СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ОБОРУДОВАНИЕМ

Жукова Марина Сергеевна

студент 4 курса, факультет информатики и вычислительной техники, ГОУ СПО ЮТМиИТ, г. Юрга

E-mail: krcsro@mail.ru

Журова Лариса Борисовна

научный руководитель, преподаватель ГОУ СПО ЮТМиИТ, г. Юрга

Современные системы дистанционного контроля и управления режимами работы технологического оборудования строятся на основе использования микропроцессорных систем сбора и обработки данных, максимально приближенных к объекту. Современные микропроцессорные системы строятся на базе микроконтроллеров. Возможности микроконтроллеров семейства AVR позволяют решать множество типовых задач, возникающих перед разработчиками встраиваемых систем управления динамическими объектами в режиме реального времени. Интенсивный рост продаж AVR во всем мире и устойчивый рост их популярности, в том числе и в России, предполагает дальнейшее развитие этого направления [5, с. 27]. 

Применение САПР при проектировании микропроцессорных систем предъявляет высокие требования к интеллектуальному уровню, психологической и профессиональной подготовке выпускников, которые должны не только понимать основные принципы работы САПР, но и хорошо знать все ее возможности, уметь свободно пользоваться средствами общения с ЭВМ и, кроме того, постоянно ставить задачи и осмысливать их результаты.

Применение САПР на этапах схемотехнического проектирования приводит к снижению затрат на проектирование в связи с сокращением сроков, уменьшению числа макетов и опытных образцов, а также позволит улучшить качество проекта вследствие снижения ошибок в проектной документации [3, с. 152].  

В процессе автоматизации проектирования микропроцессорных систем дистанционного контроля и управления режимами работы технологического оборудования студенты специальности 230113 Компьютерные системы и комплексы применяют САПР на этапах схемотехнического и конструкторского проектирования. 

Процесс проектирования микропроцессорных систем кроме разработки функциональных и принципиальных схем узлов и блоков включает разработку программного обеспечения для микроконтроллеров. Поэтому прежде, чем приступить к схемотехническому моделированию, нужно получить программные коды для микроконтроллера микропроцессорной системы, расположенной вблизи технологического объекта контроля и управления, и микроконтроллера микропроцессорной системы, расположенной на диспетчерском пункте, в виде двух hex-файлов [1, с. 87].

В проекте «Проектирование аппаратно-программного комплекса дистанционного контроля режимов работы периферийного оборудования с использованием оптико-механического датчика на базе микроконтроллера Atmega 16» для контроля режимов работы периферийного оборудования предлагается использовать квадратурный оптико-механический датчик — энкодер, применяемый для определения положения и скорости вращения вала. Энкодер представляет собой закрепленный на валу диск с расположенными в определенном порядке прорезями/выступами, которые либо замыкают механические контакты при вращении, либо перекрывают световой поток в оптопаре [4, с. 156].

Структурная схема аппаратно-программного комплекса  дистанционного контроля режимов работы периферийного оборудования представлена на рис. 1. В схеме можно выделить три основных модуля:

·     модуль контроля технологических параметров на производственном участке;

·     модуль дистанционного контроля за технологическими параметрами на диспетчерском пункте;

·     блок питания, обеспечивающий питание микросхемам и датчикам + 5В.

Конструктивно аппаратно-программный комплекс будет выполнен в виде двух устройств:

·  первое устройство размещается на объекте контроля и состоит из датчиков, микроконтроллера, который принимает сигналы с датчиков и выводит их значение на LCD экран, схемы UART для передачи данных в канал связи по протоколу RS-232, блока питания, обеспечивающего питание микросхемам и датчикам + 5В.;

· второе устройство размещается на диспетчерском пункте и позволяет удаленно контролировать технологический процесс, состоит из схемы UART для приема данных из канала связи по протоколу RS-232, микроконтроллера, организующего прием данных и вывод для отображения на LCD экране диспетчера.

Рисунок 1. Структурная схема аппаратно-программного комплекса

Программирование микроконтроллеров обычно осуществляется на языке Ассемблера или языке высокого уровня Си..

Компьютерная среда разработки и отладки программ для микроконтроллеров FlowCode позволяет процесс программирования сделать более наглядным и доступным. Программа FlowCode в качестве основного языка программирования использует графический язык. И, как в объектно-ориентированном программировании, объекты FlowCode выполняют ряд операций и наделены набором свойств. Программная среда FlowCode в качестве основных компонентов предлагает алгоритмические конструкции ввода, вывода данных, вычислений, ветвления, цикла, подпрограмм. Программная среда позволяет выполнить моделирование алгоритма с применением элементов световой индикации, панели управления, эмуляторов периферийного оборудования [2, с. 8]. Процесс моделирования алгоритма в программной среде FlowCode для микропроцессорной системы, реализующей прием сигналов с двух датчиков в порт, имеющий АЦП, и передачу данных по протоколу RS-232 на микропроцессорную систему диспетчерского пункта приведен на рис. 2, для микропроцессорной системы, реализующей прием и вывод данных на LCD экран, показан на рис. 3.

