KANAŁY AUTOMATYKI I PRZETWARZANIE SYGNAŁÓW
- Układy wyjściowe
• Układ wyjść analogowych
• Układ wyjść cyfrowych
- Układy wejściowe
• Układ wejść analogowych
• Układ wejść cyfrowych
- Zegar cyfrowy
- Urządzenie sterujące
UKŁAD WYJŚĆ ANALOGOWYCH
Układ wyjść analogowych
Zadanie polega na przetworzeniu sygnału z kanału we/wy jednostki centralnej na sygnał napięciowy wprowadzany na wejście analogowego elementu nastawczego, zaadresowanego przez jednostkę centralną, a następnie utrzymanie tego sygnału do chwili pojawienia się nowego sygnału cyfrowego.
Układ wyjść analogowych umożliwia:
- sterowanie zmiennych procesowych typu ciągłego przy wykorzystaniu analogowych elementów nastawczych
- sterowanie przyrządów wskazujących i rejestrujących typu analogowego
UKŁADY WYJŚCIOWE
Przetworniki C/A
Elementy z we cyfrowym i wy analogowym generujące dla każdego sygnału we cyfrowego jedną wartość napięcia wy proporcjonalną do wartości liczbowej sygnału cyfrowego.
Elementy przetwornika C/A:
- deszyfrator rezystancyjny
- układ przełączników analogowych
- źródło sygnału odniesienia
- wzmacniacz separujący wyjście
PRZEŁĄCZNIKI ANALOGOWE I ŹRÓDŁA
Typy stosowanych przełączników:
- diodowe
- z tranzystorami bipolarnymi
- z tranzystorami polowymi
Źródła sygnału odniesienia
Stosuje się układy ze stabilizacją temperatury i dryftu zera.
UKŁAD STERUJĄCY BLOKIEM WYJŚĆ ANALOG.
Zadania układu sterującego blokiem wyjść analogowych:
- przyjmuje i przechowuje w swoich rejestrach rozkazy i dane z kanału we/wy
- potwierdza do JC przyjęcie rozkazów i danych
- sygnalizuje JC stan zajętości
- wprowadza dane na magistralę danych
- po zakończeniu przetwarzania melduje przerwaniem JC powrót do stanu gotowości
UKŁAD WYJŚĆ CYFROWYCH
Zadanie - przetworzenie wyniku obliczeń przesyłanego do kanału we/wy na:
- sygnał cyfrowy wprowadzany na wskaźniki cyfrowe lub elementy nastawcze z wejściem cyfrowym i utrzymanie tego sygnału do momentu pojawienia się nowego sygnału
- na sygnał binarny
Układy wyjść cyfrowych mogą generować:
- ciąg impulsów binarnych
- pojedynczy impuls
- rolę elementów pamięci spełniają rejestry o długości jednego słowa
- stosuje się wyjścia izolowane galwanicznie
UKŁAD STERUJĄCY BLOKIEM WYJŚĆ CYFR.
Zadania układu sterującego blokiem wyjść cyfrowych:
- przyjmuje i przechowuje w swoich rejestrach rozkazy i dane z kanału we/wy
- potwierdza do jednostki centralnej przyjęcie rozkazów i danych
- sygnalizuje jednostce centralnej stan zajętości
- wprowadza adresy rejestrów wyjść do deszyfratora adresów
- wprowadza dane na magistralę danych
- generuje wymagane sekwencje sygnałów
- sprawdza poprawność danych np. poprzez kontrolę parzystości
- po zakończeniu przetwarzania melduje przerwaniem jednostce centralnej powrót do stanu gotowości
BLOK WEJŚĆ ANALOGOWYCH
- Zadaniem układu jest cykliczne przetwarzanie analogowych sygnałów wyjściowych z układu pomiarowoprzetwarzającego na sygnały cyfrowe wprowadzane do jednostki centralnej lub pamięci.
- Trudności realizacyjne układów wejść analogowych są bardzo duże. Jakość pracy zależy tez w dużej mierze od jakości czujników i przetworników pomiarowych.
