Шина даних - це двонапрямна шина, по якій дані можуть направлятись або до МП, або від нього. Для МП КР580ИК80 шина складається з восьми ліній (D0 D7). Вісім виводів з корпусу МП, що підключені до шини даних, можуть виконувати функції і вхідних, і вихідних виводів. Одночасна передача даних в обох напрямках неможлива. Ці процедури рознесені в часі в результаті застосування часового мультиплексування.

Шина адреси - це шина, по якій інформація передається тільки в одному напрямку - від МП до модулів пам'яті або введення-виведення. Крім того, при наявності в МП-системі пристрої із правом прямого доступу до пам'яті, то інформація у шину адрес може надходити від таких пристроїв. Якщо шина адрес складається з 16 ліній (А0 А15), як наприклад в МП КР580ИК80, то по ній можна передати 216 = 65 536 різних комбінацій двійкових чисел - адрес. Кожна із них відповідає певному вічку пам'яті або пристрою введення-виведення.

Шина керування служить для передачі сигналів, що обумовлюють взаємодію, синхронізацію роботи всіх модулів МП-системи і внутрішніх вузлів МП. Одна частина ліній шини керування передає сигнали, які генерує МП, а інша частина ліній передає сигнали до МП - це сигнали про стан елементів МП-системи.

В складних МП-системах, до складу яких входять багато різноманітних пристрої із різною швидкодією, наприклад в комп'ютерах, магістраль має розгалуження на кілька магістралей. В цьому випадку є окремі магістралі для зв'язку з повільнодіючими пристроями (принтер, клавіатура) і з швидкодіючими, в яких інформація передається достатньо великими блоками (жорсткі диски, дисплей).

Перевагою шинної структури є можливість підключення до МП-системи нових модулів, наприклад кількох блоків ОЗП і ПЗП, для отримання потрібної ємності пам'яті.

Мікропроцесорні засоби в системах керування

Мікропроцесорні засоби все частіше використовуються в системах керування, в тому числі і системах, що працюють в реальному часі. МП-системою реального часу називається система, що з'єднана з деяким зовнішнім об'єктом і яка обробляє інформацію, що надходить до неї про стан об'єкта, достатньо швидко для того, щоб результат обробки міг використовуватись для впливу на процес, що протікає в об'єкті. Звичайно до систем реального часу відносять системи, в яких реакція (відповідь) на інформацію, що надходить від об'єкту, - певні відповідні керуючі дії - складає долі секунди або кілька секунд.

Характерним прикладом системи реального часу є автоматизована або автоматична система управління технологічним процесом (АСУ ТП), зокрема МП-система керування системами автомобіля. Спрощена узагальнена схема АСУ ТП з керуючою мікропроцесорною системою (КМПС) в замкнутому контурі керування наведена на рис. 1.

Структурна схема АСУ ТП з керуючим мікропроцесорним комплексом.

На вхід КМПК від відповідних датчиків (Д) (термопар, витратовимірювачів, вимірювачів товщини, вимірювачів частоти обертів та ін.) надходить виміряна інформація про поточні значення параметрів x1, x2, … xn. Керуючий мікропроцесорний комплекс обробляє цю інформацію згідно з прийнятим алгоритмом, який реалізує деякий законом керування (алгоритмом управління), визначає керуючі впливи u1, u2,…, um, які необхідно прикласти до виконавчих механізмів (ВМ) для зміни регульованих параметрів y1, y2,…, ym з тим, щоб керований процес протікав оптимально. Вимірювальні датчики, як правило, виробляють свої сигнали у вигляді напруги, струму або кута повороту (тобто у формі аналогового безперервного сигналу). Деякі вхідні сигнали (наприклад, сигнали кінцевих вимикачів, фотореле і ін.) мають форму аналогових дискретних сигналів (сигнали типу ТАК/НІ), званих інколи релейними сигналами. Керуючі впливи, що підводяться до ВМ - u1, u2,…, um повинні вироблятися в формі напруг або кутів повороту, тобто в аналоговій формі.

