Управляющее микроЭВМ и микроконтроллеры

Структура цифровых систем управления. Интегральная схема (микросхема) — это микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигналов и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов) и (или) кристаллов, которые рассматривают как единое целое.

Цифровая интегральная микросхема (цифровая микросхема) — интегральная схема, предназначенная для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции.

Большая интегральная схема — интегральная схема, которая применяется при построении наиболее сложных средств обработки информации.

Микропроцессор — программно-управдяемое устройство, непосредственно осуществляющее процесс обработки цифровой информации и управление им, построенное на одной или нескольких БИС.

Регистр — функциональный узел, предназначенный для приема, хранения и выдачи коротких последовательностей двоичных знаков, объединенных общим признаком (например, кодом команды и др.).

Память — функциональная часть ЭВМ, предназначенная для запоминания и (или) выдачи данных.

Запоминающее устройство — изделие, реализующее память.

Оперативное запоминающее устройство — ЗУ с изменяемым в процессе выполнения программы содержимым памяти.

Постоянное запоминающее устройство — ЗУ с неизменным содержимым памяти.

Интерфейс — средство стандартного сопряжения (соединения) устройств, отличающееся унификацией способов и средств физического соединения и процедур установления связи, обмена и завершения передачи информации.

Архитектура — совокупность общих принципов построения и характеристик технических и программных средств обработки данных, определяющих функциональные и эксплуатационные параметры изделия и существенных для организации его эффективного применения.

Структура — упорядоченное множество объектов и отношений между ними.

Вычислительная система (ВС) — совокупность нескольких ЭВМ с обобщенными или индивидуальными периферийными устройствами, взаимно координирующих свою работу при решении одной или различных задач и воспринимаемых каждым из пользователей как функциональное единое целое.

Мини-ЭВМ — малая вычислительная машина, имеющая широкое применение благодаря небольшим габаритным размерам, низкой стоимости, относительно высокой производительности.

МикроЭВМ — ЭВМ, состоящая из микропроцессора, полупроводниковой памяти, средств связи с периферийными устройствами и при необходимости пульта управления и источника питания, объединенных общей несущей конструкцией.

Управляющая микроЭВМ — микроЭВМ, которая использует данные (информацию) о процессе и вырабатывает выходные сигналы, управляющие работой объектов, участвующих в этом процессе.

Виртуальная ЭВМ — функциональный эквивалент вычислительной машины, внешних устройств и программного обеспечения, эмулируемый на конкретной ВС.

Эмуляция — имитация функционирования одной системы средствами другой системы без потери функциональных возможностей или искажения получаемых результатов.

Программа — алгоритм преобразования данных в форме последовательности команд ЭВМ.

Команда — указание, определяющее один шаг в общем процессе выполнения программы.

Данные — и if формация, представленная в формализованном виде и предназначенная для обработки ее техническими средствами (например, ЭВМ) или уже обработанная ими.

Файл — набор логически связанных данных.

Рассмотрим структуру цифровых систем управления.

При создании систем автоматического управления с микроЭВМ принципиально возможны два направления.

Первое направление связано с использованием центральных управляющих микроЭВМ. Подобные системы можно применять для управления сложными объектами или группами объектов при комплексной автоматизации в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства (металлургической, химической, тепличном овощеводстве, птицеводстве и др.).

Общая структурная схема автоматической системы с микроЭВМ представлена на рис. 12.9. Система содержит ряд входных Вх. П1, Вх. П2, …, Вх. ПА: и выходных Вых. П1, Вых. П2, …, Вых. ПЛ; преобразователей, обменивающихся сигналами управления с микроЭВМ по шине управления в процессе преобразования данных. С выходных преобразователей сигналы поступают к исполнительным устройствам ИУ1, ИУ2, НУ к, воздействующим на объект (или объекты) управления (ОУ).

Рассматриваемая система может быть связанной многомерной, если имеет место управление сложным многомерным объектом, и несвязанной многомерной, если осуществляется управление группой несвязанных одномерных объектов. В последнем случае система управления с микроЭВМ распадается на совокупность одномерных систем; ее виртуальная структура представлена на рис. 12.10 в виде совокупности одноконтурных систем, каждая из которых имеет свою программу управления ПУ1, ПУ2, …, ПУк.

При управлении сложным объектом или группой объектов процессор обслуживает каналы управления или по жесткой программе, или по мере поступления заявок от отдельных каналов (причем возможно приоритетное обслуживание тех или иных заявок).

Второе направление развития систем управления — использование автономных микроЭВМ в каждом контуре управления.

Рис. 12.9. Схема системы с центральной управляющей микроЭВМ.

Рис. 12.10. Виртуальная структура системы управления с центральной.

микроЭВМ Структурная схема системы управления с автономными микроЭВМ, или микроконтроллерами МК1, МК2, МК&, показана на рис. 12.11.

Рис. 12.12. Схема многопроцессорной системы управления.

Рис. 12.11. Схема системы управления с автономными микроЭВМ.

От управляемых К управляемым объектов объектам Микроконтроллеры — это упрощенные микроЭВМ, размещаемые в непосредственной близости от управляемого объекта. В микроконтроллсрных системах центральная ЭВМ либо отсутствует, либо выполняет функции диспетчера или супервизора.

Выбор одного из двух направлений построения систем управления с микроЭВМ связан, в частности, с вопросами надежности и стоимости.

