Микропроцессорная техника и системы управления в мехатронике

Архитектура и структура микропроцессоров, используемых в мехатронных системах

Микропроцессором (МП) называется программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки цифровой информации и управление этим процессом и построенное на одной или нескольких больших интегральных микросхемах (БИС).

Появление МП позволило применять на практике в реальном масштабе времени управление с помощью ЭВМ. При выборе конкретного типа и архитектуры микропроцессорной системы основным критерием необходимо считать объем входной/выходной информации и требуемую интенсивность обработки данных в МП-системе. При этом для МП в системах управления большое значение имеет способность быстрого выполнения логических и арифметических операций, а также скорость реакции на многоуровневые приоритетные прерывания.

Микропроцессор, управляющий процессом или объектом в реальном масштабе времени, должен обладать повышенной производительностью, а для передачи необработанных сообщений от одного терминала к другому — гибкой системой адресации. При использовании МП изменение алгоритма функционирования схемы достигается за счет замены одной программы на другую, что более удобно, просто и позволяет существенно уменьшить время на перенастройку схемы управления. Все это определило бурный рост использования выполненных на основе МП средств управления, начиная со сложных производственных комплексов и кончая детскими играми. МП применяются для автоматизации работы энергетических систем и отдельных энергоблоков, при управлении автомобилями, в бытовой технике, для автоматизации научных исследований и проектных работ и во многих других случаях.

Большое значение при выборе МП имеет его разрядность, которая определяет объем программного обеспечения и быстродействие МП системы. Разрядностью называют количество бит в машинном слове. Чем больше разрядность, т. е. чем длиннее машинное слово, тем быстрее передается и обрабатывается информация, следовательно, быстрее работает компьютер.

Применительно к микропроцессору различают три вида разрядности:

  • • разрядность регистров — это длина машинного слова внутри микропроцессора. Когда классифицируют микропроцессор и употребляют термин «разрядность микропроцессора», то подразумевается внутренняя разрядность, поскольку именно разрядность регистров определяет эффективность обработки данных микропроцессором, диктует диапазон допустимых значений операндов;
  • • разрядность шины данных — число проводников в ней. Этот вид разрядности диктует длину машинных слов при передаче информации вне процессора. Длина машинных слов внутри микропроцессора и длина внешнего машинного слова могут не совпадать. Если внутренняя разрядность 16 бит, а длина внешнего машинного слова — 8 бит и 16 бит, то прирост производительности микропроцессора во втором случае на 40 % выше при той же тактовой частоте;
  • • разрядность шины адреса — это число проводников в адресной шине. По этим проводникам от микропроцессора к оперативной памяти передается информация для определения ячеек памяти, ими же определяется размер оперативной памяти, доступный для данного микропроцессора.

Так, например, при обработке байтовой и двухбайтовой информации 4-разрядные МП имеют в три раза, а 8-разрядные МП — в два раза больше обращений, чем 16-разрядные.

Постоянно растущие требования к диапазону регулирования координат ЭП, его функциональным возможностям, надежности и стоимости, а также новые достижения электроники и микроэлектроники определили появление нового вида микропроцессорной техники — микроконтроллеров для управления двигателями. Эти ориентированные на применение в ЭП средства, обладая производительностью в несколько десятков миллионов операций в секунду, позволяют реализовывать как высокоэффективные встроенные системы цифрового управления, так и схемы автоматизации технологического оборудования.

Структура микропроцессора. Микропроцессор (рис. 3.1) состоит из арифметико-логического устройства, устройства управления и регистрового запоминающего устройства. Эти три основные части МП соединены тремя линиями связи — шинами данных, шинами адресов и шинами управления.

Структурная схема микропроцессора

Рис. 3.1. Структурная схема микропроцессора:

АЛУ — арифметико-логическое устройство; УУ — устройство управления;

РЗУ — регистровое запоминающее устройство; А — специальный регистр-аккумулятор; РК — регистр команд; СК — счетчик команд;

РОН — регистры общего назначения; ШД — шина данных;

ША - шина адресов; ШУ — шина управления

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций над данными, представленными в виде двоичных чисел. Данные, с которыми производятся арифметические и логические операции, называются операндами. Обычно в операций участвуют два операнда, один из которых находится в специальном регистре — аккумуляторе, а другой — в регистрах (или памяти МП). Иногда АЛУ называют операционной частью МП.

Регистровое запоминающее устройство содержит несколько регистров общего назначения, а также регистры специального назначения, в частности, счетчик команд. Иногда регистровое запоминающее устройство называют внутренней памятью МП.

