Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Схемотехническое проектирование систем управления. Учебно-методическое пособие

.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
07.09.2026
Размер:
1 Мб
Скачать
☆
Если в заданном семействе нет МК, выполняющих все за­данные для КВУ или КНУ функции и реализующих все связи, то следует дополнить МК элементами сопряжения: внешними АЦП, аналоговыми коммутаторами, преобразователями и т.п. Следует подобрать конкретную модель каждого такого элемента, убедиться, что он реализует нужное сопряжение, после чего со­ставить уточненную структурную схему, отражающую как струк­туру МКСУ в целом, так и структуру каждого контроллера – со­став и связи внутри него. Состав каждого контроллера (МК и элементы сопряжения) на этой схеме отображают штриховым контуром с надписью К0…К3.
Фатальной ошибкой курсового проектирования являет­ся несоответствие структурной схемы функциональному представлению устройства, а принципиальной схемы – уточ­ненной структурной схеме.
Следующей стадией является размещение на листе схемы всех элементов МКСУ, выполнение всех связей (с учетом вари­антов изображения, описанных в [1]) – детальные указания см.
ниже.
г) Для принципиальной схемы рассчитываются необходи­мые параметры, в частности, критичные длительности прохож­дения сигналов, входные и выходные токи (для шин), потребля­емая мощность, номинал балластных резисторов и проч. Резуль­таты расчетов приводятся в пояснительной записке. Составляет­ся перечень элементов по форме, приведенной в [1] – детальные указания см. ниже.
д) На заключительном этапе разработки аппаратных средств следует вновь проверить соответствие результатов требованиям задания.
В состав материалов курсового проекта входят принципи­альная схема устройства микропроцессорного управления с пе­речнем элементов и расчетно-пояснительная записка (РПЗ).
31
4.2. Рекомендации по разработке функционального
5
8
#
Λ/# 12
3
П/#8
3
8#/П
... ...
2 А
0,5 А
= 24 В
~ 110 В
Ñ
Ñ
20
#R
Рис. 8
представления системы
Для изображения многолинейной связи на соответствующей стрелке должна быть поставлена косая черта с числом линий, например, для дискретных выходов при задании А1=6/8 должно быть изображено 6 стрелок с меткой «/8», для А2=5 – стрелка с меткой «/5» (пример – рисунок 1, верхние стрелки). Для отобра­жения формы и параметров сигналов внутри прямоугольника у основания линии ввода/вывода должны быть помещены симво­лы вида сигналов: # для ввода/вывода дискретных сигналов (например, А1 и кодовых датчиков А4), Λ – для ввода аналого­вых сигналов, П – для ввода/вывода импульсных сигналов (сле­дует использовать шрифт ARIAL или иной прямой беззасечный). Знак «прямой слэш» показывает на преобразование «сиг­нал/код», число за ним указывает на разрядность кода. Таким образом, вход с обозначением Λ/# на рисунке 8 соответствует наличию АЦ преобразователя с разрядностью 12 (А3), П/# – вво­ду сигналов от импульсных датчиков А4 с числом, указывающим на разрядность (8 – для любого импульсного датчика в проекте). У линий выходов ШИМ следует поместить символ 8#/П, где 8 – число, указывающее на разрядность широтно-им-пульсного мо­дулятора (см. рис. 8, средняя стрелка спра­ва). Входы для связи с дис­кретными дат­чиками типа механический заземляющий контакт следу­ет изобразить, как указано в
32
нижней левой части рисунка, здесь символ R указывает на необ­ходимость подключения внутренних pull-up резисторов. Для обо­значения выводов с высокопотенциальными сигналами следует изобразить отдельные стрелки с параметрами, заданными «А5» и «А6» (см. рис. 8, нижние стрелки справа). Линию двусторонней связи устройства с системой высшего уровня следует изобразить в виде двунаправленной стрелки вверх от «черного ящика» с ко­сой чертой без числа линий.
