2497

1.1.Особенности управляющих микроЭВ……………….…..6

1.2.Существенные параметры и особенности различных семейств МК……………………………………..………10

1.3.Существенные параметры и особенности различных

4.4.Рекомендации по разработке принципиальной схемы . 34

4.5.Рекомендации по оформлению принципиальной

ВВЕДЕНИЕ

В соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего образования по направлению 27.03.04 «Управление в технических системах» (профиль «Управление и информатика в технических системах») дисциплина «Схемотехника элементов и устройств систем управления» является обязательной специальной дисциплиной (Б1.В.ОД.11).

Врезультате изучения дисциплины "Схемотехника элементов

иустройств систем управления" студенты должны:

-знать номенклатуру, характеристики и функциональное назначение интегральных микросхем, выпускаемых отечественной и зарубежной промышленностью для систем управления

(СУ);

-знать и практически овладеть основными методами проектирования узлов СУ на основе интегральных микросхем различной степени интеграции;

-знать принципы построения интегральных микросхем памяти и способы построения на их основе устройств памяти большой емкости;

-уметь выбирать схемотехническую базу при проектировании различных устройств СУ;

-иметь навыки экспериментального исследования работоспособности спроектированных схем.

Сучетом специфики изучаемой дисциплины и специальности обучение ведется в единстве лекционных тем, практических занятий и курсового проектирования. Выполнение индивидуальных практических заданий, курсового проекта и подготовка к его защите входят в запланированный объем самостоятельной работы студентов по дисциплине.

Цель курсового проектирования – закрепление у студентов основных теоретических положений дисциплины "Схемотехника элементов и устройств систем управления", приобретение практических навыков по решению задач синтеза узлов и блоков

4

цифровых СУ, а далее практической их реализации на интегральных микросхемах.

Полученные навыки будут полезны студентам в инженерной практике, а также при написании бакалаврской и магистерской выпускных работ.

Каждому студенту выдается техническое задание (ТЗ), содержащее требования к проектируемому цифровому узлу или блоку.

На основании заданных исходных данных необходимо, в конечном счёте, разработать схему электрическую принципиальную заданного цифрового устройства. Разработке схемы электрической принципиальной цифрового узла должна предшествовать разработка схем электрических структурных и функциональных, постепенная детализация которых подготавливает законченное техническое решение поставленной задачи.

Текстовые и графические материалы курсового проекта оформляются в соответствие с требованиями ЕСКД.

5

1.Общие положения

1.1.Особенности управляющих микроЭВМ

Основой микропроцессорных систем управления промышленными объектами (МПСУ ПО) являются управляющие ВМ (в настоящее время это обычно микроЭВМ). Эти УВМ могут быть определены как управляемые программно ЭВМ, предназначенные не для вычислительных, а для специализированных применений, таких, как управление промышленными и другими объектами, сбор, регистрация и поиск информации, автоматизированное проведение экспериментов, работа в измерительных приборах и комплексах и т.п. Такие ЭВМ организованы как системы с обратной связью, и вычислительная машина работает как автомат, систематически корректирующий свою деятельность при помощи обратной связи от обслуживаемых им объектов, получая информацию для обработки от датчиков и других устройств объекта и направляя результаты обработки в исполнительные механизмы и другие устройства.

В частности, устройства управления промышленными объектами должны поддерживать двунаправленные связи со следующими группами объектов и объектами внешнего мира:

-с подсистемами данного объекта (объектов);

-со вспомогательным технологическим оборудованием;

-с другим оборудованием (внешней средой);

-с СУ более высокого уровня иерархии (например, АСУ ГПС – гибкой производственной системы);

-с оператором;

-с устройствами внешней памяти;

-с реальным временем.

Программное управление процессом обработки информации делает микроЭВМ универсальной, т.к. дает возможность реализовать требуемый для специализированного применения алго-

6

ритм взаимодействия с объектом. При этом конкретная специализация определяется потребителем путем разработки специальной прикладной программы и выбора необходимых функциональных модулей системы, в частности устройств связи с объектом и других периферийных устройств.

При управлении объектами микроЭВМ должна производить сбор, обработку и выдачу информации во взаимодействии с процессами, происходящими в управляемом устройстве, т.е. работать в режиме реального времени. Это обеспечивается программированием последовательности измерений информационных сигналов и выдачи управляющих воздействий с необходимыми временными интервалами, длительность которых достаточно мала и определяется динамикой управляемой системы. Так, для робототехнических систем эта длительность составляет менее десятых долей секунды. В процессе управления вычисления в микроЭВМ непрерывно повторяются для новых данных, а цикл вычислений занимает сравнительно небольшой промежуток времени. Такие управляющие микроЭВМ называют обычно микроконтроллерами (от англ. controlling – управление).

Таким образом, в отличие от ЭВМ вычислительного типа управляющая ЭВМ не занимается длительными вычислениями, при которых накапливаются погрешности численных методов, а проводит их кратковременно, но периодически, постоянно оценивая расхождения и внося поправки. Это дает возможность получить необходимую для целей управления точность вычислений при использовании уменьшенной разрядности двоичных чисел, с которыми работает процессор, и не требует очень высокого его быстродействия.

