Тема 3
Рекомедуемая литература
1. Хофманн М. Микромикроконтроллеры для начинающих: Пер. с нем. – СПб.: БХВ – Петербург, 2010. – 304 с.
2. Голубцов М.С. Микромикроконтроллеры AVR: от простого к сложному. – М.: СОЛОН-Пресс, 2003. – 288 с.
3. Схемотехника электронных систем. Микропроцессоры и микромикроконтроллеры / В.И. Бойко, А.Н. Гуржий, В.Я. Жуйков, А.А. Зори, В.М. Спивак, Т.А. Терещенко, Ю.С. Петергеря. – СПб.: БХВ – Петербург, 2004. – 464 с.
Основные понятия и определения микропроцессорной техники
Микропроцессорная система (микроконтроллер, компьютер) представляют собой совокупность аппаратных средств (АС) и программного обеспечения (ПО), которые тесно взаимосвязаны и практически бесполезны друг без друга.
Микропроцессорная система (МП система) — информационная или управляющая система, построенная с применением микропроцессорных средств.
Микропроцессор (МП — CPU) – устройство обработки данных (информации) — выполняет арифметические и логические операции и осуществляет программное управление процессом обработки.
Микромикроконтроллер (МК — МС) – микропроцессорное устройство, в основном, с небольшими вычислительными ресурсами и упрощенной системой команд, ориентированный не на производство вычислений, а на выполнение логического управления машинами или, технологическими процессами.
Адаптер – устройство для согласования физических параметров (входных и выходных сигналов) устройств с целью их сопряжения.
Интерфейс – полная совокупность физических и логических соглашений о входных и выходных сигналах устройств с целью их сопряжения.
Совокупность аппаратных, программных и конструктивных средств, обеспечивающих взаимодействие функциональных устройств ЭВМ, называется внутренним системным интерфейсом (ШУ, ШД, ША).
Структура микропроцессора
Внешний вид микропроцессора приведен на рисунке 1.
Рисунок 1 — Внешний вид микропроцессора
Микропроцессор (МП) состоит из следующих структурных блоков (см. рисунок 1):
— внутренней шины;
— регистров общего назначения;
— арифметико-логического устройства (АЛУ);
— буфера шины адреса;
— буфера шины данных;
— устройства управления и синхронизации;
— регистра команд.
(Регистр— последовательное логическое устройство, используемое для хранения n-разрядных двоичных чисел и выполнения преобразований над ними. Регистр представляет собой упорядоченную последовательность триггеров, число которых соответствует числу разрядов в слове.
Для связи между собой структурных блоков микропроцессора предназначена внутренняя шина.
Регистры общего назначения (РОН) содержат регистр адреса; программный счетчик; указатель стека; оперативные парные регистры: W Z; D C. D E, H L,мультиплексор.
В состав АЛУ входят буфер и аккумулятор для промежуточного хранения исходной цифровой информации; арифметико-логическое устройство; регистр признаков.
Регистр адреса служит для промежуточного хранения адреса обращения микропроцессора к конкретному структурному блоку системы. Этот адрес в регистр заносится перед посылкой его в шину адреса.
Рисунок 1 – Структурная схема микропроцессора
Программный счетчик служит для формирования адреса обращения к ячейкам памяти, в которых хранятся команды программы управления микропроцессорной системы. При выполнении очередной команды алгоритма управления объектом содержание счетчика увеличивается автоматически на единицу, если этот алгоритм линейный.
Стеком называют часть оперативной памяти, в ячейки которой последовательно записывают оперативную информацию. При записи этой информации указатель стека автоматически увеличивается на число заполненных при записи ячеек памяти. И наоборот, при считывании информации из стека его ячейки последовательно очищаются, а указатель стека уменьшается на число таких очищенных ячеек.
Кроме того, для хранения оперативной информации служат парные оперативные регистры общего назначения W и Z, B и C, D и E, H и L, обращение к которым осуществляется через мультиплексор. Часть этих регистров предназначена для хранения адресной части команд, в то время как их исполнительная часть хранится в регистре команд.
Структура микроконтроллера
На рисунке 1 приведена упрощённая типичная структура микроконтроллер (МК) предназначенного для обработки данных или управления некоторой машиной или технологическим процессом.
