Учебное пособие 1676

Если в заданном семействе нет МК, выполняющих все заданные для КВУ или КНУ функции и реализующих все связи, то следует дополнить МК элементами сопряжения: внешними АЦП, аналоговыми коммутаторами, преобразователями и т.п. Следует подобрать конкретную модель каждого такого элемента, убедиться, что он реализует нужное сопряжение, после чего составить уточненную структурную схему, отражающую как структуру МКСУ в целом, так и структуру каждого контроллера – состав и связи внутри него. Состав каждого контроллера (МК и элементы сопряжения) на этой схеме отображают штриховым контуром с надписью К0…К3.

Фатальной ошибкой курсового проектирования является несоответствие структурной схемы функциональному представлению устройства, а принципиальной схемы – уточненной структурной схеме.

Следующей стадией является размещение на листе схемы всех элементов МКСУ, выполнение всех связей (с учетом вариантов изображения, описанных в [1]) – детальные указания см. ниже.

г) Для принципиальной схемы рассчитываются необходимые параметры, в частности, критичные длительности прохождения сигналов, входные и выходные токи (для шин), потребляемая мощность, номинал балластных резисторов и проч. Результаты расчетов приводятся в пояснительной записке. Составляется перечень элементов по форме, приведенной в [1] – детальные указания см. ниже.

д) На заключительном этапе разработки аппаратных средств следует вновь проверить соответствие результатов требованиям задания.

В состав материалов курсового проекта входят принципиальная схема устройства микропроцессорного управления с перечнем элементов и расчетно-пояснительная записка (РПЗ).

31

4.2. Рекомендации по разработке функционального представления системы

Для изображения многолинейной связи на соответствующей стрелке должна быть поставлена косая черта с числом линий, например, для дискретных выходов при задании А1=6/8 должно быть изображено 6 стрелок с меткой «/8», для А2=5 – стрелка с меткой «/5» (пример – рисунок 1, верхние стрелки). Для отображения формы и параметров сигналов внутри прямоугольника у основания линии ввода/вывода должны быть помещены символы вида сигналов: # для ввода/вывода дискретных сигналов (например, А1 и кодовых датчиков А4), Λ – для ввода аналоговых сигналов, П – для ввода/вывода импульсных сигналов (следует использовать шрифт ARIAL или иной прямой беззасечный). Знак «прямой слэш» показывает на преобразование «сигнал/код», число за ним указывает на разрядность кода. Таким образом, вход с обозначением Λ/# на рисунке 8 соответствует наличию АЦ преобразователя с разрядностью 12 (А3), П/# – вводу сигналов от импульсных датчиков А4 с числом, указывающим на разрядность (8 – для любого импульсного датчика в проекте). У линий выходов ШИМ следует поместить символ 8#/П, где 8 – число, указывающее на разрядность широтно-им-пульсного мо-

нижней левой части рисунка, здесь символ R указывает на необходимость подключения внутренних pull-up резисторов. Для обозначения выводов с высокопотенциальными сигналами следует изобразить отдельные стрелки с параметрами, заданными «А5» и «А6» (см. рис. 8, нижние стрелки справа). Линию двусторонней связи устройства с системой высшего уровня следует изобразить в виде двунаправленной стрелки вверх от «черного ящика» с косой чертой без числа линий.

4.3. Рекомендации по разработке структурной схемы

Изобразив структуру МКСУ в виде 4 прямоугольников, связанных шиной локальной сети, следует распределить между контроллерами НУ и ВУ рассмотренные выше внешние связи, изображая их стрелками в нужном направлении (включая связь с СУ ГПС). Желательно линии входов помещать слева от МК, выходов – справа, двунаправленные связи – сверху или снизу. Для отображения формы и параметров сигналов внутри каждого прямоугольника, как и на функциональном представлении системы, у основания линий ввода/вывода должны быть помещены символы сигналов.

Дискретные вЫходы (А1) распределяются между КНУ, но если в задании более 3 групп выводов, то остальные группы отводятся от КВУ. Если групп менее 4, то для управления технологическим оборудованием от КВУ делается 4 дискретных выхода (#-линия с меткой «/4»). Для управления исполнительным устройством (А5) следует показать отдельный выход от одного из КНУ. Для управления исполнительным устройством А6 следует также показать отдельный выход, но от КВУ.

Помимо дискретных выходов, каждый КНУ должен иметь один выход ШИМ-сигнала для управления приводом. Разрядность формирователя ШИМ 8 дает цену младшего разряда 1/256 ≈ 0,004 максимального сигнала. У линий выходов ШИМ следует поместить символ 8#/П, где 8 – число, указывающее на

33

разрядность широтно-импульсного модулятора (см. рису. 8, средняя стрелка справа).