- Układy we analogowych dzieli się na:
• Niskonapięciowe – do 1V
• Wysokonapięciowe – powyżej 1V
MULTIPLEKSERY
- Stosuje się przełączniki analogowe, stykowe (bardzo rzadko) lub półprzewodnikowe.
- Parametry multiplekserów:
• zakres przenoszonych napięć (dół – szumy; góra – do 10V)
• tolerancja dla wspólnych napięć (normalna praca przy równoczesnym podaniu na sąsiednie wejścia wysokich napięć)
• podstawowa szybkość próbkowania (liczba punktów pomiarowych próbkowanych w ciągu 1s)
• dopuszczalna częstotliwość próbkowania
WZMACNIACZ SYGNAŁÓW NISKONAPIĘCIOWYCH
- Parametry wzmacniaczy:
• szerokość pasma przenoszenia (zwykle wymagane od 0 – 30 kHz)
• wrażliwość wzmacniacza i zera wzmacniacza na wpływy temperatury i upływ czasu (średnio 1 – 10 mV /oC)
• współczynnik tłumienia wspólnych napięć
• tolerancja dla wspólnych napięć
- Typy wzmacniaczy:
• ze względu na sposób wyboru wzmocnienia: o stałym lub regulowanym współczynniku wzmocnienia
• ze względu na liczbę wejść: z wejściem pojedynczym lub wzmacniacze różnicowe
TYPY PRZETWORNIKÓW
- Kompensacyjne
• Przetwarzają wartość chwilową napięcia i zwykle współpracują ze wzmacniaczem próbkująco-zapamiętującym.
• Charakteryzują się dużą szybkością przetwarzania (powyżej 100tys. p/s dla 14 bitów)
• Kompensowanie odbywa się na drodze kolejnych porównań
- Całkujące
• Mogą przetwarzać wartość średnią za określony przedział czasu.
• Stosunkowo mała szybkość przetwarzania rzędu kilku tys. p/s.
• Najczęściej są to układy podwójnego lub wielokrotnego całkowania (w celu eliminacji błędów systematycznych)
UKŁAD STERUJĄCY BLOKIEM WEJŚĆ ANALOG.
- Realizuje następujące funkcje:
• Potwierdza otrzymanie rozkazu czytania przekazanego z jednostki centralnej za pomocą przerwania (rozkaz zawiera adres punktu pomiarowego, informacje o współczynniku wzmocnienia)
• Uruchamia wskaźnik zajętości układu wejść analogowych
• Deszyfruje adres punktu pomiarowego
• Deszyfruje informację o wzmocnieniu
• Oczekuje na wytłumienie stanów nieustalonych wzmacniacza i multipleksera
• Generuje sygnał rozpoczęcia zapamiętywania dla wzmacniacza próbkująco-zapamiętującego
• Generuje sygnał rozpoczęcia przetwarzania a/c
• Oczekuje czas niezbędny na wykonanie przetwarzania
• Uzupełnia słowa otrzymane z przetwornika a/c bitem parytetu
• Powiadamia jednostkę centralną przerwaniem o zakończeniu przetwarzania
• Na sygnał z jednostki centralnej wysyła wynik przetwarzania do kanału we/wy jednostki centralnej
• Sprowadza wzmacniacz próbkująco-zapamiętujący i multiplekser do stanu spoczynkowego
• Kasuje wskaźnik zajętości układu wejść analogowych
BLOK WEJŚĆ CYFROWYCH
- Układ ten wprowadza do jednostki centralnej następujące informacje:
• Zmienne procesowe binarne
• Zmienne procesowe ciągłe lecz mierzone za pomocą przetworników z wyjściem cyfrowym
• Zmienne procesowe analogowe i dyskretne mierzone za pomocą przetworników generujących ciągi impulsów
• Zmienne cyfrowe mające charakter cyfrowy
- Zadania modyfikatorów:
• Przekształcenie zmiennych procesowych binarnych na binarne sygnały napięciowe
• Odfiltrowanie szumów
• Zapewnienie galwanicznego rozdzielenia obwodu wejścia zmiennej procesowej od pozostałej części systemu
- Zadania układów formujących:
• Przekształcenie napięcia wyjściowego na sygnały logiczne o odpowiednich poziomach i zboczach
UKŁAD STERUJĄCY BLOKIEM WEJŚĆ CYFR.
