1. ВВЕДЕНИЕ

Человек большую часть информации об окружающем мире воспринимает через органы зрения, и по этой причине обработка визуальной информации является одной из важных сфер применения вычислительной техники.

Необходимость создания устройств ввода и обработки изображений сегодня очевидна.

Еще совсем недавно такие действия были под силу только суперЭВМ, но бурное развитие компьютерных технологий (электроники и микроэлектроники в частности), кардинально изменило ситуацию.

При вводе изображений используется много различных подходов. Одним из основных можно назвать “классический” метод, наиболее привычный для человека. К нетрадиционным можно отнести метод “ввода по сечениям”.

Наиболее критично обеспечение необходимого быстродействия и разрешающей способности. Эти параметры тесно взаимосвязаны и напрямую зависят от объема памяти и скорости доступа к ней, а так же от элементарной базы, на которой реализуется устройство. Наиболее приемлемым методом увеличения быстродействия является сжатие данных.

Для его реализации требуются быстрые и качественные (минимум искажения) алгоритмы сжатия. Эта проблема наиболее важна и ей следует уделить наибольшее внимание.

Рассмотрим полупрофессиональное и профессиональное оборудование, используемое для оцифровки видео на телевидении и доступное сегодня на рынке. Наиболее популярно оборудование, предлагаемое фирмами Fast AG Inc, Miro Inc, Targa Video, Silicon Graphics и др.

Немецкая фирма Miro Inc предлагает широкий спектр устройств для оцифровки и обработки видео. Это MiroVideo DC10, DC20, DC30+. Последняя модель наиболее мощная. Она позволяет вводить видеосигнал в телевещательных форматах PAL, SECAM и NTSC.

Разрешающая способность составляет 768x576 точек при глубине цвета 24 бита (по 1 байту на каждый цвет в цветовой раскладке RGB). Используется видеосжатие MJPEG (Motion JPEG), которое поддерживается аппаратно. Коэффициент сжатия изменяется от 1 : 2,7 до 1 : 100. В последней модели снято ограничение на объем видеоданных в 2 Гб. Цена такого устройства в декабре 1999 года составляет 700 $. Более дорогие и мощные устройства (например Targa TX - 2000) при цене в 2500-3000 $ позволяют обрабатывать видео без сжатия. Следует обратить внимание на то, что сегодня аналоговые источники видеосигнала уступают место цифровым (цифровые фотокамеры, видеокамеры формата DV1 и т.д.). Из-за этого можно предположить что в будущем такие устройства будут проектироваться без АЦП. Фирма Miro Inc уже выпустила семейство устройств класса DV, которые обрабатывают только цифровой видеосигнал. Отметим еще раз, что все вышесказанное относится к сфере телевещательного оборудования, где качество изображения наиболее критично.

В других же сферах аналоговый сигнал продолжает широко использоваться (системы видеонаблюдения, управления и т.п.) и тут существует необходимость его преобразования в формат, поддерживаемый компьютером и дальнейшая обработка.

Во всех вышеописанных устройствах используется классический метод ввода изображений. Существует широкий спектр задач, где оптимальнее использовать устройства ввода изображений, реализующие метод “ввода по сечениям“.

В данном курсовом проекте будет спроектирована модель устройства реализующего данный метод.

В ходе работы рассмотрены следующие этапы проектирования :

Поскольку вводимые изображения занимают огромные объемы памяти, а нам необходимо обеспечить большой объем передаваемой информации , то перед нами стоит задача сокращения изображения, поэтому введем в устройство ввода модуль сжатия информации, который является важной частью курсовой работы.

Тема курсовой работы: «Разработка схемы устройства ввода изображений по сечениям».

2. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

Необходимо считать графическое изображение в память ЭВМ.

Весь процесс ввода изображения можно разделить на 3 стадии :

· Ввод аналогового сигнала;

· Его преобразование из аналоговой в цифровую форму;

· Ввод информации ЭВМ.

Разработаем структурную схему устройства, реализующего данный процесс.

Сначала рассмотрим основные принципы построения и функционирования такой схемы.

В последнее время наблюдается тенденция к применению различных способов по освобождению ЭВМ от управления сложными внешними устройствами, которые способны самостоятельно решать поставленные перед ними задачи.

Устройство ввода изображений является внешним по отношению к ЭВМ устройством и может быть построено по двум основным схемам построения:

как устройство подчиненного цикла

как устройство автономного цикла.

