4.12. Общая схема контроллера управления ДВС
С появлением микроконтроллеров в области автоматизации управления автомобилей и тракторов происходит смена поколений бортового электрооборудования. Базовую схему микроконтроллера можно представить в виде соединения пяти основных электронных блоков (микропроцессора, постоянной и оперативной памяти, блоков портов ввода и вывода) в единую интегральную схему (рис. 4.24).
Входной порт этой системы получает сигналы от периферийных устройств (датчиков). Эти сигналы должны быть преобразованы з аналоговых в цифровые. Данные преобразования осуществляет аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), представляющий собой электронную схему,
собранную на комбинационных устройствах и компараторах.
Блок центрального процессора (ЦПУ, central processing unit
СибАДИРис. 4.24. Базовая схема микроконтроллера
– СРU), или просто микропроцессор, является необходимым элементом любой компьютерной системы. Именно он способен производить вычисления и управлять всей системой по алгоритмам, хранящимся в устройстве памяти. Микропроцессор работает со скоростью, определяемой системным таймером (обычно это кварцевый генератор), который генерирует сигнал прямоугольной формы. Микропроцессор – это устройство, которое управляет всем вычислительным процессом через
сигнальные шины адреса, данных и команд.
Простейшим комбинационным устройством является логический элемент И-НЕ с двумя входами и одним выходом. С помощью соответствующих соединений определенного числа
106
таких элементов в единую электронную схему можно получить любой логический автомат без памяти или с памятью с любым числом входов и выходов. Таким же свойством обладает и элемент ИЛИ-НЕ. Логический автомат без памяти может находиться только в одном состоянии и значения сигналов на его выходах однозначно определяются сигналами на входе. Логический автомат с памятью может иметь несколько состояний, а значения сигналов на его выходах определяются не только по его входным сигналам, но ещё от зависимости его состояния, в котором этот автомат находится в данный момент.
Ячейка памяти в один бит имеет 2 рабочих состояния, а один байт (8 бит) имеет уже 28 = 256 таких состояний, и каждое такое состояние определяет 8-разрядный двоичный код. В памяти контроллера могут храниться двоичные коды, разрядность
которых можетСибАДИравняться 4, 8, 16 или 32. Память является частью
системы, которая хранит в виде двоичных кодов как инструкции для микропроцессора (программы), так и любую информацию, которая понадобится микропроцессору для выполнения этих инструкций. Каждая из ячеек памяти имеет адрес, по которому микропроцессор «находит» нужную ему информацию на каждом такте своей работы. В отличие от персональных компьютеров контроллеры системы микропроцессорного управления автомобилем не требуют столь ольшой памяти.
Все блоки контроллера связаны между собой тремя сигнальными ш нами (маг стралями): шина данных, адресная шина, шина управлен я.
Шина данных используется, чтобы передавать информацию от одной части компьютера другой. Она является двунаправленной шиной, поскольку информация может передаваться в любом направлении. Шина данных обычно имеет 4, 8, 16 или 32 линии (разрядов), по каждой из которых передается один бит. Важно отметить, что в каждый момент времени на шине может находиться только один элемент данных. Как правило, шина используется либо для передачи информации из памяти или из входного порта в микропроцессор, либо из микропроцессора в выходной порт.
На шине адреса выставляется адрес запрашиваемых данных. Адресная шина является однонаправленной. Каждое устройство компьютерной системы, память или порт имеют уникальный адрес в двоичном формате. Микропроцессор может обратиться по адресу любого из этих устройств и выставить на
107
шине данных необходимую информацию или считать ее. Адресная шина фактически сообщает СРU, какая из частей системы используется в данный момент времени.
Шина команд позволяет микропроцессору управлять остальной частью системы. Шина команд может иметь до 20 линий, но обязательно имеет 4 основных управляющих сигнала:
1)чтение;
2)запись;
3)запрос ввода/вывода;
4)обращение к памяти.
