Встроенные периферийные устройства микроконтроллеров

Сервер периферийных транзакций

 

Под транзакцией в микропроцессорной технике понимается выполнение какой-либо целостной операции над данными (или пакетами данных), например ввод или вывод пакета данных в соответствии с заданным протоколом обмена по последовательному каналу связи, пересылка пакета данных из одной области данных в другую и т. д. Сервер периферийных транзакций представляет собой дополнительный встроенный процессор, который работает исключительно по прерываниям, причем на микропрограммном уровне, т. е. аппаратно, практически без отвлечения центрального процессора, поэтому нет необходимости запоминать адреса возврата в основную программу, текущее состояние регистра признаков выполнения операций и т. д. Сразу после обслуживания сервера нормальный поток выполнения команд фоновой программы продолжается.

Скорость работы сервера периферийных транзакций столь высока, что он может обслужить несколько прерываний за время выполнения одной обычной инструкции, как это делает контроллер прямого доступа к памяти. При этом не требуется писать программы обслуживания прерываний и тратить время на их отладку.

Работа сервера становится возможной после задания соответствующего режима, количества обмениваемых данных, адресов источников и приемников данных. Это делается программно путем записи необходимой информации в специальную область памяти – управляющий блок периферийного сервера транзакций. После такой инициализации процессор транзакций будет работать автоматически до тех пор, пока не выполнит заданный объем обработки данных, затем выдаст запрос прерывания, которое состоит в переинициализации на новую задачу.

 

 

Процесс создания микропроцессорных систем

 

Основные этапы и критерии выбора технических решений

 

Создание МПС связано с необходимостью выполнения следующих этапов проектирования и производства:

- выбора элементной базы,

- разработки структуры и электрических принципиальных схем,

- разработки алгоритмов и написания программ,

- изготовления и отладки элементов системы,

- испытаний готовой продукции.

Перечисленные мероприятия, строго говоря, почти никогда не могут быть выполнены в определенной последовательности и чаще всего выполняются в нескольких итерациях, параллельно-последовательно, когда продвижение к цели в одном (например, в выборе элементной базы или при программировании) приводит к необходимости коррекции в другом (например, в структуре и алгоритмах) или наоборот. На каждом этапе необходимо критически рассматривать полученные результаты и, возможно, возвращаться в случае неудовлетворительных результатов к его началу, началу предыдущего этапа или к началу разработки. Иными словами, процесс создания «хорошей» МПС является «искусством» и, как любой творческий процесс, не всегда поддается строгому описанию. Уже только один процесс программирования позволяет получить особые характеристики системы, а в сочетании с гибкостью использования встроенной элементной базы микроконтроллеров поиск оптимального решения усложняется многократно. Тем не менее практика показывает, что МПС создаются в течение заданных сроков ценой определенных затрат и с приемлемым качеством.

Это связано с тем, что каждый разработчик или группа разработчиков (тем более группа) обладает определенным опытом и пристрастиями в использовании той или иной аппаратуры, средствами и технологиями разработки, позволяющими существенно ограничить лишние степени свободы с целью достижения желаемого результата.

Рассмотрим более подробно некоторые из этапов создания МПС.

Выбор элементной базы

 

Как уже отмечалось, МПС может быть создана на основе персонального компьютера, промышленного контроллера или микроконтроллера. Очевидно, что реализация системы будет отличаться, в первую очередь, стоимостью, затем потенциальной производительностью, гибкостью в использовании и, наконец, допустимыми условиями эксплуатации. Определение степени важности (иерархии) перечисленных критериев является первоочередной задачей разработчика. Лучшие результаты дают обобщенные критерии типа соотношения цена/производительность при определенных ограничениях в других критериях, в том числе в сроках разработки, количестве и квалификации участников. Таким образом, уже на ранней стадии разработки необходимо приступить к решению задач оптимизации [6].