4.3. Рекомендации по разработке структурной схемы
Изобразив структуру МКСУ в виде 4 прямоугольников, свя­занных шиной локальной сети, следует распределить между кон­троллерами НУ и ВУ рассмотренные выше внешние связи, изоб­ражая их стрелками в нужном направлении (включая связь с СУ ГПС). Желательно линии входов помещать слева от МК, выхо­дов – справа, двунаправленные связи – сверху или снизу. Для отображения формы и параметров сигналов внутри каждого прямоугольника, как и на функциональном представлении си­стемы, у основания линий ввода/вывода должны быть помещены символы сигналов.
Дискретные вЫходы (А1) распределяются между КНУ, но если в задании более 3 групп выводов, то остальные группы от­водятся от КВУ. Если групп менее 4, то для управления техноло­гическим оборудованием от КВУ делается 4 дискретных выхода (#-линия с меткой «/4»). Для управления исполнительным устройством (А5) следует показать отдельный выход от одного из КНУ. Для управления исполнительным устройством А6 сле­дует также показать отдельный выход, но от КВУ.
Помимо дискретных выходов, каждый КНУ должен иметь один выход ШИМ-сигнала для управления приводом. Разряд­ность формирователя ШИМ 8 дает цену младшего разряда 1/256 ≈ 0,004 максимального сигнала. У линий выходов ШИМ следует поместить символ 8#/П, где 8 – число, указывающее на
33
разрядность широтно-импульсного модулятора (см. рису. 8, средняя стрелка справа).
Цифровые датчики (ЦД) с параметрами А4 следует распре­делять между КНУ. Следует предусмотреть также прием от каж­дого цифрового датчика одного инициативного сигнала (метки, label), вызывающего прерывание (вход помечается INT). Для ввода сигнала от импульсного датчика нужна двухлинейная связь «/2».
Аналоговые датчики (АД) в количестве А2 подключают к КВУ, однако если количество цифровых датчиков (А4) меньше 3, то к каждому КНУ, не имеющему связи с ЦД, следует подклю­чить один из аналоговых датчиков. Сигнал с датчиков однопо­лярный, максимальное значение – 10 В. Разрядность АЦП (А3) изображают, как указано выше.
Кроме перечисленных в задании связей, каждый из МК НУ для опроса состояния оборудования должен иметь по 4 линии связи с дискретными датчиками типа механический заземляю­щий контакт, а МК ВУ – 8 таких линий (см. функциональное
представление).
В пояснительной записке следует указать, что внешние свя­зи распределены между контроллерами НУ и ВУ в соответствии с п. 4.3 данных МУ, затем перечислить особенности задания и принятые решения (например, «поскольку количество цифровых датчиков (А4 = 2) меньше 3, то к КНУ К3, не имеющему связи с ЦД, был подключен один из аналоговых датчиков»).
4.4. Рекомендации по разработке принципиальной схемы
Выбор микроконтроллеров начнем с конкретизации способа
подключения к некоторому виртуальному МК всех типов задан­ного оборудования. Для этого потребуется, в частности, по за­данному типу интерфейсов локальных сетей получить сведения о количестве линий связи с сетью и наименовании сигналов (см. ниже). Затем перейдем к составлению списков сигналов, учиты-
34
вающему все необходимые связи, и в заключение – собственно к выбору МК ВУ и НУ.
Связь МК ВУ с СУ ГПС должна выполняться по заданному (А0 – числитель) протоколу с соблюдением требований к уров­ням сигналов. Наиболее распространенным протоколом является PPI, аппаратно базирующийся на стандарте физического уровня связи RS-485. Средства сопряжения МК по протоколу PPI, как и по протоколу CAN, рассмотрены в [5/. В пояснительной записке должны быть приведены описание функционирования заданного протокола, его достоинства, выбранные для сопряжения с сетью аппаратные средства и количество линий связи с МК.
Тип локальной сети для связи между МК также задан пара­метром А0 (знаменатель). В пояснительной записке должны быть приведены описание функционирования соответствующего протокола, его достоинства и количество линий связи между МК ВУ и МК НУ. На принципиальной схеме локальная сеть мо­жет быть изображена без проводников, путем указания наимено­ваний проводов у соответствующих выводов микросхем, напри­мер, SDA, SCL.
Дискретные сигналы для вывода (А1) снимаются непосред­ственно с разрядов портов МК. Гальванической развязки на ли­ниях не требуется.
