Технико-экономическое обоснование применения микроконтроллеров в АСУК

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Оренбургский государственный университет»

Уфимский филиал

Кафедра «Управление качеством в производственно-технологических системах»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: «Автоматизированные системы управления качеством»

Выполнил: студент гр. УКС4-2

Шинов А.Р.

Шифр 02

Проверил: д.т.н., профессор

ГОЦ С.С.

Уфа 2013

Содержание

Введение

Технико-экономическое обоснование применения микроконтроллеров в АСУК

Заключение

Введение

В данное время в экономике наблюдается тенденция, при которой играет одну из ведущих ролей в управлении производством продукции, и ее последующей реализации. В развитых странах управления качеством на предприятии притягивает особое внимание всех подразделов, которые влияют на качество выпускаемой продукции. Для лучшего взаимодействия и для более эффективного результата на предприятиях разрабатываются разные подходы к управлению качеством.

Качество продукции (включая новизну, технический уровень, отсутствие дефектов при выполнении, надежность в эксплуатации) есть одним из важнейших средств конкурентной борьбы, завоевание и удержание позиций на рынке. Поэтому фирмы уделяют особое внимание обеспечению высокого качества продукции, устанавливая контроль на всех стадиях производственного процесса, начиная с контроля качества используемых сырья и материалов и заканчивая определением соответствия выпущенного продукта техническим характеристикам и параметрам не только в походке его испытаний, но и в эксплуатации, а для сложных видов оборудования - с предоставлением определенного гарантийного срока после установки оборудования на предприятии заказчика. Поэтому управление качеством продукции стало основной частью производственного процесса и направлен не столько на выявление дефектов или брака в готовой продукции, сколько на проверку качества изделия в процессе его изготовления.

В наше время для экономического и социального развития страны необходимо кардинальное ускорение научно-технического прогресса на основе широкого внедрения новой техники и технологии, комплексной автоматизации и автоматизации производства и технологических процессов, повышение производительности работы, повышение технического уровня и качества продукции. Применение микропроцессорной техники обеспечивает важный рост производительности работы, улучшение технического уровня и качества продукции, экономию сырья и материалов.

Развитие микроэлектроники и её широкое применений изделий в промышленном производстве, в устройствах и системах управления самыми разнообразными объектами и процессами является в настоящее время одним из основных направлений научно-технического прогресса.

Использование микроконтроллеров в изделиях не только приводит к повышению технико-экономических показателей (стоимости, надежности, потребляемой мощности, габаритных размеров), но и позволяет сократить время разработки изделий и делает их модифицируемыми, адаптивными. Использование микроконтроллеров в системах управления обеспечивает достижение высоких показателей эффективности при низкой стоимости. Микроконтроллеры представляют собой эффективное средство автоматизации разнообразных объектов и процессов.

Тэхнико-экономическое обоснование применения микроконтроллеров в АСУК

Микроконтроллеры интегрируют в себе технические возможности для обработки смешанных сигналов и вычислительную мощность, при этом уровень производительности МК и их функционал постоянно растет. Однако существуют другие разработки, которые позволяют продлить жизненный цикл бюджетных и низко-производительных микроконтроллеров.

По определению, микроконтроллеры бесполезны без связи с «реальным миром». Они были разработаны, чтобы действовать в качестве концентраторов для входов и выходов, выполняя задачи условных переходов и управляя последовательными и параллельными процессами. Их роль определяется управлением, в то время как возможность программирования означает, что характер управления задается логикой. Тем не менее, они изначально разрабатывались с целью получить интерфейс для аналогового мира, и, следовательно, в своей работе микроконтроллеры существенно опираются на процесс аналого-цифрового преобразования. Часто это цифровое представление аналогового параметра, обычно получаемого от какого-то датчика, на основе которого строится процесс управления, и основное применение микроконтроллера в таком случае видится в системах автоматизации. Способность управлять большими и сложными механическими системами, используя миниатюрный и относительно дешевый «кусочек» кремния, способствовало тому, что микроконтроллеры стали самым важным элементом промышленных систем автоматизации, и не удивительно, что многие производители стали выпускать специализированные семейства микроконтроллеров.

