Обширный спектр модулей различного назначения позволяет оптимальным образом адаптировать станции ET 200S для решения широкого круга задач автоматического управления. (рис. 1.12).

Рисунок 1.12 - Модули SIMATIC ET 200S

При этом количество каналов ввода-вывода может выбираться без всякого резервирования в точном соответствии требованиям задачи. Замена модулей может производиться без остановки станции. Скорость передачи информации по сети PROFIBUS-DP может достигать 12 Мбит/с, что позволяет использовать станцию в системах, критичных к времени обработки информации. Для создания безопасных систем управления станции ET 200S позволяют использовать технологию SIGUARD. В общей сложности станция позволяет размещать до 64 модулей различного назначения с общим адресным пространством ввода-вывода 128 байт. Модули ввода-вывода могут комбинироваться в любых сочетаниях. Все модули объединяются в единую систему по внутренней шине станции. Все модули ввода-вывода и модули коммутации силовых цепей станции устанавливаются на терминальные модули. Терминальные модули содержат клеммы для подключения внешних цепей, участки внутренней шины станции и разъемы для подключения модулей ввода-вывода или магнитных пускателей. Терминальные модули могут устанавливаться на профильные шины 35х15 мм или 35х7.5 мм.

Подобная конструкция обеспечивает наличие следующих преимуществ:

а) быстрое выполнение всех внешних электрических соединений без компонентов электроники;

б) возможность выполнения быстрой и простой проверки всех электрических соединений без отключения питания;

в) возможность “горячей замены” модулей во время работы станции;

г) автоматическое кодирование модулей электроники для исключения ошибок при их замене.

В таблице 1.8 приведены основные параметры модулей.

Таблица 1.8 - Модули дискретных входов, выходов и специальных функций

Программная поддержка осуществляется ПО STEP 7 - это базовый пакет программ, включающий в свой состав весь спектр инструментальных средств, необходимых для программирования и эксплуатации систем управления, построенных на основе систем автоматизации SIMATIC S7/C7/WinAC. Отличительной особенностью пакета STEP 7 является возможность разработки комплексных проектов автоматизации, базирующихся на использовании множества программируемых контроллеров, промышленных компьютеров, устройств и систем человеко-машинного интерфейса, устройств распределенного ввода-вывода, сетевых структур промышленной связи. Конфигурирование и параметрирование станций распределенного ввода-вывода ET 200S выполняется с помощью встроенных инструментальных средств STEP 7 или COM PROFIBUS. Для выполнения этих операций с помощью программного обеспечения других производителей могут быть использованы GSD файлы.

Инструментальные средства проектирования имеют проблемную ориентацию и используются для расширения функциональных возможностей стандартных инструментальных средств. Применение инструментальных средств данного класса повышает удобство выполнения проектных работ, сокращает сроки проектирования и затраты на его выполнение. В состав инструментальных средств проектирования входят языки программирования высокого уровня, графические языки программирования, вспомогательное программное обеспечение для диагностики, моделирования, ведения документации и т.д.

Программное обеспечение runtime позволяет использовать при разработке проектов заранее созданные программные блоки, выполняющие стандартные функции автоматического управления. Эти блоки могут вызываться из программы пользователя. Программное обеспечение runtime подразделяется на аппаратно зависимое и аппаратно независимое. Аппаратно зависимое программное обеспечение разрабатывается для конкретных видов оборудования, аппаратно независимое находит общее применение.

Аппаратно независимое программное обеспечение позволяет создавать:

- системы компьютерного управления simatic winac.

- системы автоматического регулирования на базе simatic s7/c7/winac.

- интерфейс обмена данными между системами управления и стандартными программами Windows.

2. Разработка аппаратного обеспечения модуля дискретного ввода-вывода

2.1 Разработка структурной схемы модуля

Структурная схема дискретного ввода-вывода изображена на рис. 2.1.

Рисунок 2.1 - Структурная схема модуля дискретного ввода-вывода

Для обеспечения независимой и взаимно безопасной работы в состав модуля введена гальваническая развязка по всем каналам ввода и вывода. Для этого целесообразно использовать транзисторные оптроны с уровнем прочности изоляции не менее 2500 В. Поскольку выходной ток таких оптроном достаточно малый, то для работы выходных каналов необходимо их дополнить силовыми транзисторами.

