Архитектура микропроцессорных систем

Реализация вычислительных функций возможна лишь в том случае, если кроме МП имеются по крайней мере устройства памяти и ввода-вывода. Эти устройства являются внешними по отношению к МП и в совокупности с ним составляют микропроцессорную систему (рис. 6). Роль памяти в микропроцессорных системах разнообразна. Соответственно и реализация отдельных блоков памяти тоже различна.

Постоянные запоминающие устройства. Информация, хранящаяся в ПЗУ, — а это могут быть как команды, так и наборы данных, — сохраняется при выключении питания. Такую память называют энергонезависимой. ПЗУ может быть физически реализована на магнитной ленте, магнитных дисках и специальных интегральных микросхемах (ИМС). Последний тип ПЗУ получил наибольшее применение в микроконтроллерах.

В каждой из микросхем ПЗУ может быть размещен значительный объем информации — до 16 кбайт. В ПЗУ обычно размещают основную, неизменяемую часть рабочих программ, а также служебные программы, предназначенные для обеспечения связи с пультом оператора, реализации отладочных режимов, режимов самоконтроля системы и т. п.

Существуют три основных типа микросхемных ПЗУ, отличающихся характером программирования.

 

В ПЗУ с масочным программированием запись программы осуществляется в процессе производства микросхемы. Такие ПЗУ обычно используются в изделиях, выпускаемых большими тиражами.

Рис. 6. Структурная схема МП-системы

В ПЗУ, однократно программируемых пользователем, внутренние соединения выполнены из плавкого материала. Часть этих соединений, расположенных по определенным адресам, может быть целенаправленно разрушена в процессе программирования ПЗУ. Это дает возможность пользователю запрограммировать ПЗУ в соответствии с предназначенной для хранения информацией.

Третий тип — перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ), выполнены так, что можно неоднократно осуществлять режим записи — стирания информации.

Программирование ИМС ПЗУ всех типов обычно производится вне МП-системы, в специальных устройствах, называемых программаторами.

Оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) —это энергозависимая память с высоким быстродействием осуществления операций записи — считывания. Доступ к ячейкам ОЗУ прямой, т. е. отсутствует необходимость проходить через некоторую последовательность ячеек памяти. Чтобы получить информацию из какой-либо ячейки, достаточно выставить на ША адрес этой ячейки.

ОЗУ, используемые в микроконтроллерах, в отличие от ОЗУ ЭВМ, имеют небольшой объем памяти. Эта память предназначена для организации ячеек временного хранения информации, стековой памяти, для хранения изменяемой части программ, параметров, вводимых оператором, и т. п..

Реализуются ОЗУ на базе ИМС оперативной памяти. Такие ИМС различаются быстродействием, емкостью, энергопотреблением, разрядностью слова.

Устройство ввода-вывода. Устройство ввода предназначено для приема информации от внешних источников и передачи ее в МП или внешнюю память МП. Посредством этого устройства пользователь загружает в микропроцессорную систему исходные данные и программы. К устройствам ввода относятся клавиатуры, телетайпы, пишущие машинки, пульты управления. Широко применяются также устройства ввода с перфолент. Основным средством диалога человека с микроЭВМ является клавиатура. С ее помощью информация загружается в память, причем контроль вводимых данных осуществляется через дисплей.

Устройство вывода преобразует информацию в виде кодов в удобную для пользователя форму. Выходная информация может быть представлена на дисплее, графопостроителе, цифропечатающем устройстве и т. д.

Блоки ввода-вывода включают в себя порты ввода-вывода. Каждый порт имеет входные или выходные линии. При обращении к порту данные поступают по этим линиям. Через порт ввода данные поступают на ШД и далее — в МП, а через порт вывода данные, или, точнее, результат операции, выполненной МП, выводится из МП-системы.

Связь между отдельными блоками в микропроцессорной системе осуществляется путем включения специальных сопрягающих устройств.

