Аблязов В.И. Конспект лекций. Автоматизированное управление процессами и системами

Подождите немного. Документ загружается.

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ

ПРОЦЕССАМИ И СИСТЕМАМИ

Конспект лекций

Доцент В.И. Аблязов

2010 г.

1. Обмен информацией в сетевых структурах ....................................................3

2. Организация обмена данными через процессор .............................................6

3. Типовая сетевая конфигурация автоматизированной системы ..................... 8

4. Функциональное назначение процессора в микро-ЭВМ ............................... 9

5. Порты ввода-вывода....................................................................................... 10

6. Структура процессорной команды ................................................................ 13

7. Способы адресации ........................................................................................ 14

8. Организация памяти ....................................................................................... 15

9. Структура и работа процессора ..................................................................... 17

10. Организации прерываний............................................................................... 20

10.1. Неймановская и Гарвардская архитектура.................................................... 23

11. Применение контроллеров и однокристальных ЭВМ.................................. 26

11.1. Развитие семейства микроконтроллеров MCS-51 ........................................ 28

11.2. Структура микроконтроллера........................................................................ 29

11.3. Подключение и функции выводов MCS-51 ................................................. 32

11.4. Реализация прерываний ................................................................................. 35

11.5. Память данных................................................................................................ 36

11.6. Таймеры счетчики .......................................................................................... 40

11.7. Организация обмена через порты ..................................................................40

11.8. Программирование ОЭВМ. Система команд................................................ 42

11.9. Взаимодействие микроконтроллера с объектом управления....................... 44

11.9.1. Опрос двоичного датчика. Ожидание события............................................. 44

11.9.2. Ожидание импульсного сигнала.................................................................... 45

11.9.3. Программная реализация цикла ожидания ................................................... 46

12. Однокристальные PIC- контроллеры ............................................................ 46

12.1. Отличительные особенности PIC контроллеров .......................................... 46

12.2. Структура и назначение выводов PIC 16С54................................................ 47

12.3. Применение PIC процессора в системе терморегулирования ..................... 50

13. Промышленные контроллеры........................................................................ 52

13.1. Промышленные логические контроллеры .................................................... 53

13.2. Семейство программируемых контроллеров SLC 500 .................................59

13.3. Программирование логических контроллеров ............................................. 69

13.4. Порядок формирования структуры ПЛК в семействе SLC.......................... 70

14. Системы управления на базе персональных ЭВМ ....................................... 72

14.1. Структура системы управления на базе ПЭВМ............................................ 72

14.2. Контроллер управления движением МС-3628.............................................. 74

14.3. Модули обмена цифровыми сигналами в РС................................................ 75

15. Формирование управляющих воздействий в следящем приводе ................ 78

16. Представление координатных перемещений в микроЭВМ ......................... 80

17. Следящий привод со сравнением аналоговых сигналов .............................. 83

18. Следящий привода с работой ВТ в фазовом индикаторном режиме .......... 84

19. Контрольные устройства (датчики)............................................................... 86

19.1. Основные характеристики и параметры датчиков: ...................................... 86

19.2. Классификация датчиков ............................................................................... 86

19.3. Примеры датчиков (контрольных устройств)............................................... 87

20. Индукционные датчики перемещения .......................................................... 87

21. Цифровые датчики угловых перемещений ................................................... 89

22. Применение частотных преобразователей.................................................... 92

22.1. Назначение и структура частотных преобразователей ................................ 92

22.2. Принцип работы частотного преобразователя.............................................. 95

22.3. Скалярное и векторное регулирование ......................................................... 98

22.4. Функциональные возможности преобразователей ..................................... 100

22.5. Описание частотного преобразователя EI-8001.......................................... 101

22.6. Частотные преобразователи различных фирм ............................................ 107

1. Обмен информацией в сетевых структурах

Важнейшей функцией управления является передача информации. В

зависимости от вида информацию разделяют на аналоговую и цифровую.

Подавляющая часть информации в современных устройствах, включая

компьютеры, передается в цифровом виде.

Передача (обмен) информации осуществляется различными способами.

