24

3. Мікропроцесорні засоби у виробничих системах.

1. Загальні відомості про мікропроцесорну техніку.

Мікропроцесори і мікроЕОМ — масова продукція електронної промисловості. Знання основ мікропроцесор­ної техніки необхідні інженерам будь-якого профілю, особливо інженерам-системотехнікам, інженерам-конс-трукторам та інженерам-технологам обчислювальних сис­тем (ОС).

Мікропроцесори (МП) знайшли широке застосування в сучасних ОС та радіоелектронних пристроях (РЕП), техно­логічних системах контролю, гнучких автоматизованих та інших виробництвах. Використання МП сприяло знач­ному підвищенню продуктивності праці, поліпшенню якості апаратури різного призначення. Завдяки застосу­ванню МП і мікроЕОМ у технічних системах розширилися функціональні можливості апаратури, підвищились її на­дійність і стабільність функціонування, поліпшилась якість обробки інформації.

Перспективи та можливості застосування МП і мікро-ЕОМ в обчислювальних системах ще повністю не розкри­ті. Постійно вдосконалюються технологія та архітектура МП. Так, розрядність сучасних однокристальних МП досягає 64 біт. При використанні МП і мікроЕОМ розробни­ки повинні вміти оцінювати можливості їх архітектури та технічні характеристики, а також володіти мовами програмування різних рівнів. Для створення системного програмного забезпечення поширена мова асемблера, але щодо продуктивності праці програмістів задачі обробки даних розв'язуються за допомогою мов високого рівня. Тому сучасним інженерам — спеціалістам з обчислю­вальної техніки необхідні знання в галузі як архітектури МП, так і програмування радіотехнічних задач на мовах різних рівнів.

До основних понять мікропроцесорної техніки нале­жать: «мікропроцесор», «ІС», «ІМС», «ВІС», «НВІС», «мікропроцесорний комплект ВІС», «мікропроцесорний пристрій», «мікропроцесорна система», «мікропроце­сорна техніка», «мікроЕОМ» (загального призначення та спеціалізовані), «вбудована мікроЕОМ», «комп'ютер персональний», «побутовий персональний комп'ютер», «професійний персональний комп'ютер», «мікрокон-тролер» та ін.

Крім того, в мікропроцесорній техніці використовують поняття, властиві взагалі обчислювальній техніці, зокре­ма «магістраль», «шина», «інтерфейс», «системний інтер­фейс», «малий інтерфейс», «адаптер», «протоколи», «лі­нія інтерфейсу» та ін.

При вивченні програмних засобів у мікропроцесорній техніці використовують поняття, які збігаються за назвою з поняттями опису програмних засобів загалом в обчислю­вальній техніці, зокрема «алгоритм», «програма», «про­грамне забезпечення» та ін.

Одним з головних, базовим поняттям мікропроцесор­ної техніки, є «мікропроцесор».

Мікропроцесор — складний програмнокерований пристрій, призначений для обробки цифрової інформації та керування процесом цієї обробки, виконаний у вигляді однієї чи кількох ін­тегральних мікросхем підвищеного ступеня інтеграції (ВІС чи НВІС).

Інтегральна мікросхема (ІМС) — мікроелектронний виріб, що виконує певну функцію перетворення, обробку сигналів і (чи) накопичення інформації, який має велику щільність упакування електрично з'єднаних елементів (чи елементів і компонентів) та (чи) кристалів і розгляда­ється щодо вимог випробувань, постачання та експлуата­ції як єдине ціле.

Напівпровідникова ІМС — інтегральна мікросхема, всі елементи та міжелементні з'єднання якої виконані все­редині й на поверхні напівпровідника.

Цифрова ІМС — інтегральна мікросхема, призначена для перетворення й обробки сигналів, що змінюються за законом дискретної функції.

Ступінь інтеграції — показник ступеня складності ІМС, що характеризується кількістю елементів і компонен­тів, які містяться в ній. Ступінь інтеграції визначається за формулою к = І£./У, де к — коефіцієнт, що визначає ступінь інтеграції, значення якого округлюється до найбільшого цілого числа; N — число елементів і компонентів ІМС.

Велика інтегральна мікросхема (ВІС) — інтегральна мікросхема, що містить 500 і більше елементів, виготовле­них за біполярною технологією, або 1000 і більше елемен­тів, виготовлених за МДП-технологією, надвелика інтег­ральна схема (НВІС) — понад 10 000 елементів.

Комплект ВІС — сукупність типів ВІС, що виконують різноманітні функції, сумісні за архітектурою, конструк­тивним виконанням та електричними параметрами і за­безпечують можливість їх сумісного використання при виготовленні мікропроцесорної техніки.

Мікропроцесорний комплект (МПК) — сукупність мікропроцесорних та інших ІМС, які сумісні за архітек­турою, конструктивним виконанням та електричними параметрами і забезпечують можливість їх сумісного ви­користання.

Мікропроцесор описується численними параметрами, притаманними як електронним приладам (швидкодія, споживана потужність, габарити, маса, кількість рівнів живлення, надійність, вартість, тип корпуса, темпера­турний діапазон та ін.), так і обчислювальним засобам (розрядність, цикл виконання команди чи мікрокоманди, кількість внутрішніх регістрів, наявність мікропрограм-ного рівня, тип стекової пам'яті, склад програмного за­безпечення та ін.).

Мікропроцесорний пристрій (МПП) — функціонально і конструк­тивно закінчений виріб, що є схемно-конструктивним з'єднанням кількох мікросхем, у тому числі одного чи декількох мікропроцесо­рів, призначений для виконання однієї чи кількох з функцій: одер­жання, обробка, передання, перетворення інформації та керу­вання.

МПП має уніфіковані з'єднувальні характеристики (інтерфейс, конструкцію та ін.) і функціонує у складі пев­ної технічної системи.

Мікропроцесорна система (МПС) — сукупність значної кількості функціональних пристроїв, одним з яких є мікропроцесор.

Мікропроцесор є ядром цієї системи і виконує функції центрального пристрою керування та пристрою арифме­тично-логічного перетворення даних. Всі пристрої МПС мають стандартний інтерфейс і підключаються до єдиної інформаційної магістралі.

Мікропроцесорна техніка — мікропроцесори і пристрої обчис­лювальної техніки та автоматики, виконані на їх основі.

Це найзагальніше поняття обчислювальної техніки. На сьогодні майже вся вона побудована на базі мікропро­цесорних пристроїв.

МікроЕОМ загального призначення — мікроЕОМ, що мають ве­ликі операційні ресурси, пристосовані для обробки різноманітних числових і текстових даних та призначені для користування в об­числювальних центрах.

Це найпоширеніший клас мікроЕОМ, який є базовим для персональних комп'ютерів

Спеціалізовані ЕОМ — ЕОМ, призначені для реалізації певного конкретного алгоритму: перетворення Фур'є, обчислення кореля­ційних функцій та ін. Вони є вузькопрофільними ЕОМ з обмеженою кількіс­тю системних команд.

Вбудована мікроЕОМ (мікропроцесорний пристрій) — блок об­робки даних і керування, призначений для використання в побу­тових приладах, системах технологічного контролю чи керування, периферійних пристроях ЕОМ, оргтехніці та ін.

Найбільш масово ці ЕОМ використовують у побутовій техніці (телевізори, магнітоли, пральні машини та ін.)

Комп'ютер персональний (персональна ЕОМ) — діалогова сис­тема індивідуального користування, реалізована на базі мікро­процесорних засобів, малогабаритних зовнішніх запам'ятовуючих пристроїв і пристроїв реєстрації даних, які забезпечують доступ до всіх ресурсів ЕОМ за допомогою розвинутої системи програму­вання мовою високого рівня.

Це — невелика за розміром і вартістю універсальна мікроЕОМ, призначена для індивідуального користування. Побутові персональні комп'ютери виконують функції до­машнього інформаційного центра. Професійні персональні комп'ютери призначені для автоматизації різноманітних операцій обробки великих обсягів інформації на робочому місці спеціаліста.

Мікроконтролер — керований пристрій, виконаний на одному чи кількох кристалах, функціями якого є логічний аналіз і керу­вання.

Класифікація мікропроцесорів та їх основні параметри.

За кількістю ВІС розрізняють однокристальні, багатокристальні та багатокристальні секціоновані МП.

