Игумнов Н. П. Типовые элементы и устройства систем автоматического управления (стр. 28 из 33)
Система управления двумя двигателя, рисунок 8.3, в, на логических элементах выполняет следующие функции: включение двигателей М1 (контактор КМ1) и М2 (контактор КМ2) с помощью кнопок SB1 и SB2; отключение двигателей М1 при срабатывании конечного выключателя SQ1 и М2 при срабатывании выключателя SQ2; отключение двигателей кнопкой SB3 «Стоп»; блокировку, запрещающую одновременную работу двух двигателей М1 и М2.
Схема рисунок 8.3, в, во многом повторяет схему рисунок 8.3, б. Для размножения сигналов запрета в ней применяются диодные элементы ИЛИ, входящие в состав серии логических элементов.
На рисунке 8.3, г, приведен типовой узел, с помощью которого может быть реализовано управление по принципу времени. В этой схеме узел «Память» представлен одним элементом, а логический элемент задержки времени обозначен ЭВ. Узел работает следующим образом. При нажатии кнопки SB1 «Пуск» через усилитель А подается питание на катушку контактора КМ, который включает двигатель. Одновременно с этим сигнал поступает на вход элемента задержки ЭВ, которой, отсчитав свою выдержку времени, включает реле КТ. Это реле, в свою очередь, производит требуемые переключения в схеме управления, в частности вызывает шунтирование пускового резистора.
8.3 Микропроцессорные комплекты и системы
Увеличение уровня интеграции ИС и улучшения их технико-экономических характеристик позволили использовать вычислительные устройства во многих областях: от устройств промышленного оборудования и контрольно-испытательной аппаратуры до ЭВМ. Процесс применения ИС для построения различной вычислительной техники значительно ускорился с применением микропроцессоров.
Название «микропроцессор» связано с исполнением процессора на одной или нескольких кристаллах полупроводниковой ИС. Микропроцессоры служат главными функциональными частями микро-ЭВМ, которые реализуются на БИС. Подготовительным этапом развития микропроцессоров стали микрокалькуляторы. Именно на них были отработаны технологические, схемо-технологические и архитектурные решения, которые широко использовались в дальнейшем при создании первых микропроцессоров.
Микропроцессор – самостоятельное или входящее в состав ЭВМ устройство, осуществляющее обработку информации и управляющее этим процессом, выполненное в виде одной или нескольких БИС. В общем случае в состав микропроцессора входят, рисунок 8.4: арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство управления УУ и регистровое запоминающее устройство РЗУ. Эти три основные части МП соединены тремя линиями связи – шинами данных ШД, шинами адресов ША и шинами управления ШУ.
Рисунок 8.4 Структурная схема микропроцессора
Арифметически-логическое устройство предназначено для выполнения арифметических и логических операций над данными, представленными в виде двоичных чисел. Данные, с которыми производятся эти операции, называются операндами. Обычно в операции участвуют два операнда, один из которых находится в специальном регистре – аккумуляторе А, а другой – в регистрах РЗУ (или памяти МП). Иногда АЛУ называют операционной частью МП.
Регистровое запоминающее устройство содержит несколько регистров общего назначения (РОН), а также регистры специального назначения, в частности счетчик команд СК. Иногда РЗУ называют внутренней памятью МП.
Управляющее устройство предназначено для выработки сигналов управления, обеспечивающих работу блоков в МП. В состав УУ входит регистр команд РК, в котором фиксируется выполняемая в данный момент команда.
Работа МП обеспечивается программой, записанной в его памяти.
Последовательность команд, обеспечивающих реализацию заданного алгоритма обработки информации, образует программу. Важной особенностью работы МП является то, команды программы в нем выполняются в пошаговом режиме строго в записанной последовательности.
Каждая команда программы содержит информацию о том, что нужно делать, с какими операндами и по какому адресу поместить результат операции. Для этого команда имеет структуру, приведенную на рисунке 8.4, б. Первая часть ее содержит код операции КОП, т.е. информацию о характере операции над операндами (например, сложение, логическое сравнение и др.). Вторая часть команды – адресная – содержит адреса расположения операндов, с которыми производится данная операция, и адрес регистра или ячейки памяти, куда должен быть помещен результат.
Команды, адреса и операнды МП выражаются двоичными многоразрядными числами, представляемыми, как и во всех цифровых устройствах, комбинацией двух уровней напряжения – высокого и низкого. Первые МП оперировали четырехразрядными числами, а в современных МП используются восьми- и шестнадцатиразрядные числа. Использование в МП многоразрядных двоичных чисел позволяет повысить их быстродействие и точность работы.
