Понятие о промышленных компьютерах серии Micro PC

В настоящее время тенденции развития систем автоматизированного управления в основном сводятся к созданию структур распределенного управления. В таких системах головной компьютер соединен локальной сетью того или иного вида с периферийными компьютерами, максимально приближенными к объекту управления или встраиваемыми непосредственно в него. И если головной компьютер может отвечать требованиям, предъявляемым к обычным компьютерам, то периферийные компьютеры должны соответствовать жестким промышленным стандартам и иметь ряд специфических характеристик и функциональных возможностей. Среди них можно выделить следующие:

· модульный принцип организации;

· широкий температурный диапазон;

· малые размеры;

· низкое энергопотребление;

· возможность работы в замкнутых и герметичных объемах со слабой вентиляцией или без нее;

· разнообразие вариантов монтажа;

· устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам, электромагнитным воздействиям;

· высокая надежность;

· развитые и разнообразные средства коммуникаций.

Одной из характерных особенностей рынка персональных компьютеров как в мире, так и в России является подача компьютера как "товара народного потребления". Этот подход заставляет покупателя непрерывно следовать за компьютерной модой, выбрасывая на помойку вполне работоспособные изделия и заменяя их на "более быстрые", "более емкие" и т.д. В результате пользователь оказывается втянут в постоянную гонку за новым программным и аппаратным обеспечением, - "как, вы еще не поставили Windows98? А вот у вашего соседа..." В результате поколения компьютеров сменяют друг друга с головокружительной быстротой, а гарантийный срок работы машины становится сопоставим с интервалом ее морального старения.

Подобный подход - реальность, которая на практике определяет облик домашней или офисной вычислительной машины. Но, насколько суета и спешка характерны для офисных приложений и индустрии развлечений, настолько же консервативна и осторожна промышленность. В самом деле, запуск и наладка серьезной технологической линии может потребовать около года, и при этом не может быть речи о том, чтобы через два-три года заменять все оборудование только потому, что какая-то фирма выпустила новую программу-оболочку для домохозяек, для которой не хватает ресурсов уже установленных компьютеров. Этот консерватизм, естественно, не мешает гибкой переналадке оборудования при смене выпускаемой продукции, но одно дело - набор данных для управления процессом и совсем иное - замена всей линии.

Поэтому не стоит удивляться тому, что в промышленных компьютерах и сегодня успешно используется процессор 80386, который нередко считают уже "безвременно усопшим", "снятым с производства" и так далее. Во многих случаях вычислительной способности компьютеров на базе 80386 оказывается более чем достаточно для решения реальных производственных задач. Из выше сказанного, кстати, вовсе не следует, что процессор Pentium в этих машинах не используется, речь идет о более полном использовании возможностей имеющихся вычислительных ресурсов.

Одним из пионеров в области создания промышленных компьютеров является американская фирма Octagon. В России ее продукция получила популярность в основном благодаря рабочему температурному диапазону (от -40 до +70С), который соответствует отечественным ГОСТам, предъявляемым к продукции военного назначения. А поскольку все высокие технологии в СССР в той или иной мере были привязаны к оборонке, компьютеры Octagon быстро завоевали популярность.

Кроме того, компьютеры Octagon поставляются с операционной системой DOS, уже зашитой в постоянной памяти компьютера. Это, впрочем, не мешает подключить винчестер и загрузить популярный Windows или более традиционную для промышленных приложений операционную систему QNX.

Но основная особенность Octagon-компьютеров состоит в их архитектуре. На смену привычной материнской плате со всем-всем-всем пришла "пассивная плата" на которой размещены только слоты расширения, соединенные параллельно друг с другом и разъем для подключения блока питания. Все процессорные и интерфейсные платы выполнены в виде интерфейсных карт ISA и могут устанавливаться в произвольном порядке и составе.

Это привело, с одной стороны, к снижению избыточности аппаратных средств в составе компьютера (если нет принтера, то и параллельный порт ни к чему), а с другой - к появлению самых разнообразных устройств ввода/вывода данных, средств управления необычной (для мира обычных PC) устройств, таких как, например, шаговые двигатели.