Прецизионная работа. По соображениям коммерческой необходимости предполагается, что процесс преобразования данных, как ключевая функция микроконтроллеров, должен быть экономически эффективно внедрен в микроконтроллер, что приводит к повышению уровня интеграции функционала для обработки смешанных сигналов. Кроме того, рост уровня интеграции способствует увеличению нагрузки на ядро.

Низкая стоимость и гибкость функционала микроконтроллеров означает широкое применение микроконтроллеров в различных приложениях, но производители в настоящее время стремятся к объединению множества функций в одном микроконтроллере по соображениям экономической эффективности, сложности или безопасности. Где когда-то, возможно, использовались десятки микроконтроллеров, сейчас потребуется только один.

Поэтому неудивительно, что то, что начиналось с 4-разрядных устройств, теперь превратилось в очень сложные и мощные 32-разрядные процессорные ядра, а ядро ARM Cortex-M стало выбором многих производителей.

Совместить высокопроизводительное процессорное ядро с прецизионным и стабильным аналоговым функционалом - непростая задача. Технология КМОП идеальна для высокоскоростных цифровых схем, но с реализацией чувствительной аналоговой периферии могут быть проблемы. Одной из компаний, имеющей огромнейший опыт в этой области, является Analog Devices. Разработанное компанией семейство полностью интегрированных систем сбора данных ADuCM предназначено для непосредственного взаимодействия с прецизионными аналоговыми датчиками. При таком подходе не только уменьшается количество внешних компонентов, но и гарантируется точность преобразования и измерений.

Преобразователь, интегрированный, например, в систему ADuCM360 с ядром ARM Cortex-M3, представляет собой 24-разрядный сигма-дельта АЦП, являющийся частью аналоговой подсистемы. В указанную систему сбора данных интегрированы программируемые источники тока возбуждения и генератор напряжения смещения, но более важной частью являются встроенные фильтры (один из которых используется для прецизионных измерений, другой - для быстрых измерений), которые применяются для обнаружения больших изменений в исходном сигнале.

Работа с датчиками в режиме «глубокого сна». Производители микроконтроллеров учитывают важную роль датчиков в системах автоматизации и начинают разрабатывать оптимизированные входные аналоговые схемы, которые обеспечивают специализированный интерфейс для индуктивных, емкостных и резистивных датчиков.

Разработаны даже такие входные аналоговые схемы, которые могут работать автономно, например, интерфейс LESENSE (Low Energy Sensor) в микроконтроллерах с ультранизким энергопотреблением компании Energy Micro (Рисунок 1). В состав интерфейса входят аналоговые компараторы, ЦАП и контроллер (секвенсер) с низким потреблением, который программируется ядром микроконтроллера, но затем работает автономно, в то время как основная часть устройства находится в режиме «глубокого сна».

микроконтроллер процессорный аналоговый датчик

Рисунок 1.

Технология LESENSE, интегрированная в микроконтроллеры EFM32, подразумевает автономную работу интерфейса датчиков в системах промышленного КиА.

Контроллер интерфейса LESENSE работает от источника тактовой частоты 32 кГц и управляет его активностью, в то время как выходы компаратора могут быть сконфигурированы как источники прерываний для «пробуждения» процессора, а ЦАП может быть выбран в качестве источника опорного сигнала компаратора. Технология LESENSE также включает в себя программируемый декодер, который можно настроить на генерирование сигнала прерывания только при выполнении условий нескольких датчиков в одно время. Компания Digi-Key предлагает стартовый набор EFM32 Tiny Gecko Starter Kit, в состав которого входит демонстрационный проект LESENSE. Микроконтроллеры семейства Tiny Gecko выполнены на ядре ARM Cortex-M3 с рабочей частотой до 32 МГц и нацелены на применение в системах промышленной автоматизации, где требуется измерение температуры, вибрации, давления и регистрация движений.

