1.3. Микропроцессорные устройства управления (МПУУ)
На рис. L4 приведена структурная схема микропроцессорного устройства управления. Она содержит микропроцессорный управитель МПУ (в общем случае МПУ - это компьютер, содержащий тактовый генератор Тг, оперативное и постоянные запоминающие устройства ОЗУ и ПЗУ соответственно); УСО - устройство сопряжения с объектом; НУ - исполнительные устройства; Д - датчики; ОУ - объект управления.
Микропроцессорное устройство (МПУ). На рис. 1.5 приведена структурная схема обобщенного микропроцессорного устройства. В рисунке использованы следующие сокращения: ЦП - центральный процессор; Тг - тактовый генератор; ШД - двунаправленная шина данных; ПЗУ - постоянное запоминающее устройство; ОЗУ - оперативное запоминающее устройство; ША - адресная шина; ШУ – шина управления; МП - интерфейс памяти; США, СПІД, СШУ - системные шины адреса, данных и управления соответственно. На рис. 1.5 не указаны шинные формирователи и интерфейс ввода-вывода.
Буферирование шин МПУ. Буферирование шин вызвано тем, что нагрузочная способность многих элементов, в частности, и центрального процессора, небольшая и допустимый выходной ток составляет для уровня логического нуля J0Bb[x= 1,9 мА. В то же время, один вход микросхемы ТТЛ структуры потребляет от источника (передатчика) ток ДхгпГ^б мА, следовательно, нагружать выходную линию процессора можно только на один вход ТТЛ. На практике к одной выходной линии может соединяться несколько, а то и десятки входов соответствующих микросхем. В такой ситуации возникает необходимость усиления выходных сигналов, т.е. умощнения выходных ключевых элементов микросхем. Для этой цели промышленностью выпускаются специальные интегральные микросхемы (ИМС) -шинные формирователи. Шинные формирователи обычно имеют три устойчивых состояния, третье - состояние высокого сопротивления (состояние высокого импеданса).
При использовании в устройствах сопряжения ИМС структуры
ТТЛШ (потребляемый ОДНИМ ВХОДОМ ТОК Дхттлш"^ мА) или КМОП (ток
потребления одного входа ИМС КМОП J°BnMoP=0,25 мкА), если длина соединительных проводников от источника до приемника не превышает 10 см., т.е. от центрального процессора до элементов устройства сопряжения, можно обойтись без дополнительных буферных элементов.
При буферировании шин нужно исходить из двух условий:
Если суммарный ток потребления всеми «входами», соединенными к одной линии шины, превышает допустимое значение тока
НагруЗКИ ИСТОЧНИКа Информации (процессора), Т.е. J°BX? > Дьгшп, то
необходимо буферировать.
Если длина соединительных проводников больше 10 см или же шины данных, адресов и управления выходят за пределы платы, на которой расположен центральный процессор, то буферирование обязательно независимо от значения суммарного потребляемого тока.
Существует несколько способов буферирования:
Буферирование выходных цепей МП, ОЗУ, ПЗУ и интерфейсных элементов.
Системное буферирование, при котором выходные линии МП, ОЗУ, ПЗУ, элементов интерфейса, расположенные на одной плате, соединены между собой без буферных устройств, а буферные устройства подключены к шинам, выходящим за пределы этой платы.
Интерфейс ввода-вывода, Интерфейс ввода-вывода содержит необходимое количество портов ввода и портов вывода. В качестве портов вывода обычно используются параллельные регистры, выполненные на D-триггерах. В качестве портов ввода могут быть использованы однонаправленные шинные формирователи, а также универсальные регистры, имеющие третье высокоимпедансное состояние. Подробные сведения об элементах и устройства цифровой техники будут приведены в главе 6.
Устройство сопряжения с объектом (УСО). В общем случае УСО содержит каналы ввода аналоговых и цифровых сигналов (также импульсных сигналов), каналы вывода аналоговой и цифровой информации. Число каналов т ввода и вывода обычно бывает кратным четырем.
Канал вывода цифровых (импульсных) сигналов. Канал вывода цифровых сигналов предназначен для вывода как цифровых, так и импульсных (релейных) сигналов. Релейный сигнал - это дискретный сигнал, который вырабатывается датчиками дискретных сигналов, контактами реле, кнопками, переключателями и т.д. Эти сигналы называют также бинарными. На рис. 1.6 приведена структурная схема канала вывода импульсных (бинарных) сигналов, предназначенных для включения или выключения управляющих цепей ОУ. На схеме использованы следующие сокращения: ДШ - дешифратор; I/Y - импульсный усилитель.