Путь, по которому сигнал распространяется от передатчика к приемнику, часто

называют средой передачи данных. Она может быть проводной (проводная

линия, коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно) и беспроводной

(радиоканал). Совокупность физической среды передачи данных и

вспомогательных устройств, обеспечивающих прием и передачу данных

называют линией связи.

В одной линии связи может быть один канал передачи информации и

может быть несколько каналов, разделяемых, например, по временному или

частотному признаку. Если канал в линии связи единственный, то понятие

«канал» и «линия» отождествляют.

Передача данных осуществляется, как правило, одним из трех способов :

 симплексная (simplex) - однонаправленная передача;

 полудуплексная (half duplex) - прием/передача информации

осуществляется поочередно;

 дуплексная (duplex) - двунаправленная, каждое устройство

одновременно может принимать и передавать информацию.

Устройства, объединенные линиями связи, называют сетью. В

подавляющем большинстве сетей организация приема передачи возлагается на

процессоры (компьютеры). Если объединяются компьютерные средства, то сеть

часто называют вычислительной (компьютерной).

При небольших расстояниях между устройствами в сети последняя

называется локальной. Кроме неё существуют также корпоративные,

территориальные, региональные, глобальные сети.

Структура (компоновка, топология, конфигурация) сети, под которой

понимают физическое расположение устройств сети (один относительно

другого) и способ соединения их линиями связи, выполняется на основе трёх

способов: звезда (star), кольцо (ring) и шина (bus), (рис.1а, б, в).

Звезда - к одному центральному устройству (компьютеру)

присоединяются другие периферийные устройства, причем каждое из них

использует свою отдельную линию связи.

Кольцо - каждый компьютер передает информацию всегда только

одному компьютеру, следующему в цепочке, а получает информацию только от

предыдущего компьютера в цепочке, и эта цепочка замкнута в «кольцо».

Шина - при которой все компьютеры параллельно подключаются к

одной линии связи и информация от каждого компьютера одновременно

передается всем другим компьютерам. Если в качестве терминальных

устройств здесь выступают не процессорные устройства (компьютеры), а

просто устройства приёма/передачи информации (например, панель

отображения информации или пульт задания режима), тогда обмен

информацией между всеми терминальными устройствами (например, 2 -5)

осуществляется только через процессорное устройство (например, 1).

Шинная организация, или её еще называют «общая шина», при большом

числе устройств применяется наиболее часто. Рассмотрим основные её

особенности.

Как в реальной жизни на железной дороге один путь связывает между

собой многие станции, так и при передаче данных сигнальная шина соединяет

между собой все устройства.

2 3

4 5

а)

б)

1 2

4 5

в)

Рис. 1. Конфигурация сетевых структур: а) звезда; б) кольцо; в) шина

В простейшем случае шина представляет собой набор сигнальных линий

(проводников), общих для всех подключённых к ней устройств, и служит для

обмена данными. Количество этих проводников (линий) определяет

разрядность шины. Каждая линия служит для переноса (передачи) одного бита

информации. Подключение устройств к шине осуществляется через

согласующие устройства. В компьютерах роль приёмо-передающих устройств

выполняют различные регистры.

В каждый момент времени по электрической шине, в отличие от

железнодорожной, может передаваться только одно число. В противном случае

переданная информация будет искажаться в результате наложения, конфликта.

Таким образом, в шине реализуется режим полудуплексного обмена (в обоих

направлениях, но по очереди, а не одновременно). Поэтому передача по шине

носит последовательный характер.

Для уменьшения ширины (разрядности) шины применяют

мультиплексирование – последовательное разделение во времени

передаваемой информации. Например, по 8-разрядной шине передаются

поочередно сначала старшие 8 разрядов, а потом младшие 8 разрядов 16-

разрядного числа. В мультиплексной шине число сигнальных линий меньше

разрядности передаваемых адресов, данных или управляющей информации.

Шинная организация позволяет осуществить обмен информацией между

большим количеством различных устройств с минимальными аппаратными

затратами.

Отметим особенности шинной организации передачи данных.