Программа (совокупность команд) МП может быть записана несколькими способами. Первый из них предусматривает запись команд непосредственно в виде двоичных чисел, т.е. в виде так называемого машинного кода, понятного для данного МП. Такой способ составления программ в большинстве случаев оказывается малоудобным и требует больших затрат времени, особенно при создании больших программ.
Более удобным является использование языков программирование. Языки низкого уровня типа АССЕМБЛЕР, как средство общения с МП включают в себя несколько десятков типовых команд, представленных в условных мнемокодах. Например, язык этого типа для отечественного восьмиразрядного МП типа К580 включает в себя около 80 типовых команд – арифметических, логических, пересылки данных, передачи управления и ряд других. Отметим, что тот или иной язык используется только на этапе программирования, а оперирует МП при своей работе с двоичными числами.
Большие возможности и удобства пользователю микропроцессорными схемами управления представляют языки программирования высокого уровня: ФОРТРАН, ПАСКАЛЬ, ПЛ/М, БЕЙСИК, СИ, АДА и их разновидности (диалекты). Составленные на этих языках программы далее транслируются (переводятся) с помощью специальных программ, получивших название кросс-программ, в систему машинных кодов, понятных для МП.
Представленный на рисунке 8.4, а МП не может быть непосредственно использован для управления объектом автоматизации. Для выполнения функций управления схема МП должна быть дополнена целым рядом блоков, к числу которых относятся устройства памяти, устройства согласования с другими блоками объекта управления, устройства ввода-вывода, генератор тактовых импульсов и ряд других.
Совокупность МП и перечисленных выше устройств образует микропроцессорную систему (МПС), структурная схема, которой приведена на рисунке 8.5.
Состав МПС наряду с МП входят устройства памяти оперативной ОЗУ и постоянной ПЗУ, интерфейсное устройство ИУ, устройства сопряжения УС с внешними объектами; внешние запоминающее устройства ВЗУ, устройства ввода-вывода информации УВВ, общая шина ОШ, включающая в себя ШД, ШУ, и ША. Кроме того, на схеме СЧЭП обозначена силовая часть ЭП (преобразователь - двигатель механическая передача). Рассмотрим кратко назначение каждого из устройств МПС.
Рисунок 8.5 Микропроцессорная система
Устройства памяти ОЗУ и ПЗУ служат для размещения подлежащих обработке данных и программы, в соответствии с которой эта обработка должна вестись, а также результатов обработки. Для расширения возможностей МПС, кроме ОЗУ и ПЗУ, могут использоваться ВЗУ, к числу которых относятся накопители информации на гибких магнитных дисках и др.
Устройства ввода-вывода информации (УВВ) предназначены для обеспечения взаимодействия МПС и человека в удобной для него форме. К устройствам ввода-вывода относятся клавиатура пульта управления, принтер, графопостроители, устройства визуального представления информации (мониторы) и др.
Устройства сопряжения (УС) обеспечивают связь МПС с различными внешними (периферийными) устройствами. Они могут иметь самые разнообразные схемные и элементные реализации. В частности, для связи МПС с датчиками координат ЭП (Д) и блоками схемы управления ЭП (СУЭП) широко используются аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи электрических сигналов, обозначенных на схеме УС1 и УС2.
Устройства сопряжения УС3 и УС4, предназначенные для связи МПС с ВЗУ и УВВ, представляют собой в простейшем случае буферные (промежуточные) регистры памяти для хранения данных, передаваемых с общей шины ОШ на внешние устройства или обратно. Устройства сопряжения, получившие название контроллеров (микроконтроллеров) выполняют более сложные функции, и их работа может программироваться.
Устройства сопряжения УС5, выполняющие согласование работы МПС с другими МПС и ЭВМ, называются адаптерами.
Интерфейсное устройство (ИУ) – это совокупность электронных схем, шин и алгоритмов (программ), обеспечивающая управление передачей информации между МП, памятью и внешними устройствами (УВВ, ВЗУ, Д). Другими словами, интерфейсное устройство обеспечивает требуемое взаимодействие МПС с указанными внешними устройствами при изменении режима ее работы. Типичным примером является переход от выполнения одной программы к выполнению другой при поступлении от какого-либо внешнего устройства сигнала управления. Такой переход получил название прерывания. После завершения прерывающей программы ИУ обеспечивает возврат МПС к работе по прерванной программе. Примерами ИУ являются таймер, блок прямого доступа к памяти, блок организации прерываний.