Особенное значение эти устройства приобретают при согласовании внешних или, как их часто называют, периферийных устройств с МП. В этом случае наличие промежуточных блоков обеспечивает совместимость устройств с разной элементной базой, системой команд, а иногда и различной физической природой. Причем следует отметить, что обмен информацией между МП и периферийными устройствами должен осуществляться по определенной программе, хранящейся в памяти МП. Такого рода промежуточные устройства носят наименование интерфейсов. Таким образом, под термином интерфейс следует понимать совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих связь МП с внешними устройствами. Включение интерфейсов позволяет получить из отдельных компонентов единую систему.

В зависимости от способа обмена информацией применяют последовательные и параллельные интерфейсы. Простейшим и наиболее быстродействующим является параллельный интерфейс, включение которого позволяет передавать одновременно число бит информации, равное разрядности МП, т. е. одного слова данных. Применение параллельного интерфейса ограничивается расстоянием между МП и внешними устройствами. При длине кабеля 1...2 м его емкость оказывает существенное влияние на скорость обмена информацией. Применение специальных формирователей позволяет довести длину соединительного кабеля до 15... 20 м.

Последовательный обмен информацией не накладывает жестких условий на длину кабеля, но отличается значительно меньшим быстродействием и необходимостью преобразования параллельной формы данных в последовательную. Такая последовательная передача данных отличается большей надежностью по сравнению с параллельной.

Глава 3

ПЕРВИЧНАЯ ОБРАБОТКА, ПРЕОБРАЗОВАНИЕ И СОПРЯЖЕНИЕ СИГНАЛОВ В МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМАХ

Источником информации о динамическом состоянии системы электропривода являются разнообразные датчики: тока, напряжения, температуры, скорости, угловых и линейных перемещений. Для обработки информации в МП-системе управления сигналы с этих датчиков должны быть преобразованы в единую форму: цифровой двоичный код.

Это требование привело к разработке цифровых датчиков, выходным сигналом которых является двоичный код. Такие датчики можно считать непосредственными аналого-цифровыми преобразователями координат. Примером таких датчиков могут служить оптические кодирующие преобразователи угла.

С другой стороны, это требование привело к разработке различных способов и технических средств преобразования аналоговых выходных сигналов обычных датчиков в форму двоичного кода. При использовании высокоточных индукционных датчиков положения типа вращающихся трансформаторов и индуктосинов такое преобразование осуществляется обычно аппаратурой, поставляемой в комплекте с датчиком. При использовании аналоговых датчиков средней точности выбор способа и технических средств преобразования осуществляет разработчик системы.

Рис. 7. Схема обработки аналоговых сигналов в МП-системе

В этом случае процесс преобразования осуществляется обычно в три основных этапа. Первый этап — преобразование сигналов разной физической природы в напряжение постоянного тока. Он подробно рассматривается в литературе по измерению физических величин электрическими методами.

Вторым этапом является нормализация сигнала. Это понятие включает в себя комплекс мер по улучшению качества сигнала, повышению надежности и достоверности содержащейся в сигнале информации. Сюда входит усиление сигнала, подавление и фильтрация помех, согласование уровня сигнала с номинальным уровнем преобразователя аналог — код.

Наконец, третий этап — собственно аналого-цифровое преобразование. Так как аналоговой величиной здесь является напряжение, то речь идет о преобразовании напряжения в двоичный, почти исключительно — в параллельный код. Типичная схема обработки аналогового сигнала приведена на рис. 7.

В настоящее время в большинстве общепромышленных комплектных систем электропривода управление силовым преобразователем осуществляется аналоговым способом. Поэтому после обработки информации МП-регулятором требуется произвести ее обратное преобразование из цифровой формы в форму напряжения постоянного тока требуемого уровня и полярности. Эта операция осуществляется цифро-аналоговым преобразователем.

Особое место среди датчиков координат занимает фотоимпульсный датчик, формирующий импульсы, частота которых пропорциональна угловой скорости ротора. Его можно использовать для получения информации как о скорости, так и о положении вала механизма.

Ниже будут рассмотрены вопросы нормализации сигналов, принципы построения цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей, методы измерения скорости и угла поворота фотоимпульсным датчиком, а также вопросы сопряжения внешних устройств с МП-системой.

