Captolo 15 Sstem elettronc d bordo - 15.1 -
15.1 Generaltà A bordo de velvol modern è dffuso l mpego d elaborator elettronc per un numero sempre maggore d funzon. Partendo dall mpego per funzon auslare, come ad esempo l calcolo del carburante resduo o d auslo alla navgazone, s è gunt ad una sempre maggore autortà sulla condotta del velvolo. I calcolator d bordo dfferscono da normal calcolator essenzalmente per quanto rguarda le nterfacce, sono nfatt rdotte o elmnate le usual perferche mentre assumono notevole mportanza quelle destnate al colloquo con l mondo fsco per acqusre o emettere stat o msure. In questo captolo vengono rchamat prncp d funzonamento de calcolator elettronc e del loro collegamento con l mondo fsco, rmandando a test d nformatca per un approfondmento della matera. 15.2 Rappresentazone d grandezze fsche Qualsas grandezza fsca evolve n modo contnuo nel tempo; essa può essere rappresentata n due mod fondamental: con una rappresentazone analogca o una rappresentazone dgtale. Nella rappresentazone analogca una grandezza fsca vene rappresentata medante l mpego d una seconda grandezza fsca ad essa correlata attraverso un fattore d scala. L esempo pù comune d questo tpo d rappresentazone è costtuto da uno strumento ad ndce dove la grandezza fsca n esame è posta n analoga con un angolo. Per la rappresentazone della correlazone fra due grandezze fsche s può utlzzare un dagramma dove le due grandezze fsche sono messe n analoga con due lunghezze rportate n ascssa e ordnata. Nella rappresentazone dgtale una grandezza fsca vene rappresentata medante un numero ed è qund necessaro defnre l untà d msura. Per la rappresentazone della correlazone fra due grandezze fsche s può utlzzare una tabella. È sempre possble passare dall una all altra delle due rappresentazon, rportando n tabella dat lett sul dagramma o costruendo un dagramma utlzzando dat della tabella. Nella rappresentazone analogca s ha una precsone legata al fattore d scala mpegato e alla precsone con la quale s resce a msurare la grandezza posta n analoga con quella d nteresse; nella rappresentazone dgtale la precsone è legata al numero d cfre sgnfcatve mpegate. Impegando una rappresentazone analogca s ha mplctamente una contnutà della rappresentazone, mentre nella rappresentazone dgtale s ha una dscontnutà. La rappresentazone analogca è pù soggetta a dsturb ed alterazon, dsturb e alterazon che se present nella rappresentazone dgtale possono essere controllat ed eventualmente corrett. È possble l mpego d dspostv elettronc per la rappresentazone, l elaborazone e la trasmssone d grandezze sa n forma analogca che dgtale. Come s vedrà ne paragraf successv l elaborazone n forma analogca ha l vantaggo d operare drettamente n tempo reale e d mantenere la contnutà nel tempo tpca dell evoluzone d qualsas grandezza fsca. D altra parte l elaborazone dgtale consente una maggore precsone, una maggore versatltà perché consente tramte opportun codc anche la rappresentazone d nformazon d natura dversa come quelle logche, alfanumerche o grafche, consente noltre un controllo della correttezza delle nformazon trasmesse. Al gorno d ogg l mpego d calcolator analogc, ntes come macchne da calcolo, è obsoleto, ma component d calcolo analogco possono essere utlmente mpegat per semplc dspostv d controllo o per la conversone d grandezze dgtal n analogche o vceversa. - 15.2 -
