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).