Рассмотрим их более подробно. Устройство подчиненного цикла подключается к одному из каналов ввода-вывода и работает как обычное внешнее устройство, подчиняясь машинным командам. Подчиненный цикл позволяет организовать обработку и воспроизведение информации в реальном масштабе времени, это возможно для узкого круга задач и сильно усложняет программное обеспечение. Подчиненный цикл работы требует значительного усложнения синтезирующих устройств и ведет к значительным затратам машинного времени на вывод больших массивов информации, что имеет существенное значение при обработке изображений.

Устройство автономного цикла связывается с ЭВМ только типом промежуточного накопителя информации (буферный блок памяти) и структурой ее записи. В процессе анализа изображений устройство ввода не взаимодействует с ЭВМ, что существенно повышает эффективность использования машинного времени. Промежуточный накопитель позволяет согласовать по скорости работу устройства ввода и ЭВМ любого класса. Последнее является существенным преимуществом устройств автономного цикла перед устройствами подчиненного цикла, т.к. в этом случае достигается снижение требований к быстродействию ЭВМ. В таких устройствах процессы ввода могут сопровождаться программным контролем и обработкой.

Учитывая эту причину будем разрабатывать устройство ввода изображений как устройство автономного цикла.

Для ввода в ЭВМ визуальной информации необходимо устройство, воспринимающее информацию об исследуемом объекте. Другими словами необходимо использование преобразователя оптического сигнала в электронный. Для этого можно использовать TV- преобразователи, сканеры, механические преобразователи и др.

Выдерем наиболее подходящий путем сравнения.

Можно использовать TV-преобразователь. Он имеет ряд достоинств : имеет высокое быстродействие, выпускаются серийно.

Его недостатки : низкая точность, высокая стоимость, малая разрешающая способность. Низкая линейность развертки, слабая помехоустойчивость.

При использовании механических устройств мы сталкиваемся с прямо противоположными проблемами. МУ имеют высокую линейность разверток, большую разрешающую способность, но низкое быстродействие. При их использовании мы неминуемо сталкиваемся с механическими помехами.

Так как проектируемое устройство должно обрабатывать большой объем информации, то выбирать устройство будем по быстродействию.

Так как исходя из задания строка состоит из n=512 элементов, то при t_np = 53.8 мкс, n = 512 имеем t_обр.эл= 53.8 / 512 = 0.1 мкс.

Это достаточно большая скорость для устройств ввода-вывода, поэтому будем использовать для ввода информации стандартную промышленную телевизионную установку (ПТУ). Время экспозиции не превышает времени двух кадров. Частота предъявления изображений меньше 10^-3 Гц. Поле 256 х 512 элементов. Число сечений 16.

Скорость съема информации с воспринимающего устройства и время, затрачиваемое на преобразование сигнала, не позволяет сразу же подавать информацию в память, поэтому вводим блок буферной памяти (ББП), служащий для записи воспринимаемой информации в режимах воспринимающего устройства с последующей переписью в память ЭВМ в такте ЭВМ. Представление информации об изображении в ББП (как и в памяти ЭВМ) можно осуществлять двумя способами. Первый из них это «классический» метод кодирования изображений. В данном случае каждому элементу разложения в зависимости от его яркости ставиться в соответствие двоичный код, число разрядов которого определяется как , где k - число градаций яркости. При числе градаций яркости равном 16-м, каждому элементу разложения нужно поставить в соответствие ячейку памяти разрядностью 4 бита.

Другим методом представления информации об изображении является метод записи в память по «сечениям». Каждому различаемому устройством уровню яркости соответствует свое битовое сечение. В случае 16-х градаций яркости необходимо использовать 16 сечений, и таким образом разрядность ячейки ББП должна быть равна 16-м битам. Следует отметить, что метод ввода изображений по «сечениям» требует большего объема памяти для записи изображения, чем «классический» метод. Но также нужно отметить, что могут существовать такие задачи обработки изображений, в которых более удобно использовать представление информации об изображении в качестве совокупности «сечений», соответствующих градациям яркости.

В соответствии с заданием на курсовую работу будем использовать метод записи изображения по «сечениям».

Структурную схему устройства ввода автономного цикла изобразим на рисунке 1.

Рис. 1. Структурная схема устройства ввода изображений.

Процесс запись информации в ББП при вводе требует наличия управления и согласования действия компонентов схемы. Необходимы сигналы, управляющие процессом преобразования сигнала, записью информации в ББП при вводе и считывании информации. Для их формирование вводим местный блок управления (МБУ).

Сформулируем функции МБУ :

1. Начало работы по сигналу “строчный СИ”.

2. Необходимость обеспечения обработки информации и адресации сигнала записи (позиционирование на необходимом регистре).

3. Формирование сигнала при начале обработки следующего элемента и др.

МБУ должен формировать следующие сигналы :

1. Разрешающие сигналы для всех элементов во время прямого хода луча и запрещающие во время его возврата (обратного хода).

