1.2 Система управления
1.2.1. Выбор типа системы управления. В результате проведения анализа современной элементной базы автоматики была выбрана микропроцессорная система управления, так как это позволяет снизить расходы, возникающие при использовании широкой элементной базы и относительно простой разработки программы работы ЭВМ для решения поставленной задачи. Также применение микропроцессора (точнее, микроконтроллера) позволяет поставить проектируемую систему в разряд удовлетворяющих требованиям современного рынка.
1.2.2. Анализ рынка. Последние годы отмечены массовым наполнением рынка всевозможной автоматизированной аппаратурой самого различного назначения и самой разнообразной сложности от пластиковой платежной карточки до холодильника, автомобиля и сложнейших установок. Это стало возможным благодаря микроконтроллерам (МК) – средствам локального микропроцессорного управления, позволившим приблизить необходимый компьютерный интеллект непосредственно к точке его применения с минимальными и вполне приемлемыми затратами средств, оборудования и энергии.
Микроконтроллеры вторгаются во все сферы жизнедеятельности человека, насыщенность ими растет из года в год. На рисунке 6 отражена эта экспансия на примере 4-х сфер МК. Примерами видов аппаратуры в этих сферах могут служить:
а) в жилище: приборы, внутренняя связь, телефон, охранные системы, квартирные и гаражные замки, автоответчики, факсы, компьютеры, радиоприемники, магнитолы, аудио- и видеоплееры, телевизоры, дистанционное управление, видеоигры, сотовые телефоны, музыкальные инструменты, холодильники, управление освещением, микроволновые печи, пейджеры, видео- и фотокамеры, тренажёры, вентиляторы, цифровые термометры, измерители кровяного давления;
б) в офисе: компьютеры, телефоны, клавиатуры, мышки, охранные системы, системы санкционированного доступа, факсы, копировальные приборы, принтеры, сканеры, телевизоры, дистанционное управление, пейджеры;
в) в автомобиле: маршрутные компьютеры, управление энергопотреблением, воздушные вентиляторы, системы контроля и тестирования, охранные системы, управление трансмиссией, радиомагнитолы, кондиционеры;
г) персональные приборы: платежные карточки, ключи санкционированного доступа, пейджеры, сотовые телефоны, записные книжки, часы, микрокалькуляторы, кардиостимуляторы.
Мировой рынок микроконтроллеров растет как в абсолютном, так и в относительном выражении (рисунок 7). К 2000 году по сравнению с 1995 произошло увеличение рынка МК с 2,989 до 4,787 миллиарда шт. Их доля среди всего многообразия ИС увеличилась с 6,27 до 8-9 процентов.
Рисунок 6 – Насыщенность микроконтроллерами
Рисунок 7 – Мировое потребление микроконтроллеров
Микроконтроллер представляет собой однокристальную ЭВМ, включающую микропроцессор, необходимые виды памяти и каналы ввода/вывода аналоговой и цифровой информации. Основным классификационным признаком МК является разрядность микропроцессора. Имеются 4-, 8-, 16- и 32-разрядные МК.
Разрядность МК определяется точностью данных, необходимой для управления объектом. Наиболее массовыми и постоянно расширяющими свои области применения являются 8-разрядные микроконтроллеры, и сохранение такого положения прогнозируется на ближайшие годы. Применение 4-разрядных МК незначительно снижается, но на ближайшие годы остается довольно значительным и сохраняет второе место среди МК. Это объясняется, с одной стороны, тем, что для большинства применений точности 8 или 4 бит вполне достаточно, а с другой стороны их значительно более низкой стоимостью по сравнению с 16/32-разряд-ными МК, не оказывающей существенного влияния на стоимость объекта в целом (рисунок 8). Из вышесказанного очевидна та огромная роль МК и особая важность обеспечения ими создателей самой разнообразной аппаратуры.
Рисунок 8 – Средняя цена продаж микроконтроллеров
Производством МК в мире занимается огромное число фирм, но 94% рынка обеспечивают 14 фирм. Причем фирмы выпускают МК как с собственной оригинальной архитектурой, так и совместимые и взаимозаменяемые эквиваленты наиболее удачных и популярных микроконтроллеров других фирм. Обращает на себя внимание огромное общее количество типов МК – 9 266. Из них 7 374 МК (78,6%) не содержат АЦП, и только 20,4% (1 592 типа) имеют в составе кристалла АЦП или ЦАП.