Протокол IO-Link. Внедрение нового мощного интерфейса датчиков и исполнительных механизмов помогает многим производителям продлить жизненный цикл своих 8- и 16-разрядных микроконтроллеров на арене промышленных систем автоматизации. Этот протокол интерфейса передачи данных получил название IO-Link и уже поддерживается лидерами в секторе промышленной автоматизации и, в частности, производителями микроконтроллеров.

Передача данных по протоколу IO-Link осуществляется по 3-проводному неэкранированному кабелю на расстояния до 20 метров, что позволяет внедрить интеллектуальные датчики и исполнительные механизмы в существующие системы. Протокол подразумевает, что каждый датчик или исполнительный механизм является «интеллектуальным», другими словами каждая точка выполнена на микроконтроллере, но сам протокол очень простой, поэтому для этих целей вполне будет достаточно 8-разрядного микроконтроллера, и это именно то, что используется в настоящее время многими производителями.

Протокол (также известный как SDCI - Single-drop Digital Communication Interface, регламентирован по спецификации IEC 61131-9) является сетевым коммуникационным протоколом связи типа «точка-точка», с помощью которого связываются датчики и исполнительные механизмы с контроллерами. IO-Link делает возможным интеллектуальным датчикам передавать в контроллеры свой статус, параметры всех настроек и внутренние события. Как таковой, он не предназначен для замены существующих коммуникационных уровней, таких как FieldBus, Profinet или HART, но может работать вместе с ними, упрощая обмен данными бюджетного микроконтроллера с прецизионными датчиками и исполнительными механизмами.

Консорциум производителей, использующих IO-Link, считает, что можно значительно снизить сложность систем, а также ввести дополнительные полезные функции, например, диагностику в реальном времени посредством параметрического мониторинга (Рисунок 3). При интеграции в топологию FieldBus через шлюз (опять же, реализуется на микроконтроллере или программируемом логическом контроллере), сложные системы могут контролироваться и управляться централизованно из диспетчерской. Датчики и исполнительные механизмы можно настроить удаленно, отчасти потому, что датчики по спецификации IO-Link знают о себе намного больше, чем «обычные» датчики.

В первую очередь заметим, что собственный идентификатор (и производителя) и различные настройки встроены в датчик в формате XML и доступны по запросу. Это позволяет системе мгновенно классифицировать датчик и понять его назначение. Но, что более важно, IO-Link позволяет датчикам (и исполнительным механизмам) предоставлять контроллеру данные непрерывно в реальном времени. Фактически, протокол подразумевает обмен тремя типами данных: данные о процессе, сервисные данные и данные о событиях. Данные о процессе передаются циклически, а сервисные данные передаются ациклично и по запросу ведущего контроллера. Сервисные данные могут использоваться при записи/чтении параметров устройства.

Некоторые производители микроконтроллеров присоединились к консорциуму IO-Link, который недавно стал Техническим Комитетом (TC6) в составе международного сообщества PI (PROFIBUS & PROFINET International). По сути, IO-Link устанавливает стандартизированный метод для контроллеров (включая микроконтроллеры и программируемые логические контроллеры) для идентификации, контроля и обмена данными с датчиками и исполнительными механизмами, которые используют этот протокол. Список производителей IO-Link-совместимых устройств постоянно растет, как и всесторонняя аппаратно-программная поддержка производителей микроконтроллеров.

Часть этой поддержки исходит от компаний специализирующихся на этой области, например, Mesco Engineering - немецкая компания, которая сотрудничает с рядом производителей полупроводниковых приборов с целью разработки решений IO-Link. В списке ее партнеров достаточно крупные и известные компании: Infineon, STMicroelectronics, Atmel и Texas Instruments. Infineon, например, портировала программный стек от Mesco на свои 8-разрядные микроконтроллеры серии XC800, а также оказывает поддержку разработки ведущего устройства IO-Link на базе своих 16-разрядных микроконтроллеров.

