Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Современные средства автоматизации
.pdf
Таймеры реального времени 91
Рис. 3.7. Функциональное назначение выводов микросхем первой группы
GND — общий вывод питания;
MOT — вход выбора типа шины (Intel или Motorola);
Vcco — выход для питания внешней памяти;
PWR/ — выход прерывания включения питания с открытым коллектором;
SQW — выход генератора программируемой частоты;
CEO/ — выход выборки кристалла для внешней памяти;
CEI/ — вход выборки кристалла для внешней памяти;
RCLR/ — вход стирания внутренней памяти;
IRQ/ — выход прерывания (будильника) с открытым коллектором;
RST/ — вход сброса;
DS — строб данных;
R/W — вход режима чтения/записи;
ALE — строб адреса;
CS/ — вход выборки кристалла;
Vbaux — вход внешней батареи;
KS/ — вход сигнала Kickstart;
RD/ — вход сигнала чтения;
WR/ — вход сигнала записи;
NC — неиспользуемый вывод.
Анализ рис. 3.7 и приведенных данных о функциональном назначении выводов показывает, что микросхемы практически совпадают по основным функциональным выводам (за исключением сигналов управления чтением/записью R/
W, RD/, WR/). Это позволяет при использовании минимальных внешних моди
фикаторов устанавливать их на один и тот же сокет (панельку).
На рис. 3.8 показано функциональное назначение выводов микросхем RTC
второй группы с разделенными шинами адреса и данных.
На рис. 3.8 использованы следующие обозначения:
A0...A14 — входы шины адреса;
-
92 Схемотехника универсальных технологических контроллеров
D0...D7 — входы шины данных;
Vcc — вход питания;
GND — общий вывод питания;
CE/ — вход разрешения кристалла;
WE/ — вход разрешения записи;
OE/ — вход разрешения чтения;
RST/ — выход сброса с открытым коллектором;
IRQ/FT — выход прерывания и тестирования частоты с открытым коллектором;
SQW — выход генератора программируемой частоты;
CE2 — вход 2 разрешения кристалла;
NC — неиспользуемые выводы.
Анализ рис. 3.8 и приведенных данных о функциональном назначении выводов показывает, что микросхемы совпадают по основным функциональным выводам. Это позволяет устанавливать их на один и тот же сокет (панельку). Кроме
того, разводка этой панельки позволяет при необходимости устанавливать на
нее вместо микросхем RTC многие микросхемы постоянного запоминающего
устройства (ROM).
Таким образом, мы отобрали для использования в универсальных технологических контроллерах две группы микросхем RTC. Первая группа — с минимальными (основными) функциями счета времени и календарем и малым объемом встроенной памяти может быть использована в более простых (в отношении решаемых программных задач) технологических контроллерах. Вторая
группа — с основными функциями и встроенной энергонезависимой RAM довольно большого объема (8 К или 32 К) для использования в технологических
контроллерах со сложным программным обеспечением и необходимостью энергонезависимого хранения больших объемов данных.
Рис. 3.8. Функциональное назначение выводов микросхем второй группы
Таймеры реального времени 93
3.6.4. Микросхемы RAM для технологических контроллеров
Как правило, при разработке универсальных технологических контроллеров
известны их примерные области применения, соответственно известен примерный уровень сложности программного обеспечения и объемы обрабатываемых и
накапливаемых данных. Если ожидается использование разрабатываемых контроллеров для обработки и хранения больших объемов данных, естественно,
возникает необходимость в использовании в них микросхем оперативной памяти. К микросхемам памяти при этом предъявляются требования по соответствию быстродействия, достаточности объема, энергопотреблению и минимальности площади на печатной плате. Кроме того, учитывается то обстоятельство, что
адресное пространство контроллеров ограничено и часть его отводится для работы периферийных устройств (в том числе микросхем RTC со встроенной
энергонезависимой памятью). Учитывая эти обстоятельства, для большинства
задач считается достаточным использование микросхем оперативной памяти с
объемом 32 К (т. е. половины адресного пространства).
Микросхемы памяти выпускаются очень многими фирмами [84, 85]. Их параметры и схемы включения хорошо известны, поэтому приведение их данных в
рамках этой книги нецелесообразно. Отметим только, что наиболее полно удовлетворяют требованиям по минимальности площади, занимаемой на печатной
плате микросхемы в узких корпусах. Одной из таких микросхем RAM является
микросхема IS61C256A-15N фирмы ISSI [86]. Она выпускается в узком корпусе
DIP28, полностью статическая, питание микросхемы — 5 В, она имеет малое
динамическое энергопотребление (400 мВт), малые времена цикла (10, 12, 15,
20 и 25 нс — обозначается после типа микросхемы), в режиме необращения потребление минимизируется и составляет при работе совместно с TTL входами
55мВтисCMOSвходами — 250 мкВт.
