книги / Элементы и структуры систем автоматизации технологических процессов нефтяной и газовой промышленности

вателя является суммирующий элемент, на вход которого одновременно подаются два сигнала: один опорный (рис. 64,б), другой цифровой. На выходе суммирующего элемента получают постоянный поуровнюаналоговый сигнал(рис. 64,в).

Принцип преобразования цифрового сигнала в аналоговую форму заключается в сложении уровней нескольких ступеней опорного сигнала в одну ступень. В процессе такого преобразования на суммирующем элементе складывают лишь те ступени опорного сигнала, для которых в соответствующих разрядах цифрового сигнала присутствуют единичные символы. Например, для цифрового сигнала с кодом 0011010 необходимо сложить в один уровень (начиная с младшего разряда) вторую, четвертую и пятую ступени опорного сигнала, в результате получим некоторый постоянный сигал с уровнем у (рис. 64, в).

Рис. 64. Структура и принцип работы ЦАП

Такое преобразование производится одновременно по всем единичным разрядам цифрового кода в течение времени t1 сразу же после образования или пересылки этого цифрового сигнала. В общем случае, когда коды цифрового сигнала следуют дискретно один за другим с некоторым временным интервалом t1, итоговый аналоговый сигнал получается ступенчатого типа

102

(рис. 64,г). Однако аналоговые исполнительные устройства обладают значительной инерционностью (за счет индуктивности или емкости), поэтому они своей характеристикой сглаживают эту ступенчатость аналогового выходного сигнала.

Один из вариантов ЦАП показан на рис. 65. В качестве суммирующего элемента в нем используется операционный усилитель с отрицательной обратной связью. На вход этого усилителя через открытые транзисторные ключи (Т1, Т2, Т3, Т4) одновременно подаются ступени опорного напряжения через сопротивления (R1, R2, R3, R4).

Рис. 65. Принципиальное устройство ЦАП

Состояние транзисторных ключей (открытое или закрытое) определяется состоянием триггеров параллельного регистра, входящего в состав этого преобразователя, которые через логические ключи И подают сигналы на базы транзисторов.

Вмомент подачи сигнала управления на логические ключи

Иоткрываются только транзисторы, подключенные к логическим ключам И тех триггеров регистра, в которых записаны единичные символы кода цифрового сигнала. Триггеры с записанными нулевыми символами этих ключей открывать не будут. Вся процедура преобразования происходит за время t1 в момент

103

подачи на соответствующую шину сигнала управления. Перед подачей следующего сигнала управления в параллельном регистре преобразователя должен смениться код цифрового сигнала.

5.11.Элементы микропроцессорных систем

Вотличие от аналоговых систем автоматики, структура которых определяется структурой алгоритма управления, цифровые системы автоматики имеют постоянную структуру, а их функциональное назначение определяется только программой (алгоритмом) управления.

5.11.1. Структура микропроцессорных систем

Современные микропроцессорные системы автоматического управления технологическими процессами строятся на основе микроконтроллеров. Они могут быть встроенными непосредственно в технологическое оборудование или распределенными для управления территориально разобщенными технологическими объектами и при этом объединяться в промышленные сети. Несмотря на разное конструктивное исполнение, все микропроцессорные системы автоматического управления имеют общую внутреннюю структуру (рис. 66).

Основой любой микропроцессорной системы управления является микропроцессор, или вычислитель, предназначенный для обработки дискретных цифровых сигналов. Как основной структурный блок этой системы, микропроцессор связан со всеми остальными структурными блоками через систему трех шин. Шиной в микропроцессорной системе называют пучок проводов для передачи сигналов определенного назначения. Таких шин в микропроцессорной системе три. Среди них шина адреса (ША), шина данных (ШД) и шина управления (ШУ).

Шина адреса служит для передачи адреса обращения микропроцессора к другим периферийным структурным блокам. По шине данных в параллельном коде осуществляется двусторонний обмен цифровыми сигналами между микропроцессором и другими структурными блоками. Шина управления служит для

104

передачи команд от микропроцессора к структурным блокам и обратно. Совокупность указанных шин носит название системной шины микропроцессорной системы и служит для связи микропроцессора с периферийными модулями различного назначения. Системная шина выполняется по международному стандарту и называется шиной ISA.

Рис. 66. Структура микропроцессорной системы управления

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) служит для хранения отлаженного алгоритма управления объектом или для хранения мало меняющейся цифровой информации, используемой в управлении объектом. Микропроцессор может только считывать информацию из ПЗУ.

105

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) служит для хранения любой информации, используемой в управлении объектом, в том числе и для хранения программ управления объектом. ОЗУ имеет двустороннюю связь с микропроцессором. ПЗУ и ОЗУ непосредственно связаны по системной шине ISA с микропроцессором, в то время как остальные структурные блоки связываются с ним через дешифратор внешних устройств (ДВУ), который позволяет им поочередно подключаться к микропроцессору. К внешним устройствам относятся программируемый параллельный интерфейс (ППИ) (адаптер параллельной связи), программируемый таймер (ПТ) и последовательный интерфейс (ПосПИ) (адаптер последовательной связи).

