CC BY
28
УДК 629.4.052
Д. В. УСТИМЕНКО (ДПТ)
СУЧАСН1 М1КРОКОНТРОЛЕРИ В СХЕМАХ РУХОМОГО СКЛАДУ
Наведена загальна структура мжроконтролера, сформульованi 0CH0BHi вимоги до нього та перифершних пристро1в у разi застосування в системах автоматичного керування рухомим складом. Проведено аналiз i визначена перспективна структура сучасних систем керування на базi мжроконтролерно! техшки.
Представлена общая структура микроконтроллера, сформулированы основные требования к нему и периферийным модулям при использовании в системах автоматического управления подвижным составом. Выполнен анализ и определена перспективная структура современных систем управления на базе микроконтроллерной техники.
General structure of a microcontroller has been presented; the basic requirements to it and its peripheral modules have been formulated in case of their use in the systems of automated control of rolling stock. An analysis has been executed and a perspective structure of modern control systems on the basis of microcontroller equipment has been identified.
Впровадження мiкроконтролерiв в системах керування на рухомому складi залiзниць поряд з простою замшою елементно! бази i розширенням функцш апаратури створюе також принципово новi можливосп в побудовi керiвних комплекав. Змшюються також методи i техшчш засоби про-ектування автоматичних систем.
У системах автоматичного керування (САК) застосовують центральне, децентралiзоване i комбiноване керування [1]. У системах з центральним керуванням задача обробки сигна-лiв з метою формування керiвного впливу вир> шуеться центральним цифровим керiвним при-строем, що з'еднаний багатьма каналами зв'язку з об'ектом керування.
Загальна структурна схема для цього випад-ку показана на рис. 1. Вона складаеться з об'екта (об'екпв) керування (ОК), цифрового керiвного пристрою (ЦКП), ряду вхiдних ана-логово-цифрових перетворювачiв (АЦП), ряду вихщних цифрово-аналогових перетворювачiв (ЦАП) з' еднаних з виконавчими пристроями (ВП). Якщо здшснюеться керування складними багатовимiрним об'ектом, то така САК е зв'язаною. Якщо ж виршуеться задача керування сукупшстю незалежних по керiвних параметрах одновимiрних об'ектiв, то система е незв'язаною. У такому випадку САК наведена у виглядi сукупносп одноконтурних систем автоматичного керування (рис. 2), кожна з яких мае свою програму керування ПК1, ..., ПКк об'ектами ОК1, ..., ОКк.
У разi керування об'ектом вщ центрального цифрового керiвного пристрою вш обслуговуе по черзi окремi канали керування. Ця черга мо-же формуватися по жорстк1й програмi або по
мiрi надходження заявок вщ окремих каналiв з можливютю використання приоритетного об-слуговування.
У системах з децентралiзованим керуванням в кожний контур керування включаеться авто-номний цифровий керiвний пристрiй.
Структурна схема САК з децентралiзованим керуванням показана на рис. 3, де для автоном-них керiвних пристро!в ЦКП введет позначення МК1,..., МКк. Для автономних ЦКП широко ви-користовують регулюючий мiкроконтролер.
У децентралiзованих системах центральний керiвний пристрiй або вщсутнш зовсiм, або вводиться для передачi йому функци диспетчера. У цьому випадковi реалiзуеться комбiно-ване керування.
Рис. 1. Структура мжропроцесорно! САК з центральним керуванням
Основою апаратного забезпечення мшрокон-тролера е: модулi аналогового вводу-виводу i цифрового вводу-виводу, мшропроцесор, па-м'ять та пульт оператора (рис. 4)
Рис. 2. Структура мжропроцесорно!' САК групою незв'язаних об'екпв
Рис. 3. Структура мжропроцесорно!' САК з децентралiзованим керуванням
Вибiр принципу керування (центральне, де-централiзоване, комбiноване) в САК, побудова-них на базi мiкроконтролерiв, залежить вiд бага-тьох взаемопов'язаних факторiв: вартiсть i на-дiйнiсть систем, !х живучiсть, гнучкiсть, здiб-шсть працювати в масштабi реального часу.
Цифровий мшроконтролер повинен мати не-обхщну розрахункову потужнiсть для розрахун-ку i видачi сигналiв керування, а також мати не-обхщний iнтерфейс для керування системою в реальному масштабi часу. Робота в реальному масштабi часу означае, що тривалiсть циклу об-робки шформаци Тц в мiкроконтролерi узгодже-
на з вимогами до якостi керування, з частотними характеристиками елеменпв контуру керування i з спектрами збурень. Вона не може бути бшьше величини Т - такту дискретизацп процесу в часi, який встановлюеться розрахунковим шляхом або методом математичного моделювання.
Рис. 4. Узагальнена структура мжроконтролера
Модуль аналогового вводу-виводу мютить вузли гальванiчного розмежування сигналiв, ву-зол мультиплексування аналогових вхвдних сиг-налiв i групу перетворювачiв сигналiв i кодiв.