Вывод цифровых сигналов осуществляется обычно непосредственно с выходов регистров порта вывода через шинные формирователи. В случае необходимости передачи выводимой информации на расстояние применяются стандартные последовательные интерфейсы.
Канал вывода аналоговой информации. Очевидно, что этот канал должен содержать преобразователь цифрового сигнала в аналоговую форму, т.е. цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).
Для наглядности на рис. 1.7 приведена структурная схема только одного канала вывода аналоговой информации (в общем случае таких т каналов). После преобразователя ЦАП в схему включены усилители мощности - УМ, играющие роль буферных устройств между нагрузкой и выходом ЦАП.
Каналы ввода цифровой информации. Для ввода цифровой информации в МПУУ в последовательном коде используется стандартный последовательный интерфейс. Параллельная цифровая информация вводится через специально организованные параллельные порты ввода. При этом в качестве порта ввода могут служить шинные формирователи или же универсальные регистры, имеющие третье -высокоимпедансное состояние. Если ОУ находится от МПУУ на большом расстоянии, импульсные и цифровые сигналы должны по-даваться на входы портов вводов через соответствующие формирователи и ограничители.
При вводе импульсных сигналов от датчиков, которые обнаруживают только переход контролируемой физической величиной определенного порогового значения, сигнал имеет только одно из двух состояний: «включено» или «выключено». Такие датчики называются бинарными. Типичными представителями подобных датчиков являются биметаллические переключатели и датчики положения на основе концевых выключателей. Бинарные датчики по принципу действия делятся на контактные и бесконтактные.
Первые содержат электромеханический контакт. В большинстве случаев для управления контактом используются переключательные возможности самого датчика. К контактному типу относятся и датчики комбинированные, как, например, датчик уровня воды, состоящий из поплавка и ммкровыключателя. Выходные сигналы контактных бинарных датчиков сравнительно легко вводятся в МПУУ, Поскольку при замыкании контакта в таких датчиках часто возникает дребезг (многократность контактирования), для устранения нежелательных последствий этого явления необходимо предусмотреть соответствующие аппаратные или программные средства.
К бесконтактному типу бинарных датчиков относятся, например, датчики положения, выполненные на основе оптического прерывателя, или элемента Холла. В датчиках этого типа состояние «включено» или «выключено» на выходе отражается в виде изменения электрического сигнала, имеющего скорее аналоговый, чем чисто цифровой характер. Обычно для улучшения качества выходного сигнала бесконтактного датчика используется компаратор. Компаратор (сравнивающее устройство) сравнивает выходной сигнал датчика с некоторым пороговым уровнем Un и на основании этого оценивает состояние датчика - «включено» или «выключено». Когда выходной сигнал датчика близок к уровню сравнения, то под влиянием шумовых составляющих может начаться многократное срабатывание компаратора. Для устранения этого недостатка схема компаратора должна обладать некоторым гистерезисом, обеспечивающим необходимую зону нечувствительности. При этом следует учитывать, что с увеличением
гистерезиса стабильность срабатывания улучшается, но зато снижается точность обнаружения.
В более широком понимании бинарный датчик бесконтактного типа - это комбинация датчика, имеющего аналоговый выходной сигнал, с компаратором, а бинарный датчик контактного типа - это комбинация с релейной схемой.
На рис. 1.8 приведен пример организации ввода одного разряда цифровой информации. Формирователь импульсов представляет собой импульсный усилитель-ограничитель с большим коэффициентом усиления. Если линия связи не подвергается действиям сильных помех, а также полоса ее пропускания достаточна для передачи информации с соответствующей скоростью, формирователь импульсов может быть исключен из схемы канала ввода.
(Линия связи)
От датчика импульсных сигналов
Ограничитеь
Каналы вводя аналоговой информации. Наиболее сложным в плане схемной реализации является канал ввода аналоговой информации. Он содержит дорогостоящий преобразователь аналоговых сигналов в цифровую форму (АЦП), прецизионные усилители (усилители с коэффициентом усиления высокой точности), запоминающие устройства аналоговых сигналов и т.д. Упрощенная структурная схема одного канала ввода аналоговой информации приведена на
Рис. 1.9. Структурная схема канала ввода аналоговой информации
На рис, 1.9 используются следующие сокращения в обозначениях узлов канала: АД - датчик аналогового сигнала; СУ1 согласующее устройство №1; Ф - фильтр, не пропускает сигналов помехи, настроен на полезный сигнал; МУ - масштабный усилитель (масштабирующий усилитель) с коэффициентом усиления высокой точности: СВХ - схема выборки-хранения, является ячейкой аналоговой памяти; ЭК - электронный коммутатор; СУ2 - второе согласующее устройство; АЦП - аналого-цифровой преобразователь.