Использование готовых изделий (ПК, промышленных контроллеров) позволяет максимально сократить сроки реализации проекта за счет отсутствия процессов проектирования и изготовления аппаратуры. Основная «тяжесть» проекта ложится на программную часть. Однако ценой этому является, как правило, переизбыток вычислительной мощности и, следовательно, завышенная стоимость системы.

В настоящее время создание систем на основе ПК, может быть сведено к покупке всей необходимой аппаратуры и даже программного обеспечения, установке в ПК плат ввода/вывода и некоторой адаптации программ. В первую очередь, таким образом, можно быстро создать систему сбора и обработки данных на основе так называемых виртуальных приборов [6]. Подобная технология широко рекламируется фирмами «Advantech», «National Instruments», предлагающими на рынке собственные средства автоматизации – серии печатных плат PCL, PCI и им подобные для обычных и промышленных компьютеров. В этом случае приборы (вольтметры, амперметры, мегометры, частотомеры и т. д.) существуют только на экране монитора ПК, их функции реализуются процессором с помощью алгоритмов обработки данных, поступающих через платы ввода, а результаты выводятся на соответствующих областях экрана монитора (окнах виртуальных приборов).

Таким же способом удается автоматизировать технологические процессы на промышленных предприятиях [6]. Для этого специально разработаны типовые аппаратные средства – платы АЦП/ЦАП, дискретного ввода/вывода, устройства связи с объектами (входные измерительные гальваноразвязывающие преобразователи и твердотельные реле), а также программные средства – LabVIEW, LabWindows/CVI, ComponentWorks, Measure и VirtualBench для систем Win95/98/NT и многозадачные системы «реального» времени типа QNX, RTKernel.

Промышленные контроллеры специально разрабатываются для автоматизации технологических процессов на промышленных предприятиях, поэтому имеют собственное конструктивное исполнение.

Универсальные промышленные контроллеры могут быть реализованы на основе тех же процессоров, что и ПК, но отличаются повышенными эксплуатационными характеристиками (температура от – 20 до +70 °С) и уменьшенными габаритами. Примерами подобных предложений на рынке автоматизации являются изделия типа MicroPC, OctagonSystems.

Специализированные промышленные контроллеры имеют весьма ограниченные (по сравнению с ПК) функции, поэтому реализуются на менее мощных микропроцессорах и микроконтроллерах. Таковы контроллеры широко известных фирм «Siemens», «ABB», «GreyHill», «Zworld» и многие др. Наиболее простыми являются программируемые логические контроллеры, имеющие ограниченный набор команд или функций, которые программируются с помощью специализированных встроенных средств или через подключаемый для этого ПК.

Специализированные промышленные контроллеры имеют обычно модульную конструкцию, позволяющую собирать необходимую структуру из набора готовых типовых элементов (модулей процессора, ввода и вывода, расширения ввода, согласования с объектом и т. д.). Подобные контроллеры наиболее часто используются в распределенных системах сбора данных и управления, а также в локальных автоматических системах.

Подробное знакомство со структурами и схемами промышленных контроллеров показывает, что использование микроконтроллеров позволяет создавать оптимизированные по соотношению цена/производительность системы, но требует несколько более высокой квалификации разработчика в части аппаратуры и в части программного обеспечения, по сравнению с технологией построения систем на основе ПК. В зависимости от квалификации и опыта разработчика результаты разработки могут быть столь эффективны, что в ряде случаев более выгодным признается технология создания новых систем на основе микроконтроллеров и электронных компонентов с написанием собственного программного обеспечения. Такая технология наряду с выигрышем в стоимости обеспечивает полный контроль над ресурсами системы, «пожизненное» гарантийное обслуживание, гибкость в использовании и модернизации при ее развитии.

Выбор микроконтроллера

 

Выбор микроконтроллера [7] является одним из самых важных шагов, ведущих к успеху или провалу задуманного проекта. При этом необходимо учесть и оценить большое количество факторов. Обычно выбор проводится в 3 стадии:

1. Определение разработчиком необходимых характеристик МК путем ответа на вопрос: «Что должен делать микроконтроллер в данной системе?». При этом немаловажной целью является выбор наименее дорогого МК, но удовлетворяющего требованиям по производительности, надежности, условиям применения и т. д.

