два или более состояний устойчивого равновесия, например на элементах с прямоугольной петлей гистерезиса, тиратронах с холодным катодом и др. В устройствах железнодорожной автоматики и телемеханики широко используются счетчики, в которых в качестве основного элемента используется симметричный триггер на транзисторах.

В качестве задающего генератора используется генератор импульсов.

Контроллер является ядром предлагаемой системы. В его функции входит согласование сигналов, получаемых от мультиплексора, с сигналами твердотельного накопителя, а также запись данных по соответствующим адресам твердотельного накопителя. Работа контроллера синхронизирована с работой мультиплексора сигналами счетчика. С твердотельным накопителем контроллер связан линиями адреса и данных.

Принцип работы контроллера основан на общем принципе работы контроллеров  USB - устройств.

Основными функциями контроллера являются:

1) адресация – устройство должно отзываться на назначенный ему уникальный адрес и только на него;

2) конфигурирование – после включения или сброса устройство должно предоставлять нулевой адрес для возможности конфигурирования его портов;

3) передача данных – устройство имеет набор конечных точек для обмена данными с хостом. Для конечных точек, допускающих разные типы передач, после конфигурирования доступен только один из них;

4) управление энергопотреблением – любое устройство при подключении не должно потреблять от шины ток, превышающий 100 мА. При конфигурировании устройство заявляет свои потребности тока, но не более 500 мА. Если хаб не может обеспечить устройству заявленный ток, устройство не будет использоваться;

5) приостановка – USB-устройство должно поддерживать приостановку (suspended mode), при которой его потребляемый ток не превышает 500 мкА. USB-устройство должно автоматически приостанавливаться при прекращении активности шины;

6) удаленное пробуждение – возможность удаленного пробуждения (remote wakeup) позволяет приостановленному USB-устройству подать сигнал хосту, который тоже может находиться в приостановленном состоянии. Возможность удаленного пробуждения описывается в конфигурации USB-устройства. При конфигурировании эта функция может быть запрещена.

Хранилищем данных о состоянии узлов самолетного ответчика является твердотельный накопитель. Различают два вида твердотельных накопителей: SSD на основе памяти, подобной оперативной памяти компьютеров, и SSD на основе флеш-памяти. Накопители, построенные на использовании энергонезависимой памяти (NAND SSD), появились относительно недавно, но в связи с гораздо более низкой стоимостью (от 1 доллара США за гигабайт) начали уверенное завоевание рынка. До недавнего времени существенно уступали традиционным накопителям — жестким дискам — в скорости записи, но компенсировали это высокой скоростью поиска информации (начального позиционирования). Сейчас уже выпускаются твердотельные накопители со скоростью чтения и записи, во много раз превосходящие возможности жестких дисков. Характеризуются относительно небольшими размерами и низким энергопотреблением. лавный недостаток NAND SSD — ограниченное количество циклов перезаписи. Обычная (MLC, Multi-level cell, многоуровневые ячейки памяти) флеш-память позволяет записывать данные примерно 10 000 раз. Более дорогостоящие виды памяти (SLC, Single-level cell, одноуровневые ячейки памяти) — более 100 000 раз.[8] Для борьбы с неравномерным износом применяются схемы балансирования нагрузки. Контроллер хранит информацию о том, сколько раз какие блоки перезаписывались и при необходимости «меняет их местами». Данный недостаток отсутствует у RAM SSD, а также у относительно новой технологии FRAM, где ресурс хоть и ограничен, но практически недостижим в реальной жизни числом циклов перезаписи (до 40 лет в режиме непрерывного чтения/записи).

Однако, учитывая, что частота съема информации с накопителя будет производиться достаточно редко, NAND SSD вполне пригоден для использования его в качестве твердотельного накопителя в предлагаемом устройстве.