Стек, разработанный Mesco, также был портирован на 16-разрядные микроконтроллеры Texas Instruments серии MSP430, в частности, для MSP430F2274.

Производители также уделяют свое внимание разработке дискретных приемопередатчиков интерфейса IO-Link. Например, компания Maxim выпускает микросхему MAX14821, которая реализует интерфейс физического уровня для микроконтроллера, поддержтвающего канальный уровень протокола (Рисунок 4). Два внутренних линейных регулятора вырабатывают общие для датчика и исполнительного механизма напряжения питания 3.3 В и 5 В, подключение к микроконтроллеру для конфигурирования и мониторинга осуществляется по последовательному интерфейсу SPI.

Рисунок 2.

Микросхема приемопередатчика MAX14821 предоставляет физический уровень интерфейса IO-Link для микроконтроллера, реализующего канальный уровень интерфейса.

Вполне вероятно, что благодаря простоте реализации и внедрения интерфейса IO-Link, все больше производителей будут интегрировать этот физический уровень с другой специализированной периферией, присутствующей в микроконтроллерах, с целью применения в промышленных системах автоматизации. Компания Renesas уже представила ассортимент специализированных контроллеров IO-Link Master/Slave на основе своих 16-разрядных микроконтроллеров семейства 78К.

Системы промышленной автоматизации всегда зависели от сочетания измерений и управления. В течение последних нескольких лет заметен рост уровня промышленных сетевых коммуникаций и протоколов, однако, интерфейс между цифровой и аналоговой частью системы остался относительно неизменным. С введением интерфейса IO-Link датчики и исполнительные механизмы, разрабатываемые в настоящее время, способны все же взаимодействовать с микроконтроллером в более изощренной форме. Коммуникационный протокол связи типа «точка-точка» обеспечивает не только более простой способ обмена данными для управления элементами системы, но и расширение возможностей бюджетных микроконтроллеров.

Новое поколение 32-разрядных микроконтроллеров с ядром ARM Cortex-M3 позволяет понизить энергопотребление и открывает новые возможности интеллектуальных систем автоматизации

Процессор ARM Cortex-M3 - это хороший пример одного из последних поколений процессоров, разработанных компанией ARM, которые достигли массового применения во встраиваемых системах. Они обеспечивают снижение стоимости платформы, которая отвечает потребностям разработчиков встраиваемых систем за счет снижения количества выводов, низкого энергопотребления и минимального времени реакции на прерывания.

Ядро использует 3-уровневый конвейер с Гарвардской архитектурой, что подразумевает отдельные шины инструкций, данных и периферии. Такая архитектура подходит для приложений чувствительных к цене, но ARM добавила еще внутренний модуль предварительной выборки, который поддерживает спекулятивные ветвления для повышения производительности. Это сочетание необходимо для уравновешивания рисков, связанных с ошибками КЭШа, с требованиями к задержкам встраиваемых приложений.

Ядро было специально разработано, чтобы бросить вызов 8/16-разрядным контроллерам с точки зрения эффективности кода, поддерживающего компактный набор инструкций ARM Thumb2, требующих минимальной системной логики, и которые зачастую могли бы выполняться исключительно в чипе. Для производителей микроконтроллеров, ядро является основным для целого семейства устройств с различным набором периферии, совместимых по выводам корпуса, насколько это возможно. Периферия микроконтроллеров ориентирована на различные сегменты рынка, от домашней автоматизации до систем промышленного управления и контроля. Для разработчиков это возможность выбора микроконтроллера, отвечающего требованиям приложения (производительность, периферия, стоимость) и возможность оптимизации под конкретную задачу без дорогостоящих услуг конфигурирования.