Устройство управления предназначено для выработки сигналов управления, обеспечивающих работу с памятью МП. В состав управляющего устройства входит регистр команд РК, в котором фиксируется выполняемая в данный момент команда.

Шина данных предназначена для передачи данных от микропроцессора к периферийным устройствам, а также в обратном направлении. Разрядность шины данных определяется типом применяемого процессора. В простых микропроцессорах шина данных обычно имеет 8 разрядов. Современные процессоры могут иметь шину данных на 16, 32, 64 разряда. Количество разрядов всегда кратно 8. Двоичное число, имеющее 8 разрядов, называется байтом. В вычислительной технике байт, по сути, стал минимальной единицей информации. 16-разрядная шина данных может за раз передавать до двух байтов, 32-разрядная шина — до четырех байт, 64-разрядная — до восьми. Однако во всех этих шинах обязательно предусмотрен режим передачи одного байта (по младшим его разрядам). Старшие разряды при этом не используются.

Шина адресов представляет собой набор проводников, по которым происходит передача двоичных чисел в электронной форме. Однако в отличие от шины данных двоичные числа, передаваемые по шине адреса, имеют другой смысл и назначение. Они представляют собой адрес ячейки памяти или порта ввода/вывода, к которому в данный момент обращается процессор. Количество разрядов адресной шины отличается большим разнообразием. Например, микропроцессор серии К580ИК80 имеет 16 разрядов адреса. Это можно считать минимальным количеством.

Процессор Intel 8086, на котором собран родоначальник всех PC — совместимых персональных компьютеров — компьютер IBM РС-ХТ, имеет 20 разрядов шины адреса. Современные процессоры имеют до 32 разрядов и больше. От количества разрядов шины адреса зависит, какое количество ячеек памяти может адресовать процессор. Процессор, имеющий

16-разрядную шину данных, может обращаться к 216 (т. е. к 65 536) ячейкам памяти. Это число называется объемом адресуемой памяти. Реальный объем подключенной памяти может быть меньше, но никак не больше этой величины.

В вычислительной технике используется необычный способ для измерения объема памяти. Объем памяти измеряется в байтах, килобайтах, мегабайтах и т. д. Один килобайт в вычислительной технике не равен 1000 байтов, как можно было бы ожидать. Это связано с тем, что объем памяти подчиняется уже знакомому нам закону. Он всегда будет равен какой-либо степени двойки, т. е. 2”, где п — любое целое число. Такое значение, с одной стороны, максимально приближается к числу 1000, а с другой — 1024 = 210.

Для того чтобы окончательно разобраться в этом вопросе, приведем пример. Для адресации 1024 ячеек памяти нужна шина адреса, имеющая ровно 10 разрядов. При этом, если подключить к ней именно столько ячеек памяти, шина не будет избыточна. Если бы мы захотели иметь только 1000 ячеек, то для обращения к любой из этих ячеек все равно потребовалось бы 10 разрядов адреса, так как если разрядов будет 9, мы сможем обратиться только к 512 ячейкам.

Именно поэтому никто и никогда не делал запоминающее устройство с объемом, не равным 2”. Логично, что и объем памяти удобнее измерять в величинах, взятых из того же ряда. Данный принцип распространяется и на более высокие размерности: один мегабайт равен 1024 килобайтам, один гигабайт равен 1024 мегабайтам и т. д.

Для адресации портов ввода/вывода также нужна шина адреса. В обоих случаях в этой роли выступает одна и та же шина. Но ни одной микропроцессорной системе никогда не может потребоваться такое же большое количество портов ввода/вывода, сколько обычно бывает ячеек ОЗУ. Поэтому в процессе обмена с портами ввода/вывода процессор использует только 8 (реже 16) младших разрядов шины адреса.

Шина управления объединяет набор линий, передающих различные управляющие сигналы от процессора на все периферийные устройства и обратно. Эта шина не имеет такой же четкой структуры, как шина данных или шина адреса. В любой шине управления обязательно присутствуют линии, передающие следующие сигналы: RD (Read) — сигнал чтения; WR (Write) — сигнал записи; MREQ — сигнал инициализации устройств памяти (ОЗУ или ПЗУ); IORQ — сигнал инициализации портов ввода/вывода. Кроме того, к сигналам шины управления относятся: READY — сигнал готовности; RESET — сигнал сброса и еще несколько специальных сигналов. Работа МП обеспечивается программой, записанной в его памяти.