Адресная шина будет указывать, какая из частей компьютерной системы должна функционировать в данный момент времени, а шина команд укажет, как именно эта часть должна функционировать. Например, если микропроцессор требует информацию из ячейки памяти, адрес этой ячейки помещается на адресную шину. Шина команд в этом случае будет содержать два сигнала: сигнал обращения к памяти и сигнал чтения. Это приведет к тому, что содержимое памяти по
заданному адресу будет выставлено на шину данных. Затем эта |
|
|
И |
информация будет использована микроконтроллером для |
|
выполнения другой команды. |
Д |
|
|
Микропроцессор вы ирает очередную команду из памяти, |
|
декодирует ее и затем выполняет. С этой целью: |
|
1) микропроцессор помещаетАна шину адреса, адрес |
|
следующей ячейки памяти |
(одновременно на шину команд |
||||
|
|
б |
|
|
|
выдается сигналы «Чтен е» и «Обращение к памяти», по |
|||||
которым информация из |
адресуемой |
ячейки памяти |
|||
|
и |
|
|
|
|
устанавливается на шину данных, а затем поступает в |
|||||
микропроцессор и некоторое время сохраняется в нем); |
|||||
2) команда |
|
декодируется |
в |
последовательность |
|
С |
|
|
|
|
|
микрокоманд для арифметико-логического устройства (АЛУ); 3) далее реализуется фаза «Выполнение». Это может быть
операция из одной микрокоманды, например сложение двух чисел внутри микропроцессора, или операция может потребовать выдачи данных на какой-либо порт. В последнем случае адрес порта будет помещен на шину адреса, а на шине команд будут сгенерированы сигналы «Запрос ввода/вывода» и «Запись».
Все эти действия синхронизированы по тактам генератором тактовых импульсов. Фактическое время исполнения команды зависит от ее сложности и тактовой частоты микропроцессора.
108
Работа с внешними устройствами выполняется либо по методу периодического опроса их состояния, либо посредством организации системы прерываний от них. При работе микропроцессора с реализацией системы прерываний в нем осуществляется следующий порядок действий:
1)в момент, когда одно из внешних устройств готово выдать или принять очередную информацию или оказать воздействие на функционирование системы управления, оно посылает в ЦПУ сигнал готовности (запрос на прерывание);
2)получив сигнал готовности от внешнего устройства, ЦПУ вначале заканчивает выполнение текущей команды, а затем приостанавливает выполнение действий, предусмотренных основной программой, и выдает сигнал готовности начать работу, связанную с возникшим прерыванием (разрешение прерывания);
3)при наличии обоих указанныхИсигналов готовности обрабатывается прерывание, то есть выполнение подпрограммы, предусмотренной запросом данногоДвнешнего устройства;
4)если во время решения ЦПУ текущей задачи сигнал готовности прислали несколькоАвнешних устройств, то первым будет обслужено устройство со старшим приоритетом. Уровень приоритетности внешнихбустройств задается либо при проектировании системы, ли о закладывается в программу.
Далее обрабатываетсяи информация внешних устройств с очередностью по пр ор тетам. Число градаций старшинства
приоритетов (так называемая глубина прерываний) зависит от типа микропроцессораС. Она колеблется от 2 до 8 и более.
Для обеспечения работы микропроцессорной системы управления в реальном масштабе времени в ее состав вводят таймер, который выполняют в виде отдельной интегральной микросхемы. Получив управляющую команду (управляющее слово), таймер формирует определенную последовательность временных сигналов. Сигналы от таймера (наряду с сигналами от других внешних устройств) поступают в ЦПУ, где в соответствии
сзаложенными алгоритмами происходят все необходимые преобразования и вычисления и выдается решение.
Необходимые данные для своей работы ЦПУ получает от запоминающих устройств (ЗУ) системы. Для приема, хранения и выдачи всевозможных промежуточных данных, а также сведений о текущем состоянии элементов, то есть всей той информации,
которая изменяется в процессе работы микропроцессорной
109
системы управления, используется оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).
Для хранения информации, которая не изменяется при работе микропроцессора, и управляющей программы его функционирования применяются постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) различного типа. Наиболее низкую стоимость имеют ПЗУ – ROM (англ. ROM – Read-Only Memory).
Программа в них записывается при их изготовлении. Такие устройства применяются при массовом изготовлении микропроцессорных систем.
Впрограммируемые запоминающие устройства ППЗУ (PROM) запись программы может быть осуществлена и после их изготовления на заводе. Поэтому данные устройства
целесообразно применять при изготовлении относительно небольших серий микропроцессорныхИсистем управления, особенно если в процессе их выпуска может возникнуть необходимость корректирования алгоритмаДуправления.