3.6.5. Схемы включения микросхем RTC
Как итог вышесказанного рассмотрим две подсистемы памяти технологических микроконтроллеров. На рис. 3.9 показаны схемные изображения микросхем RTC первой группы. На рис. 3.10 показана подсистема памяти, позволяющая устанавливать все эти микросхемы и их аналоги (см. табл. 3.6) на одну панельку с реализацией практически всех основных функций.
На рис. 3.11 показаны схемные изображения микросхем RTC второй группы. На рис. 3.12 изображена подсистема памяти, включающая микросхему RAM
и панельку для микросхем RTC с внутренней энергонезависимой RAM.
Изображенная на рис. 3.12 подсистема памяти содержит шинный формирователь данных D1 (74HC245), регистр младшего байта адреса D2 (74HC573),
микросхему RTC второй группы D3 и микросхему оперативной памяти D4
(61C256). Функциональные назначения сигналов приведены над линиями сигналов, а перед линиями сигналов показаны названия битов портов микроконтрол
лера AT89C51/52. Модификаторы (перемычки) JP1—JP10 предназначены для
настройки панельки под конкретную микросхему RTC второй группы или мик
-
-
94 Схемотехника универсальных технологических контроллеров
Рис. 3.9. Схемные изображения микросхем RTC первой группы
Рис. 3.10. Подсистема памяти на микросхемах RTC первой группы
Рис. 3.11. Схемные изображения микросхем RTC второй группы
Устройства ввода/вывода и расширения 95
Рис. 3.12. Подсистема памяти на микросхемах RTC второй группы
росхемы постоянного запоминающего устройства ROM (Flash). Микросхема
оперативной памяти 32 К D4 расположена в младшей половине адресного пространства микроконтроллера. Выборка кристалла микросхем D3 (RTC èëè
ROM) должна поступать от системного дешифратора адреса (на схеме не приведен), который должен располагать либо ее, либо подсистему устройств ввода/
вывода в старшей половине адресного пространства. К выводу 23 панельки через установленную перемычку JP1 может подаваться либо линия адреса ADR11
(DS1744, DS1644, DS1643, DS1743, DS1543, DS1553), либо при снятой перемычке JP1 и установленной JP7 с этого вывода может сниматься сигнал с выхода программируемого генератора меандра SQW (DS1286). Перемычки JP2—JP6
позволяют отключать соответствующие линии адреса или менять местами линии ADR14 è WR/ при установке на панельку микросхем ROM (Flash). Перемычки JP8, JP9 позволяют снимать сигналы прерываний при использовании
микросхем DS1543, DS1553, DS1286. Перемычка JP10 необходима для подачи
дополнительного сигнала выборки при использовании микросхем DS1643,
DS1743. Таким образом, приведенная схема позволяет устанавливать на панельку целый ряд микросхем RTC с различными функциональными возможностями
и объемом встроенной энергонезависимой памяти, что значительно повышает
гибкость технологических контроллеров.
3.7. Устройства ввода/вывода и расширения
Устройстваввода/вывода ирасширения
3.7.1. Последовательные интерфейсы технологических
контроллеров
Современные технологические контроллеры, как правило, оснащаются одним или несколькими последовательными интерфейсами. Эти интерфейсы могут
использоваться для связи контроллеров с другим оборудованием (измерительны
-
96 Схемотехника универсальных технологических контроллеров
ми приборами, исполнительными механизмами, персональными компьютерами).
Однако наиболее часто современные технологические контроллеры используются в составе командно-информационных сетей CI-LAN, локальных сетей, состоящих из только одного персонального компьютера (PC) и нескольких технологических контроллеров, называемых в этом случае периферийными станциями
(PS) или просто станциями.
Напомним, что основным принципом CI-LAN является то, что единственный в сети PC играет роль генератора команд для всех технологических контроллеров, а также получателя всей информации от них. При этом на PC, как
на наиболее мощный и оснащенный периферией элемент сети, возлагаются задачи по вторичной обработке и сохранению данных, их интерпретации и визуализации.
Основными последовательными интерфейсами, используемыми в технологических контроллерах, являются RS232C è RS485. Узлы связи технологических
контроллеров в CI-LAN называют сетевыми диспетчерами. Наиболее простые
сетевые диспетчеры CI-LAN приведены и описаны во второй главе. В более
сложных универсальных технологических контроллерах обычно используют
комбинированные сетевые диспетчеры, в состав которых включают и интерфейс
RS232C, и интерфейс RS485, а иногда и другие интерфейсы. Наличие в составе
сетевого диспетчера нескольких интерфейсов значительно повышает гибкость
систем за счет возможности подключения к CI-LAN дополнительного оборудования или создания многоуровневых CI-LAN.