15.3 Elaborazone analogca Nel calcolo analogco s pongono n relazone le grandezze fsche da elaborare con una seconda grandezza fsca; utlzzando component elettronc questa grandezza è la tensone. Il componente fondamentale per l calcolo analogco è l amplfcatore operazonale: un amplfcatore caratterzzato da un guadagno (nteso come rapporto fra l valore n uscta e quello n ngresso) e da una mpedenza d ngresso molto elevata. S analzz l crcuto d fgura 15.1 dove le tenson sono tutte relatve ad un valore comune; per l equlbro delle corrent al nodo a tensone V 0, s ha: Fg. 15.1 Inverttore I = I + I c g Se l mpedenza d ngresso nell amplfcatore è molto grande I g è trascurable rspetto alle altre corrent. S ha qund: I = Ic V = R Rc Per defnzone d guadagno: K = = K con K molto grande V 0 rsulta trascurable rspetto alle altre tenson, rsulta qund: Rc = V R È mportante notare che la tensone all uscta del blocco è ndpendente dalla corrente assorbta a valle, nfatt è l amplfcatore che fornsce la corrente necessara al crcuto a valle, per lo meno entro lmt d corrente che può erogare. Nel caso d pù resstenze d ngresso, con la stessa procedura s troverebbe: V 0 V u = n = 1 R R c V S può qund costrure un crcuto n grado d sommare tenson, ognuna moltplcata per una costante ed ndpendentemente dalla corrente assorbta Fg. 15.2 Sommatore-nverttore n uscta. - 15.3 -
Sosttuendo alla resstenza n controreazone un condensatore s ha un crcuto per l quale con la stessa procedura s può dmostrare: T V u = Vdt + V R C t= t 0 1 Un crcuto qund n grado d ntegrare una tensone; allo schema della fgura 15.3 occorre aggungere opportun component per poter ntrodurre l valore nzale. n 15.3 Integratore 15.4 Integratore con crcuto per condzon nzal A seconda delle poszon degl nterruttor I e I s hanno le seguent condzon operatve: I I Aperto Aperto Memora Aperto Chuso Condzon nzal Chuso Aperto Integrazone Chuso Chuso Non Utlzzato S deve notare che l ntegrazone assume come varable ndpendente l tempo e questo porta a due mportant conseguenze per crcut d calcolo che mpegano ntegrator: la varable ndpendente del problema n esame può essere anche dversa dal tempo, ma deve essere messa n analoga con esso, non è qund possble avere due varabl ndpendent dstnte perché verrebbero ad essere fra loro legate attraverso l analoga con l tempo; l calcolo avvene mplctamente n tempo reale. Costruendo un crcuto con condensatore all ngresso e resstenza n controreazone s avrebbe un blocco d calcolo n grado d fornre la dervata della tensone n ngresso. Questo tpo d blocco d calcolo non vene pratcamente ma mpegato perché esalta dsturb. S consder nfatt una tensone sulla quale è presente un dsturbo ad una certa frequenza: ntegrando s ha: dervando: V = V + εsen( ωt) Vdt = dv dt = ε Vdt cos ω dv dt + εω cos ( ωt) ( ωt) - 15.4 -
Essendo le ret d almentazone n corrente alternata a 50Hz è nevtable che queste nducano su crcut d calcolo de dsturb alla stessa frequenza e, sa pure con ntenstà mnore, anche a suo multpl. Alla frequenza d 50Hz corrsponde un valore d ω d 314; l ntegratore attenua qund l dsturbo d crca trecento volte mentre l dervatore lo amplfca nella stessa msura. Gl amplfcator operazonal possono operare n un campo d tensone ben precso, al d fuor del quale decade l guadagno. Per poter garantre la corretta funzonaltà de blocch d calcolo occorre che le tenson s mantengano n tale campo, fattor d scala scelt per stablre le analoge devono essere tal da non far ma superare tal lmt, ma nello stesso tempo le tenson devono essere suffcentemente elevate da rendere trascurabl gl nevtabl dsturb. I rapport d resstenze present nella formula rsolutva del sommatore e l prodotto resstenza capactà nella formula dell ntegratore permettono d realzzare l prodotto della tensone d ngresso per una costante. Normalmente s scelgono resstenze e condensator n modo che questa costante rsult un multplo o sottomultplo d 10, è così possble varare l ordne d grandezza delle tenson n modo da avere sempre tenson con valor ottmal per la loro elaborazone. Un ulterore componente utlzzato è l potenzometro: un blocco costtuto da una resstenza varable con ngresso n uno de suo cap, uscta dal contatto varable e con secondo capo collegato terra; la tensone n uscta è una frazone della tensone n ngresso: V = con u KV 0 < K < 1 Ponendo un potenzometro a monte della resstenza d ngresso n un blocco sommatore o ntegratore è possble 15.5 - Potenzometro ottenere l prodotto per una costante; l fatto che la costante debba essere compresa fra 0 