Цифровые датчики (ЦД) с параметрами А4 следует распределять между КНУ. Следует предусмотреть также прием от каждого цифрового датчика одного инициативного сигнала (метки, label), вызывающего прерывание (вход помечается INT). Для ввода сигнала от импульсного датчика нужна двухлинейная связь «/2».

Аналоговые датчики (АД) в количестве А2 подключают к КВУ, однако если количество цифровых датчиков (А4) меньше 3, то к каждому КНУ, не имеющему связи с ЦД, следует подключить один из аналоговых датчиков. Сигнал с датчиков однополярный, максимальное значение – 10 В. Разрядность АЦП (А3) изображают, как указано выше.

Кроме перечисленных в задании связей, каждый из МК НУ для опроса состояния оборудования должен иметь по 4 линии связи с дискретными датчиками типа механический заземляющий контакт, а МК ВУ – 8 таких линий (см. функциональное представление).

В пояснительной записке следует указать, что внешние связи распределены между контроллерами НУ и ВУ в соответствии с п. 4.3 данных МУ, затем перечислить особенности задания и принятые решения (например, «поскольку количество цифровых датчиков (А4 = 2) меньше 3, то к КНУ К3, не имеющему связи с ЦД, был подключен один из аналоговых датчиков»).

4.4. Рекомендации по разработке принципиальной схемы

Выбор микроконтроллеров начнем с конкретизации способа подключения к некоторому виртуальному МК всех типов заданного оборудования. Для этого потребуется, в частности, по заданному типу интерфейсов локальных сетей получить сведения о количестве линий связи с сетью и наименовании сигналов (см. ниже). Затем перейдем к составлению списков сигналов, учиты-

34

вающему все необходимые связи, и в заключение – собственно к выбору МК ВУ и НУ.

Связь МК ВУ с СУ ГПС должна выполняться по заданному (А0 – числитель) протоколу с соблюдением требований к уровням сигналов. Наиболее распространенным протоколом является PPI, аппаратно базирующийся на стандарте физического уровня связи RS-485. Средства сопряжения МК по протоколу PPI, как и по протоколу CAN, рассмотрены в [5/. В пояснительной записке должны быть приведены описание функционирования заданного протокола, его достоинства, выбранные для сопряжения с сетью аппаратные средства и количество линий связи с МК.

Тип локальной сети для связи между МК также задан параметром А0 (знаменатель). В пояснительной записке должны быть приведены описание функционирования соответствующего протокола, его достоинства и количество линий связи между МК ВУ и МК НУ. На принципиальной схеме локальная сеть может быть изображена без проводников, путем указания наименований проводов у соответствующих выводов микросхем, напри-

мер, SDA, SCL.

Дискретные сигналы для вывода (А1) снимаются непосредственно с разрядов портов МК. Гальванической развязки на линиях не требуется.

Аналоговые сигналы (А2) после нормализации уровня подаются на порт, линии которого имеют соответствующую альтернативную функцию.

Цифровые датчики А4 кодового типа (#) следует подключать непосредственно к одному из портов МК НУ. Датчики А4 импульсного типа (выдающие сдвинутые сигналы, которые обозначаются А и В, либо QD0 и QD90) следует подключать к МК через интерфейс, позволяющий вести подсчет импульсов с учетом направления движения. Такой блок разработчики называют квадратурным декодером, интерфейсом квадратурного модулятора и т.п. Если соответствующего блока в выбранной линейке

35

МК нет, схему следует разработать самостоятельно, исходя из знаний, полученных в курсе. Предельная частота импульсов – 200 кГц. Результат вычисления перемещения должен формироваться каждые 10 мс. Разрядность выходного кода – 8. Если для данного преобразования используются иные функциональные узлы МК (например, таймеры), то в пояснительной записке следует показать, что параметрами МК обеспечиваются частота съема информации и получения результата, указанные выше.

Низковольтные цифровые датчики имеют уровень лог.1 в диапазоне 1,1-2,2 В и требуют наличия преобразователя уровня. Следует предусмотреть также прием от дискретного датчика любого типа одного инициативного сигнала, вызывающего прерывание (в импульсных датчиках это сигнал QDINDX).

