Мікропроцесорна система
Сукупність мікропроцесора і зазначених пристроїв утворює мікропроцесорну систему (МПС), структурна схема якої наведена на рис. 12.5.
До складу МПС разом із мікропроцесором у загальному випадку входять пристрої пам'яті оперативної (оперативний запам'ятовуючий пристрій ОЗП) і постійної (постійний запам'ятовуючий пристрій ПЗП); інтерфейсний пристрій ІП; пристрій сполучення ПС із зовнішніми об'єктами; зовнішні запам'ятовуючі пристрої ЗЗП; пристрої вводу-виводу інформації ПВВ; загальна шина ЗШ, яка включає в себе ШД, ШК і ША.
Крім того, на схемі рис. 12.5 позначено: СЧЕП — силова частина ЕП (перетворювач + двигун + механічна передача). Розглянемо коротке призначення кожного з пристроїв МПС.
Пам'ять ОЗП і ПЗП служить для розміщення даних програми підлягаючих обробці, відповідно до якої ця обробка повинна вестися і результатів обробки. Для розширення можливостей МПС, крім ОЗП і ПЗП, можуть використовуватися ЗЗП, до числа яких відносяться накопичувачі інформації на гнучких магнітних дисках, магнітній стрічці, касетні накопичувачі.
Пристрої вводу-виводу інформації (ПВВ) призначені для забезпечення взаємодії МПС і людини в зручній для неї формі. До пристроїв вводу-виводу відносяться наприклад, клавіатура пульта керування МПС, принтер, графобудівники, пристрої візуального представлення інформації (дисплеї) тощо.
Пристрої сполучення ПС забезпечують зв'язок МПС з різними зовнішніми (периферійними) пристроями. Вони можуть мати найрізноманітніші схемні й елементні реалізації. Зокрема, для зв'язку МПС із датчиками Д координат ЕП і блоками схеми керування ЕП (СКЕП) широко використовуються аналого-цифрові (АЦП) і цифроаналогові (ЦАП) перетворювачі електричних сигналів, позначені на схеми ПС1 і ПС2.
Рисунок 12.5 – Структурна схема МПС
Пристрої сполучення ПСЗ і ПС4, призначені для зв'язку МПС з ЗЗП і ПВВ, представляють собою в найпростішому випадку буферні (проміжні) регістри пам'яті для збереження даних, переданих з ЗШ на зовнішні пристрої або навпаки. ПС, які одержали назву контролерів (мікроконтролерів), виконують більш складні функції та їх робота може програмуватися.
Пристрої сполучення ПС5 виконують узгодження роботи даної МПС з іншими МПС і ЕОМ. Пристрої такого типу одержали назву адаптерів.
Інтерфейсний пристрій ІП — це сукупність електронних схем, шин і алгоритмів (програм), яка забезпечує керування передачею інформації між мікропроцесором, пам'яттю та зовнішніми пристроями, до яких відносяться ПВВ, ЗЗП і Д. Іншими словами, ІП забезпечує необхідну взаємодію МПС із зазначеними зовнішніми пристроями при зміні режиму її роботи. Типовим прикладом є перехід від виконання однієї програми до виконання іншої при надходженні від якого-небудь зовнішнього пристрою сигналу керування. Такий перехід одержав назву переривання. Після завершення програми, яка перериває, ІП забезпечує повернення МПС до роботи за перерваною програмою. Прикладами ІП є таймер, блок прямого доступу до пам'яті, блок організації переривань.
Відзначимо, що сукупність мікропроцесора, пам'яті та інтерфейсу, який включає ІП, ПС і ЗШ, одержала назву мікроЕОМ.
За призначенням МПС і мікроЕОМ можна розділити на універсальні та спеціалізовані.
До універсальних відносяться МПС і мікроЕОМ, здатні забезпечувати як керування різними об'єктами (у тому числі ЕП), технологічними процесами, промисловими підприємствами і т.д., так і виконувати різні обчислювальні операції. Для виконання цих функцій МПС має широкий набір зовнішніх (периферійних) пристроїв, показаних на рис. 12.5. Звичайно при конкретному застосуванні частина цих пристроїв може бути не задіяна, тобто універсальні МПС і мікроЕОМ мають визначений елементний надлишок.
Прикладами вітчизняних МПС і мікроЕОМ цього типу можуть служити універсальні ЕОМ типів «Електроніка-60», «НЦ-80», «С-5», уніфіковані МПС типів МС УВ7 В7 /В9), СМ1800 і багато інших.
