Процесс создания микропроцессорных систем Основные этапы и критерии выбора технических решений

Создание МПС связано с необходимостью выполнения следующих этапов проектирования и производства:

• выбора элементной базы,

• разработки структуры и электрических принципиальных схем,

• разработки алгоритмов и написания программ,

• изготовления и отладки элементов системы,

• испытаний готовой продукции.

Перечисленные мероприятия, строго говоря, почти никогда не могут быть выполнены в определенной последовательности и чаще всего выполняются в нескольких итерациях, параллельно-последовательно, когда продвижение к цели в одном (например, в выборе элементной базы или при программировании) приводит к необходимости коррекции в другом (например, в структуре и алгоритмах) или наоборот. На каждом этапе необходимо критически рассматривать полученные результаты и, возможно, возвращаться в случае неудовлетворительных результатов к его началу, началу предыдущего этапа или к началу разработки. Иными словами, процесс создания «хорошей» МПС является «искусством» и, как любой творческий процесс, не всегда поддается строгому описанию. Уже только один процесс программирования позволяет получить особые характеристики системы, а в сочетании с гибкостью использования встроенной элементной базы микроконтроллеров поиск оптимального решения усложняется многократно. Тем не менее практика показывает, что МПС создаются в течение заданных сроков ценой определенных затрат и с приемлемым качеством.

Это связано с тем, что каждый разработчик или группа разработчиков (тем более группа) обладает определенным опытом и пристрастиями в использовании той или иной аппаратуры, средствами и технологиями разработки, позволяющими существенно ограничить лишние степени свободы с целью достижения желаемого результата.

Рассмотрим более подробно некоторые из этапов создания МПС.

Выбор элементной базы

Как уже отмечалось, МПС может быть создана на основе персонального компьютера, промышленного контроллера или микроконтроллера. Очевидно, что реализация системы будет отличаться, в первую очередь, стоимостью, затем потенциальной производительностью, гибкостью в использовании и, наконец, допустимыми условиями эксплуатации. Определение степени важности (иерархии) перечисленных критериев является первоочередной задачей разработчика. Лучшие результаты дают обобщенные критерии типа соотношения цена/производительность при определенных ограничениях в других критериях, в том числе в сроках разработки, количестве и квалификации участников. Таким образом, уже на ранней стадии разработки необходимо приступить к решению задач оптимизации [6].

Использование готовых изделий (ПК, промышленных контроллеров) позволяет максимально сократить сроки реализации проекта за счет отсутствия процессов проектирования и изготовления аппаратуры. Основная «тяжесть» проекта ложится на программную часть. Однако ценой этому является, как правило, переизбыток вычислительной мощности и, следовательно, завышенная стоимость системы.

В настоящее время создание систем на основе ПК, может быть сведено к покупке всей необходимой аппаратуры и даже программного обеспечения, установке в ПК плат ввода/вывода и некоторой адаптации программ. В первую очередь, таким образом, можно быстро создать систему сбора и обработки данных на основе так называемых виртуальных приборов [6]. Подобная технология широко рекламируется фирмами «Advantech», «National Instruments», предлагающими на рынке собственные средства автоматизации – серии печатных плат PCL, PCI и им подобные для обычных и промышленных компьютеров. В этом случае приборы (вольтметры, амперметры, мегометры, частотомеры и т. д.) существуют только на экране монитора ПК, их функции реализуются процессором с помощью алгоритмов обработки данных, поступающих через платы ввода, а результаты выводятся на соответствующих областях экрана монитора (окнах виртуальных приборов).

Таким же способом удается автоматизировать технологические процессы на промышленных предприятиях [6]. Для этого специально разработаны типовые аппаратные средства – платы АЦП/ЦАП, дискретного ввода/вывода, устройства связи с объектами (входные измерительные гальваноразвязывающие преобразователи и твердотельные реле), а также программные средства – LabVIEW, LabWindows/CVI, ComponentWorks, Measure и VirtualBench для систем Win95/98/NT и многозадачные системы «реального» времени типа QNX, RTKernel.

Промышленные контроллеры специально разрабатываются для автоматизации технологических процессов на промышленных предприятиях, поэтому имеют собственное конструктивное исполнение.

Универсальные промышленные контроллеры могут быть реализованы на основе тех же процессоров, что и ПК, но отличаются повышенными эксплуатационными характеристиками (температура от – 20 до +70 °С) и уменьшенными габаритами. Примерами подобных предложений на рынке автоматизации являются изделия типа MicroPC, OctagonSystems.

Специализированные промышленные контроллеры имеют весьма ограниченные (по сравнению с ПК) функции, поэтому реализуются на менее мощных микропроцессорах и микроконтроллерах. Таковы контроллеры широко известных фирм «Siemens», «ABB», «GreyHill», «Zworld» и многие др. Наиболее простыми являются программируемые логические контроллеры, имеющие ограниченный набор команд или функций, которые программируются с помощью специализированных встроенных средств или через подключаемый для этого ПК.

Специализированные промышленные контроллеры имеют обычно модульную конструкцию, позволяющую собирать необходимую структуру из набора готовых типовых элементов (модулей процессора, ввода и вывода, расширения ввода, согласования с объектом и т. д.). Подобные контроллеры наиболее часто используются в распределенных системах сбора данных и управления, а также в локальных автоматических системах.

Подробное знакомство со структурами и схемами промышленных контроллеров показывает, что использование микроконтроллеров позволяет создавать оптимизированные по соотношению цена/производительность системы, но требует несколько более высокой квалификации разработчика в части аппаратуры и в части программного обеспечения, по сравнению с технологией построения систем на основе ПК. В зависимости от квалификации и опыта разработчика результаты разработки могут быть столь эффективны, что в ряде случаев более выгодным признается технология создания новых систем на основе микроконтроллеров и электронных компонентов с написанием собственного программного обеспечения. Такая технология наряду с выигрышем в стоимости обеспечивает полный контроль над ресурсами системы, «пожизненное» гарантийное обслуживание, гибкость в использовании и модернизации при ее развитии.