22.1. Место и роль цпп в микропроцессорных системах

Применение микроЭВМ для целей управления перемещением предполагает наличие двух основных видов операций: сбор информации о состоянии объекта и воздействие на него с целью изменения состояния в соответствии с заданным алгоритмом. Если объект перемещается, то его состояние характеризуется па­раметрами перемещения: величиной, скоростью и ускорением. Связь объекта с микроЭВМ осуществляется через периферийные устройства, среди которых большое место занимают ЦПП. Качество микропроцессорной системы опреде­ляется многими факторами — от характеристик ключевого компонента системы-преобразователя до способа его стыковки с ЭВМ. Структура микроЭВМ, бази­рующаяся на программном управлении передачей данных, позволяет гибко из­менять состав и функции периферийного оборудования, приспосабливая его к требуемой конфигурации.

Поскольку подавляющее большинство выходных сигналов и сигналов уп­равления объектами величины аналоговые, а микропроцессор оперирует цифро­вой информацией, вопрос преобразования информации из одной формы в дру­гую является весьма существенным. В настоящее время вопросам разработки и взаимодействия мнкроЭВМ и аналоговой периферии уделяется не меньше внимания, чем самим микропроцессорам. Характерно, что относительный объем периферийных устройств в стоимостном выражении уже сейчас весьма высок и имеет тенденцию к значительному росту [67]. Комплексный подход к реше­нию проблемы периферийного обеспечения микропроцессорных систем привел

к формированию нового направления микросхемотехники—цифровых процес­соров аналоговых сигналов ЦГТАС [38], которые, однако, не позволяют решить все проблемы, возникающие при сопряжении систем управления перемещением с микроЭВМ. Отсутствие простых и надежных ЦПП сдерживает внедрение микропроцессоров МП в электромеханических САУ и является одной из важ­ных проблем, требующих незамедлительного решения [78].

22.2. Особенности взаимодействия различны типов цпп с мп

Решение о выборе того или иного типа преобразователя, наиболее соответ­ствующего данному приложению, редко бывает однозначным. ЦПП, реализо­ванные по различным принципам, как показано выше, существенно различают­ся быстродействием, точностью и размерами. В зависимости от области приме­нения можно выделить несколько групп преобразователей и сформулировать требования к их основным характеристикам: разрешающей способности, точно­сти, быстродействию, используемому методу преобразования.

Рекомендации о выборе разрешающей способности и точности датчиков, изложенные в [67], применимы к сервомеханизмам роботов и манипуляторов первого поколения. Допустимый уровень погрешности в современных робото-технических системах более высокого уровня чрезвычайно низок. Например, у сварочного робота с вылетом руки 1 м при заданной точности позициониро­вания 0,1 мм допустимая суммарная погрешность 0,01%, что требует точности работы элементов его системы управления в диапазоне 0,001% [51]. Не во всех случаях справедливо положение о нецелесообразности повышения разрешающей способности ЦПП [67], которая достигается оправданным усложнением микро­электронной части ЦПП (см. гл. 20).

Современная робототехника, решающая задачи сборки узлов в машино­строении и установки радиоэлементов в приборостроении [77], требует приме­нения преобразователей угол — код с точностью 12—16 бит и. разрешающей способностью на 1—4 бита выше гарантированной. Быстродействие таких пре­образователей должно находиться в диапазоне преобразований в се­кунду. Эти параметры должны обеспечиваться во всем диапазоне рабочих тем­ператур. Важным требованием к преобразователям угол — код для микропро­цессорных систем является помехоустойчивость [3, 51],

В зависимости от пространственной структуры системы могут предъявлять-ся требования к виду» связи преобразователей с микроЭВМ и методу передачи информации. Так как датчики систем могут быть удалены от ЭВМ на значи­тельные расстояния, то возникает задача размещения преобразователей. Если они конструктивно объединены с микроЭВМ, то сигналы датчиков будут пере­даваться к преобразователям по аналоговым линиям связи. Поскольку эти ли­нии обычно подвержены воздействию помех, их целесообразно делать цифро­выми. В последние годы благодаря успехам в области разработки преобразова­телей, их относительной простоте такой подход находит все большее примене­ние. Однако в этом случае преобразователь должен содержать приемопередат­чик последовательных сигналов, сопрягаемый с аналогичным оборудованием микроЭВМ [67].

