Программного управления

Микропроцессорные средства управления. Микропроцессор (МП) – это программно-управляемое устройство, предназначен­ное для обработки цифровой информации, представленной в дво­ичной форме, и управления процессом этой обработки, реализо­ванное на одной или нескольких больших интегральных схемах (БИС). Другими словами, МП – это стандартное универсальное устройство, позволяющее реализовать прием, обработку ипере­дачу цифровой информации.

Микропроцессорная система (МПС) – это совокупность взаи­мосвязанных устройств, включающая в себя один или несколько МП, память – запоминающее устройство (ЗУ), устройства вво­да-вывода (УВВ) и ряд других устройств, предназначенных для выполнения некоторых четко определенных функций.

Микроконтроллер (МК) – устройство, выполняющее функ­ции логического анализа (сложные последовательности логичес­ких операций) и управления, реализуемое на одной или несколь­ких БИС. Данное микропроцессорное устройство, в отличие от МП рассчитанное для узкоспециализированного применения, за счет сокращения функций по выполнению арифметических опе­раций позволяет уменьшить его аппаратную сложность и развить функции логического управления.

Микропроцессорный комплект интегральных схем (МПКИС) –это совокупность микропроцессорных БИС (базовый МПК) и других ИС, однотипных по конструктивному, технологическому исполнению, для которых обеспечена функциональная, структур­ная, информационная и энергетическая совместимость при ис­пользовании в МПС.

Микропроцессорную систему, используемую для управления электроприводами и технологическими комплексами, часто на­зывают управляющей вычислительной машиной (УВМ). Структу­ра и взаимосвязь основных средств микропроцессорной техники в рамках микропроцессорных УВМ показана на рис. 29.

Микропроцессор включает в себя арифметико-логическое уст­ройство (АЛУ), устройство управления (УУ) и блок регистров (БРГ), в который входят регистры, аккумулятор адреса, флаго­вые состояния, программный счетчик общего назначения и т.д. Арифметико-логическое устройство предназначено для выполне­ния арифметических и логических операций с данными, пред­ставленными в двоичной форме, АЛУ и УУ составляют централь­ное процессорное устройство (ЦПУ).

Помимо МП (одного или нескольких) МПС включает в

себя оперативное (ОЗУ) или постоянное (ПЗУ) запоминающие устройства, УВВ и ряд других устройств. Особый класс устройств в составе УВМ составляют устройства связи с объектом (УСО).

Рис. 29. Структура микропроцессорной управляющей вычислительной

машины

Взаимодействие частей УВМ осуществляется посредством шин: адресной (ША), данных (ШД), и управления (ШУ), связываю­щих в единую систему компоненты МПС, а также шин измере­ния, контроля и управления, которые совместно с соответствую­щими УСО или с устройствами связи с процессом обеспечивают непосредственное взаимодействие МПС с управляемым объектом или процессом.

Шина адреса — набор однонаправленных сигнальных линий, по которым от ЦПУ к памяти или устройствам ввода-вывода пе­редаются коды адреса.

Шина данных — набор двунаправленных сигнальных линий, по которым передаются данные между ЦПУ и памятью либо устрой­ствами ввода-вывода.

Шина управления — набор сигнальных линий, которые исполь­зуются для синхронизации работы ЦПУ и других элементов ком­пьютерной системы.

Конструктивно МПС могут быть подготовлены для работы с человеком-оператором, т.е. иметь клавиатуру, дисплей и другие необходимые компоненты, в этом случае ее называют микроЭВМ. Возможно также предназначение МПС для агрегатирования, т.е. для работы в конструктивно и функционально едином комплексе аппаратуры.

Микропроцессор — это управляющее устройство с гибким ал­горитмом работы, который программно закладывается в память процессора. Заложенная в ЗУ программа может быть изменена или полностью заменена для выполнения других функций управле­ния, т.е. МП является универсальным устройством.

Возможность программирования определяет широту использо­вания МП для решения разных задач управления. Последователь­ность команд, обеспечивающих реализацию требуемого алгорит­ма управления, образует программу. Команды, заложенные в про­грамму, выполняются МП в пошаговом режиме в записанной по­следовательности. Каждая команда программы содержит информа­цию о том, что нужно делать с исходными данными (операндами) и по какому адресу поместить результат операции. Первая часть команды содержит код операции (КОП) (например, сложение, логическое сравнение и др.). Вторая часть команды — адресная — содержит адреса расположения операндов, с которыми прово­дится данная операция и адрес регистра или ячейки памяти, куда должен быть помещен результат. Бывают и безадресные команды.