e 1 è nessenzale perché l ordne d grandezza può essere rcuperato varando le resstenze o le capactà present a valle. Con component fno ad ora vst è possble rsolvere qualsas problema lneare retto da equazon o sstem d equazon dfferenzal ordnare. Consderamo come semplce esempo l sstema meccanco d fgura 15.6; l suo funzonamento è retto dall equazone dfferenzale: M & x&+ Cx& + kx = F() t Come procedura generale per la costruzone d un crcuto che s comport come l equazone s rsolve l equazone rspetto alla dervata d ordne massmo, s - potzza d dsporre n un punto d una tensone d par valore, s ntegra fno ad ottenere la funzone e s rcompone l equazone (fg.15.7). C & x = x& + M k M 1 x + M F() t 15.6 - Oscllatore - 15.5 -
15.7 Crcuto analogco per calcolo d oscllatore forzato Nelle fgure s sono utlzzat per ntegrator, sommatore e potenzometro smbol unfcat semplfcat. Nel caso n esame ponendo ugual a zero le condzon nzal, fssando degl opportun valor d scala, s può ntrodurre dall esterno un segnale uguale alla forzante ed esamnare le oscllazon del sstema collegando l uscta degl ntegrator ad un osclloscopo. L effetto è analogo a quello che s avrebbe con msure sull effettvo sstema meccanco. Con un opportuno mpego d dod è po possble realzzare anche crcut con comportamento non lneare; è così possble realzzare crcut che rsolvono una funzone qualsas e qund realzzare moltplcator, dvsor, generator d funzon fsse o varabl. Inserendo un dodo fra la resstenza d ngresso e l amplfcatore operazonale, varando l segno dell ngresso, l guadagno dato dal rapporto delle resstenze e sommando una tensone costante all ngresso è possble ottenere un legame fra tensone d ngresso e d uscta rappresentato da due tratt lnear con dscontnutà nella pendenza n un punto voluto (fg.10.8). Utlzzando pù element d questo tpo Fg. 15.8 Utlzzo d dod n ngresso s può rcostrure a tratt una funzone qualsas (fg. 15.9) ed n partcolare s possono costrure crcut che permettono d esegure moltplcazon e dvson. Ad esempo per quanto rguarda la moltplcazone è possble realzzare un crcuto che rsolve la seguente denttà: 2 [( x + y) ( x y) ] 2 1 xy = 4 Con un crcuto nel quale valor d ngresso vengono sommat e sottratt ed nsert n crcut generator d parabole, s realzza qund un moltplcatore. Lo stesso crcuto collegato n modo opportuno resce a realzzare un dvsore. V - V - -V -V Fg. 15.9 Generatore d funzon V V V V - 15.6 -
Il vantaggo d crcut basat sull mpego d amplfcator operazonal, consste nella facltà d smulare l comportamento d qualsas sstema partendo dalle equazon che ne descrvono l comportamento. Come accennato descrvendo l ntegratore l sstema s presta per la soluzone d problem rett da equazon dfferenzal ordnare, mentre è mpossble utlzzarlo drettamente per soluzone d problem rett da equazon dfferenzal alle dervate parzal e non rsulta convenente per la soluzone d sstem algebrc. Il sstema rsulta partcolarmente convenente quando le equazon da rcostrure sono relatvamente semplc, v è una forte nterazone col mondo fsco ed è rchesta una soluzone n tempo reale. Quando le equazon da utlzzare sono complesse occorre tenere presente l fatto che per ogn operazone da esegure è necessaro un blocco e qund crcut dventano rapdamente compless. Anche se al gorno d ogg lo svluppo de calcolator numerc e delle tecnche d calcolo numerco e la dsponbltà d programm commercal n grado d semplfcare la soluzone d problem hanno res obsolet calcolator analogc, è evdente che se s devono esegure poche operazon su grandezze provenent da msure su sstem real per rportare l rsultato sul sstema stesso, può rsultare convenente costrure crcut analogc adatt allo scopo, sfruttando noltre l notevole vantaggo che utlzzando element d calcolo analogco non s ha alcun rtardo fra l acquszone degl ngress e la presentazone dell uscta. Ad esempo, s consder un semplce sstema d regolazone della temperatura n cabna agendo sulla valvola regolazone della mscelazone d ara calda e fredda n un mpanto