Общие понятия об автоматизации управления объектами с помощью микроЭВМ

Общие понятия об автоматизации управления объектами с помощью микроЭВМ

Под автоматической системой управления объектом понимается такая система, которая с помощью различных средств измерительной техники производит сбор информации о состоянии объекта, обработку этой информации и по разному формирует управляющие сигналы, которые с помощью различной регулирующей и управляющей техники воздействуют на объект.

Рисунок 1. Схематическое изображение автоматической системы управления объектом с помощью УЭВМ

УЭВМ и объект управления образуют автоматические системы управления, при этом …. Являются взаимодополняемыми понятиями, их описание и моделирование составляет основу любой задачи автоматизации.

Система как реальный объект или абстрактное понятие состоит из ряда элементов и соответствующих связей между ними. Каждая система характеризуется структурой, свойствами и окружающей средой. Носителями информации в системе являются физические величины или сигналы.

Процесс есть временная последовательность в системе, при которой происходит процесс преобразования и передачи вещества, энергии и информации.

Переменные процессы разделяются:

1. Входные величины (независимые переменные):

а) управляемые входные воздействия;

б) неуправляемые входные величины (измеряемые и неизмеряемые

помехи);

2. Параметры состояния (зависимые переменные) – характеризуют

промежуточные параметры протекания процесса и не являются

непосредственно выходными параметрами.

3. Выходные величины (зависимые переменные) – управляемые

параметры, характеризующие результат проведения процесса.

Рисунок 2. Схематическое изображение переменных процессов

Информация передается с помощью различного рода сигналов носителями, которыми являются различные физические величины, которые могут быть либо функцией времени, либо пространства.

Все сигналы делятся на два класса: аналоговые и дискретные.

Аналоговые сигналы описываются непрерывными математическими функциями, а дискретные разрывными функциями.

Аналоговые сигналы

а) переменный (многомерный б) постоянный (медленно

сигнал) изменяющийся сигнал)

Рисунок 3. Аналоговые сигналы

Параметр сигнала, посредством которого передается информация, называется информационным параметром, это может быть частота, амплитуда и фаза для переменных сигналов, длительность и фаза импульсов, их количество и пространственное распределение по первой или нескольким линиям и составляет информационные параметры сигналов.

Дискретные сигналы

а) импульсное б) фазовое в) широтное

регулирование регулирование регулирование

Рисунок 4. Дискретные сигналы

К дискретным сигналам относятся цифровые сигналы.

Рисунок 5. Цифровые сигналы

С электронной точки зрения цифровой сигнал представляет собой импульс, поэтому многие импульсные сигналы могут обрабатываться с помощью микроконтроллера как одноразрядный цифровой сигнал, при условии нормирования импульса. Цифровые сигналы могут передаваться параллельно, либо последовательно.

Параллельная передача сигнала предусматривает передачу всех битов одновременно по нескольким линиям связи. Последовательная передача по одной линии.

а) параллельная б) последовательная

Рисунок 6. Передача данных

Аналоговый ввод данных

Большинство первичных сигналов в системе являются аналоговыми, поэтому для ввода таких данных в УМК их предварительно необходимо преобразовать в цифровую форму с помощью АЦП. Для этого необходимо правильно выбрать АЦП по быстродействию.

Быстродействие – время преобразования в цифровой вид отдельного мгновенного значения непрерывной функции.

Рисунок 18. Преобразование налогового сигнала в цифровой

Информация от каждого датчика через информационный фильтр и нормирующий усилитель подается на коммутатор, а с выхода коммутатора на вход АЦП, с выхода АЦП цифровые данные подаются на порт ввода.

Коэффициент усиления нормирующих усилителей k₁– k_n устанавливается индивидуально в зависимости от входного сигнала датчика.

Реализация данных схемы возможна с помощью внешних коммутатора и АЦП или встроенных в контроллер.

В случае применения внешних коммутатора и АЦП на них необходимо подавать сигнал управления с порта вывода УМК.

