- •М.И. Герасимов
- •Оглавление
- •Раздел 1. Преобразование параметров сигналов в функциональных узлах 7
- •Раздел II. Основы теории анализа и синтеза конечных автоматов 50
- •Раздел III. Схемотехника интерфейсов систем управления 69
- •Раздел IV. Реализация узлов ввода-вывода данных в системах управления 126
- •Раздел V. Реализация модулей памяти 193
- •Введение
- •Раздел 1. Преобразование параметров сигналов в функциональных узлах Лекция 1. Постановка задачи курса
- •Цель и задачи дисциплины, её место в учебном процессе
- •Место дисциплины в структуре ооп впо
- •Требования к уровню освоения содержания дисциплины
- •Содержание дисциплины
- •Разделы дисциплины
- •Содержание разделов дисциплины
- •Раздел I. Преобразование параметров сигналов в функциональных узлах – 8 час.
- •Раздел II. Основы теории анализа и синтеза конечных автоматов – 4 часа.
- •Раздел III. Схемотехника интерфейсов систем управления – 8 часов.
- •Раздел IV. Реализация узлов ввода-вывода данных в системах управления – 10 часов.
- •Раздел V. Реализация модулей памяти – 6 часов.
- •Рекомендуемая литература
- •Учебники (рис. 2)
- •Справочники
- •Программное обеспечение и интернет-ресурсы
- •Методические рекомендации для студентов по изучению учебной дисциплины для очной формы и нормативного срока обучения
- •Указания по работе с основной и дополнительной литературой, рекомендованной программой дисциплины
- •1.5. Советы по подготовке к текущей аттестации и зачету
- •Лекция 2. Преобразователи статических параметров сигнала
- •Лекция 3. Преобразователи динамических параметров сигнала
- •Лекция 4. Релаксационные микросхемы и узлы на их основе
- •4.1. Одновибраторы
- •4.2. Мультивибраторы
- •Раздел II. Основы теории анализа и синтеза конечных автоматов Методические рекомендации для студентов
- •Лекция 5. Анализ функциональных узлов цифровых устройств комбинационного типа
- •Лекция 6. Способы синтеза функциональных узлов цифровых устройств комбинационного типа
- •Раздел III. Схемотехника интерфейсов систем управления Методические рекомендации для студентов
- •Лекция 7. Методы подключения устройств сопряжения
- •7.1. Хабовая архитектура
- •7.2. Шинная архитектура
- •Правила обмена по шине
- •Особенности архитектуры шин
- •Лекция 8. Описание шины isa
- •8.1. Начальные сведения
- •8.2. Сигналы, протокол, циклы шины isa
- •8.3. Общие сведения о разновидностях структуры
- •Лекции 9-10. Структурные решения управляющих систем с протоколом isa
- •9.1. Узел сопряжения с магистралями шины
- •9.2. Селектор адреса
- •9.3. Выработка адресованных команд
- •9.4. Формирователи сигналов оповещения и управления темпом обмена Реализация 16-разрядного обмена данными
- •Асинхронный обмен по isa
- •9.5. Регистр состояния
- •9.6. Регистры данных
- •9.7. Сторожевой таймер
- •9.8. Схема управления прерываниями
- •Раздел IV. Реализация узлов ввода-вывода данных в системах управления Методические рекомендации для студентов
- •Лекция 11. Основные и факультативные функции узлов ввода-вывода
- •Лекция 12. Блоки ввода-вывода дискретных сигналов
- •12.1. Блоки ввода двухпозиционных сигналов. Технические требования и возможности
- •12.2. Блоки вывода двухпозиционных сигналов. Технические требования и возможности
- •12.3. Блоки вывода кодированных и числоимпульсных сигналов
- •12.4. Блоки ввода кодированных сигналов
- •12.5. Блоки ввода числоимпульсных сигналов
- •Лекция 13. Блоки ввода-вывода аналоговых сигналов
- •13.1. Технические требования и возможности
- •13.2. Вывод импульсных сигналов скважности и фазы
- •13.3. Вывод аналоговой информации в виде напряжений
- •13.4. Цифро-аналоговые преобразователи напряжения
- •Цапн с параллельной резисторной матрицей
- •Цап на структурах r-2r
- •Двуполярная схема цапн
- •Параметры цап
- •С татические параметры
- •Динамические параметры
- •Шумы, помехи и дрейфы
- •Характеристики массовых цап
- •13.5. Ввод в су фазовых сигналов
- •13.6. Ввод амплитудных сигналов
- •13.7. Аналого-цифровые преобразователи
- •Основные характеристики ацп
- •Типовые значения характеристик ацп
- •Лекция 14. Схемотехника различных ацп
- •14.1. Параллельные ацп
- •14.2. Последовательные ацп
- •Ацп с линейно изменяющимся эталонным напряжением
- •Ацп с поразрядным взвешиванием
- •Ацп с двойным интегрированием
- •Лекция 15. Сигма-дельта ацп и цап
- •Передискретизация
- •Цифровая фильтрация и децимация
- •Способы реализации цифровых фильтров
- •Дельта-сигма цап
- •Особенности применения
- •Раздел V. Реализация модулей памяти
- •Лекция 16. Схемотехника логических устройств с программируемыми функциями
- •Лекция 17. Узлы постоянной памяти
- •17.1. Постоянные запоминающие устройства
- •17.2. Флэш-память
- •Лекция 18. Узлы оперативной памяти
- •Вопросы для зачета
- •Заключение
- •Библиографический список
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
Раздел IV. Реализация узлов ввода-вывода данных в системах управления Методические рекомендации для студентов
При изучении раздела следует обратить внимание на обязательность поэтапного перехода от функционального описания узла к структурному и только затем к схемотехнической реализации.