Поскольку модуль дискретного ввода-вывода может быть построен для произвольного количества каналов, то с целью уменьшения числа требуемых портов микроконтроллера используются сдвиговые регистры. Сдвиговые регистры осуществляют преобразование параллельных данных в последовательные, которые считываются по интерфейсу SPI микроконтроллером. Такое решение позволит наращивать количество каналов ввода-вывода без существенной переделки блока микроконтроллера.

Микроконтроллер в этом модуле выполняет функции преобразования данных поступающих через интерфейс USART по протоколу ModBus ASCII и выдачи данных через SPI. Преобразователь RS-485 служит для согласования интерфейса USART микроконтроллера и физического уровня шины ModBus.

2.2 Подбор схемных решений для реализации блоков структурной схемы

Типичный случай, когда нужно больше выходов, чем есть в наличие у подходящего микроконтроллера. В этом случае самый простой выход - использовать сдвиговый регистр. Например, 74HC595 - представляющий собой восьмиразрядный сдвиговый регистр с последовательным вводом, последовательным или параллельным выводом информации, с триггером-защелкой и тремя состояниями на выходе (рис. 2.2).

Рисунок 2.2 - Внутреннее устройство регистра 74HC595

Этот регистр позволяет контролировать 8 выходов, используя всего несколько выходов на самом микроконтроллере. При этом несколько таких регистров можно объединять последовательно для каскадирования. По сути, это преобразователь последовательного интерфейса в параллельный. Получает данные по SPI, а потом разом выставляет уровни на 8 ножках согласно полученным битам. Биты, выставляемые ведущим на выводе SI, проталкиваются по цепочке D-триггеров с каждым тактовым импульсом (от ведущего) на ноге SCK. Одновременный вывод на ножки параллельного интерфейса обеспечивается так называемой защёлкой (latch) RCK, которая «не пускает» переданные биты на выводы раньше времени. Вывод G управляет состоянием выводов -- включает их либо переводит в состояние Hi-Z.

Необходимые значения сигнала (биты HIGH или LOW) передаются в регистр один за другим, при этом регистр получает синхронизирующий сигнал, который заставляет его считать сигнал с входа. Когда байт (1 байт = 8 бит) считан, значения всех 8 бит распределены по выходам. То есть передаем в регистр сигналы последовательно, на выходах регистра имеем параллельно 8 сигналов. 74HC595 может отдавать сигналы не только параллельно, но и последовательно, а это необходимо при объединении нескольких регистров, для получения 16 и более выходов. В этом случае первые 8 бит сигнала передаются на следующий регистр для параллельного вывода на нем. Типичная схема подключения регистра 74HC595 для управления светодиодами показана на рис. 2.3.

Рисунок 2.3 - Схема включения регистра 74HC595

Выбор схемы подключения входов модуля.

Часто возникает необходимость использования большого количества входов для различных целей. Существует множество вариантов реализации данной задачи. Самый простой способ - использовать сдвиговые регистры, которые подключаются к МК по трем проводам. Максимальное количество параллельных входов ограничивается лишь максимально допустимым временем на сканирование. Ограничением может выступать лишь пропорционально возрастающее время сканирования каналов.

Например, регистр 74HC165 преобразует параллельный интерфейс в последовательный. Внутренняя схема регистра показана на рис. 2.4.

Рисунок 2.4 - Внутренняя схема регистра 74HC165

Вход SH/L?D (сдвиг/загрузка) управляет занесением состояний входов в триггеры - так называемой параллельной загрузкой: подача логического нуля переписывает состояние входов регистра триггеров. Чтобы отключить триггеры от входов регистра и иметь возможность читать из регистра, нужно установить SH/L?D в 1. Тактирование происходит при переходе CLK из 0 в 1 при условии, что SH/L?D = 1 (параллельная загрузка отключена), а CLK INH = 0 (тактирование включено). При каждом такте CLK каждый триггер продвигает бит в следующий триггер, захватывая бит со своего 1D-входа. Так как к 1D-входу первого триггера подключен вход SER, то подаваемые на него биты проходят в регистр, позволяя соединять регистры в цепочки. В конечном итоге биты достигают выхода последнего регистра, где подаются сразу на два вывода -- на QH и, через инвертор, на Q?H.

