Размещено на http://www.allbest.ru/

Пристрої керування на основі мікропроцесорної техніки. Однокристальні мікроконтролери ( ОМК). Побудова систем керування на основі однокристальних мікроконтролерів. Пристрої з'єднання з об'єктом керування

Спеціалізовані пристрої керування на основі мікропроцесорних комплектів [4 c. 14 - 15]

Мікропроцесорна техніка широко використовується для реалізації спеціалізованих пристроїв керування. Для цієї цілі використовуються спеціалізовані процесори (для рішення задач у конкретній області) або універсальні мікроконтролери.

Спеціалізовані процесори частіше усього мають умонтоване програмне забезпечення, що не доступно користувачу.

Універсальні мікроконтролери можуть програмуватися користувачем у залежності від конкретної задачі.

Однокристальні мікроконтролери як основа для вмонтованих пристроїв керування [4 c. 15 - 18]

Однокристальні мікроконтролери являють собою клас мікропроцесорних пристроїв, що містять на однім кристалі усі функціональні вузли обчислювального пристрою і призначених для використання в якості що вбудовуються що програмуються устроїв керування. Одним із найбільше широко застосовуваних представників цього класу є однокристальний мікроконтролер 8051 (ОМК 51), розроблений фірмою INTEL наприкінці 70-х, початку 80-х років, і що випускається з невеличкими змінами і доповненнями в даний час різними фірмами.

ОМК 51 являє собою закінчене обчислювальний пристрій, що включає центральний процесор (арифметично-логічний пристрій), внутрішню пам'ять, набір регістрів спеціальних функцій, устрій керування і порти вводу та виводу, що об'єднуються 8-розрядною шиною.

Класифікація й основні типи однокристальних мікроконтролерів. Особливості архітектури [4 c. 10 -12]

Однокристальні мікроконтролери можна розділити на спеціалізовані й універсальні.

Спеціалізовані мікроконтролери вирішують конкретні задачі керування, мають умонтоване програмне забезпечення, що недоступно користувачу.

Універсальні мікроконтролери можуть програмуватися користувачем у залежності від поставленої задачі.

Крім цього розрізняють 8 і 16 розрядні однокристальні мікроконтролери.

8 розрядні однокристальні мікроконтролери використовуються для нескладних задач керування.

16 розрядні однокристальні мікроконтролери можуть вирішувати достатньо складні задачі, тому що мають більш широкий набір команд, більш складну структуру і більший обсяг пам'яті.

Особливості архітектури ОМК покажемо на прикладі сімейства ОМК 51.

Арифметично-логічний пристрій виконує функції над двома типами даних: байтами і бітами. Це дозволяє спростити реалізацію таких функцій керування, як опитування двійковими датчиків і видачу керуючих впливів релейного типу.

Дані можуть переміщатися усередині ОМК і з ними можуть виконуватися арифметичні і логічні команди, такі як додавання, вирахування, множення, розподіл, логічні операції И, АБО, що виключає АБО.

Внутрішня пам'ять розділяється на програмну пам'ять і пам'ять даних. Програмна пам'ять у залежності від типу ОМК може мати від 4 до 32 Кбайт, і призначена для збереження програм і констант. Програмна пам'ять виконана у вигляді постійного запам'ятовувального пристрою (з однократним програмуванням або репрограмуемого з ультрафіолетовим і електричним стиранням). При необхідності може підключатися зовнішня програмна пам'ять з обсягом до 64 Кбайт.

Пам'ять даних призначена для тимчасового збереження даних у процесі виконання програми і має 128 або 256 байт. Крім цього до адресного простору пам'яті даних примикають адреси регістрів спеціальних функцій.

До складу регістрів спеціальних функцій входять акумулятор, 4 регістра, що утворять 2 незалежних 16-розрядних таймера-лічильника, регістри послідовного каналу вводу та виводу, і інші.