2. Сигналы, управляющие процессами обработки элементов и записи информации в память.

Информация, поступающая с ПТУ в виде аналогового сигнала, не может напрямую передаваться в ББП, так как последний обрабатывает только цифровой код. Следовательно, необходим дополнительный элемент схемы, который выполнял бы процесс преобразования сигнала. Для этой целей введем аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Можно воспользоваться готовым серийным АЦП последовательного приближения, но для него характерно малое быстродействие.

По заданию число градаций яркости равно 16, поэтому АЦП логично реализовать на компараторах.

Схема с АЦП представлена на рис.2 .

Рис. 2. Структурная схема устройства ввода изображений с АЦП.

Приемники типа ТВ относятся к растровым устройствам, в которых при вводе визуальной информации электронный луч сканирует всю матрицу точек мишени (экрана ) строка за строкой, начиная сверху. Сигнал, при прохождении через каждую точку мишени, изменяется по амплитуде в зависимости от интенсивности ее свечения. Одна ячейка блока буферной памяти (ББП) будет соответствовать одной точке мишени.

Каждая строка по горизонтали разбивается на n элементов (точек), а каждый столбец по вертикали на m элементов. В результате мы получаем информацию о nxm элементах поля изображения. Объем ББП должен составлять nxm ячеек. Следовательно, для записи одного кадра требуется ББП емкостью 128Kx1.

Метод ввода изображения по «сечениям» требует большего объема памяти для записи изображения по сравнению с «классическим» методом, поэтому, необходимо и большее время для передачи информации из ББП в память ЭВМ. Для компенсации этого недостатка вводим в структурную схему устройства модуль сжатия информации (МСИ).

Рис. 3. Структурная схема устройства ввода изображений с МСИ.

Параметры устройства:

Время кадра Т_к =20мс, следовательно, на запись одного изображения отводиться время 40мс. Запись ограничена пределами одного кадра.

Время обработки одного изображения Т_обр = 1 / F 15 мин.

Время обработки одного элемента. Длительность строки 50 мкс, время обратного хода 14мкс. Вдоль строки расположено 64 элемента, т.е. время обработки одного элемента:

Частота смены элементов:

Объем памяти, необходимый для представления одного изображения : 128Кx4.

За t_{обр э.факт.} необходимо реализовать три основные функции:

· из полного телевизионного сигнала ( ПТС ) выделить и сформировать видеосигнал;

· преобразовать амплитуду сигнала в цифровой код;

· записать цифровой код в соответствующую ячейку памяти.

При выполнении этих функций требования к частоте повышаются не менее чем в три раза, следовательно, вместо частоты F10 МГц примем частоту F30 МГц.

Этот параметр будет главным при выборе элементной базы.

Следует отметить, что процессы сканирования элементов поля осуществляются синхронно со сменой адресов ячеек памяти.

3. ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

Выбор элементной базы устройства предопределен различными параметрами. Сюда входят быстродействие элементов, разнообразие типономиналов, объем, мощность, надежность и др. Кроме того, рамки курсового проекта не предусматривают создание реального устройства, а ограничены только созданием принципиальной схемы, поэтому решающую роль здесь также играет разнообразие типономиналов серий и доступность справочной литературы по той или иной серии, а не стоимость самих реальных элементов.

Необходимо учесть то, что устройство по скорости должно согласоваться с устройством ввода. Для этого необходимо использовать быстродействующие интегральные схемы. Требуемые параметры для используемых интегральных схем рассчитаны выше. Исходя из того, что F = 10 МГц, определяем необходимую серию.

В свете вышесказанного за базовую была выбрана серия КР531, элементы которой изготовлены по технологии ТТЛШ, обладают повышенным быстродействием и большим коэффициентом разветвления. Серия включает более 100 типономиналов. Практически вся схема построена на элементах этой серии, включая генератор тактовых импульсов. Также используются элементы 530 серии, которая по наиболее важным параметрам идентична серии КР531. Исключение составляют микросхемы памяти, т.к. в серии КР531 нужные нам элементы памяти отсутствуют. В качестве микросхем ЗУ была выбрана серия К541. Будем использовать элементы этой серии в ББП. В стабилизаторах будем использовать 142 серию.

Микромощные серии, такие как К134, не используем. Серии с повышенным быстродействием (К131) исключаем, так как стоимость их повышается. Кроме того, в ИС с большим быстродействием происходят скачки тока, которые могут служить помехами для других схем.

По выше перечисленным параметрам нас удовлетворяют серии К531, ее структурой является ТТЛШ.

В стабилизаторах будем использовать 142 серию.