Нормализация сигналов

Если бы аналоговый сигнал с датчика содержал только информацию об измеряемой координате, то все проблемы нормализации свелись бы к выбору такого коэффициента усиления сигнала, чтобы его максимально возможное значение было близко к уровню шкалы АЦП, но не превышало его. Однако все электронные устройства, работающие в структуре системы управления электроприводом, функционируют в непосредственной близости с силовыми электрическими устройствами (преобразователями, двигателями, трансформаторами, контакторами). Такое «соседство» неизбежно приводит к появлению возмущений и помех в цепях электронных устройств. Эти возмущения могут снизить качество работы системы или даже нарушить ее работоспособность. При этом наибольшее влияние помехи в любых системах автоматического управления оказывают на маломощные цепи аналоговых датчиков координат.

Опыт показывает, что борьба с помехами составляет значительную часть времени наладки системы управления. Если же вопросы борьбы с помехами и задачи шумопонижения решаются на стадии проектирования системы, то можно устранить значительную часть этих трудностей. Напротив, пренебрежение основными принципами построения помехозащищенных систем может предопределить неработоспособность САУ в реальных условиях эксплуатации. Технические решения по борьбе с помехами, принимаемые на поздних этапах разработки и наладки системы, являются менее эффективными, приводя к увеличению размеров и массы аппаратуры.

Источники помех. Перечислим основные причины, порождающие помехи в системе автоматизированного электропривода:

· наводки напряжения сетевой частоты;

· динамические короткие замыкания силовых цепей преобразователей;

· перенапряжения при отключении электромагнитных устройств;

· броски напряжения сети при коммутации мощных потребителей;

· дребезг и ненадежность контактов электрических соединителей (реле, разъемы и т. п.);

· тепловые шумы электронных компонентов (усилители, резисторы);

· атмосферное электричество;

· микрофонные эффекты электронных компонентов при вибрации;

· электрохимические процессы в электрических соединениях разнородных материалов.

По отношению к датчику помехи могут быть как внешними, так и внутренними. К внутренним помехам относятся, например, коммутационные шумы тахогенератора постоянного тока, шумы квантования цепей гальванического разделения сигналов по схеме «модулятор — демодулятор», тепловые шумы усилителей первичных преобразователей датчиков.

В зависимости от того, каким путем попадает помеха от источника возмущения в цепь полезного сигнала, различают индуктивные, емкостные и гальванические помехи. Для оценки уровня индуктивных помех можно привести следующие цифры: силовой провод длиной 1 м с током, изменяю­щимся со скоростью 100 А/мкс, создает в параллельно расположенном на расстоянии 1 мм проводнике такой же длины помеху 0,2 В. Практические значения удельной емкости параллельно расположенных проводников составляют 10... 100 пФ/м.

Причины возникновения гальванических помех —связь различных узлов системы управления через сопротивления, например, через сопротивление общего для нескольких цепей провода, через заземляющий провод, через общую для нескольких потребителей цепь питания.

На рис. 8, 9 приведены варианты разводки питания от общего источника к блокам простой системы стабилизации скорости двигателя постоянного тока при питании его от широтно-импульсного преобразователя с силовым ключом СК: к регулятору, усилителю мощности и двигателю.

Реальные проводники соединений неизбежно обладают хоть и малыми, но вполне определенными собственными комплексными сопротивлениями z_np. Их можно рассматривать как отрезки RLC цепей с параметрами, зависящими от сечения и способа прокладки проводов.

Мощные устройства — усилитель мощности и двигатель потребляют кратковременные импульсы тока высокой мощности и скорости нарастания. Эти импульсы тока создают на проводниках питания напряжения помех U _п. Уровень этих помех может достигать десятков и даже сотен вольт.

Такого рода помехи могут не только нарушить работу МП-системы, но и вывести из строя ее электронные компоненты. Кроме импульсных помех на активных сопротивлениях проводников будут создаваться падения напряжения от протекания токов средних значений.