d condzonamento. T cab la temperatura voluta n cabna T cab la temperatura msurata n cabna T la temperatura dell ara mmessa n cabna T la temperatura msurata al ramo caldo del crcuto d condzonamento da c T la temperatura msurata al ramo freddo del crcuto d condzonamento f k poszone della valvola d mscelazone T = T cab c h T ( T ) cab T = kt + ( 1 k) T f cab s ha T Tf Tcab h( Tcab Tcab ) Tf k = = Tc Tf Tc Tf I sensor d temperatura fornscono con contnutà tenson proporzonal alle temperature msurate, queste possono essere elaborate con un semplce crcuto come n fgura 15.10 ottenendo una tensone che può essere utlzzata per comandare la valvola d mscelazone. Fg. 15.10 Crcuto controllo temperatura - 15.7 -
15.4 Calcolator dgtal Un calcolatore dgtale è una macchna n grado d operare su numer espress nel sstema numerco bnaro. I numer possono essere utlzzat come tal, o come codfca altr tp d nformazon (caratter alfanumerc, dsegn o altro) e n partcolare come codce d operazon da esegure. In base a quest ultma tpologa d codfca calcolator dgtal (o numerc) offrono la fondamentale caratterstca d essere programmabl, è coè possble nserre una successone d codc che rappresentano operazon elementar che esegute n sequenza producono l effetto voluto. 15.4.1 Sstem numerc Il sstema numerco usualmente utlzzato è l sstema decmale, un sstema numerco poszonale che dspone d 10 cfre. Il valore assocato a cascuna cfra dpende dalla poszone che essa occupa all nterno del numero: (8736.35) 10 =8*10 3 +7*10 2 +3*10 1 +6*10 0 +3*10-1 +5*10-2 =8000+700+30+6+3/10+5/100 Per la realzzazone d un calcolatore elettronco utlzzando l sstema numerco decmale occorrerebbe realzzare crcut ne qual sano dstngubl 10 dvers stat d tensone, rsulta molto pù semplce abbandonare l sstema decmale e passare ad un sstema numerco bnaro, sstema basato su sole due cfre che possono essere fatte corrspondere a sol due valor d tensone (ad es. 0V e 5V). La quanttà elementare d nformazone utlzzata è così una cfra bnara o bt (Bnary dgit). Per un numero espresso nel sstema bnaro s hanno a dsposzone le sole cfre 0 e 1 e la poszone defnsce l valore assocato ad una potenza d 2: (111010) 2 =1*2 5 +1*2 4 +1*2 3 +0*2 2 +1*2 1 +0*2 0 =1*32+1*16+1*8+0*4+1*2+0*1=(58) 10 È semplce la conversone dalla rappresentazone bnara a quella decmale, leggermente pù complessa l nversa che può essere fatta ad esempo con dvson successve per 2 e prendendo l resto; ad esempo per convertre n bnaro l numero 25 10 s ha: Resto 25/2 12 1 12/2 6 0 6/2 3 0 3/2 1 1 1/1 0 1 25 10 =11001 2 =1*2 4 +1*2 3 +0*2 2 +0*2 1 +1*2 0 =1*16+1*8+0*4+0*2+1=25 Per alcun mpegh anzché la rappresentazone bnara naturale s utlzza una codfca bnara delle cfre decmal (BCD-Bnary Coded Decmal). Ad esempo: 9427= 1001 0100 0010 0111 Preso un numero nella rappresentazone bnara è possble farne l complemento a 1 scambando gl 0 con 1 e gl 1 con 0: 11001 00110 sommando due numer s ottene un numero con tutte le cfre par a 1. - 15.8 -
Se al complemento ad 1 sommo 1 ottengo l complemento a due: Numero orgnale 11001 Complemento ad 1 00110 Complemento a 2 00111 sommando l numero orgnale al complemento a 2 e gnorando la cfra d rporto oltre la pù sgnfcatva l rsultato è 0: 11001+ 00111= (1)00000 Il complemento a 2 è qund doneo a rappresentare un numero ntero negatvo. Ne calcolator per un numero ntero vengono rservat un certo numero fnto d cfre, la cfra pù sgnfcatva non vene utlzzata per la rappresentazone del numero, ma dventa 1 nel caso d numero negatvo rappresentato col complemento a 2. Utlzzando ad esempo 16 bt, l numero postvo massmo esprmble è: l numero negatvo 0111111111111111=2 15-1=32767 1000000000000000=-2 15 =-32768 Nel campo dell nformatca sono utlzzat anche l sstema numerco ottale e quello esadecmale (0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F) che permettono una rappresentazone pù compatta de numer con una facle conversone da o alla rappresentazone bnara. S ha nfatt l passaggo dalla rappresentazone bnara a quella ottale raggruppando le cfre bnare a tre a tre e quella esadecmale raggruppandole a quattro a quattro. 