Файл: Микропроцессорные устройства систем управления (Ю.И. Иванов, 2005).pdf

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Таганрогский государственный радиотехнический университет

Ю.И.ИВАНОВ

В.Я.ЮГАЙ

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ

УСТРОЙСТВА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Допущено Учебно-методическим объединением вузов по образованию в области автоматизированного машиностроения (УМО AM) в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов - "Автоматизированные технологии и производства" (специальность 210200 - " Автоматизация технологических процессов и производств ( в энергетике)

Таганрог 2005

ВВЕДЕНИЕ

Распространение новых информационных технологий, основанных на достижениях микроэлектроники последней четверти XX века, привело к значительным изменениям в самых различных областях. Традиционно рас­ сматривается прогресс в компьютерной технике, системах компьютерной обработки информации, компьютерных сетях и т.п. Однако не менее рево­ люционные изменения произошли и в других сферах, связанных с приме­ нением технических средств обработки данных. Появление новых средств и технологий обработки данных позволило существенно расширить функ­ циональные возможности и сложность решаемых задач в системах автома­ тизации.

Системы автоматического управления могут эффективно решать задачи на уровнях, начинающихся от управления отдельными узлами и устройст­ вами и заканчивающихся управлением технологическими установками и целыми производствами. В системах автоматизации применяются различ­ ные средства реализации алгоритмов управления. В настоящее время, не­ смотря на определенные особенности применения, наиболее эффективны­ ми являются цифровые методы и средства.

Современная микроэлектронная элементная база позволяет при невысо­ ких затратах на аппаратные средства использовать разнообразные алго­ ритмы цифровой обработки данных, а их преимущества общеизвестны. Вес и роль аналоговых средств существенно снизилась в силу недостаточной точности, стабильности, функциональной гибкости и технологичности. Ос­ новная область применения аналоговых устройств - предварительная под­ готовка сигналов для преобразования в цифровой формат.

Одним из важнейших факторов прогресса в средствах автоматизации яв­ ляется "интеллектуализация" устройств, включая и устройства, выпол­ няющие наиболее простые функции: измерительные датчики, исполни­ тельные устройства, средства сигнализации и т.п. Кроме необходимых ос­ новных функций, "интеллектуальные" технические средства могут реали­ зовать множество вспомогательных, зачастую весьма сложных алгоритмов преобразования данных при относительно невысоких дополнительных за­ тратах.

Эта функциональная избыточность позволяет использовать одни и те же технические средства при решении разнообразных задач, несмотря на раз­ личие требований, реализуемых алгоритмов и функций. Очень часто выбор определенных параметров, режимов и алгоритмов работы должен про­ граммироваться, т.е. определяться специальными процедурами настройки. Поэтому современные технические средства должны обладать соответст­ вующей функциональной гибкостью, возможностью изменения параметров и режимов работы, поддерживать необходимые процедуры настройки.

4

Типовая структура системы управления приведена на рис. 1. Система управления может быть независимой локальной системой либо интегриро­ вана как элемент в многоуровневую систему. Функции элементов системы управления можно определить следующим образом:

.

Рис. 1. Структурная схема системы управления

входной интерфейс - прием и преобразование сигналов от датчиков в формат, удобный для дальнейшей обработки; выходной интерфейс - преобразование выходных данных системы в сигналы управления исполнительными устройствами;

контроллер - основной элемент системы управления, реализующий ал­ горитмы управления и обработки данных в соответствии с поставлен­ ными задачами, потоком данных входного интерфейса, управляющих команд пульта управления и интерфейса обмена с другими средствами управления; пульт управления и индикации - средства управления и отображения

данных о параметрах и режимах работы для оператора объекта управ­ ления;

5

• интерфейс обмена данными - средства организации взаимодействия и координации работы системы управления с другими средствами управления, в локальных системах управления необязателен, но, как правило, должен предусматриваться для возможной модернизации системы управления.

Контроллер - основное средство реализации алгоритмов управления, он должен преобразовывать поток цифровых входных данных и команд X в поток управляющих выходных данных У:

Y = !F(X) .

Алгоритмы преобразования Ч0 можно реализовать двумя основными спосо­ бами. Могут применяться и различные комбинации этих способов.

Первый способ принято называть аппаратной реализацией: все необхо­ димые функции преобразования выполняются специально разработанным устройством с определенным набором компонентов и их функциональных связей. Аппаратная реализация при прочих равных условиях минимальна с точки зрения требуемого числа компонентов, обладает максимально воз­ можным быстродействием. Однако проектирование устройств управления с аппаратной реализацией требует очень высоких затрат. Кроме того, даже незначительное изменение алгоритмов преобразования требует повторной разработки нового устройства. В силу этих недостатков чисто аппаратная реализация в настоящее время применяется крайне редко.

Второй основной способ - программная реализация. Обычно даже слож­ ные и самые разнообразные алгоритмы преобразования Ч0 можно предста­ вить в виде конечных последовательностей относительно несложных опе­ раций (команд). Классический пример программной реализации - компью­ теры, они и послужили прототипом микропроцессоров - основных техни­ ческих средств этой реализации. Один и тот же набор аппаратных средств микропроцессорной системы позволяет решать самые разнородные задачи, алгоритм преобразования определяется программой, записанной в запоми­ нающем устройстве.

Главным достоинством программной реализации является функцио­ нальная гибкость: для изменения алгоритмов или выполняемых функций необходимо модифицировать только последовательность команд в про­ грамме. Значительная функциональная избыточность микропроцессорных средств, как правило, не приводит к существенному увеличению сложности и стоимости. Все же такая реализация обладает и существенным недостат­ ком: последовательное, а не параллельное, как при аппаратной реализации, выполнение необходимых операций требует значительных временных за­ трат, а это приводит к снижению быстродействия.

В технике обычно применяют компромиссные решения, которые в той или иной степени объединяют достоинства разных способов реализации. Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) и микрокон-

6