Файл: Глава 18.doc

Главное отличие промышленного контроллера от промышленного компьютера состоит в адаптации языка программирования под конкретную область применения. Большинство промышленных контроллеров, выпускаемых иностранными фирмами, являются по существу программируемыми логическими контроллерами (PLC) и имеют встроенные интерпретаторы с языка релейной автоматики или языка Булевой алгебры, что позволяет неспециалисту программировать системы управления.

Встраиваемое управляющее устройство является микропроцессорной системой управления, в состав которой кроме центрального процессора на базе однокристального микропроцессора и микроконтроллера входят необходимые дополнительные элементы памяти и периферийные интерфейсные БИС для организации сопряжения с датчиками, объектом управления и системой управления более высокого уровня.

Все задачи, решаемые системами встроенного управления, делятся на два больших класса: управление событиями в реальном времени и управление потоками данных.

К первому классу относятся задачи, требующие быстрой реакции микропроцессорной системы на изменение внешних условий (на срабатывание технологических датчиков и т.п.). Системы управления приводами, роботами относятся к системам первого класса. Эти задачи требуют применения микроконтроллеров с большим объемом интегрированной на кристалл периферии, включая память программ, память данных и устройства ввода-вывода, что сокращает аппаратные затраты и удешевляет изделие со встроенной системой управления. Для реализации алгоритма управления в системах этого класса требуется память относительно небольшого объема (до 32Кбайт).

Продукция фирмы Intel для встроенных применений может быть разделена на следующие группы:

• 8-битовые микроконтроллеры первого поколения (семейство MCSR-48);

• современные 8-разрядные микроконтроллеры (MCSR-51, MCSR-251);

• современные 16-разрядные микроконтроллеры для управления в реальном времени (MCSR-96, MCSR-196, MCSR-296);

• встраиваемые 16-разрядные и 32-разрядные микропроцессоры РС-подобной архитектуры (80С186, 386ЕХ и др.);

• высокопроизводительные микропроцессоры, построенные по RISC-технологии (i960).

Первые три группы изделий ориентированы на управление событиями в реальном времени. Две последние предназначены для управления процессами.

Серия микроконтроллеров Intel MCSR-196/296 является на сегодняшний день наиболее интересной для специалистов в области автоматизированного электропривода, так как имеет уникальную регистр-регистровую архитектуру, эффективную систему команд и широкую гамму встроенных периферийных устройств, позволяющих решать самые разнообразные задачи от прямого цифрового управления силовыми ключами в режиме широтно-импульсной модуляции до автоматической идентификации положения и скорости по сигналам датчиков, установленных на вал двигателя. Эта серия ориентированна на управление событиями в реальном времени и имеет необходимые для этого специализированные периферийные устройства: контроллер прерываний, процессор событий и др.

18.7. Микроконтроллеры с интегрированным сигнальным процессором mcs-296

В связи с массовым переходом от аналоговых систем управления к цифровым возникли задачи по цифровой обработке сигналов. Эти задачи связаны с приемом аналоговых сигналов, преобразованием в цифровую форму и обработкой в реальном масштабе времени с выдачей на объект управления управляющих воздействий либо в цифровой, либо в аналоговой форме. В качестве примера можно привести цифровые регуляторы переменных состояний в промышленных программируемых контроллерах, системах управления роботов и манипуляторов, цифровые фильтры в системах слежения и т.д. [3-9].

Для решения таких задач до недавнего времени использовались исключительно специализированные микропроцессоры, так называемые цифровые сигнальные процессоры – DSP-про-цессоры (Digital Signal Processor). Необходимость создания специализированных процессоров возникла из-за того, что традиционно применяемые в компьютерной технике процессоры, например, фирмы Intel (286, 386, 486) имеют систему команд, мало пригодную для решения специфических задач цифровой обработки сигналов.

Главная особенность современных встроенных в оборудование систем управления характеризуется быстрым ростом требований к ним, когда ни отдельный микроконтроллер с большим набором периферийных устройств, ни отдельный сигнальный процессор уже не справляются с возросшим количеством задач. В традиционных для микроконтроллеров фирмы Intel областях все большее применение находят двухпроцессорные системы управления, в которых микроконтроллер выполняет функции обработки событий в реальном времени, а дополнительный процессор цифровой обработки сигналов – функции цифровой фильтрации входных сигналов. Фирма Intel с 1996г. выпускает 16-разрядные микроконтроллеры с новой конвейерной архитектурой серии MCS-296, которые имеют не только более высокую производительность по сравнению со своими аналогами, но и встроенные возможности цифровой обработки сигналов – DSP-сопроцессор.

8. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

Микропроцессорная автоматическая система должна работать не только с дискретными (цифровыми) сигналами, но и с непрерывными, физическими параметрами, которые представляются значениями электрических величин, формируемых соответствующими датчиками. Микропроцессор – это цифровое устройство, поэтому необходимы средства преобразования цифровых величин в аналоговые и обратно.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) преобразуют входные данные в виде значений тока или напряжения в цифровую форму. Процесс преобразования включает дискретизацию по времени, квантование по уровню и кодирование непрерывной входной величины. Необходимое быстродействие АЦП определяется скоростью изменения входной величины.

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) реализуют обратный процесс преобразования цифровых данных в аналоговые сигналы; принцип их построения основан на генерации в соответствующих цепях напряжений или токов, пропорциональных весам зарядов. Эти устройства обычно состоят из схемы со взвешенными величинами сопротивлений резисторов или резисторно-цепной (лестничной) схемы [3-10, 3-11].

АЦП и ЦАП изготовливают в различных модификациях. В одних входные сигналы могут быть только положительными, в других – как положительные, так и отрицательные, могут быть использованы обычный двоичный, дополнительный двоичный и двоично-десятичный коды, а также обратный код, рефлексные коды и коды с обнаружением ошибок (коды Грея и Хемминга).

ЦАП является одним из элементов АЦП, поэтому целесообразно сначала рассмотреть устройство ЦАП.

Н

Рис.18.8. Схема построения ЦАП на резисторах

На рисунке 18.9 приведена схема построения ЦАП на базе операционного усилителя.

На входы схемы подаются напряжения, соответствующие разрядам кода. На выходе операционного усилителя аналоговое напряжение пропорционально значению цифрового двоичного представления входной величины.

Если все переключатели замкнуты на общий провод (ОВ), как показано на рис.18.9,то входное напряжение в т.А равно нулю и выходное напряжение также равно нулю. Предположим, что мы установили переключатель А в положение, соответствующее логической 1. Тогда к операционному усилителю (ОУ) будет приложено входное напряжение, равное ЗВ. Рассчитаем коэффициент усиления по напряжению усилителя.

К_u=R_ос/R_вх=10000/150000=0,066.

Чтобы получить выходное напряжение, умножаем этот коэффициент усиления на величину входного напряжения, т.е.

U_вых.=K_uU_вх=0,0663=0,2В.

Выходное напряжение равно 0,2В, когда на входы ЦАП подана двоичная комбинация 0001.

Аналогично, если подать на входы ЦАП двоичную комбинацию 0010, то для коэффициента усиления в этом случае получаем

K_u=R_oc/R_вх=10000/75000=0,133,

умножив этот коэффициент усиления на величину входного напряжения, найдем, что выходное напряжение равно 0,4В. При переходе к каждому следующему двоичному числу выходное напряжение ЦАП должно увеличиваться на 0,2В. Такое возрастание выходного напряжения обеспечивается за счет увеличения коэффициента усиления по напряжению ОУ при подключении различных резисторов (R1, R2, R3, R4).

Если все переключатели в схеме на рис.18.9 установлены в положения, соответствующие логическим "единицам", ОУ вырабатывает на своем выходе полные ЗВ, поскольку коэффициент усиления в этом случае становится равным 1.

В качестве выходного можно использовать любое напряжение, не превышающее напряжение питания ОУ (в нашем случае 10В). Можно увеличить число двоичных разрядов, добавляя переключатели. При добавлении разрядного переключателя веса 16 в схему рис.18.9 потребуется резисторR₅ с сопротивлением, равным половине сопротивления резистора R₄. В нашем случае R₅ должно быть равно 9350Ом. При этом нужно будет также изменить сопротивление резистора обратной связи R_ос приблизительно до 5кОм. На выходе ЦАП можно тогда подавать 5-разрядные двоичные числа и по-прежнему получать на выходе аналоговый сигнал, изменяющийся от 0 до 3В.

Схема ЦАП, показанная на рис.18.9 имеет два недостатка: во-первых, в ней приходится использовать резисторы с широким диапазоном номиналов и, во-вторых, обеспечиваемая точность преобразования невысока. Имеется ряд других более сложных схем ЦАП, например, лестничного типа [3-11], которые обеспечивают большую точность преобразования.