Принципы построения систем управления и контроля РЭСБН

 

Основной тенденцией развития систем управления и контроля бытовой РЭ аппаратурой является их массовая интеграция и унификация составных блоков.

В своем развитии радиоэлектронная аппаратура начинала путь со схем на электронных лампах. Ламповая РЭА имела скудные функциональные возможности, большие габариты, значительную потребляемую мощность и низкую надежность. Появление полупроводников позволило снизить габариты, потребляемую мощность, расширить сервисные возможности РЭА. В эту пору аппаратура создавалась методом сборки отдельных радиокомпонентов, монтируемых на платах, соединяемых с помощью шлейфов или специальных коммутационных кросс-плат.

Аналоговый характер работы схем, отсутствие унификации блоков аппаратуры не позволяли создавать сложные системы контроля и управления бытовой РЭА. Любое расширение функциональных возможностей разрабатываемой радиоэлектронной аппаратуры было связано с повышением потребляемой мощности, увеличением стоимости РЭА, снижением ее надежности. Дополнительным мешающим фактором являлся нецентрализованный характер управления компонентами РЭА (рис. 1.4). Элементы управления (регуляторы, выключатели, коммутаторы и т.д.) были напрямую связаны с компонентами управления РЭА.

Рисунок 1.4 - Структура схемы управления простой РЭСБН

При настройке, модернизации, изменении в схеме управления аппаратуры каждый элемент требовал индивидуального подхода, отдельной разработки. Сложной задачей было выполнение функций контроля работоспособности, функциональности устройства управления и всей РЭА.

Современное развитие радиоэлектроники, больших (БИС), сверхбольших (СБИС) и гибридных интегральных схем, микропроцессоров (МП) и микро-ЭВМ позволило сделать значительный шаг в развитии систем контроля и управления бытовой РЭА. Появилась возможность широкой интеграции и унификации узлов и компонентов как самой РЭА, так и схем управления и контроля. В схемах управления часто стали использовать цифровые методы и цифровые компоненты.

Основной чертой современных систем управления и контроля РЭСБН является высокая централизация функций управления за счет широкого использования микроконтроллеров (МК) и специализированных интегральных схем (рис. 1.5). При этом появилась возможность унификации как органов управления, так и объектов управления, входящих в различные виды бытовой РЭА.

Рисунок 1.5 - Структура современной системы управления РЭСБН

По этой причине разработка системы контроля и управления выполняется на высоком технологическом уровне при низкой стоимости работы, высокой функциональности, возможности модификации, перестройки на новые условия работы. При этом имеется возможность выпускать целую серию комплектов аппаратуры одного вида, отличающихся по функциональным возможностям, стоимости, области применения, но имеющих схожую структуру строения. В этом случае различия начинаются на уровне программной реализации функций управления, выполняемых в микроконтроллере. За счет серийности выпуска значительно падает стоимость аппаратуры, упрощается процедура управления сложной РЭСБН.

В настоящее время широко применяют однокристальные микроконтроллеры. В этом случае для РЭСБН характерна программная перестройка режимов работы аппаратуры, функций управления, контроля и самоконтроля при низкой стоимости и практически неограниченных возможностях модификаций, ремонта, настройки.

 

Однокристальные контроллеры

 

Значительный прогресс и улучшение характеристик однокристальных микроконтроллеров (ОМК) объясняет широкое распространение их в системах управления РЭСБН. В микросхеме ОМК на одном кристалле расположен полный набор компонентов микропроцессора: АЛУ, регистры, память программ, память данных, порты ввода/вы-вода. Для ОМК характерно наличие небольшого объема памяти программ и данных, простой набор команд, сравнительно ограниченные возможности ввода-вывода информации. ОМК находят применение в качестве специализированного вычислителя, включаемого в контур управления объектом или процессом.

При использовании контроллеров разработчик избавляется от необходимости разработки процессорной части устройства и может уделить больше внимания программному обеспечению, схемам сопряжения контроллера с датчиками, исполнительными механизмами объекта управления. При этом значительно снижаются затраты на разработку и изготовление плат, как следствие, увеличивается скорость выполнения разработки.

Многие известные зарубежные фирмы разработали и выпускают целые серии однокристальных микроконтроллеров и микро-ЭВМ. Эти ОМК отличаются друг от друга системой команд, разрядностью архитектуры, быстродействием, структурным составом, областью применения. Несмотря на эти обстоятельства, с точки зрения пользователя, между ОМК, микро-ЭВМ разных производителей значительно меньше различий, чем сходства. Приведем характеристики некоторых серий микро-ЭВМ, применяемых в бытовой, медицинской, связной и другой радиоэлектронной аппаратуре [1].

Микро-ЭВМ серии PD-75х фирмы NEC представляют собой однокристальные 4-х разрядные микро-ЭВМ с различными емкостями программ и данных. Микро-ЭВМ управляют данными в 1/4/8 битовом формате и имеют разнообразные порты ввода/вывода, которые могут функционировать при различных напряжениях питания и токах нагрузки (например, для прямого управления светодиодными индикаторами и подключения клавиатуры). Эти микро-ЭВМ применяются в схемах управления видеомагнитофонов, видеокамер, CD-проигрыва-телей, радиоприемных устройств, копировальных аппаратов, телефонных аппаратов, электронных кассовых аппаратов, медицинской технике и в других случаях.

Некоторые наиболее важные характеристики однокристальных микро-ЭВМ семейства PD-75х приведены в таблице 1.2:

Таблица 1.2 - Типовые характеристики микро-ЭВМ семейства PD-75х

Серия содержит большое число разнообразных микро-ЭВМ, совместимых на программном уровне, предназначенных для выполнения разнообразных задач управления РЭА. Перечислим имеющиеся ЭВМ этой серии: PD75004, PD75006, PD75008, PD75028, PD75036, PD75104, PD75108, PD75111, PD75112, PD75116, PD75208, PD75212, PD75216, PD75238, PD75304, PD75306, PD75316 и другие.