В настоящее время выпускается ряд компьютеров промышленного назначения на основе шин VМЕ, Multibas, ISA. Из РС - совместимых наибольшее признание получили индустриальные компьютеры фирмы Advantech (Южная Корея) и промышленные компьютеры Micro PC фирмы Octagon Systems (USA). Эти компьютеры используют стандартную 8 или 16 битную шину ISA, работают под управлением MS DOS или Windows, поэтому все программное обеспечение, созданное для персональных компьютеров, можно применять без проблем. Наряду с процессорными платами этими фирмами выпускается большая номенклатура плат расширения и различных комплектующих, позволяющих эффективно решать большинство задач промышленной автоматизации.

Рассмотрим более подробно компьютеры Micro PC.

Отличительной чертой этого семейства является широкий рабочий диапазон температур от -40^оС до +85^оС, малый размер плат 11.4 х 12.4 см, низкое энергопотребление, составляющее примерно 10% от необходимого стандартному РС. Способность противостоять вибрациям до 5g и ударам до 20g делает Micro PC работоспособными в таких экстремальных условиях, где выходят из строя обычные персональные компьютеры. Изделия Micro PC имеют среднее время наработки на отказ от 90 000 до 230 000 часов, что соответствует самым жестким требованиям промышленных стандартов.

Компьютер строится по модульному принципу. Основой наиболее популярного конструктива служит объединительная плата, содержащая от 4 до 8 слотов шины ISA (рис. 4.1).

Рисунок 4.1 – Корпус Micro PC с блоком питания

В эти слоты вставляются как процессорная плата, так и платы расширения. Возможно использование слотов, выполненных на основе гибкого ленточного кабеля (рис. 4.2), что позволяет ориентировать платы в пространстве произвольным образом.

Рисунок 4.2 – Слоты на гибком кабеле.

Процессорные платы строятся на основе процессоров, начиная от V20 до Pentium. В состав плат расширения входят различные АЦП, ЦАП, платы цифрового ввода/вывода с опторазвязкой и без, сетевые и модемные платы, платы управления движением, платы контроллеров НГМД, НЖМД, SVGA, SCSI и т.д. Используя различное сочетание плат можно собрать компьютер с возможностями от простого встраиваемого контроллера до мощного сетевого сервера.

Монтажные каркасы допускают настольную и настенную установку. Блоки питания и дисководы прикрепляются к боковой поверхности каркасов. Для подключения к внешнему оборудованию поставляются различные кабели, клемные колодки, модули оптической развязки, аналоговые мультиплексоры, преобразователи.

В состав серии Micro PC входят также одноплатные компьютеры, например РС-450, с конфигурацией 486DX4-100, ОЗУ до 32 Мбайт, контроллеры Ethernet, SVGA и SCSI-2 на локальной шине, три последовательных и один параллельный порт, порты жесткого и гибкого дисков, три твердотельных диска, интерфейс РС/104, рабочий диапазон температур -40 +85^оС.

Процессорная плата 5025А

Как отмечалось выше эти платы строятся на основе процессоров V20 (аналог 8088), 386SX, 486SLC, Pentium. Рассмотрим более подробно плату 5025А-386-25, наиболее часто используемую в различных приложениях (рис. 4.3).

Рисунок 4.3 – Процессорная плата 5025A.

Процессорная плата 5025А разработана для использования в системе OCTAGON MicroPC. Эта система использует малые компьютерные платы 4,5"х4,9", которые являются 100% совместимыми с IBM PC. Малые размеры, широкий температурный диапазон (-40 - +85С) и использование КМОП микросхем, потребляющих незначительную мощность, делают их идеальными для высокоточных встроенных контроллеров. Плата 5025А имеет два последовательных порта СОМ1 и СОМ2, параллельный порт LPT1, порт клавиатуры (АТ - совместимой) и громкоговорителя, часы/календарь, сторожевой таймер, до 4МВ оперативной памяти, DOS 6.22 в ПЗУ, панельку сопроцессора и три твердотельных диска. Для питания платы требуется только один источник +5В (потребляемый ток 320 мА).

Вы можете запрограммировать плату, подсоединив ее к своему PC через последовательный порт или подсоединив к ней клавиатуру, дисплей и дисковод. Имеются три версии платы: 5025А, первая-которая использует 25 МГц 80С386SX, вторая-486-25, которая имеет еще в два раза более высокую производительность, и третья 486-50.

