2497

лы DE и RE# могут выводиться с единой линии порта МК ,т. е. на МК задействуются 3 вывода.

1.3.2. Стандарт CAN

Структура CAN-сети представлена на рис. 5.

Рис. 5. Структура CAN-сети

Физическая среда передачи данных в CAN может быть самой разной – витая пара, плоский кабель, оптоволокно, а также радио- и ИК-каналы и даже линии электропередач. Основным ограничением протяженности шины является лишь предельно допустимая суммарная задержка распространения сигнала для заданной скорости передачи (в кабеле, трансиверах, входных цепях контроллеров и т.д.).

21

Как видно из рис. 5, для работы в CAN-сети микроконтроллер должен иметь специальный модуль с двумя выводами (Tx и Rx являются альтернативными функциями выводов одного из портов). Контроллеры, не имеющие CAN-интерфейса, сопрягают с шиной через модуль MCP2510 и трансивер. Гальваническую развязку и трансивер разработчику нужно выбрать.

1.3.3. Интерфейс I2C

Интерфейс I2C (Interconnect Integrated Circuit) является двух-

проводным последовательным интерфейсом, завоевавшим популярность относительно высокой скоростью передачи данных, дешевизной и простотой реализации.

Типовая конфигурация I2C-шины показана на рис. 6.

Рис. 6

I²C использует две двунаправленных линии с открытым коллектором (истоком) – последовательная линия данных (SDA, англ. Serial DAta) и последовательная линия тактирования (SCL, англ. Serial CLock). Обе линии подтянуты резисторами к плюсу питания. Стандартные напряжения Vdd +5 В или +3.3 В, однако допускаются и другие. Резисторы имеют номинал от нескольких килоом до нескольких десятков килоом (чем выше скорость – тем меньше номинал резисторов, но больше энергопотребление). Минимальное значение для Vdd = +5 В составляет около 2 кОм.

22

Основными свойствами интерфейса I2C являются следующие:

•двунаправленная передача данных между главными и подчиненными устройствами (полудуплекс);

•многоабонентская шина (центрального главного узла

всети может не быть);

•арбитраж между одновременно передающими устройствами без разрушения целостности передаваемых данных;

•последовательная тактовая синхронизация позволяет приборам с различными скоростями передачи битов осуществлять связь через одну последовательную шину;

•шунтирование приемником линии тактовой синхронизации может использоваться в качестве механизма квитирования установления связи, чтобы приостанавливать и возобновлять последовательную передачу.

К шине может быть подключено до 128 абонентов, каждый со своим уникальным адресом.

1.3.4. Интерфейс SPI

Стандарт SPI (Serial Peripheral Interface) предназначен для связи МК с периферийными устройствами МП-системы, но используется также для обмена данными между несколькими МК системы.

На рис. 7 в качестве примера представлена структурная схема сопряжения МК и двух периферийных ИС с использованием интерфейса SPI. В рассматриваемом примере МК является ведущим устройством (Master), он инициирует обмен при передаче информации между МК и одной из периферийных ИС. Каждая из периферийных ИС является устройством ведомым (Slave).

SPI-шина (магистрально-радиальная архитектура) представлена тремя общими линиями связи (MISO, MOSI, SCK) и двумя

линиями выбора ведомого устройства ( SS1 , SS2 ), которые индивидуальны для каждой периферийной ИС: MOSI – линия пе-

23

редачи данных от ведущего к ведомому (Master Output Slave In-

Рис. 7. Сопряжение МК с периферийными ИС посредством интерфейса SPI

put); MISO – линия передачи данных от ведомого к ведущему

(Master Input Slave Output); SCK – линия сигнала стробирования

данных; SS1 и SS2 – линии сигналов выбора ведомого устройства. Таким образов, для трех ведомых МК в разрабатываемом проекте ведущий должен использовать 6 выводов, а ведомые – по 4 вывода.

Более подробные сведения по организации и функционированию описанных выше интерфейсов можно найти в [35] и многочисленных интернет-источниках.

24

2. Организация и тематика практических работ

Целью практических занятий является анализ технических решений по разработке систем управления на основе микроконтроллеров. Задания выдаются студентам индивидуально для самостоятельной работы, результаты заслушиваются в виде сообщений с демонстрацией структур и схемных решений. Теоретической базой для анализа являются учебные пособия [3-12].

3. Организация и тематика курсового проектирования

Цель курсового проектирования по данной дисциплине состоит в усвоении и закреплении знаний и навыков в области проектирования систем управления объектами. В ходе проектирования следует учитывать особенности архитектуры ЭВМ применительно к задачам управления техническими объектами [12]. Теоретической базой для проекта являются учебные пособия [3- 12].

3.1. Состав проекта

При выполнении курсового проекта необходимо в соответствии с индивидуальным заданием (см. ниже) разработать функциональное представление микроконтроллерной системы управления (МКСУ), её структурную и принципиальную схемы, определить параметры системы управления: энергопотребление, надежность, характеристики устройств согласования с двигателями исполнительной системы и датчиковыми системами.

