Микропроцессорная система управления объектом

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

3

ЭМ - 42

 

 Разраб.

Скляр Д.А.

 Провер.

Королев А.А.

 Реценз.

 

 Н. Контр.

 

 Утверд.

 

 

Микропроцессорная система  управления объектом

 

Лит.

Листов

55

БелГУТ кафедра «МТиИУС»

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 

Микропроцессорная система управления объектом

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

1 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ 7

1.1 Алгоритм работы МПС 8

1.2 Обработка цифровой информации 9

1.3 Обработка аналоговой информации 10

1.4 Обработка запросов на прерывания 11

1.5 Пульт управления 13

2 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА 14

3 РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ БЛОКА ЧТЕНИЯ С ДАТЧИКОВ 17

3.1 Чтение информации с бинарных датчиков 17

3.2 Чтение информации с аналоговых датчиков 19

4 РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ БЛОКА ВЫВОДА УПРАВЛЯЮЩИХ СИГНАЛОВ 21

4.1 Блок вывода аналогового управляющего сигнала 21

5 РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ БЛОКА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО КАНАЛА СВЯЗИ 22

Преимущества 22

Недостатки 22

6 РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ ПУЛЬТА УПРАВЛЕНИЯ 24

7 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И ОБЩЕГО АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ 26

8 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА РАБОТЫ БЛОКА ЧТЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ С ЦИФРОВЫХ ДАТЧИКОВ 28

9 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА РАБОТЫ БЛОКА ЧТЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ С АНАЛОГОВЫХ ДАТЧИКОВ 30

 

 

 

 

 

 

 

10 РАЗРАБОТКА  АЛГОРИТМА РАБОТЫ БЛОКА ОБМЕНА ДАННЫМИ ПО ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОМУ КАНАЛУ СВЯЗИ 32

11 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА РАБОТЫ БЛОКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ОПЕРАТОРОМ 34

12 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА РАБОТЫ ОБРАБОТКИ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ 36

13 РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 38

14 РАЗРАБОТКА БЛОКА ПИТАНИЯ ДЛЯ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 39

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 41

ПРИЛОЖЕНИЕ А 42

(ОБЯЗАТЕЛЬНОЕ) 42

СХЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 42

ПРИЛОЖЕНИЕ Б 47

(ОБЯЗАТЕЛЬНОЕ) 47

ЛИСТИНГ УПРАВЛЯЮЩЕЙ ПРОГРАММЫ 47

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Микропроцессор представляет собой функционально завершенное  универсальное программно-управляемое  устройство цифровой обработки данных, выполненное в виде одной или  нескольких микропроцессорных БИС.

Микропроцессорные БИС относятся  к классу микросхем, одной из особенностей которого является возможность программного управления работой БИС с помощью  определенного набора команд. Эта  особенность нашла отражение  в программно-аппаратном принципе построения микропроцессорных систем — цифровых устройств или систем обработки  данных, контроля и управления, построенных  на базе одного или нескольких микропроцессоров. Программно-аппаратный принцип построения микросистем является одним из основных принципов  их организации и заключается  в том, что реализация целевого назначения микросистемы достигается не только аппаратными средствами, но и с  помощью программного обеспечения  — организованного набора программ и данных.

Одно из главных направлений  работы по ускорению научно-технического прогресса – широкая автоматизация  технологических процессов на основе автоматизированных станков, машин  и механизмов, унифицированных модулей  оборудования, робототехнических комплексов и вычислительной техники. В этих целях ускоряется создание гибких автоматизированных производств, систем автоматизированного  проектирования, обеспечивающих существенный рост производительности труда и  резкое снижение доли ручного труда, повышение технического уровня выпускаемой  продукции, сокращение сроков и улучшению  качества проектных и конструкторских  работ.

Для решения этих и ряда других проблем, принципиально важным и необходимым является широкое  применение микропроцессорных вычислительных средств, поскольку именно микропроцессорная техника играет активную роль на современном этапе научно-технического прогресса. Применение цифровых элементов позволяет внедрять очень гибкие решения, значительно упростить конструирование и настройку систем управления.