Ниже приведены типовые параметры.

Параметры	530 и КР531
Время задержки распространения, нс (“1”-“0”, “0”-“1”)	5, 4.5
Максимальная частота fmax, МГц	50
Коэффициент разветвления по выходу	10
Коэффициент объединения по входу	--
Напряжение питания, В	+5
Напряжение Uвых, (“ 1 “), В	2,7
Напряжение Uвых, (“ 0 ”), В	0,5
Удельная потребляемая мощность, мВт	19

4. МЕСТНЫЙ БЛОК УПРАВЛЕНИЯ

МБУ необходим для обеспечения правильной и скоординированной работы всех узлов устройства. На основании входящих сигналов, поступающих в МБУ с других устройств, происходит их анализ и по заданным правилам формируются управляющие выходные сигналы, определяющие дальнейшее формирование устройства. Все блоки устройства непосредственно взаимодействуют с МБУ.

Для более детального проектирования МБУ необходимо предварительно рассмотреть основные параметры ПТУ и поступающего с нее сигнала.

В ПТУ применяется растровый метод разложения сигнала, общепринятый формат которого наиболее часто используется : это черезстрочная развертка (interlaced video) на 625 строк при частоте смены кадров 25 кадр/c.

На выходе телевизионной камеры получаем полный телевизионный сигнал (ПТС), содержащий:

информационный сигнал изображения, действующий во время прямого хода строчной развертки t_ПР = 53,8 мкс;

ССИ и КСИ : t_ССИ = 5,1 мкс; t_КСИ = 192 мкс;

СГИ и КГИ : t_СГИ = 10,2 мкс; t_КГИ = 1500 мкс.

Время прямого хода разобьем на заданную длительность строки (n=512 элементов) разложения. Время анализа одного элемента t_ЭЛ разложения составляет :

t_ЭЛ = t_ПР / 512 0,105 мкс

Каждому элементу разложения вдоль строки ставим в соответствие ячейку памяти ББП. Требуемый объем ББП составляет 512 ячеек. Частота коммутации :

F_КОМ = 1 / t_ЭЛ 10 МГц.

Рассмотрим систему формирования кадра.

По вертикали кадр содержит 625 строк, из них 47 строк генерируются во время КГИ. Так как в заданном разложении n=512, то на элемент разложения вдоль кадра приходится одна строка.

При разложении 256 * 512 на каждый элемент приходится одна строка. Следовательно, дин кадр представляет собой 512 + 47 =559 строк. Неиспользованными будут оставаться 625-559 = 66 строк. Их можно расположить по периферии кадра сверху и снизу или распределить по всему кадру, и с равными интервалами пропускать при ходе луча, формируя соответствующие сигналы. Первый способ приводит к незначительной обрезке кадра, а второй приводит к неоправданному усложнению аппаратной части, поэтому пренебрегая обрезкой выбираем первый способ.

За начало отсчета кадра примем момент совпадения выделенных из ПТС КСИ и ССИ. Учитывая все вышесказанное и тот факт, что существуют совпадающие с действием КГИ строки, за начало отсчета выберем начало 33 строки от момента совпадения КСИ и ССИ.

Так как при разбиении кадра на 512 строк оказываются задействованными как четные, так и нечетные полуполя, то возникает необходимость разбить ББП на 2 части. Получаем две секции по m x n ячеек разрядностью k. Число k определяется числом градаций яркости и определяется

Разделение ББП приводит к тому, что для правильной записи информации необходимо различать четный и нечетный полукадры и предусмотреть формирование сигнала для управления коммутацией секций.

Для согласования и координации обращений телевизионной камеры и устройства ввода к ББП для записи и чтения, необходимо добавить в функции МБУ формирование сигнала, блокирующего работу устройства ввода во время обратного хода строчной и кадровой разверток, а во время блокировки разрешающего работу ББП под управлением ЭВМ.

Далее рассматриваются некоторые основные узлы МБУ.

Разработаем селектор импульсов.

Селектор импульсов предназначен для выделения ССИ, КСИ, формирования сигнала начала отсчета и сигнала “четный-нечетный полукадр”.

ПТС с выхода усилителя телекамеры поступает на вход усилителя с последующей селекцией сигнала с помощью порогового элемента, порог срабатывания которого равен уровню черного. Синхроимпульсы находятся между уровнями “черного” и “чернее черного”. По амплитуде они превышают порог срабатывания селектора. Путем интегрирования в блоке 2 и дифференцирования в блоке 3 с последующей селекцией и формированием по амплитуде до уровня логической единицы в блоках 2 и 3 генерируют КСИ и ССИ.

