Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Уральский государственный университет путей сообщения

Кафедра «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте»

А. А. Новиков

М. Ю. Белошицкий

Имитационное моделирование

дискретных устройств

Екатеринбург

Издательство УрГУПС

2012

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Уральский государственный университет путей сообщения

Кафедра «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте»

А. А. Новиков

М. Ю. Белошицкий

Имитационное моделирование

дискретных устройств

Учебно-методическое пособие по дисциплине

«Микропроцессорные информационные и управляющие системы на железнодорожном транспорте» для студентов

специальности 190402 — «Автоматика и телемеханика

на железнодорожном транспорте»

Екатеринбург

Издательство УрГУПС

2012

УДК 656.256.05:681.3

Н 73

А. А. Новиков

Н 73 Имитационное моделирование дискретных устройств : учеб.-метод. пособие

/ А. А. Новиков, М. Ю. Белошицкий, — Екатеринбург : изд-во УрГУПС, 2012 — 94 с.

Учебно-методическое пособие может быть использовано для выполнения практических занятий и разработки курсовой работы по дисциплине «Микропроцессорные информационные и управляющие системы на железнодорожном транспорте».

В пособии описано большое количество триггерных устройств, что позволяет иметь достаточно большое количество заданий (100 заданий). Здесь же достаточно подробно рассмотрен метод реализации дискретных устройств на микроконтроллерах PIC16.

Учебно-методическое пособие предназначено для студентов дневного и заочного отделений обучения по специальности 190402 «Автоматика и телемеханика

на железнодорожном транспорте».

УДК 656.256.05:681.3

Печатается по решению редакционно-издательского совета университета.

Авторы: А. А. Новиков — к.т.н., профессор кафедры «Автоматика,

телемеханика и связь на железнодорожном транспорте»,

УрГУПС.

М. Ю. Белошицкий — ассистент кафедры «Автоматика,

телемеханика и связь на железнодорожном транспорте»,

УрГУПС

Рецензенты: В. Л. Нестеров — д.т.н., профессор кафедры «Автоматика и

телемеханика на железнодорожном транспорте», УрГУПС

Л. А. Заманова — ведущий инженер ОАО «Уралгипротранс»

© Уральский государственный университет

путей сообщения (УрГУПС), 2012

Оглавление

Введение 5

1. Методы разработки алгоритмов и программ имитационных моделей комбинационных схем и последовательных автоматов с памятью 7

1.1. Методы разработки алгоритмов имитационных моделей комбинационных схем 7

1.1.1. Непосредственнее решение функций алгебры логики 7

1.1.2. Метод бинарных функций 8

1.1.3. Решение функции алгебры логики методом адресных переходов 9

1.2. Элементы памяти полупроводниковых устройств 11

1.2.1. Классификация триггерных устройств 11

1.2.2. Триггер как элементарный последовательный автомат 14

1.2.3. Наиболее популярные методы разработки алгоритмов и программ имитационных моделей с памятью 15

1.3. Асинхронные триггеры 15

1.3.1. Асинхронный RS-триггер 15

1.3.2. Асинхронные S-, R- и E-триггеры 23

1.3.3. Асинхронный D-триггер 32

1.3.4. Асинхронные Т-триггеры 33

1.3.5. Асинхронные JK-триггеры с импульсным управлением 35

1.3.6. Асинхронные потенциально управляемые JK-триггеры 36

1.4. Синхронные (тактируемые) триггеры 39

1.4.1. Синхронный RS-триггер 39

1.4.2. Синхронный D-триггер 42

1.4.3. Синхронный JK-триггер 42

1.4.4. Универсальные D- и JK-триггеры 44

49

1.4.5. Примеры схем, построенных с применением JK-триггера К155ТВ1 50

1.5. Пример разработки имитационной модели триггерного устройства 54

1.5.1. Непосредственное решение уравнений, описывающих работу триггерной установки 54

1.5.2. Использование графа состояний триггерного устройства для разработки алгоритма 56

1.5.3. Применение таблицы переходов для решения поставленной задачи 58

2. Реализация дискретных устройств на микроконтроллерах PIC16 61

2.1. Введение в программирование микроконтроллеров PIC16 61

2.1.1. Краткие сведения об архитектуре микроконтроллеров PIC16 и принципе их работы 61