Если линии связи допускают передачу аналоговых сигналов от датчиков к преобразователям, например при управлении сосредоточенными объектами, то обмен информацией между ЭВМ и преобразователями осуществляется парал­лельным кодом.

Учитывая, что микроЭВМ все шире используется как встраиваемый элемент систем, целесообразно конструктивно объединять микроЭВМ и набор перифе­рийных модулей. Этот подход получил отражение при создания ЦПАС. Тенден­ция к интеграции функциональных периферийных модулей расширяет возмож­ности создания систем на базе микроЭВМ. Что касается ЦПП, то при создании этой ветви периферийной техники для МП необходимо шире предусматривать разработку заказных и полузаказных БИС для аналого-цифровой обработки и преобразования измерительных и управляющих сигналов на основе инженер­ных решений, удовлетворяющих ограничениям по стоимости, надежности и удоб­ству эксплуатации [51, 68]. Безусловно, каждый такой модуль должен иметь унифицированную интерфейсную логику. Обмен информацией между ЦПП и МП осуществляется цифровыми сигналами, что должно обеспечиваться совме­стимостью логических уровней выходных сигналов преобразователя и соответ­ствующей шины МП.

В системах с микроЭВМ возникает еще один аспект в проблеме выбора преобразователя. Необходимо так организовать взаимодействие комплекса МП—ЦПП, чтобы аппаратурная сложность системы была минимальной и не возникали потери машинного времени. Например, время преобразования ЦПП последовательного приближения и время выполнения операции для МДП мик­ропроцессора являются величинами одного порядка (несколько микросекунд). Поэтому на программный цикл ожидания, в котором находится процессор, ког­да преобразователь выполняет свою работу, не теряется много машинного вре­мени. Такое сочетание является оптимальным, если необходимо обслуживать много каналов аналоговых данных, а информация по отдельным каналам тре­бует лишь минимальной обработки.

Эта особенность учтена в преобразователе (см. § 15.2), где существенное снижение потерь машинного времени достигается при использовании в отсчет-ной части многоканальной системы ЦПУ параллельного действия, в котором время преобразования в одном канале соизмеримо с временем цикла микро­ЭВМ.

Эффективность взаимодействия комплекса ЦПП — МП возрастает при ис­пользовании функциональных преобразователей, позволяющих экономить ма­шинное время МП за счет формирования ЦПП кодов проекций. Как отмеча­лось, время исполнения операции вычисления sinX и cosX микроЭВМ «Элек-троника-60» в системе управления роботами «Универсал-15» и ПРЭМ-25 состав­ляет 4300 мкс, a arctg XJC — 3100 мкс. Столь высокие затраты машинного време­ни не позволяют использовать мнкроЭВМ для выполнения собственных функ­циональных преобразований ЦПП, цифрового дифференцирования для получе­ния цифровых эквивалентов скорости и ускорения в быстродействующих мик­ропроцессорных системах.

В этом плане перспективны работы по созданию многофункциональных пре­образователей параметров движения в код на основе СКВТ с вращающимся и пульсирующим полем. Они позволяют в одной или раздельных отсчетных ча­стях осуществить параллельное формирование цифровых эквивалентов угла, скорости и ускорения для последовательного или параллельного ввода их в мик­роЭВМ. Это упрощает обмен информацией между вычислителем и системой,

повышает темп обмена и способствует повышению динамических в точностных показателей комплекса [68].

Когда ЦПП работает в непрерывном режиме, ЭВМ может рассматривать его как постоянную память, работающую только на считывание. Для однока-кального малоразрядного ЦПП подобная схема может быть вполне приемле­мой. Однако в большинстве случаев сопряжения ЭВМ. с ЦПП требуется воз­можность работы с прерыванием. Кроме сигналов Чтение — Запись необходимы сигналы типа Готовность. МикроЭВМ анализирует сигнал Готовность, чтобы не считать ошибочные данные до завершения преобразования.