Архитектура микропроцессоров. DSP-процессоры (Digital Signal Processor — цифровой сигнальный процессор) оптимизированы для реализации операции умножения с последующим сложением за один машинный цикл, манипуляции с графическим материалом, умножения матриц. Машинный цикл выполнения команды в простейшем случае предполагает выполнение параллельно во времени операции в АЛУ с выборкой из памяти следующей команды. Чтобы не повторять одну и ту же команду несколько десятков или сотен раз, используются конструкции, которые автоматически повторяют определенные наборы команд. Например, в JavaScript существует три основных вида циклов:

  • • while — выполняет команды, пока условие их выполнения не станет ложным;
  • • do-while — команды выполняются хотя бы один раз, даже если условие их выполнения ложно;
  • • for — начальное выражение выполняется один раз, а условия проверяются перед каждой итерацией цикла.

Архитектура сигнальных процессоров по сравнению с микропроцессорами общего применения имеет некоторые особенности, связанные со стремлением максимально ускорить выполнение типовых задач цифровой обработки сигналов, таких как цифровая фильтрация, преобразование Фурье, поиск сигналов и т. п.

Ядро микропроцессора (рис. 3.2) — сложный набор микросхем, связанных в общий блок. Обычно имеет собственное кодовое обозначение (например, К7) или имя (например, Deschutes). Типичными характеристиками ядра являются: система команд; количество функциональных блоков (ALU, FPU, конвейеров и т. п.); объем встроенной кэш-памяти; ин терфейс (логический и физический); тактовые частоты; напряжение питания; максимальное и типичное тепловыделение.

Архитектура ядра процессора ADSP-21 фирмы Analog Devices

Рис. 3.2. Архитектура ядра процессора ADSP-21 фирмы Analog Devices

Гибкая архитектура процессоров ADSP и соответствующий набор команд позволяют достичь параллелизма при выполнении операций.

В состав цифрового сигнального процессора входят ЦПУ, ОЗУ, ПЗУ, последовательный/параллельный интерфейсы, схема обработки прерываний.

За один цикл DSP семейства ADSP-21 может выполнить следующие операции:

  • — генерация адреса и выбор команды программы;
  • — выполнение двух перемещений данных;
  • — обновление двух указателей адреса;
  • — выполнение вычислительной операции;
  • — передача или прием данных от двух последовательных портов;
  • — обновление регистра таймера.

Процессор ADSP-2T88M, обладающий производительностью 75 MIPS, имеет память программ и данных в общей сложности 2028 Кбит. Потребляемая мощность данного процессора составляет менее 100 мВт.

Современные технологии управления движением позволили перейти в системах управления от внешних управляющих устройств к контроллерам движения (motion controllers). Главная задача ПЛ К — эффективные операции исключительно с дискретной информацией, поэтому построение на базе ПЛ К систем управления движением мехатронными модулями и тем более мехатронными системами нельзя признать перспективным.

Перспективы мехатроники связаны с системами управления на основе персональных компьютеров, а также встроенных контроллеров движения. Встроенные контроллеры, которые технологически реализованы на отдельной плате или на чипе, уже в настоящее время используются в 60 % приложений.

Типичным является трапецеидальный закон изменения скорости движения, включающий участки разгона, перемещения с постоянной скоростью и торможения с заданным ускорением. Таким образом, сочетание компьютера и контроллера в архитектуре системы управления (рис. 3.3) является обоснованным с точки зрения разделения решаемых подзадач.

Система управления мехатронными модулями на базе контроллера движения

Рис. 3.3. Система управления мехатронными модулями на базе контроллера движения

Архитектура контроллера движения (рис. 3.4), разработанного гонконгской фирмой Googol Technology, состоит из контроллера, куда входят такие цифровые устройства, как сигнальный процессор (DSP) и программируемая вентильная матрица (FPGA), а также flash-память и оперативное запоминающее устройство (RAM). Данный контроллер позволяет пользователю организовать управление движением мехатронных модулей (до восьми осей одновременно) в позиционном и скоростном режимах.

Контроллер имеет программно-реализованные ПИД-ре-гулятор (с лимитируемой интегральной составляющей и фильтром на входе пропорциональной компоненты), форсирующие связи по скорости и ускорению входного сигнала и ограничитель выходного сигнала.

Хранение текущих данных

Загрузка и модификация программ

Рис. 3.4. Архитектура контроллера движения фирмы Googol Technology

Традиционный подход предусматривает, что структура и коэффициенты всех регуляторов определяются при проектировании системы и далее остаются фиксированными в процессе ее эксплуатации.