Мікропроцесорні системи оперують з цифровими величинами. Тому аналогові величини x1, x2, … xn, що надходять на вхід, заздалегідь перетворюються в цифрову форму, а керуючі впливи u1, u2,…, um, що генеруються МП-системою перетворюються з цифрової форми в аналогову - у відповідні напруги або кути повороту.

Отже, КМПК повинен містити на вході перетворювач аналогових сигналів у цифрові (перетворювач аналогово-цифровий), а на виході - перетворювач цифрових величин в аналогові (перетворювач цифрово-аналоговий).

У системі, схема якої зображена на рис. 1, КМПК, впливаючи на ВМ, безпосередньо керує виробничим процесом. Такий режим роботи КМПК називається прямим цифровим керуванням. Однак для складних технологічних об'єктів, що містять декілька агрегатів, пов'язаних між собою через технологічний процес, система управління звичайно будується таким чином, що окремі параметри процесу регулюються відповідними автоматичними регуляторами, а КМПК, обробляючи вимірювальну інформацію, розраховує і встановлює оптимальні настройки цих регуляторів. При подібній побудові схеми управління підвищується надійність системи, оскільки її працездатність зберігається і при відмовах в роботі КМПК. У такій схемі КМПК може бути більш простим, оскільки знижуються вимоги до його швидкодії і інших характеристик. У той же час з'являється практична можливість реалізації більш ефективних алгоритмів оптимізації, що вимагають більшого обсягу обчислень.

Багато важливих задач управління виробничими процесами вирішуються при роботі КМПК в розімкненому контурі управління. За таким принципом побудовані системи числового програмного управління станками.

У режимі порадника КМПК обробляє вимірювальну інформацію, яка надходить з об'єкта що контролюється, визначає, які регулюючі дії потрібно здійснити для того, щоб виробничий процес протікав найкраще. Вироблена КМПК інформація служить рекомендацією оператору, що керує процесом. Робота КМПК в режимі порадника, як правило, передує включенню КМПК в замкнений контур управління.

Лекція 32. Перетворювачі сигналів.

План.

· Принцип перетворення напруги в цифровий код

· Аналого-цифрові перетворювачі (АЦП)

· Перетворювачі напруги в код.

· Перетворювачі кута повороту в код.

· Цифрово-аналогові перетворювачі.

· Перетворювач коду в напругу.

· Перетворювач коду в кут повороту.

Принцип перетворення напруги в цифровий код.

Принцип перетворення напруги в цифровий код полягає в наступному. Нехай датчик вимірює значення деякого параметра, який змінюється довільно, і видає напругу пропорційну вимірюваній величині. Діапазон можливих значень напруг датчика умовно розбивається на рівні. Відстань між рівнями береться однаковою і має назву крок квантування. Кожному рівню привласнюється код (зазвичай двійковий). Кількість рівнів діапазону береться рівним 2n, де n - розрядність коду. На рис. 1 наведений приклад, коли є вісім рівнів квантування. В момент часу t = 0 напруга на виході датчика має значення, що знаходиться між першим і другим рівнями, що відповідає значенню коду 001, який привласнений найближчому нижньому рівню. В момент наступного опиту t1 (Tоп - час між черговими опитами датчика) напруга дорівнює четвертому рівню, код якого відповідає 100. В момент часу t2 напруга більша за шостий рівень, що відповідає коду 110, і т.д. отже, перетворювач формує і передає коди тих рівнів, які дорівнюють або найближчі знизу до миттєвого значення напруги на виході датчика в момент опиту. Чим більше в перетворювачі рівнів, тим менший крок квантування і, відповідно, тим точніше перетворення сигналу, що знімається з датчика.

Квантування сигналу в аналого-цифровому перетворювачі.

Якщо в системі є 2n рівнів, то відносна похибка перетворення = 2-n. Абсолютна похибка, що обумовлена квантуванням, дорівнює відстані між рівнями. Наприклад, при 256 рівнях квантування, тобто при 8-розрядному коді, відносна похибка в момент опиту = 1 / 256 = 0,4 %. За наведеною вище формулою виходячи з заданої відносної похибки можна розрахувати розрядність перетворювача.

Аналого-цифрові перетворювачі (АЦП).