Это особенно важно для следящих ЦПП, которые в отличие от кодовых датчиков невозможно подключить непосредственно к шинам МП. Съем данных в них более сложен, чем в циклических ЦПП, где возможно считывание с фик­сированной задержкой после появления на выходе ЦПП сигнала Конец преобра­зования. В связи с непрерывным процессом слежения данные в момент отсчета изменяются, в результате чего могут возникнуть значительные ошибки.

Во многих случаях выход из положения заключается в том, чтобы остано­вить преобразователь и снять установившиеся данные, но это недопустимо в быстродействующих системах, поскольку после отсчета преобразователю тре­буется время на установление в соответствии с новыми данными, которые из­менились, пока он не работал. Это время установления для большинства следя­щих ЦПП превышает 100 мс [39].

Для определения моментов времени, когда выход установился, можно ис­пользовать сигнал Занят (рис. 22.1), формируемый одновнбратором ОВ2. Этот выходной сигнал имеет активный логический уровень во время смены выходно­го кода и предназначен: для формирования в момент своего окончания строба записи в буферные регистры БР. Использование сигнала Занят для определе-

ния момента установления выхода сопряжено с усложнением устройства сопря­жения [39].

Вторым сигналом, используемым для управления выдачей данных следя­щего ЦПП, является входной сигнал Запрет. Он позволяет исключить сиену выходного кода на время его вывода и должен быть снят к приходу следующе­го сигнала Занят.

Устройство сопряжения следящего ЦПП с МП (рис. 22.1) содержит схемы сопряжения с магистралью данных, имеющие умощненный выход с тремя со­стояниями «прозрачный регистр» [86]. Два из них — логические 0 и 1, а третье— состояние высокого выходного сопротивления, что эквивалентно отключению ЦПП от внешней магистрали данных. Съем данных может производиться в лю­бой момент благодаря логическому исключению возможности искажения инфор­мации из-за совпадения моментов смены и фиксации данных в БР.

Поэтому становится возможен съем без прерывания слежения ЦПП и со­пряжение по принципу распределенной памяти с большиством 8- и 16-разряд­ных МП.

В буферные регистры БР код заносится после каждого единичного изме­нения содержимого реверсивного счетчика. Для этого счетный импульс запуска­ет одновибратор ОВ1, который разрешает запись в регистры на некоторое вре­мя не, достаточное для смены кода, после чего запрещает смену кода на остаток периода следования до следующего счетного импульса (рис. 22.2). Одновременно с одновибратором ОВ1 запускается одновибратор ОВ2 на время нс, которое превышает время что гарантирует наличие сигнала Занят в граничных временных ситуациях.

Сигнал Запрет позволяет защитить выход на время выдачи кода от слу­чайных сбоев и должен быть в этом случае сброшен после каждой выдачи для очередной записи в регистры. Кроме того, сигнал Запрет дает возможность зафиксировать в выходных регистрах значение угла в любой момент времени, не нарушая работы реверсивного счетчика. При этом после снятия сигнала Запрет текущий результат устанавливается в регистрах за Время установления результата, оговариваемого в паспортных данных ЦПП [39].

Следует) отметить, что определенное упрощение сопряжения МП с ЦПП до­стигается при выполнении последнего по схеме с переменной стуктурой (см. § 14.3).

Путем введения дополнительного регистра достигается не только удобство сопряжения, но и существенное, более чем на два порядка, снижение Времени установления результата, что важно в быстродействующих микропроцессорных системах [68].

Еще один способ экономии машинного времени при работе микроЭВМ сов­местно с ЦПП состоит в том, что модуль ЦПП имеет несколько выходных ре­гистров (до четырех), в которых хранятся выходные данные до тех пор, пока ЭВМ не запросит их. Поскольку время преобразования, как правило, превы­шает время цикла микроЭВМ, ЦПП может работать непрерывно, не дожидаясь, пока в магистраль будут считаны данные предыдущего измерения.

В мультиплексных ЦПП непроизводительные затраты машинного времена можно уменьшить, переводя регистр выбора канала в режим счетчика, так, чтобы с каждым циклом преобразования в счетчике прибавлялась единица, обеспечивая автоматическое последовательное многоканальное сканирова­ние [67].