Ключевой особенностью микроконтроллеров является то, что программное обеспечение, разработанное для одного микроконтроллера, может в дальнейшем использоваться для всех представителей семейства, и оно совместимо по возрастанию с новыми устройствами, выполненными на базе архитектуры Cortex-M4. Это дает разработчикам простой и легкий способ обновления и наращивания возможностей проектов. Будучи 32-битным, ядро позволяет применять высокоуровневые отладочные инструменты и запускать операционные системы реального времени. Вместо использования ассемблера или другого специализированного языка программирования, разработчики систем автоматики могут использовать язык Си и экосистемы отладочных инструментов для всего семейства микроконтроллеров Cortex-M3. В случае, если разработчик захочет отойти от этого семейства, то также возможно, что 32-битный код может быть при необходимости портирован на другие архитектуры, избавляя от вложения значительных инвестиций в разработку и тестирование.

Переход на 32-битную архитектуру приносит конкретную пользу для систем интеллектуальной автоматизации. Это позволяет легко интегрировать стеки коммуникационных протоколов сторонних разработчиков в базовое программное обеспечение, что открывает новые возможности сетевой передачи данных. Они могут варьироваться от стеков беспроводной передачи данных (ZigBee и 2.4 ГГц Wi-Fi) до TCP/IP стека, который позволит подключить любое устройство в доме к Интернет и управлять им с помощью WEB-интерфейса. Также это влияет на тип периферийных устройств, которые необходимы системе. Например, микроконтроллеры компании STMicroelectronics (ST) серии STM32F20x имеют 512 Байт встроенной однократно программируемой памяти, которая может использоваться для хранения критически важных пользовательских данных, таких как MAC адрес или криптографические ключи.

Ядро Cortex-M3 является более сложным, чем ядро микроконтроллеров основного направления. STM32F205x и STM32F207x совмещают ядро Cortex-M3 с блоком защиты памяти (MPU) - дополнительным компонентом для разделения адресного пространства процессов и защиты данных. Этот блок поддерживает управление до восьми областей защищаемой памяти, которые могут быть разбиты на 8 подобластей. Размеры защищаемой зоны могут быть от 32 Байт до 4 ГБайт адресуемой памяти.

Это особенно полезно для приложений, где некоторый критически важный код должен быть защищен от неправильного поведения других задач, таких как сетевые стеки и аутентификация. Особую актуальность данный блок приобретает в приложениях домашних систем, чтобы избежать перезагрузки устройства из-за ошибок в программном обеспечении.

Блок защиты памяти, как правило, управляется операционной системой реального времени с ядром, которое может динамически обновлять настройки области MPU на основе процесса, который будет выполнен.

Компания ST также разработала пользовательский блок, получивший название Adaptive Real-time Memory Accelerator (ART Accelerator, адаптивный ускоритель памяти реального времени), для ядра Cortex-M3, предоставляющий преимущества по сравнению с традиционными технологиями Flash-памяти, которые обычно требуют от процессора некоторого время ожидания при работе на высоких скоростях.

Ускоритель использует инструкции предварительной выборки очереди и КЭШ ветвлений для повышения скорости выполнения приложения из 128-битной Flash-памяти. Тест CoreMark показал, что эффективность, достигаемая за счет ускорителя, такая же, как при выполнении программы из Flash-памяти с нулевым временем ожидания на частоте 120 МГц.

Системы домашней автоматизации. Системы домашней автоматизации являются основными на рынке устройств на микроконтроллерах с ядром Cortex-M3. Спектр устройств с различной периферией позволяет разрабатывать одинаковое программное обеспечение для широкого круга устройств управления, а также для центрального узла или шлюза контроллера.