 

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ

 

В курсовой работе разрабатывается  микропроцессорная система управления некоторым объектом, в данном случае объект абстрактный (рисунок 1.1).

 

Рисунок 1.1 – Микропроцессорная система

 

Микропроцессорная система  принимает информацию об объекте управления от аналоговых и цифровых датчиков  (Д),  вырабатывает   управляющие воздействия (Y) в соответствии с законом управления и подает их на исполнительные механизмы  (ИМ).  Микропроцессорная система состоит из микроконтроллера (МК) – управляющей микро ЭВМ, пульта управления (ПУ) и последовательного канала связи (ПКС). С помощью пульта управления оператор получает возможность управлять работой микро ЭВМ. С помощью последовательного канала   связи микропроцессорная система может передавать  обработанную информацию системе более высокого уровня по ее запросу.

В курсовой работе разрабатывается  структурная схема микропроцессорной  системы, включая устройства связи  с датчиками и исполнительными  механизмами,  и программы,  обеспечивающие выполнение алгоритма управления и  алгоритма обмена, осуществляется

оценка характеристик  микропроцессорной системы и  разработка блока питания. В разделе, посвященном расчету электрических параметров системы необходимо рассчитать потребляемый ток и мощность по каждой из цепей питания. На основании этих расчетов разрабатывается или выбирается готовый блок питания.

1. Алгоритм  работы МПС

 

Рисунок 1.2 – Алгоритм работы МПС

 

Блок «i1» выполняет  начальную установку системы: настройку  периферийных модулей,  посылку в  выходные каналы начальных значений управляющих воздействий и т. д.

Блок   «d1»   реализует   задачу  логического управления: принимает

информацию от двоичных датчиков X1, ..., Х4, вычисляет значение булевой функции в соответствии с заданием   и   выдает   это   значение   в   качестве управляющего сигнала Y1 по соответствующему выходному   каналу   на   исполнительный   механизм.

Блок «a1» обеспечивает прием информации с аналоговых датчиков V1, V2, V3,  ее преобразование   в   цифровую   форму,   вычисление значений управляющих воздействий Y2, YЗ, Y4 и выдачу их на исполнительные механизмы. При этом Y2 и Y3 являются двоичными сигналами, a Y4 – восьмиразрядным кодом, преобразуемым в аналоговый   сигнал   V4.  При   выполнении   этой функции оператор с пульта управления может задавать значение установки.

Блок   «l1»   обеспечивает   циклический   режим управления или останов системы в соответствии   с   командой,   поступающей   с   пульта управления.

2. Обработка цифровой информации

 

Микропроцессорная   система   опрашивает двоичные датчики X1, ..., Х4 и вычисляет булеву функцию в соответствии заданием на курсовую работу. При единичном значении функции система вырабатывает выходной сигнал Y1=1 длительностью T1. Это означает, что через T1 после выдачи единичного сигнала Y необходимо выработать нулевой сигнал Y1. Величина T1, а также уровни логического нуля и логической единицы для входных сигналов указаны в задании на курсовую работу.

В системе имеется также  двоичный датчик аварийной ситуации Х0, единичный сигнал с которого должен вызвать аварийный останов системы в любой момент выполнения рабочего цикла программы.

 

3. Обработка аналоговой информации

 

Сигналы с аналоговых датчиков V1, V2, V3  преобразуются в цифровую форму в АЦП. С выхода АЦП 8-разрядные коды N1 и N2 представляют собой целые числа без знака, поступают на обработку. Величина К – 8-разрядный код уставки, поступающий с тумблерного регистра пульта управления.

Полученное значение функции  сравнивается с константой Q, хранящейся во внутренней памяти. В зависимости от результатов сравнения система вырабатывает двоичные управляющие воздействия Y2 (если N < Q) или Y3 (если N > Q) длительностью T2 или T3 соответственно.

