Разработка и выбор аппаратной части микропроцессорного устройства (МПУ). Выбор микропроцессорного комплекта. Организация модуля памяти. Средства сопряжения

Выбор оптимального микропроцессорного комплекта (МПК) для конкретного применения является достаточно сложной процедурой. Это определяется постоянным ростом количества МПК, расширением области их применения, а также отсутствием чёткой методики, позволяющей сделать однозначный выбор.

Микропроцессор является функционально сложным устройством и характеризуется большим количеством параметров, важность которых в конкретном применении неодинакова, иногда низкое значение одного из параметров может быть компенсировано высоким значением другого. Более того, в ряде случаев важнейшими являются характеристики, которые не имеют особого значения в большинстве применений. Поэтому выбор МПК – это результат компромисса между его параметрами и требованиями конкретного использования.

При выборе МПК для реализации МПСУ технологическим объектом следует учитывать основные требования, предъявляемые к разрабатываемой системе: время решения задач управления, точность проведения расчётов, условия эксплуатации, надёжность.

Выбор МПК обычно производится с учётом следующих критериев:

- быстродействие микропроцессоров, которое определяется в основном технологией изготовления;

- производительность микропроцессорной системы на базе данного МПК, которая оценивается временем выполнения типовых задач управления и, кроме быстродействия, определяется такими элементами архитектуры, как система команд, система прерываний, реализация прямого доступа в память и т. д.;

- длина разрядной сетки МП, т.е. количество разрядов обрабатываемых микропроцессором слов;

- наличие программных и аппаратных средств программирования, трансляции и отладки программного обеспечения;

- электрическая совместимость с другими интегральными схемами, используемыми в системе;

- потребляемая мощность и число источников питания;

- условия эксплуатации (диапазон рабочих температур, наличие агрессивных сред).

Немаловажное значение для успешной реализации проекта играет и наличие у разработчика опыта работы с выбранным микропроцессорным комплектом.

Аппаратные средства, входящие в состав микропроцессорных систем управления, можно разделить на следующие основные части:

- вычислительная часть;

- устройство связи с объектом (УСО);

- пульт оператора;

- таймер;

- устройство связи с ЭВМ высшего ранга.

Центральным элементом системы является вычислитель, состоящий из трех модулей: процессорного модуля, памяти и модуля устройств ввода-вывода, объединенных единой магистралью.

Вычислитель осуществляет обработку информации в соответствии с алгоритмом управления, выполняя все функции микропроцессорного устройства управления, реализованные программно. Структура вычислителя повторяет структуры обычной микроЭВМ, назначение и взаимодействие основных элементов вычислителя, а также принципы обработки информации такие же, как и в любой другой микроЭВМ.

Процессорный модуль реализован на базе выбранного МПК, его схемотехническое проектирование является относительно простой задачей, решаемой по известным правилам, это связано с тем, что элементы МПК имеют очень немного вариантов подключения, которые уже определены изготовителями этих средств.

Модуль памяти подразделяется на оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), предназначенное для хранения исходных данных, промежуточных и конечных результатов расчетов, и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), содержащее управляющую программу и доступное только для чтения. Объем памяти может изменяться в широких пределах в зависимости от сложности алгоритмов управления и количества обрабатываемой в процессе управления информации. Для реализации модуля памяти используются микросхемы памяти, выпускаемые промышленностью в достаточной номенклатуре типов и отличающиеся технологическим исполнением, значением параметров, режимами работы и областью применения.

Разработка модуля памяти заключается в выполнении работ по определению необходимого объема ОЗУ и ПЗУ, выборе микросхем памяти, определении организации модуля и его сопряжения с магистралью вычислителя.

Модуль ввода-вывода обеспечивает передачу информации между вычислителем и другими элементами МПСУ. Модуль ввода-вывода состоит из отдельных каналов (портов), выполняющих управление процессом обмена между вычислителем и определенным источником или приемником информации. Обмен осуществляется при обращении к каналу с помощью специальных команд ввода-вывода, обычно входящих в систему команд микропроцессора, или в режиме прямого доступа в память. Во втором случае требуется введение дополнительных аппаратных затрат, поэтому использование прямого доступа в память эффективно при передаче больших массивов информации, когда на программный обмен затрачивается много времени.

Проектирование модуля ввода-вывода состоит из выбора способа передачи информации, определения методов реализации отдельных функций канала (дешифрации адреса, синхронизации обмена, согласование сигналов), выбора элементов и схемной реализации каналов ввода- вывода.

