Диагностическая программа для электронного оборудования

Введение

Начиная где-то с 2000-х гг. в микроэлектронике чётко обозначилась тенденция развития, связанная с выпуском однокристальных микроконтроллеров, предназначенных для интеллектуального управления оборудованием различного назначения и инженерных приложений.
Однокристальные микроконтроллеры, или ОЭВМ конструктивно представляют собой приборы, выполненные в виде большой интегральной схемы (БИС) и включающие в себя все составные части микроЭВМ: микропроцессор, память программ и память данных, а также программируемые интерфейсные схемы для связи с внешними устройствами.
Инженерное применение микроконтроллеров в системах управления различного рода обеспечивает исключительно высокие показатели эффективности при относительно низкой стоимости. К настоящему времени (2020-е гг.) более 2/3 мирового рынка микропроцессорных средств управления составляют преимущественно ОЭВМ.
На сегодняшний день имеется несколько десятков различных типов микропроцессорных наборов и ОЭВМ, отличающихся разрядностью, системой команд, быстродействием, потребляемой мощностью, номиналами питания и т.п. параметрами.
В данной работе ставится задача: спроектировать микроконтроллерную систему на базе микроконтроллера (ОЭВМ), управляющую моделью промышленного объекта.
Микроконтроллерная система (МКС), предназначенная для контроля и управления инженерным объектом, фактически является автоматизированным комплексом.
Принцип действия МКС заключается в:
– последовательном приеме значений входных сигналов от управляемого объекта;
– вычислении значения выходных управляющих сигналов по программе, соответствующей алгоритму управления объектом;
– выдаче вычисленных значений выходных сигналов на объект.
Микроконтроллер связан с управляемым объектом через устройство ввода-вывода, при этом между МКС и объектом управления нет промежуточных устройств, выполняющих какие-либо функции (за исключением силовых элементов).
Работа МКС осуществляется в соответствии с программой, хранимой в ПЗУ. Периферийная часть системы представляет собой систему ввода-вывода цифровой и аналоговой информации, и содержит мультиплексор аналоговых сигналов, а также комплементарную пару из аналого-цифрового (АЦП) и цифроаналогового преобразователя (ЦАП). МКС конструктивно связана с пультом оператора, с которого возможно управление объектом, и контроль основных параметров.
Программное обеспечение пишется, как правило, на языке низкого уровня (ассемблере выбранной ОЭВМ), что обеспечивает минимальные аппаратные затраты, максимальное быстродействие, но при этом возрастает трудоемкость проектирования. Однако, за счёт того, что управляющая программа, как правило содержит типовые наборы команд, операнды и адреса за счёт минимизации, стандартизации и упрощения кода, данная работа имеет лишь средний уровень трудоёмкости.
При необходимости, связанной с удобством разработки стандартных приложений по управлению инженерными объектами, используются также языки программирования высокого уровня, такие, например, как С и С++.

1. Описание структурной схемы и имитационной модели системы

Итак, требуется спроектировать электронную систему, состоящую из трёх двигателей, управление которыми осуществляется ключом на биполярном транзисторе, ОЭВМ с соответствующими цепями согласования и светодиода, предназначенного для индикации режимов работы и кодов ошибок («1», «2», «3»).
Проектируемая система представляет собой блок, состоящий из электронных компонентов, на вход которого поступают электрические сигналы, и в котором производится обработка и хранение этих сигналов.
Электронная система может формировать выходные сигналы в зависимости от входных сигналов в текущий и/или в предыдущие моменты времени.
Конструирование систем управления заключается в решении задачи объемной физической компоновки элементов, составляющих систему, с учетом накладываемых ограничений: объемно-массовых, термодинамических, прочностных, электромагнитной совместимости (ЭМС), монтажно-конструктивных и др.
Элементы схемы для нашего варианта показаны на рис.2.
В её состав входят следующие элементы:
– микроконтроллер;
– кнопка питания Power;
– индикаторный светодиод питания зеленого цвета;
– аварийный светодиод красного цвета;
– электродвигатели (3 шт.).
– датчики и другие элементы (на рис.2 не показаны).

