Применение микропроцессоров в устройствах электроснабжения железных дорог

Федеральное агентство железнодорожного транспорта Уральский государственный университет путей сообщения Кафедра Электроснабжение железнодорожного транспорта КУРСОВАЯ РАБОТА По дисциплине: Автоматизация устройств электроснабжения На тему: Применение микропроцессоров в устройствах электроснабжения железных дорог Вариант 87

Екатеринбург 2013

Реферат Данная курсовая работа содержит: страниц 20, рисунков 7, таблиц 3, использованная литература 4 источника.

МИКРОПРОЦЕССОР, МИКРОСХЕМА, ДАТЧИК, ПОРТЫ ВВОДА-ВЫВОДА, ЯЧЕЙКА ПАМЯТИ, УПРАВЛЯЮЩЕЕ СЛОВО, ПРОГРАММА, ПОДПРОГРАММА, АЛГОРИТМ, ЛОГИКА, РЕЖИМ РАБОТЫ, ВРЕМЯ ОПРОСА, МНЕМОКОД, БАЗОВАЯ СХЕМА, АДРЕС.

В данной курсовой работе разработана структурная схема устройства включения резервного выпрямительного агрегата при перегрузе основного с выдержкой времени Т =0,4 с и отключение при снятии перегруза с выдержкой времени Т=0,4 с, составлены алгоритм и программа работы микропроцессора. Определены режимы работы портов. Описана работа базовых схем серии КМОП.

Введение

Задание на курсовую работу

1. Структурная схема микропроцессора КР580ВМ80. Технические характеристики УМК

2. Структурная схема УМК и ТЭЗ. Шины данных, адреса управляющих сигналов

3. Распределение адресов памяти и УВВ

4. Настройка портов ввода-вывода микросхемы КР580ВВ55

5. Схема устройства

6. Электрическая схема ТЭЗ с датчиками и исполнительными цепями

7. Программа микропроцессора КР580ВМ80

8. Схема типового элемента ТТЛ

Заключение

Список используемых источников

Введение

Система электроснабжения электрифицированных железных дорог должна надежно и бесперебойно снабжать электроэнергией устройства электрической тяги. Аппаратурой автоматики и телемеханики оборудуют тяговые подстанции, посты секционирования, пункты параллельного соединения и основные разъединители контактной сети. Комплексное внедрение автоматики и телемеханики позволило значительно повысить оперативность управления устройствами электроснабжения, сократить штат эксплуатационного персонала, облегчить условия труда. Аппаратура автоматики и телемеханики обеспечивает непрерывный контроль и поддержание заданного режима работы основного оборудования системы электроснабжения и тем самым позволяет повысить надежность его работы.

Последние поколения средств автоматики, телемеханики и релейной защиты основаны на микроэлектронике с использованием интегральных микросхем и вычислительной техники. Последнее поколение средств автоматики, телемеханики и релейной защиты основаны на микросхемах и вычислительной технике. Микропроцессорные устройства выполняют самые разнообразные функции. Не смотря на это, их схемы и конструкция имеют много общего.

Задание на курсовую работу Вариант 87

Разработать на базе учебного микропроцессорного комплекта (УМК), выполненного на микросхемах серии КР580, устройство включения резервного выпрямительного агрегата при перегрузе основного с выдержкой времени Т=0,4 с и отключение при снятии перегруза с выдержкой времени Т=0,4 с.

1. Структурная схема микропроцессора КР580ВМ80. Технические характеристики УМК Структурная схема микропроцессора КР580ВМ80 представлена на рис 1.

Рис 1. Структурная схема микропроцессора КР580ВМ80

Микропроцессор является 8-разрядным — у него 8-разрядная внутренняя шина, 8 разрядное арифметико-логическое устройство.

ALU — арифметико-логическое устройство. Выполняет арифметические и логические операции.

А — аккумулятор. Регистр для временного хранения исходных операундов и результатов.