Для увеличения надежности, производительности и гибкости САУ применяют многомикропроцессорные системы и системы на базе нескольких микроЭВМ — многомашинные. В первом случае большое число микропроцессоров работает на одну общую шину (рис. 12.12). Возможные варианты топологии многомашинных систем приведены на рис. 12.13.

Многомашинные системы характеризуются высокой надежностью. Например, в случае выхода из строя любой микроЭВМ в системе с сетевой топологией (см. рис. 12.13, в) сохраняются два канала связи со всеми другими микроЭВМ.

Рис. 12.13. Возможные варианты топологии цифровых систем управления: а — иерархическая; б — шинная; в — сетевая; г — кольцевая; д — матричная; е — последовательная; О — микроЭВМ;? — объекты управления.

Рис. 12.14. Структурная схема одноконтурной системы управления с мик-.

роЭВМ Типовая одноконтурная система управления с микроЭВМ (рис. 12.14) содержит АЦП, ЦЛП, микроЭВМ и непрерывную часть, включающую в себя ОУ и подключенные к нему элементы (исполнительный и воспринимающий). Кодироваться в АЦП могут входное задающее воздействие g (t), управляемая величина у (/), а также другая поступающая извне информация.

В результате такого кодирования на вход микроЭВМ в дискретные моменты времени поступают цифровые представления этих величин go ^и Уо• Цифровой сигнал управляющего воздействия х₀ в соответствующее аналоговое представление * преобразуется ЦАП.

МикроЭВМ и микроконтроллеры в системах управления технологическими процессами. Внедрение микроЭВМ в системы управления ТП наряду с упрощением замены элементной базы и определенным расширением функций управляющей аппаратуры открывает принципиально новые возможности в построении децентрализованных, или распределенных, комплексов. Децентрализация в этом случае предполагает рассредоточение аппаратуры и распределение функций обработки информации и управления между автономными микроЭВМ. Подобные системы могут также включать в свой состав и центральную ЭВМ, выполняющую функции оптимизации, учета, планирования и координации работ.

Примером реализации централизованного контроля и управления служит комплекс А360−34 с базовым модулем АЗЗО-25, выполненный на микроЭВМ «Электроника С5−02». Наряду со сбором, измерением, обработкой информации и регистрацией управляемых процессов этот комплекс обеспечивает также формирование оптимальных воздействий, поступающих на объект управления.

Схема базового микропроцессорного модуля АЗЗО-25 представлена на рис. 12.15. В состав этого устройства входят: блоки коммутации бинарных сигналов и сигналов аналоговых датчиков, имеющие по 40 входов; АЦП; входной и выходной модули связи; перепрограммируемая память; периферийное и регистрирующее оборудование, обеспечивающее ввод данных и программ, а также вывод информации на видсоконтрольнос и алфавитно-цифровое печатающие устройства.

Рис. 12.15. Схема базового микропроцессорного модуля АЗЗО-25.

Одной из важнейших функций многоконтурных систем управления является сбор информации от многих десятков и сотен датчиков.

Для эффективного решения задачи дистанционного сбора информации используют так называемые вынесенные измерительные станции, которые могут обрабатывать аналоговые сигналы датчиков и передавать выходные цифровые сигналы (по недорогой линии в виде скрученной пары проводов) в центральный процессорный блок.

Вынесенные измерительные станции включают в себя собственный микропроцессор, мультиплексор и АЦП, что позволяет обходиться без сложных и дорогих кабельных линий, а также схем обработки сигналов, необходимых для их передачи в центральный блок обработки данных.

Вынесенные микропроцессоры позволяют также разгрузить центральный процессорный блок от многих дополнительных задач, связанных с реализацией локальных функций управления в одноконтурных системах.

Регуляторы одноконтурных систем могут реализовываться с использованием различных принципов их построения. Наибольшее распространение получили регулирующие микроконтроллеры — ремиконты, служащие центральным звеном локальной системы управления. Входные цепи ремиконта рассчитаны на подключение аналоговых и дискретных датчиков, а выходные — формируют аналоговые и дискретные сигналы для управления исполнительными устройствами.

Аналоговая и дискретная информация, поступающая в ремиконт, преобразуется в цифровую форму и обрабатывается в микроЭВМ, после чего возможен процесс обратного преобразования. Ремиконт программируется с помощью специализированной клавишной панели.

Устройства аналогового ввода-вывода информации микроЭВМ и пульт оператора являются основой аппаратного обеспечения ремиконта (рис. 12.16). Устройства аналогового ввода-вывода содержат узлы гальванического разделения сигналов, узел мультиплексирования аналоговых входных сигналов и группу преобразователей: АЦП, ЦАП, дискретно-цифровой (ДЦП) и цифродискретный (ЦДП).

Узлы гальванического разделения обеспечивают подавление помех общего вида, а также работу с источниками информации, находящимися под различными потенциалами. На выходе рсмиконта не используется мультиплексирование, т. е. число ЦАП равно числу выходных цепей контроллера. Такая особенность построения ремиконта связана с необходимостью запоминания значе;

Рис. 12.16. Схема ремиконта ния каждого управляющего сигнала после прекращения вычислительного процесса.

Поскольку в системе управления число выходных сигналов ремиконта невелико, затраты на ЦАП и АЦП оказываются сравнительно небольшими.

Благодаря перечисленным узлам ввода-вывода аналоговой и дискретной информации можно сопрягать ремиконт с аналоговыми и дискретными датчиками, с исполнительными механизмами пропорционального, позиционного, интегрирующего и другого действия, а также с теми или иными устройствами дискретного и логического управления.