Сопряжение ЦАП и АЦП с микропроцессорной системой

В зависимости от конфигурации МП-системы любой из ее внешних модулей рассматривается либо как одна из ячеек памяти, либо как один из адресуемых портов ввода-вывода. Для обмена информацией между процессором и одним из модулей процессор формирует на шине адреса двоичное слово, однозначно определяющее выбранный модуль, и по шине данных осуществляет передачу двоичного слова информации. Эти операции происходят под воздействием специальных сигналов, передаваемых по шине управления. Последовательность и правила выполнения этих операций определяются архитектурой конкретного МП.

Для технической реализации процедуры обмена необходимо иметь средства для дешифрации адреса, чтобы конкретный модуль мог обнаружить факт обращения именно к нему. Необходимо также иметь средства для передачи информации в шину данных (передатчики или буферные регистры) и для приема информации с ШД. В том случае, если шина данных и адреса физически организована на базе одних и тех же проводников (мультиплексирована), как это выполнено в микроЭВМ класса «Электроника-60», то необходимы дополнительные средства для их демультиплексирования.

Все эти аппаратные средства могут входить как в состав ЦАП или АЦП, так и являться частью микроЭВМ, образуя интерфейсный модуль обмена в параллельном коде или порт ввода-вывода. На практике встречается и та и другая конфигурация устройства ввода-вывода аналоговой информации.

Большие логические возможности микропроцессора позволяют при наличии стандартного устройства ввода вывода информации в параллельном коде реализовать схемы АЦП последовательного счета, поразрядного уравновешивания и следящего типа программным способом с использованием минимума дополнительного оборудования: ЦАП и компаратора. Однако кажущееся простым такое решение может стать неприемлемым из-за недопустимо большой загрузки процессора, что отрицательно скажется на времени выполнения основных задач МП-системы ‑ задач управления динамическим объектом. По крайней мере в системе управления электроприводом такая реализация аналого-цифрового преобразования оказывается неприемлемой.

Более эффективной с точки зрения минимального дополнительного использования ресурсов МП и реализации предельной скорости обмена информацией является выполнение АЦП и ЦАП в виде завершенных в функциональном и конструктивном отношении устройств, обеспечивающих стандартное сопряжение с магистралью микроЭВМ.

Однако такой модуль является достаточно сложной и дорогой единицей оборудования, поэтому часто путем незначительных затрат расширяют его функциональные возможности, включая его в состав мультиплексоры аналоговых сигналов. Это позволяет на одном и том же оборудовании осуществлять обмен с несколькими источниками (или приемниками) аналоговой информации.

Рис. 31 Функциональная схема модуля аналогового ввода.

Примером такого устройства является модуль аналогового ввода, предназначенный для использования в 16-ти разрядной микроЭВМ «Электроника-60» (рис. 31).

Модуль имеет в своем составе мультиплексор аналоговых сигналов на 16 входов, 11 разрядный АЦП поразрядного уравновешивания (10 значащий разрядов + один знаковый разряд) и все необходимые средства сопряжения с шиной микроЭВМ. Время преобразования АЦП не превышает 100 мкс.

Рассмотрим цикл преобразования сигнала одного из каналов и передачи информации в шину микроЭВМ. Буферные элементы ‑ приемники Пр и передатчики Пδ обеспечивают сопряжение модуля с магистралью микроЭВМ. Вначале с помощью программного цикла «Запись» выбирается один из входных каналов. Дешифратор адреса и управляющих сигналов ДА и Упр вырабатывает разрешающий сигнал «Выв 0», по которому разрешается запись кода адреса выбранного канала, поступающего из магистрали в регистр данных вывода РгД Выв (биты Д₀₀-Д₀₃). С выхода регистра код поступает на адресный вход АК мультиплексора МС. Напряжение из выбранного канала поступает на усилитель и далее на АЦП и схему определения полярности сигнала СОП с триггером знака Т_зн.

Одновременно сигнал «Выв 0» запускает схему управления и синхронизации СУС, управляющую работой АЦП. После завершения цикла преобразования по сигналу «Конец преобразования» устанавливается в единицу триггер готовности Т (бит Д₁₀). С помощью программного цикла «чтение» состояние триггера может быть считано микроЭВМ. (разрешающий сигнал «ВВ4») Прием результата преобразования в микроЭВМ осуществляется также с помощью программного цикла «чтение», при этом вырабатывается разрешающий сигнал «Вв2» и через передатчики кода данных (Д₀₀-Д₀₉) и код знака (Д₁₅) поступают в магистраль микроЭВМ.

Для обеспечения гальванической развязки аналоговых входов от системы микроЭВМ в измерительной части модуля используется изолированный источник питания. Гальваническая развязка интерфейсной части модуля и его аналоговой части осуществляется с помощью оптоэлектронных ключей.

Примером цифроаналогового преобразователя, выполненного в виде функционально законченного блока, является модуль аналогового вывода 15КА-60/4-009 для микро ЭВМ «Электроник-60». Модуль содержит четыре параллельных канала для 10-разрядного преобразования цифровых данных. Время преобразования не превышает 10 мкс.

В состав модуля входит источник эталонного напряжения плюс (или минус) 10,24 В. Таким образом, уровень разрешения ЦАП на шкале 10,24 В составляет 10мВ. Упрощенная схема модуля приведена на рис. 32.

Рис. 32 Функциональная схема модуля аналогового вывода

Модуль содержит приемники Пр и передатчики Пд магистрали, дешифраторы адреса и управляющих сигналов ДА и Упр, регистры данных РгД₁‑РгД₄, 10 – разрядные ЦАП₁-ЦАП₄.

Код адреса А и управляющие сигналы Упр поступают из магистрали через приемники на ДА и Упр, который вырабатывает один из сигналов обращения Выв1…Выв4 к выбранному регистру. Код данных (Д₀₀‑Д₀₉) поступает на информационные входы всех регистров Рг, однако запись произойдет только в выбранный регистр. С выходов регистра код поступает в соответствующий ЦАП, где преобразуется в напряжение постоянного тока. Цифровая и аналоговая части модуля гальванически развязаны с помощью оптоэлектронных ключей. Питание аналоговой части осуществляется с помощью гальванически изолированного источника.

Глава 4

ПРОГРАММИРУЕМЫЕ КОНТРОЛЕРЫ

Программируемые контролеры представляет собой специализированную управляющую микроЭВМ, работающую в реальном времени по программам, размещенным в постоянном запоминающем устройстве, а не в оперативной памяти. По существу, ПК представляет собой специфический цифровой автомат. Появление и развитие ПК выражает современную тенденцию к замене схемотехники электронных схем с жесткой структурой на программируемые структуры.

Преимущества ПК заключаются в высокой надежности, быстродействие, нетребовательность к среде. По зарубежным данным ПК уже применяются в 35% систем от общего числа систем управления технологическими процессорами. Большинство выпускаемых моделей рассчитано на программно-логическое управление и выполнение законов регулирования.

Наибольшее распространение получили в технике программируемые логические контроллеры (ПЛК) и программируемые регулирующие контролеры (ПРК).