Рисунок 2. Моделирование программы приема сигналов с датчиков и передачи данных на микроконтроллер диспетчерского пункта по протоколу RS-232

Рисунок 3. Моделирование программы для приема данных с микроконтроллера объекта управления по протоколу RS-232 на диспетчерский пункт

Разработанные алгоритмы можно компилировать в программы на языке СИ и в виде HEX-файлов. Полученные в среде FlowCode HEX-файлы далее загружаются в микроконтроллер в среде PROTEUS VSM, что позволяет выполнить схемотехническое моделирование микроконтроллерной системы в целом, проверить правильность программ и далее загрузить их в реальную микропроцессорную систему.

Программы — симуляторы позволяют, без сборки реального устройства, отладить работу схемы, найти ошибки, полученные на стадии проектирования схемы, снять необходимые характеристики и многое другое. Одна из таких программных сред — PROTEUS VSM.

Режим отладки программ микроконтроллерной системы, реализующей симплексный режим передачи данных показан на рис.4—5. В первой строке LCD экрана отображается значение цифрового кода, полученное с первого датчика-энкодера, во второй строке — со второго.

Рискнок 4. Схемотехническое моделирование режима контроля параметров технологического процесса и передачи данных с объекта управления на диспетчерский пункт

В результате схемотехнического моделирования проверена правильность алгоритма и программы для двух микроконтроллеров МПС АПК и реализация симплексного режима передачи данных между двумя микропроцессорными системами, таким образом, смоделирован режим дистанционного контроля параметров технологического процесса.

PROTEUS VSM, созданная фирмой Labcenter Electronics является так называемой программой сквозного проектирования.

Рисунок 5. Схемотехническое моделирование режима приема данных микропроцессорной системы на диспетчерском пункте

Это означает создание устройства, начиная с его графического изображения (принципиальной схемы) и заканчивая изготовлением печатной платы устройства, с возможностью контроля на каждом этапе производства.

Большая библиотека компонентов, начиная от пассивных ЭРЭ и заканчивая современными типами микроконтроллеров, достаточный набор инструментов и функций, среди которых вольтметр, амперметр, осциллограф, всевозможные генераторы, возможность отлаживать программное обеспечение микроконтроллеров, позволяют выполнять схемотехническое моделирование как аналоговых, так и цифровых схем.

После моделирования работы схемы выполняется трассировка печатных плат в модуле ARES программной среды PROTEUS VSM, результаты показаны на рис. 6—7.

Рисунок 6. Трассировка печатной платы микропроцессорной системы на диспетчерском пункте

Моделирование теплового режима работы МПС АПК осуществлялось в программном комплексе Триана v. 2.00. С помощью Триана v. 2.00 осуществляется моделирование стационарных и нестационарных тепловых режимов конструкций РЭС при различных условиях охлаждения путем формирования системы нелинейных уравнений или системы обыкновенных дифференциальных уравнений по заданным геометрическим и теплофизическим параметрам конструкции РЭС, установленных в РЭС конструктивных узлов, элементов.

Рисунок 7. Трассировка печатной платы микропроцессорной системы на объекте управления технологическими параметрами

Исходные данные для моделирования на ПЭВМ теплового режима МПС АПК при помощи Триана v. 2.00 подготавливаются на основе следующей информации:

·     сборочный чертеж или деталировка конструкции;

·     теплофизические параметры материалов, элементов конструкции и холодоносителей;

·     значения тепловых мощностей, рассеиваемых элементами схемы;

·     параметры охлаждения конструкции;

·     построенная пользователем модель тепловых процессов анализируемого объекта.

Изотермы печатных плат МПС АПК представлены на рис. 8—9.

Рисунок 8. Моделирование теплового режима работы печатного узла микропроцессорной системы на объекте управления технологическими параметрами

В результате проведенного теплофизического моделирования определены тепловые потоки на печатных узлах, отсутствие перегрева ЭРЭ и максимальная температура узла.

Рисунок 9. Моделирование теплового режима работы печатного узла микропроцессорной системы на диспетчерском пункте

Данная технология проектирования аппаратно- программного комплекса дистанционного контроля параметров работы периферийного оборудования с использованием оптико-механического датчика на базе микроконтроллера Atmega 16 выполнялась в рамках курсового проектирования и рекомендована для дальнейшего использования в процессе освоения профессионального модуля «Проектирование микропроцессорных систем» для студентов СПО специальности 230113 Компьютерные системы и комплексы.

Список литературы:

1.Белов А.В. Самоучитель разработчика устройств на микроконтроллерах. СПб.: Наука и Техника, 2008. — 544 с.: ил.

2.Гололобов В.Н. Микроконтроллер и  FlowCode. URL:http://www.twirpx.com/files/informatics/mps (дата обращения 25.05.2012)

3.Костров Б.В., Ручкин В.Н. Архитектура микропроцессорных систем. М.: Издательство Диалог-МИФИ, 2007. — 304 с.:ил.

4.Рюмик С.М. 1000 и одна микронтроллерная схема. Вып. 1 / С.М. Рюмик. М.: Додэка-ХХ1, 2010. — 356 с.: ил.

5.Трамперт В. AVR-RISC микроконтроллеры.: Пер. с нем.-К.: «МК-Пресс», 2006. — 464 с., ил.