2. Выбор микроконтроллеров или группы семейств МК, удовлетворяющих всем системным требованиям, включая необходимый подбор литературы, технических описаний и возможность получения консультаций, отдавая предпочтение однокристальным устройствам – из-за цены и надежности, с учетом стоимости и габаритов.

3. Выбор из списка приемлемых устройств одного путем анализа ряда факторов: цены, доступности, средств разработки, поддержки производителя, стабильности производства, наличия других производителей или поставщиков. Для выработки оптимального решения, возможно, весь процесс придется повторить несколько раз.

Рассмотрим основные критерии выбора МК в порядке значимости.

1. Пригодность МК для конкретной прикладной системы. Из возможных вариантов реализации системы (применением набора устройств автоматики, специализированных микросхем или однокристального МК промышленного производства) необходимо окончательно выбрать МК как гибкое, универсальное и недорогое средство автоматизации. Представляя основные задачи МК в разрабатываемой системе, необходимо выбрать МК с наиболее подходящим количеством контактов/портов ввода/вывода и набором встроенных дополнительных периферийных устройств (последовательные порты ввода/вывода, RAM, ROM, A/D, D/A, ШИМ, и т. д). Также надо убедиться в отсутствии избыточности по структуре и в оптимальном соотношении производительности и стоимости МК.

2. Доступность выбранного МК. Используя информацию о поставщиках и производителях МК, необходимо определить, имеются ли данные МК в количествах, достаточных для реализации вашего проекта, производятся ли сейчас и каковы перспективы их приобретения в будущем?

3. Поддержка разработчика МК. Для эффективной реализации задуманного проекта немаловажную роль играют такие факторы, как наличие ассемблеров и/или компиляторов с развитыми средствами отладки: оценочных модулей (EVM), внутрисхемных эмуляторов, насадок для логических анализаторов, отладочных мониторов, отладчиков программ в исходных текстах. Существенную помощь оказывают разработчики МК, осуществляющие информационную поддержку распространением примеров применения со схемами и исходными текстами программ, сообщений об ошибках, а также бесплатных оценочных ассемблеров. Для поддержки применений фирмы-поставщики обязаны иметь специальные группы поддержки применений, включающие инженеров, техников и менеджеров, обеспечивающих быструю реакцию на запросы о помощи.

4. Надежность фирмы-производителя. Хорошим ориентиром в выборе МК является компетентность фирмы-производителя, подтвержденная уже выполненными разработками, надежность производства и качества продукции, подтвержденная сертификатами, продолжительность работы в данной области, хотя не следует забывать, что любая фирма должна была с чего-то начинать.

Системные требования. Системный анализ проекта позволяет ответить на ряд вопросов и выявить существенные системные требования, в числе которых:

- состав периферийных устройств. Реализация некоторых функций ввода/вывода и обработки данных возможна как чисто программными средствами, так и с использованием встроенных специализированных средств – периферийных устройств, позволяющих повысить производительность МК, однако набор таких устройств для МК различных фирм-производителей и внутри семейств МК может различаться;

- манипуляции при программной обработке данных. Структуры обрабатываемых данных могут существенно повлиять на производительность системы, поскольку обработка битовых полей и числовых данных требует различного подхода к алгоритмам и программам. Еще более существенной разницы в затратах потребует обработка данных по алгоритмам целочисленной арифметики и при операциях с плавающей запятой;

- принцип управления системой. На успешное решение проекта может влиять правильность выбора одного из принципов управления системой: по командам, по готовности или по прерываниям, когда система должна работать в реальном времени (с жесткими характеристиками откликов);