Рассмотрим основные особенности платы.

ROM-DOS. Плата 5025А - со "встроенной DOS" системой. Плата содержит совместимую с версией 6.22 DOS в ПЗУ. Если вы хотите использовать свою операционную систему, вы можете установить ее в панельку SSD1. Система DOS загружается и работает точно также, как в вашем настольном PC. Для работы ей требуется только 64 Кб оперативной памяти, если загрузка идет в нижнюю часть памяти, и 20 Кб - если используется память в верхних адресах.

После запуска DOS оперативная память распределяется следующим образом (рис. 4.4):

Рисунок 4.4 – Распределение памяти.

Сторожевой таймер. Сторожевой таймер используется для сброса системы, если программа неожиданно остановится. Сторож включается программным путем. Время срабатывания выбирается перемычкой, и может быть 150 мс, 600 мс или 1,2 с.

Резервная батарея и опция часы/календарь. Плата 5025 имеет встроенные часы/календарь типа AT. Внешняя часовая батарея 3,6в присоединяется к плате и питает часы/календарь при выключенном источнике питания.

Твердотельные диски. Микросхемы твердотельных дисков вставляются в панельки, которые обозначаются как SSD0, SSD1, SSD2.

Панелька SSD0 содержит в ПЗУ BIOS и DOS 6.22.

SSD1 используется для хранения прикладных программ. Для этого может использоваться микросхема FLASH EPROM (электрически стираемая ПЗУ) объемом до 512Кб. Программатор FLASH EPROM встроенный на плате, что позволяет перепрограммировать микросхему через последовательный порт. Также могут использоваться предварительно записанные стандартные EPROM (ПЗУ с УФ стиранием) объемом до 512К байт.

SSD2 используется преимущественно для хранения данных. Этот диск может содержать статическое ОЗУ объемом до 512Кб. Для сохранения информации при выключении питания статическое ОЗУ должно подпитываться от батареек. Для этого может использоваться внешняя часовая батарея 3,6в или переходная панелька 1213DM со встроенной батареей.

Порт громкоговорителя и клавиатуры. На плате расположен 10-штырьковый разъем, к которому может быть подключена с помощью кабеля переходная плата PSK-1, на которой расположен стандартный разъем для подключения любой АТ-совместимой клавиатуры и клеммы для подключения громкоговорителя.

Установка платы. Вы можете установить плату прямо в корзину MicroPC или использовать автономно, закрепив четырьмя винтами через имеющиеся крепежные отверстия и подав питание +5В на соответствующие клеммы.

Последовательные порты СОМ1 и СОМ2. Порты СОМ1 и СОМ2 программируются на скорости обмена от 150 бод до 115 кбод. Оба порта имеют интерфейс RS232. Напряжения, необходимые для этого, генерируются прямо на плате. СОМ2 также может переключаться перемычкой на стандарт RS422 и RS485 для многопользовательских применений.

Параллельный порт LPT1. Параллельный порт принтера может использоваться для поддержки ряда устройств:

1. PC совместимый принтер;

2. 17 цифровых линий ввода/вывода;

3. матричная клавиатура;

4. строчный дисплей.

Этот порт имеет 20-штырьковый разъем. Если он используется только как линии ввода/вывода, к нему с помощью кабеля подключается клемная колодка, которая соединяется проводами с оборудованием. Если подсоединяется ЖКИ - дисплей, используется плата интерфейса LCD-IFB, а для вакуумно-флуоресцентного дисплея используется плата интерфейса DP-IFB. Обе платы интерфейсов имеют разъем для подключения матричной клавиатуры.

SETUP. На плате 5025 установочная информация хранится в ПЗУ с электрическим стиранием. Поэтому информация сохраняется независимо от напряжения питания и батареи. Пользователь также может хранить свою информацию в этой микросхеме, так как около 1792 байт остаются свободными.

Математический сопроцессор. Вы можете установить в панельку сопроцессор Cyrix SX83C87-25 или Intel BOX387SX-25 для увеличения производительности системы.

Аппаратный сброс. Вы можете сбросить систему выключением и включением питания; используя имеющуюся на плате кнопку "сброс"; подав команду RESET. Это позволяет получить более полный сброс, чем метод (CTRL) (ALT) (DEL).

