2.5. Микропроцессорные системы

Микропроцессорная система (МС) — это совокупность взаимодействующих больших интегральных схем (БИС) микропроцессорного комплекта, организованная в систему, т. е. вычислительная или управляющая система с микропроцессором в качестве узла обработки информации [15].

Типовая структура микропроцессорной системы изображена на рис. 2.49.

Генератор тактовых импульсов (ГТИ) – источник последовательности прямоугольных импульсов, с помощью которых осуществляется управление событиями во времени. Он задает цикл команды – интервал времени, необходимый для считывания выборки команды из памяти и ее исполнения. Цикл команды состоит из определенной последовательности элементарных действий, называемых состояниями (тактами).

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), которое иначе называют запоминающим устройством с произвольной выборкой (ЗУПВ) или произвольным доступом (ЗУПД), служит памятью данных, подлежащих обработке, и результатов вычислений, а в некоторых микропроцессорных системах — также программ, которые часто меняются. Его характерное свойство заключается в том, что время, требуемое для доступа к любой из ячеек памяти, не зависит от адреса этой ячейки. ОЗУ допускает как запись, так и считывание слов. По отношению к этому запоминающему устройству приемлема аналогия с классной доской, на которой мелом записаны числа: их можно многократно считывать, не разрушая, а при необходимости – стереть число и записать на освободившемся месте новое. Следует иметь в виду, что информация, содержащаяся в ОЗУ, исчезает, стирается, если прерывается напряжение питания.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) — это устройство, в котором хранится программа (и при необходимости совокупность констант). Содержимое ПЗУ не может быть стерто. Оно используется как память программы, составленной заранее изготовителем в соответствии с требованиями ее пользователей. В таких случаях говорят, что программа жестко «зашита» в запоминающем устройстве. Чтобы осуществить иную программу, необходимо применить другое ПЗУ или его часть. Из ПЗУ можно только выбирать хранимые там слова, но нельзя вносить новые, стирать и заменять записанные слова другими. Оно подобно напечатанной таблице выигрышей по облигациям: можно лишь считывать имеющиеся там числа, но заменять их или вносить новые невозможно. Помимо ПЗУ используются также ППЗУ и РППЗУ.

Рис. 2.49. Структура типовой микропроцессорной системы:

ГТИ – генератор тактовых импульсов; МП – микропроцессор;ОЗУ – оперативное запоминающее устройство; ПЗУ – постоянное запоминающее устройство

Программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) отличается от ПЗУ тем, что пользователь может самостоятельно запрограммировать ПЗУ (ввести в него программу) с помощью специального устройства — программатора, но только один раз (после введения программы содержимое памяти уже нельзя изменить).

Репрограммируемое постоянное запоминающее устройство (РППЗУ), называемое также стираемым ПЗУ, имеет такую особенность: хранимая информация может стираться несколько раз (при этом она разрушается). Иначе говоря, РППЗУ допускает перепрограммирование, осуществляемое с помощью программатора. Это облегчает исправление обнаруженных ошибок и позволяет изменять содержимое памяти.

Интерфейсом называют устройство сопряжения. Под интерфейсом понимают совокупность электрических, механических и программных средств, позволяющих соединять модули системы между собой и с периферийными устройствами. Его составными частями служат аппаратные средства для обмена данными между узлами и программные средства — протокол, описывающий процедуру взаимодействия модулей при обмене данными.

Интерфейс микропроцессорной системы относится к машинным интерфейсам. В микропроцессорной системе применяют специальные интерфейсные БИС для сопряжения периферийных устройств с системой (на рис. 2.49 они показаны в виде модулей интерфейса ввода и интерфейса вывода). Для этих БИС характерна универсальность, осуществляемая путем программного изменения выполняемых ими функций.

Устройство ввода осуществляет введение в систему данных, подлежащих обработке, и команд.