УСО обеспечивает непосредственную физическую связь с объектом. Их наличие в любой МПСУ обусловлено различием представления информации при ее обработке в вычислителе и на вводах-выводах объекта управления, многообразием используемых датчиков контроля состояния объекта и исполнительных механизмов. В общем случае УСО содержит в своем составе модули ввода и вывода аналоговых и цифровых сигналов, которые обеспечивают сбор информации с датчиков, преобразование непрерывных сигналов в дискретные и наоборот, формирование и выдачу управляющих сигналов на исполнительные механизмы.

Выбор структуры УСО для конкретной МПСУ управления производят с учетом типа используемых датчиков и исполнительных механизмов, характера информационных связей внутри объекта, операций, выполняемых при обмене информацией между устройством управления и объектом, алгоритмов управления и функцией, реализуемых в МПСУ. При этом необходимо, чтобы УСО обеспечивали необходимую скорость и достоверность передачи информации, обладали требуемой помехоустойчивостью, были просты в обслуживании и экономически обоснованы.

Пульт оператора применяется для оперативного управления объектом, задания режимов работы, запуска и контроля. Пульты могут быть автономными и встроенными, иметь специальную или универсальную клавиатуру, различные устройства индикации и регистрации параметров объекта.

Блок связи с ЭВМ высшего ранга используется при организации многоуровневых иерархических систем управления.

Память микропроцессорных систем делится на оперативную и постоянную.

Для реализации оперативной памяти широко используются микросхемы статических и динамических ОЗУ. В микропроцессорных устройствах управления при организации памяти сравнительно небольшой ёмкости применяются микросхемы статических ОЗУ.

Микросхемы ПЗУ по способу программирования подразделяются на три группы:

- однократно программируемые изготовителем (масочные ПЗУ);

- однократно программируемые пользователем (ППЗУ);

- перепрограммируемые пользователем (многократно программируемые РППЗУ).

Во вновь создаваемых устройствах, выпускаемых в небольшом количестве, используются ППЗУ или РППЗУ. Масочные ПЗУ используются в устройствах, которые тиражируются в больших количествах.

Микросхемы памяти для построения модуля памяти выбирают исходя из следующих данных: требуемая информационная ёмкость и организация памяти, быстродействие (время цикла обращения для записи или считывания), тип магистрали (внутри машинного интерфейса), требования к энергопотреблению, необходимость обеспечения энергонезависимости, условия эксплуатации, конструктивные требования.

Перечень выпускаемых промышленностью микросхем памяти, их технические характеристики и рекомендации по применению приведены в справочниках.

Модуль памяти в общем случае включает накопитель, составленный из микросхем памяти, устройство управления обменом и дешифрации адреса, буферные регистры или магистральные приёмопередатчики, шинные формирователи, обеспечивающие сопряжение по нагрузке модуля памяти и шинами адреса и данных.

Значительное влияние на схему и характеристики устройства управления и средств сопряжения оказывает тип интерфейса, принятый в данной микропроцессорной схеме. При реализации системы на базе конкретного МПК рекомендуется использовать определённый набор микросхем памяти.

При разработке модуля памяти одной из типичных является задача объединения микросхем памяти в модуль. Сложности возникают, если требуемая ширина выборки или объём не совпадают с шириной выборки или объёмом памяти выбранной микросхемы. Выход из создавшейся ситуации заключается в том, что в первом случае накопитель строят так, чтобы информационное слово хранилось по частям в нескольких микросхемах памяти, соединенных параллельно, а во втором случае, каждая микросхема реализует лишь часть требуемого объёма памяти.

По функциональному назначению различают следующие типы запоминающих устройств: оперативные запоминающие устройства (ОЗУ); постоянные запоминающие устройства (ПЗУ); перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ).

Оперативные запоминающие устройства предназначены для применения в условиях, когда требуется многократная запись и считывание хранимой информации в высоком темпе работы микропроцессорного устройства. ОЗУ используется в микропроцессорных устройствах для хранения некоторых программ и данных. При отключении питания информация, записанная в ОЗУ, теряется.

Постоянные запоминающие устройства предназначены для хранения информации, однажды записанной. Эта информация сохраняется и при отключении источников питания. Используются ПЗУ для хранения программ, по которым микропроцессорное устройство функционирует длительное время, многократно выполняя действия по этой программе при различных исходных данных.