Всі порти ОМК призначені для вводу або виводу інформації. При цьому деякі з них можуть виконувати додаткові функції відповідно до режимів роботи. У найпростішому випадку порти здійснюють ввід та вивід даних.

ОМК сімейства MCS 51. Система команд. Команди операцій із бітами [4, c. 83 - 95]

Одним із найбільше широко застосовуваних представників класу ОМК є однокристальний мікроконтролер 8051 (ОМК 51), розроблений фірмою INTEL наприкінці 70-х, початку 80-х років, і що випускається з невеличкими змінами і доповненнями в даний час різними фірмами.

ОМК 51 являє собою закінчене обчислювальний пристрій, що включає центральний процесор (арифметично-логічний пристрій), внутрішню пам'ять, набір регістрів спеціальних функцій, устрій керування і порти вводу та виводу, що об'єднуються 8-розрядною шиною.

Система команд ОМК включає такі команди:

команди пересилки, за допомогою яких провадиться обмін даними усередині ОМК;

арифметичні команди над двійковими числами, що включають команди складання, вирахування, множення і ділення;

команди логічних операцій над двійковими числами, виконувані поразрядно (логічне И, логічне АБО, виключне АБО);

команди переходу, що включають умовні і безумовні команди передачі керування по зазначеній адресі і команди виклику підпрограм;

команди операцій із бітами

спеціальні команди.

Команди операцій із бітами

Команди установки заданого бита в "1"

SETB bit

і скидання заданого бита в "0"

CLR bit,

де bit -пряма адреса бита, для якого виконується дана команда.

Команди умовного переходу з перевіркою заданого бита на задане значення, як-то:

JB bit,L1 - перехід на мітку L1, якщо значення bit дорівнює "1";

JNB bit,L2 - перехід на мітку L2, якщо значення bit дорівнює "0".

Приклади використання команд операцій із бітами. Опит датчиків і видача керуючих впливів [4, c. 125 - 140]

Програма опитування двійкових датчиків

Опитування двійкового датчика на замикання і розмикання може здійснитися за допомогою команд умовного переходу з перевіркою заданого бита на задане значення,

як-то:

JB bit,L1 - перехід на мітку L1, якщо значення bit дорівнює "1";

JNB bit,L2 - перехід на мітку L2, якщо значення bit дорівнює "0".

При цьому необхідно враховувати схему підключення контакту, тобто який сигнал надходить при замкнутому, а який при розімкнутому контакті.

Наприклад, якщо при розімкнутому контакті на вхід подається "1", а при замкнутому "0"(контакт замикає вхідної сигнал), то програма опитування контакту на замикання (надходження на вхід P2,0 сигналу "0") виглядає в такий спосіб:

WAIT0: JB P2. 0,WAIT0 ;Чекання замикання контакту, ;залученого до Р2.0

Програма чекання розмикання того ж контакту має вид:

WAIT1: JNB P2. 0,WAIT1 ;Чекання розмикання контакту, ;залученого до Р2.0

Програма опитування імпульсних сигналів

Програма опитування імпульсних сигналів відрізняється тим, що необхідно виявити не тільки факт появи, але і закінчення імпульсу. Як приклад нижче приведена програма опитування негативного імпульсу ("1"->"0"->"1"), що фіксує момент переходу з "0" у "1" (задній фронт):

WAITC: JB P1. 3,WAITC ;ЧЕКАННЯ ПОЧАТКУ ІМПУЛЬСУ Р1.3=0

WAITO: JNB P1. 3,WAITO ;ЧЕКАННЯ КІНЦЯ ІМПУЛЬСУ Р1.3=1

Програма видачі керуючих сигналів

Для видачі двійквих керуючих сигналів на порти можуть використовуватися команди установки заданого бита в "1" SETB bit

і скидання заданого бита в "0" CLR bit,

де bit -пряма адреса бита, для якого виконується дана команда.

