Регістри введення-виведення технологічних контролерів

 

Вузли введення-виведення технологічних контролерів найчастіше виконуються на основі регістрів і шинних формувачів. Відзначимо основні вимоги до регістрів і шинних формувачів:

1. Оскільки технологічні контролери здебільшого оперують байтовими величинами, регістри і шинні формувачі також повинні мати байтову організацію.

2. Бажано, щоби розводка виводів входів і виходів на печатній платі мала послідовне розташування, що дозволяє зменшити кількість перехідних отворів, зменшити площу і відповідно вартість плати, збільшує надійність.

3. Бажано, щоби обрані регістри і шинні формувачі мали однакову розводку ліній введення-виведення і живлення, що підвищує гнучкість технологічних контролерів оскільки дозволяє замінювати регістри на шинні формувачі і навпаки.

4. Для підвищення гнучкості системи бажано застосовувати мікросхеми регістрів і шинних формувачів з прямими і інверсними виходами.

5. Бажано дотримуватися компромісу між низьким енергоспоживанням і швидкодією.

Всім перерахованим вимогам, окрім малого енергоспоживання і високої швидкодії, відповідають регістри Кр580Ир82/83 і шинні формувачі Кр580ва86/87. Проте споживання тільки однієї такої мікросхеми часто перевищує споживання решти всіх мікросхем технологічних контролерів і може сягати у окремих екземплярів 100 мА. Існують аналогічні мікросхеми з низьким споживанням i82C82/83, i82C86/87),проте вони доволі дефіцитні і не набули значного поширення..

Серед сучасних серій мікросхем найширший асортимент має серія 74. Мікросхеми цієї серії у виконанні 74НС і 74НСТ мають дуже низьке середнє енергоспоживання і високу швидкодію. Ознайомитися з технічними даними цих мікросхем студент може на сайтах фірм Texas Instruments, Philips, Toshiba, IDT, Pericom, Hitachi. Аналіз наведених в таблиці мікросхем дозволив виявити найвдаліший комплект мікросхем регістрів і шинних формувачів (див. рис. 4.13).

 

 

Рис. 4.13 – Комплект регістрів і шинних формувачів

 

 

Модифікатори адреси

 

B універсальних технологічних контролерах, оснащених мережевими диспетчерами, обов'язково повинні бути модифікатор адреси — вузол, що дозволяє встановити унікальну індивідуальну адресу контролера (станції) в мережі. Існує достатньо багато різних варіантів виконання модифікаторів.

1. У деяких випадках, з метою економії місця на печатній платі, ця адреса прошивається в Flash-памяти мікроконтролера. Недолік такої реалізації модифікатора очевидний — необхідно для кожної станції мати унікальну прошивку.

2. Модифікатор може бути виконаний у вигляді програмно-доступного регістра, входи якого підтягнуті резисторами до живлення, і до цих же входів підключені перемички (див. рис. 4.14).

 

 

Рис. 4.14 – Варіант реалізації модифікатора адреси

 

3. Замість перемичок може бути використаний перемикач типу ВДМ або аналогічний.

4. Останнім часом в особливо відповідальні вироби почали вбудовувати новий тип модифікаторів, що отримав назву iButton.Це гібридний напівпровідниковий прилад, виконаний в корпусі з іржостійкої сталі, зовні дуже схожому на літієву батарею. Прилади випускаються в двох типах корпусів (F5 і F3), діаметр обох корпусів близько 17 мм, а товщина відповідно близько 6 і 3 мм. Такий корпус забезпечує високу механічну міцність і живучість виробу. Чашка корпусу є загальним виводом, а електрично ізольована кришка — сигнальним електродом. Прилад містить усередині літієву батарею і цілий набір функціональних вузлів. Батарея забезпечує безперервне функціонування приладу за час не менше 10 років.

Головним функціональним вузлом приладу, є ROM з 64-бітовим кодом. Цей код містить:

· байт коду типу приладу,

· 6 байт унікального серійного номера

· байт контрольної суми.