Схема расширения количества портов на регистрах довольно удобная за счет своей дешевизны и универсальности. Их часто используют для подключения светодиодов, семисегментных индикаторов и т.п. по небольшому количеству выводов микроконтроллера. Пример работы с клавиатурой показан на рис. 2.5.

Рисунок 2.5 - Схема подключения клавиатуры с использованием сдвиговых регистров

Принцип работы схемы основан на преобразовании параллельного и последовательного способа передачи информации. Параллельной передачей данных называют метод передачи нескольких сигналов с данными одновременно по нескольким параллельным каналам, например порт целиком, сразу все восемь бит. При последовательной передачи данных биты пересылаются по одной линии связи, друг за другом, последовательно, например по UART или по SPI. В схеме рис. 2.5 сдвиговый регистр осуществляет конвертацию параллельного входного сигнала в последовательный выходной. В процессе сканирования клавиатуры он будет захватывать 8 значений из блока клавиатуры и последовательно отсылать его в микроконтроллер.

Выбор схемы гальванической развязки.

Гальваническая развязка информационных сигналов применяется в системах управления для исключения электрической (гальванической) связи между источниками управляющего и исполнительного сигналов. Данная задача сводится к разделению общего провода источника и приемника информации за счет введения дополнительного информационного канала между ними. В качестве информационного канала используются различные физические поля и эффекты: электростатическое поле на границе раздела двух сред (полевые транзисторы); электромагнитное поле (трансформаторы тока и напряжения, электромагнитные реле, сфокусированный световой поток и т.п.).

Наибольшее распространение получили блоки оптронной развязки, построенные на основе оптоэлектронных преобразователей (рис. 2.6).

Рисунок 2.6 - Блок оптической развязки

Основу блока оптронной развязки (БОР) составляет оптопара (оптрон), который включает излучатель и приемник светового потока, заключенные в корпус, и разделенные оптически прозрачной средой. В качестве фотоизлучателя обычно используют инфракрасные излучающие диоды, а в качестве фотоприемника - фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры и фоторезисторы. В зависимости от типа фотоприемника различают диодные, транзисторные, тиристорные и резисторные оптроны. При передаче информации оптроны используются в качестве элементов связи, и, как правило, не несут самостоятельной функциональной нагрузки. Их применение позволяет осуществить весьма эффективную гальваническую развязку устройств управления и нагрузки, действующих в различных электрических условиях и режимах. С введением оптронов резко повышается помехоустойчивость каналов связи; практически устраняются "паразитные" взаимодействия по цепям "земли" и питания.

Выбор схемы согласования интерфейса RS-485.

RS-485 - это, прежде всего, обновление RS-422 для многоточечной шины. Этот стандарт характеризуется улучшенными параметрами RS-422 и дополнительно обеспечивает до 32 драйверов и 32 приемников, связанных по одной шине. Типичным представителем данных схем ST для RS-485 являются микросхемы серии ST485. Они обеспечивают полудуплексную двунаправленную передачу на большом расстоянии с высокой скоростью передачи данных. Типичными применениями этих схем являются локальные сети, промышленная электроника (устройства с программируемыми логическими контроллерами), автоэлектроника и компьютерные интерфейсы. Современные тенденции в области передачи данных ведут к развитию более быстрых устройств с меньшими ошибками бита данных, и ST485 выполняет все эти требования.

ST485 - это приемопередатчик для интерфейсов RS-485 и RS-422 с питанием от +5 В. Состоит из одного передатчика и одного приемника. Типовой ток потребления составляет 300 мА при полной нагрузке. Диапазон входного напряжения синфазного сигнала от -7 до +12 В с типовым входным гистерезисом 70 мВ. Скорость передачи данных более чем 10 Мбит/с. Передатчик имеет защиту от перенапряжений при коротких замыканиях и от температурного перегрева, которая переводит его выходы в состояние высокого импеданса, а также защиту от искровых и электростатических разрядов. На рис.2.7 показана внутренняя структура ST485.