Рис. 8. Пример неправильной разводки цепей питания и межблочных соединений

Схема рис. 8 представляет пример крайне неудачной разводки цепей питания. Якорный ток двигателя и ток питания регулятора протекают по одному проводнику. Между тем один из выводов тахогенератора подключен к общему проводу непосредственно вблизи клеммы якоря двигателя. Таким образом, напряжения помех U _п4 и U _п5 будут просуммированы с напряжением тахогенератора, и отделить их от полезного сигнала будет чрезвычайно трудно. Аналогично, из-за неудачного подключения общего проводника источника задающего сигнала с этим сигналом будет просуммировано напряжение помехи U _п3. Кроме того, значительные пульсации питающего напряжения узлов системы, особенно регулятора, могут существенно ухудшить качество их работы или даже вызвать недопустимые сбои.

Рис. 9. Вариант правильной разводки цепей питания и межблочных соединений

Второй вариант разводки цепей питания и малосигнальных цепей более удачен. Падение напряжения в проводниках хоть и вызовет изменения питающего напряжения, но уже только для «своих» схем. Разводка общих проводников сигнала задания и обратной связи с тахогенератора такова, что падение напряжения в проводах питания не суммируется с полезным сигналом.

Реактивный характер сопротивлений соединительных проводов приводит к значительным импульсным помехам даже при коммутации небольших токов, если время переключения очень мало. Для современных цифровых микросхем время переключения составляет десятки или даже единицы наносекунд. Нетрудно представить последствия, если на шине длиной 1 м сечением 0,5 мм² цифровая схема с переключением тока 50 мА за время 10 нс создает помеху до трех вольт. Напомним, что для типовых ТТЛ микросхем логический ноль и единица различаются уровнем 2 В.

Синфазные и дифференциальные помехи. Если помеха, созданная за счет индуктивной или емкостной связи, в равной мере наводится в обоих проводниках, соединяющих датчик с усилителем, то ее называют синфазной, продольной или помехой общего вида U_{c ф}. Если же помеха создает разность напряжений между этими проводниками и, таким образом, неотличима от полезного сигнала, ее называют дифференциальной, противофазной или поперечной помехой U_дп.

На рис. 10 представлена эквивалентная схема, показывающая, каким образом приложены напряжения этих помех по отношению к источнику сигнала и первому каскаду усиления. Сопротивления соединительных проводов обозначены через z ₁ и z ₂.

Поперечную помеху, особенно если ее спектр совпадает со спектром полезного сигнала, очень трудно от него отделить. Основными способами борьбы с такой помехой являются меры конструктивного характера: экранирование мощных источников электромагнитного излучения и малосигнальных цепей, использование симметричных схем датчиков и их соединительных линий, пространственное разделение силовых и информативных элементов системы.

Подавление синфазных помех

Синфазная помеха приложена ко входам усилителя иначе, чем полезный сигнал, существенно облегчает борьбу с ней.

Рис. 10. Схема воздействия помех на вход усилителя

Рис. 11. Схема несимметричного усиления

Рассмотрим схему усиления сигнала с удаленного аналогового датчика (рис.11) считая, что в цепи передачи сигнала датчика U_д приложена синфазная помеха U_сф. Сопротивление проводов R_пр1 и R_пр2 считаем активным, в общем случае они могут быть различными. Синфазная помеха может быть обусловлена емкостными или индуктивными наводками, а при гальванической связи датчики с корпусом усилителя –падением напряжения на общем проводе соединения. Усилитель сигнала реализован на базе операционного усилителя в инвертирующем включении.

Отдельно рассчитаем усиление полезного сигнала датчика и паразитное прохождение сигнала помехи на выход усилителя.

Выходной сигнал усилителя, обусловленный сигналом датчика

(1)

Выходной сигнал усилителя, обусловленный сигналом помехи,

(2)

Таким образом, полезный сигнал усиливается в раз, а синфазная помеха передается на выход схемы без усиления (но и без подавления).