Особливютю мiкроконтролера е те, що на йо-го виходi не використовуеться мультиплексування (кiлькiсть АЦП рiвна кiлькостi вихiдних кш мiкроконтролера). Це пов'язано з необхщшс-тю запам'ятовувати кожне значення керiвного сигналу шсля зупинки розрахункiв.
Пульт оператора в мiкроконтролерi використовуеться для встановлення необхщно! конф^у-рацп регулюючого контуру, вибору алгоритму керування, контролю значень змшних, оперативного втручання в процес керування.
Можливосп мiкроконтролера характеризуют^ використовуючи поняття вiртуальноl стру-ктури. Вiртуальна структура описуе властивосп мiкроконтролера в традицiйних для систем ре-гулювання поняттях, основними з яких е канали керування, з системно! точки зору екывалентш окремому приладу або типовому поеднанню приладiв безперервно! системи керування, i конфiгурацiя, що визначае систему зв'язюв ка-налiв iз виходами та входами мiкроконтролера, а також варiанти взаемодп каналiв.
На даному етат розвитку мшропроцесор-но! технiки, провiднi фiрми виробники продо-вжують розвивати RISC - мшроконтролери в бiк збiльшення потужностi ядра, розширення об'ему пам'ятi, збiльшення кшькосп виводiв i нових периферiйних модулiв (CAN/USB). Розширюеться номенклатура в напрямку створення завершено! системи pin-to-pin сумь сних пристро!в рiзно! обчислювально! потуж-ностi ядра i набору периферп [2].
Використання мiкрокошролерiв в системах автоматичного керування висувае на перший план проблему !х зв'язку з об'ектами, стан яких в бшьшосп випадкiв характеризуеться безперер-вними функцiями часу. Тому в процеа використання i обробки таких функцiй важлива роль выводиться операцп перетворення безперервних (аналогових) сигналiв в цифрову форму i навпа-ки. Це здiйснюеться за допомогою аналогово-цифрових i цифрово-аналогових перетворювачiв (АЦП i ЦАП).
У системах автоматичного керування викори-стовуються так види аналогово-цифрових i цифрово-аналогових перетворювачiв: «кут-код», «фаза-код», «напруга-код», «час-код», «код-напруга», «код-час» i т. д. Очевидно, що переваги цифрових методiв обробки шформацп в САК можуть бути реалiзованi лише, коли АЦП i ЦАП не вносять обмежень по точносп та швидкодп. Вирiшення проблеми забезпечення заданих по-казникiв якостi керування пов'язано з вибором кшькосп рiвнiв квантування вхiдного сигналу, якi залежать вiд енергетичних характеристик процесу, так i вiд алгоритму обробки шформаци, i обмежена вiдповiдними характеристиками пе-ретворювачiв аналогових сигналiв в код i дов-жиною розрядно! сггки м^опроцесорно! обчис-лювально! системи. Для усунення негативних ефектiв пов'язаних з роботою перетворювачiв необхвдно виконати тага умови [3]:
1. Розрядностi вхвдних i вихвдних пере-творювачiв, а також дiапазон подання чисел в процесорi повиннi бути достатньо великими.
2. По^бно добиватись максимального за-повнення розрядно! сiтки перетворювачiв та про-цесора введенням рацiонального масштабу даних.
3. Операцi! множення (дшення) виконува-ти з подвiйною точшстю.
4. Необхвдно слiдкувати, щоб в колах прямого зв'язку не виникали зони нечутливосп навколо усталених становищ.
5. Розряднiсть перетворювача аналогово! величини в код по^бно вибирати таким чином, щоб його похибка квантування була меншою вщ статичних та динамiчних похибок.
6. Розрядшсть перетворювача коду в ана-логову величину необхiдно мати таку, щоб змiна керiвного сигналу на один крок квантування ви-кликала пiсля проходження через аналогову час-тину системи змiну коду в перетворювачi аналогово! величини в код на одиницю молодшого розряду.
Сучасний рiвень та тенденцi! розвитку технологи виробництва мiкроконтролерiв, цифрових сигнальних процесорiв (DSP), специфiка конкретних задач керування рухомим складом дозволяють зробити висновок, що м^оконтро-лерш САК побудованi з використанням принципу децентралiзованого керування е найбшьш виправданими технiчно та економiчно.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Бесекерский В. А. Микропроцессорные системы автоматического управления / В. А. Бесекерский, Н. Б. Ефимов, С. И. Зиатдинов. - Л.: Машиностроение, 1988. - 365 с.
2. Однокристальные 8-разрядные FLASH CMOS микроконтроллеры компании Microchip Technology Incorporated: PIC 16F873, PIC 16F874, PIC 16F876, PIC 16F877. - М.: ООО «Микро-Чип», 2002. - 183 с.
3. Изерман Р. Цифровые системы управления. -М.: Мир, 1984. - 541 с.
Надшшла до редколегп 15.09.2006.