Устройство вывода преобразует выходные данные (результат обработки информации) в форму, удобную для восприятия пользователем или хранения. Устройствами ввода-вывода служат блоки считывания информации с перфоленты и магнитной ленты (или записи на них), кассетные магнитофоны, гибкие диски, клавиатуры, дисплеи, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, графопостроители, телетайпы и т. п.

Особенность структуры микропроцессорной системы заключается в магистральной организации связей между входящими в ее состав модулями. Она осуществляется с помощью трех шин. По ним передаются вся информация и сигналы, необходимые для работы системы. Эти шины соединяют микропроцессор с внешней памятью (ОЗУ, ПЗУ) и интерфейсами ввода-вывода, в результате чего создается возможность обмена данными между микропроцессором и другими модулями системы, а также передачи управляющих сигналов.

Микропроцессор (МП) представляет собой функционально завершенное универсальное программно-управляемое устройство цифровой обработки данных, выполненное в виде одной или нескольких микропроцессорных БИС. Микропроцессорные БИС относятся к новому классу микросхем, одной из особенностей которого является возможность программного управления работой БИС с помощью определенного набора команд. Эта особенность нашла отражение в программно - аппаратном принципе построения микропроцессорных систем (МС) – цифровых устройств или систем обработки данных, контроля и управления, построенных на базе одного или нескольких МП.

Программно - аппаратный принцип построения МС является одним из основных принципов их организации и заключается в том, что реализация целевого назначения МС достигается не только аппаратными средствами, но и с помощью программного обеспечения – организованного набора программ и данных.

По конструктивному признаку микропроцессоры можно разделить на две разновидности:

- однокристальные микропроцессоры с фиксированной длиной (разрядностью) слова и определенной системой команд;

- многокристальные (секционированные) микропроцессоры с наращиваемой разрядностью слова и микропрограммным управлением, которые составляются из двух и более БИС.

В настоящее время выпускаются также однокристальные микропроцессоры с микропрограммным управлением.

Внутренняя логическая организация однокристальных микропроцессоров в значительной степени подобна организации ЭВМ общего назначения. Это дает возможность при разработке микропроцессорной системы на основе однокристального микропроцессора опираться на методы проектирования и использования обычных ЭВМ малой и средней производительности.

Для примера рассмотрим структуру однокристального универсального восьмиразрядного микропроцессора (рис. 2.50). В состав микропроцессора входят арифметическо-логическое устройство, управляющее устройство и блок внутренних регистров.

Арифметическо-логическое устройство (АЛУ) является ядром микропроцессора, которое, как правило, состоит из двоичного сумматора со схемами ускоренного переноса, сдвигающего регистра и регистров для временного хранения операндов. Это устройство по командам выполняет несколько простейших операций: сложение, вычитание, сдвиг, пересылку, логическое сложение (ИЛИ), логическое умножение (И).

Регистром называется электронная схема для временного хранения двоичной информации (машинного слова). Ее строят на триггерах, общее число которых определяет разрядность регистра. Каждый триггер регистра используется для ввода, хранения и вывода одного разряда (1 или 0) двоичного числа. Разрядность регистра выбирают соответственно длине хранимого в нем слова.

Рис. 2.50. Структура однокристального восьмиразрядного

микропроцессора

Регистры, которые служат только для ввода, хранения и вывода двоичной информации, называют накопительными. От них отличаются сдвигающие регистры, которые помимо выполнения указанных функций позволяют осуществлять сдвиг двоичного числа вправо или влево (а иногда – в обоих направлениях). Если в накопительный регистр вводят числа в параллельном коде, т. е. одновременно во все триггеры, то ввод чисел в сдвигающий регистр часто производят в последовательном коде, подавая последовательно один разряд за другим, хотя возможен и вод чисел в параллельном коде.

Триггер – это устройство, обладающее двумя устойчивыми состояниями 0 и 1, способное под воздействием внешнего управляющего сигнала скачком переходить из одного состояния в другое [11].