Унікальний серійний номер записується за допомогою лазерної технології при виготовленні приладу. Живлення ROMздійснюється по сигнальній лінії, що заощаджує ємність батареї і забезпечує незалежність зчитування. У деяких приладах є пристрій RAM, який живиться від вбудованої батареї і може зберігати інформацію не менше 10 років. Цей пристрій має сторінкову організацію по 32 байти і може містити від 4 до 16 сторінок у різних моделей. Прилад має буфер даних для верифікації в ньому записаної інформації перед записом в основну RAM.Удеяких, ще складніших приладах є паролювання даних запису в RAM. Крім того, деякі з цих приладів мають вбудовані таймери реального часу з відображенням даних часу/календаря в додаткову сторінку пам'яті.

Але застосування цього приладу тягне за собою необхідність використання спеціального контактного пристрою і мікросхеми зчитування, що збільшує вартість виробу, знижує швидкодію і збільшує площу друкованої плати. Використання iButton в будь-якій апаратурі повинне бути дуже серйозно обґрунтовано.

Реалізація модифікатора адреси станції з перемичками, що встановлюються на дворядний роз'єм PLD,є найбільш вдалою, оскільки незадіяні або всі входи регістра при необхідності можуть бути використані як вхідні лінії. Крім того, вона дешевше за варіант з перемикачем і займає менше місця на друкованій платі.

 

Оптично розв'язані вузли

 

Багато завдань, які доводиться вирішувати універсальним технологічним контролерам, вимагають гальванічної розв'язки входів або виходів контролера від різноманітних виконавчих пристроїв, каналів введення і датчиків. Найчастіше для цих цілей використовуються оптичні елементи розв'язки — транзисторні оптопари (Optocouplers).Як правило, сучасні транзисторні оптопари виготовляються в корпусах DIP6 і DIP8. Очевидно, що корпус DIP6бажаніший для застосування в технологічних контролерах, оскільки дозволяє створювати компактніші (за площею друкованої плати) вироби.

Відзначимо також, що при створенні технологічних контролерів, при виборі оптопар насамперед акцентується увага на наступних параметрах:

• максимальна швидкодія (час вмикання Т_оn, час вимикання T_оff) оптронів

• максимальна допустима напруга колектор-емітер закритого транзистора U_ce;

• максимальна допустима напруга база-емітер закритого транзистора U_be;

• мінімальна напруга насичення відкритого транзистора U_{ce sat}

• максимальна напруга розв'язки U₀₁;

• максимальне відношення струму колектора відкритого транзистора Iс до струму світлодіода I_F;

• доступність оптопар.

Довідкові дані найбільш відповідних (за наведеними вище критеріями) імпортних оптронів в корпусі DIP6наведено в табл. 4.4.

У таблицю включалися тільки оптрони, час вкмикання/вимикання яких менше 10 мкс (за винятком вельми поширених оптронів серії 4N).

Розводка виводів оптопар в корпусі DIP6:

1. Позитивний вивід світлодіода (анод);

2. Негативний вивід світлодіода (катод);

3. Не використовується;

4. Емітер транзистора;

5. Колектор транзистора;

6. База транзистора (використовується в деяких типах оптронів).

 