Для портів прийняте таке позначення бите: Pn.i, де n - номер порту, n=0...3; i - номер лінії порту, i=0...7.

У такий спосіб видача сигналу "1" або "0" на задану лінію здійснюється за допомогою однієї команди.

Обґрунтування і вибір принципової схеми системи керування на основі ОМК [4, c. 14 - 15]

У пристроях керування об'єктами (контролерах) на основі МК апаратурні засоби і програмне забезпечення існують у формі неподільного аппаратно- програмного комплексу. МК являє собою стандартний масовий логічний блок, конкретне призначення якого визначає користувач за допомогою програмного забезпечення, і з ростом ступеня інтеграції і функціонально - логічних можливостей МК різко знижує вартість виробу, що в остаточному підсумку і забезпечує досягнення високих техніко - економічних показників виробів на МК. При цьому витрати на розробку програмного забезпечення в 2-10 разів перевищують ( за час життя виробу ) витрати на придбання і виготовлення апаратурних засобів.

В даний час найбільше поширення одержав методологічний прийом, при котрому весь цикл розробки контролерів розглядається як послідовність трьох фаз проектування:

аналізу задачі і вибору (і/або) розробки апаратурних засобів контролера;

розробка прикладного програмного забезпечення;

комплексування апаратурних засобів і програмного забезпечення в прототипі контролера і його налагодження.

Етапи реалізації алгоритму керування [4, c. 15 - 18]

Якщо задача на розробку поставлена, то для одержання тексту вихідної програми необхідно виконати ряд таких дій:

докладний опис задачі;

аналіз задачі;

інженерну інтерпретацію задачі, бажано з залученням того або іншого апарата формалізації (граф, мережа Петрі, матриці станів і зв'язування і т.п.);

розробку загальної блок-схеми алгоритму роботи контролера;

розробку деталізованих блок-схем алгоритму окремих процедур, виділених на основі модульного принципу упорядкування програм;

детальну проробку інтерфейсу контролера і внесення виправлень у загальну і деталізовані блок-схеми алгоритму;

розподіл робочих регістрів і регістрів пам'яті МК;

формування тексту вихідної програми на мові Асемблера.

У основу розробки блок-схеми алгоритму призначена та ж сама процедура модульного проектування, що традиційно використовується розроблювачами апаратурних засобів. На мові алгоритмів розроблювач описує метод, обраний для рішення поставленої задачі. Можливо декілька варіантів рішення поставленої задачі. Засіб рішення задачі, на основі якого формується БСА, визначає не тільки якість розроблювальної програми, але і якісні показники кінцевого виробу.

Секрет успіху розробки програмного забезпечення МК полягає у використанні методу декомпозиції, при котрому вся задача послідовно розділяється на менші функціональні модулі, кожний із який можна аналізувати, розробляти й наладжувати окремо від інших.

При розробці блок-схеми алгоритму функціонального модуля необхідно визначити, що повинний робити модуль (може знадобитися уточнення цільового призначення процедури):

Засоби одержання модулем вихідних даних (від датчиків через порти введення, або з таблиць у пам'яті, або через робітники регістри). Для реалізації введення вихідних даних у модуль у його БСА треба уключити відповідні оператори.

Необхідність якийсь попередню обробки уведених вихідних даних.

Засіб перетворення вхідних даних у необхідні вихідні. Використовуючи оператори процедур і умовних операторів прийняття рішення, відобразити на мові блок-схеми алгоритму обраний метод змістовної обробки вихідних даних.

Засоби видачі з модуля оброблених даних (передати в пам'ять, або в програму, що викликала, або в порти виводу інформації).

Необхідність якийсь додаткової обробки виведених даних (зміна формату і т.д.).