Спеціалізованими називаються МПС, які вже на стадії свого створення орієнтовані на конкретні застосування – для схем керування ЕП верстата або робота, для побутових приладів або дитячих ігор, для вимірювальних систем тощо. У зв'язку з такою орієнтацією МПС цього типу містять тільки ті пристрої та мають таке програмне забезпечення, що забезпечують виконання цих, заздалегідь визначених функцій. Прикладом МПС цього типу служить комплекс КТС ЛИУС-2.
Прикладом реалізації спеціалізованої МПС є програмований контролер.
Для кращого розуміння функцій, які виконуються програмованим контролером, і особливостей його структури звернемося до схем рис. 10.23, які реалізують різні логічні операції при керуванні ЕП – заборону вмикання одного контактора при увімкненому іншому, дозвіл вмикання двигуна при натисканні кнопки керування та відсутності заборонного сигналу захисту тощо. Подібні схеми одержали назву «жорсткої (або монтажної) логіки», тому що здійснення заданих логічних операцій забезпечується визначеними наборами елементів і зв'язками між ними. При реалізації складних законів керування (20 — 30 елементів і більше) схеми з «жорсткою логікою» мають великі масу і габарити, зростає їх енергоспоживання, ускладнюється діагностування їхньої роботи і відповідно ремонт. І нарешті, самий істотний недолік таких схем, як вже відзначалося, складається в складності їх переробки (перемонтажу) при введенні нових функцій або їх частковій зміні.
Альтернативне, технічно та економічно більш доцільне рішення при створенні складних схем керування ЕП дає застосування схем із гнучкою логікою, реалізоване за допомогою програмованого контролера як різновиду МПС. Застосування програмованого контролера дозволяє уникнути всіх тих недоліків, які характерні для схем із жорсткою логікою і, у першу чергу, відсутність гнучкості при реалізації складних законів керування. Програмований контролер – це спеціалізована МПС, призначена для обробки логічних вхідних сигналів, їх перетворення та вироблення керуючих впливів на ЕП і працююча за наперед заданою програмою. Процес обробки інформації, яка надходить, і вироблення керуючих впливів здійснюється за програмою та відбувається в реальному масштабі часу.
До складу програмованого контролера (рис. 12.6) входять запам'ятовуючий пристрій ЗП, в якому міститься програма його роботи; логічний процесор ЛП (АЛП), який здійснює логічні операції над сигналами, які послідовно вводяться в нього; комутатори вхідних К1 і вихідних К2 сигналів; пристрої сполучення програмованого контролера із вхідними ПС1 і вихідними ПС2 сигналами; пам'ять П, у яку надходять результати логічних операцій.
Вхідні сигнали uвх.1, uвх.2, …, uвх.n, які містять у собі інформацію про хід технологічного процесу, режимах роботи окремих частин ЕП, стану захисту тощо, надходять на вхід ПС1, який забезпечує їх гальванічну розв'язку і формування з них сигналів, які відповідають за величиною та формою, використовуваним у даному програмованому контролері.
Рисунок 12.6 – Структурна схема програмованого контролера
Сформовані в такий спосіб сигнали надходять на вхід К1, який послідовно подає на ЛП той з них, адреса якого міститься в черговій команді, яка надходить із ЗП.
Після виконаних ЛП перетворень, які також визначаються закладеною в ЗП програмою, сигнали через комутатор К2 надходять у регістри пам'яті П і далі через ПС2 на вихід програмованого контролера.
Відзначимо, що послідовний принцип виконання операцій збільшує час обробки інформації. Однак оскільки час виконання однієї окремої операції складає всього лише кілька мікросекунд (мільйонних часток секунди), то швидкодія програмованого контролера у більшості випадків виявляється цілком достатньою.
У якості вхідних допускаються сигнали напругою від 5 до 250 В постійного та змінного струму, загальне число яких може досягати тисячі та більше. Вихідні пристрої сполучення ПС2 звичайно будуються на основі оптронних тиристорів, які забезпечують гальванічну розв'язку вихідних кіл і дозволяють керувати досить потужними виконавчими пристроями – реле, контакторами, котушками електромагнітів тощо.
В теорії цифрових систем керування показується, що будь-які логічні перетворення можуть бути виконані за допомогою найпростіших логічних операцій І, АБО, НІ. Це положення визначає простоту програмного забезпечення роботи програмованого контролера, доступного в тому числі персоналу, який не має спеціальних знань в галузі програмування МПС. Типовими командами програмованого контролера є команди завантаження, логічні, присвоєння, керування циклом і спеціальні. Система команд має відповідне мнемонічне позначення.
У нашій країні застосовуються вітчизняні програмовані контролери типів МІКРОДАТ, РЕМИКОНД, ЛОМИКОНД, ПК2, Б9601 та багато інших.