Микропроцессорная система управления технологическим процессом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

по дисциплине "Микропроцессорные устройства автоматики"

Тема работы: Микропроцессорная система управления технологическим процессом



Содержание

Введение

1. Однокристальная микроЭВМ МС 68НС 11 F1

2. Внутренняя структура и назначения выводов

3. Организация памяти

4. ЭСППЗУ и его программирование

5. Параллельный ввод/вывод

6. Система контроля временных интервалов

7. Описание микропроцессорной системы управления технологическим процессом

8. Распределение ресурсов ввода/вывода

9. Пульт управления оператора

10. Алгоритм управления объектом f1, t1

11. Алгоритм управления объектом f2, t2,t3

Заключение

Список литературы



Введение

В связи с усложнением производственных процессов в последнее время процесс контроля над ходом производства, а также само производство, становится все более сложным. Многие производственные процессы, к тому же, являются слишком трудоемкими или сложными для участия в них человека.

В наши дни все большее применение получает автоматизация производства - т.е. введение в производственные процессы автоматов, помогающих, или вовсе заменяющих человека. В первую очередь, это применяется при опасных производствах, участие в которых человека нежелательно, или вовсе невозможно. Также часто автоматизируются процессы, слишком скоротечные для визуального контроля человека. Там все чаще устанавливаются автоматические датчики, показания с которых поступают на накопители, или в память компьютера, где они хранятся для дальнейшего изучения. Контроль скоротечных процессов также осуществляется автоматами.

Кроме того, перспективным является автоматизация конвейерных производств, так как для человека вредны длительные повторяющиеся движения, которые он производит, находясь за конвейерной лентой. При этом человека заменяют промышленные роботы-манипуляторы. Подобные роботы управляются при помощи микропроцессорной системы управления (МПУ). В данной работе будет использован микроконтроллер МС 68НС 11F1 производства фирмы Motorola. Этот микроконтроллер как нельзя лучше подходит для данной работы, так как к нему нет необходимости подключать дополнительные устройства (ОЗУ или ПЗУ), в виду того, что они встроены в микроконтроллер.

Цель курсовой работы: Разработка управляющего микропроцессорного устройства реализующего заданное взаимодействие с объектом управления и разработка программных средств системы, обеспечивающих выполнение заданного алгоритма управления.

Исходные данные

БИСМП	f1, t1	f2, t2,t3	ОЗУ	ПЗУ
МС 68НС 11F1	13	23	К 565РУ 5	К 556РТ 5

1. Алгоритм управления: Y1=f1(X1; X2; X3;X4)

t1=35 мкс.

Y1= X1 &X2 X3

2. Алгоритм управления: NU= f'2(NU1, NU2, K)

NU= NU1/NU2*K

t2=100 мкс.

t3=30 мкс.



1. Однокристальная микроЭВМ МС 68НС 11 F1

управление микроконтроллер манипулятор алгоритм

Изготовленный по КМОП-технологии с высокоплотной структурой восьмиразрядный микроконтроллер MC68HC11F1 предназначается для выполнения широкого круга прикладных задач. Для достижения номинальной частоты шины 2 МГц были использованы новые технологии. Кроме того, полностью статическая схемотехника позволяет работать на очень низких частотах, что позволяет при необходимости уменьшать потребление энергии.

ЭВМ имеет ряд особенностей в аппаратном и программном обеспечении, которые перечислены ниже:

Особенности аппаратного обеспечения:

12 Кбайт ПЗУ;

512 байт ЭСППЗУ;

512 байт ОЗУ;

16-разрядный таймер с расширенными функциями:

4-разрядный предделитель частоты.

Три функции входной фиксации и пять - выходного

сравнения или

Четыре функции входной фиксации и четыре -

выходного сравнения.

восьмиразрядный счетчик внешних импульсов;

последовательный асинхронный интерфейс связи расширенного формата NRZ (SCI);

последовательный периферийный интерфейс (SPI);

восьмиканальный, восьмиразрядный АЦП;

система прерываний реального времени;

система слежения за правильностью работы ОЭВМ (COP-Watchdog);

52-выводной квадратный пластиковый корпус.