Аналоговые сигналы (А2) после нормализации уровня по­даются на порт, линии которого имеют соответствующую аль­тернативную функцию.
Цифровые датчики А4 кодового типа (#) следует подклю­чать непосредственно к одному из портов МК НУ. Датчики А4 импульсного типа (выдающие сдвинутые сигналы, которые обо­значаются А и В, либо QD0 и QD90) следует подключать к МК через интерфейс, позволяющий вести подсчет импульсов с уче­том направления движения. Такой блок разработчики называют квадратурным декодером, интерфейсом квадратурного модуля­тора и т.п. Если соответствующего блока в выбранной линейке
35
МК нет, схему следует разработать самостоятельно, исходя из знаний, полученных в курсе. Предельная частота импульсов – 200 кГц. Результат вычисления перемещения должен формиро­ваться каждые 10 мс. Разрядность выходного кода – 8. Если для данного преобразования используются иные функциональные узлы МК (например, таймеры), то в пояснительной записке сле­дует показать, что параметрами МК обеспечиваются частота съема информации и получения результата, указанные выше.
Низковольтные цифровые датчики имеют уровень лог.1 в диапазоне 1,1-2,2 В и требуют наличия преобразователя уровня. Следует предусмотреть также прием от дискретного датчика лю­бого типа одного инициативного сигнала, вызывающего прерыва­ние (в импульсных датчиках это сигнал QDINDX).
Для управления исполнительным устройством А5 следует применить элемент сопряжения – бесконтактное реле с «замы­кающим контактом» и гальванической развязкой, подключив его к отдельному выходу порта одного из КНУ. Для управления ис­полнительным устройством А6 следует также применить бескон­тактное реле (переменного тока) с гальванической развязкой, подключив его к отдельному выходу порта КВУ. Процесс и ре­зультаты проработки вопроса реализации связей через элементы сопряжения следует изложить в пояснительной записке, включая обоснование в виде таблицы (Таблица 1 пояснительной записки), состоящей из набора заданных (и только заданных) функцио­нальных возможностей бесконтактных реле (столбец 1) и харак­теристик не менее чем для трех моделей: выбранной (столбец 3) и двух смежных (столбцы 2, 4). В список функциональных воз­можностей следует внести указания, приведенные под таблицей «Варианты задания на проектирование». После таблицы выбора в ПЗ приводится ссылка на источник. При сопряжении вывода порта МК с бесконтактным реле необходимо определить соот­ветствие нагрузочной способности порта и входного тока реле,
36
рассчитать сопротивление и мощность балластного резистора в цепи светодиода (при отсутствии встроенного в реле стабилиза­тора тока), результат также следует привести в пояснительной записке.
Входы для связи с дискретными датчиками состояния тех­нологического оборудования типа механический заземляющий контакт подключаются непосредственно к линиям портов. Ввиду отсутствия на входах лог.1 при разомкнутом состоянии контакта датчика следует использовать внутренние подтягивающие рези­сторы МК, способ их активации следует привести в пояснитель­ной записке.
Выходы сигналов с ШИМ выполняются именно с тех линий МК, которые предназначены, согласно документации, для их получения.
Выбор МК производится по наличию необходимых линий ввода/вывода, АЦП, ШИМ, связи со смежными микросхемами и проч., причем поэтапно и итеративно. Для этого следует соста­вить список необходимых для каждого МК функций и соответ­ствующих узлов этого МК, количество используемых этими уз­лами линий ввода/вывода, начиная с определения перечня необ­ходимых для КВУ или КНУ альтернативных функций портов и заканчивая портами для ввода и вывода дискретных сигналов. Результаты следует привести в двух или нескольких таблицах с графами: функция – узел МК – кол-во линий ввода/вывода. Например: ШИМ – таймер – 1 линия, аналоговый ввод – АЦП – 6 линий, сигналы от кодового датчика – порт – 11 линий, INT – вход прерывания – 1 линия и т.д. Для средств связи с ВУ (для перехода на RS-485) потребуется 3 линии (TxD, RxD, E); для локальной сети – 2-6 линий в зависимости от заданного прото­кола. Если различные МК НУ имеют разный набор входных или выходных сигналов, то составляется несколько таблиц. Таблицы
37
должны иметь наименование «Список функций для …» с указанием обозначения МК на структурной схеме.
