Проектирование контроллеров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контроллер - специализированное техническое устройство, предназначенное для управления другими устройствами путем получения информации в виде цифровых данных или аналого-дискретного сигнала от внешнего устройства (ЭВМ, датчики или иное устройство), преобразования этой информации по специальному алгоритму и выдачи управляющих воздействий в виде цифрового или аналого-дискретного сигнала. Чаще всего контроллеры представляют собой программируемые устройства, имеющие в своем составе программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) или специализированные процессоры.

1) Виды контролеров:

- Игровой контроллер - устройство ввода информации, используется в консольных и компьютерных играх;

- Контроллер домена - сервер, контролирующий область компьютерной сети (домен);

- Контроллер прерываний - микросхема или встроенный блок процессора, отвечающий за возможность обработки запросов на прерывание от разных устройств;

- Контроллер электрического двигателя - многоступенчатый, много цепной коммутационный аппарат с ручным управлением;

- Микроконтроллер - микросхема, управляющая электронными устройствами;

- Промышленный контроллер - управляющее устройство, применяемое в промышленности и других отраслях для автоматизации технологических процессов, в быту - для управления климатом и др.;

- Программируемый логический контроллер - промышленный контроллер, оптимизированный для выполнения логических операций;

- Системный контроллер - компонент чипа, организующий взаимодействие процессора с оперативной памятью и формирующий компьютерную платформу.

2) Микроконтроллер.

Микроконтроллер (англ. Micro Controller Unit, MCU) - микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает на одном кристалле функции процессора и периферийных устройств, содержит ОЗУ и (или) ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи.

При проектировании микроконтроллеров приходится соблюдать баланс между размерами и стоимостью с одной стороны и гибкостью и производительностью с другой. Для разных приложений оптимальное соотношение этих и других параметров может различаться очень сильно. Поэтому существует огромное количество типов микроконтроллеров, отличающихся архитектурой процессорного модуля, размером и типом встроенной памяти, набором периферийных устройств, типом корпуса и т. д.

В отличие от обычных компьютерных микропроцессоров, в микроконтроллерах часто используется гарвардская архитектура памяти, то есть раздельное хранение данных и команд в ОЗУ и ПЗУ соответственно.

Кроме ОЗУ, микроконтроллер может иметь встроенную энергонезависимую память для хранения программы и данных. Во многих контроллерах вообще нет шин для подключения внешней памяти. Наиболее дешёвые типы памяти допускают лишь однократную запись. Такие устройства подходят для массового производства в тех случаях, когда программа контроллера не будет обновляться. Другие модификации контроллеров обладают возможностью многократной перезаписи энергонезависимой памяти.

Неполный список периферии, которая может присутствовать в микроконтроллерах, включает в себя:

- универсальные цифровые порты, которые можно настраивать как на ввод, так и на вывод;

- различные интерфейсы ввода-вывода, такие как UART, I?C, SPI, CAN, USB, IEEE 1394, Ethernet;

- аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;

- компараторы;

- широтно-импульсные модуляторы;

- таймеры;

- контроллеры не коллекторных двигателей;

- контроллеры дисплеев и клавиатур;

- радиочастотные приемники и передатчики;

- массивы встроенной флеш-памяти;

- встроенный тактовый генератор и сторожевой таймер.

Ограничения по цене и энергопотреблению сдерживают также рост тактовой частоты контроллеров. Хотя производители стремятся обеспечить работу своих изделий на высоких частотах, они, в то же время, предоставляют заказчикам выбор, выпуская модификации, рассчитанные на разные частоты и напряжения питания.

Во многих моделях микроконтроллеров используется статическая память для ОЗУ и внутренних регистров. Это даёт контроллеру возможность работать на меньших частотах и даже не терять данные при полной остановке тактового генератора. Часто предусмотрены различные режимы энергосбережения, в которых отключается часть периферийных устройств и вычислительный модуль. Использование в современном микроконтроллере достаточного мощного вычислительного устройства с широкими возможностями, построенного на одной микросхеме вместо целого набора, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость построенных на его базе устройств. Используются в управлении различными устройствами и их отдельными блоками:

- в вычислительной технике: материнские платы, контроллеры дисководов жестких и гибких дисков, CD и DVD, калькуляторах;

- электронике и разнообразных устройствах бытовой техники, в которой используется электронные системы управления - стиральных машинах, микроволновых печах, посудомоечных машинах, телефонах и современных приборах.

В промышленности:

- устройств промышленной автоматики - от программируемого реле и встраиваемых систем до ПЛК;

- систем управления станками.

В то время как 8-разрядные процессоры общего назначения полностью вытеснены более производительными моделями, 8-ми разрядные микроконтроллеры продолжают широко использоваться. Это объясняется тем, что существует большое количество применений, в которых не требуется высокая производительность, но важна низкая стоимость. В то же время, есть микроконтроллеры, обладающие большими вычислительными возможностями, например цифровые сигнальные процессоры.

Программирование микроконтроллеров обычно осуществляется на языке ассемблера или Си, хотя существуют компиляторы для других языков, например, Форта. Используются также встроенные интерпретаторы Бейсика.

Известные компиляторы Си для МК:

- GNU Compiler Collection - Поддерживает ARM, AVR, MSP430 и многие другие архитектуры;

- Small Device C Compiller - Поддеживает множество архитектур;

- CodeVisionAVR (для AVR);

- IAR (для любых МК);

- WinAVR (для AVR и AVR32);

- Keil (для архитектуры 8051 и ARM);

- HiTECH (для архитектуры 8051 и PIC от Microchip);

- CooCox (для ARM).