Программируемый параллельный интерфейс служит для связи микропроцессора с дискретными или аналоговыми объектами управления, в качестве которых могут быть датчики или исполнительные устройства объектов управления.

Программируемый таймер служит для управления объектами с помощью микропроцессора в функции времени.

Программируемый последовательный интерфейс служит для передачи в последовательном коде цифровых сигналов к объектам управления или к другим микропроцессорным системам, расположенным на значительном расстоянии от микропроцессора. Двусторонняя передача сигнала по линии последовательной связи осуществляется по некоторым правилам.

5.11.2. Структура микропроцессора

Микропроцессор (рис. 67) состоит из следующих структурных блоков:

–внутренней шины;

–регистров общего назначения;

–арифметико-логического устройства (АЛУ);

–буфера шины адреса;

–буфера шины данных;

–устройства управления и синхронизации;

–регистра команд.

106

увеличивается на число заполненных при записи ячеек памяти. И наоборот, при считывании информации из стека его ячейки последовательно очищаются, а указатель стека уменьшается на число таких очищенных ячеек.

Кроме того, для хранения оперативной информации служат парные оперативные регистры общего назначения W и Z, B и C, D и E, H и L, обращение к которым осуществляется через мультиплексор. Часть этих регистров предназначена для хранения адресной части команд, в то время как их исполнительная часть хранится в регистре команд.

Назначение каждого из элементов микропроцессора приведем в процессе описания принципа его работы.

Принцип работы микропроцессора при обработке команд

Перед началом работы микропроцессора в его программный счетчик автоматически заносится адрес первой команды программы управления работой микропроцессорной системы. Этот адрес через регистр адреса передается в буфер шины адреса, из которого он затем выставляется на шине адреса. Одновременно на шине управления устройством управления и синхронизации выставляется команда «Чтение», при исполнении которой из ПЗУ или ОЗУ побайтно в шину данных пересылаются составные части этой команды.

Команда управления микропроцессорной системой состоит из двух частей: признака действия команды, который пересылается в регистр команд, и двух адресов этой команды, которые пересылаются в программно недоступные регистры общего назначения W и Z. В регистре команд исполнительная часть команды управления делится на ряд мелких команд, которые называются машинными циклами. Каждая из команд может содержать от 4 до 10 машинных циклов. Последовательностью машинных циклов производится непосредственное управление работой микропроцессора. Регистр команд через устройство управления и синхронизации формирует внешние команды, ко-

108

торые направляются в шину управления. После исполнения очередной команды при линейном алгоритме программный счетчик автоматически увеличивает свое содержание на единицу, в результате чего происходит естественный переход к следующей команде программы управления микропроцессором. Если обрабатываемая команда является командой ветвления, то в регистр адреса пересылается содержание регистра общего назначения W, в котором находится адрес перехода к следующей команде.

Принцип работы микропроцессора при обработке цифровых сигналов

Обработка цифровых сигналов производится в арифмети- ко-логическом устройстве микропроцессора. Это устройство может обрабатывать одновременно два цифровых сигнала. Для этой цели по командам машинного цикла последовательно сначала из регистра W, а потом из регистра Z в буфер шины адреса направляются адреса хранения этих сигналов. Одновременно на шине управления устройством управления и синхронизации микропроцессора выставляется команда «Чтение», по которой через шину данных в буфер шины данных пересылается сначала один, а затем и другой цифровой сигнал. Затем эти сигналы из буфера так же последовательно пересылаются для промежуточного хранения вначале в буфер АЛУ, а затем в его аккумулятор. В АЛУ методом арифметического сложения и логических сдвигов по командам машинных циклов производится совместная обработка этих сигналов. Цифровой результат обработки сигналов направляется для хранения в аккумулятор, при этом в регистре признаков устанавливаются признаки (или флаги) этого результата. К числу этих признаков (флагов) можно отнести: положительность или отрицательность цифрового результата, его четность или нечетность, равенство или неравенство его нулю и т. д. Эти признаки (флаги) используются командами ветвления для организации условия ветвления алгоритма. Для того чтобы полученный результат не был потерян при выполнении

109

последующей команды, его необходимо переслать из аккумулятора в один из регистров общего назначения или в ячейку памяти ОЗУ.

5.11.3. Запоминающие устройства микропроцессорных систем

Для хранения информации в микропроцессорных системах используют два вида устройств памяти: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).

Оперативное запоминающее устройство

Оперативное запоминающее устройство, или память с произвольным доступом (random access memory − RAM), относится к энергозависимым устройствам памяти микропроцессорных систем, в которых информация сохраняется только при условии наличия энергопитания. Основу ОЗУ составляет триггерный запоминающий элемент (ЗЭ) (рис. 68). Он выполнен на основе RS-триггеров, реализованных на n-канальных МОПтранзисторах.

Рис. 68. Структура запоминающего элемента оперативной памяти

110