Микропроцессоры и микропроцессорные системы

Ежегодно в мире выпускаются сотни миллионов электронных устройств, содержащих в своем составе один или несколько микропроцессоров (МП).

Электронное устройство (электронная система) – это, в общем случае, прибора, программно-аппаратный комплекс, любой электронный узел, блок, производящий обработку информации.

Каждое выпускаемое электронное устройство выполняет те или иные задачи. Задача – это набор функций, выполняемых электронной системой. Примеры задач:

- счет времени (часы, таймеры и пр.);

- измерение физической величины;

- учет электроэнергии по тарифам;

- управление коммутационным аппаратом;

- цифровая связь по стандарту GSM.

Интерфейс – соглашение об обмене информацией, правила обмена информацией, подразумевающие электрическую, логическую и конструктивную совместимость устройств, участвующих в обмене, то есть обеспечение сопряжения.

Основные показатели работы электронной системы:

- быстродействие – это показатель скорости выполнения электронной системой ее функций;

- гибкость – это способность системы подстраиваться под различные задачи;

- избыточность – это показатель степени соответствия возможностей системы решаемой данной системой задаче.

Микропроцессорная система (МПС) может рассматриваться как частный случай электронной системы, предназначенной для обработки входных сигналов и выдачи выходных сигналов (рисунок 1) и представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств. В качестве входных и выходных сигналов при этом могут использоваться аналоговые сигналы, одиночные цифровые сигналы, цифровые коды, последовательности цифровых кодов. Внутри системы может производиться хранение, накопление сигналов (или информации). Входные аналоговые сигналы преобразуются в последовательности кодов выборок с помощью АЦП, а выходные аналоговые сигналы формируются из последовательности кодов выборок с помощью ЦАП. Обработка и хранение информации производятся в цифровом виде.

Рисунок 1 – Программируемая универсальная электронная система

За последние десятилетия быстродействие универсальных МПС выросло на несколько порядков. Резко снижена стоимость микросхем, объем их выпуска растет из года в год.

Актуальность применения МПС в электроэнергетике

Актуальность предмета связана с перспективами и концепциями развития электрических сетей в ближайшие годы, в которых краеугольным камнем является применение «интеллектуальных» автоматизированных сетей и систем. Эти системы должны выполнять функции измерений, учета энергоресурсов, управления электрооборудованием, прогнозирования и т.д. Для выполнения подобных функций необходимо применение современной микропроцессорной техники.

На примере современных микропроцессорных измерительных приборов можно привести ряд преимуществ использования МПС в электроэнергетике:

1. Многофункциональность. Производится замена совокупности различных измерительных приборов одним, многофункциональным для того, чтобы можно было относительно просто добавлять новые функции.

2. Повышение точности. Уменьшение погрешностей по сравнению с обычными аналоговыми или цифровыми приборами достигается за счет исключения систематических погрешностей в процессе автоматической калибровки: коррекция смещения нуля, учет собственной амплитудно-частотной характеристики, учет нелинейности преобразователей. Автоматическая калибровка в данном случае – это измерение поправок или поправочных множителей и запоминание их в ОЗУ с целью использования на этапе обработки опытных данных.

3. Уменьшение влияния случайных погрешностей (путем проведения многократных из-мерений с последующей обработкой выборки — усреднением, вычислением мат. ожидания и пр.). Выявление и устранение грубых погрешностей (промахов). Вычисление и индикация оценки погрешности прямо в процессе измерения.

4. Компенсация внутренних шумов и повышение чувствительности средства измерения. Простое усреднение сигнала на входе прибора требует достаточно большого времени усреднения. Один из вариантов — проведение многократных измерений и усреднение результатов с целью компенсации случайной составляющей измерительного сигнала. Пример — микропроцессорный ВЧ вольтметр среднеквадратического значения.

5. Расширение измерительных возможностей путем широкого использования косвенных и совокупных измерений, воспринимаемых оператором в этом случае как прямые (поскольку результат обработки появляется на индикаторе сразу после проведения измерения). Косвенные измерения включают в себя вычисления результата по опытным данным по известному алгоритму. Совокупные измерения предполагают измерение нескольких одноименных физических величин путем решения системы уравнений, получаемых при прямых измерениях сочетаний этих величин. Например, измерение сопротивления различных сочетаний резисторов – последовательное, параллельное, последовательно-параллельное, позволяют рассчитать сопротивление каждого из них. В этих случаях микропроцессор осуществляет управление процессом измерения по программе и проводит обработку опытных данных. Результат расчетов воспринимается оператором как результат прямых измерений, поскольку расчет делается быстро.

6. Упрощение и облегчение управления прибором. Все управление производится с кнопочной панели, выносные клавиатуры используют редко. Чем меньше кнопок, тем более «разумным» является прибор. Автоматизация установок прибора приводит к упрощению его использования (выбор пределов измерения, автоматическая калибровка и пр.). В ряде приборов использую контроль за ошибочными действиями оператора — индикация его неверных действий на табло или экране. Упрощает измерения визуализация результатов на экране в удобном виде, с дополнительными шкалами. Ряд приборов предусматривает вывод результатов на печатающее устройство, и на флоппи-диск для сохранения и переноса на компьютер.

Разделы современной схемотехники

Вся схемотехника разделяется на две большие области: аналоговую и цифровую.

Аналоговая схемотехника характеризуется:

- максимальным быстродействием,

- малым потреблением энергии;

- малой стабильностью параметров.

Цифровая схемотехника обладает прекрасной повторяемостью параметров. Это привело к её развитию в последние годы, а также бурному росту электронной промышленности.

Рисунок 2 – Разделы современной схемотехники

Каждую конкретную задачу (то есть необходимую к выполнению функцию) цифровой системы решают тремя способами:

1. Использование жёсткой логики, которую составляют специализированные большие интегральные схемы (БИС). Любая система на "жесткой логике" обязательно представляет собой специализированную систему, настроенную исключительно на одну задачу или (реже) на несколько близких, заранее известных задач. Специализированная система не имеет аппаратурной избыточности, то есть каждый ее элемент обязательно работает в полную силу, может обеспечить максимально высокое быстродействие, так как скорость выполнения алгоритмов обработки информации определяется в ней только быстродействием отдельных логических элементов и выбранной схемой путей прохождения информации. Но в то же время большим недостатком цифровой системы на "жесткой логике" является то, что для каждой новой задачи ее надо проектировать и изготавливать заново. Это процесс длительный, дорогостоящий, требующий высокой квалификации исполнителей.

2. Применение программируемых логических схем (ПЛИС) позволят уменьшить габариты и стоимость устройства. Это направление активно развивается в настоящее время.

3. Использование микропроцессоров, которые последовательно решают различные задачи, изменяя свою структуру во времени. На микропроцессорах за счет быстродействия можно разрабатывать очень сложные устройства.