Функциональные схемы устройств систем автоматизации

Цель проектирования

Приобретение навыков решения задач анализа и синтеза устройств систем автоматизации на современной и перспективной элементной базе.

Содержание задания

Для индивидуального варианта устройства, который задан схемой (см. табл. 1, рисунки дополнения) необходимо:

1. Провести анализ устройства (определить входы, выходы, ввод питания, тип и функции элементов, узлов; найти описание условий функционирования в виде таблиц, формул, временных диаграмм и тому подобное).

2. Полученные в п. 1 логические формулы, которые описывают комбинационную часть устройства, упростить путем использования аксиом и правил алгебры логики.

3. Определить место устройства в системе автоматизации. Начертить схему системы автоматизации с заданным устройством (Е1).

4. По результатам, полученным в п.1-2 разработать функциональную схему устройства (Е2).

5. На заданной элементной базе (см. табл.1) разработать принципиальную электрическую схему устройства (Е3).

6. Разработать микропроцессорную реализацию устройства и ее программное обеспечение.

7. Получить сравнительную оценку разработанных в п.5,6 вариантов устройств по сложности, скорости, помехоустойчивости и т.д.

Варианты заданий

Варианты заданий даны в табл. 1 и на рисунках (см. рис. дополнения).

При синтезе микропроцессорной реализации устройства системы контроля и управления автоматизированным производством (СКУ АП) использовать микропроцессор К580 и язык Ассемблера К580ВМ80.

Таблица 1

Варианты заданий

Методические указания

Для проведения анализа устройства необходимо определить функции элементов и узлов устройства; представить их описание в виде таблиц, временных диаграмм, логических выражений и тому подобное. Для определения функций элементов и узлов устройства необходимо пользоваться такими печатными источниками:

а) для дискретных узлов [1,2];

б) для логических элементов [3,4];

в) для коммутационных элементов (реле, переключателей, соединителей) [2];

г) для микропроцессоров и микропроцессорных систем [5,6,7].

Комбинационную часть устройства нужно описать в виде аналитического выражения и таблицы соответствия. Потом эти выражения упростить (если это возможно) путем использования аксиом и правил алгебры логики и найти тупиковую ДНФ (КНФ). Обязательно объяснить за счет чего удалось упростить форму логической функции.

При разработке электрической схемы устройства провести анализ элементной базы.

Пример решения задания

А. Содержание задания (п. 2,3, табл.1, рис. 1 дополнения).

Рис. 1. Общая схема СКУ АП (Е1)

Б. Решение:

1. Входы:

-управление – 2,3,4,5;

-информационные 7, 8, 9, 10, 11, 12,13.

Выходы: 1 группа – 21, 15, 17, 19;

2 группа – 14, 16, 18, 20.

Питание: 1, 6.

Элементы: Х1, Х2, .Х3, Х4, Y - реле, 6 - шифратор (CD); 7- регистр сдвига (RG), 8 - элемент эквивалентности.

Описание условий функционирования реле:

f_y(x) = x₂ x₃ + x₂ x₁ + x₂ x₁ x₃ + x₂ x₁x₃ + x₂ x₄ + x₂ x₄. (1.1)

Описание условий функционирования элемента 8:

f₈(1,2,3) = 1~2~3 = 1 . (1.2)

2. Путем использования аксиом и правил алгебры логики можно упростить формулу f_y(х). Для минимизации применим карту Карно («рис.3.43» на рис.1). Из карты Карно получим:

f_ymin(x) = x₄ + x₁ x₂ + x₂ x₃. (1.3)

3. Узлы 6,7,8 образуют кодопреобразователь (кодер) с парным весом («рис.3.42» на рис.1). Реле X1, Х2, ХЗ, Х4, Y коммутируют выходы кодера. Если в реле Y ток отсутствует, то выходы 1, 2, 3, 4 регистра подключаются соответственно к выходам 21, 15, 17, 19 устройства. Если в реле Y есть ток, то выходы 1, 2, 3, 4 регистра подключаются в соответствии с выходами 14, 16, 18, 20 устройства.

Такой кодер используется в каналах передачи СКУ АП на передающей стороне («рис.3.44» на рис.1).

4. Функциональная схема кодера. После упрощения функциональная схема кодера приведена на рис.2 («рис.3.45»).

5. Разработка электрической схемы устройства.

Серия интегральных микросхем (ИМС) 155 имеет более 70 элементов, но элементы шифратор и эквивалентность в серии отсутствуют. Поэтому их необходимо синтезировать на других элементах.

Синтез шифратора. Составляем таблицу соответственно входов и выходов («рис.3.46,а» на рис.2). Из таблицы получим

у₁ = x₇ + x₉ + x₁₁ + x₁₃;

у₂ = x₈ + x₉ + x₁₂ + x₁₃;

у₃ = x₁₀ + x₁₁ + x₁₂ + x₁₃.

Для реализации функций у₁, y₂ и у₃ возьмем элементы К155ЛЛ1 («рис.3.46,b» на рис.2). Функциональная схема шифратора представлена на рис. 2 («рис.3.46,с»). Таким образом, для реализации шифратора необходимо три микросхемы К155ЛЛ1 (D1, D2, D3).

Для реализации у₈ (1.2) используем элемент К155ЛП5 («рис.3.47,a» на рис.2) и элемент К155ЛН1 или К155ЛН2 («рис.3.47,b» на рис.2). Функциональная схема эквивалентности 8 представлена на рис.2 («рис.3.47,c»), которая имеет элементы D4, D5.

Для реализации функции f_у (х) необходимо пять реле РЭС22 («рис.3.47,d» на рис.2).

