Современные средства автоматизации

Производительность микроконтроллеров, используемых в системах малой автоматизации, играет важнейшую роль для обеспечения режима реального времени. Собственно понятие производительности относительное, т. к. зависит от решаемой задачи. Поэтому более часто сравнение микроконтроллеров произ­водится по так называемой «пиковой» (или предельной) производительности. Под пиковой производительностью понимается максимально возможная произ­водительность микроконтроллера на максимально возможной рабочей тактовой частоте при выполнении самых коротких (т. е. имеющих минимальное время выполнения) операций. Иными словами, если микроконтроллер работает на максимальной рабочей тактовой частоте F

операции использует N тактов, то пиковая производительность определяется

ет на максимальной рабочей частоте 24 МГц, и выполнение самой короткой операции у него занимает 12 тактов, то его пиковая производительность

Анализ диаграммы показывает, что безусловным лидером по производитель­ности являются микроконтроллеры фирмы Cygnal (от 20 до 100 MIPS), далее следуют AVR (ATmega128) фирмы Atmel, и далее все остальные существующие

микроконтроллеры. Полученные данные необходимо учитывать при проектиро­вании конкретных систем малой автоматизации.

Завершив этими сведениями ознакомление с наиболее используемыми мик­роконтроллерами, перейдем к рассмотрению некоторых микроконтроллерных систем.

Описываемый вариант контроллера предназначен в первую очередь для ма­кетирования и отладки различных периферийных аналоговых узлов, для этого на печатной плате изготовлено специальное макетное поле достаточно больших раз­меров. Кроме того, он может быть также применен для учебных целей — обуче­ния схемотехнике и принципам работы таких важных для любых универсальных технологических контроллеров узлов, как интерфейсы RS232C è RS485, супер­визор питания и охранный таймер WDT, таймер реального времени RTC и «ин­теллектуальный» знакосинтезирующий жидкокристаллический индикатор LCD. Контроллер имеет соответствующий разъем для внутрисистемного программиро­вания ISP. Все микросхемы контроллера установлены на панельках, все входы/ выходы контроллера и важные сигналы других микросхем выведены на соответ­ствующие штыревые разъемы PLS (однорядные), PLD (двухрядные) и контакт­ные площадки, расположенные вокруг макетного поля. Еще одной важной осо­бенностью описываемого эволюционного контроллера является то, что он может работать с целым рядом микроконтроллеров фирмы Atmel семейств õ51 è AVR:

Принципиальная схема эволюционного контроллера представлена на рис. 4.2. Он содержит следующие функциональные узлы:

На плате также находятся штыревые разъемы и контактные площадки для подключения к макетируемым узлам (см. табл. 4.16).

с международными названиями связей приведены в таблице 4.17. Следует на­помнить, что информационные контакты кабеля связи персонального компьюте­ра с эволюционной платой должны быть соединены следующим образом. Выход­ной контакт TxD разъема персонального компьютера (DB9/3 èëè DB25/2)не­обходимо соединить с контактом JP1/08 эволюционной платы, а входной контакт RxD разъема персонального компьютера (DB9/2 DB25/3) — с контак­том JP1/02 эволюционной платы. Кроме того, общий провод на разъеме PC (DB9/05 èëè DB25/07) должен быть соединен с контактами JP1/01 (03, 05, 07 èëè 09).

Кроме этого, как уже упоминалось выше, в описываемом эволюционном контроллере предусмотрена возможность внешнего сброса от одного из интер­фейсов RS232C èëè RS485. Это достигается установкой соответствующей пере­мычки JP5. Если установлена перемычка в позиции 01—02, то управление сбро­сом осуществляется потенциалом сигнала RxD2. На плате имеется также раз­резное поле, позволяющее устанавливать в линию RxD2 конденсатор емкостью ∼0,1 (на схеме не показано), при этом возможно импульсное (а не потенциаль­ное) управление сбросом. Если установлена перемычка в позиции 03—04, то управление сбросом осуществляется импульсом сигнала, поступающего от разъ­ема JP2/06 через конденсатор Ñ15, а если вместо конденсатора установлена пе­ремычка, то управление сбросом может осуществляться потенциалом. Следует отметить, что при потенциальном управлении сбросом функции WDT не выпол­няются. Штыревой разъем JP7 позволяет выбирать полярность сигнала сброса: положительную при положении перемычки 03—04 для õ51-совместимых микро контроллеров и отрицательную при положении перемычки 05—06 для AVR-мик­роконтроллеров. Положение перемычки 01—02 необходимо для осуществления функций внутрисхемного программирования ISP (при этом перемычки 03—04 и

05—06 должны быть удалены), а функции сброса возлагаются на ISP-програм­матор, который управляет состоянием линии через контакт 05 разъема JP7.

К порту Ð0 стандартных контроллеров (в корпусе DIP40) подключены: мик­росхема D8 таймера реального времени RTC — DS12887(A), интерфейс LCD (разъем JP13), два регистра вывода на микросхемах 74HC573 (D9, D10)и управляемый канал ввода/вывода на микросхеме шинного формирователя 74HC245 (D11). Все перечисленные функциональные узлы управляются линия­ми порта Ð2 микроконтроллера.

на контактные площадки JP14. Они могут быть подключены к исследуемым уз­лам или свободным входам микроконтроллера.

Штыревой разъем JP15 и резистор R14 служат для выбора полярности и ус­тановки контрастности LCD. При этом отрицательное напряжение –10 В ис­пользуется от микросхемы D1 (MAX232). Резистор R13 служит для ограниче­ния (регулирования) тока подсветки LCD. Разводка штыревого разъема JP13 со­ответствует стандартной для LCD разводке, что позволяет использовать для связи с LCD стандартный 40-проводный плоский компьютерный кабель HDD (для подключения жестких дисков).

Регистры (D9, D10) работают только на вывод, их выходы всегда открыты. После сброса выходы устанавливаются в единичное состояние. Регистры пред­назначены для управления исследуемыми периферийными узлами.

Управляемый канал ввода/вывода на микросхеме шинного формирователя 74HC245 (D11) может работать как на ввод, так и на вывод данных, в зависимо­сти от состояния линии Ð2.6. После сброса регистр устанавливается в положе­ние на вывод и переводится в высокоимпедансное состояние. Выходы регистра подтянуты к +5 В через матрицу резисторов R15. При установке линий Ð2.6 = 0 è Ð2.7 = 0 регистр открывается и устанавливается на ввод, что позволяет ис­пользовать разъем JP18 в качестве модификатора для установки, например, се­тевого адреса контроллера или других параметров.

Универсальные технологические контроллеры, ориентированные на работу в технологических системах управления, как правило, выполняются в виде ма­гистрально-модульных систем. В таких системах все модули (платы) имеют оди­наковые размеры и оснащаются системным разъемом. В последнее время наибо­лее популярным размером печатных плат в таких конструкциях является 220 × 100 мм (хотя иногда используется и размер 100 × 100 мм). В качестве разъемов магистрали наиболее часто используются отечественные 96-контакт

ные разъемы ÑÍÏ96 (или импортные аналоги Ñ96 с дюймовым шагом). Ответ­ные части разъемов соединяются между собой через кросс-плату. Все контакты разъемов, установленных на кросс-плате, соединены параллельно и образуют системную магистраль. Обычно используется модифицированная (усеченная) магистраль È41 (отечественный аналог магистрали Multibus-I). Модули (платы) располагаются в специальной конструкции с направляющими, называемой кор­зиной. Корзины могут быть рассчитаны на различное число модулей, но обычно используются корзины на 10 модулей. Кросс-плата крепится на заднюю стенку корзины, а платы вставляются в корзину спереди по направляющим вертикаль­но. На передних сторонах модулей закреплены передние панели одинакового размера, которые кроме органов управления имеют элементы фиксирования мо­дулей в корзине и специальные ручки для извлечения плат. Все передние пане­ли установленных модулей образуют общую «сегментированную» переднюю па­нель корзины. Корзина боковыми поверхностями крепится к двум легким (обыч­но из дюралюминия) боковым вертикальным стенкам с ручками для переноски. За корзиной обычно располагается блок питания. Под корзиной и блоком пита­ния располагаются несколько мощных компьютерных вентиляторов, постоянно обдувающих вертикально стоящие (в корзине) модули и блок питания снизу вверх. Вся эта конструкция обычно называется крейтом.

В состав крейта обычно входит один модуль главного контроллера и не­сколько периферийных модулей.

три подсистемы: подсистему аналогового ввода/вывода, подсистему интерфей­сов и подсистему контроллера.

жит всего три микросхемы: восьмиканального 12-разрядного аналого-цифрового преобразователя D1 (MAX1270) и двух микросхем восьмиканальных цифроана логовых преобразователей 8-разрядного D2 (LTC1665) и 10-разрядного D3 (LTC1660). Подсистема управляется микроконтроллером при помощи интерфей­са SPI. Цифро-аналоговые преобразователи D2 è D3 используют опорное напря

ñà: RS232C и оптически изолированный RS485, а также две микросхемы логики управления. В качестве интерфейса RS232C использована микросхема MAX202 (D7), ее выводы выведены на штырьковый разъем JP6. Интерфейс RS485 выпол­нен на микросхеме MAX1480A (D6) со встроенной схемой развязки питания и оптической изоляцией сигналов. Интерфейс имеет цепи защиты от импульсных помех R12, R13, VD1, VD2, согласующий резистор R11 с перемычкой JP4. Сиг­налы интерфейса выведены на разъем JP5. Логика управления реализована на микросхемах D4, D5. Она позволяет осуществлять раздельное управление вво­дом и выводом, а также выбирать один или два активных интерфейса.

супервизор питания с функциями охранного таймера WDT на микросхеме D8 (TL7705), входной регистр модификатора D9 (74HC245), дешифратор сигналов чтения/записи памяти и узлов ввода/вывода на микросхеме дешифратора D10