1. Функционально шина должна включать в себя, как минимум, три

шины:

 данных (ШД) - для передачи информации;

 адресов (ША) - для задания адреса (номера) устройства, которому

(или от которого) нужно передать информации;

 управления (ШУ) - для задания направления передачи

информации.

Эту совокупность трёх шин называют системной шиной или просто

шиной. В различных процессорах (компьютерах) эти шины могут быть как

раздельные, так и совмещенные. В последнем случае для передачи, например,

адреса и данных применяют мультиплексирование.

Требуемая разрядность ШД определяется, если нет

мультиплексирования, разрядностью передаваемой информации. Разрядность

ША – количеством подключаемых устройств.

Минимальная разрядность ШУ может быть равно 1 (чтение/запись), при

необходимости задании режимов передачи (скорость, протокол обмена, выбор

дополнительного регистра в устройстве и др.) разрядность управляющей шины

увеличивается.

2. Любое устройство, подключенное к шине, должно иметь свой

собственный адрес (номер), выбор которого производится по адресным шинам.

3. Место подключение устройства к шине может быть любым.

4. В каждый момент времени по шине может передаваться только одно

число от одного источника информации. Приемником информации является

тоже, как правило, одно устройство.

5. Выходы устройств (схем), не участвующих в обмене в данный момент,

должны находиться в «выключенном» состоянии (иметь большое

входное/выходное сопротивление), чтобы не шунтировать шину , то есть, не

испортить сигналы на шине. В частности, поскольку входы цифровых

микросхем приемников имеют большое входное сопротивление, то их выходы,

при подключении к шине должны переводиться в 3 состояние (Z-состояние по

зарубежной классификации) с высоким выходным сопротивлением.

2. Организация обмена данными через процессор

В соответствии с отмеченными признаками шинной организации

осуществляется подключение внешних устройств. На рисунке показана

структура шинной организации обмена информации процессора с внешними

устройствами через порты (интерфейсы) обмена этих устройств. ШУ в данном

случае одноразрядная: чтение (информации с внешнего устройства поступает в

процессор) или запись (информации из процессора передается на внешнее

устройство).

Для задания адреса четырех устройств достаточно два разряда адресной

шины: 00, 01, 10 и 11. Если число устройств, например, ЗУ с объёмом памяти

64К (65536 ячеек), тогда требуется 16 адресных линий (2

= 64К).

В типовых процессорных контроллерах шина данных обычно бывает 8

или 16-разрядная (передача одно- или двухбайтовых чисел).

Логическая реализация выбора и подключения одного из нескольких

внешних устройств к шине данных показана на рис. 2

При практической реализации шинной передачи данных по длинным

линиям требуется тщательное соблюдение правил подключения цифровых

схем. Когда к линии в шине подключено большое число логических элементов,

ее емкость возрастает, и для того, чтобы избежать паразитных импульсов,

вызываемых отражениями, желательно включать на концах линии резисторы

согласованной нагрузки. В случае, например, когда подключение к шине

осуществляется через приемопередатчики 74LS245, эффективное согласование

обеспечивается включением двух резисторов: 330 Ом между линией и землей

(0 В) и 220 Ом между линией и шиной питания.

Процессор

(контролле

р)

Порт

(инте

фей

с,

ШУ

ША

ШД



Процессор

(контроллер)

Порт (интерфейс,

регистр) обмена

ШУ

ША

ШД

Чтение/ Запись



Внешнее

устройство

Внешнее

устройство 1

Out

Внешнее

устройство

Внешнее

устройство N

Out

Рис. 2. Логика подключения устройств к шине

В каждый момент времени обмен информацией происходит между

процессором и одним из внешних устройств, выбор которого через ША

осуществляется сигналом низкого уровня

(Chip Select). На остальные

устройства по этому входу в это время подается запрещающий сигнал, в нашем

случае, высокого уровня. При использовании ЛЭ с тремя состояниями на них

подаются сигналы блокировки выхода OE (Output Enable). Одновременно к

шине может быть подключено до 20 и более устройств.

Направление передачи информации задается по шине управления ШУ

сигналом W /



R . Низкий уровень сигнала открывает вход чтения данных DI

(Data In), то есть прием (в процессор) информации; высокий уровень сигнала

осуществляет запись данных DO (Data Out) во внешнее устройство.

3. Типовая сетевая конфигурация автоматизированной системы

Типовая сетевая конфигурация автоматизированной системы управления

с применением контроллеров семейств SLC и PLC фирмы Allen-Breadly

приведена на рис. 4.

В ее состав могут входить различные типы контроллеров, ЭВМ,

однокристальные ЭВМ, обеспечивающих управление различными

объектами/процессами по заданным алгоритмам. Имеются вспомогательные

устройства, выполняющие различные вспомогательные функции.

Рис. 3. Подключение цифровых микросхем к шине

220 Ом

330 Ом

220 Ом

330 Ом



W/R



4. Функциональное назначение процессора в микро-ЭВМ

Процессор занимает центральное место в структуре любого компьютера

или контроллера (см. рис. 5), так как он осуществляет управление

взаимодействием всех устройств, входящих в состав ЭВМ. Процессор

считывает программу из памяти программ, считывает и записывает

промежуточные результаты в память данных, выдает и принимает от внешних

устройств через интерфейсы обмена информационную и управляющую

информацию, осуществляет прием и выдачу цифровых и аналоговых сигналов

через порты ввода-вывода и др. Иногда даже отождествляют понятие

контроллера и процессора. Поэтому понимание работы процессора необходимо

для правильного выбора контроллера, разработки алгоритмов управления и для

формирования оптимальной структуры системы управления

Сцепка

1747-AIC

Сеть

DH-485

сеть распределенных

УВВ 1771

IBM-PC XT, AT

или

совместимый с картой

1784-KR

, интерфейсом

PC DH-485

Пульт 1784-T45, T47

или совместимый

Сеть

PLC- 5/15

или

PLC 5/25

SLC 5/02 MC +

1747 DCM

FC + 1747-DCM +

ряд расширения

1747-PIC

Модульный контроллер

SLC 5/02 MC

SLC 500 FC

Модуль табличного доступа

к данным 1747-DTAM-E

SLC 5/01 MC

Портативный

терминал 1747-

ННТ-РТ1

Рис. 4. Сетевая структура систему автоматизации

Рис. 5. Взаимодействие процессора с внешними устройствами

Процессором (CPU - Central Processing Unit) называется устройство,

осуществляющее покомандное выполнение записанной в память программы,

путем последовательного считывание дельных команд программы и

формирования в соответствии с ними необходимых управляющих сигналов,

обеспечивающих:

 согласованную работу всех устройств;

 обмен через шины связи информации между процессором и

внешними устройствами. Этот ввод-вывод данных осуществляется

при помощи устройств сопряжения (интерфейс обмена ИО),

учитывающих специфику внешних устройств (ВнУ);

 выполнение требуемых арифметических и логических операций;

 прием и выдачу во вне необходимых управляющих воздействий.

5. Порты ввода-вывода

Порты ввода-вывода обеспечивают обмен данными (в цифровом или

аналоговом виде) с внешними устройствами. Иногда их называют регистрами

обмена. Порты бывают одно-, 4- и 8-разрядные.

Как правило, процессор записывает (считывает) одновременно все слово,

то есть все разряды порта. В этом случае порт называют параллельным. Если

прием информации осуществляется через один разряд порта (например, с

дальнейшим ее накоплением во внутреннем 8-разрядном регистре процессора),

то такой порт называется последовательным. Последовательные порты обычно

одноразрядные.

Порты бывают трех типов:

ввода – только для ввода информации;

вывода – только для вывода;

двунаправленные, обеспечивающие как прием, так и выдачу информации.

…

CPU

Процессор

Память

программ

Память

данных

адресная шина

ША

ИО

Интерфейс об

мена

ВнУ

Внешнее устр-во

…

ШД

информационная шина

ШУ (чт/зап)

шина управления

Порт

Вв-выв

Порт

Вв-выв

Дискретные

сигналы