B, C, D, E, H, L — 8 разрядные регистры общего назначения. Совмещают функцию хранения данных с функцией адресации данных. Данные регистры могут образовывать 16-разрядные регистровые пары: BC, DE, HL.

MX — мультиплексор. Имеет несколько входов и один выход, при этом к выходу подключается один из входов.

F — 8-разрядный регистр признаков (или регистр флагов). Содержит признаки результата операции.

PSW (program status word) — 16-разрядный регистр слова состояния программы. Его образуют регистр признаков совместно с аккумулятором.

PC (program counter) — 16-разрядный регистр счетчика команд. Содержит адрес следующей, подлежащей выполнению команды.

SP (stack pointer) — 16-разрядный регистр указателя стека. Содержит адрес последней заполненной ячейки стековой памяти (стека).

Шина адреса (ША) — 16-разрядная. Соответственно общее адресное пространство составляет 64К, адреса от 0000h до FFFFh. ША однонаправленная, процессор задает адрес объекта, с которым происходит обмен информацией.

УУ — устройство управления. Управляет внутренними блоками процессора в соответствии с принятой командой и внешними входными сигналами управления, а также формирует сигналы управления внешними объектами.

SW (status word) — 8 разрядное слово состояния, формируемое УУ. Сигналы SW кодируют тип машинного цикла, определяют происходит ввод или вывод данных, происходит обращение к памяти или к устройствам ввода-вывода.

Шина данных (ШД) 8-разрядная, двунаправленная. На ШД выставляются данные и слово состояния.

Технические характеристики УМК:

1. Тип применяемого микропроцессора КР580ВМ80.

Объем оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 1 Кбайт.

3. Объем постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) — 2 Кбайт (1 КБайт — система команд «Монитор», 1 КБайт — за пользователем).

4. Уровни входных и выходных сигналов совместимы с уровнями ТТЛ;

5. Напряжение питания — 220±10% В, частота — 50±1 Гц.

6. Частота УМК — 2 МГц.

2. Структурная схема УМК и ТЭЗ. Шины данных, адреса управляющих сигналов На рис. 2 представлена структурная схема УМК.

Рис 2. Структурная схема учебного микропроцессорного комплекта В корпусе УМК находятся:

операционное устройство (ОУ),

постоянная память (ПЗУ),

оперативная память (ОЗУ).

Через разъем в верхней части УМК подключается внешнее устройство ввода-вывода — типовой элемент замены (ТЭЗ). Все внешние датчики и исполнительные цепи подключаются к ТЭЗу.

ША 16-разрядная, однонаправленная. Адрес задает ОУ. ШД 8-разрядная, двунаправленная. Информация по ШД передается от ОУ к памяти или устройствам ввода-вывода (УВВ) или в противоположном направлении — из памяти или УВВ в операционное устройство. В шине управления (ШУ) используются четыре линии: MR, MW, IOR, IOW. Сигналы управления задает ОУ. Распределение адресов памяти и УВВ рассмотрено в разделе 3.

ТЭЗ подключается к УМК через трехразрядный разъем Х1. В ТЭЗ заводятся следующие цепи:

ША — используются только младшие 8 линий ША;

ЩД;

ШУ — используются 2 сигнала IOR и IOW;

Напряжение питания 0 В и +5 В.

На плате ТЭЗа расположены 2 микросхемы:

КР555ИД7 — дешифратор для выбора микросхем ввода-вывода. Один из выводов КР555ИД7 соединяется с входом разрешения CS микросхемы КР580ВВ55.

КР580ВВ55 — программируемое устройство ввода-вывода параллельной информации (параллельный порт). Настройка портов ввода-вывода микросхемы К580ВВ55 рассмотрена в разделе 4.