- типы устройств ввода/вывода. Для связи с объектом управления и оператором могут потребоваться различные устройства: терминалы, выключатели, реле, контакторы, клавиатура, сенсоры и датчики (температуры, света, напряжения, тока, положения), звуковые устройства (микрофоны, синтезаторы), индикаторы: жидкокристаллические (LCD); светодиодные (LED), аналого-цифровые (ADC) и цифроаналоговые (DAC) преобразователи;

- тип системы электропитания. В разрабатываемой системе может потребоваться стабилизированное напряжение питания не только для МК, но и для устройств связи с объектом. При этом номинальные значения напряжений и мощности источников вторичного питания (ВИП) будут определяться составом системы. В ряде случаев может потребоваться бесперебойная система электропитания со встроенными аккумуляторными батареями;

- условия эксплуатации. Выбор элементов системы должен учитывать диапазон рабочих температур, атмосферного давления, влажности, а также агрессивность и взрывоопасность среды при эксплуатации и хранении системы;

- массогабаритные характеристики. Наличие ограничений по массогабаритным характеристикам определяет много дополнительных требований, среди которых могут быть требования по базированию пользовательского программного обеспечения (на компакт-дисках, на твердотельных дисках, на микросхемах).

 

Интерфейс RS-422

Интерфейс разработан в 1975 г. для обмена данными между центральным компьютером и периферийным оборудованием. Интерфейс использует симметричную линию связи (рис. 22) и обеспечивает работу удаленного оборудования с ускоренным обменом данными. Интерфейс обеспечивает хорошее подавление помех общего вида за счет использования витой пары в качестве линии связи. Каждый передатчик может быть нагружен на несколько приемников (до 10), что позволяет обмениваться одновременно с несколькими устройствами.

Скорость передачи 10 Мбит/c

Протяженность линии связи 1200 м

Вид сигнала дифференциальный, витая пара

Число передатчиков 1

Число приемников 10

Организация связи полный дуплекс, точка-точка.

 

Интерфейс RS-485

Интерфейс широко распространен в промышленности для двунаправленного обмена данными по симметричной двухпроводной линии связи с повышенной нагрузочной способностью и протяженностью (рис. 23). Применяется для организации сетей типа «звезда» или «кольцо». Применение ретрансляторов позволяет увеличить расстояние между абонентами и организовать новый сегмент сети.

Скорость передачи Протяженность линии связи Вид сигнала Число передатчиков Число приемников Организация связи

10 Мбит/c 1200 м дифференциальный, витая пара полудуплекс, сегмент сети до 32 абонентов.

 

Интерфейс CAN

Последовательный интерфейс CAN специально разработан для объединения датчиков, исполнительных устройств и интеллектуальных контроллеров, управляющих каким-либо объектом в системах промышленной автоматизации. На рис. 24 приведена схема построения МПС на основе специальной магистральной шины.

Основные преимущества интерфейса: обеспечение режима обмена в реальном масштабе времени благодаря возможности инициативной передачи сообщений, высокая помехоустойчивость и протокол с коррекцией ошибок.

 

Скорость передачи 1 Мбит/c

Протяженность линии связи 1000 м

Вид сигнала дифференциальный, витая пара

Число передатчиков 64

Число приемников 164

Организация связи полудуплекс, сеть до 64 абонентов.

 

 

Устройства ввода данных

 

Современные устройства ввода данных кроме основных функций – передачи информации и согласования уровней сигналов – выполняют функцию защиты МК путем гальванической развязки между входом и выходом и позволяют значительно снизить энергопотребление по информационным каналам за счет использования электронных устройств.

Для получения от объекта информации о положении коммутационной аппаратуры, о достижении предельно допустимых значений некоторых контролируемых параметров в целях сигнализации (например, токов, напряжений, температур, давлений и т.д.) в МПС вводят данные в дискретной форме. Для этого используются маломощные реле (герконы) и оптопары диод-диод, диод-транзистор (рис. 25).