Таблиця 4.4 – Довідкові дані оптронів

Тип оптрона	Ic/IF, при IF>10mA, %	Uce, max, В	Ube, B	Uce sat, В	Ton/Тоff, max, мкс	U01, кВ	Вивід бази
min	max
4N25		-			0,5	1,2/1,3	5,3	+
4N26		-			0,5	1,2/1,3	5.3	+
4N27		-			0,5	1,2/1,3	5,3	+
4N28		-			0,5	1,2/1,3	5,3	+
4N35		-			0,3	10/10	5,3	+
4N36		-			0,3	10/10	5,3	+
4N37		-			0,3	10/10	5,3	+
CNX83A		-			0,4	3/3	5,3	+
IL74	12,5	-			0,3	3/3	5,3
Мст2		-			0,4	1,2/1,3	5,3
Мст271					0,4	7/7	5,3
Мст276					0,4	3,5/3,5	5,3
Мст2е		-			0,4	1,2/1,3	5,3
PC111L		-			0,2	4/3	5,0
PC112L		-			0,2	4/3	5,0
PS2601				-	-	3,5	5,0
PS2651				-	-	3,5	5,0
SFH600-0				-	0,4	3/3	5,3
SFH600-1				-	0,4	3/3	5,3
SFH600-2				-	0,4	3/3	5,3
SFH600-3				-	0,4	3/3	5,3
SFH601-0				-	0,4	3/2,3	5,3
SFH601-1				-	0,4	3/2,3	5,3
SFH601-2				-	0,4	3/2,3	5,3
SFH601-3				-	0,4	3/2,3	5,3
SFH608-2				-	0,4	8/7,5	5,3
SFH608-3				-	0,4	8/7,5	5,3
SFH608-4				-	0,4	8/7,5	5,3
SFH608-5				-	0,4	8/7,5	5,3
SFH640-1					0,4	5/6	7,5
SFH640-2					0,4	5/6	7,5
SFH640-3					0,4	5/6	7,5
TIL111		-			0,4	5/5	1,5
TIL112		-			0,5	2/2	1,5
TIL117		-			0,4	5/5	2,5
TIL126		-			0,4	2/2	1,5

 

Як видно з таблиці, оптрони 4N35 не є кращими в плані швидкодії.

При підключенні оптронів на вході пристрою зазвичай послідовно з плюсовим виводом світлодіода під’єднується резистор, величина якого вибирається з розрахунку струму 10 мА при робочій напрузі (за винятком спеціальних випадків, наприклад, коли струм джерела сигналу лімітований). Іноді зустрічно-паралельно світлодіоду включається захисний діод (зазвичай типу КД522). При цьому, по можливості, не слід об'єднувати всі вхідні мінусові лінії разом, оскільки це знижує можливість незалежного використання оптронів. Вихідні схеми включення оптронів можуть виконуватися із загальним емітером або колектором, залежно від вимог до вихідних сигналів.

При включенні оптронів як вихідних зазвичай виводять вільні колектори і емітери, які також можна захищати зустрічно-паралельним включенням діодів і послідовним резистором, підключеним до колектора.

Зазвичай в технологічних контролерах з оптичною ізоляцією приймають сигнали від зовнішніх джерел переривань, в деяких випадках оптично розв'язують послідовні інтерфейси, а також виконують 1—2 оптично розв'язаних виходів для підключення різноманітної сигналізації або інших виконавчих пристроїв. З метою економії площі друкованої плати і зниження вартості виробу вхідні і вихідні байтові шини на самому контролері виконують достатньо рідко, оскільки значно зручніше виготовити невелику додаткову плату розв'язки і при необхідності з’єднувати її з універсальним контролером плоским кабелем.

Інтерфейс LCD-індикаторів

 

Останнім часом практично до складу будь-якого серйозного універсального технологічного контролера включається інтерфейс з рідкокристалічними інтелектуальними символьними індикаторами (LCD). Інтерфейс в цьому випадку — поняття достатнє умовне, оскільки ніяких додаткових мікросхем для підключення LCD непотрібні. Досить на платі встановити PLD-роз’єм JP1 2x17. Схема підключення LCD-индикатора показана на рис. 4.15.

 

Рис. 4.15 – Схема підключення LCD індикатора

Схема настільки проста, що потрібно всього кілька додаткових зауважень:

• рекомендується використовувати вказані на схемі лінії портів введення виведення для забезпечення сумісності з іншими вузлами універсальних технологічних контролерів;

• рекомендується встановлювати обмежувальний резистор R1для збільшення терміну служби світлодіодів підсвічування;

• резистор R2необхідний для настройки контрастності для різних модифікацій LCD. При цьому як негативне джерело живлення можна використовувати або відповідний вихід мікросхеми Мах232(або аналогів) або спеціальну мікросхему для отримання негативної напруги, або ускладнювати джерело живлення (що недоцільно).