Примером развития микро-ЭВМ серии PD-75x можно назвать быстродействующую архитектуру микро-ЭВМ серии COM-75x. Для сравнения в таблице 1.3 приведены только улучшенные характеристики, в сравнении с микро-ЭВМ серии PD-75x.

Таблица1.3 - Характеристики микро-ЭВМ серии COM-75x

Микро-ЭВМ серии LC6xxx фирмы SANYO представляют собой однокристальные 4-х разрядные микро-ЭВМ с высокопроизводительным ядром. Часть выводов микро-ЭВМ могут прямо управлять вакуумными люминесцентными индикаторами и светодиодами. Микро-ЭВМ применяется в схемах управления и индикации музыкальных центров, усилителей, видеомагнитофонов, телефонов, автоответчиков, факсимильных аппаратов и другом оборудовании.

Перечислим некоторые микро-ЭВМ этой серии: LC65204А, LC662304А, LC662306А, LC662308А, LC662312А, LC662312А, LC66304А, LC66306А, LC66308А, LC66354В, LC66356В, LC66358В, LC66506В, LC66508В, LC66512В, LC66516В и другие.

Наиболее важные характеристики микро-ЭВМ серии LC6xxx приведены в таблице 1.4.

Таблица 1.4 - Характеристики микро-ЭВМ серии LC6xxx

Микро-ЭВМ серии LC86x фирмы SANYO относятся к 8 разрядным однокристальным микро-ЭВМ и имеют различную емкость внутренних ПЗУ и ОЗУ. Имеются варианты интегральных микросхем (ИМС) с электрически перепрограммируемыми ППЗУ и с однократно программируемыми ПЗУ.

Перечислим микро-ЭВМ этой серии, опубликованные в [1]: LC865008В, LC865012В, LC865016В, LC865020В, LC865008В, LC866216А, LC866220А, LC866224А, LC866228А, LC866232А.

Наиболее важные характеристики микро-ЭВМ серии LC86x приведены в таблице 1.5.

Таблица 1.5 - Типовые характеристики микро-ЭВМ серии LC86x

Микро-ЭВМ серии 68HCxx фирмы MOTOROLA относятся к 8 разрядным однокристальным микро-ЭВМ с различной емкостью памяти программ и данных. Серия микро-ЭВМ находит применение в устройствах управления компьютерными мониторами, средствах беспроводной связи, устройствах сбора информации, телефонии и автомобильной электронике.

Примеры микро-ЭВМ этой серии: 68HC05В, 68HC11Е.

Наиболее важные характеристики микро-ЭВМ фирмы MOTOROLA приведены в таблице 1.6

Таблица 1.6 - Типовые характеристики микро-ЭВМ серии 68HCxx

Микро-ЭВМ серии AT89 фирмы ATMEL представляют собой 8 разрядные однокристальные микро-ЭВМ с различными емкостями внутренних ПЗУ команд, ОЗУ данных, типами запоминающих устройств, различной тактовой частотой. Микро-ЭВМ находят применение в качестве встроенных управляющих микроконтроллеров в промышленной и бытовой аппаратуре.

В семейство входят АТ89С1051, АТ89С2051, АТ89С51, АТ89LV51, АТ89С52, АТ89LV52, АТ89S8252 и т.д. Семейство по структуре, расположению выводов и по системе команд совместимо с семейством серии MSC-51, рассматриваемой в другом разделе.

Микро-ЭВМ серии AT90S фирмы ATMEL представляют собой высокопроизводительные 8 разрядные однокристальные RISC - микроконтроллеры с различными емкостями внутренних ПЗУ команд, ОЗУ данных, типами запоминающих устройств, различной тактовой частотой. Контроллеры находят применение в качестве встраиваемых управляющих микроконтроллеров.

В семейство входят AT90S1200, AT90S2313, AT90S2323, AT90S2343, AT90S4414, AT90S4434, AT90S8535, AT90S8515, AT mega 103, AT mega 603 и другие.

Важные характеристики данного семейства приведены в таблице 1.7.

Таблица 1.7 - Типовые характеристики микро-ЭВМ серии AT90S

Микро-ЭВМ серии MSC-51 фирмы INTEL представляют собой 8 разрядные однокристальные микро-ЭВМ с различными емкостями внутренних ПЗУ команд, ОЗУ данных, типами запоминающих устройств, различной тактовой частотой, разным внутренним набором компонентов и количеством разрядов ввода/вывода.

Среди микро-ЭВМ этой серии можно назвать 8031AH, 8051AH, 8751BH, 80C32, 80C32, 87C52, 80C54, 87C54, 87C58, 80C51GB, 83C51GB, 87C51GB и еще более 35 представителей семейства. Более подробная характеристика будет дана в следующих разделах.

Из рассмотренных примеров можно сделать вывод, что решение с помощью микро-ЭВМ задач управления в бытовой РЭА требует некоторого схожего набора характеристик по объему программ, данных, длительности выполняемых команд и других. Поэтому, при кажущихся серьезных различиях структур микро-ЭВМ разных фирм, для разработчика и пользователя управляющие микро-ЭВМ и микроконтроллеры, используемые в РЭСБН, весьма близки.

Для изучения можно ограничиться одним, наиболее характерным представителем разнообразного множества управляющих микро-ЭВМ и микроконтроллеров. В практической деятельности при рассмотрении другого представителя этого множества микроконтроллеров достаточно будет уяснить имеющиеся различия в архитектуре, системе команд и используемых ресурсах.