0101100111000110= 0 101 100 111 000 110=054706 8 0101100111000110=0101 1001 1100 0110=59C6 16 Ne calcolator dgtal s hanno element elementar d memora (bt) corrspondent ad una cfra del sstema bnaro; quest non sono drettamente accessbl, ma raggruppat n element d 8 bt (1 byte). Il byte è qund la mnma nformazone drettamente accessble; n 1 byte s possono avere 256 combnazon dverse, per rappresentare numer sgnfcatv occorre qund utlzzare un certo numero d byte. Per numer nter s usa drettamente la rappresentazone bnara col complemento a 2 per numer negatv. Il numero ntero massmo esprmble è così: Numero Numero massmo d bytes 2 2^15-1 32768 4 2^31-1 2147483647 Per numer razonal s utlzza sempre una notazone normalzzata con un certo numero d cfre bnare rservate alla caratterstca e altre alla mantssa. Il numero d cfre rservato alla caratterstca defnsce l ordne d grandezza dal numero rappresentable ed l numero rservato alla mantssa ne defnsce la precsone. Se per la caratterstca è rservato 1 byte l esponente rappresentable vara fra -2^7 e 2^7-1 ossa fra -128 e 127; l numero massmo rappresentable n questo caso è d 2^127-15.9 -
par a crca 1.7*10 38. La mantssa ha sempre 1 come prma cfra dopo la vrgola; l numero d byte ad essa rservata fornsce qund la precsone con la quale è rappresentato l numero. Con opportune codfche la memora del calcolatore può essere utlzzata anche per rappresentare enttà dverse da quelle numerche: caratter, struzon, colore d enttà grafche o altro. In partcolare per la codfca de caratter d stampa (alfabetc, numerc e d punteggatura) s u- tlzza una codfca per la quale 7 bt (128 combnazon) sono suffcent; vene così normalmente mpegato un byte rservando eventualmente l ottavo bt per controllo d partà. Il controllo d partà è un tpco sstema utlzzato per controllare l ntegrtà del dato destnando un bt a tale scopo; Per esempo nel caso de caratter, 7 bt del byte ne contengono la codfca, l ottavo vene posto a 0 o a 1 n modo tale che l numero d bt ugual a 1 nel byte sa par. Se l nformazone vene trasmessa n tal condzon è possble all arrvo l controllo che l nformazone sa arrvata correttamente; naturalmente l nformazone sembra corretta anche se bt modfcat sono due, ma la probabltà che questo avvenga è molto pù bassa d quella d un solo cambamento. Il controllo d partà può essere basato su un numero d 1 present nell nformazone par, ma anche su un numero d 1 dspar (s parla qund d controllo d partà par o partà dspar a seconda del metodo scelto). L ntegrtà d nsem d nformazon può essere accertata anche con altr metod, per esempo col checksum: dovendo trasmettere un pacchetto d bytes vene aggunto al pacchetto l rsultato della somma de bytes trasmess nterpretat come numer bnar; all arrvo è possble compere la stessa operazone e confrontare rsultat. 15.4.2 Element costruttv fondamental (Hardware) La struttura tpca d un computer è rportata nella fgura 15.11. La CPU (Central Processor Unt) è costtuta da tutt crcut n grado d decodfcare le struzon ed esegurle. In partcolare fa parte d questo blocco un tmer che scandsce la sequenza con la quale vengono esegute le sngole operazon; la frequenza caratterstca d questo tmer dentfca evdentemente la veloctà d elaborazone del computer. In molt computer è possble la presenza d pù CPU che operano contemporaneamente, aumentando n questo modo la capactà d calcolo. La memora è costtuta da crcut n grado d conservare n forma dgtale dat e struzon. La memora è normalmente organzzata n byte e s parla comunemente d computer con gga-byte d memora. I dat possono essere rappresentazon bnare d numer nter o razonal, codfche d caratter, d colore d pxel, d stat logc, ecc.. A seconda del tpo d dato possono essere usat uno o pù byte. Le memore auslare sono memore d grande capactà (dsch o untà esterne rmovbl) n grado d mantenere le nformazon anche senza almentazone. Le perferche sono macchne esterne n grado d 15.11 Strutture d computer - 15.10 -
