Лекция 8.

Организация интерфейса МП устройств с внешними устройствами и памятью. Встроенные микропроцессорные системы управления.

Появление в 1971 году первого микропроцессора ознаменовало собой начало новой эры не только в вычислительной технике, но и в области сис­тем встроенного управления оборудованием — эры высокопроизводительных и надежных цифровых, микропроцессорных систем управления, интегри­рованных в рабочую машину, механизм, прибор, изделие — станок, робот, стиральную машину, принтер, плоттер, радиотелефон, автомобиль и т.д.

Компьютерная и связанная с ней микропроцессорная техника развива­ются столь стремительно, что производительность процессоров удваивается каждые 8-10 месяцев при значительном росте степени интеграции, сни­жении габаритов, энергопотребления и цены.

Революция в управляющей электронике сопровождается революцией и в силовой электронике, что позволяет создавать интегрально-гибридные ин­теллектуальные электронные модули, а также конструктивно интегрировать в одном изделии рабочий орган механизма, силовой преобразователь, уст­ройство управления, источник питания и датчики.

Вместо традиционного термина «электромеханика» постепенно начинают при­менять термин «мехатроника», означающий конструктивное объединение меха­ники и электроники на принципиально новом уровне, когда рост управляющих вычислительных ресурсов при использовании больших интегральных схем (БИС) сопровождается значительным повышением надежности оборудования, главным образом, за счет резкого уменьшения монтажных соединений и расширением фун­кциональных возможностей изделия в сторону автоматической адаптации к усло­виям эксплуатации и интерактивного обучения в процессе диалога с оператором.

Встроенной системой управления будем называть систему управления, конструк­тивно интегрированную в оборудование. Так, система управления, встроенная в ста­тический преобразователь частоты для асинхронных двигателей, может представ­лять собой одно- или многоплатную микроЭВМ с необходимым набором интерфейсов для обеспечения как непосредственного управления инвертором и при­водом в целом, так и взаимодействия с человеком-оператором, включая, например пульт оперативного управления с дисплеем и клавиатурой. Обязательным компо­нентом такой системы является интерфейс с системой управления более высокого уровня (промышленным программируемым контроллером или компьютером в про­мышленном исполнении), что позволяет решать задачи комплексной автоматиза­ции с использованием заданного числа единиц технологического оборудования, объединяя это оборудование в единую распределенную систему управления.

В зависимости от сложности решаемой задачи встроенная система уп­равления может быть однопроцессорной или многопроцессорной (мультимикропроцессорной), одноуровневой или многоуровневой. В последнем случае на нижнем уровне управления решаются задачи непосредственного управления отдельными компонентами оборудования (например отдельными осями привода, узлами автомобиля), а на следующем, более высоком, - задачи совместного управления в реальном времени, связи с оператором, систе­мой верхнего уровня и т.д. Типичными примерами являются станки с чис­ловым программным управлением, роботы-манипуляторы, изделия авто­мобильной и авиационной электроники, системы связи.

Для многоуровневых систем управления в настоящее время четко про­слеживается тенденция оформления систем управления среднего уровня в самостоятельном конструктиве для монтажа в стойки или в панели управ­ления. Возможен также вариант настольного или настенного монтажа. Та­кие устройства управления получили название индустриальных рабочих стан­ций, индустриальных компьютеров, панельных компьютеров, промышленных программируемых контроллеров. При этом контроллеры нижнего уровня уп­равления могут подключаться к системе среднего уровня управления не­сколькими способами: через стандартные последовательные или параллель­ные интерфейсы; путем установки на системную шину в качестве специализированных устройств сопряжения с объектом (модулей УСО).

Индустриальные компьютеры имеют, как правило, развитый набор стан­дартных устройств сопряжения с объектом (УСО), делающий их универсаль­ными средствами управления для широкого круга применений. Тем не менее на нижнем уровне управления двигателями, статическими преобразователя­ми и др. требуется в большинстве случаев разработка встроенных специализи­рованных контроллеров, причем эту разработку могут выполнить только спе­циалисты в данной предметной области, хорошо разбирающиеся в особенностях объекта управления, способные предложить и реализовать весь комплекс необходимых алгоритмов оптимального управления объектом.

Главное отличие промышленного контроллера от промышленного компьютера состоит в адаптации языка программирования под конкретную область приме­нения. Так, большинство промышленных контроллеров, выпускаемых такими известными фирмами как Allen Bredley, Simens, Fanuc, ABB и др. являются программируемыми логическими контроллерами (РLС) и имеют встроенные интерпретаторы с языка релейной автоматики или языка Булевой алгебры, что позволяет неспециалисту программирование системы управления. Таким об­разом, одноуровневые системы встроенного управления выполняются преиму­щественно на базе однокристальных микроЭВМ - микроконтроллеров, а двух- и более -уровневые предполагают использование на среднем уровне управления много­платных микроЭВМ типа промышленного программируемого контроллера или компьютера в промышленном исполнении.

Рекомендуемые материалы

Встраиваемое управляющее устройство является микропроцессорной сис­темой управления, в состав которой кроме центрального процессора на базе однокристального микропроцессора и микроконтроллера входят необхо­димые дополнительные элементы памяти и периферийные интерфейсные БИС для организации сопряжения с датчиками, объектом управления и системой управления более высокого уровня.

