Особенности построения микроконтроллерных систем управления волоконно-оптическими датчиками

Отрезок знаков выходной последовательности, которым отвечает несовместная подсистема, называется запретом узла, или запретом функции. Для поиска запрета также может использоваться аппарат систем линейных неравенств. Проиллюстрируем это на примере, продолжающем пример, рассмотренный в предыдущем пункте.

Рассмотрение динамики работы узла, построенного на базе сдвигового регистра с функцией усложнения (9) будем проводить с помощью диаграммы (рис. 4). На этой диаграмме вправо будут откладываться номера ячеек накопителя, вниз номера тактов работы.

Горизонтальному уровню соответствует уравнение, в нашем случае - неравенство, справа - значение функции.

Выделим 7 уравнений так, как это показано на рис. 4, им будет соответствовать подсистема из 7 неравенств

с + а + у^ < 1; b + у2 + а > 2; у, + b + с > 2; е + у4 + b < 1; h + е + у, > 2; d + у6 + е > 2; y., + d + h < 1,

где yj - текущие переменные, снимаемые с

12 1} l2 I] t2 11

накопителя и имеющие соответствующий индекс.

Пользуясь результатом предыдущего пункта устанавливаем, чго из первых 3-х неравенств системы (12) однозначно определяется Ь -1. Рассуждая аналогичным образом можно установить однозначную разрешимость последних 3-х неравенств относительно е = 1. Противоречие обнаруживается в 4-м уравнении, так как по условию е + у4+Ь< 1, в то же время е + у4 + Ь = 2 + у4> 1.

Таким образом, используя анализ подсистемы неравенств, установили что комбинация из 7 знаков выходной последовательности образует запрет:

Вид запретной комбинации зависит от /! и /2 и её обнаружение в выходной последовательности приводит к отбраковке данных /,, /2. При достаточном материале отбраковка всех ложных вариантов /,, /2 приведет к выделению истинного.

ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ МИКРОКОНТРОЛЛЕРНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИМИ ДАТЧИКАМИ

М. А. КЛИМОВ, аспирант кафедры информационно-измерительных систем МГУЛа

Научный руководитель д.т.н., профессор A.B. Чуркин

В большинстве выпускаемых в настоящее время первичных оптических преобразователей механических параметров с микро-контроллерным управлением все элементы структурной схемы выполняются на базе ИМС и дискретных электронных компонентов, размещаемых на многослойных печатных платах, и только отдельные изделия,

предназначенные для массового использования, изготовляются полностью в интегральном исполнении. Это связано с одной стороны с относительно высокой стоимостью заказных и полузаказных ИМС при малых партиях, а с другой стороны- со значительными трудностями при реализации в пределах одного кристалла всех элементов ИД, в

связи с предъявляемыми к ним высоких технических и метрологических требований. С целью снижения габаритов электронных блоков и повышения их эксплуатационных характеристик монтаж ведется в основном по современной компактной SMD-техно-логии или технологии с использованием гибких носителей.

При построении микро ЭВМ первич ного преобразователя выбор преимущественно делается в пользу архитектуры нефонней-моновского типа как у большинства контроллеров, работающих по «жесткому» алгоритму. Это позволяет использовать большинство современных универсальных однокристальных ЭВМ (ОЭВМ), имеющих раздельные память программ и память данных в качестве основы вычислительно-управляющего ядра. Так как объем программного обеспечения (ПО) обычно значителен, разработчики чаще всего отказываются от моделей ОЭВМ, содержащих внутреннюю память программ (в силу принципиальной ограниченности ее объема при размещении на одном кристалле вместе с процессорной частью или высокой стоимостью подобных приборов), и используют современные ППЗУ, обычно с ультрафиолетовым стиранием (EPROM-- 27С32, 27С64, 27С256, 27С512 фирмы Intel, США; К573РФ4 НПО Андронцешр, Россия). В качестве внешней памяти данных используются ИМС статической оперативной памяти объемом 2Кбайта и более (RAM - 6216, 6232, 6264, 62128 фирмы Harris Semiconductor, США; КР537РУ10, КР537РУ17А, КР537РУ17Б НПО Интеграл, Беларусь). Для хранения специальных констант, значение которых может изменяться в процессе эксплуатации устройства (калибровочные константы, индивидуальные расчетные коэффициенты), применяются электрически стираемые ППЗУ с большим (до 10 тыс.) числом циклов перепрограммирования (EEPROM 2816, 2864 фирмы Intel, США; КР588РР2, КР588РРЗ НПО Ангстрем, Россия. Однако эти весьма сложные в эксплуатации ИМС в последнее время активно вытесняются ИМС статического ОЗУ на базе сегнетоэлектриков. Благодаря большому числу возможных циклов записи/стирания (более