consentre l nterazone dell uomo con l computer (tastere, scherm, stampant, mouse, ecc.) o anche del mondo fsco. Lo IOC (Input Output Controller) è pratcamente una CPU specalzzata per gestre la comuncazone con perferche e memore esterne, scarcando da questa attvtà le CPU. Gl element fondamental della CPU sono l tmer, d cu s è gà fatto cenno, regstr, crcut operatv. Tutte le operazon n un calcolatore dgtale vengono esegute sequenzalmente con una frequenza determnata del tmer del sstema; l tempo necessaro a svolgere un determnato calcolo dpende qund dal numero d operazon che devono essere svolte. La sequenza d operazon da esegure costtusce l programma ed è portata nella memora prncpale; le struzon sono codfcate ed un passo d programma può contenere l codce d una operazone da esegure e la locazone delle poszon d memora e/o de regstr su cu esegurla. Le struzon vengono esegute n successone, esste un regstro nella CPU che contene l ndrzzo d memora dell struzone da esegure, al momento dell esecuzone d questa l ndrzzo vene ncrementato n modo da puntare all struzone successva. Fra le vare struzon esste una struzone che altera l contenuto del regstro puntatore, questo consente d nserre varazon nell ordne d esecuzone delle struzon, normalmente n base a qualche confronto. Esstono anche struzon che oltre a consentre l alterazone del regstro puntatore, memorzzano la poszone dell struzone che provoca tale alterazone. Questo consente ad un certo punto d rprendere l esecuzone del programma da dove era stato abbandonato, d mplementare così l concetto d sottoprogramma. 15.4.3 I programm (Software) Per l mpego de calcolator è essenzale da dsponbltà d programm, d sequenza coè d - struzon elementar che svolte n successone consentono d raggungere l rsultato voluto. S può classfcare l software nelle seguent categore: sstem operatv: sono programm n grado d gestre l funzonamento del calcolatore e delle sue perferche ed n partcolare l esecuzone de var programm applcatv. I sstem operatv possono operare n base a dverse flosofe; d partcolare nteresse a nostr scop sono sstem real tme che danno partcolarmente mportanza al controllo che ngress e uscte avvengano al tempo voluto, come necessaro per l utlzzo d programm d calcolo nell ambto d sstem d controllo; complator: sono programm che sono n grado d tradurre programm d calcolo scrtt n lnguaggo ad alto lvello, come ad esempo FORTRAN o C, n struzon d macchna; alcun lnguagg d alto lvello anzché essere complat vengono nterpretat, la traduzone n lnguaggo macchna avvene per ognuna delle struzon ad alto lvello durante l esecuzone. programm esegubl: sono programm n lnguaggo macchna svluppat per un determnato scopo. 15.5 Sstem d acquszone dat I calcolator d bordo devono nteragre col mondo fsco e questo può avvenre con segnal dscret, come acquszone dello stato d contatt o comando d nterruttor (segnal dgtal n ngresso o uscta D/I, D/O), o con segnal n tensone, come msure o comand (segnal analogc n ngresso o uscta A/I, A/O). - 15.11 -
15.5.1 Segnal dgtal Per l elaborazone d segnal dgtal, corrspondent qund ad nformazon logche, s possono utlzzare drettamente crcut logc o sstem d acquszone d stat. Per segnal dgtal s utlzzano sa n ngresso che n uscta raggruppament d un certo numero d segnal (tpcamente 8 o 16). Un segnale dgtale n ngresso costtusce 1 bt, vengono qund acquste o fornte contemporaneamente le nformazon d un certo numero d stat dstnt. Lo stato d 0/1 può essere assocato alla presenza o meno d un certo valore d tensone o alla chusura o meno d un contatto. 