Команды, адреса и операнды МП выражаются многоразрядными двоичными кодами. Современные МП, предназначенные для уп­равления электроприводами, оперируют с 16-разрядными словами (количеством информации, обрабатываемой за цикл работы МП).

Составленные на языках программирования низкого (язык ас­семблера и др.) или высокого (Бейсик, Си, Паскаль и др.) уров­ня программы далее переводятся (транслируются) с помощью специальных кросс-программ в систему машинных кодов, кото­рыми оперирует МП.

Память ОЗУ и ПЗУ в составе МПС служит для размещения данных, программы и результатов обработки данных. Для расши­рения возможностей МПС могут использоваться и внешние запо­минающие устройства (ВЗУ).

Устройства ввода-вывода информации служат для взаимодей­ствия МПС с оператором и управляемым объектом. К УВВ отно­сятся пульты управления и программирования, дисплеи и другие внешние устройства, а также БИС параллельного и последова­тельного интерфейсов.

Устройства связи УСО обеспечивают связь МПС с внешними для МПС устройствами: датчиками, несущими информацию, под­лежащую обработке в МП, и устройствами управления силовой частью электропривода. Поскольку некоторые датчики и устрой­ства управления могут быть аналоговыми, возникает задача пере­вода аналоговой информации в цифровую и обратно. Эта опера­ция осуществляется аналого-цифровыми АЦП и цифроаналоговыми ЦАП преобразователями, входящими в состав УСО.

Интерфейсное устройство (ИУ) — это совокупность аппарат­ных средств и программ, обеспечивающих управления передачей информации между МП, памятью ЗУ и внешними устройствами.

По назначению МПС можно разделить на универсальные и спе­циализированные. Универсальные МПС используют стандартные языки программирования, имеют широкий набор периферийных уст­ройств и могут использоваться для выполнения разнообразных задач управления и вычислительных операций, в частности реализа­ции требуемых передаточных функций операционных регуляторов.

Специализированными называют МПС, ориентированные на выполнение конкретных задач управления. Наиболее широко ис­пользуемые специализированные МПС — это программируемые контроллеры и микроконтроллеры.

Они имеют ту же структуру, что и универсальные МПС, но за счет сокращения объема выполнения арифметических операций, увеличения числа УВВ и УСО аналогового и дискретного типа эти МПС более приспособлены для управления технологическими процессами. Программируемые контроллеры (ПК) имеют, как прави­ло, объектно-ориентированные более простые в использовании языки программирования. В настоящее время выпускается и ис­пользуется большое число типов программируемых контроллеров: Деконт, MCS-196/296 и др.

Структурная схема ПК приведена на рис. 30. Модули ввода (входные модули) формируют сигналы, поступающие от разных периферийных устройств (конечных выключателей, электрических аппаратов, тепловых реле и т.п.). Данные сигналы имеют оптронную развязку. Сигналы, поступающие на вход, имеют, как правило, два уровня «0» и «1». Модули вывода (выходные модули) подают сигналы на управляемые исполнительные устройства электроавтоматики станка (контакторы, пускатели, электромагниты, сигнальные лампы, электромагнитные муфты и т.д.). При выходном сигнале «1» соответствующее устройство получает команду на включение, а при выходном сигнале «0» - на выключение. В соответствии с параметрами управляемых устройств модули вывода имеют силовые (транзисторные) электронные ключи, рассчитанные на соответствующую силу тока (постоянного DC или переменного AC) и обеспечивающие подачу на исполнительное устройство необходимого по величине электрического напряжения.

Рис. 30. Структурная схема программируемого контролера:

1 – процессор; 2 – таймер и счетчики; 3 – перепрограммируемая память; 4 – оперативная память (ОЗУ); 5 – общая шина связи блоков; 6 – блок связи с устройством ЧПУ или ЭВМ; 7 – блок подключения пульта для программирования; 8 – модули ввода; 9 – коммутатор ввода-вывода; 10 – модули вывода; 11 – пульт программирования с клавиатурой и дисплеем

Процессор с памятью решает логические задачи управления модулями вывода на основании информации, поступающей на модули ввода, и алгоритмов управления, введенных в память. Таймеры настраивают на обеспечение выдержек времени в соответствии с циклами работы ПК. Счетчики также решают задачи реализации цикла работы ПК.

Ввод программы в память процессора и ее отладка выполняются с помощью \специального переносного пульта, временно подключаемого к ПК. Этим пультом, представляющим собой устройство записи программы, можно поочередно обслуживать несколько ПК. В процессе записи программы на дисплее пульта отображается текущее состояние управляемого объекта в релейных символах или условных обозначениях. Ввод программы может также осуществляться через блок связи с устройством ЧПУ или ЭВМ.