Системные параметры платы 5025А определяются программой SETUP. Она работает с параметрами конфигурации, сохраняемыми в электрически стираемом ПЗУ. Изменения параметров происходят при запуске программы SETUP. Эта программа встроена в ROM-DOS и имеется на диске утилит 5025А.

Для изменения параметров необходимо запустить SETUP. Система будет показывать на дисплее установленные параметры и возможные варианты. Выберите нужный вам вариант, нажимая на клавишу ПРОБЕЛ, затем нажмите ENTER.

Можно устанавливать следующие параметры:

· скорость передачи СОМ1 от 1200 до 115200 бод (бит/сек). (Может появиться сообщение: для использования порта СОМ1 как консоли (удаленного терминала) на скорости больше 9600 бод вы должны установить перемычку W3(3-4) загрузки BIOS;

· тест памяти при включении Enabled/Disabled. Вы можете запретить прохождение теста памяти при включении питания (выбрав Disabled) для ускорения загрузки системы;

· тип микросхемы памяти в панельке SSD1. При установке новой микросхемы в SSD1 драйвер не будет видеть ее, пока она не будет запрограммирована;

· тип микросхемы памяти в панельке SSD2;

· вариант загрузки системы;

1. Загрузка с диска BIOS с использованием ROM-DOS

2. Загрузка с SSD1 с использованием ROM-DOS

3. Загрузка с гибкого или жесткого диска

4. Загрузка с SSD1 с использованием пользовательской DOS;

· число гибких дисков 0, 1, 2;

· защита записи 0C000H - 0C7FF YES/NO. Эти адреса обычно используются для видео BIOS;

· защита записи 0C800H-0CFFFH YES/NO. Эти адреса обычно используются для драйверов жесткого диска, сетевых плат и т.д.

· перемещение BIOS в расширенную память YES/NO. Вы можете разрешить системе переместить BIOS (нормально расположенный по адресам 0Е000Н-0F000H) в расширенную память (EXTENDED MEMORY) в системах с объемом памяти 1МВ или больше. Это позволит высвободить больший объем базовой оперативной памяти.

· число принтеров Auto check

ü 0

ü 1

ü 2

ü 3

Если вы выбрали Auto check, система автоматически проверит порт LPT1 на наличие принтера путем записи в него проверочного байта при загрузке или сбросе. Если вы используете другое устройство вместо принтера и не хотите, чтобы в него записывались данные при загрузке, выберите другую установку.

Нажмите ENTER для сохранения изменений или нажмите ESC для выхода без сохранения изменений. Изменения вступят в силу только после перезагрузки системы.

При запуске системы с использованием ROM BIOS диск SSD0 инициализируется как диск С, виртуальный диск - как диск D, SSD2 - как диск F, SSD1 не инициализируется пока в него не записана информация. Если в него записана какая либо программа, он инициализируется как диск E.

Для организации автоматического запуска программы пользователя при включении питания вы должны в дополнение к прикладной программе также переслать файлы поддержки, такие как COMMAND.COM, CONFIG.SYS, AUTOEXEC.BAT и другие. COMMAND.COM требуется для загрузки платы 5025А с SSD1 с использованием ROM-DOS, AUTOEXEC.BAT для возможности автоматического запуска ваших программ, CONFIG.SYS описывает различные драйверы устройств вашей системы. Для пересылки файлов отформатируйте гибкий диск на вашем PС и скопируйте на него с диска утилит 5025А следующие файлы:

COMMAND.COM

CONFIG.SYS

AUTOEXEC.BAT

MEMDRIVE.SYS

ФАЙЛЫ вашей программы.

и с помощью программы DISKSAVE запрограммируйте SSD1. Как только вы сохранили свои программы и файлы в SSD1, вы можете загрузиться с диска SSD1 и сделать вашу программу самозапускающейся. Для этого:

1.Проверьте, установлена ли перемычка W3(3-4) на плате 5025А.

2.Установите связь между вашим РС и 5025А.

3.Убедитесь, что имя вашей программы указано в файле AUTOEXEC.BAT на SSD1.

4.Запустите SETUP и выберите "Boot from SSD1 using ROM-DOS".

5.Наберите: RESET. Плата сбросится и перезагрузится с диска SSD1.