Лекция 11. Основные и факультативные функции узлов ввода-вывода
Функциональным назначением узлов или модулей ввода УУ является единообразное представление сигналов, поступающих в УУ, с целью их передачи в виде кода на центральный процессор (ЦП) по его запросу или при возникновении особо значимого события. Назначением узлов или модулей вывода является выдача кодов с ЦП УУ на внешние устройства с преобразованием их в форму, соответствующую природе приемника. При этом подразумевается, что и входные и выходные сигналы имеют электрическую природу, т.е. первичные и электромеханические преобразователи в состав модулей ввода/вывода (МВВ) не входят. Таким образом, основная функция изучаемых модулей – выполнять по соответствующим ПРАВИЛАМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ «код–сигнал» или «сигнал–код» (в частном случае «код–код»). На стороне ЦП код должен быть двоичным позиционным. МВВ должны иметь также узлы обмена данными и состояниями с шиной процессора. В целом формируется комплексный интерфейс 2 ЦП с объектами.
Как известно /18/, электрические сигналы по информационным параметрам делят на аналоговые, которые являются непрерывными функциями времени, и дискретные, принимающие конечное множество значений. Дискретные сигналы, в свою очередь, могут быть двоичными (двухпозиционными) и кодовыми (цифровыми).
Анализ существующих и возможных микропроцессорных УУ мехатронных систем позволяет предложить следующую классификацию их модулей ввода-вывода по виду сигналов.
Модули ввода могут быть рассчитаны на прием от первичных преобразователей (датчиков) следующих аналоговых сигналов:
а) медленно меняющихся величин постоянного напряжения (в редких случаях – тока);
б) фазы синусоидального сигнала или других параметров сигнала, связанных с временнЫми интервалами (например, скважности или плотности импульсов)
и дискретных сигналов:
а) двухпозиционных (опрос путевых выключателей и других дискретных датчиков, в том числе внутренних, например включения источников питания);
б) числоимпульсных (от импульсных датчиков);
в) кодированных позиционными или непозиционными параллельными кодами (от кодовых датчиков).
Модули вывода могут обеспечивать выдачу на исполнительные устройства аналоговых сигналов:
а) медленно меняющихся величин постоянного напряжения и тока;
б) скважности импульсного сигнала;
в) фазы импульсного сигнала относительно опорного
и дискретных сигналов:
а) двухпозиционных ("включить-выключить");
б) числоимпульсных (для шаговых двигателей через коммутатор);
в) кодированных (например, непосредственно на ШД).
Как видно, для систем ЧПУ характерны как аналоговые, так и дискретные входные и выходные величины 3.
Начнем с рассмотрения параметров дискретных сигналов ввода и вывода и соответствующих интерфейсов.
Лекция 12. Блоки ввода-вывода дискретных сигналов
12.1. Блоки ввода двухпозиционных сигналов. Технические требования и возможности
Как указано выше, в качестве нормативного документа по интерфейсным блокам УУ мехатронных систем можно признать стандарт /21/ на связи устройств ЧПУ для металлообрабатывающего оборудования с соответствующими станками. По параметрам двухпозиционных сигналов ввода этим стандартом даны следующие рекомендации:
напряжение постоянного тока 24 В с допускаемыми отклонениями от плюс 10 до минус 15 %;
ток входа не более 0,02 А, но не менее 0,01 А.