На рис. 3.13 показана принципиальная схема одного из вариантов комбинированного сетевого диспетчера универсального технологического контроллера.
Принципиальная схема комбинированного сетевого диспетчера содержит
следующие узлы: интерфейс RS232C (D1), интерфейс RS485 (D4), настраиваемый узел оптической развязки (D5—D7), узел коммутации (D2, D3).
Диспетчер имеет независимые линии управления приема и передачи каждого интерфейса, что позволяет, например, принимать одновременно сигналы по
одному или двум каналам (разумеется, с обнаружением конфликтов) и передавать данные в любой из интерфейсов или в оба сразу.
Настраиваемый узел оптической развязки (D5—D7) с помощью перемычек
JP3 можно модифицировать либо на работу в качестве оптически развязанных
входов внешних прерываний, либо в качестве оптически изолированного интерфейса сети «SISNET» [39].
Штыревые разъемы (типа PLD) JP1—JP3 используются для подключения с
помощью гибкого кабеля к разъемам DB9, которые обычно устанавливаются на
корпусе станции, а также для обеспечения необходимой коммутации сигналов и
земель. Перемычка JP4 используется в сети RS485 только тогда, когда станция
подключена
к концу шины (шлейфа). Перемычки JP5—JP10 предназначены для
настройки конфигурации диспетчера.
Следует также отметить, что кроме показанных на рисунке интерфейсов в
последнее время практически во всех контроллерах станций устанавливаются
дополнительные разъемы PLD для подключения к линиям интерфейса SPI
(Serial Peripheral Interface), который в ранних контроллерах реализуется про
-
Устройства ввода/вывода и расширения 97
Рис. 3.13 Принципиальная схема комбинированного
сетевого диспетчера
граммно, а в более старших реализован аппаратно. Для совместимости с аппаратно реализованным интерфейсом рекомендуется при программной реализации использовать линии NSS/ (линия P14), MOSI (P15), MISO (P16), SCK
(P17).
98 Схемотехника универсальных технологических контроллеров
3.7.2. Регистры ввода-вывода технологических контроллеров
Узлы ввода-вывода технологических контроллеров чаще всего выполняются
на основе регистров и шинных формирователей. В настоящее время производится достаточно большой ассортимент таких микросхем в различных сериях, с
различным потреблением и быстродействием.
Отметим основные требования к регистрам и шинным формирователям:
1. Поскольку технологические контроллеры в основном оперируют байтовыми величинами, регистры и шинные формирователи также должны иметь байтовую организацию (разрядность 8).
2. Желательно, чтобы разводка выводов входов и выходов имела последова тельное расположение, это значительно упрощает разводку печатной платы, позволяет снизить количество переходных отверстий, уменьшить площадь и соответственно стоимость платы, увеличивает надежность.
3. Желательно, чтобы выбранные регистры и шинные формирователи имели
одинаковую разводку линий ввода-вывода и питания, это повышает гибкость
технологических контроллеров за счет возможности, при необходимости, простой замены регистров на шинные формирователи и наоборот.
4. Желательно, чтобы выпускались микросхемы регистров и шинных формирователей с прямыми и инверсными выходами, что также повышает гибкость.
5. Очевидными требованиями являются малое энергопотребление и достаточно высокое быстродействие.
Всем перечисленным требованиям, кроме малого энергопотребления и высокого быстродействия, отвечают широко известные читателям регистры
КР580ИР82/83 и шинные формирователи КР580ВА86/87. Однако потребление
только одной такой микросхемы часто превышает потребление всех остальных
микросхем технологических контроллеров и может достигать у отдельных экземпляров 100 мА. Существуют аналогичные микросхемы с низким потреблением (i82C82/83, i82C86/87), однако они получили малое распространение и
практически не доступны.
Среди современных развивающихся серий микросхем наиболее широкий ассортимент имеет серия 74. Микросхемы этой серии в исполнении 74HC и 74HCT
имеют очень низкое среднее энергопотребление и высокое быстродействие.
Приведем таблицу с наиболее распространенными микросхемами восьмиразрядных регистров и шинных формирователей этой серии (табл. 3.7).
Ознакомиться с техническими данными этих микросхем читатель может на
сайтах фирм Texas Instruments [78], Philips [80], Toshiba [87], IDT [88],
Pericom [89], Hitachi [90]. Полная номенклатура серии 74 с вариантами замены
на отечественные микросхемы приведена в [91].