Рис. 2. Эквивалентность на элементах К155ЛП5 и К155ЛН1

Рис. 3. Принципиальная электрическая схема устройства (Е3).

4. Алгоритм функционирования МПУ.

Для реализации регистра (узла 7) используем элемент К155ИР1, который имеет входы С1, С2, VI, V2, D1, D2, D3, D4 на выходы 1, 2, 4, 8. Для ввода информации в регистр параллельным кодом необходимо подать управляющий набор: V1 = ~ (лучше 0, то есть V1 = 0), V2=1 - ввод через входы D1, D2, D3, D4; С1 = С2 соединим вместе (ввод записи). Схема узла 7 имеет вид, приведенный на рис.3 («рис.3.48,б»).

Так как внутренний источник питания отсутствует, то соединитель можно выбрать один. Подсчитаем количество соединений: по питанию 4 (1,6 - реле, 2 - для питания интегральных схем); по входам 11 (вводы 2-5 на реле, информационные вводы 7-13.); по выходам 8 (выводы 21, 14 - 20); 1 вход синхронизации. Всего нужно 24 соединения. Для их реализации выбираем цилиндровый соединитель 2РМ-30.

По рис.1, 2, 3 («рис.3.48») составляем принципиальную электрическую схему устройства (рис 3).

6. Разработка микропроцессорной реализации устройства.

Проведенный в п.1-3 анализ показывает, что кодопреобразователь имеет две группы входов:

а) входы 2-5 - входы управления выходами кодера;

б) входы 7-13 - входы информации.

Кодер информацию из входов 7-13 кодирует кодами с парным весом, потом этот код выдается или на входы 21, 15, 17, 19, если в реле Y ток отсутствует, или на выходы 14,16,18,20, если в реле Y есть ток.

Таким образом, микропроцессорная реализация устройства (МПУ) должна иметь два порта ввода IN01 и IN02, и два порта вывода ОUТ01 и ОUТ02. Кодер реализуем с помощью RОМ. В RОМ разместим программу функционирования устройства. Структура микропроцессорной реализации устройства представлена на рис. 4 («рис.3.50»).

Пусть порты имеют такие адреса:

ІN01-01h; IN02-02h; ОUТ01-01h; ОUТ02-02h.

Программа функционирования узла Х1, Х2, ХЗ, Х4, Y записана в RОМ и ее начальный адрес есть 08А0h. Программа кодера записана в RОМ и ее начальный адрес 08А0h1. Алгоритм функционирования процессора приведен на рис.4. Функцию fy(x)= x₄ + x₁ x₂ + x₂ x₃ реализуем таблично и запишем ее в ячейки RОМ. Для ее реализации необходимо 16 ячеек одноразрядной памяти (N=2⁴=16). Разместим fy(x) в ячейках памяти по адресам 8000h-800Fh.

Узел кодера (Ф, RG, М2) также реализуем с помощью RОМ. Он занимает соответственно 2⁷=128 ячеек памяти длиной в 4 двоичных разряда. Таблица соответствия для кодера (CD, RG, M2) пусть находится в ячейках памяти 8010h-8081h.

Порты ввода имеют также адреса 01h и 02h. На выходы порта 01 выдаются сигналы для выходов 21,15,17,19 устройства, а на выходы порта 02 выдаются сигналы для выходов 14,16,18,20 устройства.

Программа функционирования МПУ представлена в табл.2

Таблица 2

Программа функционирования МПУ

7. Оценка сложности и быстродействия устройства.

Оценка сложности устройства при аппаратной реализации (см. рис.3): пять реле РЭС22, один регистр К155ИР1, три элемента К155ЛЛ1, один элемент К155ЛП5, один элемент К155ЛН1 и один соединитель 2РМ-30.

При программно-аппаратной реализации («рис.3.50» на рис.4, табл.2) устройство имеет: МПК580ВМ80А – корпус; ROM - 1 корпус; порт К580ВВ35 - 2 корпуса.

Оценка быстродействия. При аппаратной реализации имеем в устройстве реле и интегральные элементы. Если t_{з ис}«t_{з реле}, то быстродействие устройства будет определено быстродействием реле РЭС22:

t_{з ср}. ≈15 *10^-3с; t_{з от.}= ~ 8*10^-3 с, то есть t_з ~46 *10^-3 с.

При программно-аппаратной реализации быстродействие зависит от цикла формирования кода. Определим его.

Команды МОV L,А является однобайтными; команды MV1, IN01, IN02, ОUT01, OUТ02 - двухбайтными; команды IN М1, МOV(А, М) – трехбайтными. Поэтому программа занимает объем памяти в 21 байт и выполняется минимум за 21 машинный цикл.

Для хранения переменных y₁, y₂, y₃, y₄ и x₇,x₈,…,x₁₃ общий объем памяти составляет 21+16+128=165(байт).

При тактовой частоте f=2Мгц цикл изменяется с частотой F_ц = 0.5МГц. То есть длительность цикла составляет 2*10^-6 с, а время одной реализации (формирование одного кода) t_рк =21*2*10^-6 = 42* 10^-6с.

Из сравнения аппаратной и программно-аппаратной реализации получается, что микропроцессорная реализация имеет быстродействие в сотни (а может и тысячи) раз больше.

Содержание объяснительной записки

Вступление.

Основная часть

1.Задание на курсовое проектирование

2. Анализ функций элементов и узлов устройства.

3. Разработка функциональной схемы устройства.

4. Разработка электрической схемы устройства на выбранной элементной базе.

5. Разработка микропроцессорной реализации устройства.

6.Оценка эффективности устройства.

Выводы.

Список использованных источников.

Дополнения.

Дополнение

Функциональные схемы устройств систем автоматизации