Рис.2. Основные элементы проектируемой схемы.

Простейший ключ на биполярном транзисторе проводимости n-p-n выглядит следующим образом (рис.3).

Рис.3. Ключ на биполярном транзисторе.

Вход слева подключается к цифровой схеме. Пусть цифровая схема построена на основе КМОП-логики с «push-pull» выходом: логическая «1» означает подключение этого входа к питанию, а логический «0» – к земле.
При подаче «1» на вход схемы ток от источника питания потечёт через резистор R1, базу и эмиттер на землю. При этом транзистор откроется (при достаточно большом токе отпирания базового p-n-перехода), и ток сможет идти через переход коллектор–эмиттер и через нагрузку.
Резистор R1 ограничивает ток через переход база–эмиттер. При его отсутствии, ток не был бы ограничен и сжёг бы управляющую микросхему, которая связывает линию питания с транзистором.
Максимальный ток через один выход микроконтроллера обычно ограничен значением около 25 мА (для STM32); предельно допустимое значение тока на один вывод: 20-40 мА.
Схема подключения двигателя – через магнитный пускатель, с твердотельным реле. Эту схему так же часто называют схемой простого пуска электродвигателя, в ней, в отличии от предыдущей, кроме силовой цепи появляется так же цепь управления.
Твердотельное реле (ТТР) – один из видов реле, в котором нет движущихся элементов. Изделие применяется для подачи тока или разрыва цепи путем внешнего управления (действием небольшого управляющего напряжения).
ТТР имеет внутри датчик, реагирующий на подачу управляющего сигнала.
Также в составе изделия имеется включающая цепочка, способная коммутировать большие токи (как один из вариантов встроенной защита от токов КЗ).
Устройство может устанавливаться в цепях переменного и постоянного тока, обычно применяется как типовое реле (в виду невысокой стоимости и миниатюрных размеров). Главное его преимущество состоит в отсутствии механических контактов.
Нормальный режим работы двигателей: двигатели №1 и №3 плавно ускоряются в течение 10 секунд; 20 секунд работают на максимальной скорости; 10 секунд замедляются; 20 секунд остановлены, далее идёт повтор циклограммы (рис.4).

Рис.4. Циклограмма момента, развиваемого электродвигателем №1.

Двигатель №2 постоянно вращается в противоположную сторону с заданной средней скоростью. Отсутствие вращения двигателя обнаруживается с помощью энкодера (используется электродвигатель со встроенным энкодером).
Временные интервалы индикации ошибок – период короткого мигания 500 миллисекунд, длинная пауза 1 секунда.
Преимущество имитационного моделирования микроконтроллеров состоит в том, что оно позволяет оценить работу программного обеспечения в условиях, приближённых к реальным, но без операций монтажа и применения внешнего измерительного оборудования.
Для кодирования и отладки программного обеспечения систем на базе микроконтроллеров широко используются интегрированные среды разработки (IDE – Integrated Development Environment), различающиеся по функциональным возможностям. Среди них можно выделить системы, в которых симуляция происходит без подключения внешних радиоэлектронных элементов.
Такие системы ориентированы, в первую очередь, на разработку программного обеспечения; в них не уделяется достаточного внимания функциональности модели. Поэтому они имеют существенные ограничения и не позволяют симулировать работу многопроцессорных систем.
Современные микроконтроллеры содержат несколько источников тактовых сигналов, причём в процессе работы может программно осуществляться реконфигурация и подключение к ним периферийных модулей.
С увеличением тактовой частоты микроконтроллера растёт число событий, на которые модель должна реагировать. Это приводит к существенному замедлению процесса симуляции. Далее осуществляется разработка оптимального алгоритма, позволяющего увеличить производительность системы за счёт управления источниками тактовых сигналов микроконтроллера. Для создания имитационной модели системы воспользуемся онлайн-эмулятором Tinkercad Circuits – рис. 5.