Гл2_06 (Старые лекции), страница 13

и доп.-М.: Мир, 1993.-367с., ил.Рябов Владимир Тимофеевич. Кафедра «Электронные технологии в машиностроении»МГТУ им. Н. Э. Баумана, V_Ryabov@mail.ru962.6. Расчет и проектирование средств сопряжения системыуправления с объектомВычислительное ядро микроконтроллера, реализующего управление компонентамиобъекта, связано с объектом через ряд элементов, которые выполняют следующие функции:1. Адресуют компонент объекта, т.е.

присваивают ему некоторое, индифицирующее его имя и делают компонент доступным для вычислительного ядра. Эта задача выполняется обычно вблизи вычислительного ядра. Выполняют эти функции специальныерегистры, как в рассмотренном нами в разделе 1.4 примере (рис.1.24). Там эти регистрыиспользовались для дискретного контроля и управления и компоненты объекта идентифицировались номером регистра и номером бита регистра. Мы научились обращаться к этимкомпонентам из программы при программной реализации событий.

Аппаратно строитсясхема программной идентификации с помощью дешифраторов памяти. В третьей главемы изучим основы их построения.Есть и аппаратная инициализация потоков, когда процессы контроля и управлениязапускаются при возникновении внешних системных событий (программная и аппаратнаяинициализация).

В этом случае, для обнаружения системного события, его идентификации и запуска соответствующего потока, используется обычно механизм прерываниймикроконтроллера. Его мы также детально изучим в следующей главе.При аналоговом управлении компонент объекта подключен к вычислительномуядру через входной регистр цифроаналогового преобразователя. Управляющая программакомандует компонентом объекта, записывая информацию в регистр ЦАП.При аналоговом контроле компонент объекта идентифицируется номером регистрааналого-цифрового преобразователя.

Чаще всего к одному АЦП через управляемый аналоговый селектор, который мы рассмотрели в предыдущем разделе (рис. 2.41, а), подключено несколько компонентов объекта. Тогда, для проведения аналогового контроля конкретного компонента сначала нужно подключить его к АЦП, установив на управляющихвходах селектора необходимый код, затем дать сигнал на начало преобразования.Платы устройств связи с объектом, выпускаемые серийно и применяемые при разработке систем управления на базе универсальных и специализированных контроллеров,обычно решают задачи идентификации сигналов. Эта проблема становится актуальной нааппаратном уровне только при разработке специальных встроенных микроконтроллеров ибудет рассмотрена нами в четвертой главе.2.

Согласуют сигнал вычислительного ядра с линией связи. Здесь решаются задачисогласования сигналов по уровню, защиты сигналов от помех. Особенно опасно проникновение помех от объекта в вычислительное ядро, причем, как по линии связи, так и поцепям питания. Сбой счетчика команд микропроцессора вычислительного ядра приводитк его «зависанию». Это очень неприятная ситуация, которая, если не принято дополнительных мер, может привести к потере контроля за объектом управления.3. Передают сигнал от вычислительного ядра к элементам объекта при дискретном или аналоговом контроле или в обратном направлении при операциях управления.Здесь важно передать сигнал быстро и без искажения, не допустить проникновения помехв передаваемую информацию.

Именно поэтому уровень сигналов на линии передачи специфичен и обычно оказывается не согласован с приемником или источником сигналов.4. Согласуют сигнал линии связи с элементом объекта. Здесь, как и во второй функции, идет согласование по уровню приемника, либо источника сигнала и линии связи. Источниками сигналов на объекте являются различные датчики дискретных и аналоговыхсигналов и следует согласовать сигнал датчика и линии связи. Приемниками сигналов наобъекте управления являются обычно компоненты систем энергообеспечения, питающиецелевые механизмы машины требуемыми энергетическими потоками.

Система управленияРябов Владимир Тимофеевич. Кафедра «Электронные технологии в машиностроении»МГТУ им. Н. Э. Баумана, V_Ryabov@mail.ru97через свои сигналы включает или выключает эти потоки, либо добивается их модуляциидолжным образом.Изученные нами дискретные компоненты САУ используют для решения задач, необходимых для реализации перечисленных функций. Ранее, при рассмотрении конкретных электронных компонентов САУ мы уже рассматривали их типовое применение. Сейчас мы пойдем уже не от компонента к назначению, как уже делали ранее, а наоборот,покажем, как с помощью рассмотренных нами компонентов можно решать конкретныезадачи сопряжения вычислительного ядра с элементами объекта управления.А.

Выбор и расчет средств реализации дискретного управления ДУРассмотрим задачу выбора и расчета средств сопряжения сигнала дискретногоуправления на типовом примере включения и выключения какого либо клапана с электромагнитным приводом (рис. 2.52). Следует отметить, что приводимые в примерах расчетов исходные данные и результаты являются типовыми, и для получения конкретныхрезультатов, следует пользоваться параметрами, приводимыми в технической документации на используемые компоненты.DD1D RG Q0011223344556677COE+ U вяR1UсдR3DA1Вкл0R2X1Цепь Конт.О/К 1О/Э 2X2Конт. ЦепьО/К12О/Э+ UнVD1UкUбRнVТ1KL1VD2R4Рис.