Принцип обратной связи с управляемым процессом дал основу для использования в МПСУ ПО микроЭВМ с малой точностью вычислений (разрядностью) и невысоким быстродействием. Основные требования к такой ЭВМ:

7

иметь разветвленную и гибкую систему устройств связи с разнородными источниками управляющих воздействий и с управляемыми объектами;

согласовывать ход вычислительного процесса с ходом процесса управления объектами (работа в реальном масштабе времени), выдавать воздействия в соответствии с показаниями таймера;

обладать специальными режимами обмена с внешними устройствами, связанными с прерыванием хода основных вычислений процессора для обслуживания таких устройств или с передачей своей активной роли другому устройству.

Помимо перечисленных, МПСУ должна удовлетворять и таким требованиям как дешевизна, надежность, климатоустойчивость, функциональная гибкость.

Основным критерием при выборе архитектуры МПСУ является минимальная стоимость проектируемой системы, а ограничениями – удовлетворение перечисленных выше требований со стороны интерфейса. Конкурирующими вариантами микропроцессорной базы в данном случае могут быть:

-промышленный контроллер;

-персональная ЭВМ (ПК);

-система однокристальных процессоров;

-сочетание каких-либо из перечисленных вариантов. Первый вариант предполагает использование готового

набора узлов, включающих блок центрального процессора с оперативной памятью и блоки интерфейсов с оборудованием. Состав набора должен быть выбран в соответствии с перечисленными выше положениями. В то же время иногда приходится изменять и набор датчиков или исполнительных элементов робота.

С другой стороны, существует ряд соображений в пользу того, чтобы разрабатывать оригинальные МПСУ (варианты 2 и 3). Во-первых, для специфических узлов (например, электромеханических фазовращателей) на рынке может просто не оказаться

8

подходящих модулей сопряжения. Во-вторых, стандартные МПСУ очень часто проектируются исходя из их максимальной универсальности (а, следовательно, большого объема выпуска), что нередко приводит к их довольно высокой стоимости по сравнению со специализированными устройствами. Наконец, в- третьих, оригинальная разработка позволяет использовать возможности новых элементов (процессоров, памяти, схем сопряжения), еще не включенных в серийную аппаратуру. Такая разработка может стать основой новой, более совершенной МПСУ, с которой можно будет затем выйти на рынок.

Использование в качестве базы МПСУ стандартного персонального компьютера оправдано в случае, если условия эксплуатации не требуют его дополнительной защиты, а интерфейс с пользователем предусматривает значительный объем графической и текстовой информации, выводимой на стандартный дисплей. При этом требования к быстродействию и объему памяти ПК обычно весьма низки, что обеспечивает экономическую эффективность разработки устройств сопряжения (УС) ПК с оборудованием. Оригинальные УС при этом подключаются либо к портам ПК, либо к его шинам (PCI, ISA, USB [5]). Ввиду ограниченности количества портов шинная структура УС является преобладающей. Задания на проектирование интерфейсного модуля для ПК с сопряжением по одной из его шин могут быть выданы индивидуально в составе какой-либо комплексной разработки.

Исполнение МПСУ на базе одного или нескольких однокристальных микроконтроллеров (МК) [12] позволяет минимизиро-

вать аппаратную базу и матобеспечение системы, полностью учесть особенности используемого оборудования. В учебных целях в проект включены задания на проектирование многопроцессорной МПСУ на базе наиболее широко распространенных МК (приведены ниже).

Сочетание стандартных аппаратных средств и самостоятельно разработанных блоков наиболее целесообразно, но при этом разработчику следует освоить как разновидности архитектур микропроцессоров, являющихся основой МПСУ, так и со-

9

глашения об обмене информацией по интерфейсам, правила электрического и временнóго согласования с перечисленными объектами и т.д. Очень важно также знать типичные примеры конкретной схемотехнической реализации узлов МПСУ, особенно некоторых наиболее ответственных, чтобы не делать грубых ошибок. Это значительно облегчает процесс проектирования.

Конечно же, разработчик должен уметь составить программу, управляющую разработанной системой, которая бы в наибольшей степени была ориентирована на учет всех особенностей аппаратуры, и которая в ряде случаев очень эффективно может взять на себя многие функции этой аппаратуры, снизив стоимость системы.

Все эти вопросы должны решаться в комплексе. Только в этом случае можно надеяться на успешное решение задачи разработки оригинальных и эффективных МПСУ.

1.2.Существенные параметры и особенности различных

семейств МК

Существенные параметры и особенности ядра семейства

1.Наименование ядра.

2.Архитектура (Гарвард / Принстон), распределение адресного пространства.

3.Система команд: CISC – RISC.

4.Разрядность АЛУ.

5.Кол-во тактов на команду (конвейерно).

6.Максимальная тактовая частота, МГц.

7.Источники тактового сигнала и их частоты.

8.Количество и организация регистров общего назначения, их ортогональность1, наличие/отсутствие в программной моде-

1 В описании архитектуры вычислительных систем этим термином обозначают независимость или единообразность в пользовании.

10