Если же неивертирующий вход усилителя соединить с его общим проводом, как это показано на схеме пунктиром (что часто делают неопытные разработчики),то сигнал помехи оказывается включенным последовательно с сигналом датчика. Таким образом синфазный сигнал помехи оказывается превращенным в дифференциальный и будет усилен, как и полезный сигнал, в раз.

Для оценки способности схемы подавлять синфазные помехи используется понятие коэффициента ослабления синфазного сигнала k_occ, который определяется как отношение коэффициента передачи полезного сигнала к коэффициенту передачи синфазной помехи.

Для рассматриваемой схемы включения в первом случае k_occ равен , во втором случае он равен единице, т.е. схема не обладает способностью подавлять синфазные помехи.

Рис.13Схема дифференциального усилителя с выходом k_occ

Рис. 12 Схема дифференциального усиления

Мощным средством борьбы с синфазными помехами является использование дифференциальных усилителей (или ОУ в дифференциальном, симметричном включении). Простейшая схема такого вида приведена на рис.12.Используя приведенные на схеме обозначения, выполним аналогичным предыдущим расчеты прохождения сигналов:

(3)

(4)

Если подобрать и = , то = 0. Таким образом, по крайней мере, теоретически, схема обладает способностью подавлять синфазный сигнал.

На практике коэффициент подавления синфазного сигнала определяется качеством операционного усилителя и может достигать80…100 дБ. Для эффективного использования свойств дифференциальных схем необходимо по возможности точно выдерживать равенства и = .Последние из равенств легче выполнить, если входное сопротивление операционного усилителя велико, тогда равенство реализуется за счет выбора ( и хоть и различны,но очень малы).Оценить реальное значение k_occ при отклонении значений резисторов от расчетных величин можно по соотношениям (1)‑(4).

Стремление максимально использовать цепи не свойства дифференциального усилителя подавлять синфазные помехи привело к разработке специальных схем, так называемых измерительных, или инструментальных усилителей. Они отличаются большим входным сопротивлением и высоким коэффициентом подавления синфазных помех –до 10⁵,что достигается использованием качественных современных ОУ и высокоточных резисторов. Вариант схемы такого усилителя приведен на рис.13.

Фильтрация. Если, несмотря на принятые меры конструктивного характера (экранировка, правильный монтаж, симметричные схемы датчиков),дифференциальная помеха попала в цепь полезного сигнала, единственным средством улучшения качества сигнала является фильтрация.

Возможность этого улучшения основана на том, что частотные спектры полезного сигнала и помехи могут не совпадать или, по крайней мере, частично различаться. Тогда, используя частотно–зависимые цепи, можно преградить путь тем составляющим спектра помехи, которые не совпадают со спектром полезного сигнала.

Сигналы датчиков координат электропривода несут информацию о механическом движении объекта управления и двигателя, а также тех составляющих токов и напряжений в силовых цепях, которые вызывают это движение. Таким образом, спектры полезных сигналов датчиков являются достаточно низкочастотными, по крайней мере, редко выходят за пределы нескольких сотен Гц.

Спектры же помех, вызываемых коммуникационными процессами в мощных силовых цепях электропривода, а также процессами переключения цифровых микросхем, простираются до частот в десятки мГц. Таким образом, принимается возможность улучшения качества сигналов за счет разделения спектров путем использования фильтров имеется.

Для оценки степени «засоренности» полезного сигнала поразительными помехами используется понятие отношение сигнала к шуму (С/Ш).Оно определяется через отношение среднего квадрата полезного сигнала к среднему квадрату сигнала помехи (шума),т.е.

.

Через отношение С/Ш удобно выразить и степень улучшения качества сигнала дифференциального усилителем с высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала. Если соотношение С/Ш на входе усилителя обозначить через k_сшвх, то на его выходе это соотношение будет

.

В задачах автоматического управления как помеху, так и полезный сигнал обычно считают случайными функциями времени, свойства которых задаются вероятностными характеристиками. Довольно часто известными являются лишь две характеристиками: интенсивность сигнала(задаваемая либо среднеквадратичным значением, либо среднеквадратичной плотностью) и граничная частота спектра сигнала ω_гр, определяемая полосой частот, в которой сосредоточена большая часть мощность сигнала.