Обнаруживается также различный подход фирм к секторам рынка и, как следствие, к памяти программ МК. Так, Motorola ориентируется преимущественно на потребителей с высокой тиражируемостью их продукции (которых не так уж и много) и применяющих МК с масочным ПЗУ программ. Поэтому она, лидируя в мире в части объемов производства (почти втрое опережая ближайшего соперника), занимает только 7 место по числу предлагаемых на рынке типов МК. Следует отметить также, что доля МК с АЦП у фирмы Motorola наиболее высокая. С другой стороны, компания Microchip ориентируется на потребителей с относительно невысокой тиражируемостью продукции, при которой масочная реализация ПЗУ программ экономически и по времени внедрения не всегда оправдана. Таких потребителей значительно больше, им требуется более широкая номенклатура МК и они предпочитают программируемые или перепрограммируемые ПЗУ команд. Поэтому Microchip, занимая 12 место среди производителей МК (2,5% рынка), является безусловным лидером по числу предлагаемых потребителю типов МК.
Темпы применения микроконтроллеров в России и странах СНГ в настоящее время неуклонно растут. Специфика состояния экономики в странах определяет и специфику рынка микроконтроллеров: основными потребителями являются небольшие фирмы с ограниченными объемами производства и часто меняющейся номенклатурой аппаратуры. В результате рынок требует широкой номенклатуры микроконтроллеров при небольшой потребности в каждом типе. Это определяет повышенный интерес к микроконтроллерам с программируемой и перепрограммируемой памятью команд. Именно поэтому наиболее популярными на российском рынке и рынке СНГ стали микроконтроллеры PIC и AVR фирм Microchip и Atmel соответственно.
1.2.3. Классификация микропроцессоров. Микропроцессор – программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления этим процессом, выполненное в виде одной или нескольких интегральных схем.
Как вычислительное устройство микропроцессоры характеризуются:
- простотой управления;
- малым потреблением энергии;
- небольшими габаритными размерами;
- возможностью встраивания в объекты контроля и управления;
- возможностью адресации большого объёма памяти.
Как изделие электронной техники:
- конструктивно-технологическим исполнением;
- степенью интеграции;
- надёжностью;
- способом защиты от внешних воздействий.
Микропроцессоры характеризуются большим числом параметров и качеств, так как с одной стороны, являются функционально сложными программно-управляемыми устройствами, а с другой стороны, интегральной схемой с высокой степенью интеграции электронных элементов. Классификация представлена на рисунке 9.
Поэтому важными параметрами являются:
- тип корпуса;
- количество источников питания;
- требования к синхронизации;
- температурный диапазон;
- длительность цикла выполнения команд;
- уровни сигналов (0 или 1);
- помехоустойчивость;
- нагрузочная способность;
- надёжность и др.
Микропроцессоры можно классифицировать по следующим признакам:
а) по числу БИС:
- однокристальные;
- многокристальные;
- многокристальные секционные;
б) по технологии изготовления:
- pМОП (самая простая технология, она не обеспечивает высокое быстродействие микропроцессора);
- nМОП (обеспечивает более высокое быстродействие, но не обеспечивает низкое энергопотребление);
- КМОП (обеспечивает низкое энергопотребление при высоком быстродействии);
- ТТЛ, ТТЛШ, ИИЛ, ЭСЛ (более редко применяемые);
в) по назначению
- универсальные;
- специальные (микроконтроллеры, математические, графические, звуко-вые и другие микропроцессоры);
г) по виду обрабатываемого сигнала
- аналоговые;
- цифровые;
д) по виду синхронизации:
- синхронные (все процессы зависят от тактового генератора);
- асинхронные (без участия тактового генератора);
е) по организации структуры микропроцессорной системы (МПС):
- одномагистральные (в них все устройства имеют одинаковый интерфейс и подключены к единой информационной магистрали, по которой передаются коды данных, адреса и управляющие сигналы);
- многомагистральные (все устройства группами подключаются к своей информационной магистрали, что позволяет осуществить одновременную передачу информационных сигналов по нескольким магистралям);
ж) по количеству выполняемых программ
- однопрограммные;
- многопрограммные;
з) по ширине шины данных (длине обрабатываемого сигнала):
- 8-разрядные (простые МПС);
- 16-разрядные (МЭВМ);
- 32-разрядные (ПЭВМ высокой производительности);
- 64-разрядные (суперЭВМ);
- секционные (произвольная шина данных);
- другие (при разрядности, не кратной 2).
Рисунок 9 – Классификация микропроцессоров
В результате приходим к выводу, что в данной системе в качестве САР необходимо использовать микроконтроллер, представляющий собой, по сути, ЭВМ, выполненную в одной интегральной схеме.