32-разрядные микроконтроллеры с рабочей частотой от 20 МГц до 168 МГц доступны от разных производителей, и поэтому можно выделить некторый диапазон точек производительности, объема памяти и набора периферии, которые могут быть подобраны для конкретного приложения, будь-то контроллер интеллектуальной системы освещения или мини-концентратор для управления различными устройствами. Наличие широкого спектра стеков сетевых протоколов для ядра Cortex-M3 помогает ускорить разработку и тестирование. Некоторые производители, например Atmel, оптимизировали периферию микроконтроллера для управления оборудованием в доме.

Микроконтроллеры Atmel серии SAM3N (Таблица 1) работают на частоте до 48 МГц и имеют встроенную Flash-память до 256 КБайт и ОЗУ до 24 КБайт. Периферия микроконтроллера включает в себя 2 USART, 2 UART, 2 канала TWI а также ШИМ таймер, шесть 16-битных таймеров общего назначения, часы реального времени, 10-битный АЦП и 10-битный ЦАП (Рисунок 1). Дополнительно микроконтроллеры поддерживают библиотеку Atmel QTouch для организации емкостного сенсорного интерфейса, предоставляющей простой путь реализации в устройствах сенсорных кнопок, сладйеров и колесиков.

Таблица 1. Состав семейства микроконтроллеров SAM3N

Микроконтроллеры сохраняют работоспособность при напряжении питания от 1.62 В до 3.6 В и доступны в 48/64/100-выводных корпусах. Приборы пришли на смену семейству SAM3S для чувствительных к цене приложений систем домашней автоматизации.

Продукты компании NXP также нацелены на системы домашней автоматизации. Микроконтроллеры серии LPC1311/13/42/43 могут работать на более высоких частотах до 72 МГц, имеют до 32 КБайт Flash-память, до 8 КБайт ОЗУ, полную поддержку интерфейса USB 2.0 (LPC1342/43), интерфейс I2C, модуль UART, четыре таймера общего назначения и до 42 линий ввода/вывода общего назначения.

Именно из-за большого числа линий ввода/вывода эти микроконтроллеры рассчитаны на применение в интеллектуальных приборах учета, системах освещения, сигнализации и управления бытовой техникой.

Одним из преимуществ этого семейства является встроенная USB PHY поддержка, посредством которой можно организовать загрузку микроконтроллера с USB или UART интерфейса, что значительно упрощает разработку и отладку. Дополнительно микроконтроллер снабжен выходным драйвером на 20 мА на одном выводе и драйвером втекающего тока 20 мА на двух выводах интерфейса I2C для управления внешними устройствами в высокоскоростном режиме до 1 Мбит/с.

Тем не менее, микроконтроллеры Cortex-M3 были созданы не только хорошо известными компаниями. Норвежская компания Energy Micro использовало это ядро для разработки микроконтроллеров с самым низким энергопотреблением на рынке.

Микроконтроллеры EFM32 «Gecko» выполнены на ядре Cortex-M3 с применением инновационных методов снижения энергопотребления. Они обладают коротким временем выхода из энергосберегающих режимов и, конечно, снабжены богатой периферией. Их основное применение видится в устройствах с батарейным питанием и в системах, где требуется высокая производительность и низкое потребление.

Компания разработала блок управления питанием для управления всеми энергосберегающими режимами микроконтроллера, включением и выключением периферии, а также отключением питания неиспользуемых блоков ОЗУ.

Блок управления тактированием также принимает в этом немаловажное участие - он позволяет программному обеспечению управлять тактовым сигналом для периферии на индивидуальной основе, настройкой и отключением доступных осцилляторов, которые могут потреблять значительное количество энергии, даже когда не используется.

Также следует отдельно отметить Peripheral Reflex System (PSR) - разработанную компанией технологию внутренней связи, позволяющую различным периферийным блокам осуществлять передачу данных без участия центрального процессора.

Рисунок 3.

Микроконтроллеры EFM32 "Gecko" благодаря применению инновационных технологий имеют крайне низкое энергопотребление.