Врепрограммируемые запоминающие устройства РПЗУ (EPROM) программа может бытьАзаписана несколько раз. Однако эти устройства имеют более высокую стоимость, чем ПЗУ и ППЗУ. Поэтому РПЗУбв основном целесообразно применять только на стадии отладочных работ по микропроцессорным системам. и
Для связи между выходами микроконтроллера и
исполнительными устройствами системы управления используютсяСус л тели сигналов или коммутационные элементы (силовые цепи).
Микропроцессорные системы отличаются большим разнообразием с точки зрения примененных типов устройств и их характеристик. Так, разрядность слова, то есть число одновременно обрабатываемых разрядов, составляет 4…16 бит, тактовая частота – от одного до нескольких мегагерц, число уровней прерывания – 2…8, объем ОЗУ – от 128 байт до нескольких килобайт, объем ПЗУ и ППЗУ – несколько килобайт. Например, объем ПЗУ системы управления двигателем и трансмиссией «Тойота» составляет 7,5 кбайт, объем ППЗУ системы управления сцеплением «Фиат» – 2 кбайт. В качестве ЦПУ могут использоваться как специальные микропроцессоры (например, в системе «Тойота»), так и серийные.
Особо перспективным является применение в системах управления агрегатами автомобилей однокристальных ЭВМ. В
110
состав такой ЭВМ, выполненной в виде одной интегральной схемы, входят центральный процессор, генератор тактовых импульсов, ОЗУ, интерфейс ввода-вывода, таймер, контроллер прерываний, а также какое-либо из постоянных запоминающих устройств (ПЗУ, ППЗУ или РПЗУ с ультрафиолетовой системой стирания программы). Часто в составе одной серии однокристальных ЭВМ выпускают модификации с различными вариантами ПЗУ. Основным преимуществом применения однокристальной ЭВМ является возможность значительного сокращения числа интегральных микросхем, образующих систему управления. Однокристальная ЭВМ в зависимости от структуры микропроцессорной системы управления может заменить 5…10 корпусов интегральных микросхем, что помимо уменьшения размеров аппаратуры управления обеспечивает и существенное повышение ее надежности в результате сокращения внешних соединений между корпусами микросхем.
В качестве примера рассмотрим систему автоматического управления переключением передач, реализованную на базе
микросхем, входящих в состав микропроцессорного комплекта |
||||
серии КР580 (рис. 4.25). |
|
|
И |
|
|
Д |
|||
|
|
|
||
|
|
А |
|
|
|
б |
|
|
|
и |
|
|
|
|
С |
|
|
|
|
Рис. 4.25. Структурная схема микропроцессорной системы автоматического управления переключением передач (на базе комплекта микросхем серии КР580)
111
На вход данной системы подаются сигналы от датчиков скорости автомобиля и частоты вращения коленчатого вала двигателя, температуры двигателя, загрузки автомобиля и др.
Также на вход поступают команды от аппаратуры управления, на которые воздействует водитель (например, датчик положения педали управления подачей топлива, контроллер управления, запросы на индикацию состояния тех или иных устройств управления или показателей двигателя и коробки передач).
Перед поступлением в собственно микропроцессорную систему управления все эти сигналы обязательно преобразуются в числовой код с помощью соответствующих преобразователей (например, аналого-цифровых преобразователей,
преобразователей «частота – код» и т. д.), входящих в состав |
|||
|
|
И |
|
блока ввода. Информация от блока ввода поступает в схему |
|||
интерфейса. |
Причем в случае большого |
объема информации |
|
|
|
Д |
|
таких схем интерфейса может быть несколько. |
|||
ЦПУ |
рассматриваемой |
микропроцессорной системы |
|
состоит из |
трех микросхем. |
Большая |
интегральная схема |
микропроцессора типа КР580ИК80А обрабатывает всю
информацию. Ее связьбс шинами управления и данных
осуществляется через системный контроллер – шинный
и |
|
формирователь, а формирование тактовых последовательностей |
|
импульсов, необход мых |
Адля работы микропроцессора, |
происходит с помощью генератора тактовых импульсов, стабилизированногоСкварцевым резонатором. В зависимости от
вырабатываемых ЦПУ сигналов на шине управления и кода на шине адреса в работу с ним включается то или иное устройство микропроцессорной системы. Например, когда ЦПУ выдает на шину адреса код, требуемый для активизации соответствующего канала интерфейса, а на шину управления подает сигнал ввода, информация от данного канала интерфейса поступает в ЦПУ для последующей обработки.