Для получения от объекта информации о конкретных текущих значениях напряжений и токов для регулирования или индикации в МПС вводят данные в аналоговой форме. При этом используются измерительные трансформаторы, высокочастотные трансформаторные электронные преобразователи (модемы) и оптические гальваноразвязывающие измерительные преобразователи. На рис. 26 приведена схема входного канала для ввода в МПС аналогового сигнала, пропорционального значению тока через шунт (R _ш), с использованием входного измерительного преобразователя HCPL7800 и операционного усилителя.

Схема обеспечивает минимальное потребление электроэнергии от источника информации и гальваническую развязку между ним и аппаратурой обработки данных. Для питания входных цепей измерительного преобразователя необходим независимый источник питания (гальванически не связанный с цепями питания остальной части схемы). Усилитель на выходе преобразователя необходим для согласования диапазона изменения выходного сигнала с диапазоном сигнала на аналоговых входах микроконтроллера, а также для смещения среднего уровня. При необходимости измерений напряжений достаточно заменить шунт на резистивный делитель напряжения.

Устройства вывода

 

Для передачи управляющих воздействий на объекты управления также используются сигналы дискретной и аналоговой форм.

Сигналы в дискретной форме используются для вывода информации в телекоммуникационные системы контроля, индикации, оповещения и сигнализации. При этом применяют электромеханические и/или полупроводниковые (твердотельные) реле.

Применение электромеханических реле, как правило, требует наличия в системе буферов с мощными выходными каскадами. Из-за индуктивности катушек реле необходимо применять защитные диоды, как это показано на рис. 27.

Применение твердотельных реле более предпочтительно из-за того, что в них отсутствуют механические детали, а также снижено энергопотребление по входным цепям. Как показано на рис. 28, оптоэлектронные твердотельные реле представляют собой оптрон, дополненный схемой выходного усилительного каскада, и могут иметь варианты исполнения для использования в цепях постоянного и переменного тока.

Твердотельные реле по схеме эквивалентны электромагнитным реле с нормально разомкнутыми контактами.

Для обеспечения надежной гальванической развязки между входной и выходной цепями используется оптопара: светоизлучающий диод – светочувствительный диод. В качестве входного элемента реле служит светодиод, а в качестве выходного – тиристор, симистор или полевой транзистор. Ток утечки выходного устройства в выключенном состоянии не превышает 1 мА (типовое значение менее 100 мкА). Напряжение изоляции между входом и выходом устройства, а также между выходом и тепловодом составляет 1500 или 3750 В, в зависимости от модификации прибора. Реле выпускаются в пластмассовых корпусах, предназначенных для вертикального и горизонтального монтажа на печатных платах и панелях.

Подробно с устройством, принципом действия и особенностями применения оптоэлектронных реле можно ознакомиться в технической литературе [8] или по справочным материалам предприятий-изготовителей, например акционерного общества «Протон», фирмы «International Rectifier».

В зависимости от типа выходного устройства оптоэлектронные реле предназначаются для использования либо только в цепях переменного тока, либо в цепях постоянного и переменного тока, либо только в цепях постоянного тока.

Как показано на рис. 29, во всех твердотельных реле переменного тока в качестве выходного устройства используются симисторы или тиристоры, включенные встречно-параллельно. Для снижения уровня электромагнитных помех и уменьшения импульсных токов, возникающих при включении, некоторые типы реле снабжены дополнительными цепями, обеспечивающими подключение нагрузки к сети переменного тока в момент времени, близкий к переходу фазы питающего напряжения через нуль. Это достигается введением в состав реле вспомогательного оптрона, обеспечивающего блокировку цепей управления при выходном напряжении, превышающем пороговое значение напряжения начального включения.

Для коммутации нагрузки в трехфазных цепях переменного тока выпускаются трехфазные реле, объединяющие в одном корпусе 3 реле переменного тока с общими цепями управления. Все выпускаемые трехфазные реле также содержат схему контроля перехода фазы питающего напряжения через нуль.

