Организация микропроцессорного комплекта управляющих систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема 9. Организация МП управляющих систем

Структура мп управляющей системы в РТК в каждом конкретном случае определяется рядом факторов, таких, как тип системы управления-централизованый или децентрализованый (распределенный),вид используемого МП, состав модулей системы, способ организации межмодульных связей, распределение функций между аппаратурой и програмным обеспечением и т.п.

Централизованные и распределенные системы управления РТК

До недавнего времени для большенства систем управления использовалась одно процессорная (одномашинная) централизованая структурная схема. Аппаратная часть системы включает в себя вычислительное ядро, устройства связи с объектами(УСО) и связи с оператором (УСОИ),интерфейсы внешних устройств (ИВУ) и внешние устройства, включающие в свой состав запоминающие устройства(ЗУ), алфавитно-цифровое печатающее устройство (АЦПУ) и т.д.

----------вычислительное ядро-----------

| -------¬ -----¬ ------¬ ------¬ |

| ¦ СПРМ +--+ ЦП +-------+ ОЗУ +-+ ПЗУ ¦ |

| L------- L-T--- L------ L------ |

|_____________¦__________основная память_|

¦

---------+------T---------¬ .

------+---¬ ---+--¬ ---+--¬

¦Интерфейс¦ ¦ УСО ¦ ¦УСОИ ¦

¦ ВУ ¦ L--T--- L--T---

L-----T---- ¦ ¦

¦ ¦ -----+---¬

------+---¬ ¦ ¦Оператор¦

¦ ВУ ¦ ¦ L---------

+---T-----+ ¦

¦ ЗУ¦ АЦПУ¦ ¦

L---+------ ¦

------------------+-----------¬

¦ Объект управления ¦

+--------------T--------------+

¦датчик устр. ¦исполнительные¦

¦очувствления ¦органы ¦

L--------------+---------------

Вычислительное ядро в общем случае состоит из центрального процессора (ЦП),сопроцессора расширенной математики (СПРН) и основной памяти, включающей в свой состав оперативную память (ОЗУ) и постоянную память (ПЗУ).

При построении иерархической системы управления РТК централизованного типа с использованием одной ЭВМ все уровни иерархии должны быть реализованы програмно в виде соответствующих модулей.

Управляющая структура программы управления такой системы централизованного типа имеет вид:

--------------¬

------------------+-----------¬ ¦

¦ програмный модуль 1. ¦ ¦

+-----------------------------+ ¦

¦ П П и целеуказания ¦ ¦

L-----------------T------------ ¦

------------------+-----------¬ ¦

¦ програмный модуль 2. ¦ ¦

+-----------------------------+ ¦

¦ Планирование операций ¦ ¦

L-----------------T------------ ¦

------------------+-----------¬ ¦

¦ програмный модуль 3. ¦ ¦

+-----------------------------+ ¦

¦Расчление на элементы операц.¦ ¦

L-----------------T------------ ¦

------------------+-----------¬ ¦

¦ програмный модуль 4. ¦ ¦

+-----------------------------+ ¦

¦Выработка и распределен упр. ¦ ¦

¦сигн.по степени подвижности. ¦ ¦

L-----------------T------------ ¦

------------------+-----------¬ ¦

¦ програмный модуль 5. ¦ ¦

+-----------------------------+ ¦

¦Управ.движением следящих ¦ ¦

¦приводов степеней подвижности¦ ¦

L-----------------T------------ ¦

------------------+-----------¬ ¦

¦ програмный модуль 6. ¦ ¦

+-----------------------------+ ¦

¦Обработка информации. ¦ ¦

L-----------------T------------ ¦

L--------------

В цифровой системе управления вырабатываются дискретно через промежутки времени, необходимые для обработки информации с датчиков и производства вычислений в соответствии с алгоритмом управления.

При работе в режиме реального времени эти сигналы должны вырабатываться периодически с определенной частотой-частотой квантования, поэтому програмные модули работают последовательно с определенной переодичностью, задаваемой, как правило с помощью таймера-часов реального времени. Время цикла Тц определяется полным временем вычисления, которое складывается из суммы интервалов времени Т1...Т6 необходимых для выполнения каждого из програмных модулей

Тц=Т1+Т2+...+Т6.