Аналого-цифрові перетворювачі (АЦП) призначені для перетворення аналогової величини в цифровий код. За принципом отримання коду АЦП поділяються на два типи: ступінчасті та розрядного кодування. В ступінчастих АЦП код змінюється до потрібного значення сходинками, тому їх швидкодія нижча за швидкодію АЦП розрядного кодування. Під швидкодією тут мається на увазі час, потрібний на перетворення однієї вибірки вхідного сигналу в код. В АЦП ступінчастого типу для кодування використовується лічильник, який підсумовує лічильні імпульси. Тому такі АЦП іноді називають перетворювачами послідовного типу. В АЦП розрядного типу використовуються регістри або шифратори, що дозволяє під час кожного такту роботи перетворювача кодувати один, кілька або одразу всі розряди коду.

Перетворювачі напруги в код.

Схеми перетворювача напруги в код ступінчастого типу наведена на рис. 2-а. На вхід схеми подається напруга Uвх, яка за допомогою часово-імпульсного перетворювача (ЧІП) перетворюється в електричний імпульс. Тривалість цього імпульсу прямо пропорційна вхідній напрузі Uвх. В період tі дії імпульсу відкрита схема збігання & і на вхід двійкового лічильника СТ надходять імпульси стабільної частоти від генератора імпульсів ГІ. Стан кожного тригера лічильника відповідає розряду двійкового числа (20, 21, …, 2n-1). При надходженні на вхід лічильника певного числа N імпульсів за час tі тригери лічильника приймають деякий стан, який характеризує двійкове число, що пропорційне вхідній напрузі. В такий спосіб формується двійковий код, числове значення якого пропорційне вхідній напрузі.

Схеми перетворювача напруги в код а) - ступінчастого типу; б) - балансного типу.

Розглянутий перетворювач небалансний, оскільки не має зворотного зв'язку з виходом, тобто з кодом. Застосовуються також і балансні перетворювачі. Схема такого перетворювача наведена на рис. 2-б. Перетворювач коду в напругу ПКН, що включений на виході лічильника, перетворює код, що знімається з лічильника, в напругу керування Uк, пропорційну коду. При рівності напруг Uвх і Uк порівнювальний пристрій ПП припиняє видачу сигналу на схему І(&), в результаті чого перестають надходити імпульси на вхід лічильника, так як схема І(&) буде закрита. В цей момент код, що знімається з виходу лічильника, буде пропорційний вхідній напрузі.

Перетворювачі кута повороту в код.

Широке розповсюдження отримали перетворювачі кутових переміщень в код, що уявляють собою кодуючий диск, який закріплений на валу вимірювального механізму.

Диск розбивається на концентричні кола, число яких дорівнює числу розрядів коду. На ці кола наносяться зображення коду. При повороті диска зчитуючий пристрій, що є нерухомим, фіксує код, який відповідає куту повороту диска. Диск для 5-розрядного двійкового коду наведений на рис. 3.

Зчитуючий пристрій для кодуючих дисків буває контактним, фотоелектричним та ін. При використанні контактного зчитуючого пристрою струмопровідні частини диска (на рис. затемнені) виготовляються з металу, а неструмопровідні (на рис. білі) - з ізоляційних матеріалів. Зчитуючим пристроєм слугують контакти, що ковзають по кільцям диску. При виготовленні фотоелектричного зчитуючого пристрою затемнені частини диска (маска) виготовляються непрозорими для світла, а білі - прозорими (звичайно скло). Затемнені частини диска відповідають 0, а білі - 1. Диск з одного боку освітлюється світлом. З іншого боку диска розташовані нерухомі фоточутливі елементи (фоторезистори або фотодіоди). При кожному положенні диска освітлюються тільки ті фотодіоди, які відповідають 1.

Через неточне нанесення масок, а також неточне розташування зчитуючих пристроїв при зчитуванні кодів можуть виникати помилки. Наприклад, при переході від коду 00101 (рис. 3-а) до наступного коду при збільшенні кута повороту диска можуть бути помилково прочитані коди 00100 і 00111. Ще більша помилка може вийти при помилковому зчитуванні кодів 11111 (десяткове число 31) і 00000 (нуль). Для запобігання таких помилок були створені спеціальні коди для нанесення масок. До них відносяться циклічні коди, код Грея і ін. Диск з нанесеним циклічним кодом представлений на рис. 3-б, а значення циклічних кодів для чисел від 0 до 15 приведені в таблиці 18.