Операндом называют число или символ, участвующие в машинной операции. Так, в выражении у = а + b или ω = 2k - 1 операнды – это а, b, 2, k, 1. Типичным примером операнда, используемого при процедуре обработки данных микропроцессором, служит байт.

В вычислительной технике вообще и микропроцессорной технике в частности, имеющими дело с числами, широко используются такие термины, как «бит», «слово», «байт».

Бит – это разряд двоичного числа: 0 или 1. Так, 0101 – четырехбитовое двоичное число, причем крайняя левая цифра представляет старший разряд данного числа, а крайняя правая – младший разряд. Четырехбитовое двоичное число называется тетрадой, а трехбитовое – триадой.

Слово – законченная последовательность символов (нулей и единиц) определенной длины или сигналов, представляющих эти символы. Машинное слово – специальная последовательность нулей и единиц, которая может быть прочитана или интерпретирована ЭВМ данного типа. Иначе говоря, машинное слово — это группа битов, которую обрабатывает ЭВМ за один шаг. В общем случае слово имеет переменную длину. Число двоичных разрядов (битов) в слове может находиться в пределах 1 ≤ z ≤ n . Величина п зависит от технических возможностей ЭВМ. Обычно под длиной машинного слова понимают число битов, хранимых в одном регистре ЭВМ. В технике больших ЭВМ иногда словом называют последовательность из 32 бит, полусловом — из 16 бит и двойным словом — из 64 бит. Для микропроцессорной техники основополагающим является байт. По отношению к нему определяется формат данных.

Байт – восьмибитовое слово, рассматриваемое как единица для обмена цифровой информацией между устройствами микропроцессорной системы.

Устройство управления (УУ) «руководит» работой АЛУ и внутренних регистров в процессе выполнения команды. Согласно коду операции, содержащемуся в команде, оно формирует внутренние сигналы управления блоками микропроцессора. Адресная часть команды совместно с сигналами управления используется для считывания данных из определенной ячейки памяти (записи данных в ячейку). По сигналам УУ осуществляется выборка каждой новой, очередной команды.

Блок внутренних регистров(БВР), расширяющий возможности АЛУ, служит внутренней памятью микропроцессора – используется для временного хранения данных и команд. Он также выполняет некоторые процедуры обработки информации. Обычно этот блок содержит регистры общего назначения и специальные регистры: регистр-акку-мулятор, буферный регистр адреса, буферный регистр данных, счетчик команд, регистр команд, регистры стека, регистр признаков [15].

На практике нередко применяют функциональный блок, содержащий микропроцессорный комплект и оформленный конструктивно в виде платы. Он может выполнять функции микро-ЭВМ, встраиваемой в измерительный прибор или другую аппаратуру (без источника питания, корпуса, пульта управления, периферийных узлов), но не способной работать как самостоятельное, автономное устройство. Такой блок, выполняющий функции управления, называют микроконтроллером. Иногда для сокращения его называют просто контроллером. Он может быть программируемым и непрограммируемым. Контроллеры для измерительных систем выпускают и в виде автономных устройств.

Программно-технические комплексы. Внастоящее время автоматизация большинства технологических процессов осуществляется на базе универсальных микропроцессорных контроллерных средств, которые в России получили название программно-технических комплексов (ПТК) [16]. Они представляют собой совокупность микропроцессорных средств автоматизации (микропроцессорных контроллеров, устройств связи с объектом УСО), дисплейных пультов оператора и серверов различного назначения, промышленных сетей, которые позволяют связать перечисленные компоненты, программное обеспечение контроллеров и дисплейных пультов оператора. ПТК предназначены, в первую очередь, для создания распределенных систем управления технологическими процессами различной информационной мощности (от десятков входных/выходных сигналов до сотни тысяч).

Одна из простых и наглядных структур ПТК представлена на рис. 2.51.

Рис. 2.51. Структура ПТК

Все функциональные возможности системы (рис. 2.51) четко разделены на два уровня. Первый уровень составляют контроллеры, второй – пульт оператора, который может быть представлен рабочей станцией или промышленным компьютером.

Уровень контроллеров в такой системе выполняет сбор сигналов от датчиков, установленных на объекте управления; предварительную обработку сигналов (фильтрацию и масштабирование); реализацию алгоритмов управления и формирование управляющих сигналов на исполнительные механизмы объекта управления; передача и прием информации из промышленной сети.

Пульт оператора формирует сетевые запросы к контроллерам нижнего уровня, получает от них оперативную информацию о ходе технологического процесса в удобном для оператора виде, осуществляет долговременное хранение динамической информации (ведение архива) о ходе процесса, производит коррекцию необходимых параметров алгоритмов управления и уставок регуляторов в контроллерах нижнего уровня.

Промышленные контроллеры – это устройства, предназначенные для управления технологическими процессами в промышленности и другими сложными технологическими объектами (например, системы управления микроклиматом, системы управления котельными установками и объектами тепло и газоснабжения, системы сбора данных, системы диспетчеризации и др.). Принцип их работы заключается в сборе сигналов от датчиков и их обработке по прикладной программе пользователя с выдачей управляющих сигналов на исполнительные устройства.

В настоящее время на рынке технических средств автоматизации представлен широкий спектр аппаратных и программных устройств для построения надежных и удобных в эксплуатации систем. Согласно принятой зарубежной терминологии промышленные контроллеры (ПК) делятся на три категории: программируемые логические контроллеры (ПЛК), распределенные управляющие системы (distributed control systems DCS) и контроллеры на базе PC-технологий (PC-based).

В архитектуре АСУ ТП ПЛК занимают место между уровнем датчиков и исполнительных механизмов и системами верхнего уровня управления процессом. Основная функция контроллеров в системе – сбор, обработка и передача на верхний уровень первичной информации, а также выработка управляющих воздействий, согласно с запрограммированными алгоритмами управления и передача этих воздействий на исполнительные механизмы.

Большинство современных контроллеров изготавливается по секционно-блочному принципу. Каждый логический модуль физически представляет собой отдельный блок, который устанавливается либо в монтажную корзину, либо на единую монтажную шину. Коммутация между модулями осуществляется через единый монтажный кросс. Такая конструкция позволяет широко варьировать количество используемых модулей и оптимально подстраивать физическую архитектуру контроллера к решаемой задаче. Кроме того, такое построение удобно в обслуживании, модернизации и ремонте. При необходимости заменяются лишь отдельные модули без изменения архитектуры всей системы.

В распределенных управляющих системах (рис. 2.51) в единую сеть связаны малогабаритные контроллеры, интеллектуальные модули ввода/вывода и компьютеры, которые могут быть разнесены друг от друга на достаточно большие расстояния. Такая распределенная архитектура системы управления обладает следующими достоинствами:

– высокая надежность работы системы. Четкое распределение обязанностей в распределенной системе делает ее работоспособной даже при выходе из строя или зависания любого узла. При этом работоспособные узлы продолжают осуществлять сбор данных и управление процессом или осуществляют последовательный останов технологического оборудования;

– малое количество проводных соединений. Контроллеры имеют возможность работать в тяжелых промышленных условиях, поэтому они, как правило, устанавливаются в непосредственной близости от объекта управления. В связи с этим существенно снижается расход кабельной продукции, а для организации сети, как правило, достаточно всего двух или четырех проводов;

– легкая расширяемость системы. При появлении дополнительных точек контроля и управления достаточно добавить в системы новый узел (контроллер, интеллектуальный модуль ввода-вывода).

В настоящее время на Российских предприятиях функционирует большое количество контроллеров как импортных, так и отечественного производства, позволяющих строить распределенные АСУ ТП. Среди них контроллеры КРОСС и комплекс полевых приборов ТРАССА (ОАО «ЗЭиМ», г. Чебоксары), комплекс Деконт (фирма «ДЭП», г. Москва), Теконик (АО «Текон», г. Москва), DCS-2000 (ЗАО «Эмикон», г. Москва), СИКОН (фирма «КОК», г. Москва), ЭЛСИ-2000 (фирма «ЭлеСи», г. Томск), ADAM-4000, 5000, 6000 (Advantech), I-7000, 8000 (ICP DAS), сетевые контроллеры фирм Siemens, Analog Device и др.

Для примера рассмотрим некоторые типы промышленных программированных контроллеров, применяемых в системах автоматического управление процессами теплогазоснабжения и вентиляции.

Промышленные контроллеры СПЕКОН. Специализированные промышленные контроллеры СПЕКОН СК [17] (рис. 2.52) предназначены для автоматизированного управления паровыми и водогрейными котлами, работающими на газе или жидком топливе, а также котельными, ЦТП, теплогенераторами, пламенными печами и другими технологическими объектами в различных отраслях промышленности.

Рис. 2.52. Внешний вид контроллера (вид спереди)

Для представления информации о ходе технологического процесса, значении параметров, составе системы и т.п. на лицевой панели контроллера располагаются алфавитно-цифровое табло и световые индикаторы. Алфавитно-цифровое табло жидкокристаллическое, двухстрочное, имеет по 16 знаков в каждой строке. Табло имеет подсветку «Сеть», «Работа», «Нештатная ситуация». Ввод базы данных, вывод значений параметров, управление техпроцессом и т.д. осуществляется с клавиатуры лицевой панели.

Модификации контроллеров СПЕКОН СК:

СК2-20 (А/Б) – СК2-29 (А/Б) – контроллеры для управления паровыми и/или водогрейными котлами, работающими на газе и/или жидком топливе.

СК2-32 (А/Б) -– СК2-35 (А/Б) – контроллеры для управления паровыми и/или водогрейными котлами с импортными горелками, работающими на газе и/или жидком топливе.

СК2-12(А/Б) и СК2-14(А/Б) – контроллеры для автоматизированного управления подогревателями нефти и газа, теплогенераторными устройствами, горелками.

СК2-50(А/Б) – контроллер для автоматизированного управления котлом (типа ДКВР) с двумя горелками.

СК2-53(А/Б) – контроллер для автоматизированного управления котлом (типа ДКВР) с тремя горелками.

СК2-80(А/Б) – контроллер для автоматизированного управления котлами, котельными, ЦТП, ТП, другими технологическими объектами с отображением объекта, значений измеряемых параметров и т.д. на лицевой сенсорной панели в реальном времени.

СК3-01 (А/Б) – контроллеры для автоматизированного управления общекотельным оборудованием с водогрейными или паровыми котлами, работающими на газе и/или жидком топливе, автоматизация которых выполнена на базе контроллеров СПЕКОН СК2.

СК3-13 (А/Б) – контроллеры для автоматизированного управления оборудованием котельной и котлами, автоматизация

которых выполнена не на базе контроллеров СПЕКОН СК2.

СК3-21 (А/Б) – контроллеры для управления ИТП, ЦТП и общекотельным оборудованием с водогрейными и паровыми котлами на газообразном или жидком топливе. Могут использоваться как свободно конфигурируемые многоканальные регуляторы.

Контроллер управления системами приточной вентиляцией БиКуб-ВК02 (ООО «НПП «Горное Плюс»). Контроллер представляет собой регулирующее устройство, выполненное на базе микроконтроллера с резидентным программным обеспечением, и предназначен для регулирования температуры приточного воздуха в системах воздушного отопления. Контроллер может быть конфигурирован на работу в различных модификациях систем приточной вентиляции.