3. Распределение адресов памяти и УВВ По адресу выбирается память (ОЗУ или ПЗУ) и конкретная ячейка в этой памяти. При обращении к памяти (устройствам ввода вывода) ОУ выставляет адрес ячейки (устройства ввода-вывода) и сопровождает его управляющим сигналом MR или MW (IOR или IOW). Управляющий сигнал определяет, что обращение происходит к памяти или устройству ввода-вывода и направление передачи информации:

MR — чтение памяти, информация передается из памяти в ОУ;

MW — запись памяти, информация передается из ОУ в память;

IOR — чтение из устройства ввода-вывода, информация передается из устройства ввода-вывода в ОУ;

IOW — запись в устройство ввода-вывода, информация передается из ОУ в устройство ввода-вывода.

Распределение ячеек памяти микропроцессора показано в таблице 1.

Таблица 1. Распределение ячеек памяти микропроцессора.

4. Настройка портов ввода-вывода микросхемы КР580ВВ55

Для связи микропроцессора с внешними устройствами необходимо устройство ввода-вывода. В УМК таким устройством является интегральная микросхема КР580ВВ55.

Для обмена данными между микропроцессором и портами ввода-вывода необходимо знать номер порта, к которому обращается микропроцессор. Номер порта передается по шине адреса. При этом по разрядам 0 и 1 шины адреса происходит выбор порта, а по разрядам 2…7 происходит выбор схемы. Адресация схем и портов приведена в таблице 2.

микропроцессор выпрямительный память порт Таблица 2. Адресация портов ввода-вывода

5. Схема устройства Изобразим схему устройства рис. 3.

Рис 3. Схема устройства включения резервного выпрямительного агрегата при перегрузе основного

6. Электрическая схема ТЭЗ с датчиками и исполнительными цепями Рис 4. Электрическая схема ТЭЗ с датчиками и исполнительными цепями

7. Программа микропроцессора КР580ВМ80

Таблица 3. Программа включения резервного выпрямительного агрегата при перегрузе основного с выдержкой времени Т и отключение при снятии перегруза с выдержкой времени Т.

8. Схема типового элемента ТТЛ Рассмотрим принцип работы микросхемы ТТЛ на примере элемента И-НЕ, представленного на рисунке 6.

Рис 6. Схема восьмивходового ТТЛ элемента И—НЕ Схема содержит простые n-p-n транзисторы (VT2-VT5), многоэмиттерный транзистор VT1, а также резисторы R1-R5 и диод VD. Такая схема обеспечивает возможность работы на большую емкостную нагрузку при высоких быстродействии и помехоустойчивости. Схема состоит из следующих каскадов:

входного многоэмиттерного транзистора VT1 с малым инверсным коэффициентом усиления по току,

фазорасщепляющего каскада, построенного на проходном транзисторе VT2 (этот каскад работает в режиме с малым рабочим током и имеет малые емкости p-n переходов);

двухтактного выходного каскада (VT3, VT4). Транзистор VT4 рассчитан на большой рабочий ток и имеет малое время выхода из режима насыщения при переключении схемы. Через этот транзистор стекают на общую шину выходные токи ключей-нагрузок.

Высокое быстродействие микросхем ТТЛ при большой емкостной нагрузке объясняется тем, что как заряд, так и разряд нагрузочной емкости происходит через низкоомную выходную цепь. Однако при переключении выходных транзисторов есть момент, когда они оба открыты. Из-за этого в цепи питания схемы возникают кратковременные, но мощные импульсы тока, которые могут привести к появлению импульсов помехи. Во избежание этого в аппаратуре, построенной с применением микросхем ТТЛ, необходимо создавать цепи питания цифровых микросхем с малой индуктивностью проводников и предусматривать развязку между соседними платами устройства.

Рассмотрим передаточную характеристику ЛЭ И-НЕ (рис. 7).