- аналоговая «земля», общая шина для аналоговых сигналов

- цифровая «земля», общая шина для цифровых сигналов

Аналоговая и цифровая земля должны иметь только одну общую точку – соединение, которое находится непосредственно в АЦП. Это делается для исключения влияния цифровых импульсных помех на аналоговые сигналы. Аналоговый вывод данных представляет процесс обратный аналоговому вводу. При этом цифровые данные в порте-вывода УМК преобразуются в аналоговые сигналы с помощью ЦАП, выходные сигналы которого это постоянные либо переменные сигналы тока или напряжения. Такие сигналы служат для управления индикаторами или цифровыми устройствами, работающими по принципу:

При наличии нескольких каналов вывода реализуется схема демультиплексирования в порте вывода УМК на несколько регистров.

MOV X@DPTR, A

Процедура записи данных во внешний регистр аналогична записи во внешнюю память данных. При этом в регистр DPTR записывается число, содержащее условный адрес регистра, соответствующий сигналу разрешения работы данного регистра (старший байт адреса). Кроме того на все входы С - *** регистров подается сигнал WR*** с выхода порта P3.

Режим ввода-вывода.

Обычно в системах управления применяется достаточно большое число датчиков и исполнительных устройств, для работы с ними существует несколько режимов работы интерфейса ввода-вывода контроллера, из которых рассматривается два основных:

1. Программно управляемый ввод- вывод.

2. Ввод-вывод по прерыванию.

Ввод-вывод по прерыванию.

Максимальная эффективность системы управления достигается в том случае, если время обмена данными не фиксируется и каждое отдельное устройство взаимодействует с контроллером с собственной максимальной скоростью.

Такой обмен возможен с помощью сигналов запроса прерывания (ЗПР), которые инициируются самими внешними устройствами, и появляется произвольно в моменты времени асинхронные по отношению к циклу рабочей программы УМК. Т.е. управлять их действиями программа не может, т.к. неизвестно в какой точке программы и какое внешнее устройство инициирует сигнал ЗПР.

Процедура ввода-вывода организуется так: с приходом сигнала ЗПР процессор должен прерывать текущую программу, определить устройство, запросившее прерывание, запомнить промежуточные данные и перейти к подпрограмме обслуживания данного устройства. После завершения этой подпрограммы возвратиться в основную программу, прерванную подпрограммой. Прерванная основная программа должна возобновится, как будто подпрограммы и не было, единственным фактором этого события является увеличение времени работы цикла.

Опрос матрицы датчиков.

Такая задача возникает, когда число датчиков много больше числа входов контроллера.

Рассмотрим подключении е клавиатуры из 64 контактов, подключенных к УМК в виде матрицы 8х8.

P0 – на чтение информации.

P1 – на вывод информации.

Сигнал на выходе порта P1 последовательно сканирует 8 столбцов матрицы активным сигналом логической единицы «1», начиная со старшего разряда P1.7.

Через P0 считывается состояние всех контактов в данном столбце и запоминается в восьми байтовом масштабе с побитовой адресацией.

После завершения сканирования через 8 тактов данный массив АЗУ представляет собой карту текущего состояния всех контактов.

Принципиальная схемы матрицы в каждом узле представляет контакт, включенный последовательно с диодом, все диоды включены параллельно на каждой линии опросов***. При не нажатых контактах состояние линии опроса считывается в виде логического нуля, т.к. каждая линия через резистор 43 кОм присоединена к земле. Все 8 столбцов матрицы присоединены к напряжению питания U_п = +5 В с помощью резисторов R = 4.3 Ом, поэтому замкнутое состояние контакта в любом режиме считывается в виде логической единицы. Последнее выполняется в том случае, если на столбец в котором расположен замкнутый контакт будет подаваться логическая единица с выхода порта P1. На столбцах с логическим нулем замкнутое состояние контакта читается в идее логического нуля. Для предотвращения взаимного влияния нескольких замкнутых контактов на одной линии служат развязывающие диоды.