§ 3.2 Подбор элементной базы

В настоящее время существует несколько производителей контроллеров флэш-памяти с интерфейсом USB 2.0 (USB 2.0 Flash Drive Controller). Например, компания Genesys Logic производит контроллер GL814E, а фирма SMSC— USB97C242. Вначале 2004 года фирма Sigmatel анонсировала новый контроллер флэш-памяти STBD2010. В отличие от выше названных, данный контроллер максимально  интегрирован и включает в себя все необходимые компоненты для построения готового устройства флэш-памяти с минимальным набором внешних элементов. Кроме того, он имеет современный малогабаритный корпус (рис.3.3), что позволяет создавать на его основе миниатюрные устройства памяти. При этом цена микросхемы составляет все го $1,7.

Рис.3.3. Устройства памяти.

       Контроллер имеет две модификации: STBD2010 и STBD2011. Последняя модификация имеет некоторые преимущества перед первой. Поскольку обе модификации контроллеров имеют одинаковую структуру и полностью совместимы по выводам корпуса, здесь приводится обзор для обеих моделей контроллера с указанием отличий.

       В начале рассмотрим основные характеристики контроллера. Контроллер STBD2010/2011- имеет встроенный интерфейс USB и полностью совместим со спецификацией USB 2.0 для высокоскоростных операций. Он обеспечивает управление микросхемами флэш-памяти с архитектурой NAND. Имея очень маленький размер корпуса, контроллер позволяет создавать устройства с миниатюрными размерами. Встроенный в контроллер интерфейс внешней флэш-памяти обеспечивает обслуживание от одной до четырех микросхем памяти с 8- и16-битной организацией шины данных. Объем каждой из четырех микросхем памяти может достигать 2 Гбит. Таким образом, суммарный объем поддерживаемых контроллером микросхем памяти может достигать 8 Гбит. Контроллер обладает свойством автоматического конфигурирования типа памяти и обеспечивает поддержку следующих типов микросхем флэш-памяти:

- флэш-память NAND с технологией Binary или SLC (Single Level Cell);

- флэш-память NAND с технологией MLC (Multi-Level Cell) (только STBD2011);

- флэш-память AG-AND (только STBD2011).

       К числу изготовителей подобных типов микросхем памяти относятся такие известные фирмы, как Samsung, Toshiba, SanDisk, STMicroelectronics и др. Контроллер обладает блоком аппаратной коррекции ошибок (ECC), что обеспечивает достоверность переносимых данных без необходимости дополнительной программной обработки данных.

Встроенный в контроллер регулятор напряжения обеспечивает подключаемые микросхемы флэш-памяти необходимым для них напряжением питания 3,3 и1,8 В без использования внешних стабилизаторов напряжения и других дополнительных элементов. Входным источником питания для контроллера служит источник напряжения 5В интерфейса USB.

       Для синхронизации всех процессов внутри контроллера имеется встроенный синтезатор частот, который работает совместно с внешним кварцевым резонатором, задающим тактовую частоту 24 МГц.

       Рассмотрим структурную схему контроллера (рис.3.4).

Рис.3.4. Структурную схему контроллера.

       Как видно из структуры контроллера, в его состав входят блоки для поддержки интерфейса USB и работы с флэш-памятью. Протокол интерфейса USB и флэш-памяти поддерживается встроенным микроконтроллером High Performance Microcontroller, который использует для своей работы встроенную постоянную память программ ROM и оперативную память RAM. Поддержка интерфейса USB осуществляется с помощью блока высокоскоростного приемопередатчика USB2.0 Hi-Speed Transceiver и устройства управления USB2.0 Hi-Speed Device Controller. Внутренний синтезатор частот PLL обеспечивает необходимую синхронизацию работы всех внутренних устройств с по мощью внешнего кварцевого резонатора на 24МГц. Блок GPIO обеспечивает внешнее управление и индикацию режима работы контроллера. Связь контроллера сфлэш-памятью осуществляется через интерфейс памяти Flash Memory Interface. Встроенный регулятор напряжения Voltage Regulators формирует из входного напряжения 5 В, поступающего от интерфейса USB, необходимые для работы ядра контроллера и внешних микросхем памяти напряжения питания 3,3 и1,8В. Контроллер выпускается в современном малогабаритном 48-выводном корпусе типа QFN размером всего 7х7 мм.