В твердотельных оптоэлектронных реле постоянного тока в качестве выходного устройства используется полевой транзистор. Это требует соблюдения полярности подключения выхода к нагрузке с учетом выходного напряжения.

Показанный на рис. 30. диод, включенный параллельно сопротивлению нагрузки, необходим только при индуктивной нагрузке. Пунктиром в схеме показаны элементы, позволяющие повысить быстродействие реле, но при этом возникает необходимость в дополнительном источнике питания, что усложняет общую схему МПС.

В качестве выходного элемента двуполярных оптоэлектронных реле используются 2 встречно включенных полевых транзистора. Такая конструкция позволяет применять реле для коммутации как постоянного, так и переменного тока. При этом схемы подключения нагрузки для постоянного и переменного тока различаются использованием соответствующих выводов.

 

 

Пример бортовой вычислительной системы

 

Рассмотрим в качестве примера бортовую вычислительную систему [9] (рис. 31), разработанную на основе унифицированных устройств промышленной автоматики (процессоров MicroPC) с использованием следующих основных принципов:

- архитектура вычислительной системы является распределенной с резервированием аппаратными средствами;

- отказоустойчивый бортовой компьютер реализуется на основе MicroPC;

- встраиваемый в систему контроллер выполнен на СБИС микроконтроллера;

- объединение систем осуществляется через локальную сеть на базе интерфейса RS-485;

- используются индивидуальная конструктивная защита и стойкие комплектующие;

- вычисления автоматически возобновляются после сбоев;

- модифицированное программное обеспечение синхронизирует работу компьютера и встроенных контроллеров в рамках единого временного цикла.

Отказоустойчивый бортовой компьютер (рис. 32) компонуется из трех одинаковых комплектов, объединенных внутренней кабельной сетью, использующей встроенные каналы LPT. Каждый комплект состоит из процессорной платы, системного узла и узла питания.

В системном узле реализованы:

- мультиплексор каналов LPT для обеспечения обмена между комплектами;

- устройство поддержки отказоустойчивости;

- мультиплексор требований прерываний;

- устройство приема/выдачи сигналов системной синхронизации.

Узел питания включает:

- модули и преобразователи питания;

- фильтры и устройства защиты от короткого замыкания в нагрузке;

- датчики («питание в норме»).

Всеми комплектами, как пра­вило, выполняется одинаковая про­грамма, синхронизируемая по внешним синхросигналам, однако выдавать информацию в сеть або­нентам может только один из ком­плектов – ведущий. Остальные блокируются аппаратно. Выбор комплекта ведущим осуществля­ется системным программным обеспечением в результате:

- самотестирования;

- взаимного тестирования;

- обработки текущей информации;

- сохранности информации в ЗУ;

- оценки другими комплектами выдаваемой ведущим информации при «под­слушивании»;

- сравнения информации, принятой разными комплектами;

- повторного просчета или просчета по другой программе.

Все перечисленные факторы влияют на формирование слова состояния отказоустойчивого компьютера и анализируются устройствами поддержки отказоустойчивости в каждом комплекте.

В случае обнаружения сбоев или отказов «ведущим» назначается дру­гой комплект, а для отказавшего начинает выполняться программа реабили­тации: восстановление хода вычислений, восстановление искажений в сис­темных или целевых программах, перезагрузка программ.

При обнаружении аварийной ситуации по питанию соответствующая схема защиты отключает его на несколько секунд, после чего автоматически делается попытка восстановления.

Целевые системы общаются с отказоустойчивым бортовым компьюте­ром (ОБК) и другими абонентами с помощью встраиваемых контроллеров и дублированных каналов (RS-485) обмена информацией. Каждый комплект может принимать информацию с двух других каналов, обеспечивая режим «подслушивания» для оценки достоверности. Выдавать информацию может только один – ведущий.

В процессе работы системы обеспечивается постоянное выполнение фоновых и технологических тестов.