Рисунок 2.7 - Внутренняя структура приемопередатчик для интерфейсов

Линейные выводы передатчика и приемника объединены, то есть двунаправленная связь фактически может быть только полудуплексной. Управление через выводы RE и DE осуществляется для доступа к приемнику или передатчику соответственно и во многих приложениях оно совместное. Передатчик имеет ввод TTL при дифференциальном выходе. Дифференциальный вход приемника внутренне связан с выходом передатчика.

Наиболее важными параметрами ST485, обеспечиваемыми по стандарту RS-485, являются:

- порог по входному сигналу приемника ±200 мВ, что гарантирует хорошую помехозащищенность;

- входное сопротивление приемника больше, чем 40 кОм, что позволяет подключать до 64 модулей;

- напряжение синфазного сигнала для приемника по стандарту RS_485 составляет от -7 до +12 В, что дает возможность различным устройствам работать правильно при различии в потенциале земли до ±7 В;

- дифференциальное выходное напряжение передатчика более чем 1,5 В при сопротивлении нагрузки 27 Ом;

- защита передатчика от короткого замыкания осуществляется ограничением тока короткого замыкания до 70 мА, что и обеспечивает защиту для целой линии.

При передаче данных по витой паре на прохождение сигнала в линии влияет много факторов, например, импульсные помехи и наведенные токи. При дифференциальной передаче те же самые факторы создают помехи на входах А и В (рис. 2.7), так что различий здесь нет, но все синфазные составляющие помех на входе приемника при этом взаимно компенсируются. Типовое применение ST485 - локальная сеть до 64 устройств с резистивным согласованием только на первом и последнем модуле, значение которого зависит от импеданса линии (54 или 120 Ом). Во избежание проблем при передаче, длина шлейфа к подключаемому узлу должна быть небольшой (менее 15 см).

ST485 имеет внутреннюю отказоустойчивую схему, полезную при отключении дифференциального входа, например, когда все передатчики на линии находятся в состоянии высокого импеданса. Отказоустойчивая схема устраняет неопределенность состояния приемника, который остается на устойчивом логическом уровне, пока входное дифференциальное напряжение превышает ±200 мВ.

2.3 Выбор микроконтроллера для управления модулем

На сегодняшний день микроконтроллеры AVR фирмы Atmel являются лидерами на рынке по соотношению цена/качество. При умеренной цене можно получить хороший набор периферийных устройств (таймеры, АЦП, компараторы и т.д.), бесплатные средства разработки программ, как на языке Ассемблер ( AVRStudio), так и Си (WinAVR). В качестве «ядра» используем микроконтроллер семейства AVR - АТmega168-16AU. Это современный 8-битный КМОП-микроконтроллер (архитектура изображена на рис. 2.8), имеет производительность около 16 MIPS за счет того, что почти все команды он выполняет за один период тактового генератора.

Рисунок 2.8 - Архитектура микроконтроллера ATmega168

Микроконтроллер обладает следующими особенностями:

- 8 кб Flash-память программы;

- 512 байтов EEPROM;

- 23 линий ввода/вывода общего назначения;

- 32 рабочих регистра;

- три таймера/счетчика: два 8-разрядных и один 16-разрядный;

- внешние и внутренние прерывания.

Также есть 8-и канальный 10-разрядный АЦП, встроенный последовательный порт, программируемый сторожевой таймер со встроенным генератором, последовательный порт SPI для загрузки программ, два выбираемых программно режима низкого энергопотребления, но их в данном устройстве использовать не имеет смысла.

Флэш-память на кристалле может быть перепрограммирована непосредственно в системе через последовательный интерфейс SPI.

Регистровый файл микроконтроллера (РОН) содержит 32 8-разрядных регистра общего назначения, доступ к которым осуществляется за один машинный цикл. Благодаря этому микроконтроллер может выполнить большинство команд за один цикл тактовой частоты.

Кроме регистровых операций, для работы с регистровым файлом могут использоваться другие режимы адресации, так как регистровый файл занимает адреса $00-$1F в области данных, обращаться к ним можно и как к ячейкам памяти.

Все пространство памяти AVR является линейным и непрерывным. Большинство команд, использующих регистры, могут использовать любые регистры общего назначения.

Исключение составляют пять команд, оперирующих с константами: SBCI, SUBI, CPI, ANDI, ORI и команда LDI, загружающая регистр константой. Эти команды работают только со второй половиной регистрового файла - R16...R31.