С точки зрения производителей микропроцессорной техники все зада­чи, решаемые системами встроенного управления делятся на два больших класса: управление событиями в реальном времени и управление потоками дан­ных. Каждый класс задач предъявляет свои специфические требования к микропроцессору или микроконтроллеру, что отражается прежде всего в наборе функций, реализуемых на кристалле, а также в системе команд.

К первому классу относятся задачи, требующие быстрой реакции микро­процессорной системы на изменение внешних условий (на срабатывание тех­нологических датчиков, изменение параметров и т.д.). Как правило, системы управления приводами, энергетическими установками, роботами, а также си­стемы распределенной автоматизации относятся к системам первого класса. Эти задачи требуют применения микроконтроллеров с большим объемом ин­тегрированной на кристалл периферии, включая реализацию на кристалле па­мяти программ, памяти данных и устройств ввода-вывода, что сокращает ап­паратные затраты и удешевляет изделие со встроенной системой управления. Чаще всего в системах управления этого класса для реализации алгоритма уп­равления требуется память относительно небольшого объема (до 32 Кбайт).

Ко второму классу задач относятся задачи, требующие быстрой обработ­ки значительных объемов информации, например в микропроцессорных системах поддержки компьютерных сетей, в системах управления летатель­ными аппаратами, подвижным составом, в системах обработки видеоизоб­ражений, когда встроенный процессор должен выполнять множество раз­личных вычислительных операций, в том числе операций с плавающей запятой. Как правило, для решения таких задач требуется уже высокопро­изводительный 32- или 64-разрядный процессор.

В соответствии с упомя­нутыми выше классами задач, продукция фирмы Intel для встроенных при­менений может быть разделена на следующие группы:

• 8-битовые микроконтроллеры первого поколения (семейство МСSR-48).

• Современные 8-разрядные микроконтроллеры (МCSR-51, МCSR-51, МСSR-251).            

• Современные 16-разрядные микроконтроллеры для управления в реальном времени (МСSR-96, МСSR-196, МСSR.-296).

В лекции "Содержание" также много полезной информации.

• Встраиваемые 16-разрядные и 32-разрядные микропроцессоры РС-подобной архитектуры (80С186, 386ЕХ и др.).

• Высокопроизводительные микропроцессоры, построенные по RISС-технологии (1960).             

Первые три группы изделий ориентированы на управление событиями в реальном времени. Две последние группы предназначены преимущественно для управления процессами. Из изделий, предназначенных для управления событиями, группа 16-разрядных микроконтроллеров МСSR-96 является наи­более производительной и имеет богатейший выбор интегрированных на кри­сталл специализированных периферийных устройств. Основной базой для построения встроенных систем управления нижне­го уровня являются именно однокристальные микроЭВМ и микроконтролле­ры, могут применяться также и законченные одноплатные системы управ­ления на их основе, выпускаемые рядом фирм в качестве контроллеров-прототипов. Долгое время в нашей стране были доступны в основном только освоенные отечественной промышленностью младшие модели 8-разрядных микропроцессоров и микроконтроллеров фирмы Intel, совместимые с изделиями МСS-80, МСS-48, МСS-51, а также 16-разряд­ные процессоры собственной разработки, система команд которые совме­стимы с процессорами фирмы DEC (1816ВМ1, 1816ВМ2). В настоящее вре­мя ситуация резко изменилась, и вся самая передовая продукция ведущих фирм мира стала доступна отечественному разработчику и производителю.

Сегодня разработчики встроенных систем управления стоят перед не­простым выбором: какое изделие и какой фирмы использовать в проекте.

Разработка мощной микропроцессорной системы управления является сложным делом. Для этого необходим штат высококвалифицированных инженеров-схемотехников и программистов, а также соответствующее обо­рудование, а именно комплект аппаратных и программных средств разра­ботки (кстати, для каждого набора микропроцессорных БИС-свой). Со­временные микропроцессоры и микроконтроллеры имеют высокие тактовые частоты и требуют исключительной тщательности как при проек­тировании печатной платы, включая разводку, так и при ее изготовлении.

На сегодняшний день общемировая потребность в микро­контроллерах составляет более 600 млн. штук в год и быстро возрастает. Это говорит о массовом освоении промышленностью изделий с высокопроизво­дительными встроенными системами управления в самых разнообразных отраслях техники. Эти системы находят применение в автомобильной про­мышленности, станко- и роботостроении, в самолетной индустрии, в про­изводстве периферийных устройств компьютеров (приводы дисковых нако­пителей, скоростные принтеры, плоттеры и т.д.), в бытовой технике (стиральные машины, видеомагнитофоны и т.д.) и, разумеется, в энергетике и электромеханике, где 16-разрядные устройства управления появились даже в относительно несложных приводах бытовых кондиционеров. Особенно широкие возможности по применению этих контроллеров открываются пе­ред разработчиками систем автоматизированного привода, стабилизирован­ных источников питания, промышленных контроллеров и других средств автоматизации производственных процессов.