импульсный цифровой память управление

Даже в случае простой системы управления роботом приходится иметь дело с большим объемом вычислений. Для уменьшения времени используют аппаратную реализацию отдельных операций или применяют более быструю ЭВМ. Основная причина распространения цифровых систем управления централизованного типа-относительная простота реализации при использовании конструктивно законченной ЭВМ с набором интерфейсных блоков. Но для них характерны сложность программного обеспечения, трудности с организацией канала связи, что приводит к созданию достаточно сложной операционной системы. Кроме того, таким системам управления присуща малая живучесть.

Целесообразно полное резервирование. Практически централизованые управляющие системы могут быть применены для построения сравнительно простых робототехнических систем, имеющих не все иерархические уровни.

Появление дешевых и надежных МП и микроЭВМ,с делало возможным построение цифровых систем управления децантрализованного или распределенного типа с применением МП и микроЭВМ. Особенность таких систем является разделение функций обработки управления на ряд слабосвязаных функций и распределение их между несколькими МП и микроЭВМ.

Применение децентрализованных систем управления обеспечивает более высокую производительность, скорость реакции на прерывания, гипкость и адаптивность к решению задач, живучесть за счет возможной переконфигурации системы, более низкая стоимость управляющей системы.

Организация вычислительного ядра микроЭВМ

Под вычислительным ядром понимается совокупность МП и основной памяти. Для разработчика необходимость организации выч. ядра возникает в тех случаях, когда МП системы используется специальная микроЭВМ.

При организации выч. ядра на основе МПК БИС должны быть решены вопросы обеспечения нормального функционирования МП, его сопряжения с системной магистралью и вопросы организации основной памяти.

Для нормальной работы МП при построении схемы с его применением требуется обеспечить подачу на выводы БИС всех необходимых питающих напряжений, тактирующих и управляющих сигналов с заданными параметрами и характеристиками.

При организации сопряжения с системной магистралью нагрузка на выходы информационных и управляющих сигналов или адреса, данных и управления не должна превышать предельно допустимой. Для увеличения нагрузочной способности необходимо предусматривать буферирование.

Под буферированием понимают повышение нагрузочной способности соответствующих выводов МП путем использования специальных логических элементов повторяющих функции соответствующих выводов. Одновременно с буферированием решаются вопросы отключения шин системной магистрали от МП при проведении обмена в режиме ПДП. Для этого буферные элементы должны обладать трехстабильным выходом (шинные формирователи).

При реализации буфера шины адреса необходимо учесть, что во-первых, информа-я по линиям этой шины проходит в одном направлении от МП к функциональным модулям, во-вторых, необходимо предусматривать отключение системной шины адреса от МП при работе в режиме ПДП.

При буферизации шины данных необходимо учесть, что информация по ее линиям передается в двух направлениях, необходимо предусматривать отключение системной шины данных в режиме ПДП.

При буферировании выходов управляющих сигналов МП (линий шины управления) обычно применяют ТТЛ схемы с большой нагрузочной способностью.

Организация основной памяти

Она представляет собой упорядоченную структуру, состоящую из большого количества первичных элементов памяти, объединенных в ячейки памяти.

Ячейки памяти представляют собой совокупность элементов памяти с присвоенным ей адресом. Количество элементов памяти в ячейке равно числу разрядов хранимого в ней двоичного числа.

В большинстве ЭВМ принята байтовая организация памяти или словная с байтовой организацией.

В состав основной памяти входят ПЗУ и ОЗУ.В ПЗУ хранятся команды прикладных и системных программ, неизменяемые исходные данные(машинные параметры),константы и т.д. Озу служит для хранения промежуточных результатов и программ загружаемых с внешней памяти. Максимально возможное число ячеек основной памяти определяется размерностью адресного пространства МП. Размерность определяется числом разрядов двоичного числа, которыми кодируется адрес ячеек.

При организации основной памяти иногда встречается необходимость увеличивать ее емкость сверх величины, ограниченной разрядностью адресной шины МП.