Датчики аналоговых сигналов

Выходной сигнал аналоговых датчиков перед вводом в контроллер требует преобразования из аналогового вида в цифровой. Эту задачу выполняют специальные блоки – АЦП. На вход подается непрерывная функция Uвыхmax = Uвхmax = 5 В, на выходе двоичный код.

Существует множество АЦП, которые различаются:

1) По способу исполнения АЦП бывают автономными – в виде отдельной микросхемы и встроенными в микроконтроллер.

В автономных кроме выходных сигналов АЦП к контроллеру подключается несколько линий управления режимом работы АЦП. Для работы такого АЦП нужна специальная программа.

Управление встроенным АЦП осуществляется на уровне специализированных регистров управления.

2) По принципу преобразования АЦП бывают последовательного счета (последовательные АЦП) и поразрядного кодирования (параллельные АЦП).

3) По быстродействию АЦП бывают:

· Сверхбыстродействующие (10 нс÷ 100 нс)

· Быстродействующие (100 нс÷ 10 мкс)

· Относительно медленные (10 мкс÷ 100 мкс)

4) По погрешности преобразования. Она зависит от разрядности выходного двоичного кода.

Вывод аналоговых данных

Для преобразования цифровых данных, поступающих в порт контроллера, в аналоговый сигнал, который может быть использован для управления исполнительными устройствами, работающими по аналоговому принципу, используются функциональные блоки, называемые ЦАП.

ЦАП воспринимает двоичный код, подаваемый на его вход, и вырабатывает на своем выходе ток или напряжение, пропорциональные значению двоичного кода.

В основе принципа работы ЦАП лежит схема с использованием инвертирующего операционного усилителя в режиме суммирования токов матрицы двоично взвешенных резисторов. Матрица резисторов выполняет функцию преобразования код – ток, а операционный усилитель преобразует выходной ток матрицы в выходное напряжение.

Рисунок 55. Суммирующий усилитель

Выходное напряжение суммирующего усилителя можно найти по формулам:

- если в схеме есть элемент (---)

Рисунок 56. Четырех разрядный ЦАП (n=4)

Четырех разрядный ЦАП характеризуется:

1. Коэффициентом усиления:

2. Коэффициентами по разрядам:

- по нулевому разряду;

- по первому разряду;

- по второму разряду;

- по третьему разряду.

Z₍_s0)÷ Z₍_s3) – определяют состояние ключа: «0» - ключ разомкнут, «1» - ключ замкнут.

При изменении состояния Z ключей

0001,

……

1111

Конструктивно ЦАП выполняются в виде микросхем, в которых находится резистивная матрица и коммутирующие ключи на КМОП-транзисторах. Внутри микросхемы располагается и резистор обратной связи R_ос.

Рисунок 57. Матрица типа R – 2R

Значение величин резисторов отличается друг от друга в 2 раза. Изготовить матрицу с двоично взвешенными резисторами заданной точности по интегральной технологии очень сложно, поэтому на практике применяется матрица, в которой два номинала резисторов с более сложной схемой коммутации.

Рисунок 58. Схема К572ПА1

ДАТЧИКИ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ

Рисунок 59- Структурадатчика аналогового сигнала.

U_ВЫХ=f(Входная величина)

I_ВЫХ=f(Входная величина)

Датчик постоянного тока

В качестве ЧЭ используется токовый шунт.

Рисунок 60- Схема датчика постоянного тока.

R1 C1 – входной фильтр низкой частоты.

При I_ном, U_ном=75 мВ.

К_у=R3/R2, K_у=5B/U_{ш (}_max), U_вых(_max)=U_ш(_max)∙ K_у=5В.

К_у выбирается таким образом, чтобы получить максимальное выходное напряжение 5В.

Датчики магнитной индукции

В качестве первичного ЧЭ используются магниторезисторы, магнитодиоды, элементы Холла.