На рис.14 предоставлены спектральные характеристики полезного сигнала и шума на выходе согласующего измерительного усилителя. Конкретный вид характеристики полезного сигнала определяется свойствами объекта управления и характером технологического процесса. Конкретный вид спектральной характеристики шума зависит от всего перечисленного выше многообразия факторов, порождающих помехи.

Рис. 14 Спектральные характеристики сигналов и АЧХ фильтра.

Если после соглашающего усилителя включить фильтр нижних частот (ФНЧ),частотная характеристика k_ф(ω) (рис 14) которого согласована со спектральной характеристикой полезного сигнала, то спектр сигнала на выходе этого фильтра будет существенного сужен. Это приведет к снижению интенсивности сигнала помех.

Отношение С/Ш на выходе фильтра можно оценить по приближенной формуле

где –частота среза ФНЧ.

Общее повышение соотношение С/Ш схемой нормализации составит

.

Выбор частоты среза ФНЧ. При оценке реально достижимого соотношения С/Ш необходимо учитывать несколько взаимно противоречивых факторов. Понижение частоты среза ФНЧ приводит к улучшению подавления помех, но нельзя ω_cр выбирать ниже граничной частоты спектра полезного сигнала, чтобы не исказить полезную информацию.

С другой стороны, любой ФНЧ — это инерционная динамическая система, и с понижением ω_cр ее инерционность растет, что обязательно нужно учитывать при использовании фильтров в цепях датчиков координат замкнутых систем электропривода. Вне зависимости от способа технической реализации ФНЧ его передаточную функцию можно представить в виде

W_Ф(s) = k_ф/L(s),

где k_ф — коэффициент передачи фильтра по постоянному току; L(s)—линейный оператор, определяющий конкретную характеристику фильтра (используются полиномы Баттерворта, Чебышева, Бесселя).

Наиболее качественной является характеристика ФНЧ, приближающаяся к прямоугольной, что достигается повышением порядка оператора полинома. Однако при этом также увеличиваются инерционные свойства ФНЧ, запаздывание выходного сигнала относительно входного. Для грубой оценки вносимого запаздывания реальную передаточную функцию ФНЧ заменяют передаточной функцией эквива­лентного звена 1-го порядка

W_Э(s) = k_ф/(T_Эs+ 1),

где Т_Э —n/ω_cр, n — порядок реального ФНЧ.

При выборе частоты среза и порядка полинома фильтра величину эквивалентной постоянной времени следует сопоставить со значениями малых постоянных времени математической модели электропривода.

Улучшая качество сигнала, полезного вспомнить об уровне абсолютной погрешности датчика. Нет смысла «давить» шумы до уровня, существенно более низкого, чем погрешность. Тем более, при дальнейшем аналого-цифровом преобразовании разрядность (и точность)преобразователя выбирается исходя из погрешности всего канала измерения, а погрешность эта определяется в первую очередь самым «узким» местом.

В подтверждение сказанного приведем табл.2 с соотношением между разрядностью двоичного кода, относительным и абсолютном (для шкалы 10 В)значениями погрешности квантования и рекомендуемым отношением С/Ш преобразуемого сигнала. Относительная погрешность квантования определена через отношение уровня, соответствующего единице младшего разряда, к шкале преобразователя.

 

ТАБЛИЦА 2

Разрядность кода	Абсолютная погрешность, В	Относительная погрешность, %	Kсш на входе преобразователя
о.е.	дБ
	0,625	6,2	2*103
	0,156	1,6	3,2*104
	0,039	0,4	5*105
	0,0097	0,1	8*106
	0,0024	0,02	1,3*108

Общий коэффициент передачи канала нормализации выбирается исходя из диапазона изменения измеряемого сигнала, чувствительности датчика и уровня шкалы аналого-цифрового преобразователя. В любом случае максимально возможные значения преобразуемого сигнала должны быть близки к уровню шкалы преобразователя, но не превышать его.