По таблиці, а також зображенням коду на диску можна встановити, що помилка зчитування тут не перевищує одного кроку квантування, оскільки коди, розташовані на межі, відрізняються один від одного тільки на один молодший розряд.

Крім дискових перетворювачів широке розповсюдження отримали перетворювачі фаза-часовий інтервал-код, у яких кутова величина спочатку перетворюється в кут зсуву фаз за допомогою фазообертувачів. На валу в таких перетворювачах встановлюються фазообертувачі, такі як сельсини, магнесини, трансформатори, що обертаються. Зсув фаз між опорною синусоїдальною напругою і напругою, що знімається з вихідної осі фазообертувача, пропорційний куту повороту фазообертувача. Схема такого перетворювача наведена на рис. 4.

Таблиця відповідності десяткового числа, двійкового числа і циклічного коду.

Схема (а) і часова діаграма (б) перетворювача кута повороту в код:

Фоб - фазообертувач; СВН1, СВН2 - схеми виділення нуля; ТТ1, ТТ2 - тригери; І(&)1, I(&)2 - схеми І; ДЦ - датчик циклів; ГІ - генератор імпульсів; U0 - опорна напруга; СТ - лічильник.

Перетворювач працює так. Імпульс датчика циклів встановлює лічильник СТ в нульовий стан і по задньому фронту синхросигналу СС перекидає тригер ТТ1, який тим самим відкриває шлях для проходження старт-імпульсу через схему співпадання І(&)1. Після подачі старт-імпульсу тригер ТТ1 перекидається в початковий стан і не дає можливості пройти наступним старт-імпульсам за цей же цикл перетворення. Старт-імпульс, пройшовши схему співпадання І(&)1, перекине тригер ТТ2, в результаті чого відкриється схема співпадання І(&)2 і імпульси від генератора імпульсів ГІ надійдуть на лічильник СТ. Імпульси на лічильник будуть надходити доки від СВН2 не надійде стоп-імпульс, який перекине тригер ТТ2 у початковий стан; в результаті припиниться надходження імпульсів від ГІ на лічильник через схему збігання І(&)2.

Часові діаграми роботи цього перетворення наведені на рис. 4-б.

На практиці така схема забезпечує перетворення кута повороту вимірюваної осі в діапазоні 0 360 з точністю 8-9 двійкових розрядів. Для підвищення точності перетворення застосовують двовідлікові перетворювачі, які дозволяють отримати точність перетворення до 12-13-го розрядів. В деяких випадках використовують і трьохвідлікові схеми перетворення, які забезпечують перетворення кута повороту з точністю 16-17 двійкових розрядів. Однак таким схемам перетворювачів притаманна певна складність електромеханічних пристроїв, де потрібне конструювання як високоточних редукторів і датчиків-фазообертувачів, так і електронних схем, які повинні забезпечити об'єднання кодів, отриманих від лічильників точного і грубого відліків схеми перетворювача.

Перевага розглянутого перетворювача в тому, що з джерела інформації - датчика - знімається аналогова величина, яка передається по звичайним кабелям; при цьому використовується двопроводна лінія зв'язку. В перетворювачах кодового типу (наприклад, дисках) необхідно передавати імпульсні сигнали, і якщо передача здійснюється на значні відстані, то пред'являються певні вимоги до лінії передачі (кабелю). Крім того, від цього датчика потрібно відвести стільки проводів, на скільки розрядів розрахований датчик, не враховуючи додаткових кіл комутації, призначених для забезпечення самої схеми перетворення. Позитивною рисою фазових перетворювачів є ще і те, що вони не вимагають розробки спеціальних датчиків (в них використовуються звичайні пристрої автоматики - сельсини і трансформатори, що обертаються).

Цифрово-аналогові перетворювачі.

Двійкові коди в аналогові еквіваленти перетворюються різними способами, але всі вони основані на додаванні аналогових складових, пропорційних деяким двійковим приростам (елементам) вихідного двійкового числа.