Анализ приведенных в таблице микросхем позволил выявить наиболее удачный комплект микросхем регистров и шинных формирователей (см. рис. 3.14).
К сожалению, не удалось подобрать комплект микросхем с полным совпадением номеров выводов входов и выходов (как это сделано в серии КР580ИР82/
83 и КР580ВА86/87). Однако отобранные микросхемы наибольшим образом
удовлетворяют всем остальным требованиям.
Устройства ввода/вывода и расширения 99
Таблица 3.7
Номер Функциональное назначение
74HC240 Восьмиразрядный буфер — драйвер линии с инверсией и 3 состояниями ÀÏ3
74HC241 Восьмиразрядный буфер — драйвер линии с 3 состояниями ÀÏ4
74HC244 Восьмиразрядный буфер — драйвер линии с 3 состояниями ÀÏ5
74HC245 Восьмиразрядный приемник шины ÀÏ6
74HC273
74HC373 Восьмиразрядный D-регистр-защелка с третьим состоянием ÈÐ22
74HC374 Восьмиразрядный D-регистр со срабатыванием по положительному фронту ÈÐ23
74HC377 Восьмиразрядный D-регистр с разрешением данных ÈÐ27
74HC465 Восьмиразрядный буфер с 3 состояниями ÀÏ14
74HC534
74HC540 Восьмиразрядный буфер — драйвер линии с инверсией и 3 состояниями ÀÏ12
74HC541 Восьмиразрядный буфер — драйвер линии с 3 состояниями ÀÏ13
74HC543 Восьмиразрядный регистровый передатчик
74HC563 Восьмиразрядный D-регистр-защелка с третьим состоянием и инверсией
74HC573 Восьмиразрядный D-регистр-защелка с третьим состоянием ÈÐ33
74HC574
74HC580 Восьмиразрядный D-регистр-защелка с инверсией
74HC640 Восьмиразрядный шинный передатчик с инверсией и 3 состояниями ÀÏ9
74HC641 Восьмиразрядный шинный передатчик ÀÏ7
74HC645 Восьмиразрядный шинный передатчик ÀÏ8
74HC646 Восьмиразрядный шинный передатчик / регистр с 3 состояниями ÂÀ1
74HC652 Восьмиразрядный шинный передатчик / регистр с 3 состояниями ÀÏ24
Восьмиразрядный D-регистр со сбросом и срабатыванием по положительному фронту
Восьмиразрядный D-регистр со срабатыванием по положительному фронту, с
инверсией и 3 состояниями
Восьмиразрядный D-регистр с третьим состоянием и срабатыванием по положительному фронту
Отечественные
аналоги
ÈÐ35
ÈÐ41
ÈÐ37
Рис. 3.14. Комплект микросхем регистров и шинных формирователей, оптимальный для при-
менения в технологических контроллерах
100 Схемотехника универсальных технологических контроллеров
3.7.3. Модификаторы адреса
В универсальных технологических контроллерах, оснащенных сетевыми
диспетчерами, обязательно должен иметься модификатор адреса — узел, позволяющий установить уникальный индивидуальный адрес контроллера (станции) в
сети. Существует достаточно много различных вариантов исполнения модификаторов.
1. В некоторых случаях, с целью экономии места на печатной плате, уникальный адрес прошивается в Flash-памяти микроконтроллера. Недостаток такой реализации модификатора очевиден — необходимо для каждой станции
иметь уникальную прошивку.
2. Модификатор может быть выполнен в виде программно-доступного регистра, входы которого подтянуты резисторами к питанию, и к этим же входам
подключены перемычки (см. рис. 3.15).
3. Вместо перемычек может быть использован переключатель типа ВДМ
или аналогичный.
4. В последнее время в особо ответственные изделия стали встраивать новый тип модификаторов, получивший название iButton. Это гибридный полупроводниковый прибор, выполненный в корпусе из нержавеющей стали, внешне
очень похожем на литиевую батарейку. Приборы выпускаются в двух типах корпусов (F5 и F3), диаметр обоих корпусов около 17 мм, а толщина соответственно
около6и3мм.Такой корпус обеспечивает высокую механическую прочность и
живучесть изделия. Чашка корпуса является общим выводом, а электрически
изолированная крышка — сигнальным электродом. Прибор содержит внутри литиевую батарейку и целый набор функциональных узлов. Батарейка обеспечивает непрерывное функционирование прибора в течение не менее 10 лет.
Главным функциональным узлом прибора, безусловно, является постоянное
запоминающее устройство ROM, содержащее 64-битный код. В состав этого
кода входят: байт кода типа прибора, 6 байт уникального серийного номера и
Рис. 3.15. Вариант реализации модификатора адреса
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]