В современных системах управления (рис. 3.5) вид и параметры регуляторов автоматически модифицируются в зави3.1. Архитектура и структура микропроцессоров в мехатронных системах

симости от цели конкретного движения и условий, в которых оно фактически осуществляется.

Позиционный регулятор контроллера движения фирмы Googol Technology

Рис. 3.5. Позиционный регулятор контроллера движения фирмы Googol Technology:

5— оператор Лапласа; Vff — коэффициент прямой связи по скорости управляющего сигнала; А — коэффициент прямой связи по ускорению управляющего сигнала; К - коэффициент пропорциональной составляющей регулятора; Kd коэффициент дифференциальной составляющей регулятора; Ki — коэффициент интегральной составляющей регулятора

Компьютерная программа. Последовательность команд, обеспечивающих реализацию заданного алгоритма обработки информации, образует программу. Важной особенностью работы МП является то, что команды программы в нем выполняются в пошаговом режиме строго в записанной последовательности.

Каждая команда программы содержит информацию о том, что нужно делать, с какими операндами и по какому адресу поместить результат операции. Для этого команда имеет структуру, приведенную на рисунке 3.6.

КОП

АРО

АРП

Адресная часть

Рис. 3.6. Структура команды:

КОП - код операции; АРО — адрес расположения операндов;

АРП — адрес регистра памяти

Первая часть команды содержит код операции КОП, т. е. информацию о характере операции над операндами (например, сложение, логическое сравнение и др.). Вторая часть команды - адресная - содержит адреса расположения операндов, с которыми производится данная операция, и адрес регистра или ячейки памяти, куда должен быть помещен результат.

Команды, адреса и операнды МП выражаются двоичными многоразрядными числами, представляемыми, как и во всех цифровых устройствах, комбинацией двух уровней напряжения — высокого и низкого. Первые МП оперировали четырехразрядными числами, а в современных МП используются 8- и 16-разрядные числа. Использование в МП многоразрядных двоичных чисел позволяет повысить их быстродействие и точность работы.

Программа (совокупность команд) МП может быть записана несколькими способами. Первый предусматривает запись команд непосредственно в виде двоичных чисел, т. е. в виде так называемого машинного кода, понятного для МП. Такой способ составления программ, как правило, требует существенных затрат времени, особенно при создании больших программ.

Более удобным является использование языков программирования. Языки низкого уровня (типа Ассемблер) как средство общения с МП включают несколько десятков типовых команд, представленных в условных мнемокодах — арифметических, логических, пересылки данных, передачи управления и др. Например, все команды пересылки байта из одной ячейки в другую обозначаются мнемокодом MOV (англ. Move — перемещать). Команда сложения обозначается ADD, вычитания — SUBB.

Программа для микропроцессора составляется так: программист пишет текст программы, используя текстовый редактор и придерживаясь правил выбранного языка; готовый текст записывается на диск в виде текстового файла; затем программист запускает специальную программу — транслятор с Ассемблера. Эта программа читает текст, написанный программистом, и автоматически переводит каждую команду в ее код. В результате получается именно тот набор кодов, который и должен быть записан в программную память микроконтроллера. Теперь остается только перенести этот набор чисел в программную память микропроцессора. Такая операция называется программированием, или прошивкой программной памяти.

Для прошивки микроконтроллеров применяют специальные устройства, называемые программаторами. Программаторы подключаются к персональному компьютеру и управляются при помощи специальной программы.

Ассемблер имеет свои правила правописания, т. е. существуют свои синтаксис и орфография. Приведем основные правила Ассемблера:

  • • каждая команда программы пишется в отдельной строке;
  • • каждая строка разбивается на четыре поля, которые имеют свое назначение:
  • — первое поле — поле метки;
  • — второе поле — поле команды (мнемокода);
  • — третье поле предназначено для параметров команды;
  • — четвертое поле — поле комментариев. В начале комментария необходимо поставить символ «;» (точка с запятой) — признак комментария.

Рассмотрим пример написания одной строки программы на языке Ассемблер. В качестве примера возьмем команду «Переместить содержимое регистра R0 в аккумулятор». Строка программы, реализующая эту команду, выглядит следующим образом: MOV A, R0 ; (это команда перемещения из R0 в аккумулятор).

