Организация микроконтроллерных систем управления

В нашем курсе мы будем рассматривать основные вопросы реализации СУ на основе микроконтроллерных вычислителей. Рассмотрим общую структуру системы управления:

То же самое в «академическом» виде, принятом в теории управления:

Система представляет собой регулятор - вычислитель на основе МК, выполняющий алгоритм управления (регулирования) и соответствующего аппаратурного окружения в составе: датчиков, усилительно-преобразующих и исполнительных устройств, системы питания и интерфейсов взаимодействия между этими элементами и с внешними частями системы.

Данная система является цифровой, иначе говоря, дискретной, с квантованием как по уровню (определяется разрядностью обрабатываемых данных), так и по времени (определяется скоростью обмена данными межу устройствами).

Информационно-измерительные устройства, датчики

Чувствительный элемент - преобразует параметры среды в пригодный для технического использования сигнал.

Датчик - законченное изделие на основе чувствительного элемента, включающее, в зависимости от потребности, устройства усиления сигнала, линеаризации, калибровки, аналого-цифрового преобразования и интерфейса для интеграции в системы управления.

Усилительно-преобразующие устройства

Устройства, выполняющие функцию усиления мощности сигнала с преобразованием его природы (усилитель-преобразователь) или без него.

Исполнительные устройства

Исполнительное устройство — подсистема, передающая воздействие с управляющего устройства на объект управления.

Интерфейс связи

Интерфейс связи (от англ. interface — поверхность раздела, перегородка) — совокупность средств и методов взаимодействия между элементами системы для осуществления передачи данных между ними.

Характеризуется совокупностью (стеком) протоколов передачи данных — набор соглашений, который определяет обмен данными между элементами системы от физического до прикладного уровней (модель OSI). Протоколы задают способы передачи сообщений и обработки ошибок по каналам связи, а также позволяют разрабатывать стандарты, не привязанные к конкретной аппаратной платформе.

Данный состав является типовым, поэтому микроконтроллеры, предназначенные для этих целей (СУ) уже имеют в своем составе законченные решения этих типовых задач.

Микроконтроллеры. Основные сведения

Микроконтроллер – электронно-вычислительное устройство, которое помимо средств выполнения математических вычислений и алгоритмов (процессор и память) обладает набором средств, необходимых для прямого взаимодействия с устройствами, входящими в аппаратуру системы регулирования или управления – перечисленным выше т.н. типовым составом аппаратуры СУ.

Микроконтроллер – устройство, включающее в себя процессор, память (ОЗУ и ПЗУ) и различные специализированные периферийные устройства, такие как:

• цифровые порты, которые можно настраивать как на ввод, так и на вывод

• интерфейсы ввода-вывода, такие как UART, I²C, SPI, CAN, USB, Ethernet

• аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

• компараторы

• широтно-импульсные модуляторы, генераторы сигналов

• таймеры, счетчики, квадратурные демодуляторы

• массивы встроенной флэш-памяти

• встроенный тактовый генератор

• устройства контроля питания и сигнала сброса (RESET)

Также возможны специализированные блоки:

• контроллеры бесколлекторных двигателей

• контроллеры дисплеев и клавиатур

• радиочастотные приемники и передатчики

Характеристики МК:

• Разрядность – 8, 16, 32.

• Быстродействие – MIPS, FLOPS

• Архитектура – RISC, CISC, ARM

• Поддержка плавающей точки

Общение ЦП с устройствами осуществляется посредством работы (запись/чтение) c соответствующими регистрами МК.

Регистр — область памяти, используемая для хранения n-разрядных двоичных слов (чисел) и выполнения преобразований над ними.

Порты ввода-вывода – имеет электрическое состояние на выводах, соответствующее числу, записанному в регистр порта

Классифицируются по:

- количеству линий (контактов)

- направленности – входные, выходные, двунаправленные

Электрически по:

- логические уровни (TTL (ТТЛ), CMOS (КМОП))

- максимальное напряжение

- нагрузочная способность – макс допустимый ток

- входной/выходной импеданс (вх/вых сопротивление)

- количеству состояний – с поддержкой 3-го состояния – tristate, z-state или без

- наличию подтягивающих резисторов (pull-up, pull-down) и возможность и управления ими. Необходимы для согласования и задания определенного состояния входной ножки.

Электрические уровни логических сигналов в зависимости от напряжения питания и технологии логических элементов (ТТЛ, КМОП):

здесь

V_СС – напряжение питания,

V_IH – входное напряжение высокого уровня,

V_IL – входное напряжение низкого уровня,

V_OH – выходное напряжение высокого уровня,

V_OL – выходное напряжение низкого уровня.

Как правило, одни и те же выводы микросхемы микроконтроллера могут быть сконфигурированы как входные или выходные линии для разной периферии, например, как линия IO общего назначения или как линия для входного сигнала АЦП.

Широтно-импульсные модуляторы – устройства, реализующие ШИМ, такой тип модуляции, когда передаваемым сигналом является ширина импульса или скважность (отношение длительности импульса к периоду следования импульсов, измеряется в %).

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, англ. Analog-to-digital converter, ADC) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал).

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) — устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного) кода в аналоговый сигнал (ток, напряжение или заряд). Цифро-аналоговые преобразователи являются интерфейсом между дискретным цифровым миром и аналоговыми сигналами.

Счётчик числа импульсов — устройство, на выходах которого получается двоичный (двоично-десятичный) код, определяемый числом поступивших импульсов. Счётчики могут строиться на T-триггерах. Основной параметр счётчика — модуль счёта — максимальное число единичных сигналов, которое может быть сосчитано счётчиком. Счётчики обозначают через СТ (от англ. counter).

Таймер — устройство, выдающее в заданный момент времени (или по прошествии интервала времени) определённый сигнал, либо порождающее внутреннее событие для ЦП - прерывание.

Устройства контроля питания и сигнала сброса - предназначены для контроля питания и корректного запуска ядра и периферии.

Устройство запуска по питанию - Power-on Reset (POR) – по сути одновибратор, генерирует импульс определенной ширины на внутренней линии сброса (INTERNAL RESET) по сигналу внешней линии сброса (RESET) в процессе включения (нарастания напряжения питания) – гарантирует, что контроллер запустится тогда, когда напряжение питания будет номинальным.

Детектор падения напряжения – brown-out detector (BOD) – измеряет напряжение питания и в случае, если оно падает ниже установленного уровня, генерирует внутренний сигнал сброса (подвешивает контроллер), пока значение напряжения питания не вырастет выше уровня включения.

Watchdog timer - «Сторожевой пес» - сторожевой таймер – перезапускает контроллер (генерирует импульс внутреннего сброса) в случае, если в течении заданного интервала не произошло обнуление его счетчика.