- Rodzaje:
• Układy sterujące wczytywaniem stanu pojedynczego podmodułu
• Układy sterujące sekwencyjnym wczytywaniem grupy podmodułów
• Układy sterujące wczytywaniem w dowolnej, wybieranej z jednostki centralnej, kolejności
• Zadania układu sterującego: (podobnie jak dla innych bloków)
ORGANIZACJA LOGICZNA PLC
- układy wejściowe, markery, liczniki, timery, rejestry, układy wyjściowe
- jednostka arytmetyczno-logiczna, interpreter rozkazów, interfejsy
Działanie:
- start,inicjalizacja
- odczyt wejsc
- wykonanie programu
- zapis wyjść
- testowanie komunikacja (za lub s)
- stop
UPROSZCZONE ZASADY PROGRAMOWANIA PLC
- Dane wyjście użyte jest raz w programie (wyjątek – użycie instrukcji SET, co wymaga również instr. RST)
- Podstawowe przypadki
• Określamy warunek aktywności danego wyjścia
• Określamy warunki załączenia oraz wyłączenia wyjścia
• Realizacja sekwencji czasowych
• Przypadek mieszany
- Kolejność szczebli drabinki z reguły nie ma znaczenia na działanie programu – istnieją wyjątki
- Program może kończyć się instrukcją END
PRODUCENCI STEROWNIKÓW PLC
Siemens 26%
Schneider-Autom 18%
Alley-Bradley 17%
GE Fanuc 8%
Mitsubishi 11%
Inne 20%
MIKROKONTROLERY
Architektura mikrokontrolera to zespół atrybutów widzianych przez programistę. Atrybuty te mają wpływ na logiczne wykonywanie programu.
- lista rozkazów
- długość słowa danych
- operacje wejścia/wyjścia
- metody adresowania pamięci.
RODZAJE ARCHITEKTUR MIKRO
W zależności od typu struktury pamięci wyróżniamy architektury:
- harwardzką - pamięć danych programu jest oddzielona od pamięci rozkazów;
- von-Neumanna – umowny podział przestrzeni adresowej na pamięć programu i pamięć danych;
- zmodyfikowaną harwardzką – rozwiązanie pośrednie między pierwszym i drugim.
W zależności od typu listy instrukcji wyróżniamy architektury:
- RISC zredukowana lista rozkazów procesora;
- CISC kompletna lista rozkazów procesora.
DEFINICJA MIKROKONTROLERA
Mikrokontrolerem nazywamy układ scalony z wyspecjalizowanym mikroprocesorem, spełniający dwa kryteria:
- jest zdolny do autonomicznej pracy
- został zaprojektowany do pracy w systemach kontrolno - pomiarowych
SCHEMAT BLOKOWY MIKROKONTROLERA
- jednostka centralna
- szyna adresowa
- szyna danych
- szyna sterująca
- pamięc (dane,programy)
- urządzenia peryferyjne
CECHY MIKROKONTROLERA
- zamknięcie magistrali danych i adresowej wewnątrz układu scalonego
- stała struktura pamięci ROM/RAM
- stałość programu sterującego
- dostęp do rejestrów procesora i układów we/wy przez mechanizm adresowania pamięci RAM
- rejestrowa struktura jednostki centralnej
- bogaty zestaw urządzeń we/wy
- rozbudowane układy przerwań
- różnorodne tryby i środki redukcji poboru mocy
- rozbudowane mechanizmy kontroli i detekcji nieprawidłowych stanów mikrokontrolera
- umieszczenie w jednej strukturze układów cyfrowych i analogowych
JEDNOSTKA CENTRALNA MIKRO
Najważniejszym elementem mikrokontrolera jest jednostka centralna zwana procesorem.