Последовательные порты платы 5025А. Плата 5025 имеет два последовательных порта. Эти порты поддерживают 5-,6-,7- или 8 бит данных, 1-,1.5- или 2 стоп-бита и скорость обмена до 115200 бод.

Порт СОМ1 является консолью и предназначен для связи вашего РС и Micro PC. Если вам это не требуется, можете использовать СОМ1 как пользовательский порт, поддерживающий RS232.

Для этого есть два способа:

1.Удалите перемычку W3(1-2) и используйте загрузку с SSD1 или гибкого/жесткого диска.

2.Добавьте в систему видеоплату.

СОМ2 как RS422/485 порт.

СОМ2 переключается перемычкой W5 как RS232 и RS422/485. Если W5(1-2) установлена, порт работает как RS485. Вы можете соединить в одну сеть до 32 устройств, общая длина связи может достигать 1,2 км. Но только один передатчик может быть активен в каждый момент времени.

Для соединения порта RS485 с внешними устройствами служит клеммный блок Р3. Соединение может быть двухпроводным (полудуплекс) или четырехпроводным (полный дуплекс).

При двухпроводном соединении нужно соединенные вместе клеммы Т+R+ и Т-R- соединить с соответствующими клеммами остальных устройств. При таком соединении все устройства равноправны.

При четырехпроводном соединении нужно клеммы Т+,Т- ведущего устройства (Host компьтера) соединить с клеммами R+,R- ведомых устройств (периферийные компьютеры) соответственно, а клеммы R+,R- - с клеммами Т+,Т- ведомых устройств.

Передатчик и приемник не являются оптически развязанными, поэтому избегайте земляных петель. Вы должны соединять только сигналы линий RS485, но не источников питания и не земель источников питания.

Для включения и выключения передатчика программным путем:

запишите "1" в порт 20СН (разрешение передачи)

запишите "0" в порт 20СН (запрет передачи).

Блок перемычек W1 устанавливает или снимает нагрузку сети. Она должна быть установлена у последнего приемника в сети, чтобы не было отражений и не возникало искажений сигнала.

Плата АЦП 5710

В составе семейства Micro PC большая номенклатура плат расширения. Это платы цифрового и аналогового ввода/вывода, коммуникационные платы, платы адаптеров различных устройств. Все платы расширения можно использовать и в обычном стандартном персональном компьютере. Для работы с платами расширения используется область адресов портов ввода/вывода с 100Н по 17FH. Для каждой платы отводится 16 адресов, таким образом можно одновременно применять до 8 плат расширения.

Для примера рассмотрим плату аналогового ввода/вывода 5710 (рис. 4.5).

5710 - это высокоточный 16-канальный АЦП с разрешением 12 разрядов. Входы могут быть объединены попарно для образования 8-ми дифференциальных каналов для лучшего подавления помех. На входе АЦП стоит инструментальный усилитель с коэффициентом усиления 1, 10 или 100, устанавливаемым перемычками. Встроенный 32-разрядный таймер может быть использован для запуска преобразователя и генерации прерывания. Этот таймер может быть запрограммирован для генерации от 70000 преобразований в секунду до 3 преобразований в час. Также на плате 5710 имеется 19 дискретных линий ввода/вывода и 16-разрядный таймер/счетчик общего применения. Этот таймер/счетчик может быть использован для счета внешних импульсов или может быть подключен к встроенному генератору 4МГц для генерации прецизионной частоты или временного интервала.

Рисунок 4.5 – Плата аналогового ввода/вывода 5710.

Кроме этого на плате есть 2х-канальный 12 разрядный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Входной диапазон АЦП ±5В; защита от перегрузки входов до ±16В; частота преобразования - 33000 измерений в секунду. Входное напряжение биполярное (как положительное, так и отрицательное). 12-разрядное разрешение позволяет считать значение входного сигнала в диапазоне от -5В до +5В как число от 0 до 4095 соответственно, с шагом 2,44мВ при коэффициенте усиления 1. Нулевое напряжение на входе эквивалентно значению 2048. Если вам необходимо измерять напряжение много меньшее ±5В, вы можете переключить коэффициент усиления инструментального усилителя на плате АЦП в положение х10 или х100 с помощью блока перемычек W2. Выбор коэффициента усиления х10 приведет к изменению входного диапазона до ±500мВ и разрешения до 244 мкВ. При коэффициенте усиления х100 входной диапазон ±50мВ, разрешение 24,4 мкВ.

