Федеральное агентство по образованию

–––––––——————————–––––––

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

————————————————————

А. А. Леута

Микропроцессорные системы судовой электроэнергетики

Учебное пособие

Санкт-Петербург

Издательство СПб ГЭТУ «ЛЭТИ»

2008

УДК 621.311.26.629.12(075)

ББК 3 973.26 я7

Л52,

Леута А. А. Микропроцессорные системы судовой электроэнергетики: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2008. 108 с.

I SbN 5 – 7629- 0898- 4

Представлено современное состояние средств микропроцессорной техники, рассматриваются функциональные свойства и схемотехнические решения, даются рекомендации к выбору элементной базы и разработке программного обеспечения при проектировании судовых систем управления электротехническими системами и техническими средствами, приводятся примеры использования микропроцессоров в судовых электроэнергетических системах/

Предназначено для студентов специальности 180900, а также для инженеров на курсах повышения квалификации (может быть рекомендовано для других электротехнических специальностей).

Рецензенты:

Утверждено

редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

ISNB 5-7629-0898-4 © СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2008

Введение

В соответствии с требованиями Регистра морского судоходства в настоящее время все современные суда должны оснащаться системами автоматизации технических средств.

Для классификации автоматизированных судов введены специальные знаки:

А1 – для автоматизированных судов с безвахтенным обслуживанием машинных отделений и центральных постов управления (ЦПУ);

А2 – автоматизированные суда с дистанционным обслуживанием машинных отделений из ЦПУ.

Общая тенденция автоматизации судов заключается в оснащении их бортовыми управляющими вычислительными комплексами и автоматическими устройствами с использованием принципов:

-интеграции, т. е. объединения или поглощения одних систем другими;

-локализации, т. е. выделения ресурсов систем в локальные системы, максимально приближая их к объектам.

К бортовой аппаратуре судовых и корабельных технических систем предъявляются существенно более жесткие требования по сравнению с аналогами, предназначенными для эксплуатации в общепромышленных условиях.

Это накладывает определенный отпечаток на проектирование, технологию изготовления и особенности эксплуатации такой аппаратуры.

Новые электротехнические материалы и технологии создания силовых полупроводниковых структур позволяют находить новые оптимизированные схемотехнические и конструктивные решения, разрабатывать новые алгоритмы управления и создавать специализированное программное обеспечение для аппаратуры. В целом, оказывает существенное влияние на судовую электротехнику, электроэнергетику и системы управления техническими средствами корабля.

Сегодня, о существовании новых тенденций в развитии бортовой электроаппаратуры, можно судить по двум следующим факторам:

1) существенному повышению доли участия и роли статических преобразователей (СП) электроэнергии в составе корабельных технических систем;

2) усилению роли технологии цифровой обработки данных в распределенных системах и локальных узлах корабельных систем.

Современными средствами автоматизации, без сомнения, являются микроэлектронные средства (микропроцессоры, микроконтроллеры), прошедшие за сравнительно короткий отрезок времени гигантский путь развития. Благодаря высокой эффективности в эксплуатации, постоянно возрастающей производительности, снижению стоимости и массогабаритных показателей микроэлектронные средства автоматизации занимают прочные позиции в области обработки данных, в то время как механическим, гидравлическим, электромагнитным и другим устройствам сегодня отводится роль датчиков и исполнительных органов.

Развитие микроэлектроники можно условно представить в виде этапов, связанных с разработками и освоением промышленностью следующих изделий:

-микросхем малой степени интеграции, содержащих 1- 4 вентиля в корпусе с 14-- 16 выводами (pin) для внешних присоединений;

-микросхем средней степени интеграции, содержащих 1- 4 триггера по 2--8 вентилей каждый в корпусах 14-20 pin;

-микросхем большой степени интеграции (большие интегральные схемы (БИС)), содержащих сотни элементов, эквивалентных микросхемам малой степени интеграции в корпусах 20-32 pin; сверхбольших интегральных схем (СБИС), включающих до сотни элементов типа БИС в корпусах 144-200pinс размерами всего 10*10 мм.

Последние два этапа имеют решающее значение в развитии средств автоматизации, так как связаны с появлением микропроцессоров (МП), которые всего за 30 лет развития смогли привести к следующим впечатляющим результатам.

Первый образец микропроцессора Intel-4004 (1971), за который авторы удостоились Нобелевской премии, содержал электронную схему на 2300 транзисторах, выполнял 60 000 оп./с на тактовой частоте в 750 кГц и стоил около $200.

Современные образцы мощных микропроцессоров (Alpha 21 264; 1998) включают до 15-20 млн транзисторов, способны на частоте 600 МГц обрабатывать данные с производительностью до 2 млрд оп./с , стоят около $300,т. е. вместимость электрической схемы, тактовая частота и производительность возросли в десятки тысяч раз, в то время как стоимость выросла не столь значительно.

Таких результатов человечество не добивалось еще ни в какой другой области.

В качестве примера в популярной технической литературе наиболее часто приводят следующие сравнения с автомобильной промышленностью. Если бы подобными темпами развивалась автомобильная промышленность, то очевидно, что современный «Роллс-Ройс» должен был бы иметь пробег около полумиллиона миль на одном галлоне топлива и при стоимости почти в $3 его легче было бы выбросить, чем платить за парковку.

Элементная база современных микропроцессорных систем (МПС) развивается в двух основных направлениях:

-микропроцессоры (МП), как средства цифровой обработки данных и БИС памяти для вычислительных систем, ЭВМ, компьютеров, транспьютеров;

-микроконтроллеры (МК), как средства автоматики, способные самостоятельно решать четко ограниченный круг задач в непосредственной близости к объектам контроля или управления.

В данном пособии оба направления рассмотрены с точки зрения ознакомления с современным состоянием средств автоматизации, предлагаемых на рынке фирмами-производителями, а также с целью получения представления о функциональных возможностях МПС. Приводятся материалы, позволяющие ознакомиться с применением МПС в судовой электроэнергетике, освоить процесс разработки новых автоматизированных систем и отдельных устройств.

Учебный курс сопровождается циклом практических занятий по освоению технологии разработки, отладки и испытаний программного обеспечения с помощью ПК и специализированной среды разработчика программ для семейства микроконтроллеров, а также циклом лабораторных работ, позволяющих подробно ознакомиться с конкретными микроконтроллерными устройствами, программировать их и исследовать алгоритмы функционирования и технические характеристики.

Завершением курса обучения по данной дисциплине является выполнение учащимся курсового проекта или курсовой работы на тему, согласованную с преподавателем.

Руководящие материалы для выполнения лабораторных работ, практических занятий и курсового проекта изложены в специальном издании: «Микропроцессоры в судовой электротехнике»: Методические указания к лабораторным работам, практическим занятиям и курсовому проектированию по дисциплине «Микропроцессорные устройства в судовых электроэнергетических системах» / составители: Т.Н. Королёва, А.А. Леута, С.Н. Турусов. СПб.: Изд-во СПб ГЭТУ «ЛЭТИ», 2001./.