Для отладки программ используются программные симуляторы (специальные программы для персональных компьютеров, имитирующие работу микроконтроллера), внутрисхемные эмуляторы (электронные устройства, имитирующие микроконтроллер, которые можно подключить вместо него к разрабатываемому встроенному устройству) и интерфейс JTAG.

3) Промышленный контроллер.

Промышленный контроллер - управляющее устройство (контроллер от англ. control - управлять), применяемое в промышленности и других отраслях по условию применения и задачам, близким к промышленным (например, на транспорте). Применяется для автоматизации технологических процессов, в быту - для управления климатом и др. Основное требование предъявляемое к промышленным контроллерам, высокая надежность и возможность работы в жестких промышленных условиях.

Широкий термин, охватывающий множество возможных реализаций:

- программируемые логические контроллеры и близко примыкающие к ним программируемые интеллектуальные реле;

- встроенные электронные контроллеры;

Промышленный контроллер Mitsubishi FX1S.

Обозначения:

1. Установочное отверстие;

2. Подключение источника питания;

3. Интерфейс адаптера;

4. Слот адаптера или дисплейного модуля;

5. 2 потенциометра;

6. Подключение устройств программирования;

7. Источник сервисного питания;

8. Клеммная панель дискретных выходов;

9. Защитная пластина;

10. Клеммная заглушка;

11. Клеммная панель дискретных входов;

12. Светодиодная индикация состояния входов;

13. Переключатель;

14. Светодиодная индикация рабочего состояния;

15. Светодиодная индикация состояния выходов;

16. Защитная пластина.

Устройство управления на основе механических, гидравлических, пневматических, электрических и электронных схем, созданные до внедрения в системы автоматизации вычислительной техники, сохраняются благодаря тому, что оптимально решают некоторые частные задачи управления в конкретных устройствах, например контроллер электрического двигателя.

Иногда промышленные контроллеры используют для автоматизации инженерных систем промышленных зданий таких как системы отопления, вентиляции, освещения и др.

4) Программируемый логический контроллер.

Программируемый логический контроллер (сокр. ПЛК, англ. programmable logic controller, сокр. PLC. Более точный перевод на русский - контроллер с программируемой логикой), программируемый контроллер - электронная составляющая промышленного контроллера, специализированного (компьютеризированного) устройства, используемого для автоматизации технологических процессов. В качестве основного режима длительной работы ПЛК, зачастую в неблагоприятных условиях окружающей среды, выступает его автономное использование, без серьёзного обслуживания и практически без вмешательства человека.

Иногда на ПЛК строятся системы числового программного управления станком.

ПЛК являются устройствами реального времени.

ПЛК имеют ряд особенностей, отличающих их прочих электронных приборов, применяемых в промышленности:

- в отличие от микроконтроллера (однокристального компьютера) - микросхемы предназначенной для управления электронными устройствами - областью применения ПЛК обычно являются автоматизированные процессы промышленного производства в контексте производственного предприятия;

- в отличие от компьютеров, ориентированных на принятие решений и управление оператором, ПЛК ориентированы на работу с машинами через развитый ввод сигналов датчиков и вывод сигналов на исполнительные механизмы;

- в отличие от встраиваемых систем ПЛК изготавливаются как самостоятельные изделия, отдельные от управляемого при его помощи оборудования.

В системах управления технологическими объектами логические команды, как правило, преобладают над арифметическими операциями над числами с плавающей точкой, что позволяет при сравнительной простоте микроконтроллера (шины шириной 8 или 16 разрядов), получить мощные системы, действующие в режиме реального времени.

В современных ПЛК числовые операции в языках их программирования реализуются наравне с логическими. Все языки программирования ПЛК имеют лёгкий доступ к манипулированию битами в машинных словах, в отличие от большинства высокоуровневых языков программирования современных компьютеров.

ПЛК - программируемый логический контроллер, представляют собой микропроцессорное устройство, предназначенное для сбора, преобразования, обработки, хранения информации и выработки команд управления, имеющий конечное количество входов и выходов, подключенных к ним датчиков, ключей, исполнительных механизмов к объекту управления, и предназначенный для работы в режимах реального времени.

Принцип работы ПЛК несколько отличается от «обычных» микропроцессорных устройств. Программное обеспечение универсальных контроллеров состоит из двух частей. Первая часть это системное программное обеспечение. Проводя аналогию с компьютером можно сказать, что это операционная система, т. е., управляет работой узлов контроллера, взаимосвязи составляющих частей, внутренней диагностикой. Системное программное обеспечение ПЛК расположено в постоянной памяти центрального процессора и всегда готово к работе. По включению питания, ПЛК готов взять на себя управление системой уже через несколько миллисекунд. ПЛК работают циклически по методу периодического опроса входных данных.

Рабочий цикл ПЛК включает 4 фазы:

1. Опрос входов; информация программирование микрокомпьютер

2. Выполнение пользовательской программы;

3. Установку значений выходов;

4. Некоторые вспомогательные операции (диагностика, подготовка данных для отладчика, визуализации и т. д.).

Языки программирования ПЛК.

При создании системы управления технологического процесса, всегда существует проблема по взаимопониманию программиста и технологов.

Стандарт специфицирует 5 языков программирования:

- Sequential Function Chart (SFC) - язык последовательных функциональных блоков;

- Function Block Diagram (FBD) - язык функциональных блоковых диаграмм;

- Ladder Diagrams (LАD) - язык релейных диаграмм;

- Statement List (STL) - язык структурированного текста, язык высокого уровня. Напоминает собой Паскаль;

- Instruction List (IL) - язык инструкций, это типичный ассемблер с аккумулятором и переходам по метке.

Размещено на Allbest.ru