Плата 5710 имеет размеры 4.5"х4.9" и занимает одно посадочное место в корзине Micro PC.

Базовый адрес выбирается перемычками и первоначально установлен 100Н. Если у вас в системе есть другая плата с базовым адресом 100Н, вы должны изменить адрес АЦП (или другой платы) с помощью блока перемычек W1.

Карта портов АЦП 5710 относительно базового адреса

Адрес порта	Значение	Функция
Порты вывода
+0BН	80-99H	Управляющее слово микросхемы 82С55
+09Н	0-15	Номер канала аналогового входа
+00Н	FFH	Запуск преобразователя АЦП
+04Н	>66	Коэффициент деления счетчика/таймера СТС0 (канал 0)
+05Н	>2	Коэффициент деления счетчика/таймера СТС1 (канал 1)
+06Н		Коэффициент деления счетчика/таймера СТС2 (канал 2)
+07Н		Управление (режим) счетчиком/таймером
+08Н	0-FFH	Цифровой ввод/вывод (порт А 82С55)
+09Н	40-FFH	Цифровой ввод/вывод (порт B 82С55)
+0AH	0-FFH	Цифровой ввод/вывод (порт C 82С55)
+0СН	8 старших разрядов	Канал 0 аналогового вывода (ЦАП)
+0DH	4 младших разряда	Канал 0 аналогового вывода (ЦАП)
+0EH	8 старших разрядов	Канал 1 аналогового вывода (ЦАП)
+0FH	4 младших разряда	Канал 1 аналогового вывода (ЦАП)
Порты ввода
+00Н	младший бит =1	Конец преобразования АЦП
+02Н	8 старших разрядов	Старший байт данных АЦП
+03Н	4 младших разряда	Младший байт данных АЦП

 

Алгоритм преобразования:

1. Инициализируйте 82С55 для настройки каналов порта В на вывод.

Port[BASE_ADDRESS+$0В]:=$80;

2. Выберите канал от 0 до 15

Port[BASE_ADDRESS+$09]:= CHANNEL; (номер канала)

3. Рекомендуется подождать 4 мкс (время установления мультиплексора).

4. Запустите преобразование

Port[BASE_ADDRESS]:=$FF;

5. Проверяйте сигнал "конец преобразования"

While Port[BASE_ADDRESS] and $01 = 0 do;

(Проверка бита 0, если =1 - конец преобразования) или подождите 25 мкс или дольше.

6. Считайте данные. Формат данных:

Адрес	D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
Base_Address+2	S11	S10	S9	S8	S7	S6	S5	S4
Base_Address+3	S3	S2	S1	S0

A:=(Port[BASE_ADDRESS+2])*16+(Port[BASE_ADDRESS+3])/16;

Writeln(A);

Если вам требуются только 8 бит, считайте биты 4-11.

Дождаться сигнала "конец преобразования" можно одним из трех способов:

* возникновением прерывания;

* ожиданием установки бита состояния;

* ожиданием времени 25 мкс или дольше.

Работу платы 5710 можно организовать в режиме автозапуска. Автозапуск - это метод запуска преобразования через регулярные интервалы времени. Бит 4 порта B 82С55 разрешает или запрещает работу платы в режиме автозапуска. Управляющая программа должна считать данные после преобразования и сменить номер канала, если необходимо. Для генерации необходимого временного интервала используются счетчики/таймеры СТС0 и СТС1. Минимальный временной интервал составляет 33 мкс. Счетчики/таймеры могут также использоваться для генерации импульсов или для подсчета внешних импульсов. Частота следования импульсов может быть от постоянного тока до 10 МГц.

Для работы с нагрузками до 3 А и напряжением до 260 В цифровые входы/выходы платы 5710 можно соединить с опторазвязками серии МРВ. Они управляют нагрузкой и обеспечивает гальваническую развязку до напряжения 4 Кв.

Дополнением к плате 5710 может служить аналоговый мультиплексор, входящий в состав семейства Micro PC. Он расширяет функции 5710 и других АЦП. Обеспечивает подключение до 256 каналов и защиту по входу до 120 В переменного тока.