КСИ устанавливает триггер 4 в состояние “1”. Сигнал с его выхода открывает вентиль 5 по одному входу. На другой вход вентиля 5 поступают ССИ. Первый ССИ на выходе элемента 5 соответствует моменту отсчета. Последовательность ССИ подается на вход счетчика-делителя с коэффициентом деления К_дел=33_, численно равным числу строк до первой строки обрабатываемого кадра. Сигнал с выхода счетчика используется как точка отсчета (НК) рабочего кадра. Этот сигнал сбрасывает триггер 4, прерывает счет числа строк. Сигнал НК устанавливает триггер 6 в состояние “1”. Сигнал с его прямого выхода открывает вентиль 7 по одному входу. На другой его вход подается ССИ. Этот сигнал сбрасывает триггер 6 и устанавливает в “1” триггер 8. Сигнал с прямого выхода этого триггера открывает вентиль 9 по одному входу. На другой вход вентиля поступает ССИ. Первый из которых соответствует моменту начала отсчета элементов строк. Общее число ССИ равно количеству строк.

Последовательность ССИ подаем на вход счетчика-делителя с коэффициентом деления К_дел=512, который численно равен числу элементов в строке. Сигнал с выхода счетчика (ИУ) используется как точка отсчета рабочей строки. Этот сигнал сбрасывает триггер 8, прерывает счет числа элементов строки. Количество ИУ равно количеству элементов строки.

Сформируем узел, формирующий импульс запуска.

Мы получили сигнал начала кадра. Теперь необходимо реализовать начальный запуск устройства. Сигнал запуска является асинхронным и, как правило, не калиброван по амплитуде и длительности. Узел, реализующий формирование калиброванного импульса запуска представлен на рис.

Так как устройство необходимо включать в определенный момент, то сигнал запуска формируется при нажатии кнопки “Пуск”. При этом формируется перепад с помощью триггера Шмитта 1. На входе этого триггера помещен фильтр низких частот, состоящий из R2 и C. Блок 2 формирует импульс для запуска триггера 3. Длительность этого импульса меньше времени задержки блока 5. Триггер открывает вентиль 4 по одному входу. Импульс НК, подаваемый на другой его вход, проходя через вентиль 4, подается на вход триггера 3, сбрасывая его в положение нуля. На выходе схемы формируется импульс запуска (сигнал разрешения работы). После этого изображение обрабатывается нужное количество раз и триггер устанавливается в “0”. Сигнал разрешения работы больше не подается. Необходимо, чтобы

t_нк > t_зд.

Рассмотрим вариант формирования сигнала блокировки.

На время обратного хода строчной и кадровой разверток необходимо блокировать работу устройства ввода со стороны телекамеры. Однако должен быть возможен доступ со стороны ЭВМ. При работе устройства ввода ББП блокируется со стороны ЭВМ. Для этого необходимо сформировать импульс управления (ИУ).

Каждый триггер опрокидывает RS триггер, подает сигнал на ГТИ, с выхода которого снимаем импульсную последовательность. Она в свою очередь подается на делитель с К_дел=512, так как n=512. Сигнал с выхода делителя подается на RS и блокирует работу ГТИ.

Подача сигнала на телекамеру осуществляется посредством делителя на 10, т.к.F_гти = 10МГц, а для ТК F = 1 МГц.

Полная функциональная схема местного блока управления (МБУ) представлена в Приложении 1.

5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОДУЛЯ СЖАТИЯ

Синтез модуля сжатия.

При разработке устройства ввода изображений в ЭВМ по сечениям обрабатываются большие объемы информации, что приводит к возникновению необходимости использовать большие массивы памяти и снижению быстродействия. Для решения данных проблем предусмотрен модуль сжатия информации (МСИ).

Среди различных методов сжатия (метод наложения, метод чередующихся сечений и др.) заданием предписывается выбрать метод чередующихся сечений. Число градаций яркости равно 16. Рассмотрим алгоритм метода.

После сканирования изображения имеем цифровой сигнал, в котором каждая точка описывается 4 битами. Будем рассматривать последовательно каждую точку строки, сравнивая ее код с кодом соседней точки. Слово управления вверх связано с увеличением градаций яркости, а слово управления вниз соответственно с их уменьшением.

1. Если текущее сечение является четным, то в рабочее слово заносится “0”, если нечетным - “1”.

2. В стек записывается значение изменения номера градации яркости точки по сравнению с предыдущей. Изменение может быть как положительным (в случае увеличения яркости), так и отрицательным (в случае ее уменьшения). Запись в стек производится только с том случае, если величина изменения больше 1.