В этой структуре центральное место занимает микропроцессор (МП), который выполняет арифметические и логические операции над данными, осуществляет программное управление процессом обработки информации, организует взаимодействие всех устройств входящих в МК.
Работа МП происходит под воздействием сигналов (тактовых прямоугольных импульсов – ГТИ) схемы синхронизации и начальной установки.
Приведенная структура МК, отражает магистрально-модульный принцип организации микропроцессорного устройства. Отдельные блоки являются унифицированными функционально законченными модулями со своими схемами управления.
Обмен информацией между модулями микроконтроллера осуществляется посредством коллективных шин (магистралей – ША, ШД, ШУ) к которым имеют доступ модули микроконтроллера, то есть обмен информацией производится путём разделения использования во времени, модулями системы коллективных шин. Магистральный принцип сопряжения модулей предполагает наличие унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, обеспечивающих установление связей и взаимодействие всех модулей микроконтроллера, и называется внутренним системным интерфейсом.
Для микроконтроллера характерна трех шинная структура, содержащая шину адреса (ША), шину данных (ШД) и шину управления (ШУ). Типовая структура микроконтроллера, предполагает наличие общего сопряжения (интерфейса) для модулей памяти — постоянных и оперативных запоминающих устройств (ПЗУ и ОЗУ) и периферийных устройств ввода/вывода (УВВ) и внешнего ОЗУ.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) служит для хранения отлаженного алгоритма управления объектом или для хранения мало меняющейся цифровой информации, используемой в управлении объектом. Микропроцессор может только считывать информацию из ПЗУ.
Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) служит для хранения любой информации, используемой в управлении объектом, в том числе и для хранения программ управления объектом. ОЗУ имеет двустороннюю связь с микропроцессором.
В качестве внешних (периферийных) устройств для микроконтроллера являются: органы управления, клавиатура, дисплей, органы индикации, внешняя память, различные датчики, исполнительные устройства и. т. д.
Периферийные устройства подключаются к шинам интерфейса через интерфейсные БИС – параллельный программируемый адаптер (ППА – PPI), микроконтроллер клавиатуры и дисплея (ККД), программируемый универсальный синхронно-асинхронный приёмник-передатчик (УСАПП – USART)- последовательный интерфейс и другие аппаратные средства.
Программируемый параллельный интерфейс служит для связи микропроцессора с дискретными или аналоговыми объектами управления, в качестве которых могут быть датчики или исполнительные устройства объектов управления.
Программируемый последовательный интерфейс служит для передачи в последовательном коде цифровых сигналов к объектам управления или к другим микропроцессорным системам, расположенным на значительном расстоянии от микропроцессора. Двусторонняя (дуплексная) передача сигнала по линии последовательной связи осуществляется по некоторым правилам, которые называют протоколом передачи данных
Внутренний системный интерфейс
 |
Шина адреса — ША
Шина данных ШД
Шина управления — ШУ
• • •
Интерфейс памяти Устройства ввода-вывода — УВВ
Интерфейс периферийного оборудования
Рисунок 1- Структурная схема микроконтроллера
В структуре микроконтроллера интерфейс является узким местом из-за ограниченного числа выводов корпуса МП. Узкий интерфейс приводит к необходимости применения двунаправленных линий передачи информации, что усложняет схемы буферов и вызывает необходимость использования временного мультиплексирования шин. Мультиплексирование шин позволяет при ограниченном числе линий интерфейса передавать по ним различную информацию; адреса, данные, команды. Однако это приводит к снижению скорости передачи информации через интерфейс.
Принцип работы микроконтроллера при автоматизации технологических машин или процессов состоит в выполнение следующего
цикла операций:
1. Сбор сигналов с датчиков;
2. Обработка сигналов согласно прикладному алгоритму управления;
3. Выдача управляющих воздействий на исполнительные устройства.
В нормальном режиме работы микроконтроллер непрерывно выполняет
этот цикл с частотой от 50 раз в секунду. Время, затрачиваемое контроллером на выполнение полного цикла, часто называют временем (или периодом) сканирования; в большинстве современных ПЛК сканирование может настраиваться пользователем в диапазоне от 20 до 30000 миллисекунд. Для быстрых технологических процессов, где критична скорость реакции системы и требуется оперативное регулирование, время сканирования может составлять 20 мс, однако для большинства непрерывных процессов период 100 мс считается вполне приемлемым.