Микроконтроллеры EFM32 «Gecko» отличаются низким потреблением коммуникационного блока UART, позволяющего организовать двухстороннюю связь по UART при строгом минимальном уровне энергопотребления на скорости 9600 Бод, работая только от одного источника тактового сигнала с частотой 32768 Гц. Аналогично, 16-битный Low Energy таймер (LETIMER) может использоваться, когда бульшая часть микроконтроллера находится в энергосберегающем режиме, что позволяет выполнять простые задачи, в то время как энергопотребление системы поддерживается на абсолютном минимуме. Он может использоваться для генерации и вывода различных сигналов с минимальным программным участием, его можно связать со счетчиком реального времени.

Системы промышленной автоматизации. Более высокий уровень производительности ядра микроконтроллера означает возможность применения его в промышленных системах управления, коммуникационном оборудовании, также как в программируемых логических контроллерах и системах промышленного зрения. Опять же переход на 32-битную архитектуру поддерживает использование различных стеков сетевых коммуникационных интерфейсов, от Ethernet и Fieldbus до беспроводных ZigBee и Wi-Fi.

Микроконтроллеры STM32F207xx могут работать на частоте до 120 МГц, и специально разработаны для промышленного применения. Огромный выбор объемов встроенной памяти и периферии отвечает требованиям приложений. Вся периферия микроконтроллера подключена к двум шинам APB, двум шинам AHB и к 32-битной матрице шин multi-AHB. Такая архитектура позволяет в дальнейшем добавлять новые периферийные узлы и гарантирует, что они смогут общаться без блокирования.

Все представители семейства имеют три 12-битных АЦП, два ЦАП, часы реального времени с низким потреблением, двенадцать универсальных 16-битных таймеров, в том числе два ШИМ таймера для управления электродвигателями, два универсальных 32-битных таймера, генератор случайных чисел. К новой периферии относятся интерфейс SDIO, интерфейс камеры для КМОП сенсора и расширенный контроллер управления статической памятью.

Микроконтроллеры семейств STM32F205xx и STM32F207xx сохраняют работоспособность в диапазоне температур от -40 °С до +105 °С при рабочем напряжении 1.8 В - 3.6 В. Напряжение питания может снижено до 1.65 В, когда микроконтроллер работает в узком диапазоне температур. Это означает, что они могут применяться в системах управления электродвигателями, медицинском оборудовании, программируемых логических контроллерах и системах сигнализации, а также в принтерах, сканерах и аудио системах.

Обе компании NXP и ST добавили в свои микроконтроллеры контроллер вложенных векторных прерываний (NVIC). В серии STM32F205xxx NVIC обрабатывает до 87 каналов маскируемых прерываний (не считая 16 каналов прерываний ядра Cortex-M3) по 16 уровням приоритета.

Применение NVIC сокращает время задержки обработки прерывания, т.к. адрес вектора входа в прерывания передается непосредственно в ядро для обработки ранних прерываний и прерываний, приходящих позже с высоким уровнем приоритета, что является ключевым требованием для промышленных систем, которые должны реагировать на внешние события в реальном времени.

В будущем. Одним из преимуществ использования Cortex-M3 является перспектива перехода в дальнейшем на более производительные микроконтроллеры. Семейства STM32F405xx и STM32F407xx выполнены на базе ядра Cortex-M4F, работают на частоте до 168 МГц и имеют встроенный модуль вычислений одинарной точности с плавающей точкой, который поддерживает все ARM инструкции обработки данных и типы данных. Дополнительно микроконтроллеры содержат набор DSP инструкций и блок защиты памяти, который повышает безоапсность приложений, а также крипто/хэш процессор, поддерживающий аппаратное ускорение 128/192/256-битного AES, Triple DES и HASH (MD5, SHA-1) шифрования.

Хоть микроконтроллеры не являются совместимыми по выводам корпуса из-за различного набора периферии, весь бинарный код микроконтроллеров Cortex-M3 будет работать непосредственно на ядре, что дает быстрый способ повышения производительности проектов следующего поколения.