Каждому регистру присвоен адрес в пространстве данных, они отображаются на первые 32 ячейки ОЗУ. Хотя регистровый файл физически размещен вне ОЗУ, подобная организация памяти дает гибкий доступ к регистрам.

Доступ к памяти программы осуществляется следующим образом: во время выполнения одной команды следующая команда выбирается из памяти программ. Это дает возможность выполнять по одной команде за каждый машинный цикл.

При помощи команд относительных переходов и вызова подпрограмм осуществляется доступ ко всему адресному пространству.

Большая часть команд микроконтроллеров AVR имеет размер 16- разрядов одно слово. Каждый адрес в памяти программ содержит одну 16- или 32- разрядную команду.

При обработке прерываний и вызове подпрограмм адрес возврата напоминается в стеке.

Стек размещается в оперативной памяти данных общего назначения (SRAM), его размер ограничен только размером доступной памяти SRAM и ее использованием в программе.

Микроконтроллер через интерфейс SPI управляет сдвиговым регистром в режиме Ведущий - Ведомый, и говорит когда ему захватывать сигнал с блока клавиатуры и передавать его в МК. SPI (Serial Peripheral Interface), или последовательный периферийный интерфейс, был разработан компанией Motorola для организации быстрого и простого в реализации обмена данными между компонентами системы - микроконтроллерами и периферийными устройствами. На шине может быть одно ведущее устройство (master) и несколько ведомых (slave).

Интерфейс использует 4 линии для обмена данными:

- serial clock (SCLK, SCK, CLK) тактовый сигнал от ведущего к ведомым;

- master output, slave input (MOSI, SDI, DI, SI) данные от ведущего к ведомому;

- master input, slave output (MISO, SDO, DO, SO) данные от ведомого к ведущему;

- slave select (SS, nCS, CS, CSB, CSN, nSS, STE) выбор ведомого; устанавливается ведущим.

Линия SS обычно для каждого ведомого своя, но некоторых ведомых возможно подключить к одной SS - такой способ используется для каскадного подключения устройств.

Стандартный алгоритм работы SPI таков:

- ведущий устанавливает низкий уровень на той линии SS, к которой подключен нужный ведомый;

- ведущий задаёт такт, изменяя уровень на SCLK, и одновременно с каждым изменением уровня SCLK выставляет нужный уровень на MOSI, передавая ведомому по биту за такт;

- ведомый на каждая смена уровня SCLK выставляет нужный уровень на MISO, передавая ведущему по биту за такт;

- для завершения передачи ведущий устанавливает высокий уровень на SS.

SPI является полнодуплексной шиной - данные передаются одновременно в обе стороны. Типичная скорость работы шины лежит в пределах 1-50 МГц. Благодаря исключительной простоте алгоритма передачи SPI получил широчайшее распространение в самых различных электронных устройствах -- например, в датчиках, чипах памяти, радиомодулях, и т.д.

У SPI существует четыре режима передачи, которые основаны на комбинации полярности тактового сигнала (clock polarity, CPOL) и фазы синхронизации (clock phase, CPHA). Иначе, CPOL - это уровень на тактовой линии до начала и после окончания передачи: низкий (0) или высокий (1), а фаза определяет, на фронте или спаде тактового сигнала передавать биты:

- режим 0 при CPOL=0, CPHA=0, тогда чтение бита происходит на фронте тактового сигнала (переход 0 ? 1), а запись - на спаде (1 0);

- режим 1 при CPOL=0, CPHA=1, тогда чтение - на спаде, запись - на фронте;

- режим 2 при CPOL=1, CPHA=0, тогда чтение - на спаде, запись - на фронте;

- режим 3 при CPOL=1, CPHA=1, тогда чтение - на фронте, запись - на спаде.

Осциллограммы сигналов показаны на рис. 2.9.

Рисунок 2.9 - Осциллограммы сигналов интерфейса SPI

2.4 Выбор схемы стабилизатора питания модуля

Наиболее распространенными интегральными стабилизаторами напряжения является серия 78xx. Это семейство трёхвыводных линейных интегральных стабилизаторов положительного напряжения первого поколения. Базовое семейство 78xx включает микросхемы на девять фиксированных выходных...