Однокристальні МП реалізують усі апаратні засоби процесора у вигляді однієї ВІС або НВІС. Однокристаль-ний МП має фіксовану розрядність, набір команд і конс­труктивно виконаний у вигляді однієї інтегральної схеми (ІС). Усі здійснювані ним операції визначаються набором команд МП. Особливістю однокристального МП є наяв­ність внутрішньої магістралі для передачі внутрішніх ін­формаційних даних і керуючих сигналів. Можливості цих МП обмежені апаратурними ресурсами кристала і корпу­са, але із збільшенням ступеня інтеграції кристала та кількості виводів корпуса параметри МП безперервно по­ліпшуються.

У багатокристальних МП логічна структура розподі­ляється на функціонально закінчені частини, які реалізу­ються у вигляді окремих ВІС та НВІС або окремих криста­лів в одній НВІС.

Багатокристальні секціоновані МП складаються з набору мікропроцесорних секцій.

Мікропроцесорна секція — мікропроцесорна інтегральна схема, яка реалізує частину МП і має засоби простого функціо­нального об'єднання з однотипними або іншими мікропроцесор­ними секціями для побудови закінчених МП, МПП або мікроЕОМ.

Керування секціонованими МП здійснюється мікро-програмними засобами. До секціонованих МПК належать ВІС серій: К1800, КР1802, КМ1804 та ін. Головне їх приз­начення — створення високопродуктивних багаторозряд-них МП і МПС, на базі яких реалізуються різноманітні ке­руючі обчислювальні системи.

Основу МПК ВІС становить базовий комплект ІМС од­нієї серії. Він може складатися з ІС однокристального МП з фіксованими розрядністю та набором команд або ком­плекту ВІС однокристального МП. Для розширення функ­ціональних можливостей МП базовий МПК ВІС доповню­ється іншими типами ВІС: ОЗП, ПЗП, ППЗП, інтерфейсними інтегральними схемами, контролерами зовнішніх пристроїв та ін.

За типом оброблюваних сигналів розрізняють цифрові та аналогові МП. В обох типах МП обробка інформації цифрова. В цифрових МП обробляються суто цифрові сигнали, а в аналогових для обробки аналогових сигналів вбудовано аналого-цифровий пристрій (АЦП) і цифро-ана-логовий перетворювач (ЦАП). У них вхідні аналогові сиг­нали передаються в МП через АЦП, обробляються в циф­ровій формі, перетворюються на аналогову форму в ЦАП і надходять на вихід.

Загальна характеристика процесу використання мікропроцесорів та мікроЕом у технічних системах.

У наш час важко уявити собі галузь народного госпо­дарства, в якій не можна було б використати МП, мікро-контролер чи мікроЕОМ. Ці пристрої можуть вбудовува­тись у контури керування технологічним процесом, верстати, різноманітні прилади та багато інших пристроїв і систем.

Завдання створення автоматизованих систем керуван­ня технологічними процесами (АСК ТП) з використанням мікроЕОМ постають практично у всіх галузях. Перед роз­робниками автоматизованих систем виникають, у першу чергу, питання, яким чином реалізувати вже відомі тех­нічні системи на надійнішій елементній базі та з більшою ефективністю. При цьому вирішується питання взає­мозв'язку показників надійності систем та економічної ефективності.

Широке використання МП і мікроЕОМ у системах ке­рування виробництвом зумовлене різким зниженням їх вартості та можливістю створення на їх основі розподіле­них децентралізованих систем керування. Ці системи реа­лізуються на базі універсальних комп'ютерів з відповідним програмним забезпеченням, а також мікропроцесорних контролерів з широким діапазоном технічних характерис­тик. Сучасна мікропроцесорна техніка використовується для програмного керування різними виробничими об'єкта ми регулювання параметрів технологічних процесів, ке­рування споживанням паливно-енергетичних ресурсів, у машинобудуванні, металургії та інших галузях, керуван­ня якістю продукції, контролю і діагностування техніч­них та інших об'єктів. Широке застосування одержали промислові роботи з вбудованими МП та мікроЕОМ для керування технологічним обладнанням.

Частина систем керування виробництвом будується на принципі централізованого керування, але намагання ви­конувати за допомогою однієї керуючої ЕОМ велику кіль­кість функцій виробництва не завжди має ефективний ре­зультат. До того ж відмова керуючої ЕОМ може зупинити все виробництво. Тому найбільш прийнятним є раціональ­не поєднання централізованих і розподілених структур керування виробництвом на базі МП та мікроЕОМ.

Одними з найпростіших сучасних виробничих систем є системи автоматичного керування (САК) автономним об'єктом чи процесом (рис. 1).

На вхід системи керування з об'єкта керування (ОК) поступають вхідні сигнали X, які сприймаються підсисте­мою К контрольної інформації згідно з алгоритмами, що зберігаються в пам'яті підсистеми перетворення П. Мета керування досягається виробленням сигналів керування ¥ та їх дією на об'єкт через виконавчу підсистему В. Керу­вання здійснюється без участі оператора, тобто автоматич­но. Таке керування можливе лише для автономних об'єк­тів з нескладними алгоритмами керування. Прикладом такого типу САК може бути система стабілізації напруги чи частоти автономного генератора, стабілізації темпера­тури печі тощо. Для таких систем характерна спеціалізована апаратурна реалізація мікропроцесорних засобів причини низьких вимог до ємності пам'яті та інших обчис­лювальних ресурсів.

Рис.1. Автоматична система керування автономним об'єктом

На структурній схемі автоматизованої системи керуван­ня (АСК) автономним об'єктом (рис. 2) вектор вхідних сигналів X формується не тільки об'єктом керування, а й оператором (Оп), а виконавчі сигнали У не лише діють на об'єкт, а й забезпечують інформацією оператора. Причи­ною участі людини-оператора в керуванні автономним об'єктом є невивченість певних етапів технологічного про­цесу чи надмірна складність їх повної автоматизації. На­явність людини-оператора потребує використання спеці­альних засобів відображення інформації. Характерним прикладом такої системи є АСК верстатом чи обробляю­чим центром. їх називають системами числового програм­ного керування (ЧПК). Присутність людини тут необхідна на таких етапах технологічного процесу: пошук та запуск програми, встановлення заготовки, корекція та заміна інс­трумента, знімання деталі, видалення стружки та ін.

Рис. 2. Система автоматизованого керування автономним об’єктом.

Для розглянутих САК і АСК автономних об'єктів харак­терна однорівнева структура. Сукупність підсистем К, П, В належить до одного рівня керування.

Створення АСК ТП групою об'єктів зумовило появу ба­гаторівневих систем, зокрема дворівневих (рис. 3).

Рис.3. Дворівнева автоматизована система.

Зв'язок між рівнями здійснюється, як правило, за од­ним із стандартних інтерфейсів за допомогою сигналів Х_н і У_н. Оператори беруть участь у технологічному процесі як на верхньому (О_пВ), так і на нижньому рівні (О_п1,..., О_пМ).

Дворівневі автоматизовані системи вводять в експлуа­тацію «знизу догори». Це дає змогу поступового введення в дію виробничої системи в міру її готовності. Наявність пам'яті на нижньому рівні визначає його автономність і адаптованість на різних стадіях поступового введення в експлуатацію.

Дворівнева структура керування характерна для бага­тьох сучасних автоматизованих систем, зокрема гнучких виробничих систем (ГВС). Підвищення гнучкості та інтегра­ції виробничих систем сприяє зростанню ролі пам'яті, яка дає можливість змінювати інформацію в процесі експлуата­ції. Переналагодження в ГВС зводиться до заміни керуючих програм у пам'яті системи. Прикладом максимальної гнуч­кості та універсальності є ГВС механічної обробки деталей.

З появою МП почався новий період у сфері автоматиза­ції виробничих процесів. Майже всі аспекти створення систем керування були переглянуті. Це структура і склад технічних засобів, сукупність виконуваних функцій, їх розподіл між компонентами системи, способи надання ін­формації оператору-технологу, значення математичних моделей при реалізації контролю і керування та ін.

У складі технічних засобів автоматизації виробничих процесів МП використовуються практично на всіх рівнях керування, починаючи від засобів збирання та первинної обробки даних — до обчислювальних комплексів і систем. При цьому істотно розширюються функціональні можли­вості периферійних пристроїв.