Для этого используют специальные разновидности организации основной памяти.

Организация устройств связи с объектами

Для управляющих ЭВМ характерно наличие разветвленной системы устройств, обеспечивающих возможность подключения объекта управления к ЭВМ и наоборот, устройств связи с объектами, которые относятся к специальному классу периферийных устройств. В общем виде систему УСО можно разделить на подсистему ввода информации с датчиков управляемого объекта и подсистему вывода на управляющие устройства объекта. При этом в зависимости от вида электрических сигналов, вырабатываемые датчиками, и от вида сигналов, требуемых для работы управляющих устройств объекта, различают подсистемы аналогово, импульсного и цифрового ввода-вывода.

Подсистемы аналогово ввода обеспечивают преобразование аналоговых сигналов с выходных датчиков в цифровую форму и осуществляет их ввод. Существуют три основных конфигурации аналогового ввода:

-с АЦП в цепи сигнала с каждого из датчиков-одноканальная конфигурация;

-с одним АЦП для всех датчиков, работающим в режиме временного разделения (мультиплексирования),-многоканальная конфигурация;

-комбинированная конфигурация.

Подсистемы импульсного ввода применяются при использовании в ПР импульсных датчиков, на выходе которых полезная информация представляется в число-импульсной форме, т.е. количеством обычно однополярных прямоугольных импульсов. Назначение УСО импульсного ввода состоит в обработке этой информации, преобразовании ее в цифровую форму и вводе ее в системную магистраль МП.

УСО такого вида могут быть реализованы на основе использования внутренних РОН МП, операций интерментирования и обмена по прерываниям или с использованием отдельных реверсивных счетчиков, буферных регистров и даже простейших МП с организацией обмена в режиме ПДП.

Подсистемы цифрового ввода необходимы для использования в ПР цифровых (кодовых) датчиков. В общем случае на такое УСО цифрового ввода возлагается задача приема информации с выхода цифрового датчика, преобразование ее (при необходимости) из кода Грея в дополнительный двоичный код ввода в МП.

Реализуются такие УСО на основе соответствующих интерфейсных модулей или БИС.

Подсистемы аналогового вывода предназначены для связи с управляющими устройствами объектов, входные сигналы которых должны быть аналоговыми.

УСО аналогового вывода принимают информацию в цифровом виде из системной магистрали МП, преобразуют ее в аналоговую форму с помощью УАП, обеспечивают при необходимости ее усиление, буферирование и подачу на вход соответствующего управляющего устройства. УСО аналогового вывода имеют 3 основные конфигурации:

-с УАП в каждом выходном канале (для каждого управляющего устройства)-одноканальная конфигурация;

-с одним УАП для всех управляющих устройств, работающих в режиме разделения времени-многоканальная конфигурация;

-комбинированная конфигурация.

Подсистема импульсного вывода предназначена для обеспечения работы управляющих устройств объекта, требующих модулированных входных сигналов в число-импульсной или широтно-импульсной форме. На УСО в этом случае возлагается задача приема цифровых сигналов из магистрали МП, преобразования их в число-импульсную форму или широтно-импульсную модулированную форму, усиление(при необходимости),буферирование и подача на вход управляющего устройства.

При построении схем преобразователей "код-число импульсов" и "код-длительность импульса" широко используются интегральные таймеры (ВК53)

Подсистема цифрового вывода предназначена для обеспечения работы управляющих устройств объекта с входными сигналами в цифровой форме. Это может быть ввод информации на ЭВМ, подача в объект комбинаций цифровых испытательных сигналов, управление бинарными входами(ключами, реле) технологического оборудования. Назначением УСО цифрового выхода является прием цифровых сигналов из магистрали МП, буферирование подачи их на вход соотв. управляющего устройства.

В составе конструктивно законченных ЭВМ и управляющих вычислительных комплексов предусмотрены УСО некоторых разновидностей. В составе микроЭВМ "Эл 60М" есть модули аналогового ввода и вывода. Существует система модулей УСО КАМАК предназначенная для различных ЭВМ.

Размещено на Allbest.ru