Для управления исполнительным устройством А5 следует применить элемент сопряжения – бесконтактное реле с «замыкающим контактом» и гальванической развязкой, подключив его к отдельному выходу порта одного из КНУ. Для управления исполнительным устройством А6 следует также применить бесконтактное реле (переменного тока) с гальванической развязкой, подключив его к отдельному выходу порта КВУ. Процесс и результаты проработки вопроса реализации связей через элементы сопряжения следует изложить в пояснительной записке, включая обоснование в виде таблицы (Таблица 1 пояснительной записки), состоящей из набора заданных (и только заданных) функциональных возможностей бесконтактных реле (столбец 1) и характеристик не менее чем для трех моделей: выбранной (столбец 3) и двух смежных (столбцы 2, 4). В список функциональных возможностей следует внести указания, приведенные под таблицей «Варианты задания на проектирование». После таблицы выбора в ПЗ приводится ссылка на источник. При сопряжении вывода порта МК с бесконтактным реле необходимо определить соответствие нагрузочной способности порта и входного тока реле,

36

рассчитать сопротивление и мощность балластного резистора в цепи светодиода (при отсутствии встроенного в реле стабилизатора тока), результат также следует привести в пояснительной записке.

Входы для связи с дискретными датчиками состояния технологического оборудования типа механический заземляющий контакт подключаются непосредственно к линиям портов. Ввиду отсутствия на входах лог.1 при разомкнутом состоянии контакта датчика следует использовать внутренние подтягивающие резисторы МК, способ их активации следует привести в пояснительной записке.

Выходы сигналов с ШИМ выполняются именно с тех линий МК, которые предназначены, согласно документации, для их получения.

Выбор МК производится по наличию необходимых линий ввода/вывода, АЦП, ШИМ, связи со смежными микросхемами и проч., причем поэтапно и итеративно. Для этого следует составить список необходимых для каждого МК функций и соответствующих узлов этого МК, количество используемых этими узлами линий ввода/вывода, начиная с определения перечня необходимых для КВУ или КНУ альтернативных функций портов и заканчивая портами для ввода и вывода дискретных сигналов. Результаты следует привести в двух или нескольких таблицах с графами: функция – узел МК – кол-во линий ввода/вывода. Например: ШИМ – таймер – 1 линия, аналоговый ввод – АЦП – 6 линий, сигналы от кодового датчика – порт – 11 линий, INT – вход прерывания – 1 линия и т.д. Для средств связи с ВУ (для перехода на RS-485) потребуется 3 линии (TxD, RxD, E); для локальной сети – 2-6 линий в зависимости от заданного протокола. Если различные МК НУ имеют разный набор входных или выходных сигналов, то составляется несколько таблиц. Таблицы

37

должны иметь наименование «Список функций для …»

суказанием обозначения МК на структурной схеме.

Впоследних строках этих таблиц следует привести суммар-

ное количество линий входов/выходов, т.е. выводов МК, необходимых для решения всех задач ввода/вывода. Далее работа проводится отдельно для МК ВУ и НУ.

Процесс и результаты проработки вопроса реализации связей

через элементы сопряжения следует изложить в пояснительной записке, и использовать при обосновании выбора МК (со ссылкой на источник). Процесс выбора оформляется в виде двух или нескольких таблиц, состоящих из набора заданных (и только заданных) функциональных возможностей МК (включая указанные выше требования к их параметрам) и характеристик не менее чем для трех моделей: минимально приемлемого и двух смежных (ближайших в таблицах параметров) со ссылкой на источник. Те параметры моделей, которые не заданы (частота, тип корпуса etc), приводить не следует, однако для контроля совместимости значение напряжения питания выбранной модели МК привести необходимо. Заданное количество линий ввода-вывода берется из предыдущей таблицы. Таблица выбора должна показать,

что более примитивная модель, чем выбранная, имеет неудовлетворительные характеристики, а более сложная – избы-

точные. Возможно наличие текстового комментария. Если различные МК НУ имеют разный набор входных или выходных сигналов, то составляется несколько таблиц. Таблицы должны иметь наименование «Выбор модели для К…» с указанием обозначения МК на структурной схеме.

Основной объем необходимых данных для выбора МК следует искать в Интернете. В библиографическом списке приведены некоторые источники. Пример одной из таблиц приведен ниже. Для МК ВУ в нем не должны присутствовать строки отно-

38

сительно ШИМ и квадратурного декодера, для МК НУ могут отсутствовать данные об АЦП и связях с СУ ГПС.

Пример «Распределение функций для К…

39

Окончание таблицы

В столбце «Неудов. модель» в ячейках, содержащих параметр, который не соответствует требованиям задания (обычно единственный параметр), ставится пометка «НЕУД.». НЕУД может возникать из-за недостаточного количества линий вводавывода, недостаточной разрядности АЦП, отсутствия квадратурного декодера для обработки информации с импульсных датчиков и т.п.

40