Тема лекции 10: Однокристальные микроконтроллеры

Содержание темы: Intel, ARM и другие. System on Chip, специализированные процессоры, GPU, FPU, DSP и т.д. Однокристальные микроЭВМ семейств MCS-51 и PIC-контроллеров, их сравнительные характеристики, логика работы.

 

Программируемый контроллер для решения логических задач.

Ряд задач, решаемых АСУ ТП, таких, как пуск и остановка агрегатов, распознавание аварийных ситуаций, защита, управление мнемонической схемой, позиционное регулирование, являются типичными логическими задачами. В общем виде эти задачи описываются системой логических (булевых) уравнений вида y_j = f_j (x₁, …, x_n, t), j = 1, 2, …, m, где x₁, …, x_n – двоичные значения входных переменных (состояния датчиков двухпозиционных сигналов «0» или «1»); t – двоичная переменная, принимающая значение «1» при выполнении некоторого временного условия, например заданной задержки времени после появления какого-либо сигнала; y₁, …, y_m – двоичные значения выходных сигналов.

Для решения систем булевых функций может быть использована любая универсальная ЭВМ, однако система команд таких машин, рассчитанная на выполнение в основном арифметических операций, плохо приспособлена для логической обработки. В результате программные логические устройства, построенные на базе универсальных ЭВМ, получаются медленнодействующими и сложными. При большом объеме обрабатываемой информации возникают трудности при составлении программ. Эти обстоятельства и обусловили появление нового типа устройств, рассчитанных на обработку двухпозиционных сигналов с системой команд, ориентированной на решение логических задач, - программируемых логических контроллеров ПЛК.

Функциональная схема ПЛК (рис. 1) содержит: коммутатор входных двухпозиционных сигналов (КДС); оперативную память (ОП); блок реализации временных задержек (Т); блок логической обработки (БЛ); распределитель выходных двухпозиционных сигналов (РДС); постоянную память (ПП); двоичный счетчик адресов постоянной памяти (СЧ); блок формирования управляющих строб-сигналов (БУ).

Узлы, изображенные на функциональной схеме ПЛК, связаны между собой магистралями, по которым передаются коды адресов и коды выполняемых логических операций (магистраль М₁), код двухпозиционного сигнала (М₂), стробы сигналов управления (М₃).

КДС по М₁ получает код адреса входного двухпозиционного сигнала ДПС и выдает код его состояния на М₂.

ОП служит для хранения ДПС в процессе выполнения программы обработки. ОП может выполнять две операции: запись ДПС по заданному на М₁ адресу или считывание ДПС по адресу, переданному по М₁. ДПС в ОП поступает по М₂ и выдает из ОП также по М₂.

Т является многоканальным блоком временных задержек и может выполнять две операции: запуск и сброс счета времени по заданному на М₁ адресу и опрос состояния задержки по заданному на М₁ адресу.

БЛ выполняет четыре логические операции с ДПС, поступающими в этот блок по М₂ из КДС, ОП или Т; результаты логической обработки хранятся в ячейке результата БЛ и могут быть выданы из нее на М₂. Вид выполняемой логической операции задается кодом операции, поступающим в БЛ по магистрали М₁.

РДС используется для выдачи ДПС, поступающего по М₂, на один из выходных каналов ПЛК. Адрес выходного канала задается кодом, передаваемым в РДС по магистрали М₁.

ПП служит для хранения кодов команд, составляющих программу вычислений. ПП выдает коды на М₁ в соответствии с адресом, который формируется СЧ.

БУ обеспечивает все узлы ПЛК строб-сигналами, необходимыми для синхронной работы узлов в процессе выполнения программы.

При работе ПЛК СЧ циклически выдает натуральные последовательности двоичных кодов (00 … 00, 00 … 01, …, 11 … 11), каждый из которых является адресом слова ПП. Таким образом, за один цикл работы СЧ производится последовательная выборка и исполнение всех команд программы, записанной в ПП.

Для формирования какого-либо выходного управляющего сигнала выполняется несколько команд программы. В их число входят команды приема в БЛ входных ДПС-аргументов, необходимых для вычисления значения логической функции, команды вычисления значения выходной функции и команды выдачи этого значения по определенному адресу в РДС.

Программирование с использованием приведенной выше простейшей системы команд не вызывает трудности и не требует специальной подготовки. Во многих случаях последовательность команд в программе соответствует логическим операциям в записи булевой формулы. Как правило, любая подпрограмма вычислений начинается с установки нуля в БЛ. Далее в БЛ последовательно принимаются входные аргументы с соответствующей побитовой логической обработкой. Такая работа продолжается либо до тех пор, пока значение функции не будет вычислено, либо пока не встретится операция, которая не может быть выполнена с помощью последовательно записанных команд побитовой обработки. В этом случае для дальнейших вычислений используется оперативная память.

7.2 Программно-задающее устройство (ПрЗУ) предназначено для выработки напряжения постоянного тока по заданной технологической программе, представляемой кусочно-линейной функцией времени. ПрЗУ может быть использовано в качестве программного задатчика в локальных и распределенных системах управления.

Ввод технологической программы и программы управления выходными реле устройства осуществляется с помощью клавиатуры, расположенной на пульте оператора. Цифровые и сигнальные индикаторы на пульте позволяют осуществлять контроль вводимых и текущих параметров программы. Сохранность введенной программы при отключении питания сети обеспечивается за счет резервного источника питания ОЗУ устройства.