В схеме соответствующих модулей должна быть предусмотрена гальваническая развязка входов от других цепей УУ, а электрическая изоляция должна выдерживать напряжение 500 В постоянного тока в течение 1 мин. Кроме того, согласно /21/, в каждой входной цепи должно быть не более пяти последовательно включенных контактов (путевых выключателей и т.п.), входные цепи должны быть нечувствительны к их дребезгу в течение 5-10 мс. Схема соединений двухпозиционных входов для мехатронных систем (промышленных роботов – ПР), согласно стандарту /22/, может быть представлена в виде, приведенном на рис. 57, где УЧПУ – устройство числового
программного управления робота, ИУ ПР и ТО – исполнительные устройства робота и технологического оборудования РТК, М – магистраль ввода/вывода данных, ГР – устройства гальванической развязки, ИЧ – интерфейсная часть соответствующего блока, РД – его регистр данных. В качестве нагрузок показаны реле К1, шунтированное обратновключенным диодом VD1, и индикаторная лампа накаливания HL1 с резистором преднакала R2. Диод защищает выходные цепи блока вывода от ЭДС самоиндукции в момент размыкания цепи с индуктивностью (обмотка реле), а резистор – от экстратока включения нелинейного сопротивления лампы. Светодиод обозначен как HL2, поскольку он является сигнальным элементом, R1 служит для ограничения прямого тока на уровне, допускаемом ТУ на этот светодиод (обычно 10-20 мА).
Выходы источника питания входных и выходных цепей (± 24 В) должны быть изолированы от корпуса.
Интерфейсная часть блока ввода, помимо дешифрации адреса и команд и управления магистральными приемопередатчиками, может выполнять следующие функции:
выявлять переключения в контролируемых цепях и регистрировать их как значимые события (при наличии регистра событий);
формировать требование прерывания при наступлении любых или заданных переходов контролируемого сигнала;
при предоставлении прерывания выдавать идентификатор источника прерывания (например, АВП);
маскировать события в каждом или в нескольких (всех) каналах, блокируя тем самым требование прерывания.
Перечисленные функции могут присутствовать в различных комбинациях. Исходя из этого, можно построить следующую классификацию устройств дискретного ввода (рис. 58).
Например, в АСУТП «Орион» (шина Q-bus) использованы устройства с регистрацией событий в многоразрядном регистре (разряд для каждого события), с индивидуальным маскированием каждого разряда, раздельными адресами РМ и РС, но с общим для всего устройства АВП, настраиваемым с помощью перемычек.
Для сопряжения входных сигналов стандартного уровня 24 В с УВВ необходимо преобразовывать их в уровни, принятые в данном УВВ (как правило, используются уровни ТТЛ). В качестве преобразующих схем применяют резистивные делители напряжения, диодные ограничители, компараторы, триггеры Шмитта, согласователи уровней. Наиболее распространены устройства с токовым входом и гальванической развязкой на базе гибридных микросхем типа К293ЛП1 (хотя они не соответствуют требованию по пробивному напряжению).
Рис. 58
Р ассмотрим пример одного из субблоков дискретного ввода – SB-448 из УЧПУ 2С42 (рис. 59).
Рис. 59
На структурной схеме обозначены следующие узлы и блоки:
ГР – узел гальванических развязок; ШФ – шинные формирователи данных; ФСС – формирователь сигналов событий; РСоб – регистр событий; ФТП – узел формирования требований прерывания; ФИЗ – узел формирования идентификаторов источников запросов прерывания, а также сигналы RA0 – RA2 – команды чтения по условным адресам 0, 1 и 2.
Принципиальная схема узлов, выделенных зеленым, (2 разряда) приведена на рис. 60.
В качестве аппаратных средств борьбы с дребезгом используются RS-триггеры, одновибраторы (например, К555АГ3) с логикой на выходе и др. Однако чаще всего применяются программные средства задержки опроса после требования прерывания.
П ринципиальная схема части узла формирования идентификаторов источников запросов прерывания приведена на рис. 61.
О собый случай составляет использование в качестве дискретного сигнала напряжения с выхода датчика Холла 4. Датчики Холла – это приборы, измеряющие напряжённость магнитного поля. Собственно датчик Холла есть аналоговый преобразователь, и напряжение на его выходе пропорционально току, протекающему через полупроводниковый элемент и силе магнитного поля. Для получения дискретного сигнала применяют компаратор на триггере Шмидта, позволяющий формировать на выходе импульсы с крутыми фронтами, пригодные для запуска коммутатора, управляющего питанием обмоток двигателя. Структурная схема дискретного датчика положения на элементе Холла и характеристики релейного элемента приведены на рис. 62.
Магнитная индукция внешнего поля, Гс
Рис. 62