В случае необходимости аналогичным образом осуществляется подача команд на обмен информации между ЦПУ и другими элементами микропроцессорной системы. При этом для работы с запоминающими устройствами ЦПУ выдает на адресную шину адрес ячейки памяти, а на шину управления команду «Чтение» или «Запись».
Для функционирования системы автоматического управления переключением передачи необходимо предусмотреть
112
быстрое изменение режимов работы системы в зависимости от некоторых факторов. К числу таких факторов можно, например, отнести отказы тех или иных датчиков, приводящие к созданию аварийной ситуации, наличие юза при торможении автомобиля, непредусмотренные изменения напряжения питания системы.
Для того чтобы микропроцессорная система оперативно реагировала на указанные отклонения от нормальной работы, в ней используется система прерываний, реализуемая с помощью контроллера прерываний. К каждому входу или к части входов контроллера прерываний подводятся сигналы от внешних устройств. При появлении на каком-либо из входов контроллера сигнала с уровнем, соответствующим «логической 1», он посылает в ЦПУ запрос на прерывание его работы по основной
программе. В зависимости от того, на какой из входов
поданы одновременно на несколько входовИконтроллера, то он подготовит для ЦПУ информацию о переходе на подпрограмму,
контроллера поступает сигнал с уровнем, соответствующим
«логической 1», контроллер подготавливает информацию ЦПУ о
том, на какую из подпрограмм ему следует перейти. Если
сигналы с уровнем, соответствующим «логической 1», будут
предусмотренную сигналом внешнего устройства с самым |
||
старшим приоритетом. |
|
Д |
|
|
|
При поступлении запроса от контроллера на прерывание |
||
ЦПУ сначала заканч вает выполнениеАтекущей команды, а затем |
||
|
б |
|
и |
|
|
выдает на управляющую ш ну сигнал разрешения прерывания, то есть готовностьС перехода от основной программы к
подпрограмме. После этого контроллер информирует ЦПУ, на какую из подпрограмм ему следует перейти. По окончании выполнения этой подпрограммы ЦПУ либо по сигналу контроллера прерывания переходит на новую подпрограмму, запрос на которую поступил к контроллеру от следующего по старшинству приоритета внешнего устройства, либо при отсутствии таких запросов возвращается к выполнению основной программы.
Выполнение ЦПУ подпрограмм в порядке, определяемом старшинством приоритета внешних устройств, обеспечивает первоочередную реализацию в системе управления переключением передач таких управляющих воздействий, которые являются наиболее важными для автомобиля. В частности, старшим приоритетом, как правило, обладают внешние устройства, сигнализирующие о неполадках в системе
113
управления, могущих создать для автомобиля аварийную ситуацию.
Микросхема контроллера прерываний КР580ВН59 имеет восемь входов для подключения к внешним устройствам. К одному или нескольким из этих входов могут быть подключены выходы таймера. Если при этом к входам таймера подвести сигналы от датчиков скорости и частоты вращения, то такое схемное решение позволит исключить из состава системы управления частотно-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи, поскольку выполняемые ими задачи могут быть решены совместным действием таймера и ЦПУ.
Таймер может быть также использован для создания программ микропроцессорных систем управления, устойчивых к
сбоям под воздействием внешних помех. В этом случае таймер используется для периодического контроляИсостояния элементов микропроцессорных систем управления, которое зависит от того, правильно ли функционирует системаДили в ней имеют место сбои.