За принципом отримання аналогових величин цифрово-аналогові перетворювачі (ЦАП) можна розділити на два типи: з сумуванням одиничних приростів аналогових величин і з сумуванням з урахуванням ваги розряду двійкового коду. В першому випадку вихідне число спочатку перетворюється в число-імпульсний код, тобто у відповідне число імпульсів. Потім кожному з цих імпульсів ставиться у відповідність постійний одиничний приріст аналогової величини. Всі прирости сумуються, в результаті чого на виході отримується аналогова величина - еквівалент вихідного коду. В другому випадку для кожного розряду коду, що перетворюється, підбирається еталонне значення аналогової величини, що відповідає вазі даного розряду. В процесі перетворення сумуються еталони для тих розрядів двійкового коду, в яких стоїть 1. Еталони, відповідні розрядам з нульовим значенням, в додаванні участі не беруть.

Перетворювач коду в напругу.

Схема перетворення двійкового коду в напругу.

Ця схема основана на принципі сумування струмів, пропорційних вазі розряду двійкового коду. Ключі Кл0, Кл1, …, Клn-1 цієї схеми керуються від тригерів лічильника або регістра, з якого знімається перетворюваний код. При нульових значеннях розрядів перетворюваного коду ключі відкриті, при одиничних - закриті. Резистори R і r в цій схемі еталонні, причому R >> r. Джерело живлення даної схеми стабілізоване. Струми І0, що проходять по резисторам R, створюють на резисторах r, 2r, 4r, … падіння напруги Uвих, пропорційне перетворюваному двійковому коду. Завдяки тому, що опори на резисторах r, 2r, 4r, … подвоюються в залежності від ваги розряду, що приєднує струм І0, напруга на виході буде пропорційна значенню перетворюваного коду. Наприклад, число розрядів n = 3; перетворюваний код 1012 = 510. За умовою, R >> r, тому вважаємо, що І0 однаковий в усіх розрядах:

Uвих = І0(21·r + 20·r + r) + І0r = 5·І0r.

Перетворювач коду в кут повороту.

1. Будіщев М.С. Електротехніка, електроніка та мікропроцесорна техніка.: Львів, “Афіша”, 2001. - 424 с. - На укр. мові.

2. Гершунский Б.С. Основы электроники и микроэлектроники.: - К., “Вища школа”. - На рос. мові.

3. Залманзон Л.А. Микропроцессоры и управление потоками жидкостей и газов.: М., “Наука”. - На рос.мові.

4. Каган Б.М., Сташин В.В. Основы проектирования микропроцессорных устройств автоматики.: М., «Энергоатомиздат». - На рос. мові.

5. Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з дисципліни “ Основи електротехніки, електроніки та мікропроцесорної техніки”. Розділ “Мікропроцесорна техніка”. /Склали: Г.В.Карандаков, В.І.Кривенко, Л.І.Рай, В.К.Суботіна. - К.: УТУ, 1999, 103 с. - На укр. мові.

6. Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з електротехніки для студентів спеціальностей 12.06, 15.04, 15.05, 24.01, 24.02, 29.10, 29.11 / Склав Г.В.Карандаков, Л.П.Титаренко. - К.: УТУ, 1992, 72 с. - На укр. мові.

7. Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з електротехніки для студентів спеціальностей 12.06, 15.04, 15.05, 24.01, 24.02, 29.10, 29.11 / Склав Г.В.Карандаков, Л.П.Титаренко. - К.: УТУ, 1987, 36 с. - На рос. мові.

8. Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з електротехніки для студентів спеціальностей 12.06, 15.04, 15.05, 24.01, 24.02, 29.10, 29.11 / Склав Г.В.Карандаков, Л.П.Титаренко. - К.: УТУ, 1981, 29 с. - На рос. мові.

9. Микропроцессоры (в 3 томах). Под редакцией Л.Н.Преснухина.: М., «Высшая школа». - На рос. мові.

10. Мучник А.Я., Парфенов К.А. Общая електротехника.: - М., “Высшая школа”. - На рос. мові.

11. Стрыгин В.В., Щарев Л.С. Основы вычислительной, микропроцессорной техники и программирование.: М., “Высшая школа”. - На рос. мові.

Размещено на Allbest.ru