Первое поле пустое, т. е. в приведенной строке отсутствует метка. Во втором поле записан мнемокод команды. Это самый распространенный оператор Ассемблера — MOV. В третьем поле записаны параметры команды. Команда MOV имеет два параметра. В Ассемблере параметры команд принято записывать через запятую. Для улучшения внешнего вида и придания тексту индивидуального стиля можно вставлять любое количество пробелов как до, так и после каждого из параметров.

В рассматриваемой команде в качестве параметров выступают имена источника и получателя информации. По принятым в Ассемблере соглашениям во всех подобных командах параметры записываются в следующем порядке: сначала имя приемника информации («куда переместить»), а затем имя источника («откуда взять»).

В четвертом, последнем поле рассматриваемого примера помещен комментарий. Комментарии — это абсолютно необходимый элемент любого языка программирования.

В начале первой строки приведенного фрагмента стоит метка Metl: (табл. 3.1). Метка оканчивается символом «:» (двоеточие). Этот символ означает, что перед нами именно метка, а не какая-либо другая команда. Наличие или отсутствие метки никак не изменяет смысл команды, записанной в той же самой строке. Метка служит только для того, чтобы другие команды могли ссылаться на помеченную команду.

Таблица 3.1

Фрагмент программы с применением метки

Metl :

MOV

A, RO

Команда перемещения из RO в накопитель

SUBB

A,#25

Увеличение содержимого накопителя на 25

LTMP

Metl:

Безусловный переход по метке

В нашем примере первая команда вызовет пересылку числа из регистра R0 в аккумулятор. Вторая команда увеличит содержимое аккумулятора на 25. Третья команда — это команда безусловного перехода. Она передает управление в начало фрагмента. В кодах процессора такая команда представляет собой три байта: первый — это код операции безусловного перехода, второй и третий байты — это адрес, куда будет передано управление. Адрес в программной памяти определяется 16-разрядным двоичным числом, поэтому для его записи требуется два байта. Значение этих байтов равно адресу ячейки памяти, в которой хранится код команды MOV, соответствующей первой строке рассматриваемого фрагмента. Вместо того чтобы ставить в программе конкретный адрес перехода в Ассемблер, принято использовать для этого имя метки. Транслятор сам вычислит значение метки и подставит полученные коды. Такой подход позволяет не привязываться к конкретным адресам. В результате увеличивается гибкость программы.

Имена всех меток определяются программистом произвольным образом, но с некоторыми ограничениями:

  • 1) имя должно состоять только из букв латинского алфавита и цифр;
  • 2) первым символом в имени всегда должна быть буква;
  • 3.1. Архитектура и структура микропроцессоров в мехатронных системах
  • 3) пробелы, дефисы и знаки препинания не допускаются (единственным исключением является символ подчеркивания, который применяется наравне с буквами).

Отметим, что тот или иной язык используется только на этапе программирования, а МП оперирует при своей работе двоичными числами.

Большие возможности и удобства управления микропроцессорными схемами предоставляют языки программирования высокого уровня: Pascal, С, C++, С#, Java, Matlab, Php, язык разметки Html. Составленные на этих языках программы далее транслируются (переводятся) с помощью специальных программ (кросс-программ) в систему машинных кодов, понятных для МП.

Для выполнения функции управления схема МП должна быть дополнена целым рядом блоков, к числу которых относятся устройства памяти (например, кэш-память), устройства согласования с другими блоками ЭП, устройства ввода-вывода, генератор тактовых импульсов и ряд других.

Микропроцессорная система. Совокупность МП и перечисленных выше устройств образует микропроцессорную систему (МПС), структурная схема которой приведена на рисунке 3.7.

Структурная схема микропроцессорной системы

Рис. 3.7. Структурная схема микропроцессорной системы:

ОЗУ — оперативное запоминающее устройство; ПЗУ — постоянное запоминающее устройство; ИУ — интерфейсное устройство; ОШ — общая шина; УС — устройства сопряжения; ВЗУ - внешние запоминающие устройства; УВВ — устройства ввода/вывода информации; СУЭП — схема управления электроприводом; СЧЭП — силовая часть электропривода

В состав этой МПС наряду с МП входят устройства оперативной и постоянной памяти, интерфейсное устройство, устройства сопряжения с внешними объектами, внешние запоминающие устройства, устройства ввода/вывода информации и общая шина, включающая в себя шины данных, управления и адресов. Кроме того, на схеме СЧЭП обозначена силовая часть ЭП (преобразователь — двигатель — механическая передача).

Рассмотрим кратко назначение каждого из устройств МПС.