После того, как ЦПУ закончит обработку соответствующего объема информации, он выдаст управляющую команду, которая далее через канал вывода интерфейса поступает к блоку усилителей питания электромагнитов исполнительных устройств,
а также к блоку индикации режимов. В результате |
||
обеспечивается |
тре уемыйАпорядок |
срабатывания |
исполнительных устройств получение индикации режимов их |
||
работы. |
|
б |
|
|
|
Если для управления переключением передач применить |
||
|
и |
|
|
С |
|
однокристальный микроконтроллер, то он по своим функциональным возможностям будет эквивалентен микросхеме, выделенной штрихпунктирной линией (см. рис. 4.25). В этом случае микропроцессорная система существенно упрощается. По техническим возможностям она практически не уступает системам, создаваемым с использованием нескольких микросхем, входящих в микропроцессорный комплект. В частности, если объем памяти однокристального микроконтроллера окажется недостаточным, то его можно увеличить, подключив внешние устройства памяти.
Однокристальный микроконтроллер содержит сотни тысяч элементов, и технология его изготовления значительно сложнее по сравнению с изготовлением микросхем, входящих в микропроцессорный комплект. Вследствие этого стоимость
114
однокристального микроконтроллера достаточно высока. Поэтому вопрос о целесообразности создания микропроцессорных систем управления на базе однокристального микроконтроллера следует решать с учетом конкретных областей применения той или иной системы управления.
По сравнению с электронными системами управления микропроцессорные системы имеют следующие преимущества:
1) с их помощью возможна реализация алгоритма
управления любой сложности. При этом может быть учтено большое количество внешних параметров (помимо традиционно принимаемых во внимание частот вращения вала двигателя, выходного вала трансмиссии и нагрузки двигателя), например, таких как производные этих параметров по времени, температурный режим двигателя, температура масла, полная масса автомобиля и т. д. Возникающие при этом трудности связаны лишь с необходимостью введения дополнительных
существующей системы с учетом, напримерД, таких факторов, как изменение характеристик агрегатов вследствие их изнашивания.
датчиков и преобразователей; |
|
2) при необходимости обеспечивается корректирование |
|
|
И |
алгоритма управления как при развитии системы, так и в рамках |
|
Следовательно, возможно создание адаптивных систем |
|||
управления, которые спосо Аны изменять свои характеристики в |
|||
|
б |
|
|
и |
широких |
возможностей |
|
3) вследствие |
реализации |
||
системы управленияС агрегатами автомобиля (например, двигателем, сцеплением, коробкой передач);
микропроцессорных систем возможно создание комплексной
4) система управления на базе микропроцессорного комплекта или однокристального микроконтроллера требует минимального объема настройки и регулировок, поскольку они необходимы только для таких вспомогательных элементов системы, как ПЧН, ЦАП и АЦП.
Основными недостатками микропроцессорных систем являются:
1) относительно высокая стоимость системы вследствие необходимости ее комплектования рядом вспомогательных элементов, из числа которых наиболее дорогостоящими являются
115
устройства ввода-вывода информации. Кроме того, значительная часть расходов по созданию микропроцессорных систем управления приходится на разработку их математического обеспечения;
2) чувствительность к помехам, которые могут вызывать сбои в работе системы. Это особенно важно для автомобильных микропроцессорных систем управления, поскольку работа агрегатов автомобиля сопровождается значительными помехами в его бортовой сети, а также полевыми (электромагнитными) помехами. Для устранения этого недостатка в настоящее время большое внимание уделяется разработке помехоустойчивых алгоритмов, т. е. таких, которые способны восстанавливать свою работу после непредвиденных сбоев.
1.Какое электронное устройствоИ называется микроконтроллером? Д
2.В чем отличие микропроцессорной системы управления двигателем от электронной системыАуправления ДВС?
3.Назовите основные компоненты, из которых состоит микроконтроллер. б
4.Объясните ра оту микропроцессора.
5.Какие электронныеи устройства называют логическими автоматами без памяти?
6.Какие электронные устройства называют логическими автоматами Сс памятью?
7.Что собой представляет память микроконтроллера?
8.Какие виды ПЗУ существуют и какой из них целесообразно использовать при серийном выпуске микроконтроллеров?
9.Объясните принцип действия микропроцессорной системы автоматического управления переключением передач.
10.Сравните достоинства и недостатки микроконтроллера, собранного на базе комплекта микросхем серии КР580 и того же микропроцессора, реализованного на одном кристалле.
11.Перечислите достоинства микропроцессорной системы управления по сравнению с электронной системой.
12.Укажите основные недостатки микропроцессорных системы управления автомобилем и его агрегатов.
116