В отличие от персонального компьютера он рассчитан на решение ограниченного круга задач и должен обладать следующими основными свойствами:
1) работа в режиме реального времени, т.е. обеспечение высокой
реактивности (быстродействия) на запросы обслуживания со стороны объекта управления (обеспечение управления в темпе протекания технологического процесса);
2) повышенные требования к надежности функционирования:
– автоматический перезапуск в случае «зависания» программы;
– конструкция, приспособленная для работы в подземных условиях шахт;
– минимальное потребление энергии и рассеяние тепла в условиях
ограниченной мощности источника питания и отсутствия элементов
принудительной вентиляции и охлаждения;
3) модульность архитектуры и возможность встраивания дополнительных блоков управляющей, регистрирующей, сопрягающей аппаратуры, что помимо специальных конструкторских решений обеспечивается использованием стандартных шин и увеличением числа плат расширения.
Программное обеспечение
Основные требования к программному обеспечению для PLC:
автономность;
поддержка процессов сбора, анализа информации и управления, а также локальных баз данных в реальном времени;
возможность дистанционного управления со стороны диспетчерского пункта (уровень SCADA-систем);
сетевая поддержка.
Программное обеспечение включает следующие основные компоненты:
тестовое программное обеспечение;
базовое программное обеспечение;
прикладное технологическое программное обеспечение.
Тестовое программное обеспечение. Выполняет тестирование (отладку) отдельных PLC и системы в целом (включая тестирование и диагностику различных конфигураций) и содержит следующие компоненты:
программы инициализации и конфигурирования, а также начальные тесты для PLC и сетевых адаптеров (внутреннее программное обеспечение, расположенное в ПЗУ);
программы для тестирования PLC через линию связи с компьютером высшего уровня или специализированной наладочной аппаратурой;
программы для тестирования, наладки и сбора статистики локальной сети распределенной системы;
комплексное тестирование распределенной системы в целом;
специализированное тестовое программное обеспечение для наладочных пультов, панелей, стендов, эмуляторов и т.д.
Отладка PLC выполняется с помощью компьютеров или специальных пультов, обеспечивающих доступ к памяти и портам PLC с целью отладки и оперативного ввода данных, уставок, управляющей информации. Отладчик позволяет перевести работу PLC в режим пошагового исполнения внутренних программ, эмулировать подачу внешних сигналов, отслеживать изменения состояний регистров и т. п.
Базовое программное обеспечение. В его состав входят:
операционные системы реального времени, управляющие выполнением прикладной технологической программы и устройствами PLC;
сетевые программные средства, обеспечивающие информационный обмен между отдельными узлами и возможность дистанционного доступа и управления в распределенной системе.
Прикладное технологическое программное обеспечение. Прикладное технологическое программное обеспечение – это машинно-ориентированые языки (ассемблеры), используемые для разработки прикладных программ, Языки ассемблера представлены в виде перечня команд конкретного микропроцессора. Команды ассемблера включают в себя обычно арифметические и логические операции, средства организации циклов подключения и отключения портов, средства управления прерываниями (запрет/разрешение, установка приоритетов), средства работы с интервалами времени и обработки событий, а также средства для динамической загрузки и запуска программ. Элементами языка являются имена портов ввода-вывода и отдельных их разрядов, имена счетчиков, таймеров и контактов, флаги, а также параметры технологического процесса. Преимуществом языков ассемблера является компактность итогового машинного кода, высокое быстродействие. Недостатком – высокая трудоемкость разработки, большой объем текста, отсутствие сложных математических функций (тригонометрических, логарифмических и т.д.). Для реализации сложных алгебраических вычислений необходимо создавать громоздкие подпрограммы.
Для разработки технологических программ используются следующие средства: редакторы, системы программирования (поддержка тассемблеров и языков высокого уровня, а также языков технологического программирования), средства отладки и тестирования, а также инструментарий для функционально-ориентированных языков программирования, позволяющих с минимальными трудозатратами осуществлять проектирование системы «под ключ».
Современные средства автоматизации проектирования технологических программ позволяют программировать PLC с использованием библиотеки стандартных программных модулей – «алгоблоков»,реализующих типовые алгоритмы управления АСУТП: компараторы, формирователи широтно-импусных сигналов (ШИМ) и др.