2.52Регистр DD1 доступен для записи для вычислительного ядра и, если в его 6-ой битзаписать нуль, сработает светодиод оптопары DA1. Оптопара здесь применена, чтобы согласовать сигнал вычислительного ядра с линией связи с объектом управления и гальванически развязать вычислительное ядро и объект по питанию. Это защитит вычислительное ядро от проникновения помех по цепям питания и управления, сигналы передаются отсветодиода к фототранзистору, но не наоборот. Обратите внимание, что мы зажигаем светодиод нулем, а не единицей, так как нагрузочная способность ТТЛ и n-МОП схем выше внуле.

Регистр DD1 должен быть согласован по нагрузочной способности с входным токомоптопары. Номинальный ток зажигания светодиода составляет около 10 мА и типовой регистр способен в нуле принять такой ток, но выдать его в единице не сможет.Если возникает настоятельная необходимость включать элемент объекта единицей,на месте DD1 следует применять k-МОП компонент, либо к выходу бита DD1 подключитьинвертор.Балластный резистор R1 определяет ток через светодиод IСД.

Сумма напряжениянуля (U0=0,6…0,8 И), падения напряжения на светодиоде (UСД≈1,6 В) и падения напряжения на резисторе R1 (IСД*R1) должна равняться напряжению питания вычислительногоядра UВЯ. Отсюда значение резистора R1 равно:U ВЯ − U СД − U 0.R1 =I СДФототранзистор оптопары подключен к разъему Х1, от которого начинается линиясвязи. Цепи коллектора и эмиттера оптопары названы О/К (открытый коллектор) и О/Э(открытый эмиттер). Фототранзистор гальванически не связан с вычислительным ядром ипитается напряжением Uн (напряжением нагрузки), которое формируется на объектеуправления вне вычислительного ядра.Рябов Владимир Тимофеевич. Кафедра «Электронные технологии в машиностроении»МГТУ им.

Н. Э. Баумана, V_Ryabov@mail.ru98Здесь применена оптопара с выводом от базы фототранзистора (рис. 2.13, в), в которой есть возможность ограничения его темнового тока для более надежного закрытияключевого транзистора при выключенном светодиоде. Значение резистора R2 выбираетсяиз рекомендаций по применению конкретной используемой оптопары. Его типовое значение составляет 50 кОм.Линия связи здесь сформирована как витая пара. Это сейчас наиболее распространенный, дешевый и надежный вариант ее исполнения. Внешние электромагнитные полянаводят в витках линии связи встречно направленные ЭДС индукции, что минимизируетдействие помех на сигнал в линии. Витая пара и не излучает электромагнитных помех припередаче сигнала, точнее, минимизирует их, так как в противоположных направлениях течет равный ток.

Магнитные поля прямого и встречного тока уничтожают друг друга. Такие линии связи называют симметричными, старайтесь использовать их, даже проигрываяв числе и длине проводов. При скручивании добиваются приблизительно двух витков насантиметр линии связи.Здесь сигнал передается током, что вполне естественно, так как в качестве ключаиспользован биполярный транзистор. Но, даже если используется ключ на полевом транзисторе, формируйте управляющий потенциал на его затворе токовым сигналом, как этобыло показано на рис.

2.10. Там следует оптопару также разместить вблизи вычислительного ядра и соединить ее эмиттер и коллектор с ключом симметричной витой парой.Ток включения в линии связи следует выбирать в пределах 10…20 мА. Это разумный компромисс между энергетическими потерями, возбуждаемыми сигналом помехамии надежностью передачи сигнала, так как с увеличением тока уменьшается относительноевлияние помех на величину сигнала.

Для ключей на биполярных транзисторах Дарлингтона, очень распространенных для коммутации электрических токов в 2..3А при напряжении до 60В базового тока в 20 мА бывает достаточно для надежного включения и обеспечения режима насыщения.Резистор R3 ограничивает базовый ток транзистора VT1 и задает максимальный токв линии связи IЛС. Сумма падений напряжения на его базе UБ, на открытом фототранзисторе UФТ и на резисторе R3 (IЛС*R2) должно быть равно напряжению питания нагрузкиUH. Отсюда выбирается значение резистора R3:U − U ФТ − U БR3 = H.I ЛСМаксимальный ток в линии связи (ток включения) снизу ограничен помехозащищенностью линии (10 мА) и возможностью открытия ключевого транзистора (20 мА для биполярных транзисторов Дарлингтона). Более 20 мА токи обычно не используют и просто добавляют дополнительные усилительные элементы к ключевому транзистору. С цельюунификации обычно задают единый ток IЛС для всех ключевых элементов в 20 мА. Этостандарт «дефакто», такого тока вполне достаточно для включения оригинальных ключейсобственных разработок, широкой гаммы покупных ключей в интегральном исполнении,твердотельных реле и других ключевых элементов широкого применения.Резистор R4 обеспечивает закрытие ключевого транзистора при отсутствие сигналана линии.

Даже если светодиод не горит, через фототранзистор протекает темновой ток IT,который может составлять для некоторых типов оптопар до миллиампера. Резистор R4отводит этот ток и не дает ему течь через базовый переход ключевого транзистора. Значение этого резистора должно быть настолько мало, чтобы при протекании максимальноготемнового тока падение напряжение на нем не превышало половины вольта и настольковелико, чтобы не отводить более 2мА (10% тока линии связи) при открытом ключевомтранзисторе.