Właściwości jednostki centralnej:
- należy do grupy układów synchronicznych i sekwencyjnych (zmiana stanów wewnętrznych i sygnałów na wyjściach mikrokontrolera zachodzi w chwilach określonych przez synchronizujący sygnał zegarowy, stan w kolejnym cyklu zegara zależy od stanów poprzednich układu)
- posiada własną pamięć (rejestry)
UKŁAD STEROWANIA I WYKONAWCZY MIKRO
Zadaniem układu sterowania jest:
- koordynacja pracy bloków mikrokontrolera
- wystawianie sygnałów sterujących na szynę sterującą
Zadaniem układu wykonawczego jest:
- realizacja operacji określonych przez sygnały sterujące
JEDNOSTKA ARYTMETYCZNO-LOGICZNA MIKRO
W skład układu wykonawczego wchodzi:
- jednostka arytmetyczno-logiczna ALU
- akumulator
- rejestr przejściowy
- rejestr wskaźników (rejestr stanu)
PODSYSTEM STEROWANIA MIKRO
W skład podsystemu sterowania wchodzi:
- rejestr rozkazów IR (ang. Instruction Register)
- dekoder rozkazów
- wskaźnik instrukcji IP (ang. Instruction Pointer)
- wybrane rejestry specjalne SFR (ang. Special Function Registers)
- wskaźnik stosu SP (ang. Stack Pointer)
- kontrolery szyn
- układy transmisyjne
- kontroler przerwań
WYKONYWANIE ROZKAZÓW MIKRO
Cykl wykonania rozkazu odbywa się w dwóch fazach:
- pobranie kodu rozkazu z pamięci programu do rejestru rozkazów
- wykonanie odpowiedniej sekwencji operacji
PAMIĘĆ MIKRO
W zależności od typu, mikrokontroler wyposażony jest w różne typy wbudowanej pamięci wewnętrznej:
- pamięć RAM
- pamięć ROM
- pamięć EPROM
- pamięć OTP
- pamięć EEPROM
- pamięć FLASH
PORTY RÓWNOLEGŁE MIKRO
Typy portów:
- dwukierunkowe
- jednokierunkowe wejściowe
- jednokierunkowe wyjściowe
Rodzaje linii portów:
- dwukierunkowe
- z otwartym obwodem drenu tranzystora
- o zwiększonej obciążalności
WEWNĘTRZNE URZĄDZENIA PERYFERYJNE MIKRO
Najczęściej spotykane wbudowane urządzenia peryferyjne:
- układy licznikowe/czasowe
- licznik nadzorcy – watchdog
- przetworniki A/C
- sterowniki komunikacji szeregowej
Innymi spotykanymi wbudowanymi urządzeniami peryferyjnymi są:
- interfejs równoległy
- przetworniki C/A
- interfejs wyświetlacza LCD
- interfejs klawiatury
- PWM (ang. Puls Width Modulation)
- kontroler CRT (monitora ekranowego)
SYSTEM PRZERWAŃ MIKRO
Przerwania dzieli się na cztery kategorie zdarzeń:
- sytuacje wyjątkowe (ang. exception interrupts)
- maskowalne przerwania sprzętowe (ang. Event interrupts)
- przerwania programowe (ang. software interrupts)
- pułapki (ang. traps)
STRUKTURY MIKROSYSTEMÓW MIKRO
Ze względu na sposób korzystania z zewnętrznych pamięci możemy wyróżnić mikrokontrolery:
- udostępniające szyny systemowe poprzez wyprowadzenia portów,
- udostępniające bezpośrednio szyny systemowe,
- mikrokontrolery zamknięte (embedded).