В последних строках этих таблиц следует привести суммар-
ное количество линий входов/выходов, т.е. выводов МК, необ- ходимых для решения всех задач ввода/вывода. Далее работа
проводится отдельно для МК ВУ и НУ.
Процесс и результаты проработки вопроса реализации связей через элементы сопряжения следует изложить в пояснительной записке, и использовать при обосновании выбора МК (со ссыл­кой на источник). Процесс выбора оформляется в виде двух или нескольких таблиц, состоящих из набора заданных (и только заданных) функциональных возможностей МК (включая указан­ные выше требования к их параметрам) и характеристик не менее чем для трех моделей: минимально приемлемого и двух смежных (ближайших в таблицах параметров) со ссылкой на источник. Те параметры моделей, которые не заданы (частота, тип корпуса etc), приводить не следует, однако для контроля совместимости значение напряжения питания выбранной модели МК привести необходимо. Заданное количество линий ввода-вывода берется из предыдущей таблицы. Таблица выбора должна показать,
что более примитивная модель, чем выбранная, имеет неудо­влетворительные характеристики, а более сложная – избы-
точные. Возможно наличие текстового комментария. Если раз-
личные МК НУ имеют разный набор входных или выходных сигналов, то составляется несколько таблиц. Таблицы должны иметь наименование «Выбор модели для К…» с указанием обо­значения МК на структурной схеме.
Основной объем необходимых данных для выбора МК сле­дует искать в Интернете. В библиографическом списке приведе­ны некоторые источники. Пример одной из таблиц приведен ниже. Для МК ВУ в нем не должны присутствовать строки отно-
38
сительно ШИМ и квадратурного декодера, для МК НУ могут от-
Параметры
Задан-
ное
значе-
ние
Неудов.
модель
МК
Выбран-
ная мо-
дель МК
Меры со-
пряжения
Избыточ-
ная мо-
дель МК
Наименова-
ние МК
ATmega1
6-16Рс
ATxmega
16A4
ATxmega
32A4
Обязательная часть
Память про-
грамм, кслов
8 8 8
16
Память дан-
ных, кбайт
0,5
1К
2К
4К
Память кон-
стант, байт
256
512
1К
2К
WatchDog
+ + +
+
Количество локальных
шин
… – 1 1 …
…
Интерфейс
связи с ВУ
PPI – 1
USART – 1
USART –
…
треб-ся
преобр-ль
RS-232/
RS-485
USART –
…
Напряжение
питания, В
не за-
дано
4,5-5,5
2,7–3,6
…
2,7–3,6
В соответствии с таблицами функций
Количество линий ввода-
вывода
…
32
36
сутствовать данные об АЦП и связях с СУ ГПС.
Пример «Распределение функций для К…
Таблица …
39
Окончание таблицы
Параметры
Задан-
ное
значе-
ние
Неудов.
модель
МК
Выбран-
ная мо-
дель МК
Меры со-
пряжения
Избыточ-
ная мо-
дель МК
АЦП (входов
х разрядов)
…
8х10
12x12
Диапазон измеряемых АЦП напря-
жений
от 0 до
+10 В
от 0 до
U
пит
от 0 до
U
пит
треб. дели-
тель
Наличие квадратур­ного декоде­ра (он же интерфейс квадратур­ного энкоде-
ра)
+
–
НЕУД
+
ШИМ (вы­ходов х раз­рядов)
1х8
4х(2…16)
24х16
…
метр, который не соответствует требованиям задания (обычно единственный параметр), ставится пометка «НЕУД.». НЕУД мо­жет возникать из-за недостаточного количества линий ввода­вывода, недостаточной разрядности АЦП, отсутствия квадратур­ного декодера для обработки информации с импульсных датчи­ков и т.п.
Источники – см., например,
http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/doc/micros/avr/index.htm,
http://atxmega.narod.ru/»
В столбце «Неудов. модель» в ячейках, содержащих пара-
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]