2.1.2. Язык ассемблера PIC16 63

2.1.2.1. Команды пересылки 64

2.1.2.2. Арифметические команды 65

2.1.2.3. Булевы операции 65

2.1.2.4. Битовые операции 67

2.1.2.5. Операции условного, безусловного переходов и вызова подпрограмм 67

2.1.3. Общий вид программы и типовые приемы программирования 69

2.1.3.1. Битовая арифметика 70

2.1.3.2. Ветвление 71

2.1.3.3. Вызов подпрограммы 72

2.1.4. Использование среды MPLAB 73

2.2. Моделирование комбинационных автоматов 74

2.2.1. Метод непосредственного вычисления ФАЛ 74

2.2.2. Метод бинарных функций 77

2.2.3. Метод адресных переходов (табулирование функций) 82

Приложение А. Исходные тексты примеров 86

А.1. Применение метода непосредственного вычисление ФАЛ 86

А.2. Применение метода бинарных программ 87

А.3. Применение метода адресных переходов 88

А.3.1. Способ размещения таблицы в ПЗУ 88

А.3.2. Способ размещения таблицы в ОЗУ 89

А.4. Модуль hdw_init 90

Приложение Б. Краткий справочник инструкций PIC16 92

Библиография 93

Введение

Имитационное моделирование основано на описании функционирования системы, отдельных её узлов или объектов управления в виде алгоритмов и программ. Имитационные математические модели – это алгоритмические модели, отражающие поведение исследуемой системы во времени при заданных внешних воздействиях на систему, узел или объект управления.

Основой имитационного моделирования является описание моделируемого объекта на языке программирования. При этом эти модели представляют собой структурное подобие объекта в модели. Это значит, что каждому существенному с точки зрения решаемой задачи элементу объекта ставится в соответствие элемент модели. При построении имитационной модели описываются законы функционирования каждого элемента объекта и связи между ними.

Имитационные модели представляют собой описание объекта исследования на некотором языке, которое имитирует элементарные явления, составляющие функционирование исследуемой системы, с сохранением их логической структуры, последовательности протекания его во времени, особенностей и состава информации о состоянии процесса. Можно отметить аналогию между исследованием процессов методом имитационного моделирования и экспериментальным их исследованием.

Работа с имитационной моделью заключается в проведении имитационного эксперимента. Процесс, протекающий в модели в ходе эксперимента, подобен процессу в реальном объекте. Поэтому исследование объекта на его имитационной модели сводится к изучению характеристик процесса, протекающего в ходе эксперимента.

Ценными качествами имитационной модели являются: возможность управлять масштабом времени, можно исследовать влияние экстремальных ситуаций, которые затруднительно или даже невозможно создать при экспериментальном испытании объекта, менять задачи, решаемые при моделировании и др.

Важнейшие свойства имитационных моделей:

– с помощью имитационных моделей можно исследовать системы любой степени сложности. Усложнение объекта исследования приводит только к увеличению числа данных, вводимых в модель, усложнению алгоритма их обработки и увеличению времени решения модели. При этом структура модели остаётся неизменной;

– метод моделирования не ограничивает уровень детализации. С помощью алгоритмов можно воспроизводить сколь угодно своеобразные взаимосвязи между элементами системы и процессы функционирования. Более детальное представление организации системы сказывается только на объёме алгоритмического описания модели и затрат времени на моделирование;

– имитационные модели являются неограниченным источником данных о поведении исследуемой системы, особенно в экстремальных ситуациях. При этом могут быть получены характеристики как системы в целом, так и отдельных её узлов и элементов.

Имитационные модели в настоящее время широко используются для сертификации вновь разрабатываемых систем и устройств и могут применяться для создания программ функционального контроля. При этом программ функционального контроля, как правило, две: одна из них работает совместно с работающей системой, вторая включается только при проверке и тестировании системы. Для функционирования второй программы используется датчик тестов. Задачей первой программы является обнаружения факта отказа системы (обычно с указанием отказавшего узла), вторая программа позволяет определить отказавший элемент.

В данной работе предусматривается описание методов создания имитационных моделей дискретных (цифровых) узлов систем автоматики и телемеханики. Эти узлы совмещают функции по переработке и хранению информации. Для хранения информации могут использоваться электромагнитные реле, полупроводниковые триггеры, магнитные элементы, лампы с холодным катодом и пр. Программная реализация алгоритмов, релейных устройств достаточно подробно описана в [1, 2]. В данной работе уделено основное внимание триггерным устройствам, построенным с применением транзисторных логических элементов или микросхем малой степени интеграции (серии К155, К561, К 176 и др.).

В [1, 2] также описаны методы разработки имитационных моделей дискретных устройств с памятью: непосредственное решение функций алгебры логики, применение графов состояния дискретных устройств, позволяющих упростить алгоритм и программу, использование таблиц переходов и выходов. Последний метод построения имитационных моделей дискретных устройств позволяет создать универсальные алгоритм и программу, не зависящие от моделируемого устройства. В связи с этим при описании различных типов триггерных устройств разработаны графы состояний, таблицы переходов и функции алгебры логики, описывающие работу этих устройств.

В последних разделах данного раздела приводятся примеры применения триггерных устройств и методы построения их имитационных моделей (алгоритмов).