Перепрограммируемые запоминающие устройства в процессе функционирования микропроцессорного устройства используются как ПЗУ. Отличаются они от ПЗУ тем, что допускают обновление занесенной в них информации, т.е. в них предусматривается режим записи, которого нет в ПЗУ. В отличие от ОЗУ для записи информации в ППЗУ требуется отключение его от микропроцессорного устройства. Запись информации производится с использованием специальных предназначенных для записи устройств (программаторов). Программируемые ПЗУ дороже ПЗУ, и их применяют в процессе отладки программ, после чего заменяют более дешевыми ПЗУ. Важнейшими характеристиками запоминающих устройств являются емкость памяти и быстродействие.

Емкость памяти определяется максимальным количеством данных, которые могут храниться в запоминающем устройстве. Емкость измеряется в двоичных единицах (битах) и байтах. Часто емкость памяти выражается через число К = 1024; 1 Кбайт (килобайт) = 1024 байт, 1024 Кбайт = 1 Мбайт (мегабайт).

Быстродействие памяти определяется продолжительностью операций обращения, т.е. временем, затрачиваемым на поиск нужной единицы информации в памяти и на ее считывание, или временем на поиск места в памяти, предназначенной для хранения данной единицы информации и на ее запись в память.

Средства сопряжения в микропроцессорных системах обеспечивают:

- ввод в заданные моменты времени информации о регулируемых координатах;

- выдачу управляющих сигналов в преобразователь;

- синхронизацию процессов управления с питающим преобразователь напряжением.

В качестве средств измерения переменных состояний объекта в микропроцессорных электроприводах с регулированием скорости применяют два вида датчиков обратной связи: скорости и тока. Каждый из датчиков характеризуется диапазоном измерения входной величины, разрешающей способностью, параметрами выходного сигнала, быстродействием, надёжностью в работе.

В качестве датчика скорости в регулируемом электроприводе чаще всего используется тахогенератор постоянного тока или фотоэлектрический импульсный датчик. В первом случае для ввода информации в микропроцессорное устройство напряжение тахогенератора, пропорциональное скорости, необходимо преобразовать в цифровой код, во втором случае измерение скорости осуществляется подсчётом количества импульсов датчика за заданный интервал времени или измерением длительности природы между импульсами.

Для реализации обратной связи по току необходимы датчики тока, обеспечивающие гальваническую развязку силовых цепей и цепей управления. Датчик постоянного тока наиболее просто реализуется на основе шунта, включенного последовательно в цепь измеряемого тока. Падение напряжения на шунте при номинальном токе обычно составляет 75 мВ, поэтому для ввода информации в устройство сигнал шунта необходимо усилить, потенциально развязать от силовых цепей, преобразовать в цифровой код. Измерение величины переменного тока производится трансформатором тока. Выходной токовый сигнал трансформатора тока, снимаемый со вторичной обмотки трансформатора, работающей в режиме короткого замыкания, необходимо преобразовать в сигнал напряжения, выпрямить и преобразовать в цифровой код.

Для преобразования аналоговых измерительных сигналов в цифровой код используются аналогово-цифровые преобразователи (АЦП), выпускаемые промышленностью в виде интегральных схем. Выбор АЦП производится с учётом числа разрядов выходного кода, времени преобразования, диапазона изменения входного напряжения, типа логики, с которой АЦП может работать без устройств сопряжения.

Во всех случаях при вводе измерительных сигналов необходимо предусмотреть фильтрацию полезного сигнала от случайных помех.

В качестве элементов, осуществляющих коммутацию силовых цепей преобразователя, обычно используются ключи, построенные на базе полупроводниковых транзисторов или тиристоров. Для управления силовым транзистором в устройстве вывода управляющего сигнала должна быть предусмотрена гальваническая развязка, схема усиления сигнала по мощности до уровня, который требуется для включения (отключения) транзистора.

В связи с тем, что тиристор является полууправляемым элементом, его включение можно осуществлять импульсным сигналом, подаваемым на управляющий электрод. При этом схема гальванической развязки может быть выполнена на базе импульсного трансформатора.

Синхронизация работы микропроцессорного устройства с сетью требуется в управляемых выпрямителях или тиристорных регуляторах напряжения и может быть реализована тремя способами:

- программным - сигнал, фиксирующий прохождение питающего напряжения через ноль, подаётся на один из входов модуля ввода-вывода, который периодически опрашивается в управляющей программе;

- программно-аппаратным – этот сигнал поступает на вход запроса прерывания микропроцессора и вызывает выполнение программы обслуживания прерывания;

- аппаратным - устройство вычисляет параметры управляющего сигнала, а его выдача синхронизируется чисто аппаратными средствами.