Встраиваемый контроллер (рис. 33), в отличие от компьютера, не имеет развитой аппаратной поддержки отказоустойчивости, но устанавливается в полукомплект абонента сети, имеющего «холод­ный резерв». Вычисли­тельные возможности контроллера ориентиро­ваны на непо­средствен­ное управление аппара­турой абонента и рутин­ную первичную об­ра­ботку данных, т. е. ре­шают проблему согласо­вания с системами и раз­гружают ОБК от про­грамм жесткого реаль­ного вре­мени. Про­грамма записана в ПЗУ. Системное ПО контроллера включает только многозадачный мо­нитор, про­грамму межпро­цессорного обмена через канал RS-485, программы под­держки сети и тесты.

 

 

Примеры использования МПС в судовой электроэнергетике

 

 

В соответствии с требованиями Регистра Морского судоходства в на­стоящее время все современные суда должны оснащаться системами автома­тизации технических средств. Общая тенденция автоматизации судов заклю­чается в оснащении их бортовыми управляющими вычислительными ком­плексами на основе МПС с использованием принципов:

- интеграции, т. е. объединения или поглощения одних систем дру­гими;

- локализации, т. е. выделения ресурсов систем в локальные сис­темы, максимально приближая их к объектам.

Использование этих принципов позволяет создавать иерархические распределенные интегрированные системы, применяемые на современных судах [10].

В системах управления судовыми установками и механизмами МПС ис­пользуются для контроля их работы, оптимизации режимов, в том числе под­готовки и подачи топлива, воздуха, воды и смазочных материалов. Эти сис­темы постоянно контролируют процессы в электроэнергетических комплек­сах, анализируют тенденции в изменении режимов, дают рекомендации по предупреждению аварий и выполняют аварийные переключения.

 

ВСТРОЕННЫЕ ПЕРИФЕРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА микроконтроллеров

 

В составе МК (рис.2.1), кроме центрального процессора, выполняющего основные алгоритмы обработки данных, присутствуют так называемые периферийные устройства, также выполняющие функции обработки данных, но только собственными средствами по собственным специализированным алгоритмам, освобождая основной процессор от многих вспомогательных процедур.

Рисунок 2.1 Типовая структура микроконтроллера семейства MCS-196

 

К ним можно отнести следующие устройства:

- модуль скоростного ввода/вывода данных (встроенный процессор событий);

- встроенные многоканальные ШИМ-генераторы;

- встроенный аналого-цифровой преобразователь;

- последовательные порты обмена данными;

- встроенный контроллер прерываний;

- сервер периферийных транзакций.

Далее будут рассмотрены более подробные описания и схемотехнические решения перечисленных модулей на примере реализаций в МК фирмы «Intel» MCS-196 [1]. В МК других производителей эти модули также могут присутствовать в аналогичном или в модифицированном виде.

2.1.Порты ввода/вывода

Порты ввода/вывода представляют собой 8-ми или 16-ти разрядные регистры специального назначения (РСН), связанные с внешними выводами (pin) корпуса микросхемы и встроенными периферийными устройствами МК. Все порты подразделяются на три вида: порты только для ввода данных; порты только для вывода данных и порты ввода/вывода.

Внутренние структуры соответствующих портов, в целях упрощения, приведены на рис.2.2 одноразрядными.

Порт ввода данных соединяет входы микросхемы МК и внутреннюю шину через последовательно соединенные защитный согласующий резистор, буфер преобразования уровня входного сигнала, регистр данных порта и буфер. Транзисторные ключи Q₁-Q₄ являются частью схемы защиты и программной настройки порта, необходимой для установки одного из альтернативных режимов работы: ввод аналоговых сигналов или ввод дискретных сигналов. В случае установки режима ввода аналоговых сигналов информация после входного резистора направляется к аналоговому мультиплексору и затем к АЦП, схема которого будет рассмотрена далее. В случае установки режима ввода дискретных сигналов буфер преобразователя уровня усиливает или ослабляет входной сигнал, в зависимости от соотношений уровня сигнала на входе с соответствующими пороговыми значениями, принятыми для уровней «0» или «1» дискретных сигналов.