3. Если яркость текущей точки увеличивается по сравнению с предыдущей

точкой на единицу, то в слово управления вниз заносится “0”, а в слово

управления вверх - “1”.

4. Если яркость текущей точки уменьшается по сравнению с предыдущей точкой на единицу, то в слово управления вниз заносится “1”, а в слово управления вверх - “0”.

5. В случае, если градации яркости двух сравниваемых точек оказываются одинаковыми, то в оба слова управления записываются “0”.

6. Если изменение градации яркости превышает единицу, то в оба управляющих слова заносятся “1”. В стек заносится величина изменения.

Структурная схема МСИ представлена на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Структурная схема МСИ.

В регистр RG1 заносится код градации яркости предыдущей точки, который находится в регистре RG2. На его место в RG2 заносится значение градации яркости текущей точки, которое поступает из АЦП. Затем оба эти кода подаются из RG1 и RG2 на схему сравнения СС. На выходах схемы сравнения возможны следующие сигналы :

1. На выходе 1 появляется сигнал “0” в случае, если градации яркости равны или текущая меньше предыдущей на единицу младшего разряда. В остальных случаях на выходе появляется “1”.

2. На выходе 2 появляется сигнал “0” в случае, если градации яркости равны или текущая больше предыдущей на единицу младшего разряда. В остальных случаях на выходе появляется “1”.

3. На выход 3 поступает сигнал разрешения записи в стек величины изменения градации яркости текущей точки по сравнению с предыдущей.

После вычитания из градации яркости текущей точки градации яркости предыдущей получаем четырехразрядный код. На основании его анализа нам необходимо сформировать выходные сигналы МСИ.

Выход 1 - Слово управления “вверх”.

Выход 2 - Слово управления “вниз”.

Рассмотрим выход 1 :

X1	X2	X3	X4	F1	Примечание
0	0	0	0	0	Значения градаций яркости равны.
0	0	0	1	1	Яркость текущего сечения возросла на 1.
0	0	1	0	1	Яркость текущего сечения возросла на k > 1
0	0	1	1	1	…….
……..	…….
1	1	0	1	1	…….
1	1	1	0	1	…….
1	1	1	1	0	Яркость текущего сечения убавилась на 1.

Примечание : при вычитании в АЛУ отрицательный результат выдается в дополнительном коде.

На основании таблицы запишем переключательную функцию F1 и минимизируем ее :

__ __ __ __ __ __

F1 = (0,15) = (X1+X2+X3+X4) (X1+X2+X3+X4) = X1X2+X1X2+X3+X4

Рассмотрение второго выхода дает нам аналогичную таблицу :

X1	X2	X3	X4	F2	Примечание
0	0	0	0	0	Значения градаций яркости равны.
0	0	0	1	0	Яркость текущего сечения возросла на 1.
0	0	1	0	1	Яркость текущего сечения возросла на d > 1
0	0	1	1	1	…….
……..	……..
1	1	0	1	1	…….
1	1	1	0	1	…….
1	1	1	1	1	Яркость текущего сечения убавилась на 1.

Запишем переключательную функцию F2 :

F2 = V (0,1) = (X1+X2+X3+X4) (X1+X2+X3+X4) = X2 + X3 + X4

Рассмотрим формирование рабочего слова. В него заносим “0”, если текущее сечение четное или “1”, если оно нечетное. Проше всего проверить четность двоичного числа проанализировав его младший разряд. Если он равен “1”, то число нечетное, в противном случае - четное.

Запишем переключательную функцию для F3 (формирование рабочего слова) :

F3 = A0.

Минимизация данной функции невозможна.

Разработка функциональной схемы модуля сжатия.

Сигнал, поступающий на МСИ, является четырехразрядным и содержит код градации яркости текущей обрабатываемой точки. Он формируется из сигнала с ПТУ в АЦП, который реализован с помощью 16 компараторов. А так как на выходе компараторов мы получаем код Джонсона, то в АЦП добавлен преобразователь кода Джонсона.

Градации яркости точки закодированы следующим образом :

0000 - первая градация (уровень черного),

0001 - вторая градация,

…………………………….

1111 - последняя градация (уровень максимальной яркости).

В МСИ необходимо производить сравнение кодов текущей и предыдущей точки. Для этого необходимо хранить коды двух точек. Для этого введем в схему два четырехразрядных буферных регистра данных RG1 и RG2. В первом такте код градации яркости поступает в первый регистр, во втором такте он перемещается в другой регистр в качестве кода градации яркости предыдущей точки.

Нам необходимо определить разность между кодами и в зависимости от результата сформировать очередные биты слов управления “вверх” и “вниз”. Для определения разности необходимо использовать арифметико-логическое устройство (АЛУ). Введем его в схему.