Назначение основных узлов канала ввода аналоговой информации. АД - датчик аналогового сигнала информирует о состоянии объекта управления или же внешней среды путем взаимодействия с ней и преобразования реакции на это взаимодействие в электрические сигналы, АД позволяет получать информацию в некотором непрерывном интервале значений физической величины. По виду изменяемого выходного электрического параметра аналоговые датчики бывают: с изменяемым выходным напряжением, током или сопротивлением. Существует множество явлений и эффектов, видов преобразования свойств и энергии, которые можно использовать для создания датчиков, о чем более» подробно будет изложено в главе 4.
Согласующее устройства СУ1 и СУ2 служат для согласования выходного импеданса (сопротивления) источника с входным импедансом приемника информации. Они имеют большое входное и малое выходное сопротивления.
Фильтр Ф предназначен для подавления помех, накладываемых на полезный информационный сигнал в линии передачи сигнала, а также от источника питания.
Масштабный усилитель МУ усиливает сигнал датчика до необходимого уровня, обеспечивающего минимальную погрешность преобразования АЦП.
СВХ- схема выборки-хранения запоминает аналоговый сигнал в течение времени выборки, равного полному циклу опроса всех каналов ввода (всего может быть т каналов). Необходимость включения СВХ в канал ввода объясняется тем, что создание АЦП с большим быстродействием и высокой разрешающей способностью представляет собой технические трудности и обходится недешево. Для частичного решения этой проблемы включают непосредственно перед АЦП схему выборки-хранения, позволяющую, в частности, упростить преобразователь и уменьшить его стоимость. Благодаря почти мгновенному временному квантованию (выборке) исходного сигнала сжимается временная апертура, а далее значение этой выборки запоминается на время, необходимое для полного цикла аналого-цифрового преобразования. Чтобы сохранить информацию об исходном сигнале, желательно выборку производить как можно чаще. Однако частоту выборки обычно ограничивают, пользуясь хорошо известным принципом квантования.
Реальный входной сигнал может содержать шумовые высокочастотные составляющие, поэтому в таких случаях перед схемой выборки-запоминания необходимо оборудовать фильтр нижних частот, подавляющий шумы.
Если производится квантование периодического сигнала с частотой выборки менее двух раз за период сигнала, то воспроизведенный после этого сигнал будет весьма отличен от исходного. Его частота называется фиктивной.
Электронный коммутатор (мультиплексор) ЭК поочередно соединяет вход АЦП с каналами ввода от т датчиков аналоговой информации, т.к. для преобразования в цифровые коды сразу нескольких аналоговых сигналов удобнее использовать единственный преобразователь. Понятно, что благодаря применению мультиплексора одновременно можно ограничиться и меньшим числом портов ввода МПУУ.
Мультиплексор состоит из аналоговых переключателей, каждый из которых может присоединять свой вход к общему для всех переключателей выходу. Выбор того или иного входного канала для подсоединения к выходу производится включением соответствующего аналогового переключателя путем выдачи бинарного кода с его адресом.
Как уже было сказано выше, АЦП осуществляет преобразование аналогового сигнала в цифровую форму для передачи в МПУУ. Более подробные сведения об элементной базе основных узлов каналов ввода-вывода приведены в следующих главах.
Существуют различные способы получения результатов преобразования в МПУУ после того, как преобразование завершено и подана в АЦП от процессора стартовая команда.
Метод голосования. МПУУ после выдачи в АЦП стартовой команды работает по специальной программе, в соответствии с которой производится опрос состояния преобразователя относительно законченности преобразования. Сразу по завершении преобразования результирующие данные считываются, и МПУУ может приступать к их обработке. Обычно для опроса состояния требуется отдельный входной порт.
Метод прерываний. После выдачи в АЦП стартовой команды МПУУ продолжает работать по своей программе. Но как только преобразование заканчивается, АЦП выдает сигнал запроса на прерывание. МПУУ в соответствии с сигналом от АЦП временно прерывает выполнение текущей программы и производит считывание данных преобразования. Этот метод считывания особенно приемлем при использовании АЦП с интегрированием, в которых продолжительность преобразования сравнительно велика и зависит от значения входного сигнала.
Метод прямого доступа к памяти. Данные из АЦП с помощью контроллера прямого доступа к памяти, минуя центральный процессор, переносятся непосредственно в память МПУУ. Этот способ удобно использовать при большом объеме данных, получаемых от быстродействующих АЦП.