В регистр данных по сигналу «строб» будет занесена информация в виде «0» или «1», после чего по команде «чтение из порта» информация поступит на внутреннюю шину МК.

Порт вывода данных получает данные с внутренней шины МК и с помощью схемы комбинационной логики подсоединяет вывод микросхемы к питанию или к общей точке в соответствии с выводимой информацией.

Порт ввода/вывода может осуществлять передачу информации в одном из двух направлений, в зависимости от потребности разработчика системы в конкретном проекте. Для установки режима ввода или вывода все универсальные порты должны быть проинициализированы, т. е. должным образом настроены до начала их использования целевой программой МК.

Обычно это делается в начальных блоках программы, называемых блоками инициализации.

2.2.Модуль скоростного ввода/вывода данных

Для целей промышленного применения, ориентированных на управление событиями в реальном времени, в кристалл микроконтроллера встраиваются устройства скоростного ввода/вывода данных (или процессор событий). Эти устройства используются для точного формирования периодических сигналов в функции времени, а также для измерения временных интервалов между внешними событиями, например для измерения частоты, периода скважности, фазового сдвига импульсных последовательностей с датчиков обратных связей (измерение скорости вращения двигателей по сигналу импульсного датчика положения ротора).

В состав модуля входят таймеры, один из которых является счетчиком тактовых внутренних сигналов прямого счета, а второй может считать как внутренние тактовые сигналы, так и внешние, причем как в прямом, так и в обратном направлении. Инициализация таймеров должна быть произведена до начала работы основной программы.

В процессе работы модуль аппаратно контролирует изменение потенциала внешнего сигнала на (назначенных) входах с помощью встроенной схемы детектора перепадов входного сигнала. При этом детекторы могут быть программно настроены на подъем и/или на потенциал.. Перепад рассматривается как внешнее событие, момент наступления которого фиксируется по текущим показаниям таймера и вместе со статусом входов записывается в стек процессора.

Эта процедура носит название «захват события» и сопровождается формированием запроса на прерывание центральному процессору для обслуживания модуля.

В программе обслуживания прерываний учитывается номер входа, вызвавшего событие, и содержимое таймера в момент наступления события. Таким образом, вычитая из времени наступления текущего события время предыдущего события, можно с высокой точностью определить интервал между событиями, как показано на рис.2.3.

Например, скорость вращения ротора генератора агрегата или электродвигателя можно определить, если установить на него зубчатый металлический диск, а индукционный датчик поместить так, чтобы он выдавал импульс от проходящих мимо него зубцов. Тогда измеренное значение периода следования импульсов позволит вычислить частоту вращения агрегата.

Существенным является то, что работа модулей высокоскоростного ввода/вывода и процессора событий в моменты захвата событий происходит почти автономно от работы основного процессора и не требует никаких дополнительных аппаратных затрат.

2.3.Встроенные многоканальные ШИМ-генераторы

Несмотря на универсальность, гибкость и широкие функциональные возможности применения процессоров событий, данный модуль все же требует некоторого «отвлечения» процессора на обслуживание программ прерывания. Это может проявляться в ограничениях значений максимальной и минимальной скважностей ШИМ-сигналов.

Поэтому для генерации ШИМ-сигналов на высоких несущих частотах (до 40 кГц) более удобен встроенный многоканальный (чаще всего трехканальный) ШИМ-модулятор (рис.2.4.).

Этот генератор копирует структуры классических ШИМ-генераторов с «цифровой пилой» задания и отдельными компараторами для каждого из каналов и не имеет ограничений в регулировании скважности с точностью до 1/255 ширины импульса опорной частоты.

Встроенный ШИМ-генератор может быть использован для прямого цифрового управления электронными коммутаторами, ключами инверторов напряжения и тока, а также в качестве простейших цифроаналоговых преобразователей