Устройства памяти (ОЗУ и ПЗУ) служат для размещения подлежащих обработке данных и программы, в соответствии с которой эта обработка должна вестись, а также результатов обработки. Для расширения возможностей МПС кроме ОЗУ и ПЗУ могут использоваться ВЗУ, к числу которых относятся накопители информации. В большинстве систем основная память (ОП) физически реализуется в виде многоуровневой иерархической системы. Верхние уровни памяти строятся на основе полупроводниковых ПЗУ и ОЗУ, а нижние — на основе ВЗУ Главная характеристика основной памяти — объем, или емкость.

В МПС используются две единицы измерения емкости основной памяти — байт и слово. Байт — это последовательность из 8 бит, рассматриваемая как один элемент данных или памяти. Биты в байте нумеруются от 0 до 7 в порядке справа налево, причем бит 0 считает младшим, а бит 7 — старшим в байте (рис. 3.8, а). Каждый байт памяти имеет свой адрес. Так, например, в МП с 16-разрядной ША адреса байтов могут иметь значения в диапазоне целых чисел от О до 216 — 1 (до 65 535). Следовательно, общее число всех адресов — адресное пространство ОП — составляет 216 = 65 536 = — 64 К. Эта величина, указываемая в технических характеристиках, называется размером адресного пространства, выраженным числом адресов байт. Иногда ее называют также емкостью ОП.

a

Старший бит

7 6 5 4 3 2 1 0 Младший бит

Младший байт (полуслово)

б

Старшие биты

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

Младшие биты

Старший байт (полуслово)

Рис. 3.8. Адреса памяти

Другая, более крупная единица измерения емкости — слово, которое состоит из двух байт и рассматривается как один элемент. Из двух байт, составляющих слово (рис. 3.8, б), младший имеет четный адрес, а старший (на единицу больший) — нечетный. Адресом слова считается адрес младшего байта, входящего в слово. Следовательно, слово всегда имеет четный адрес.

Принцип четной адресации слов в МПС должен строго соблюдаться программистом, так как при его нарушении многие команды будут выполняться с ошибкой.

Устройства ввода/вывода информации предназначены для обеспечения взаимодействия МПС и человека в удобной для него форме. К УВВ относятся клавиатура пульта управления, принтер, графопостроители, устройства визуального представления информации (дисплеи) и др.

Устройства сопряжения обеспечивают связь МПС с различными внешними (периферийными) устройствами. УСС могут иметь самые разнообразные схемные и элементные реализации. В частности, для связи МПС с датчиками координат ЭП (Д) и блоками схемы управления ЭП (СУЭП) широко используются аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи электрических сигналов, обозначенные на схеме УС1 и УС2.

Устройства сопряжения УСЗ и УС4, предназначенные для связи МПС с ВЗУ и УВВ, представляют собой в простейшем случае буферные (промежуточные) регистры памяти для хранения данных, передаваемых с общей шины ОШ на внешние устройства или обратно.

Устройства сопряжения УС5, выполняющие согласование работы данной системы с другими МПС и ЭВМ, называются адаптерами.

Интерфейсное устройство — это совокупность электронных схем, шин и алгоритмов (программ), обеспечивающая управление передачей информации между МП, памятью и внешними устройствами (УВВ, ВЗУ, Д). Другими словами, интерфейсное устройство обеспечивает требуемое взаимодействие МПС с указанными внешними устройствами при изменении режима ее работы.

Как отмечалось выше, главная задача интерфейсов — это выполнение энергетического и информационного обмена между сопрягаемыми структурными элементами системы.

В таблице 3.2 перечислены основные мехатронные интерфейсы, обозначенные направленными стрелками в обобщенной структуре мехатронных машин (см. рис. 2.6 на с. 35).

Таблица 3.2

Характеристики основных мехатронных интерфейсов

Характеристики интерфейса

Устройство на входе

Устройство на выходе

Передаваемые воздействия, сигналы, информация

Человек-оператор или компьютер верхнего уровня

Устройство компьютерного управления (УКУ)

Цель движения

УКУ

Силовые электронные преобразователи

Сигналы управления приводами

Силовые электронные преобразователи

Исполнительные двигатели

Управляющие напряжения

Исполнительные двигатели

Механическое устройство

Движущие силы и моменты

Механическое устройство

Информационное устройство

Информация о состоянии механического устройства

Исполнительные двигатели

Информационное устройство

Информация о состоянии двигателей

Информационное устройство

УКУ

Сигналы обратной связи

Как следует из таблицы, многочисленные интерфейсы в мехатронной машине связывают устройства различной физической природы (механические, электронные и информационные), что предопределяет их конструктивную и аппаратно-программную сложность.