15.5.2 Segnal analogc Per una nformazone d tpo analogco s -V I1 1/2 R utlzzano normalmente 2 bytes dove 10-12 bt I2 vengono utlzzat per la msura vera e propra e 1/4 R rmanent 6-4 per nformazon auslare. I3 1/8 R R Con 10 bt s hanno 1024 combnazon e I4 qund la msura è rappresentata con una rsoluzone dello 0.1% del fondo scala. I5 1/16 R 1/32 R La conversone d una nformazone dgtale I6 n segnale analogco può essere fatta con un crcuto come quello d fgura 15.12 dove è rap- I7 1/64 R 1/128 R presentato un converttore dgtale analogco a 8 I8 bt. 1/256 R Gl nterruttor I assumono lo stato 0 o 1 a Fg.15.12 - Converttore dgtale-analogco seconda del numero che esprme la msura della tensone voluta n uscta. Il valore della tensone n uscta può varare da 0 a V con una rsoluzone par a V/256 (0.4%) del fondo scala. La tensone d uscta rsulta: 8 R I1 I 2 I3 I 4 I5 I 6 I 7 I8 = I V = V + + + + + + + = 1 2 R 2 4 8 16 32 64 128 256 E, ad esempo con ngresso 11000110 2 = 198 10 s ha: 1 1 0 0 0 1 1 0 V = + + + + + + + V = ( 128 + 64 + 4 + 2) = 198 V 2 4 8 16 32 64 128 256 256 256 Per quanto rguarda l acquszone s hanno fondamentalmente due tecnche: la prma consste del creare una tensone attraverso un converttore A/O del tpo appena vsto e vararla con una certa logca fno ad arrvare al valore uguale a quello da msurare, la seconda nel generare una tensone crescente attraverso l ntegrazone d una costante e nel msurare l tempo necessaro ad avere concdenza fra la tensone generata e quella da msurare. Utlzzando l confronto con un generatore s possono utlzzare dverse stratege: a) ncremento lneare della tensone generata fno al raggungmento del valore da msurare; - 15.12 -
b) s fssa un valore par a metà del fondo scala, s confronta questo con l valore da msurare e n base al confronto s fssa un secondo valore con uno spostamento a crescere o calare par ad un quarto del fondo scala, l procedmento vene terato dvdendo ogn volta a metà lo spostamento fno al raggungmento del valore cercato; c) spostamento lneare a partre da un valore par all ultmo valore msurato. Il prmo metodo ha un tempo d conversone varable n funzone del valore da msurare con un tempo medo legato al tempo necessaro a compere 512 tentatv nel caso d msura con 10 bt. Il secondo metodo è decsamente pù effcente dato che è suffcente un numero d tentatv par al numero d bt utlzzato nella msura, l tempo d msura è ndpendente dal valore d essa, n pratca consste nel determnare le vare cfre del numero che esprme la msura a partre dalla pù sgnfcatva. Il terzo metodo è effcente se l segnale n arrvo al converttore è poco varable nel tempo. I converttor basat sull mpego d un ntegratore analogco possono ntegrare una costante e msurare l tempo necessaro ad arrvare al valore da msurare o ntegrare la tensone da msurare e calcolare l tempo necessaro ad arrvare ad un valore prefssato. Il tempo vene msurato contando perod d un oscllatore ad alta frequenza e qund vene msurato con buona precsone. I converttor basat su questa tecnca sono molto precs, ma pù lent, n pratca questa tecnca vene usata solo n voltmetr d precsone per msure statche. 15.5.3 Acquszone dat Il numero d segnal, sa analogc che dgtal, da acqusre può essere anche molto elevato; come gà accennato, per quanto rguarda canal dgtal, dove ogn canale corrsponde ad 1 bt, quest vengono trattat n grupp d 8 o 16 e anche canal analogc sono normalmente raggruppat n un certo numero d canal (4-8). Per canal analogc n ngresso è possble anche utlzzare un solo converttore ponendo a monte un commutatore n grado d collegarlo a var segnal d ngresso. Nel caso d molt canal da msurare, se non è necessara una grande veloctà d acquszone dat, è possble utlzzare scanner, apparecchature basate essenzalmente su relè (s può arrvare all acquszone d mglaa d canal con l uso d un solo converttore). Se la veloctà d acquszone è alta e l numero d canal da msurare è modesto s utlzzano multplexer dove l collegamento fra l ngresso ed l converttore è stablto attraverso un crcuto puramente elettronco. Per la natura degl elaborator numerc che eseguono le sngole operazon n successone, l acquszone de dat presuppone una dscretzzazone nel tempo e una non contemporanetà nell acquszone da dvers canal. Il fatto d acqusre nformazon sullo stato del sstema con un certo ntervallo d tempo fra le dverse varabl, è raramente rlevante data l enorme dfferenza fra temp caratterstc dell acquszone e quell dell evoluzone de fenomen d nteresse. - 15.13 -
Molto rlevante è nvece la frequenza con la quale vene letto l sngolo canale. S può dmostrare che per avere una nformazone corretta attraverso una dscretzzazone d un fenomeno contnuo è necessaro acqusre dat con una frequenza almeno doppa della pù alta frequenza presente nel segnale orgnale. È qund necessaro porre de fltr che taglno le frequenze superor a quelle prevste nel segnale da msurare n modo da elmnare l effetto d eventual dsturb ad alta frequenza. Se nel segnale da msurare esstono component d frequenza superore a quella d camponamento quest vengono nterpretat come component a frequenza pù bassa, l segnale vene qund profondamente alterato (fenomeno d alasng). 15.6 Bus d trasmssone dat Fg. 15.13 - Alasng Le vare apparecchature elettronche debbono essere collegate per trasmetters nformazon. Un bus d trasmssone dat consente questo collegamento e ne vengono defnte le specfche sa hardware che software. La trasmssone dat può avvenre n vare forme: mono/bdrezonale, sncrono/asncrono, serale/parallelo. La trasmssone è monodrezonale se l flusso d nformazon fra due apparecchature è sempre nello stesso senso, bdrezonale se è possble l flusso n entramb sens, n quest ultmo caso le nformazon possono essere trasmesse su un unco canale o su due canal separat. Nella trasmssone sncrona avvene una sncronzzazone fra le due untà, dopo d che vene trasmesso un flusso contnuo d un certo blocco d nformazon; nella trasmssone asncrona avvene un colloquo fra le due untà dove n sostanza l trasmetttore chede l consenso all nvo e nva una certa quanttà d nformazone una volta ottenutolo. Le nformazon trasmesse consstono sempre n uno o pù byte, nella trasmssone serale gl otto bt del byte vengono trasmess n sequenza su unco canale fsco, nella trasmssone parallela gl 8 bt vengono trasmess contemporaneamente e per questo sono qund necessar 8 canal d trasmssone. Per molt aspett non è rlevante la tecnologa mpegata per l canale d comuncazone che può essere elettronco, ottco o rado. 15.7 Crcut logc Le grandezze logche trovano dverse applcazon e sono la base del funzonamento de calcolator dgtal. Una grandezza logca può assumere valor d falso o vero, convenzonalmente rappresentabl con 0 o 1, cfre del sstema bnaro. Con le grandezze logche è possble defnre dverse operazon secondo l algebra d Boole: Complemento (.not.) A 0 1 A 1 0-15.14 -
Somma o unone (.or.(.or.);.xor.) A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 A. or. B 0 1 1 1 A. xor. B 0 1 1 0 Prodotto (.and.) A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 A. and. B 0 0 0 1 È possble dmostrare che: Infatt A. and. B = A. or. B A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 A 1 1 0 0 B 1 0 1 0 A. and. B 1 0 0 0 A. and. B 0 1 1 1 A. or. B 0 1 1 1 In un crcuto elettronco è possble assocare valor 0 e 1 a due dvers valor d tensone e costrure crcut n grado d svolgere le vare operazon logche. Accanto a quest crcut base n grado d svolgere le operazon elementar, esstono altr crcut logc qual l flp-flop e l pulsar. Il flp-flop è un crcuto con tre ngress: clear, set e trgger; per var ngress è sgnfcatvo solo l passaggo dello stato 0 a 1. La transzone da 0 a 1 nel clear e nel set forzano l uscta a valor 0 e 1 rspettvamente, mentre nel trgger provoca l cambamento dell uscta al valore complementare d quello presente. Il pulsar è un crcuto che sente la transzone dell ngresso da 0 a 1 e porta l uscta a 1 per un certo tempo regolable e po torna a 0. I crcut logc possono essere assocat a crcut analogc ad esempo provocando la chusura d un relè n corrspondenza allo stato 1. 15.8 Bblografa Mke Tooley, Arcraft dgtal electronc and computer systems, Elsever Ian Mor, Allan Seabrdge, Cvl avoncs systems, AIAA Educatonal Seres - 15.15 -