Схема з'єднання з об'єктом керування. Нагрузкова здатність і буферізація сигналів. Гальванічна розв'язка [4, c. 156 - 173]

Схема з'єднання з об'єктом керування забезпечує підключення датчиків та виконуючих пристроїв до входів та виходів пристрою керування. Підключення здійснюється за допомогою стандартних сигналів. Нагрузкова здатність визначає потужність електричних сигналів вихідних схем. Для її збільшення використовується буферізація сигналів за допомогою підсилювачів потужності. Транзисторні підсилювачі не забезпечують розв'язки по струму вхідного та вихідного кола (датчиків та виконавчих пристроїв) з внутрішнім колом пристрою керування або ЕОМ. Це забезпечує так звана гальванічна розв'язка. Для гальванічної розв'язки найчастіше використовуються релейні схеми (тільки для виходів) та оптоелектронні схеми розв'язки (для входів та виходів).

Принципові схеми оптоелектронної розв'язки вхідних та вихідних сигналів

Вимірювальні перетворювачі [3, c. 223 - 225]

мікроконтролер пристрій керування сигнал

Вимірювальні перетворювачі забезпечують перетворення різних фізичних величин у стандартні електричні величини та підсилення електричних величин. Основними вимогами таких схем є висока стабільність та лінійність характеристик.

Для цього найчастіше використовуються операційні підсилювачі.

Література

1. Цифрова техніка: Учеб. пособие /Б.Е.Рыцар. Киев: УМК ВО, 1991 - 372 с. На укр.яз. (4 прим.)

2. Элементы автоматизированного электропривода / Р.Г.Попович, В.А.Гаврилюл, О.В.Ковальчук, В.И.Теряев. К.: УМК ВО, 1990. 260 с. На укр. яз. (4 прим.)

3. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Ленинград, Энергоатомиздат, 1988. (5 прим.)

4. Сташин В. В. і ін.. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах / В.В. Сташин, А.В.Урусов, О.Ф.Мологонцева.: Энергоатомиздат, 1990. 224 с. (2 прим.)

5. Фигурнов В.Э. IBM PC для пользователя. М.: ИНФРА-М, 2000. 480 с.:илл. (6 прим)

6. SIMATIC Totally Integrated Automation. Информация о продуктах. Приборы, системы, консультации, обучение. ДП “Сименс Украина”, Департамент “Средства автоматизации и приводы” 2006 (CD SIMATIC документация, Каталоги по автоматизации, 01/2007).

7. SIMATIC S7 Комплексная автоматизация -программирование для начинающих. Курс ST-PRO1. Версия 5.5, ? SIEMENS AG, A&D 2004.

Додаткова

8. Системы управления с фаззи-логикой / В.И.Калашников, В.И.Справедливый, Ф.Палис. ДДТУ, Магдебургский университет. Донецк, Магдебург. 1997. 38 с.

9. Интерфейсы средств вычислительной техники: Справочник. / Мячев А.А. М.: Радио и связь, 1993. 352 с.

Методичні вказівки

10. Методические указания к выполнению курсового проекта по курсу «Микропроцессорные и вычислительные устройства ГПС»/Составители: Михайлов Е.П., Денисенко Т.А., Кузниченко Д.А., Кузниченко С.Д. Изд. ОГПУ, 1997. 30 с.

11. Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Локальные системы автоматики» для студентов специальности 7.091402 и по курсу «Микропроцессорные и вычислительные устройства ГПС» для студентов специальности 7.090207./Составители: Михайлов Е.П., Тихончук С.Т., Денисенко Т.А. ОГПУ, 1997. 33 с.

12. Методичні вказівки до лабораторних робіт по дисциплінам "Електронні, мікропроцесорні та обчислювальні пристрої ГВС" та "Електронні, мікропроцесорні та обчислювальні пристрої ПТМ" за темою "Логічні програмовані контролери" Проектування систем автоматизації SIMATIC S7-300 для студентів машинобудівного інституту спеціальності 7.090207 та 7.090214 Склав доцент Михайлов Є. П., 2007 р. 36 с. Одеса ОНПУ.

Размещено на Allbest.ru