Автоматизированное рабочее место разработчика устройств на базе однокристальных

микроконтроллеров

А.С. Шатохин

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.

Рис. 1. Функциональная схема АРМ

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.