Автоматизированное
рабочее место разработчика устройств на базе однокристальных
микроконтроллеров
В настоящие
время спрос на средства автоматизации технологических процессов и системы управления
и контроля не уменьшается. В условиях высокой стоимости импортного
технологического оборудования предприятия вынуждены заниматься автоматизацией
существующих линий и систем. В различных системах управления, технологических
линиях количество датчиков, необходимых для успешной работы, а также их
быстродействие и информационная емкость существенно отличаются. В большинстве
производств достаточно применить значительное количество простых датчиков порогового
типа с относительно низким быстродействием. Типичное быстродействие 10-3
с, разрядность информации 1 бит. Реже требуется обрабатывать данные, получаемые
от высокоинформативных, но достаточно медленных датчиков, типа термометров (1
с, 10 бит), датчиков деформаций (10-3 с, 10 бит), влажности
(5÷6 бит, 1÷60 с), расхода и т.д. [1]. Системы, требующие
применения быстродействующих датчиков, обладающих высокой точностью (например,
оптических, имеющих быстродействие до 10-7 с и выше и разрядность
передаваемой информации до 14÷16 бит [1, 2]) в промышленности встречаются
не часто. Наиболее легко и быстро перестраиваемыми являются автоматизированные
и автоматические системы на базе универсальных ЭВМ. Как правило, в этих
системах содержится минимум аппаратуры, максимальное количество функций
возложено на центральный процессор и программу. Стоимость таких систем высока
(особенно при применении ЭВМ в технологическом исполнении), а быстродействие
при значительном количестве датчиков оказывается недостаточным даже при
применении процессоров типа Pentium. Наиболее быстродействующими
являются системы на базе аналого-цифровых процессоров обработки сигналов
ведущих фирм Motorola, Texas Instruments, Analog Devices и др. [3, 4]. Однако стоимость
самой системы, если она разрабатывается в единичном экземпляре, а также сложность
ее перенастройки остаются достаточно высокими. В то же время, сами
контролируемые процессы, как правило, протекают медленно, количество датчиков
невелико и системы сбора и обработки информации могут быть построены на базе
однокристальных микро-ЭВМ. Это связано с тем, что ОМЭВМ содержит в своем
составе, как процессор, так и большинство узлов, необходимых для построения
завершенного устройства. Адаптация микроЭВМ к особенности конкретной задачи
осуществляется, в основном, путем разработки соответствующего программного
обеспечения, заносимого затем в память программ. Аппаратная адаптация осуществляется
за счет подключения специальных узлов: мощных ключей, гальванических развязок,
трансляторов уровней, модулей ЦАП, АЦП. В тех же случаях, когда собственных линий
ввода-вывода ОМЭВМ недостаточно, либо они специфичны, в систему включаются
интерфейсные БИС из других микропроцессорных комплектов, а также узлов
аналогового ввода-вывода.
Процесс
разработки микропроцессорных систем обычно содержит три этапа: создание программных
средств, конструирование аппаратных средств и разработку средств диагностики.
Обычно любую микропроцессорную систему мы можем разделить на две части
центральный процессорный блок и периферийную часть. Так как для широкого класса
задач центральный процессорный блок представляет собой унифицированный модуль,
то основная часть времени затрачивается на разработку периферийной части и
программных средств. Наиболее сложной задачей, с которой сталкивается разработчик
в процессе проектирования микропроцессорной системы, является изготовления
работоспособного математического обеспечения и окончательная наладка всей
системы в целом. Использование различных эмуляторов и cross-систем обычно не
приводит к желаемому уменьшению трудоемкости, так как даже в процессе переноса
отлаженной программы написанной на PC в
среде эмулятора на изделие могут возникать различные проблемы. Это связано с
тем, что в среде эмулятора можно увидеть только работу собственно ОМЭВМ, а не
работу разрабатываемого устройства в целом, нельзя учесть помехи от реального
работающего оборудования и т.д.
В связи с этим
разработано автоматизированное рабочее место (АРМ) разработчика устройств на
базе ОМЭВМ, которое является своеобразным гибридом эмулятора и cross-системы и
совмещающее их преимущества.
Назначение
автоматизированного рабочего места разработчика состоит в повышении
эффективности и простоты проектирования, а также окончательной наладки
автоматизированных систем управления. Данное АРМ характеризуется большой
универсальностью, что дает пользователю возможность выбирать в качестве
центрального процессорного блока любую однокристальную микроЭВМ, а также
создавать программные средства не в кодах, как обычно делается в
cross-системах, а на языке Ассемблера. Так же
создана локальная сеть для обеспечения сервисных функций АРМ. Разработанное
АРМ имеет магистрально-модульную архитектуру, что позволяет легко
модифицировать, либо изменять конфигурацию
АРМ.
Функциональная
схема устройства представлена на рис.1.
Минимальная конфигурация АРМ включает :
-
центральный процессорный блок на базе однокристальной
микроЭВМ 1816ВЕ31 (зарубежные аналоги Intel 8031, 8051);
-
интерфейс клавиатуры и индикации;
-
разъемную часть для подключения разрабатываемого устройства;
-
модуль связи по последовательному каналу (возможна поддержка
RS232C) с подключенным к нему каналом связи в ИК диапазоне.
Основная
функция блока управления - переключение микросхем ОЗУ и ПЗУ и перенос
микросхемы ОЗУ из пространства внешней памяти данных (ВПД) в адресное
пространство внешней памяти программ (ВПП). Так как Гарвардская архитектура
ОМЭВМ не позволяет записывать в память программ, отлаживаемая программа
записывается в ОЗУ, на этом этапе расположенное в пространстве ВПД, затем ОМЭВМ
переключает ОЗУ в пространство ВПП, и перезапускается из ОЗУ. ПЗУ программ
остается доступным для исполнения, поэтому необязательно все программные модули
системы загружать в ОЗУ: можно использовать ранее записанные в ПЗУ.
Блок
клавиатуры и индикации построен на основе К580ВВ79. Применение этой БИС
позволяет снять с ОМЭВМ задачи обработки клавиатуры и регенерации изображения
на 7-и сегментных светодиодных индикаторах. При считывании кода нажатой клавиши
БИС отрабатывает алгоритм антидребезга, может обрабатывать n-клавишные
сцепления. После этого БИС выставляет запрос прерывания процессору. Таким
образом, подпрограмма обслуживания клавиатуры в ОМЭВМ оформляется в виде
обслуживания запроса прерывания. Так как БИС ККД имеет несколько
программируемых микропроцессором режимов, ее можно использовать не только для
обслуживания клавиатуры, но и для сканирования матрицы датчиков, ввода по
стробу и т.п. [5, 6].
Дисплейная
часть БИС построена по принципу мультиплексного вывода на индикаторы. Основным
режимом работы в данном случае является режим «кодированного сканирования», при
котором требуется использование внешнего дешифратора и также формирователи тока
светодиодов. В этом режиме максимальное количество знакомест - 16. Дешифратор в
семи-сегментный код – программный. При использовании ИС-дешифраторов в
семи-сегментный код количество отображаемых знакомест может быть расширено до
32-х.
Отдельные АРМ
могут быть объединены в локальную сеть, которая предоставляет дополнительные
сервисные функции, стандартный вариант включает 6 рабочих мест с возможностью расширения до 16 , а также
машину-сервер (IBM PC). Локальная сеть реализована с помощью оптического канала
открытого типа, работающего в ИК диапазоне.
Данная
конфигурация предоставляет широкий спектр сервисных функций:
1. Набор и
редактирование программ осуществляется на языке Ассемблера, либо в кодах
непосредственно с пульта рабочего места
с последующим сохранением ее на диске машины-сервера.
2. Загрузка
программ в ОЗУ рабочего места производится как с машины-сервера, так и
непосредственно с пульта рабочего места.
3. Данное АРМ
позволяет без многократного перепрограммирования ПЗУ проводить окончательную
отладку программного обеспечения и всего устройства в целом путем запуска
программ из ОЗУ.
4. Выполнение
программ на АРМ осуществляется как в интерактивном, так и в пошаговом режиме.
5. Блок индикации
АРМ позволяет в процессе пошагового выполнения программ непосредственно
отслеживать слово состояния, адрес и данные.
6. Локальная сеть
АРМ позволяет моделировать системы, распределенных датчиков.
Данное рабочее
место может быть использовано как непосредственно для разработки
микропроцессорных систем, так и в качестве учебного микропроцессорного
комплекта для освоения студентами
практических навыков разработки и отладки устройств на базе однокристальных
микро-ЭВМ.
Данное
автоматизированное рабочее место внедрено в учебный процесс на базе кафедры
вычислительной техники и электроники физического факультета Алтайского
государственного университета. С помощью данного рабочего места разработан ряд
систем автоматизации, внедренных в последствии в технологический процесс
производств на предприятиях города Барнаула [5, 6].
СПИСОК
ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Аш Ж. и соавторы.
Датчики измерительных систем: В 2-х книгах. Кн.1, 2. Пер. с франц. – М.: Мир,
1992.
2.
Шатохин А.С.,
Михайлов Л.В., Попов В.Ю. Быстродействующий измеритель перемещений и скорости
объекта. Сб. трудов 3 Всесоюзного совещания КЧФ-85, Ч. 1. – Барнаул: Б.и., АПИ,
1985.
3.
Процессоры цифровой обработки
сигналов фирмы Motorola. М.: АОЗТ «Новые
технологии», 1996.
4.
Аксенов А.И. Цифровые
сигнальные процессоры. М.: Энергоатомиздат, 1986.
5.
Шатохин А.С., Тютерев
Е.А., Раков Г.А. Микропроцессорное устройство управления технологическими
процессами в биохимическом и взрывоопасном производстве.// Тезисы докладов
Второй Международной конференции “Датчик - 95”. Датчики электрических и
неэлектрических величин. - Барнаул:
Изд-во АГТУ, 1995.
6.
Тютерев Е. А.,
Шатохин А. С. Распределенная автоматизированная система сбора информации и
управления производством.// Тезисы докладов Всероссийской научно-технической
конференции студентов, молодых ученых и специалистов «Новые информационные
технологии в научных исследованиях радиоэлектроники». - Рязань: РГРТА, 1997.