48

Курс лекций

«Сверхбольшие интегральные схемы»

Электронная версия

1. Введение

Микропроцессорные системы сбора и обработки данных в настоящее время выполняются на одном кристалле в виде сверхбольшой интегральной схемы (число элементов………). На таком кристалле размещаются микропроцессор, АЦП, ЦАП, мультиплексор, программируемый усилитель, драйвер ЖК-дисплея и другие устройства. Целью данного курса является изучение устройства микроконтроллеров семейства MCS51 и других устройств, необходимых для сбора и обработки данных, приобретение навыков программирования микроконтроллеров на языках Ассемблера и Си в различных средах отладки программ и моделирования работы устройств на базе микроконтроллера и внешних по отношению к нему устройств.

2. Назначение микропроцессорных систем сбора и обработки данных

Микропроцессорные системы сбора и обработки данных (МПСОД) являются составными частями автоматизированных систем контроля и управления технологическими процессами и объектами.

Н аиболее простыми системами, в которые входят (МПСОД), являются системы автоматического управления (САУ) автономными объектами или процессами (рис. 1).

На вход системы управления от объекта управления (ОУ) поступают входные сигналы датчиков, расположенных на объекте управления, воспринимаемые подсистемой преобразования "П". В подсистеме "П" входные сигналы преобразуются в форму, необходимую для работы операционного блока "О". В операционном блоке происходит преобразование входной информации в соответствии с алгоритмами, хранящимися в его памяти. Цель управления достигается выработкой сигналов управления и их воздействием через исполнительную систему "И" на объект управления. Более детально эта схема может быть представлена следующей структурой (рис. 2) [1]:

Объект управления содержит датчики (Д), формирующие множество параметров x₁, x_2­…..x_m, образующих первичную информацию об объекте.

Сбор этой информации и ввод в операционный блок микропроцессорной системы (МПС) или персональный компьютер (ПК) осуществляется посредством подсистемы преобразования, которая взаимодействует с МПС или ПК через системный интерфейс. После выполнения необходимых вычислительных преобразований над x₁ – x_m , операционный блок МПС или ПК формирует управляющие воздействия y₁ – y_n, которые через блок вывода и преобразования передаются на объект для обеспечения требуемых характеристик процесса управления или измерения.

Е сли в контур управления объектом включается оператор, то такая система называется автоматизированной системой управления (АСУ) (рис. 3). Присутствие человека обусловлено не полной автоматизацией некоторых этапов технологического процесса (станки с ЧПУ - установка заготовки, уборка стружки, замена инструмента, снятие детали и т.д.) или высокой ценой ошибки управления (например, управление поездом метрополитена). Для АСУ необходимо наличие средств отображения информации для оператора.

Существуют информационные системы, в которых отсутствует обратная (управляющая) связь с объектом (рис. 4). В этих системах вместо исполнительной системы используется система отображения информации. Примером таких систем могут служить устройства для измерения и отображения, текущего времени, атмосферного давления и температуры.

Рассмотренные системы являются одноуровневыми (один МП или ПК).

Создание автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) группой объектов привело к появлению 2-х уровневых структур. На начальном этапе развития АСУТП предпринимались попытки реализации одноуровневой системы, когда управление объектами возлагалось на одну ЭВМ с большими вычислительными ресурсами и ресурсом памяти. Подкупала относительная простата таких систем. Однако ряд существенных недостатков централизованной структуры предопределил неудачу такого направления. К недостаткам одноуровневых систем относятся низкая надёжность, наличие большого количества линий, соединяющих датчики с устройствами преобразования. Действительно, выход из строя микроконтроллера или ПК приводил к потере управления всеми объектами сразу.

Поэтому на современном этапе более жизнеспособными оказались 2-х уровневые системы. Такие достоинства, как высокая производительность и живучесть, реализуются на нижнем уровне, где каждому ОУ выделяется независимая система управления (рис. 5).

Вычислительные устройства (ВУ) нижнего уровня объединяются между собой и (ВУ) верхнего уровня в локальную вычислительную сеть.

Рис. 5

Пример системы преобразования и ввода сигналов в МПС

Информация с датчиков различного типа может поступать в виде непрерывно меняющихся токов, напряжений, непериодических дискретных сигналов типа включено “1”- выключено“0” и времяимпульсного представления информации [1]. В зависимости от вида аналоговой информации структура подсистем преобразования может быть различной.

Рассмотрим задачу об измерении температуры нескольких удалённых объектов. Пусть в качестве датчиков температуры используются термопары. Термопары выдают непрерывные аналоговые сигналы в виде напряжения, которое растёт при увеличении температуры. Напряжение термопар находится в диапазоне нескольких милливольт. Возможная функциональная схема для измерения температур нескольких объектов представлена на рис. 7. Напряжение с концов термопары поступает на нормирующий усилитель. Поскольку нормирующий усилитель удалён от основной части измерительной системы, и расстояние от каждого нормирующего усилителя до основной части измерительной системы различно, то используется преобразование напряжения в ток. Величина тока при этом пропорциональна температуре. Это делается для уменьшения погрешности измерения, вносимой сопротивлением проводов различной длины от нормирующих усилителей до коммутатора сигналов. У входа коммутатора токи преобразуется в напряжения на резисторах R_изм. Коммутатор по команде микроконтроллера подключает к измерительному каналу напряжение от каждого R_изм. То есть поочерёдно будет измеряться сигнал от каждой термопары. Поскольку входное сопротивление микросхемы АЦП, соизмеримо с сопротивлением открытого ключа коммутатора, то между выходом коммутатора и входом АЦП устанавливается повторитель напряжения. Дело в том, что повторитель обладает намного большим входным сопротивлением, чем микросхема АЦП. Включение в измерительный тракт повторителя уменьшает погрешность измерения, связанную с конечным сопротивлением ключа коммутатора, на котором в отсутствие повторителя падала бы заметная часть напряжения сигнала. С выхода АЦП данные в параллельном коде поступают на вход микроконтроллера, который в данной схеме является операционным блоком.