Рис. 7. Передаточная характеристика элемента И—НЕ стандартной серии ТТЛ для Т=25°

При Uвх1=0 (на один из эмиттеров транзистора VT1 подан потенциал «общий») переход база-эмиттер транзистора VT1 открыт, но образующийся при этом потенциал UбVT1=0,8 В не может открыть три p-n перехода: база-коллектор транзистора VT1, база-эмиттер транзистора VT2 и VT4 (для открывания этой цепи необходим потенциал примерно 3×0,6=1,8 В). Потенциал на базе транзистора VT4 близок к нулю и транзистор VT4 закрыт. Потенциал на коллекторе VT2 и базе VT3 близкий к напряжению источника питания +5, открывает переход база-эмиттер транзистора VT3 и диода VD, вызывая ток I1вых. Напряжение на коллекторе транзистора соответственно равно U1вых (участок 1−2).

При увеличении Uвх (на всех эмиттерных входах транзистора VT1) до значения порогового напряжения Uпор1=0,8 В (точка 2 на передаточной характеристике) транзистор VT2 начинает открываться, но транзистор VT4 еще закрыт, при дальнейшем увеличении U вх до значения Uпор2=1,25 В транзистор VT2 открывается, а транзистор VT4 только начинает открываться (точка 3 на передаточной характеристике).

Дальнейшее увеличение Uвх приводит к увеличению потенциала на базе транзистора VT1 до 1,2 В. Этого вполне достаточно, чтобы открыть два перехода: база-коллектор транзистора VT1 и база-эмиттер транзистора VT2. Транзистор VT2 открывается, ток через резистор R2 увеличивается, что вызывает уменьшение напряжения UкVT2. Увеличение тока через резистор R3 вызывает увеличение потенциала на базе транзистора VT4 и приводит к его открыванию. Открытый транзистор VT4 (участок 3−4 передаточной характеристики) шунтирует резистор R3, что резко увеличивает коэффициент передачи транзистора VT2 и вызывает дальнейшее уменьшение напряжения UкVT2. Однако некоторое время транзистор VT4 уже открыт, а транзистор VT3 еще не закрыт, что приводит к броску тока и увеличению мощности, потребляемой от источника питания. Ток потребления ограничивается при этом резистором R4 и объемными сопротивлениями транзисторов VT3, VT4 и диода VD. Это так называемый ток короткого замыкания, который приводит к увеличению потребляемой мощности в динамическом режиме.

При дальнейшем увеличении Uвх транзисторы VT2 и VT4 переходят в режим насыщения (участок 4−5 передаточной характеристики). Потенциалы UкVT3 и UкVT4 соответственно равны 1,2 и 0,3 В. Их разности, равной 0,9 В, недостаточно, чтобы открыть переход база-эмиттер транзистора VT3 и переход диода VD. Наличие диода VD обеспечивает смещение напряжения открывания транзистора VT3 и надежное закрывание его при U0вых=0,3 В.

Заключение

В курсовой работе разработано устройство включения резервного выпрямительного агрегата при перегрузе основного и выключение при снятии перегруза с выдержкой времени Т, а именно:

1. Составлена структурная схема устройства (рис. 3).

2. Изображена электрическая схема ТЭЗ с датчиками и исполнительными цепями (рис. 4).

3. Составлен алгоритм работы устройства (рис. 5).

4. Составлена программа работы устройства (табл. 3).

5. Описан принцип работы ТТЛ на примере элемента И-НЕ

Список используемых источников

Аржанников Б. А., Васильев И. Л., Луковкин К. П., Фролов Л. А. Применение микропроцессоров в устройствах электроснабжения железных дорог: учебно-методическое пособие. — Екатеринбург: УрГУПС, 2008. — 39 с.

Васильев И.Л., Луковкин К. П. Автоматизация устройств электроснабжения. Методическое руководство по лабораторным работам для студентов дневной формы обучения. Часть 2. — Екатеринбург: УрГАПС, 1997. — 26 .

Вычислительная и микропроцессорная техника в устройствах электрических железных дорог / Под ред. Г. Г. Марквардта. — М.: Транспорт, 1989. — 287 с.

Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / Под ред. С. В. Якубовского. — М.: Радио и связь, 1989. — 496 с.