Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Схемотехническое проектирование систем управления. Учебно-методическое пособие
.pdf
лы DE и RE# могут выводиться с единой линии порта МК ,т. е.
Рис. 5. Структура CAN-сети
на МК задействуются 3 вывода.
1.3.2. Стандарт CAN
Структура CAN-сети представлена на рис. 5.
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 двухпроводным 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 кол-
лектором (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 следую-
SS1, SS2
щие:
• двунаправленная передача данных между главными и под-
чиненными устройствами (полудуплекс);
• многоабонентская шина (центрального главного узла
в сети может не быть);
• арбитраж между одновременно передающими устройства-
ми без разрушения целостности передаваемых данных;
• последовательная тактовая синхронизация позволяет при-
борам 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 схе-
ма 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) представ-
лена тремя общими линиями связи (MISO, MOSI, SCK) и двумя
линиями выбора ведомого устройства (
), которые ин-
дивидуальны для каждой периферийной ИС: MOSI – линия пе-
23
редачи данных от ведущего к ведомому (Master Output Slave In-
SS1
SS2
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;
и
– 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 функциониро-
ванию 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 семей-
ства…», 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 семестра 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
Значения параметров проекта
Номер
варианта
А0
А1
А2
А3
А4
А5
А6
1
R/S
3/12
6
12
код/3/8
24/10
220 / 5
2
R/I
3/10
7
12
код/2/4
48/4
110 / 5
3
C/S
2/10 3 8
имп/3
24/12
220 / 2
4
C/S
12/4
4
10
код/3/12
15/32
220 / 4
5
R/I
3/8 6 12
код/3/8
12/24
110 / 15
6
R/S
3/12
6
12
код/3/8
24/10
220 / 5
7
R/I
3/10
7
12
код/2/4
48/4
110 / 5
8
C/S
2/10 3 8
имп/3
24/12
220 / 2
9
C/S
12/4
4
10
код/3/12
15/32
220 / 4
10
R/I
3/8 6 12
код/3/8
12/24
110 / 15
11
R/I
4/8 2 10
имп/2
36/6
220 / 10
12
C/S
1/10
4
12
имп/3
24/15
110 / 15
13
R/S
4/8 9 12
код/3/6
12/32
110 / 14
14
C/I
4/8
10 8 код/4/8
15/22
110 / 5
15
R/S
5/10 6 8
код/2/6
24/12
220 / 8
16
C/S
5/10 6 8
код/2/6
24/12
220 / 6
17
C/I
5/10 3 8
код/2/8
12/15
110 / 12
18
C/S
4/12
2
10
код/2/6
36/10
220 / 10
19
R/R
2/15 5 8
код/4/4
15/32
220 / 3
Таблица 2
27
Окончание табл. 2
Номер
варианта
А0
А1
А2
А3
А4
А5
А6
20
C/I
2/12 3 8
имп/4
24/15
110 / 15
21
C/S
2/12
1
10
имп/3
48/12
110 / 12
22
R/S
2/12 3 8
код/3/8
24/18
220 / 3
23
R/S
3/16
4
10
код/3/6
36/14
110 / 12
24
R/I
11/4 5 8
имп./3
12/25
220 / 12
25
C/I
5/11 7 8
код/4/4
24/20
220 / 15
26
R/I
8/8 2 12
код/2/6
12/25
220 / 12
27
R/R
2/15 5 8
код/4/4
15/32
220 / 3
28
C/I
2/12 3 8
имп/4
24/15
110 / 15
29
C/S
2/12
1
10
имп/3
48/12
110 / 12
30
R/S
2/12 3 8
код/3/8
24/18
220 / 3
31
R/S
3/16
4
10
код/3/6
36/14
110 / 12
32
R/I
11/4 5 8
имп./3
12/25
220 / 12
33
C/I
5/11 7 8
код/4/4
24/20
220 / 15
34
R/I
8/8 2 12
код/2/6
12/25
220 / 12
35
C/S
8/8 2 12
код/2/6
12/25
220 / 12
36
C/S
4/6 6 10
код/4/8
15/24
110 / 10
37
R/R
3/10
4
12
код/3/6
12/16
110 / 16
38
R/S
1/12
4
10
имп/3
15/20
110 / 5
39
C/S
5/11 7 8
код/4/4
24/20
220 / 15
28
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 «Дополнительные 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 параметрам 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 необходи-
мыми 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 управления. 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
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]