Управляющее воздействие Y4 формируется в виде аналогового  сигнала V4 с ЦАП и поступает на ИМ. Значение Y4 определяется как восьмиразрядное двоичное число по формуле: Y4 =,

где a0 и a1 – восьмиразрядные  коэффициенты, хранящиеся во внутренней памяти микроконтроллера; N3 – восьмиразрядный код, поступающий с выхода АЦП.

Предполагается,  что исходные   величины,  поступающие   с  АЦП меньше единицы, и представляются двоичным числом с фиксированной запятой.

Если после умножения  значение Y4 превышает восемь разрядов, то необходимо принимать значение Y4 равное младшему байту.

 

4. Обработка запросов на прерывания

 

Система обрабатывает запросы  на прерывание пяти уровней:

• запрос на прерывание по сигналу отказа источника питания IRQ0;
• запрос на прерывание по сигналу аварийного датчика IRQ1;
• запрос на прерывание от терминала внешней ЭВМ IRQ2;
• запрос на прерывание от таймера IRQ3;
• запрос на прерывание от пульта управления (прерывание оператора) IRQ4.

 

Прерывание работы системы  при отказе источника питания  имеет высший приоритет. Система  при этом переходит на резервный  источник питания (батарейка) вырабатывает сигнал Y5 установки внешних устройств в исходное состояние (например, отвод головок от диска, останов дисковода и т. д.) и передает в последовательный канал связи (если он был активен) код символа «!». Сигнал Y5 представит собой два прямоугольных импульса длительностью 30 мкс, следующие с интервалом в 30 мкс. После выполнения указанных действий микроконтроллер необходимо перевести в режим пониженного энергопотребления.

Прерывание от сигнала  аварийного датчика включает на пульте управления аварийную сигнализации (светодиодная индикация с частотой 2 Гц) и обеспечивают выдачу на индикацию сигналов двоичных датчиков X1, ... , Х4 и цифровой код N1, поступающий с АЦП. После этого микроконтроллер необходимо перевести в режим пониженного энергопотребления.

Прерывания от терминала  внешней ЭВМ осуществляются при  приеме последовательным каналом связи  символа управления обменом.

Приемник последовательного  адаптера выставляет при этом запрос на прерывание работы основной программы  с целью передачи в последовательный канал связи запрашиваемой информации.  Запрашиваемая 

информация формируется  в зависимости от принятого из канала символа. При приеме символа  “D” в канал передается значение Y1, при приеме символа “А” – значение Y4.  После   загрузки в буфер передатчика БИС последовательного адаптера запрашиваемой информации управление передается в прерванную программу.

Прерывание от таймера  предназначено для записи во внешнюю  память текущих значений входных  и выходных сигналов через интервалы  времени согласно заданию на курсовую работу.

 

Прерывания от пульта управления влекут за собой выполнение следующие действия:

 

1. Выдать на регистр индикации РИ1  значения следующих четырех булевых переменных:

• последнее значение Y1;

• результат сравнения N > Q;
• значение выражения X1 ∧ X2 ∧ X3 ∧ X4;
• значение выражения X1 ∨ X2 ∨ X3 ∨ X4.

 

2. Выдать на регистр индикации РИ2 значение сохраняемой во внутренней памяти константы Q.
3. Организовать  выход из  прерывания  на начало программы обработки.

 

5. Пульт управления

 

Пульт управления должен содержать  следующие элементы:

• регистр со светодиодами индикации значения N1 – РИ1;
• регистр со светодиодами индикации значений (X1, ..., X4) – РИ2;
• регистр со светодиодами индикации значений Y1, Y2, Y3 – РИЗ;
• регистр со светодиодами индикации кода Y4 – РИ4;
• входной   восьмиразрядный   регистр   Р5   для   приема   с   тумблеров пульта кода K;
• светодиод индикации,  на который  подается меандр частотой 2 Гц;
• кнопку «Сброс», при нажатии на которую производится начальная установка элементов системы;
• тумблер «Останов», опрашиваемый в конце каждого цикла выполнения программы.

 

2. РАЗРАБОТКА  СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА