Введение

Одним из важнейших направлений научно-технического прогресса в области автоматизации стационарных и мобильных объектов промышленного производства, транспорта (особенно железнодорожного) и связи является создание и массовое промышленное применение микроконтроллерных управляющих устройств и програмируемых логических контроллеров.

Использование в системах автоматического управления микроконтроллеров в последние годы стало общепринятым. Их применение дает возможность строить системы, подняв на качественно новый уровень такие важные характеристики, как отказоустойчивость и живучесть.

К настоящему времени процесс формирования универсальных программируемых логических контроллеров промышленного назначения как самостоятельного класса управляющих устройств практически завершился. В связи с этим большинство современных систем промышленной автоматизации строится на основе высоконадежных и легко компонуемых программируемых логических контроллеров (Programmable logic controllers) – ПЛК. ПЛК отличаются тем, что в основном ориентированы на непосредственное управление промышленным оборудованием (т.е. решение задач в режиме "жесткого" реального времени).

Разнообразие моделей, функциональных возможностей и технических характеристик ПЛК позволяет рассматривать их в качестве универсальных средств, с помощью которых можно решить практически любые задачи промышленной автоматизации.

При подготовке настоящего учебного пособия ставилась задача в доступной и компактной форме изложить основы построения микроконтроллеров и современных ПЛК.

В первом разделепредставлены характеристики микроконтроллеров различных фирм – производителей, их структура и основы программирования.

Во втором разделедано описание возможностей программируемых контроллеров, выпускаемых различными фирмами.

В разделе третьемописано применение программируемых контроллеров для решения некоторых задач железнодорожной автоматики.

Книга имеет электронную версию на CD-диске для дистанционного обучения с использованиемInternet.

Выражаем благодарность Государственному транспортно-экспедици-онному предприятию "Интертранс" за содействие в издании книги.

Все пожелания и замечания по содержанию книги, за которые мы заранее благодарим читателей, можно направлять по адресу: 61050 Харьков-50, пл. Феербаха, 7, редакционная коллегия, (тел. (0572) 20-69-94; Email: zagarij@rail.kharkov.ua).

Г.И. Загарий

Н.О. Ковзель

В.С. Коновалов

В.И. Моисеенко

В.И. Поддубняк

А.И. Стасюк

Донецк, Киев, Харьков

май 2002 г.

Раздел 1

ВВОДНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Выбор между микроконтроллерами различных фирм часто бывает затруднителен. Нередко похожие по характеристикам микроконтроллеры можно встретить в каталогах разных фирм.

Как правило, микроконтроллеры имеют RISC-архитектуру с разделёнными шинами данных и программы, предусматривают экономичные режимы работы и содержат таймеры/счётчики и сторожевые таймеры, повышающие надёжность работы. Однако выпускаемые каждой из фирм микроконтроллеры имеют свои характерные особенности.

Фирма Atmel производит две серии микроконтроллеров: серию АТ89, совместимую с фактическим промышленным стандартом MCS-51™, и серию высокопроизводительных RISC-микроконтроллеров АТ90 собственной архитектуры. Характерной отличительной особенностью микроконтроллеров фирмы Atmel является базирующаяся на Flash-памяти память программ. Это обеспечивает быстроту программирования и уменьшение времени разработки.

Микроконтроллеры семейств РIС12 и РIС16/17 (Peripheral Interface Controller) фирмы Microchip объединяют все передовые технологии микроконтроллеров: электрически программируемые пользователем ППЗУ, минимальное энергопотребление, высокую производительность, хорошо развитую RISC-архитектуру, функциональную законченность и минимальные размеры. Широкая номенклатура обеспечивает использование микроконтроллеров в изделиях, предназначенных для разнообразных сфер применения.

Микроконтроллеры SX фирмы Scenix Semiconductor – высокоскоростные 8-разрядные микроконтроллеры с внутренней FLASH-памятью программ объёмом 2К слов. Они выполнены с использованием современных методов проектирования и технологий, и имеют полностью статическую КМОП-реализацию, обеспечивающую работу при тактовых частотах от 0 до 50 МГц. Благодаря многим новым решениям в проектировании и производстве микроконтроллеры SX обеспечивают разработчикам беспрецедентную стоимостную эффективность. Их быстродействие открывает новый мир возможностей. При производительности до 50 миллионов операций в секунду аппаратные периферийные устройства могут быть заменены программным обеспечением. Эти модули программного обеспечения называются «виртуальными периферийными устройствами» и обеспечивают уменьшение числа компонентов, время разработки, увеличивают гибкость проектов и, в конечном счете, снижают стоимость системы.

Фирма Motorola выпускает широкую номенклатуру микроконтроллеров, охватывающую практически все области применения и включающую в себя около 300 моделей: от простейших до высокопроизводительных 32-разрядных микроконтроллеров с RISC-ядром и мощной периферией. Как следствие, пользователь имеет возможность выбрать для своего приложения оптимальную модель микроконтроллера как по набору встроенных функций, минимизируя число компонентов в системе, так и по экономическим параметрам, соответствующим объёму и особенностям производства. Другой важной особенностью микроконтроллеров фирмы Motorola является их высокое качество и надёжность. Являясь традиционным поставщиком военно-промышленного и аэрокосмического комплексов, а также автомобильной промышленности США, предъявляющих повышенные требования к надёжности компонентов, фирма Motorola выработала и продолжает развивать специальную программу повышения качества продукции. Семейство микроконтроллеров фирмы Motorola имеет один существенный недостаток – оно содержит мало разновидностей однократно программируемых (ОТР) кристаллов, которые оптимальны для применения в мелкосерийном производстве.

Фирма Zilog имеет развитое семейство микроконтроллеров Z8, позволяющее решать различные задачи от создания недорогих автономных устройств и «интеллектуальных» датчиков до управления сложными объектами. Микроконтроллеры фирмы Zilog с цифровыми сигнальными процессорами (DSP) являются недорогим вариантом для целого ряда задач по обработке сигналов.

Микроконтроллеры фирмы Holtek базируются на высокоэффективном RISC-подобном ядре. Они ориентированы на использование в удалённых контроллерах, контроллерах вентиляторов, светильников, стиральных машин, игрушек и пр. Микроконтроллеры имеют невысокую стоимость, что позволяет им конкурировать в ряде приложений. Одной из основных отличительных особенностей ряда микроконтроллеров фирмы Holtek является наличие моделей с встроенными драйверами ЖКИ, что обеспечивает возможность построения оптимальных устройств с дисплейными функциями.

Фирма Analog Devices выпускает семейство микроконтроллеров MicroConverter^TM, соединяющих модули АЦП, ЦАП и микропроцессорное ядро, совместимое с MCS-51^TMс FLASH-памятью программ. Эти микроконтроллеры представляют собой идеальное решение для систем сбора данных.