NXP использует ядро Cortex-M4 для нового класса приборов - цифровых сигнальных контроллеров с рабочей частотой выше 150 МГц. Разработанные с применением 90 нм технологического процесса Ultra-Low-Leakage, цифровые сигнальные контроллеры рассчитаны на применение в системах управления электродвигателями, цифрового управления источниками питания и встраиваемыми аудио приложениями. Компания демонстрировала приложение 7-канального графический аудио эквалайзера с 32-битной точностью обработки аудио данных, которое требует от процессора всего 12 МГц при использовании DSP расширений ядра Cortex-M4, что сравнимо с производительностью 60 MIPS без использования этих расширений.

Заключение

Микроконтроллеры, благодаря своей высокой производительности и богатой периферии, открывают широкий диапазон новых приложений в системах промышленного контроля и автоматизации систем качества. При наличии нескольких поставщиков, предоставляющих различные сочетания периферии и специализированных блоков, разработчики могут выбрать микроконтроллер, точно отвечающий требованиям конкретного приложения. Преимущества от использования стандартного 32-битного ядра - доступность стеков коммуникационных протоколов, современные и универсальные экосистемы разработки и отладки, снижение затрат на разработку и тестирование, что ведет к снижению стоимости конечного продукта.

Благодаря ядру Cortex-M3 разработчики могут переносить код между различными микроконтроллерами семейства и даже между микроконтроллерами от разных производителей. Модернизация до грядущих систем с ядром Cortex-M4 позволит достичь более высокой производительности с минимальными рисками проекта и добавить новые возможности, не только увеличивая скорость работы, но и оптимизируя код под приложения управления и обработки сигналов в сердце системы промышленного контроля.

Список используемой литературы

1. Межгосударственный стандарт ГОСТ ISO 9000-2011 "Системы менеджмента качества. Основные положения и словарь".

2. Межгосударственный стандарт ГОСТ ISO 9001-2011 "Системы менеджмента качества. Требования".

3. Гоц С.С. Основы построения и программирования автоматизированных систем цифровой обработки сигналов. 4-е издание. - Уфа, 2009,

4. Келим Ю.М. Типовые элементы систем автоматического управления. - М.: ФОРУМ ИНФРА-М, 2004.

5. Гальперин М.В. Автоматическое управление. - М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2004.

6. Уайндер С. Справочник по технологиям и средствам связи. - М.: Мир, 2000

7. Бондарук А.М., Гоц С.С., Ямалетдинова К.Ш., Гимаев Р.Н. Автоматизированные системы управления качеством в технологических процессах: учебное пособие - Уфа, 2007

8. Гальперин М.В. Электронная техника. - М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2005

9. Цифровые и аналоговые системы передачи / В.И.Иванов, В.Н.Гордиенко, Г.Н.Попов и др. - 2-е изд. - М.: Горячая линия - Телеком, 2003

10. Вернер М. Основы кодирования. - М.: Техносфера, 2004

11. Крейнак Джо Персональный компьютер: [Пер. с англ.]/Джо Крейнак - М.: АСТ: Астрель, 2012

12. Макарова Н.В., Николайчук Г.С., Титова Ю.Ф. Компьютерное делопроизводство. - СПб.: Издательский дом «Питер», 2011

13.Под ред. проф. Шуремова Е.Л., доц. Тимаковой Н.А., доц. Мамонтовой Е.А. Практикум по экономической информатике. - М.: Перспектива, 2011

14. Аладышев А.В., Аппаратное обеспечение ПК: А.В. Аладышев М-во здравоохранения РФ, Алт. Гос. Мед. Ун-т - Барнаул: Азбука, 2012

15. Статья «Разработка интеллектуальных систем автоматизации на базе микроконтроллеров ARM Cortex-M3», Автор Лоцман В.В. Адрес статьи: http://www.rlocman.ru/review/article.html?di=134036.

Размещено на Allbest.ru