Передмова
Дисципліна «Мікропроцесорна техніка» належить до групи професійно орієнтованих і займає важливе місце у підготовці бакалаврів за напрямом 050202 «Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології». Завдання предмету – формування знань з організації архітектури сучасних мікропроцесорів, мікроконтролерів, пам’яті та системи команд, паралельного й послідовного інтерфейсів, режимів тимчасових затримок і переривань, а також набуття навичок розробки алгоритмів і програм керування неперервними і дискретними об’єктами.
Зміст дисципліни вимагає від студентів знань з вищої математики, алгоритмічних мов й програмування, основ електротехніки і електроніки; забезпечує викладання основ збирання, обробки і передачі інформації, мікропроцесорних та програмних засобів систем керування, курсове та дипломне проектування.
Матеріал посібника відповідає лекційному курсу дисципліни, який впродовж кількох років викладався авторами у Національному гірничому університеті. Книга може бути використана для студентів заочно-дистанційної і екстернатної форми навчання. З цією метою під час викладення теоретичного матеріалу наводяться приклади розв’язання задач, наприкінці кожного розділу містяться контрольні питання, надається програма та методичні вказівки для лабораторного практикуму.
Посібник розроблено колективом викладачів Національного гірничого університету у співпраці з професором Ройтлінського університету (Німеччина) Герхардом Грулером і професором Еслінгенського університету (Німеччина) Ніколаусом Нойбергером.
Перший розділ написано доцентом М.В. Козарем. Другий, третій, четвертий і п’ятий – професором В.В. Ткачовим. Шостий, сьомий, восьмий, одинадцятий – доцентом С.М. Проценко. Дев’ятий – професором Г. Грулером. Десятий – професором Н. Нойбергером.
Враховуючи навчальне призначення, у посібнику не робиться бібліографічних посилань на запозичення з відомих джерел. Список літератури містить тільки вказівки на матеріали, що рекомендуються як додаткові для поглиблення знань та розширення навичок в галузі мікропроцесорної техніки.
Посібник створено для бакалаврів, що навчаються за напрямом 050202 «Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології», а також для спеціалістів і магістрів, що продовжують навчання на основі означеного напрямка, зокрема 05020201 «Автоматизоване управління технологічними процесами».
Написання навчального посібника – досить клопітка робота, при виконанні якої неминучі помилки. Автори з вдячністю отримають зауваження та побажання, що сприятимуть подальшому покращенню змісту книги.
6
Загальні поняття й структура систем керування
Курс лекцій «Мікропроцесорна техніка» базується на дисциплінах
«Теоретичні основи електротехніки», «Вимірювання електричних і не електричних величин», «Електроніка й мікросхемотехніка», «Програмування»,
«Елементи і пристрої систем керування».
З грецької мови слово «система» перекладається «складний»,
«багатокомпонентний», «взаємозалежний».
Під системою керування (СК) розуміється комплекс логічно взаємодіючих механічних, апаратних і програмних засобів, а також рішень, прийнятих людиною, що виконує завдання контролю й керування технологічним процесом або об'єктом.
Технологічний процес – це виконання послідовності дій і операцій перетворення вихідної сировини, матеріалу або енергії з метою одержання товарної продукції із заданими параметрами.
Керування – це сукупність впливів на керований об'єкт, спрямованих на підтримку його функціонування відповідно до обраних правил на підставі інформації, що надходить від об'єкта керування й зовнішнього середовища, у якому він функціонує. У випадку, коли керуючі впливи виконуються без участі людини, керування називається автоматичним. Якщо ж деякі функції під час вибору керуючих впливів здійснюються людиною, то керування зветься автоматизованим. За аналогією системи теж поділяються на автоматичного й автоматизованого керування. Узагальнена структурна схема такої СК зображена на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Структурна схема системи керування
7
Наведена схема не є абсолютною з погляду «тільки так і ніяк інакше», але вона дає можливість найбільш повно уявити сукупність компонентів СК й розібратися з їхніми призначенням і взаємозв'язками.
Для СК джерелами інформації, як правило, є датчики, рішення, прийняті людиною, а також інші системи або підсистеми, з якими обумовлено спільне функціонування.
За допомогою датчиків виконується контроль параметрів технологічного процесу, зокрема переміщення або положення машин і механізмів, зусилля, температури, тиску, що розвиваються, й т.п. Тому датчики – це обладнання, де відбувається перетворення контрольованої фізичної величини в електричний сигнал. Вони поділяються на два основні типи – дискретні й аналогові, і узагальнено їх можна назвати технологічними.
У датчиках дискретного типу зміна вихідного сигналу відбувається східчасто – від мінімального значення до максимального, або навпаки. В аналогових датчиках вихідний сигнал змінюється безупинно, залежно від зміни контрольованого технологічного параметра, і в кожний момент часу може приймати величину, що перебуває між мінімальним і максимальним значеннями. До групи аналогових слід віднести також датчики, вихідними параметрами яких є зміна тривалості сигналу або частоти вихідних імпульсів. У кожному разі ці параметри пропорційні зміні контрольованої фізичної величини.
Інформація від людини передається в систему через органи пультів керування (кнопки, що задають елементи, маніпулятори), а також через комп'ютерні засоби шляхом вибору й впровадження у дію відповідних завдань, програм або режимів.
Інформація від підсистем, з якими обумовлено спільне функціонування, може надходити як у вигляді окремих сигналів (дискретних або аналогових), так і цифрових кодів, переданих по паралельних або послідовних каналах зв'язку.
Процес керування передбачає зняття інформації з об'єкта (вимірювання параметрів об'єкта або процесу), аналіз цієї інформації й вироблення керуючих впливів згідно з заданим законом керування.
Керований об'єкт, яким може бути технологічний механізм, лінія або комплекс, виділено в окремий прямокутник ОК. Під ним мається на увазі деяка сукупність виконавчих обладнань і механізмів, що приводять у дію технологічне встаткування. Це можуть бути електричні, пневматичні або гідравлічні приводи, нагрівальні елементи, маслостанції, компресори тощо. У цю частину входять також магнітні пускачі, контактори, силові перетворювачі, гідравлічні й пневматичні розподільники, через які енергія надходить до виконавчих приводів і на які безпосередньо спрямовані керуючі впливи від пристроїв керування (ПК).
На входи ПК можуть надходити аналогові й дискретні сигнали від технологічних датчиків і пультів керування, а також інформація у вигляді цифрових кодів у тих випадках, коли за умов перешкодозахищеності кодування знижує ймовірність її спотворення. Джерелом вхідної інформації є також і послідовний канал зв'язку, за допомогою якого може відбуватися
8
інформаційний обмін і взаємодія між суміжними підсистемами й верхніми рівнями ієрархії всієї структури підприємства.
По суті, пристрій керування є основним елементом СК, що сприймає вхідну інформацію, перетворює її за заданими законами й алгоритмами і виробляє керуючі впливи на ОК. Крім цього, ПК виконує функції надання інформації обслуговуючому персоналу у вигляді світлової й звукової сигналізації або графічної візуалізації, а також спільно взаємодіючим підсистемам і вищим за ієрархією рівням керування.