Предполагается, что система управления во всех вариантах задания предназначена для управления робототехническим комплексом (PTK) в составе трехкоординатного робота и набора технологического оборудования. Объект управления представляется набором датчиков (тип и количество указаны в варианте), входами, управляемыми с дискретных и ШИМ-выходов СУ (тип, разрядность и количество указаны в варианте), параметрами исполнительных механизмов робота и оборудования.

25

3.2. Варианты задания на проектирование

Задание на проектирование должно оформляться на специальных бланках в соответствии с приложением 1 и включать:

тему проекта «Двухуровневая МКСУ на базе МК семейства…», причем вместо многоточия подставляется название заданного преподавателем семейства восьмиразрядных МК (AVR, PIC, STM);

данные на проектирование, взятые из табл. 2, приведенной ниже, согласно выданному номеру варианта (данные приводят текстом, в виде колонок, содержащих название параметра, его обозначение (А0…А6) и значение для данного варианта);

дополнительные указания по содержанию (при наличии);

функциональное представление МКСУ;

сроки представления материалов проекта на промежуточный и конечный контроль;

подписи преподавателя и студента, получившего задание. Задание должно выдаваться преподавателем в начале се-

местра и может быть скорректировано (в т.ч. по инициативе студента) в течение двух недель после выдачи. Не позже этого срока оно должно быть подписано.

26

Окончание табл. 2

Примечание: А0 – интерфейсы локальных сетей: связи с надсистемой / межконтроллерной связи (R – RS-485, C – CAN на 24 В, I – I2C, S – SPI); А1 – количество/разрядность дискретных выходов; А2 – количество сигналов от аналоговых датчиков напряжения (медленно меняющийся однополярный сигнал, амплитуда – 10 В); А3 – разрядность АЦП; А4 – тип/количество/разрядность цифровых датчиков; А5 – характеристики исполнительных устройств (постоянное напряжение/ток, замыкание контакта, активно-индуктивная нагрузка); А6 – характеристики исполнительных устройств технологического оборудования (переменное напряжение/ток, замыкание контакта при переходе тока нагрузки через ноль).

В ТЗ следует добавить также (под заголовком «Дополни-

тельные связи»): а) 20 входов для связи с дискретными датчиками состояния технологического оборудования типа механический заземляющий контакт, б) три выхода сигналов с ШИМ. Ниже в текстовой форме следует указать списком требования к пара-

метрам используемых МК: наличие оперативной памяти объемом не менее 2К байт, памяти программ (ПЗУ или Flash) – не менее 32К слов для каждого, памяти констант – (EEPROM или аналогичной) 256 байт, наличие контроля работоспособности каждого МК (watch-dog) с обнулением всех выходов на оборудование при сбое, минимальная стоимость (наибольшая простота).

Для более детального изучения тематики проектирования некоторым студентам могут быть выданы особые задания.

4. Порядок и указания по выполнению проекта

4.1. Общая схема выполнения проекта а) На первом этапе устройство представляется функцио-

нально, в виде некоего «черного ящика», но со всеми необходимыми внешними связями, конкретизируются и уточняются требования задания на проектирование. Следует изобразить прямоугольник и его связи в виде стрелок в нужном направлении (ука-

29

зания см. ниже). Функциональное представление МКСУ помещается на листе задания пояснительной записки к проекту после выписки из таблицы заданий на проектирование (см. п. 4.2).

б) Следующий этап проектирования – составление

структурной схемы.

При проектировании устройства управления на микроконтроллерах необходимо спроектировать четырехконтроллерную схему управления, три контроллера К1…К3 в которой управляют звеньями робота (нижний уровень – НУ), один (К0) реализует верхний уровень ВУ и управляет технологическим оборудованием. Каждый контроллер может состоять из единственного микроконтроллера МК или из МК с дополнительными элементами сопряжения – см. ниже. Все контроллеры координат робота через локальную сеть взаимодействуют с КВУ, а он – с СУ более высокого уровня иерархии (обычно по последовательному каналу). Структурная схема МКСУ помещается в пояснительной записке к проекту. Детальные рекомендации см. ниже.

в) На следующем этапе по разработанной структурной схе-

ме разрабатывается принципиальная схема системы управле-

ния. В схеме должна быть обеспечена реализация каждого контроллера, наличие всех предусмотренных сигналов, обеспечено соответствие входных и выходных цепей рекомендациям стандартов (см. [12, 13, 14]), если в задании не указано иное.

Первой стадией этапа является выбор микроконтроллеров. Основная цель выбора – максимальная интегрализация структуры контроллера, т.е. максимальное сосредоточение всех нужных функций в кристалле МК. Поскольку в задании не приведена конкретная модель МК, следует выбрать модели самостоятельно, причем отдельно для ВУ и НУ (в пределах заданного семейства) как указано ниже.

30