Типичным примером интерфейса является переход от выполнения одной программы к выполнению другой при поступлении сигнала управления от какого-либо внешнего устройства. Такой переход называют прерыванием. После завершения прерывающей программы ИУ обеспечивает возврат МПС к работе по прерванной программе. Примерами И У являются таймер, блок прямого доступа к памяти, блок организации прерываний.

Отметим, что совокупность МП, памяти и интерфейса, который включает И У, УС и ОШ, получила название мик-роЭВМ.

По назначению МПС и микроЭВМ подразделяются на универсальные и специализированные.

Универсальными называются МПС и микроЭВМ, способные как обеспечивать управление различными объектами (в том числе и ЭП), технологическими процессами, промышленными предприятиями, так и выполнять различные вычислительные операции. Для выполнения этих функций МПС имеет широкий набор внешних (периферийных) устройств, показанных на рисунке 3.3 (см. с. 69). Обычно при конкретном применении часть этих устройств может быть не задействована, т. е. универсальные МПС и микроЭВМ обладают элементной избыточностью.

Специализированными называются МПС, которые уже на стадии своего создания ориентированы на конкретное применение — схемы управления ЭП станка или робота, бытовые приборы или детские игры, измерительные системы и др. В этом случае МПС содержат только те устройства и имеют такое программное обеспечение, которые обеспечивают выполнение конкретных, заранее определенных функций.

Промышленные контроллеры. В технологии автоматизации применяются системы управления с аппаратным программированием, где логика управления осуществляется путем соединения реле, например, релейно-контактные системы управления, состоящие из реле и использующиеся для управления двигателями.

Для замены релейно-контактных систем американской компанией Allen Bradley в 1968 г. были созданы специализированные МПС — программируемые логические контроллеры (ПЛК), разработка которых явилась результатом слияния трех таких направлений техники, как релейно-контактная и бесконтактная электроавтоматика (основа ПЛК), цикловое программное управление (принцип управления ПЛК) и микропроцессорная техника (элементная база ПЛК). Благодаря ПЛК стало возможным менять программу без перемонтажа множества реле. Таким образом, функции интерполятора реализуются не аппаратно, путем создания специализированного блока, а программно.

Программируемые логические контроллеры (рис. 3.9) состоят из компьютера с определенными входными и выходными модулями. Программа хранится в памяти контроллера и при необходимости может быть изменена.

Программируемый логический контроллер

Рис. 3.9. Программируемый логический контроллер

Контроллером (или микроконтроллером) называют устройство, с помощью которого осуществляется управление другими устройствами. Контроллер является средством автоматизации выполнения определенных действий с помощью заранее подготовленной программы.

Обработка логических входных сигналов, их преобразование и выработка управляющих воздействий на ЭП осуществляется в ПК по программе и происходит в реальном масштабе времени.

Программируемые логические контроллеры изготавливаются как самостоятельные изделия, отдельные от управляемого при его помощи оборудования. В системах управления тех нологическими объектами логические команды, как правило, преобладают над арифметическими операциями, над числами с плавающей точкой.

Микроконтроллеры (однокристальные контроллеры) отличаются легкостью программирования и доступностью всех необходимых функций для работы. Микроконтроллер имеет определенное количество ножек, часть которых может использоваться как логические входы, часть — как выходы, остальные имеют двустороннее применение. Ножки могут быть или цифровыми, или аналоговыми.

Для работы подавляющего большинства микроконтроллеров необходимо стабильное напряжение — 5 В. Этого хватает, чтобы микроконтроллер мог работать в своем обычном режиме и выполнять поставленную перед ним программу. Программирование микроконтроллеров напрямую от компьютера невозможно. Для этой цели используется программатор.

Структуры систем управления:

  • централизованная', в ПЛ К устанавливаются модули ввода-вывода. Датчики и исполнительные устройства подключаются отдельными проводами непосредственно либо при помощи модулей согласования к входам/выходам сигнальных модулей;
  • распределенная', удаленные от ПЛ К датчики и исполнительные устройства связаны с ПЛ К посредством каналов связи и, возможно, расширителей с использованием связей типа «ведущий-ведомый» (англ. Master-Slave).