10 млрд.), достаточно высоким скоростям чтения (не более 200 не) и записи (не более 400 не), а также удобной организации управления, эти КМОП-ИМС все чаще используются в микро-ЭВМ на базе микроконтроллеров в качестве энергонезависимой внешней памяти данных. Энергонезависимые ИМС динамического оперативного запаминающего устройства (ОЗУ), разработанные фирмой Intel, в настоящее время известны под названием Flash RAM. Flash память содержит однотранзисторный запоминающий элемент, который выпускается по технологии ЕТОХ II (EPROM с туннельным оксидированием). В дополнение к энергонезависимости она имеет доступный процессору командный регистр, с помощью которого производится стирание и программирование непосредственно внутри микропроцессорной системы. Перспективы развития микроконтроллерных устройств связаны, прежде всего, с включением в их состав структур Flash памяти как в качестве памяти данных, так и памяти программ.

Цифровое ядро отдельных первичных «интеллектуальных» преобразователей механических параметров организуется на базе нескольких процессоров, на каждый из которых налагаются определенные функции.

При построении «интеллектуального:.) датчика, как и любого другого микропроцессорного устройства, большое внимание уделяется повышению надежности работы. Известно, что несмотря на высокую надежность современных микропроцессорных средств существует вероятность сбоя в работе. Для своевременного выхода из нештатного режима применяются различные схемы охранных таймеров. Выпускаемые в последнее время ОЭВМ уже снабжены такими схемами (80C31RH, 80С51ВН фирмы Intel, CHIA). Если используемый для построения автоматического устройства микроконтроллер не содержит охранного таймера, последний либо организуется на базе специализированных ИМС, так называемых процессорных супервизоров (МАХ691, МАХ696, МАХ791 фирмы Maxim, ФРГ), или строятся на базе простой логики. Принцип работы таких схем заключается в организа-

ции внешнего генератора импульсов низкой частоты (0.5-1 Гц) для сброса микроконтроллера. Сброс генератора осуществляется по команде самого процессора при его нормальном функционировании. В случае сбоя команда сброса не поступает к генератору и происходит сброс ОЭВМ.

Для подключения к микро-ЭВМ функциональных устройств, входящих в состав ИД (АЦП и ЦАП трактов, схем индикации и т.д.), используются специализированные интегральные элементы сопряжения. К ним относятся регистры, шинные формирователи, параллельные и последовательные порты ввода-вывода, а так же различные специализированные ИМС. Способы подключения устройств сопряжения с микро-ЭВМ зависят от конкретной задачи и ресурсов конструируемого цифрового ядра.

В последнее время ИМС сопряжения все чаще заменяются программируемыми логическими интегральными схемами (ПЛИС) различных модификаций. Особенно привлекательны программируемые пользователем вентильные матрицы (ППВМ), построенные на базе матриц логических КМОП- элементов с динамически изменяемой конфигурацией. Эти матрицы, в отличие от традиционной структуры базовых матричных кристаллов (БМК), состоят из большого числа логических узлов с изменяемой конфигурацией, построенных на основе ячеек статических ОЗУ. Конфигурация связей таких ППВМ определяется содержимым ячеек встроенного ОЗУ, которое может быть заполнено последовательным кодом ОЭВМ или непосредственно со служебного ПЗУ. Эти сложные макроэлементы позволяют с минимальными усилиями строить не только структуры сопряжения, но и счетчики, регистры, конечные автоматы и т.д. В последнее время ведутся работы по включению в состав ППВМ аналоговых элементов. Однако, пока разработчики сталкиваются на этом пути с большими технологическими проблемами.

При разработке аналого-цифровой части ИД используются универсальные ИМС сбора данных (СД) или отдельные ин-

тегральные аналоговые и аналого-цифровые ИМС. Предпочтение отдается ИМС, обеспечивающим лучшее сопряжение с магистралью микро-ЭВМ. Например, ЦАП типа AD7545 фирмы Analog Devices, США, или его аналог КР572ПА2А НПО Альфа, Латвия, который легко стыкуется с ОЭВМ семейства MCS51; коммутаторы К543КН1 НПО Квазар, Украина, с управлением 16 каналами по последовательному коду, что требует два канала управления; АЦП, имеющим возможность перевода цифровых выходов в третье состояние AD7570, AD571, AD7574 фирмы Analog Devices, США, или их аналоги КР572ПВ1, 1113ПВ1, КР572ПВЗ НПО Альфа, Латвия, ADC71, фирмы Burr-Brown, США; активные фильтры типа МАХ262 фирмы Maxim. Наиболее удобны интегральные АЦП, позволяющие непосредственно сопрягать их с шиной данных или функциональными портами микроконтроллеров. В ряде случаев, опираясь на возможности современных ОЭВМ, для организации аналого-цифровых функциональных узлов ИД используются функционально незавершенные аналого-цифровые ИМС. Современные ИМС СД рассчитаны для работы в составе микропроцессорных устройств и поэтому являются наиболее удобными при построении ИД.

Как правило, ИД снабжаются информационными индикаторами на базе многофункциональных светодиодных и жидкокристаллических структур, которые позволяют обеспечить необходимый сервис при установке устройства в месте эксплуатации или при работе персонала в непосредственной близости от объекта. Современные жидкокристаллические структуры при низком потреблении энергии позволяют “выводить” не только цифровую, но и буквенную информацию большого объема DV-40400, DV-20400 фирмы Data Vision, Япония, а также графическую информацию DG-24128, DG-12864 фирмы Data Vision, Япония. Наличие в узле индикатора нескольких функциональных клавиш позволяет получать пользователю практически любую информацию о значении контролируемых величин.

Очень много внимания при проектировании ИД уделяется вопросу минимизации энергопотребления. Это связано как с проблемой экономии энергии и снижения конструктивной сложности узлов ее преобразования, так и с вопросом обеспечения нормальных условий работы электронных компонентов в герметичном корпусе. Проблема решается прежде всего за счет оптимального выбора элементов, преимущественно изготовляемых по КМОП-технологии. Однако такое решение не всегда возможно из-за высоких требований к скорости работы отдельных компонентов. Большие надежды возлагаются на ИМС, изготовляемые по все более интенсивно внедряющейся в производство БиКМОП-технологии, реализующей совместное изготовление на одном кристалле биполярных транзисторов и КМОП-структур. Считается, что именно эта технология может обеспечить сочетание технических характеристик ИМС, недоступное другим типам технологий, в частности, высокое быстродействие при умеренной потребляемой мощности.

В этой связи необходимо также отметить преимущественное использование разработчиками ИД таких ОЭВМ, которые позволяют программно переводить процессор в режим пониженного энергопотребления при сохранении содержимого ячеек внутренней памяти и уровней сигналов на выходах ИМС или в режим холостого хода с блокировкой обращения к памяти, как например, у ОЭВМ семейства МС8-51. Это позволяет в случае временного отсутствия необходимости в работе ИД резко снизить его энергопотребление.

Питание ИД осуществляется либо по специальному кабелю от стабилизированного источника, либо автономно от аккумулятора. Значительно сокращает количество используемых кабелей совмещение шины питания и информационного канала, по которому ИД осуществляет информационный обмен с устройством более высокого уровня. Во взрывоопасных помещениях можно обеспечить подвод световой энергии к датчикам по оптоволоконному силовому кабе-

лю и преобразование ее в электрическую в блоке питания ПИП.

Таким образом, разработка ИД на базе современных интегральных компонентов требует тщательной проработки конструкции будущего прибора с учетом особенностей его применения, правильного выбора электронных элементов и их оптимальной конфигурации. Однако сегодня разработчикам доступны специализированные микроконтроллеры, имеющие в своем составе подавляющее большинство элементов, необходимых для построения ИД самых разнообразных конструкций и размещенных на одном кристалле. Такие ИМС классифицируются фирмами-разработчиками (Intel, Motorola, Siemens, Zilog, Atmel, Texas instrumets и т.д. ) как микроконтроллеры замкнутых циклов (MCS-96, MCS-51 и т.д. ) в отличие от микроконтроллеров состояний (MCS-48, базовые модификации MCS-51H т.д.).

Их появление обеспечено внедрением новой технологии изготовления БИС, позволяющей размещать на одном кристалле более 100 тысяч транзисторов. Эти приборы имеют высокую производительность, благодаря обширным и гибким средствам ввода-вывода и нескольким встроенном цифровым и аналого-цифровым устройствам, размещенным на одном кристалле с мощным процессором.

Передовые позиции в разработке и изготовлении приборов такого типа занимает фирма Intel, США, с семейством микроконтроллеров MCS-96 (80С196КВ, 80С196КС). Популярность этих приборов в мире сейчас очень высока. Они находят широкое применение в многочисленных автоматических устройствах.

Построение первичных преобразователей с микроконтроллерным управлением на базе ВОП невозможно без специальных отладочных средств, позволяющих значительно облегчить труд при настройке интеллектуального электронного блока, разработке и отладке ПО микроконтроллеров и конфигурации ППВМ. Наиболее универсальным отладочным средством для любого

микропроцессорного устройства является эмулятор процессора, сопряженный с современной высокопроизводительной ПЭВМ. С помощью эмулятора процессора можно смоделировать практически любую ситуацию и отследить реакцию на неё конструируемой электронной схемы. Кроме эмулятора процессора для отладки аппаратной части ИД часто используются эмуляторы ППЗУ. Несмотря на то, что возможности, предоставляемые этим устройствам, являются значительно более скромными, эмулятор ППЗУ можно использовать для работы с различными типами процессорных устройств. В случае отсутствия требований работы в реальном масштабе времени удобным является использование псевдоэмуляторов процессора. Эти устройства осуществляют обмен дискретными сигналами между колодкой для установки ОЭВМ в отлаживаемой электронной схеме и ПЭВМ, а моделирование работы процессора осуществляет программа. Если необходимо отладить ПО, использующее только внутренние ресурсы микроконтроллера, пользуются специальными отла-

дочными пакетами, которые получили название симуляторов.

Для разработки конфигурации и подготовки программ при организации структуры ППВМ используются специальные прикладные пакеты. Они позволяют разработчику с помощью ПЭВМ произвести редактирование проекта, проверить правильность выбранной конфигурации, определить временную задержку между двумя выбранными точками, сгенерировать битовый поток для загрузки из ОЭВМ, форматировать выходной файл для программатора ППЗУ и т.д.

Литература

1. Аверьянов H.H., Белоус А.И. и др. Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем. Справочник в 2 т. - М.: Радио и связь, 1988.

2. Коршун И.В.. Современные микроконтроллеры. Архитектура, средства гфоектирования, примеры применения, ресурсы сети Интернет. - М.: Теле-системы, 1998.

3. Бродин В.Б., Шагурин М.И.. Микроконтроллеры. Архитектура, программирование, интерфейс. -М.: ЭКОМ, 1999.

4. Мясникова В.А., Игнатьева М.Б. и др. Микропроцессоры: системы программирования и отладки.-М.: Энергоатомиздат 1985.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОВОДИМОСТИ ПОЛЫХ ТЕЛ

В.М. КУРЗИНА, доцент кафедры высшей математики МГУЛа, к.т.н.,

П.А. КУРЗИН, студент факультета ЭВ и С МГУЛа

Известен способ определения электрической проводимости испытуемого образца [1], при котором в измерительном устройстве осуществляется измерение сигналов переменного тока и напряжения, а затем на оснований полученных данных рассчитывается величина электрической проводимости образца. Диапазон измерений, допускаемых этим способом, ограничен небольшими размерами и определенными геометрическими формами образцов. Кроме того, с увеличением размеров образца точность определения его электрической проводимости суще-

ственно уменьшается. В тех случаях, когда возникающие в образце напряжения малы по сравнению с возможностями существующей в данное время измерительной аппаратуры, известный способ измерения вообще не позволяет измерить проводимость объекта испытания.

В данной работе предлагается способ определения электрической проводимости полых тел, позволяющий увеличить количество объектов, для которых становится возможным с точностью, достаточной для инженерной практики, определять их электри-