Схемотехническая реализация ПрЗУ выполнена с применением программируемых средств, т. е. функционирование ПрЗУ определяется как аппаратной, так и программной частью. При выбранной аппаратной части программная часть задает последовательность выполнения команд для достижения функционального назначения ПрЗУ.

Аппаратная часть ПрЗУ представлена в виде функциональной схемы на рис. 1. Функционально и конструктивно ПрЗУ состоит из пяти устройств: модуля контроллера, панели пульта, платы таймера, платы ЦАП, модуля распределителя (коммутатора). Обмен информацией между устройствами осуществляется по шинам связи, которые образуются портами А, В, С параллельных адаптеров модуля контроллера. Обменом информацией между устройствами ПрЗУ управляет модуль контроллера, который определяет источник и приемник информации и направление передачи информации на основе программы работы ПрЗУ, записанной в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). Рассмотрим принцип работы ПрЗУ.

Рисунок 1 - Функциональная схема микропроцессорного программно-задающего устройства

Модуль контроллера (в дальнейшем модуль) является центральным устройством блока. В состав модуля входят (рис. 2) центральный процессор (ЦП), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), блок приоритетного прерывания (БППр), параллельный адаптер (ПА), дешифратор (ДШ), регистр (Рег) слова состояния, генератор (Г) фазовых сигналов. Адресная шина ЦП соединена с адресными входами ПЗУ, ОЗУ, ПА, ДШ. Шина данных ЦП соединена через Рег слова состояния с входами данных ПЗУ, ОЗУ, ПА, БППр. Генератор формирует тактовые импульсы для работы ЦП.

7.3 Регулирующий микропроцессорный контроллер - ремиконт – является аппаратно-программным средством многоканальных систем автоматического регулирования (на 8 – 16 каналов) и ориентирован по своим функциональным возможностям как для работы в локальных системах, так и в распределенных системах управления. В последних ремиконт является узлом локальной управляющей вычислительной системы, выполняющим типовой состав функций регулирования. Для включения ремиконта в распределенную систему управления в его состав входит специальный блок сопряжения с сетевой магистралью. Особенностью ремиконта является внутреннее программное обеспечение, не требующее внешних программных средств – операционных систем, транслятора, ассемблера и т.п. Оператор работает с ремиконтом, как с традиционным аналоговым средством, и требуемый алгоритм, его параметры, связи с внешней аппаратурой набираются оператором с помощью обычных клавиш, обозначенных на панели оператора терминалами символами, общепринятыми в промышленной практике автоматизации. Представление информации оператору осуществляется при помощи светодиодных и цифровых индикаторов.

Другая особенность ремиконта состоит в возможности подключения к его входам аналоговых и дискретных датчиков, а на выходах ремиконта формируются аналоговые и дискретные сигналы сигнализации и управления стандартными исполнительными устройствами.

Третья особенность ремиконта заключается в программной реализации типового состава функций для систем автоматического управления локального уровня и подсистем АСУ ТП. Типовой состав функций ремиконта включает 25 алгоритмов регулирования: аналоговые и импульсные стандартные ПИД-алгоритмы, ПИД-алгоритмы с нуль-органом, с дифференцированием, с автоподстройкой; динамические преобразования (дифференцирование, интегрирование, слежение, программное задание); нелинейные преобразования (формирование кусочно-линейных функций, булевых функций, селектирование) и другие функции.

Алгоритмическое обеспечение ремиконта оформлено в виде библиотеки алгоблоков из которых потребитель выбирает интересующие его блоки. На рис. 5 изображена функциональная структура алгоблока. Каждый алгоблок имеет 8 входов и три выхода (один аналоговый и два дискретных). Рис. 5 показывает возможные коммутации на панели оператора ПО:АВТ - автоматическое управление через узел задания ЗДН, от ведущего алгоблока (ВДЩ) при каскадном регулировании(КСК), от УВМ при супервизорном управлении, ручное управление РУЧ с панели оператора.

В секцию алгоритма помещается один из алгоритмов управления библиотека алгоритмов ремиконта содержит 25 алгоритмов) В секции конфигурации размещается информация, указывающая па элементы виртуальном структуры, с которыми соединяются входы и выходы алгоблока.

Рисунок 5 - Состав аглоблока ремиконта (пример)

 

Секция коэффициентов алгоблока содержит коэффициенты статической и динамической настройки. Алгоблоки (в РЕМИКОНТ Р-100 их 64) и библиотека алгоритмов оформлены в виде программ в памяти ПЗУ8.1 и ПЗУ8.2. Рассмотренные выше программируемые контроллеры иллюстрируют чрезвычайно распространенное в мире направление в области средств автоматизации. Разработкой и производством их занимаются многие зарубежные фирмы. Темпы роста объема производства программируемых контроллеров, например в США оцениваются на период до 1990 г. 80% при объеме выпуска к 1987г. более чем на 1 млрд. долл. В большом количестве модификации и объемах контроллеры выпускаются странами западной Европы и Японией.

Основные тенденции в развитии программируемых контроллеров состоят в модульном принципе построения, в использовании встроенных устройств программирования, средств диагностики работоспобности работать автономно и, что обеспечивает наибольший эффект, в сети контроллеров; в резервировании как на уровне отдельных плат так и на уровне целого устройства, в расширении функциональных возможностей до уровня рассмотренных выше типовых микропроцессорных станций.

Литература: 1осн.[1, 2, 3];2доп. [8]

Контрольные вопросы

1. На чем основана работа конвейера в микропроцессоре.

2. Что такое Ethernet.

3. Задачи на которые ориентирована технология ММX.

4. Что такое микроконтроллер?

5. Что показывает тактовая частота?

6. Что такое регистр?