Контроллер может применяться в автоматизированных системах контроля и управления. Прибор совместно с другими изделиями фирмы ООО «НПП «Горное Плюс» и изделиями сторонних фирм, имеющих возможность подключения к информационным системам (электросчетчики, теплосчетчики) позволяет организовать комплексное управление инженер инженерным оборудованием на уровне здания или комплекса зданий.

Принципиальная схема применения контроллера «БиКуб-ВК02» представлена на рис. 2.53.

Рис. 2.53. Пример применения контроллера «БиКуб-ВК02»

В рассматриваемом примере контроллер управляет вентилятором, заслонкой с электронагревателем, насосом и двухходовым клапаном с электроприводом. Сигналы с датчиков температуры поступают на соответствующие входы прибора и подвергаются аналого-цифровому преобразованию. Далее осуществляются преобразования в соответствии с номинальными функциями преобразования с тем, чтобы получить в цифровой форме значения измеряемых температур. Измеренные значения температур можно наблюдать на дисплее или прочитать по сети.

В режиме «Контроль», прибор выполняет операции, направленные на поддержание оптимальной температуры теплоносителя в обратном трубопроводе, для предотвращения замораживания системы и превышения температуры теплоносителя в обратном трубопроводе.

В режиме «Работа» контроллер последовательно выполняет функции запуска системы вентиляции, а затем функции связанные с поддержанием заданной температуры приточного воздуха. В процессе работы в этом режиме контроллер может переводить систему в различные состояния такие как:

Прогрев калорифера. Перед началом работы контроллер осуществляет прогрев калорифера, для чего при закрытых жалюзи и выключенном вентиляторе, осуществляет открытие регулирующего клапана, включение насоса и включение электронагревателя. В этом состоянии система находится в течение времени заданного пользователем. В случае если температура наружного воздуха больше значения, определяющего «летний режим», то это система не переводиться в это состояние.

Управление системой приточной вентиляции. После прогрева система переводиться в рабочее состояние. В этом состоянии прибор поддерживает значение температуры приточного воздуха в соответствии с заданным.

Защита от замораживания. При падении температуры приточного воздуха или температуры теплоносителя в обратном трубопроводе ниже заданных пользователем значений, либо возникновении неисправностей контроллер переводит систему в состояние защиты от замораживания. В этом состоянии прибор закрывает жалюзи, выключает вентилятор и открывает исполнительный механизм. Система будет находиться в этом режиме до тех пор, пока значения температур приточного воздуха и обратной воды не придут в норму.

Дежурный режим. Дежурный режим предусмотрен для тех случаев, когда в работе вентиляции нет необходимости. В этом режиме прибор контролирует только температуру обратной воды, жалюзи при этом закрыты, а вентилятор выключен. Переход в дежурный режим осуществляется путем задания временного интервала соответствующего этому режиму. Если переход в дежурный режим осуществлен из «летнего» режима, то контроль обратной воды не выполняется.

Летний режим. В этом режиме управлении температурой приточного воздуха не осуществляется. И циркуляция теплоносителя через калорифер прекращена. Контроллер просто открывает жалюзи и включает вентилятор.

Контроллер микропроцессорный ТРМ3(предприятие «ПО ОВЕН») Прибор совместно с входными термопреобразователями (датчиками) и исполнительными механизмами предназначен для контроля и регулирования температуры в системе отопления и горячего водоснабжения (ГВС). Кроме функций регулирования, прибор осуществляет защиту системы от завышения температуры обратной воды, возвращаемой в теплоцентраль.

При работе в составе системы ТРМ32 контролирует температуру наружного воздуха, температуру воды в контурах отопления и горячего водоснабжения, а также температуру обратной воды, возвращаемой в теплоцентраль. По результатам измерений прибор формирует сигналы управления двумя запорно-регулирующими клапанами, один из которых служит для поддержания заданной температуры в контуре отопления, а другой - в контуре горячего водоснабжения. При эксплуатации работа прибора осуществляется в одном из трех основных режимах: «Регулирование», «Просмотр» или «Программирование».