PROBLEM REDUKCJI POBORU MOCY MIKRO
Metody redukcji mocy:
- stosowanie dwóch oscylatorów (pobór mocy zależy od częstotliwości pracy, zmiana częstotliwości zegara taktującego)
- odłączanie od sygnału zegara jednostki centralnej, urządzeń peryferyjnych lub całkowite wstrzymanie pracy oscylatora
- hibernowanie (wstrzymanie sygnału zegarowego, gdy nie jest konieczna praca mikrokontrolera)
ARCHITEKTURA RISC
- architektura harwardzka, czyli oddzielne szyny dla danych i programu
- wykorzystywanie przetwarzania potokowego w celu zwiększenia szybkości wykonywania programu
- ograniczony zbiór realizowanych instrukcji.
SYSTEMY URUCHOMIENIOWE MIKRO
- Symulator mikroprocesora
- Analizator stanów logicznych
- Systemy uruchomieniowe:
• systemy wykorzystujące program monitora
• systemy wykorzystujące emulację układową (tzw. emulatory)
PROTOKOŁY KOMUNIKACYJNE
Systemy cyfrowe – przewodowe
- Sieci przemysłowe
- Sieci firmowe
• np. Mitsubishi - MiniNet
- Sieci miejscowe (Fieldbus)
• HART (ang. Highway Addressable Remote Transducer)
• ASi (ang. Actuator Sensor Interface)
• CAN (ang. Controller Area Network)
• Modbus
• Profibus DP
• I inne
MODEL SIECI MIEJSCOWEJ
- warstwa użytkownika
- warstwa aplikacji
- warstwa łącza danych
- warstwa fizyczna
MODEL ASi
- instrukcje
- reguły protokołu ASi
- modulacja PE, APM
OBSŁUGA BŁĘDÓW CAN
Typy wykrywanych błędów:
- stanu bitu,
- szpikowania bitami,
- kontroli kodowej (CRC),
- potwierdzenia (ACK),
- formatu ramki.
ZIGBEE / IEEE 802.15.4
- ZigBee Alliance
• Definiuje górne warstwy stosu protokołów: styk warstwy sieciowej z aplikacją, zadania warstwy sieciowej, bezpieczeństwo transmisji
- IEEE 802.15.4
• Definiuje dolne warstwy stosu protokołów: warstwa MAC (Medium Access Control Layer) oraz warstwa fizyczna PHY (Protokoły komunikacyjne (14) Physical Layer)
MODEL ZIGBEE
- aplikacja (użytkownik)
- stos ZigBee (ZigBee Alliance)
- krzem (IEEE 802.15.4)
OPOLOGIE SIECI ZIGBEE I ICH SKŁADNIKI
Topologia:
- gwiazda
- drzewo klastrów
- siatka
Składniki:
- koordynator ZigBee
- rutery ZigBee
- węzły końcowe ZigBee
SYSTEMY POMIAROWE
- Organizacja przetwornika pomiarowego
- Nowe rozwiązania przetworników pomiarowych
• Przetworniki ciśnienia
• Przetworniki magnetorezystancyjne
• Przetworniki temperatury
• Przetworniki bezwładnościowe
• Systemy mikromechaniczne MEMS (Micro Electro- Mechanical System)
PRZETWORNIKI CIŚNIENIA:
- Krzemowy sensor ciśnienia bezwzględnego
- Krzemowy sensor ciśnienia różnicowego
PRZETWORNIKI MAGNETOREZYSTANCYJNE:
- AMR
- GMR
PRZETWORNIKI TEMPERATURY:
- Dekoder adresów u układ ster. we/wy
- Rejestr konfiguracji i logika sterowania
- Sensor temperatury
- Rejestr temperatury
- Rejestr Th
- Rejestr Tl
- Kompaktor cyfrowy
- Tout
Przykład:
- Termometry rezystancyjne i termopary
PRZETWORNIKI BEZWŁADNOŚCIOWE:
Zasada działania:
- elektroda ruchoma
- elektroda stała
Przykład:
- układ MXA2500U firmy MEMSIC
- układ ADXL282 firmy Analog Devices