Интерфейсы ПЛК:

  • • RS-232;
  • • RS-485;
  • • ModBus;
  • • CC-Link;
  • • ProfiBus;
  • • DeviceNet;
  • • ControlNet;
  • • CAN;
  • • AS-Interface;
  • • промышленный Ethernet.

Удаленное управление и мониторинг:

• SCADA;

  • • операторскими панелями;
  • • веб-интерфейс.

Языки программирования ПЛК. Для программирования ПЛ К используются стандартизированные языки МЭК (IEC) стандарта IEC61131-3.

Языки программирования (графические):

  • • LD (Ladder Diagram) — язык релейных схем (самый распространенный язык для PLC);
  • • FBD (Function Block Diagram) — язык функциональных блоков (второй по распространенности язык для PLC);
  • • SFC (Sequential Function Chart) — язык диаграмм состояний (используется для программирования автоматов);
  • • CFC (Continuous Function Chart) — не сертифицирован IEC61131-3 (дальнейшее развитие FBD).

Языки программирования (текстовые):

  • • IL (Instruction List) — ассемблероподобный язык;
  • • ST (Structured Text) — паскалеподобный язык.

Некоторым особняком в ряду комплексов МЭК стоит CoDeSys производства 3S-Smart Software Solution GmbH. Его уникальность состоит в том, что он изначально задумывался как инструмент для профессионалов. Исходя из собственных соображений, при адаптации CoDeSys для конкретного ПЛК изготовитель может наложить ряд ограничений на возможности пользователя.

Безусловно, в CoDeSys можно использовать внешние библиотеки, реализованные на С, но необходимость в этом возникает крайне редко. Практически все, что можно написать на С, в CoDeSys можно написать на ST без изменения методологии проектирования.

CoDeSys имеет встроенный компилятор и генераторы машинного кода для всех популярных семейств микропроцессоров. Внешний С компилятор не даст выигрыша по быстродействию, но значительно усложнит разработку.

Характеристики логических контроллеров: объем области памяти ввода/вывода (% I + % Q + % М), байт; питание, В; дискретные входы, шт.; аналоговые входы, шт.; дискретные выходы, шт.; аналоговые выходы, шт.

В состав ПК (рис. 3.10) входят: запоминающее устройство, в котором содержится программа его работы; логический процессор, осуществляющий логические операции над последовательно вводимыми в него сигналами; коммутаторы входных и выходных сигналов; устройства сопряжения ПК с входными и выходными сигналами, а также память, в которую поступают результаты выполнения логических операций.

Структурная схема программируемого контроллера

Рис. 3.10. Структурная схема программируемого контроллера:

ЗУ - запоминающее устройство; ЯП — логический процессор;

KI, К2 — коммутаторы входных и выходных сигналов; УСІ, УС2 — устройства сопряжения ПК с входными и выходными сигналами; П — память

Входные сигналы w(, w2, w3, содержащие информацию о ходе технологического процесса, режимах работы отдельных частей ЭП, состоянии защиты, поступают на вход устройства сопряжения УС, которое обеспечивает их гальваническую развязку и формирование из них сигналов, соответствующих по значению и виду используемым в данном ПК. Сформированные таким образом сигналы поступают на вход коммутатора К1, который последовательно подает на ЛП тот из них, адрес которого содержится в очередной команде, поступающей из ЗУ.

После выполненных ЛП преобразований, которые также определяются заложенной в ЗУ программой, сигналы через коммутатор К2 поступают в регистр памяти П и далее через УС2 на выход ПК.

Заметим, что последовательный принцип выполнения операций увеличивает время обработки информации, но так как время выполнения одной отдельной операции составляет всего лишь несколько микросекунд, быстродействие ПК в большинстве случаев оказывается вполне достаточным.

В качестве входных допускаются сигналы напряжением от 5 до 250 В постоянного или переменного тока, общее число которых может достигать тысячи и более.

Выходные устройства сопряжения УС2 обычно строятся на основе оптронных тиристоров, обеспечивающих гальваническую развязку выходных цепей и позволяющих управлять достаточно мощными исполнительными устройствами — реле, контакторами, катушками электромагнитов и др.

В теории цифровых систем управления показывается, что любые логические преобразования могут быть выполнены с помощью простейших логических операций И, ИЛИ, НЕ. Это положение определяет простоту программного обеспечения работы ПК, доступного в том числе персоналу, не имеющему специальных знаний в области программирования МПС. Типовыми командами ПК являются команды загрузки, логические, присвоения, управления циклом и специальные. Система команд имеет соответствующее мнемоническое обозначение.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >