Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
1. Структурная организация, классификация, функциональные задачи, информационная модель.
|
ЭМС (ЛСУ) определяет весь спектр задач, которые д. решать система управления в общем. |
В результате изучения ЛСУ необходимо знать: 1. Основные характеристики ОУ; 2. Измерительные элементы и устройства; 3. ИМ; 4. Усилители и преобразователи сигналов; 5. Автоматические регуляторы (аналоговые и цифровые); 6. Принципы построения локальных систем; 7. Основные методы анализа и синтеза ЛСУ.
Классификационным признаком ЛСУ является не тип объекта управления, а тот алгоритм, в соответствии с которым данный объект функционирует. В соответствии с этим ЛСУ можно разделить на: 1. Системы автоматической стабилизации параметров объекта или тех. процесса; 2. следящие системы различных типов; 3. Программного управления; 4. Логического управления; 5. Автоматического контроля.
При выборе обоснований или разработке ЛСУ необходимо учитывать особенности того класса систем, для которых эти ЛСУ предназначены и прежде всего характер функциональных задач управления в системах данного класса.
Виды структур ЛСУ
|
Данная структура возможна лишь при наличии полного формализованного мат. описания функционирования объектов управления. |
В контур управления включается оператор (воздействует на какой-либо процесс). |
||
|
Двухуровневая распределенная децентрализованная система управления. |
|||
|
К – подсистема команд; П – подсистема преобразования информации; И – подсистема исполнения; ОПВ – оператор верхнего уровня.. |
Информационная модель ЛСУ
|
Что можно получить: 1. Количество аналоговых сигналов 2. Количество дискретных сигналов 3. Количество цифровых сигналов 4. Динамические совйства ОУ |
2 Особенности реализации вычислительных процедур в цифровых ЛСУ. Табличные методы обработки информации.
|
Основные задачи вычислительного характера, возлагаемые на МПС: 1. Траекторные расчеты 2. Математические вычисления 3. Расчеты, необходимые при контроле и диагностике технологического оборудования 4. Определение истинных значений по параметрам датчиков 5. Определение поправок измерительных каналов и приборов 6. Воспроизведение различных кривых функций времени |
Табличные методы обработки информации
При табличной организации АЛУ, в качестве основного функционального узла обработки информации выступает запоминающее устройство (ЗУ), куда заносятся таблицы логических, арифметических, элементарных и других функций.
Главный плюс такого типа АЛУ является резкое снижение в процентном отношении вычислительных и логических операций, осуществляемых в МПС, путем их замены операциями пересылки операндов, обращение к таблицам и выдача конечного результата.
Табл. методы реализуются двумя способами: непосредственным и косвенным.
Непосредственный способ
|
В шифратор записывается предварительно вычисленное значение вычисляемой функции. «+» - макс. Быстродействие; «-» - большой объем памяти, занимаемый таблицей. |
Косвенный метод
|
При данном способе значение вычисляемой функции определяется промежуточным значением , которое в алгоритмическом блоке (АБ) путем реализации достаточно простых операций (логич. и арифм.) приводит к получению значений вычисляемой функции . |
,
где m – длина разрядной сетки АЛУ (*)
- значение вычисляемой функции в узловых точках
- m-разрядный код старшей части аргумента
- k-m-разрядный код младшей части аргумента
- некоторая корректирующая функция или поправка
Процесс вычисления с использованием (*) сочетает в себе поиск значений функции по таблице с грубым значением аргумента и введение соотв. поправок для определения точных значений . Значения вычисляются предварительно и заносятся в ЗУ МПС. Корректирующая функция находится различными методами (разл. в степенные ряды, полиномы, интерполирование), выбор которых определяет в итоге скорость, точность вычислений и объем ЗУ, отводимый под значения .
3. Оценка точности реализации алгоритмов обработки информации в ЛСУ.
Для анализа точности используется 2 подхода: апостериорый (экспериментальный) и априорный (аналитический). Оценка точности реализации таблично-алгоритмического метода вычислений определяется в данн. случае по полностью определенным исходным данным (известен метод, алгоритм).
, где - АЦП
Для оценки параметрической погрешности используем простейший метод округления (усечение), т.е. отбрасывание младших, неиспользуемых разрядов.
(1)
Т.о., задаваясь различными значениями исходных параметров таблично-алгоритмического метода вычисления k, m, уn, уn+1, используя соотношение (1), вычислить на любом из интервалов линейной интерполяции.
При оценке ошибки аппроксимации , предварительно условимся, что вычисляемая с помощью МПС функция является достаточно гладкой, в смысле плавности ее изменения от до . Это позволяет сделать вывод, что максимальное значение лежит на середине любого интервала линейной интеполяции.
Для определения искомых значений функции в точке (2) и вывода аналитического соотношения, связывающего параметры таблично-алгоритмического метода вычислений (, k, m, k-m) со значениями ошибки аппроксимации , воспользуемся методом квадратичной интерполяции. Геометр. смысл последнего заключается в том, что вычисляемая функция на интервале заменяется параболой с координатами , проходящей ч/з эти точки и ось которой || оси ординат: , где уn(x), ун(x) - соответственно значения интерполяционных многочленов 1-й и 2-й степени в т. X. Т.к. нас интересует значение параболы в точке X, а не ее аналитическое выражение, воспользуемся методом Эйткена, в соотв. с которым значения параболы у3,4,5(x) в точках определятся выражениями:
, где ;
Необходимо отметить, что значение ошибки в точке определится не только значением интерполяционного многочлена у3,4,5(x) в данной точке, но и зав. от положения следующей точки . Поэтому, для получения гарантированного значения величины , строим вторую параболу и для нее тоже определяем ошибку аппроксимации .
, где
Учитывая условия постоянства шага по аргументу X, кратного основанию двоичной системы счисления, а так же тот факт, что max значение лежит на середине любого интервала линейной интерполяции:
4. Системы сбора и первичной обработки информации в ЛСУ. Определение истинных значений параметров объекта по показаниям датчиков.
Основные характеристики потока информации: 1. Объект управления как источник информации; 2. Назначение процесса информирования; 3. Структура сообщений при вв/выв информации и ее передаче; 4. Распределение объема передаваемой информации во времени; 5. Периодичность возникновения информации; 6. Вид инф-ии (аналог., цифр., дискретная); 7. Наименование контролируемых параметров; 8. Условия отображения информации.
Задачей сбора, регистрации и первичной обработки информации явл. прием необходимой информации, характеризующей и оценивающей состояние объекта или процесса и предназначенной для последующей обработки.
Каждый канал представляет собой последовательность звеньев, в которых сигнал может искажаться в связи с нелинейностью звеньев, случайной ошибкой, задержками, зонами нечувствительности и т.д.
Влияние помех на вых. сигнал измерительного канала можно свести к 2-м видам: 1. Систематическая ошибка (изм. полезного сигнала по фазе и амплитуде); 2. Случайная ошибка.
Систематическая ошибка неизменна по природе и называется неточностью измерений, поэтому конкр. измерит устройство сравнивается с моделью или эталоном, а искажения устраняются за счет калибровки, линеаризации, компенсации и т.д.
При сборе и первичной обработке данных выполняется след. основная задача: известны наблюдаемые, т.е. измеренные и содержащие ошибки действительные значения процесса на входе МПС.
Определение истинных значений параметров объекта по показаниям датчиков.
Комплекс задач: 1. Обеспечить сбор сигналов процесса, благодаря благодаря считыванию и индикации измеренных значений для характеристики конкретного состояния процесса; 2. Контролировать достоверность измренных значений; 3. Выбор соответствующего масштаба посредством пересчета измеренных значений, калибровки и линеаризации хар-к оборудования; 4. Корректировка влияния ошибок и помех; 5. Ведение архива данных о процессе с целью их дальнейшего использования.
Определение истинных значений параметра.
1. Характеристика датчика линейна
, Uy – значение сигнала на выходе АЦП; Х – измеряемая физ. величина с соотв. размерностью.
, где КМ – коэфф. Пропорциональности; КМ=a-1; U0=b/a.
2. Если F(x) представлено нелинейной аналитической функцией, то для получения Ux можно воспользоваться различными методами равномерного приближения, например, разложением функции Uy в степенной ряд.
3. Часто зависимости Ux=f(Uy) получают экспериментально и результаты изм. включают случайные погрешности. В данном случае целесообразно использовать методы аппроксимации, экспериментальные результаты заменяются некоторой приближающей функцией в виде многочлена. В качестве приближающей выберем линейную функцию: ; ; .
Приближающая функция имеет два параметра и . Они должны минимизировать отклонение приближающей функции . Для этого применим метод наименьших квадратов. В результате получим:
4. Если Ux=F(Uy) не м.б. аппроксимированной аналит. функц. или ее вычисление связано с большими затратами машинного времени, используют табличный срособ задания значений параметров объекта. При этом весь диапазон изменения Uy делят на N интервалов и для каждого узла интерполяции число Uyn преобразуют в адрес ячейки памяти, в которую предварительно заносят соответствующие значения Ux=F(Uy).
5. Типовые непрерывные законы управления. Устойчивость промышленных систем управления с непрерывными регуляторами.
Динамические характеристики ОУ обычно м.б. аппроксимированы некоторыми типовыми зависимостями. Это позволяет всё возможное разнообразие требуемых законов регулирования свести к нескольким т.н. типовым законам, которые в подавляющем большинстве используются на практике. Соответственно проблема анализа и синтеза СУ с этой т.з. сводится лишь к выбору подходящего регулятора с типовым законом регулирования и определению оптимальных значений параметров настройки регулятора.
|
ТП - тиристорный преобразователь ДПТ - двигатель постоянного тока u(t) = F[e(t)] - определяет вид закона регулирования |
Типовые законы управления объектом семейства ПИД
|
- с общим коэффициентом передачи - с отдельной пропорциональной составляющей |
- пропорциональная составляющая - интегральная составляющая - дифференциальная составляющая - время изодрома - постоянная интегрирования |
1. И-регуляторы
|
, , где |
- коэффициент пропорциональности - численно равен скорости перемещения РО при отклонении рег. величины на единицу её измерения. |
|
И-регуляторы перемещают РО пропорционально интегралу от отклонения регулируемой величины, иными словами - со скоростью пропорциональной отклонению регулируемой величины от её заданного значения. Интегральная составляющая, вводимая в прямой канал регулирования обеспечивает значение установившейся ошибки равное нулю, т.е. придаёт системе астатизм. Поэтому И-регуляторы могут устойчиво работать для объектов, обладающих самовыравниванием, т.е. отклонение регулируемой величины с нек. времени стремится к некоторому установившемуся значению: |
2. П-регуляторы
|
Коэффициент передачи численно равен перемещению РО, которое осуществляет регулятор при отклонении регулируемой величины на единицу измерения. П-регуляторы позволяют устойчиво регулировать практически все промышленные объекты; используются для увеличения быстродействия; недостаток - наличие статической ошибки. |
3. ПИ-регуляторы
На практике соединяют свойства И- и П-регуляторов:
|
=> |
Или с общим коэффициентом передачи:
|
=> |
|
|
, т.е. скорость перемещения РО пропорциональна отклонению (e(t)) и скорости его изменения (). |
4. ПИД-регуляторы
|
Дифференциальная составляющая используется только в том случае, если при использовании пропорциональной составляющей последняя не обеспечивает соответствующего быстродействия. |
Устойчивость системы «Регулятор - Объект Управления»
Устойчивость рассматривается с точки зрения влияния пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих на устойчивость системы в целом.
Для анализа устойчивости будем использовать частотный критерий устойчивости Найквиста.
|
1) П-регулятор: |
|
2) И-регулятор: , при постоянном . |
Система вводит запаздывание, то есть интегральная составляющая ухудшает устойчивость системы. |
|
3) ПИ-регулятор: – система с астатизмом первого порядка. , если , тогда: – передаточная функция объекта управления. |
ПИ-регулятор также ухудшает св-ва системы в плане устойчивости. |
|
4) ПИД-регулятор: Т.к. дифф. составляющая вносит упреждающее действие в случае любого отклонения регулируемой величины от заданного значения, то можно предположить, что дифф. составляющая улучшает устойчивость с-мы, но только в области низких и средних частот. В области высоких частот устойчивость системы может ухудшаться, но т.к. объекты автоматизации в общем случае являются достаточно инерционными, то правильным является первый вывод (улучшает устойчивость). |
Видно, что годограф разомкнутой с-мы в области низких и средних частот будет отдаляться от т-ки с координатами (-1;j0). |
6. Реализация типовых законов управления в цифровых ЛСУ. Адекватность моделей непрерывных и цифровых регуляторов.
ИЭ1 - импульсный элемент входного коммутатора, который преобразует непрерывный сигнал в последовательность импульсов
КЭ - кодирующий элемент, который осуществляет квантование сигнала по уровню
ДФ - дискретный фильтр
НЭ - нелинейный элемент преобразует цифровой код в последовательность символов
ИЭ2 – вых. коммутатор, импульсы от которого через экстраполятор (Э) воздействуют на ОУ.
Причина вопроса при таком подходе является установление соответствия между параметрами непрерывного и цифрового регуляторов, обеспечивающего адекватность их характеристик.
Однако дискретизация операций интегрирования и дифференцирования порождает ошибки аппроксимации, которые в свою очередь искажают динамические характеристики как самого регулятора, так и всей системы в целом.
Для малых тактов квантования T данное уравнение можно преобразовать в разностное с помощью дискретизации, состоящей в замене производной разностью первого порядка, а интеграла суммой. При этом интегральная часть аппроксимируется с помощью метода прямоугольников или трапеций.
Раскрыв скобки и приведя подобные, получим:
, (1)
где , ,
непрерывный регулятор: , , => дискретный регулятор:, , , T
Проанализировав (1) можно сделать выводы:
1. для малых тактов квантования параметры дискретного ПИД-регулятора , , можно вычислить, используя известные значения параметров , , непрерывного ПИД-регулятора. 2. значения , i = 0,1,2,.. зависят от шага дискретизации и используемых численных методов интегрирования и дифференцирования. 3. размерность величин с размерностью коэффициента передачи K непрерывного регулятора.
Параметры дискретного регулятора , , имеют простой физический смысл. Рассмотрим вид переходного процесса на выходе регулятора при подаче на его вход типового воздействия e[n].
1. ПИ-регуляторы
|
- дискр. коэф-т интегр-ия По аналогии с непр. ПИ-регулятором д. вып-ся неравенство: , Условия адекватности характеристик: 1). >0 2). +>0 => >- |
2. ПИД-регуляторы
|
- дискр. коэф-т интегр-ия По аналогии с непр. ПИД-регулятором д. выполнятся неравенства: Условия адекватности характеристик: 1). >0 2). ->0 => > 3). ++>0 |
7. Принципы построения и основные структуры реальных промышленных регуляторов.
Рассмотрим общий принцип построения желаемой структуры автоматических регуляторов.
При охвате какого-либо участка схемы с передаточной функцией , отрицательной обратной связью получаем эквивалентную передаточную функцию , если >>
1. П-регуляторы
|
=> |
Оценим точность реализации П-закона регулирования:
Параметром настройки реального П-регулятора является коэффициент обратной связи . Чем больше (меньше) , тем меньше (больше) коэффициент передачи регулятора . Одновременно следует иметь ввиду, что чем больше , тем больше постоянная времени балансного звена и тем больше искажение идеального П-закона регулирования.
2. ПИ-регуляторы
|
без общего коэффициента передачи регулятора параметры настройки: , |
с общим коэффициента передачи регулятора .параметры настройки: , |
|
Постоянной времени изодрома регулятора с ПИ-законом регулирования называется время, в течение которого от действия интегральной составляющей удваивается пропорциональная составляющая. |
Рассмотрим следующие схемы:
а).
|
Чем больше , тем меньше и меньше погрешность реализации ПИ-закона регулирования. Однако при увеличении уменьшается коэффициент передачи ПИ-регулятора, поэтому для сохранения требуемого значения коэффициента передачи регулятора с увеличением следует пропорционально увеличивать и . |
б).
|
,где=>, где , |
в).
|
В данной схеме ПИ-закон регулирования реализуется за счёт динамических свойств канала обратной связи, охватывающей усилительную и исполнительную часть регулятора. , где => => , где , |
г).
|
, где => => , где , |
3. Дифференцирующие регуляторы
П- и ПИ-регуляторы не могут упреждать ожидаемые отклонения регулируемой величины, реагируя только на уже имеющееся в данный момент нарушения технологического процесса.
В случае поступления на объект значительных возмущений, вызванных значительным отклонением регулируемой величины, желательно иметь регулятор, который вырабатывал бы регулирующее воздействий пропорциональное скорости отклонения регулируемой величины от заданного значения.
, - постоянная дифференцирования
ПИД-регуляторы - используют для увеличения быстродействия
Параметры настройки: , , , .
|
, где , , |
Ещё одна схема ПИД-регулятора:
8. Модули УСО и удаленного ввода - вывода.
Неотъемлемой частью любой АСУТП являются устройства связи с объектом (УСО), назначение которых заключается в сопряжении датчиков аппаратуры и исполнительных механизмов контролируемого объекта и/или технологического процесса с вычислительными средствами системы]. На рисунке представлена схема контура управления и контроля на базе модулей УСО.
Трудности унификации УСО связаны также с временными характеристиками объектов. Схемотехника УСО изменяется в зависимости от того, с какой периодичностью требуется опрашивать или выдавать управляющие сигналы, требуется или нет быстрая реакция на изменения значений сигналов, какой способ выбран для борьбы с дребезгом контактов.
Классификация всего парка УСО осуществляется по признакам, которые приведены на рисунке
По конструктивному исполнению УСО делятся на:
− Платы ввода‐вывода. Данные устройства представляют собой платы расширения, которые размещаются в едином корпусе с процессорной платой и устанавливаются в слоты системных шин. Платы ввода‐вывода применяются в системах управления сосредоточенными объектами;
− Модули УСО. Данные устройства выполнены в отдельном корпусе. В системах управления модули УСО размещают как можно ближе к датчикам и исполнительным механизмам для уменьшения влияния помех в канале связи. Взаимодействие между модулями УСО и вычислительным устройством осуществляется через плату дискретного ввода‐вывода. Как правило, модули УСО одноканальные;
− Модули удаленного ввода‐вывода (МУВВ). Данные устройства содержат микроконтроллер, что позволяет классифицировать их как интеллектуальные УСО. МУВВ выполняют задачи сбора данных с датчиков и управление исполнительными механизмами по инструкциям вычислительного устройства. Взаимосвязь между МУВВ и ВУ производится по стандартному каналу связи (полевой шине), например RS‐232, RS‐485, CAN и т.д. МУВВ применяются в распределенных системах управления. Конструктивно модули УСО выполнены в виде монолитных узлов стандартных типоразмеров. Модули УСО устанавливаются на DIN‐рейку или в специализированные платы, имеющие клеммные соединители для подвода внешних цепей. Такие платы называют монтажными панелями или оптопанелями.
Конструктивные особенности модулей УСО позволяют:
− сократить сроки разработки и ввода в эксплуатацию АСУТП;
− повысить надежность АСУТП;
− быстро производить диагностику и замену вышедших из строя модулей;
− упростить обслуживание действующих АСУТП.
Общие требования, предъявляемые к модулям УСО:
− высокая точность (точность средств сбора и передачи данных);
− высокое быстродействие (получение информации, скорость передачи по каналам связи, время построения закона управления);
− высокая надёжность (всех узлов УСО);
− низкая стоимость;
− модули УСО должно выполнять как можно больше функций для разгрузки ВУ, если это не требует больших затрат.
Распределенная подсистема ввода‐вывода (РПВВ), которая является составной частью распределенной системы управления и сбора данных, реализуется на базе двух типов устройств:
− модули удаленного ввода‐вывода (МУВВ);
− системы сбора данных и управления (ССДУ).
Линейка выпускаемых продуктов МУВВ включает модули аналогового ввода ‐ вывода, модули дискретного ввода‐вывода, таймеры/счетчики и модули управления перемещением. Каждый модуль ‐ это функционально законченное устройство, размещенное в пластиковом корпусе из негорючей пластмассы. На корпусе расположены необходимые разъемы и клеммные соединители для винтовой фиксации внешних входных и выходных цепей. Установка модулей не требует специальных объединительных плат и может осуществляться как на стандартную несущую 35 миллиметровую DIN‐рейку, так и на любую плоскую панель или стену. Габаритные размеры модуля 112×60×25 мм.
МУВВ могут объединяться в сети на основе интерфейса RS‐485. К одному последовательному порту компьютера или контроллера может быть подключено до 256 модулей, территориально расположенных в разных местах. Для организации передачи данных МУВВ поддерживают протокол одной из наиболее распространенных полевых шин – Modbus/RTU.
В настоящее время МУВВ могут объединяться в сети на основе интерфейса Ethernet. Использование Ethernet позволяет легко интегрировать распределенные подсистемы ввода‐вывода на основе МУВВ в сети Интернет/интранет путем организации Web‐доступа в реальном времени к информации МУВВ. Для организации взаимодействия со SCADA‐системами верхнего уровня в МУВВ реализована поддержка протокола Modbus/TCP и обмен данными происходит через ОРС сервер.
Для мобильных распределенных подсистем ввода‐вывода применяют МУВВ с интерфейсом USB. К преимуществам данных МУВВ относятся:
− USB является стандартным интерфейсом ПРК;
− компактность, легкость в сборке;
− простота настройки, подключение plug‐and‐play;
− соединение с 127 модулями через единственное ведущее USB‐устройство;
− пропускная способность при передаче данных составляет 480 Мб/с;
− наличие встроенных средств преобразования сигналов;
− отсутствие необходимости в дополнительных источниках питания, что чрезвычайно важно для мобильных систем.Питание осуществляется через штатный кабель USB.
МУВВ обеспечивают выполнение следующих основных функций:
− прием и дешифрацию команд по каналу RS‐485;
− ввод и нормализацию аналоговых сигналов (ток, напряжение);
− опрос состояния дискретных входов;
− фильтрацию аналоговых и дискретных входных сигналов;
− вывод аналоговых (ток, напряжение) и дискретных сигналов;
− аналого‐цифровое преобразование АЦП (для модулей аналогового ввода);
− цифро‐аналоговое преобразование ЦАП (для модуля аналогового вывода);
− преобразование шкалы значений непрерывных параметров в предварительно заданные единицы измерения;
− формирование и передачу в адрес основной вычислительной системы информации, содержащей результат измерения или состояние дискретных входов, после получения соответствующего запроса по каналу RS‐485.
Модули аналогового ввода ‐ вывода имеют гальваническую изоляцию между цепями, реализующими функции нормализации, низкочастотной фильтрации и АЦП/ЦАП, и встроенным микропроцессором.
Настройка и калибровка МУВВ осуществляется программным способом путем передачи в их адрес соответствующих команд по информационной сети на основе интерфейса RS‐485. Параметры конфигурации модулей, такие как скорость обмена по последовательному каналу связи, наличие проверки контрольной суммы в принятом сообщении, диапазон изменения входного сигнала и его размерность, вид представления измеренных значений при передаче в адрес основной вычислительной системы, верхнее и нижнее предельные значения входного сигнала, по которым производится автоматическое управление дискретными выходами, сохраняются во встроенном репрограммируемом ПЗУ с электрической записью/стиранием. Электрическое питание МУВВ осуществляется напряжением 10...30 В постоянного тока. Допускаемый размах пульсаций напряжения питания составляет ±5 В при условии пребывания его значения в указанных пределах.
9. Построение плат дискретного ввода – вывода
Платы дискретного вв‐выв (ПДВВ) предст. собой устр-ва преобразования двоичных сигналов логических уровней 1 и 0. Этим уровням соответствует напряжение на замкнутом или разомкнутом ключах. Величина напряжения может быть различной, но чаще используется напряжение до 12 В. Величина тока канала дискретного вывода обычно составляет 100 или 200 мА. Обобщенная схема ПДВВ:
ПДВВ состоит из:
• Контроллера шины с буфером данных; • Блока потенциального ввода‐вывода;
• Блока таймера/счетчика; • Преобразователя ШИМ; • Схем сопряжения;
• Блока защиты.
Контроллер шины с буфером данных представляет собой интерфейсную часть ПДВВ и предназначен для организации обмена данными между процессором и программно‐доступными элементами ПДВВ. Обмен данными осуществляется по системной шине в соответствии с временными диаграммами циклов шины для соответствующих режимов обмена.
Блок потенциального вв‐выв предназначен для приема и передачи дискретных сигналов в виде уровней напряжений и токов. В качестве программно‐доступных портов ввода используются буферы с тремя состояниями без памяти. В отдельных случаях применяют буферы с памятью (регистры). В качестве программно‐доступных портов вывода используют триггерные элементы и регистры.
Блок таймера/счетчика предназначен для подсчета количества переключений (смены состояний) внешнего устройства или измерения частоты импульсов. Счетчик содержит программнодоступный регистр результата счета. Процедура и периодичность чтение данного регистра задается прикладной программой. Таймер содержит генератор импульсов для канала дискретного вывода. В состав таймера входят программно‐доступные регистры задания режима работы генератора и частоты импульсов. Наличие данных регистров обеспечивает гибкое управление генератором со стороны прикладной программы.
Преобразователь ШИМ обеспечивает прием и передачу данных с использованием широтно‐импульсной модуляцией. Преобразователь ШИМ содержит набор программно‐доступных регистров задающих режим работы, период ШИМ и осуществляющих прием и передачу данных.
Схемы сопряжения предназн. для обеспечения электрической совместимости уровней различных устройств. Программно‐доступные элементы ПДВВ имеют ТТЛ‐уровни. Таким образом, схемы сопряжения преобразуют ТТЛ‐уровни в уровни внешних выходных устройств в соответствии с заданной характеристикой канала вывода и на оборот, уровни внешних входных устройств с заданной характеристикой канала ввода в ТТЛ‐уровни. Кроме того, схемы сопряжения реализуют гальваническую изоляцию (изоляционный барьер) между основными внутренними устройствами платы и внешними устройствами.
Блок защиты предназначен для защиты вх. и вых. цепей ПДВВ от коротких замыканий и перегрузок, ошибок полярности сигнала. Для защиты от коротких замыканий и перегрузок применяют самовосстанавливающие предохранители типа PolySwitch. Для защиты от ошибок полярности сигнала используют стандартные выпрямительные диоды.
10. Системы многоканального ввода – вывода аналоговых сигналов.
На рис 11.2а показана система управления процессом сбора/распределения данных, в котором каждому каналу соответствует отдельный ЦАП и АЦП. Альтернативная конфигурация показана на рис 11.2б, в данной системе используется один ЦАП и один АЦП совместно с аналоговыми мультиплексорами и демультиплексорами. В большинстве случаев, особенно при большом числе каналов, вторая конфигурация является более экономичной
Различные требования по стоимости и техническим характеристикам, предъявляемые к системам сбора данных (ССД), определяют возможности вариаций структуры ССД на основе выбора метода обработки аналоговых сигналов. На рисунке 11.3а представлена структура ССД с параллельным принципом обработки.
Параллельная ССД позволяет обеспечить:
1) максимальную независимость аппаратуры всех каналов ССД (из‐за независимости обработки каждого сигнала);
2) высокое качество преобразования сигналов (вследствие возможности системы пообеспечению требуемого уровня нормализации сигнала на входе АЦП в каждом канале);
3) устранение ошибок, возникающих при коммутации и выборке‐хранении аналог. сигналов, вносящих основной вклад в суммарную погрешность преобраз-я. Параллельная ССД имеет большое будущее. Однако при его реализации имеет место более высокая стоимость ССД вследствие сравнительно высокой стоимости АЦП.
На рис 11.3б представлена структура ССД с последовательным принципом обработки. Производительность последовательной ССД находится в прямой зависимости от быстродействия АЦП и ограничена его динамическими параметрами. Применение дополнительных элементов для обработки аналоговых сигналов УВХ и АМ ухудшает точностные характеристики и качество преобразования сигналов. С другой стороны, параметры надежности последовательной ССД выше, чем у параллельной ССД, в силу меньшего количества элементов АЦП. Поэтому на практике по критериям надежности и стоимости используют последовательные ССД, а параллельные ССД применяют только в высокопроизводительных системах.
В состав ССД, кроме АЦП, входят следующие устройства:
З – схема защиты входных цепей от короткого замыкания и перегрузок, а также от перенапряжений (выход номинала входного сигнала за заданные пороговые значения);
АИ – аналоговый изолятор. АИ предназначен для обеспечения гальванической изоляции между датчиком Д аналогового сигнала и измерительным каналом системы. Помимо собственно защиты выходных и входных цепей гальваническая изоляция позволяет снизить влияние на систему помех по цепям заземления за счет полного разделения Общего ПАВВ и контролируемогооборудования;
СН – схема нормализации. СН предназначена для согласования характеристик входного сигнала, снимаемого с датчика, с характеристиками АЦП. СН в основном выполняет функции усиления (привода границ диапазона напряжений входного сигнала к диапазону напряжений АЦП), сдвига уровней и преобразование униполярного сигнала в биполярный или наоборот;
ФНЧ – фильтр низких частот. ФНЧ предназначен для повышения точностных характеристик путем подавления помех на входе. При этом предполагается, что полезный сигнал датчика и сигнал‐помеха имеют различные диапазоны частот. В некоторых системах вместо ФНЧ используют фильтры высших частот ФВЧ или полосовые фильтры ПФ;
АМ – аналоговый мультиплексор. АМ предназначен для управляемой коммутации множества входных сигналов на один выход. Коммутация выполняется путем подачи цифрового кода номера коммутируемого входного канала;
УВХ – устройство выборки и хранения, элемент аналоговой памяти. УВХ предназначено для запоминания мгновенного значения аналогового сигнала и удержания его в течении времени выполнения некоторой операции (обычно АЦП);
ЦМ – цифровой мультиплексор. ЦМ предназначен для управляемой коммутации выходных каналов АЦП для передачи полученного цифрового кода преобразования выбранного АЦП в системную шину. Коммутация осуществляется путем подачи цифрового кода номера АЦП;
УУ – устройство управление. УУ является цифровым устройством предназначенным для задания требуемых режимов работы ССД и обеспечивающим под управлением процессора передачу информации по системной шине.
В системах распределения данных (СРД) также применяются две варианта структур (см.рисунок 11.4).
По сравнения с АЦП, ЦАП более простые устройства и быстродействие их высоко. Поэтому стоимость и надежность обоих вариантов отличаются не значительно, а по точности преобразования параллельная СРД превосходит последовательную. Как следствие, на практике в основном используют параллельную СРД, кроме того, на рынке доступны БИС, которые в одном кристалле содержат до 40 каналов ЦАП.
В состав СРД, кроме ЦАП, входят следующие устройства:
З – схема защиты вых. цепей от короткого замыкания и перегрузок, а также от перенапряжений (выход номинала вых. сигнала за заданные пороговые значения);
УМ – усилитель мощности. УМ предназначен для усиления вых. сигнала с целью согласования с характеристиками вх-го каскада исполнительного механизма ИМ. УМ строятся на базе транзисторных или тиристорных схем. Как правило, мощные УМ не устанавливают в СРД, а используют внешние УМ или интегрированные в ИМ;
АИ – аналоговый изолятор. АИ предназначен для обеспечения гальванической изоляции между управляющим каналом системы и исполнительным механизмом ИМ потребителем аналогового сигнала;
ФНЧ – фильтр низких частот. ФНЧ на выходе ЦАП предназначен для сглаживания ступенчатого выходного сигнала путем фильтрации частотной составляющей обновления выходного канала ЦАП.
УВХ – устройство выборки и хранения, элемент аналоговой памяти. УВХ предназначено для запоминания мгновенного значения аналогового сигнала с выхода ЦАП и удержания его в течении времени отключения выхода ЦАП от канала;
АД – аналоговый демультиплексор. АД выполняет обратную операцию по сравнению с АМ, т.е. коммутирует выход ЦАП к одному из заданных каналов аналогового вывода. Коммутация выполняется путем подачи цифрового кода номера выходного канала;
ЦД – цифровой демультиплексор. ЦД выполняет обратную операцию по сравнению с ЦМ, т.е. коммутирует канал передачи цифрового кода ЦАП к одному из заданных каналов ЦАП. Коммутация осуществляется путем подачи цифрового кода номера ЦАП;
УУ – устройство управление. УУ является цифровым устройством предназначенным для задания требуемых режимов работы СРД и обеспечивающим под управлением процессора передачу информации по системной шине.
На практике при проектировании ПАВВ используют комбинацию последовательной ССД и параллельной СРД.
11. АЦП / ЦАП. Основные архитектуры, интерфейсы связи.
ЦАП предназначен для преобразования числа, представленного, как правило, в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные этому числу. Схемотехника аналоговых преобразователей весьма разнообразна. На рисунке представлена общая классификация ЦАП по способам преобразования входного кода и схемам формирования выходного сигнала.
Дальнейшую классификацию ИМС ЦАП можно привести по ряду специфических признаков, например:
1. По роду выходного сигнала: преобразователи с токовым входом или с выходом по напряжению.
2. По типу цифрового интерфейса: с последовательным вводом или с параллельным вводом.
3. По числу ЦАП на кристалле: одноканальные и многоканальные.
4. По быстродействию: низкого, среднего и высокого быстродействия.
5. По разрядности.
Большинство схем параллельных ЦАП основано на суммировании токов, сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного разряда, причем должны суммироваться только токи тех разрядов, значения которых равны 1.
Интерфейсы связи.
Важную часть ЦАП составляет цифровой интерфейс, т.е. схемы, обеспечивающие связь управляющих входов ключей с источниками цифровых сигналов. Структура цифрового интерфейса определяет способ подключения ЦАП к источнику входного кода, например, микропроцессору или микроконтроллеру. Свойства цифрового интерфейса непосредственно влияют и на форму сигнала на выходе ЦАП. Так, в случае параллельного интерфейса неодновременность поступления битов входного слова на управляющие входы ключей преобразователя приводят к появлению узких выбросов, «иголок», в выходном сигнале при смене кода.
ЦАП с последовательным интерфейсом
Такой преобразователь помимо собственно ЦАП содержит на кристалле дополнительно последовательный регистр загрузки, параллельный регистр хранения (буферный регистр) и управляющую логику (см.рисунок 11.21).
При активном уровне сигнала CS (в данном случае нулевом) входное слово длины N (равной разрядности ЦАП) загружается по линии D1 в регистр сдвига под управлением тактовой последовательности CLK. После окончания загрузки, выставив активный уровень на линию LD, входное слово записывают в регистр хранения, выходы которого непосредственно управляют ключами ЦАП. Для того чтобы иметь возможность передавать по одной линии данных входные коды в несколько ЦАП, последний разряд регистра сдвига соединяют с выходом D0 ИМС. Этот вывод подключается к входу D1 следующего ЦАП и т.д. Коды входных слов передаются начиная с кода самого последнего преобразователя в этой цепочке.
ЦАП с параллельным интерфейсом
Наиболее часто используется два варианта. В первом случае, когда разрядность входного кода совпадает с разрядностью ЦАП, на его входы подается все входное слово целиком.
Интерфейс такого ЦАП включает два регистра хранения и систему управления. Два регистра хранения нужны, если пересылка входного кода в ЦАП и установка выходного аналогового сигнала, соответствующая этому коду, должны быть разделены во времени.
Для подключения многоразрядных ЦАП к 8‐разрядным МП и МК используется второй вариант параллельного интерфейса. Он предусматривает наличие двух параллельных загрузочных регистров для приема младшего байта входного слова МБ и старшего байта – СБ. Пересылка байтов входного слова в загрузочные регистры может происходить в любой последовательности.
Архитектура АЦП
АЦП – устройства, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые коды, пригодные для обработки МП и другими цифровыми устройствами.
Принципиально не исключена возможность непосредственного преобразования различных физических величин в цифровую форму, однако эту задачу удается решить лишь в редких случаях из‐за сложности таких преобразователей. Поэтому в настоящее время наиболее рациональным признается способ преобразования различных по физической природе величин сначала в аналоговые электрические сигналы в виде тока или напряжения с амплитудой, пропорциональной измеряемой величине, а затем с помощью АЦП их переводят в цифровую форму.
Классификация АЦП по методам преобразования.
В основу классификации АЦП положен признак, указывающий на то, как во времени разворачивается процесс преобразования аналоговой величины в цифровую. В основе преобразования выборочных значений сигнала в цифровые эквиваленты лежат операции квантования и кодирования. Они могут осуществляться с помощью либо последовательной, либо параллельной, либо последовательно‐параллельной процедур приближения цифрового эквивалента к преобразуемой величине.
Последовательно‐параллельные АЦП
Последовательно‐параллельные АЦП являются компромиссом между стремлением получить высокое быстродействие и желанием сделать это по возможности меньшей ценой. Последовательно‐параллельные АЦП занимают промежуточное положение по разрешающей способности и быстродействию между параллельными АЦП и АЦП последовательного приближения. Последовательно‐параллельные АЦП подразделяют на многоступенчатые, конвейерные и многотактные.
АЦП последовательного приближения
Преобразователь последовательного приближения, называемый в литературе также АЦП с поразрядным уравновешиванием, в настоящее время является наиболее распространенным вариантом последовательных АЦП. В основе работы этого класса преобразователей лежит принцип дихотомии, т.е. последовательного сравнения измеряемой величины с 1/2, 1/4, 1/8 и т.д. от ее полной шкалы. Это позволяет для N‐разрядного АЦП последовательного приближения выполнить весь процесс преобразования из N последовательных шагов (итераций) вместо 2N-1 при использовании последовательного счета и получить существенный выигрыш в быстродействии.
Интегрирующие АЦП
Недостатком рассмотренных выше последовательных АЦП является низкая помехоустойчивость результатов преобразования. В интегрирующих АЦП во многих случаях получается подавить помеху еще на этапе преобразования. Платой за это является пониженное быстродействие интегрирующий АЦП.
АЦП многотактного интегрирования были изобретены более 40 лет назад и сразу же сталиосновой для цифровых вольтметров высокой точности.
Преобразователи напряжение – частота
На базе преобразователей напряжение – частота (ПНЧ) могут быть построены интегрирующие АЦП, обеспечивающие относительно высокую точность преобразования при низкой стоимости. Существует несколько видов ПНЧ. Наибольшее применение нашли ПНЧ с заданной длительностью выходного импульса.
Интерфейс связи АЦП
Важную часть АЦП составляет цифровой интерфейс, т.е. схемы, обеспечивающие связь АЦП с приемниками цифровых сигналов и правила (протокол) обмена данными. Структура цифрового интерфейса определяет способ подключения АЦП к приемнику выходного кода, например, МП, МК или цифровому процессору сигналов. Свойство цифрового интерфейса непосредственно влияют на уровень верхней границы частоты преобразования АЦП.
Наиболее часто применяют способ связи АЦП с процессором, при котором АЦП является для процессора как бы одной из ячеек памяти. При этом АЦП имеет необходимое число адресных входов, дешифратор адреса и подключается непосредственно к адресной шине и шине данных процессора. Для этого он обязательно должен иметь выходные каскады с тремя состояниями.
Другое требование совместной работы АЦП с МК, называемое программным сопряжением, является общим для любых систем, в которые входят ЭВМ и АЦП. Имеется несколько способов программного сопряжения АЦП с процессорами.
Проверка сигнала состояния
Этот способ состоит в том, что команда начала преобразования «Пуск» периодически подается на АЦП от таймера. Процессор находится в цикле ожидания от АЦП сигнала окончания преобразования «Готов», после которого выходит из цикла, считывает данные с АЦП и в соответствии с ними поступает либо к следующему преобразованию, либо к выполнению основной программы, а затем вновь входит в цикл ожидания. Здесь АЦП выступает в роли ведущего устройства (master), а процессор – ведомого устройства (slave). Этот способ почти не требует дополнительной аппаратуры, но пригоден только в системах, где процессор не слишком загружен, т.е. длительность обработки данных от АЦП значительно меньше времени преобразования АЦП. Указанный способ позволяет максимально использовать производительность АЦП.
Простое прерывание
Выдав команду «Пуск», процессор продолжает работу на основной программе. Послеокончания преобразования формируется сигнал прерывания, который прерывает вычисления в процессоре и включает процедуру поиска периферийного прибора, пославшего сигнал прерывания. Эта процедура состоит в переборе всех периферийных устройств до тех пор, пока не будет найден нужный. Преимущество этого способа по сравнению с предыдущим проявляется в большем числе преобразований за одно и то же время, если используемый АЦП работает медленно.
АЦП с параллельным интерфейсом выходных данных
В простейших случаях, характерных для параллельных АЦП и преобразователей ранних моделей, интерфейс осуществляется с помощью N‐разрядного регистра хранения, имеющего три состояния выхода. Здесь N‐разрядность АЦП.
На нарастающем фронте сигнала «Пуск» УВХ преобразователя переходит в режим хранения и инициализируется процесс преобразования. Когда преобразование завершено, на выходную линию «Готов» выводится импульс, что указывает на то, что в выходном регистре АЦП находится новый результат. Сигналы «CS» (выбор кристалла) и «RD» (чтение) управляют выводом данных для передачи приемнику.
АЦП с последовательным интерфейсом выходных данных
В АЦП последовательного приближения, оснащенных простейшей цифровой частью, таких, как 12‐разрядный МАХ176 или 14‐разрядный МАХ121, выходная величина может быть считана в виде последовательного кода прямо с компаратора или регистра последовательного приближения (РПП).
Здесь приведена схема, реализующая SPI‐интерфейс. Процессор является ведущим (master). Он инициирует начало процесса преобразования задним положительным фронтом (срезом) сигнала на входе «Пуск» АЦП. С тактового выхода процессора на синхровход АЦП поступает последовательность тактовых импульсов. Начиная со второго такта после пуска, на выходе данных
АЦП формирует последовательный код выходного слова старшими битами вперед. Этот сигнал поступает на MISO (master ‐ input, slave ‐ output) вход процессора.
Простейший интерфейс обеспечивает наименьшее время цикла «преобразование ‐ передача данных». Однако он обладает двумя существенными недостатками. Во первых, переключение выходных каскадов АЦП во время преобразования привносит импульсную помеху в аналоговую часть преобразователя, что вызывает ухудшение отношения сигнал/шум. Во‐вторых, если АЦП имеет большое время преобразования, то процессор будет занят приемом информации от него существенную часть вычислительного цикла.
12. Устройство плат аналогового ввода - вывода.
Платы аналогового ввода‐вывода (ПАВВ) предназначены для обеспечения ввода аналоговых сигналов с датчиков в вычислительное устройство обработки и вывода аналоговых сигналовдля пропорционального управления исполнительными механизмами.
ПАВВ выполняют следующие функции:
− Нормализация аналогового сигнала ‐ приведение границ шкалы первичного непрерывного сигнала к одному из стандартных диапазонов входного сигнала аналого-цифрового преобразователя (АЦП) измерительного канала. Наиболее распространены следующие диапазоны: 0…5В, 0…10В, ±5В, ±10В и сигналы токов 0…5мА, 0/4…20мА;
− Предварительная низкочастотная фильтрация, масштабирование и линеризация аналогового сигнала. На промышленных объектах наиболее распространены помехи с частотой сети переменного тока, а также хаотические импульсные помехи, вызванные влиянием на технические средства измерительного канала переходных процессов и наводок при коммутации исполнительных механизмов повышенной мощности;
− АЦП сигнала и выдача результата через системную шину под управлением вычислительного устройства;
− Цифро‐аналоговое преобразование (ЦАП) сигнала, полученного от вычислительного устройства по системной шине;
− Обеспечение гальванической изоляции между источником аналогового сигнала и измерительным и/или статусным каналами системы. Помимо собственно защиты выходных и входных цепей гальваническая изоляция позволяет снизить влияние на систему помех по цепям заземления за счет полного разделения Общего вычислительной системы и контролируемого оборудования. Отсутствие гальванической изоляции допускается только в технически обоснованных случаях.
− Сигнализация выхода значений измеряемого параметра за допустимые пределы;
− Самодиагностика внутренних устройств, защита от внешних аварийных воздействий.
Основные характеристики ПАВВ:
− Разрядность;
− Количество каналов ввода‐вывода;
− Диапазон входных и выходных аналоговых сигналов;
− Быстродействие;
− Точность преобразования;
− Напряжение гальванической изоляции;
− Подавление помех на входе‐выходе;
− Напряжение питания;
− Потребляемая мощность;
− Габариты.
ПАВВ, встраиваемые в слоты вычислительной системы, используют системные шины ISA, PCI, CompactPCI, VME, MicroPC, PC/104, PC/104+ и др. Число каналов аналогового ввода‐вывода на плате, как правило, составляет 1, 2, 4, 8, 16 или 32. ПАВВ имеют гальваническую изоляцию каналов с напряжением изоляции до 2000В. Диапазон рабочих температур ПАВВ достигает значений от 40°С до +85°С, а MTBF не менее 50 тыс.часов. Значение МТBF у ПАВВ значительно меньше по сравнению с ПДВВ, так как организация аналогового ввода‐вывода более сложная и требует более сложных компонентов. Кроме того, аналоговые контуры более чувствительные к различным помехам, включая помехи наводимые цифровыми устройствами в процессе переключений состояний.
Основным компонентом аналогового ввода является АЦП. Точность преобразования аналогового сигнала в цифровой код зависит от разрядности АЦП. Наиболее часто встречаются АЦП с разрядностью преобразования от 8 до 16 бит. Естественно, чем выше разрядность, тем ниже быстродействие АЦП. Входные аналоговые сигналы подаются на ПАВВ через панель разъемов или клеммную колодку, проходят через гальваническую развязку, мультиплексируются и преобразуются в цифровой код с помощью АЦП. Далее, после соответствующей обработки, цифровой код сигнала поступает процессору по системной шине для последующей обработки по заложенной программе.
Основным компонентом аналогового вывода является ЦАП. Время преобразования цифрового кода в уровень аналогового сигнала меньше по сравнению с АЦП. Эталонные напряжения или токи получают в ЦАП с помощью весовых резисторных сеток или резисторных делителей. Для формирования выходного аналогового сигнала выполняется обратная последовательность действий по сравнению с аналоговым вводом.
Организация многоканальных ПАВВ см вопрос 10.
13. Назначение и особенности архитектур микроконтроллеров
Микроконтроллер (МК) ‐ это специализированный микропроцессор, предназначенныйдля обработки внешних событий при решении задач управления техническими процессами.
Обычно МК в реальном времени выполняют задачи сбора и первичной обработки информации о ходе технологического процесса и передачи результатов ее в локальную сеть, а также осуществляют управление в соответствии с заданным законом автоматического регулирования.
МК – это однокристальные микро‐ЭВМ. МК используют различные корпуса от простейших малоконтактных DIP до многоконтактных BGA.
На одном кристалле МК размещаются:
- процессор; - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) данных; - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) команд; - последовательные и параллельные порты; - котроллер прерываний; - контроллер ПДП (опция); - таймеры (опция); - ЦАП, АЦП (опция); - внутренние схемы запуска и тактовой синхронизации.
Основной архитектурой МК является Гарвардская архитектура, что обеспечивает возможность совместить во времени процедуры выборки и декодирования команд с исполнением предыдущей команды с целью повышения производительности. Команды размещаются во внутреннем и/или внешнем ПЗУ и поступают в устройство управления МК. Данные (операнды) размещаются во внутреннем и/или внешнем ОЗУ и поступают на исполнение в оперативное устройство МК. Во многих МК внутреннее ОЗУ реализована как расширение для регистров общего назначения процессора и поэтому иногда данное ОЗУ называют «регистровый файл».
Как правило, МК имеют сложный набор команд, т.е. это процессор СISC – типа (некоторые микроконтроллеры имеют простой набор команд для пересылок и передачи данных, выполняющих за один машинный цикл, а также несколько сложных вычислительных команд (умножение, деление)). МК с простым набором команд RISC‐типа, также широко представлены на рынке микроэлектроники, например, PIC‐контроллеры. МК RISC‐типа применяются для проектирования простейших устройств, таких как интеллектуальная периферия.
Структурная схема:
МК устроен таким образом, чтобы максимально упростить взаимосвязь микроконтроллера с различными разнообразными внешними устройствами. Это достигается с помощью наличия программно‐управляемых портов.
Наличие в МК нескольких портов ввода – вывода (последовательного и параллельного)определяет интерфейсные возможности проектируемой системы:
1. По связи с системами верхнего уровня: HOST ПК, ПЛК, терминалы, интеллектуальные пульты операторов;
2. По организации межпроцессорных коммуникаций для построения мультипроцессорных систем;
3. По подключению большого числа стандартных исполнительных устройств, датчиков, а также внешних БИС/СБИС, как программируемых, так и с жесткой логикой.
Основные направления и тенденции развития МК:
1 Повышение производительности ЦП, за счет использования RISC ядра и конвейерной обработки.
2 Использование flash‐памяти и увеличение емкости внутренней памяти.
3 Расширение внутренних функциональных устройств (АЦП/ЦАП, ШИМ и т.д).
4 Расширение разнообразия последовательных портов (от стандартных последовательных интерфейсов, включая RS‐485, до CAN).
5 Увеличение гибкости (программируемости) внутренних устройств.
6 Увеличение эффективности системы команд и как следствие повышение качества и надежности программного кода.
14. Назначение и особ-ти архитектур цифровых сигнальных процессоров.
Цифровой сигнальный процессор (ЦСП) – это специализированный процессор, предназначенный для обработки в реальном масштабе времени сигналов непрерывного вида с использованием математического аппарата цифровой обработки сигналов (ЦОС).
Отличительной особенностью задач цифровой обработки сигналов является поточный характер обработки больших массивов данных в режиме реального времени, требующий от технических средств высокой производительности и обеспечения возможности интенсивного обмена с внешними устройствами . Соответствие данным требованиям достигается благодаря специфической архитектуре сигнальных процессоров и проблемно‐ориентированной системе команд. Сигнальные процессоры обладают высокой степенью специализации. В них широко используются методы сокращения длительности командного цикла, характерные и для универсальных RISC-процессоров, также как конвейеризация на уровне отдельных микроинструкций, размещениеоперандов большинства команд в регистрах, использование теневых регистров для сохранения состояния вычислений при переключении контекста. В то же время для сигнальных процессоров характерным является наличие аппаратного умножителя, позволяющего выполнять умножение двух чисел за один командный такт.
Основные достоинства ЦСП
1. Перепрограммируемость.
2. Стабильность.
3. Повторяемость.Характеристики цифровых схем практически не изменяются от устройства к устройству. Одна и та же операция умножения, выполненная на 1000 компьютеров или ЦСП, дает совершенно одинаковый результат.
4. Специальные приложения. Некоторые алгоритмы обработки сигналов, например, канальное кодирование, могут быть реализованы только цифровыми методами.
Стандартная схема применения ЦСП
Аналоговый сигнал Х(t) преобразуется в цифровую форму в аналого‐цифровом преобразователе (АЦП) и в виде последовательности многоразрядных двоичных слов Х(kt) поступает в ЦСП. ЦСП производит преобразование входной последовательности в соответствии с определенным алгоритмом ЦОС. Выходная последовательность двоичных слов Y(kT) поступает в цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), где формируется выходной аналоговый сигнал Y(t). Следует отметить, что данная схема условна, поскольку у ЦСП в зависимости от особенностей аппаратуры может быть либо цифровой вход, либо цифровой выход, либо и цифровой вход и цифровой выход. Но независимо от этого основное назначение ЦСП заключается в выполнении в реальном масштабе времени алгоритмов ЦОС.
Примеры использования ЦСП:
1. Системы цифрового управления. В тех системах управления объектами, где не хватает скорости или разрядности микроконтроллеров применяют ЦСП.
2. Обработка звука.
3. Видеотелефоны.
4. Модемы.
5. Трехмерная графика.
6. Обработка изображений.
7. Устройства для мобильных телефонов.
Особенности архитектуры
Структура ЦСП
Типовые ЦСП состоят из :
• арифметико‐логического устройства (АЛУ);
• блока аппаратного умножения;
• памяти программ и данных;
• портов ввода/вывода.
Конфигурация зависит от назначения устройства. Например, для звуковой системы потребуются АЦП и ЦАП, в то время как сетевому коммутатору они не нужны. Рассмотрим наиболее важные компоненты ЦСП.
АЛУ выполняет основные операции: сложение, вычитание, сдвиг и другие.
ЦСП обязательно имеют блок аппаратного умножения. Иногда используются дополнительные арифметические блоки, предназначенные для выполнения других математических вычислений и логических операций в то время, когда основной арифметический блок занят. Наиболее развитые ЦСП содержат векторные сопроцессоры.
ЦСП обычно имеют последовательные и параллельные порты для высокоскоростнойсвязи с другими процессорами и преобразователями форматов данных. Последовательные интерфейсы упрощают алгоритмы декодирования адреса.
Память данных и память программ содержат, соответственно, информацию и команды для ЦСП. В большинстве случаев, ЦСП считывает в памяти данных некую информацию, обрабатывает ее согласно очередной команде и записывает обратно в память. В большинстве современных ЦСП память данных реализована на кристалле и работает значительно быстрее, чем внешняя.
Аналого‐цифровой и цифро‐аналоговый преобразователи выполняют для ЦСП роль «переводчиков». ЦСП может работать только с цифровыми данными, поэтому сигналы, поступающие из внешнего мира, должны быть преобразованы в цифровые сигналы на входе и в аналоговые на выходе.
Современные ЦСП также содержат различные оперативные запоминающие устройства (ОЗУ), постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), таймеры, менеджеры событий, блоки управления энергоресурсами и т.п.
15. Влияние помех на работоспособность МПУСУ и пути повышения помехоустойчивости.
На рисунке приведена условная схема МПУСУ с указанием трех вредных факторов.
ЭМИ влияют на работоспособность входных каскадов измерительного контура и контура управления, а также порта ЛВС. Для борьбы с данными помехами во входных и выходных каскадах применяют гальваническую развязку с оптической или трансформаторной связью. Для защиты от короткого замыкания и перегрузок по току, которые могут возникнуть под воздействием ЭМИ используют самовосстанавливающие предохранители. Для защиты входных и выходных цепей от превышения уровней напряжений применяют диодные ограничители на базе диодов Шотки.
Сбои по электропитанию влияют на функционирование источника вторичного электропитания (ИВЭП) электронного оборудования вычислительного устройства МПУСУ. Шасси промышленного компьютера снабжается отказоустойчивым ИВЭП с диапазоном входных напряжений от 110 до 260В переменного тока. Однако, этого недостаточно для обеспечения непрерывной работы вычислительного устройства МПУСУ. Для защиты МПУСУ от сбоев по электропитания применяют источники бесперебойного питания (ИБП).
ИВЭП шасси относятся к импульсным источникам питания, которые используют инверторы на высоких частотах. Достоинства импульсного источника питания известны, в первую очередь, это высокий КИД и малые массогабаритные параметры. Недостатком импульсного источника питания является «шумный» контур питания и земли, наводимый внутренним генератором, и данные шумы не всегда удается отфильтровать в ИВЭП. Подключение аналоговых контуров к ИВЭП напрямую приводит к снижению точностных характеристик измерения и искажению уровня сигнала управления.
Вычислительный контур реализован на цифровых устройствах, которые в процессе переключений наводят помехи в линиях питания и заземления. Для борьбы с данными помехами используют шунтирующие емкости, которые устанавливают в непосредственной близости от ножки заземления интегральной схемы. Однако шунтирующие емкости только минимизируют уровни помех и полностью их подавить не могут. Как следствие, прямое подключение сигнальных линий, шин питания и заземления между цифровыми и аналоговыми устройствами приводит к снижению точностных характеристик последних, а в некоторых случаях возможны ситуации нарушения функционирования аналоговых устройств.
Повышение помехоустойчивости аналоговых устройств
Цифровые сигналы, управляющие работой аналоговых устройств, должны быть достаточно «чистыми» (не содержащими шумы и выбросы). Кроме возможного повреждения аналоговых устройств, выбросы могут привести к появлению ошибок, как при преобразовании сигнала, так и при передаче цифрового кода между устройствами. На рисунке 13.2 показан сигнал с достаточно большим выбросом, управляющий тактовым входом однополярного последовательного АЦП.
|
Каждый отдельный тактовый импульс будет восприниматься как несколько. Возникающий в результате дребезг тактового сигнала создает серьезные проблемы для последовательных преобразователей. Шумовые характеристики как последовательных, так и параллельных устройств могут ухудшаться, если в течение преобразования присутствуют сигналы подобного вида. |
|
На рисунке показан достаточно простой способ фильтрации выбросов. Последовательно в цифровую линию, по которой проходят выбросы, подключается небольшое сопротивление, образующее вместе с входной паразитной емкостью Сп фильтр низких частот, который сглаживает выбросы входного сигнала. |
Поскольку в ПАВВ присутствуют аналоговые и цифровые сигналы, становится критической схема заземления. Известно, что из‐за довольно‐таки «шумного» цифрового контура аналоговые и цифровые шины земли необходимо размещать отдельно друг от друга, допуская соединение только в одной точке. Обычно это соединение делается на источнике питания. Фактически, если аналоговые и цифровые устройства используют один источник питания, как это может быть в слу‐
чае однополярных систем с напряжением питания +5 или +3,3 В, не существует другого выбора, кроме соединения земель на источнике питания. Но в справочниках АЦП‐ЦАП может быть указана необходимость соединения у преобразователя выводов AGND (аналоговая земля) и DGND (цифровая земля). Несмотря на то, что выводы AGND и DGND присоединены к разным частям преобразователя (аналоговой и цифровой соответственно), устройство в целом необходимо рассматривать как аналоговое. Таким образом, после объединения выводов AGND и DGND следует соединить с аналоговой землей системы. Конечно, это может привести к тому, что цифровые токи преобразователя проникнут в аналоговую землю устройства, но в целом это создаст гораздо меньше проблем, чем соединение вывода DGND преобразователя с зашумленной цифровой землей.
На рисунке 13.4 приведен пример разделения линий питания для систем с однополярным источником питания, работающих в окружении смешанных сигналов.
Оптоизоляторы (оптопары) используются для создания недорогой и простой гальванической изоляции. При ее наличии между преобразователем (АЦП/ЦАП) и микропроцессором отпадает необходимость соединения аналоговой и цифровой земли системы.
Необходимо учитывать, что использование оптоизоляторов, имеющих относительно большие времена установления сигнала, с КМОП‐преобразователями может вызвать определенные проблемы, даже если скорость обмена по последовательному интерфейсу невысока. Дело в том, что логические КМОП‐входы спроектированы для управления логическими нулем и единицей. В этих состояниях ток, потребляемый вентилем, минимален. Однако, когда входное напряжение находится в промежутке между логическими нулем и единицей (от 0,8 до 2,0 В), потребляемый логическим вентилем ток значительно возрастает. Если оптоизоляторы имеют достаточно большие времена установления сигнала на выходе, то увеличившееся время нахождения логиче ского вентиля в «мертвой зоне» вызовет его нагревание, что приведет к повышению уровня порогового напряжения вентиля. В результате фронт или спад одного тактового импульса может интерпретироваться преобразователем как несколько тактовых импульсов и, тем самым, вызвать несколько срабатываний преобразователя. Для редотвращения дребезга выходы оптоизоляторов должны быть буферизированы триггерами Шмитта, чтобы обеспечить достаточно крутые фронты для преобразователя.