На АЛУ будем подавать коды градаций яркости

A3 A2 A1 A0 - новое значение градации яркости из RG1

B3 B2 B1 B0 - предыдущее значение градации из RG2

и код операции (КОП) на вычитание

Z2 Z1 Z0 - КОП вычитания.

На выходах АЛУ получим

X4 X3 X2 X1 - результат операции в прямом или дополнительном коде в зависимости от знака результата.

Определив разность мы должны проанализировать ее на предмет равенства или неравенства нулю и единице, а в случае равенства единице необходимо определить знак разности. Результат поступает на выходы МСИ.

Данные действия реализуются с помощью синтезированных ранее переключательных функций :

F1 = X1X2+X1X2+X3+X4

F2 = X2 + X3 + X4

Для формирования рабочего слова необходимо проанализировать младший разряд хранящегося в RG1 слова A0.

Переключательная функция имеет вид :

F3 = A0.

Выходы с этой схемы представляют собой источники сигналов для формирования слов управления “вверх” и “вниз”.

Примечания :

1. При реализации функции F1 удобно использовать элемент “исключающее ИЛИ”

(F = X1X2+X1X2 )

2. При реализации функции F3 полученный сигнал будет опережать результаты на выходе АЛУ. Для погашения разницы применим на сигнале F3 элемент задержки.

Разработка принципиальной схемы модуля сжатия.

После разработки функциональной схемы детализируем модель на принципиальной схеме. Будем использовать следующие элементы :

№	Тип	Количество	Марка
1	Регистр	2	К1804ИР1
2	АЛУ	1	КР531ИК2
3	Исключающее ИЛИ	1	КР531ЛП5
4	Дизъюнктор	1	530ЛЛ1

Кратко рассмотрим принцип действия :

1. Разряды двоичного код градаций яркости K₀K₁K₂K₃ поступает на вход схемы.

2. По тактовому сигналу начинается процесс записи входящих данных в первый регистр К1804ИР1, а его содержимое переносится в другой такой же регистр К1804ИР1.

3. Запись в регистры управляется тактовым импульсом, поступающим на ножку 9 регистров.

4. Регистры имеют прямые выходы, поэтому подача управляющего сигнала при чтении не требуется.

5. При подаче управляющего сигнала (тактового импульса) на ножку 19 АЛУ происходит математическая операция вычитания, код которой (010) поступает на входы S0-S2 (ножки 5-7). После этого происходит двухступенчатый анализ результата в схеме сравнения.

6. Схема сравнения состоит из 1 элемента “Исключающее ИЛИ” (KP531ЛП5) и элемента Дизъюнктора (530ЛЛ1).

Так как значение одной из передаточных функций берется напрямую с выхода регистра и минует схему сравнения, то появляется задержка других двух сигналов по сравнению с первым. Но как показывают расчеты, ее длительность не превышает 15 % от длительности такта, что не отражается на работоспособности устройства.

На выходе модуля сжатия формируются сигналы для трех описанных выше переключательных функций.

Таким образом МСИ формирует рабочее слово, слово управления вверх и слово управления вниз.

6. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ

Под расчетом надежности понимают определение основных количественных показателей надежности изделия.

Расчет проводят по известным статическим данным надежности отдельных элементов, полученных в лабораторных условиях или в условиях подконтрольной эксплуатации изделий. Если условия отличаются от лабораторных, то чем лучше будут в дальнейшем учтены условия реальной эксплуатации, тем будет выше точность расчета показателей надежности.

Схемотехнической особенностью узлов ЭВМ является наличие в них определенных путей прохождения электрических сигналов. Выход из строя любого элемента схемы, как правило, вызывает отказ всего изделия. Поэтому для расчета надежности электрическую схему с точки зрения оценки надежности представляют в виде последовательной цепочки всех элементов, входящих в схему.

При последовательном соединении элементов схемы по критерию оценки надежности интенсивность отказов (t) всего изделия равна сумме интенсивностей отказов ее элементов _i(t). Следовательно, надежность системы будет ниже надежности любого ее элемента.

В практических целях наиболее часто оценивают надежность для периода нормальной эксплуатации изделия в интервале [T_n, T_u]. На этом интервале можно считать (t) = const, ((t) =). Обычно принимают, что отказы в разных элементах являются независимыми, в этом случае

или ,

где N_i - число однотипных элементов, для которых равны; n - число групп элементов.

Вероятность безотказной работы оценивают как

Наработка на отказ T

.

В зависимости от полноты учета факторов, влияющих на работу и, как следствие, на оценку параметров надежностей, различают предварительный и окончательный расчет надежности.

Выполним предварительный расчет надежности. При предварительном расчете надежности изделий учитывают только количество и типы применяемых элементов.

При этом применяются следующие допущения:

Величины интенсивностей отказов _i для элементов одного типов одинаковы.

Все элементы работают в номинальном режиме.

Интенсивность отказов всех элементов постоянна во времени, то есть износ и старение элементов не учитываются.

Отказы элементов изделий являются независимыми случайными событиями.

Расчет надежности проведем в следующем порядке:

А) все элементы разбиваются на группы по типам. Для каждой группы определяют количество элементов N_i;

Б) по справочным данным [2] определяют _i для каждой группы элементов. Выберем для расчета среднее значение _i характеристик надежности;

В) подсчитывают значение парных произведений

N_i *_i;

Г) далее определяют суммарную интенсивность отказов

;

Д) определяют вероятность безотказной работы в заданном интервале и наработку на отказ

, ;

Е) задаваясь различными значениями t = 10, 100, 1000, …, в полулогарифмическом масштабе строят график зависимости P(t);

Расчеты представлены в таблице :

Группы элементов	Ni	I	Ni*i
ИС	29	0,02	0,58	12,31
Резистор	18	0,1	1,8
Конденсатор	2	0,04	0,08
Кнопка	1	0,16	0,16
Кварц	1	0,75	0,75
Печатная плата	1	0,1	0,1
Паяные соединения	442	0,02	8,84

График зависимости P(t) представлен на рис 6.1

Наработка на отказ составляет

7. ВЫБОР БЛОКА ПИТАНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕГО ПАРАМЕТРОВ

Для питания устройств, собранных на цифровых интегральных схемах, в основном используются два вида источников: химические источники (гальванические элементы и аккумуляторы) и вторичные источники питания, преобразующие сетевое напряжение 220 В. Выбор какого-либо из указанных источников в каждом случае индивидуален и зависит от множества параметров: мощность, вариант исполнения (стационарное или переносное).

В нашем случае устройство предполагается эксплуатировать в стационарных условиях совместно с ЭВМ, поэтому желательно использовать источник питания подключаемый к сети через трансформатор.

Проект устройства строится исходя из доступности и «дешевизны» элементной базы, поэтому блок питания лучше использовать построенный по первичной схеме. Так как выходной ток невелик то габаритные размеры трансформатора будут небольшими.

Питание необходимо стабилизировать. Предполагаемый ток не превысит 2 А. Блок питания для МСИ необходимо разработать с запасом по мощности. Для стабилизации будем использовать стабилизатор напряжения K142ЕН5, [1]. На вход стабилизатора необходимо подавать напряжение 6-15 В, что соответствует заданному предельному напряжению 8-10 В. Стабилизатор обеспечивает на выходе напряжение +5 В и ток нагрузки 3А.

Рис. 6.1. Схема подключения блока питания.

Необходимо также предусмотреть меры для борьбы с высоко- и низкочастотными помехами в цепях питания. Для борьбы с низкочастотными помехами предусмотрены электролитические конденсаторы емкостью 1 мкФ и 3 мкФ, которые подключены к разъемам питания. С1 ставят, если стабилизатор удален от фильтра источника питания более чем на 100 мм.

8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результатом данной курсовой работы является спроектированное устройство ввода изображений в ЭВМ методом “по сечениям”, а также детально разработанный блок сжатия информации по методу чередующихся сечений с управляющим словом вверх. В ходе выполнения были проработаны следующие этапы создания схемотехнических устройств:

Выбор и обоснование структурной схемы;

Разработка принципиальной схемы и выбор элементной базы;

Проектирование модели модуля сжатия и функциональных схем отдельных узлов;

Расчет надежности устройства и выбор блока питания.

В ходе работы были также освоены методы синтеза схем на логических элементах, приобретены навыки графического изображения структурных, функциональных и принципиальных схем.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Схемотехническое проектирование ЭВМ: Учеб. пособие /А. Ф. Барашев, В. И. Быков; Владим. политехн. ин-т. Владимир, 1990. 96 с.

Схемотехника ЭВМ: Учеб. пособие /А. Ф. Барашев, В. И. Быков; А.В. Костров. Владим. политехн. ин-т. Владимир, 1992. 128 с.

С. В. Якубовский. и др. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы : Справочник. - М.: Радио и Связь, 1989. - 495 с.: ил.

Булычев А.Л. и др. Аналоговые интегральные схемы: Справочник. - Мн.: Беларусь, 1994. - 382 с.: черт.

Булычев А.Л. и др. Полупроводниковые диоды, транзисторы и интегральные схемы : Справочник. - М.: Энергия, 1987. - 744 с.: черт.