Особенности программного обеспечения:

система команд представляет собой надмножество системы

команд семейства M6800;

операции дробного и целочисленного 16x16 деления;

операции манипуляцией отдельными битами данных;

режимы малого потребления энергии (WAIT и STOP);

Программная модель MC68HC11F1

Программная модель включает в себя семь регистров общего назначения (Рис.1), 64 системных и служебных регистра и различные блоки памяти:

2. Внутренняя структура и назначение выводов

Внутренняя структура микроконтроллера MC68HC11F1 показана на рис 2.



Рис.2. Внутренняя структура ОЭВМ МС 68НС 11F1

На кристалле микроЭВМ располагается 8-разрядный центральный процессор CPU11, 12 Кбайт однократно программируемого ПЗУ, 512 байт ППЗУ с электрическим стиранием, статическое ОЗУ объемом 512 байт, два устройства последовательных интерфейсов, пять параллельных портов ввода/вывода, 8-разрядный 8-канальный АЦП с входным мультиплексором, блок таймеров и прерываний, тактовый генератор и блок управления режимами работы.

Внутренний генератор может работать как в режиме автогенерации (при подключении кварцевого резонатора), так и от внешнего генератора.

Назначение линий портов A, D и E не зависит от режима работы. Порт B является портом вывода общего назначения. Порт C является портом ввода/вывода общего назначения.

В Таблице 1 приведены краткие характеристики и описание выводов ОМЭВМ.

Таблица 1

Сигнал	Тип	Назначение
VDD VSS	питание "земля"	+5 В 0 В
RESET\	вх./вых.	Вход начальной установки, выход "системного сброса" (открытый сток) после сбоя системы
XTAL ETAL		Для подключения кварцевого резонатора (4Е) Внешнюю частоту 4Е подают на ETAL
E	вых.	Тактовая частота Е = ETAL/4
IRQ\	вх.	Запрос асинхронного прерывания
XIRQ\	вх.	Запрос немаскируемого прерывания
MODA/LIR	вх./вых.	MODA, MODB - в момент действия RESET входы выбора режима работы. LIR - выход, отмечающий начало выполнения
MODB/VSTBY	вх./вх.	командного цикла; VSTBY - автономное питание ОЗУ
VRH, VRL		Опорные напряжения АЦП
STRB/ R/W\	вых.	Строб порта В 1) ; определяет направление передачи данных по внешней шине 2) (высокий уровень - чтение с шины)
STRA/AS	вх./вых.	Вход строба записи в А 1) ; строб адреса на мультиплексированной шине адреса/данных порта С 2)

Порт A можно настроить для выполнения четырех функций входной фиксации (IC1, IC2, IC3 и IC4) и трех функций выходного сравнения (OC2, OC3 и OC4) либо трех функций входной фиксации (IC1, IC2, и IC3) и четырех функций выходного сравнения (OC2, OC3, OC4 и OC5), а также организовать вход для счетчика импульсов (импульсного аккумулятора PAI) или выход пятой функции выходного сравнения (OC1). Любые выводы порта A, которые не используются как линии специального назначения, можно использовать как линии ввода/вывода общего назначения.

Порт B. Все линии порта B являются линиями ввода/вывода общего назначения. При чтении регистра данных этого порта считываются уровни на входах соответствующих выходных буферов. Порт B может также быть использован в режиме простого стробируемого вывода, где каждый раз при записи в порт B на выводе STRB появляется стробирующий импульс.

Порт C. Все линии порта C являются линиями ввода/вывода общего назначения. Также значение, поступившее в порт, может быть зафиксировано по поступлении сигнала STRA. Порт C можно использовать в режиме параллельного ввода/вывода с полным квитированием установления связи, где ввод STRA и вывод STRB являются управляющими сигналами обмена.

Порт D. Выводы [0:5] порта D можно использовать как линии ввода/вывода общего назначения, либо как линии обмена и управления для последовательного интерфейса связи (SCI) и последовательного периферийного интерфейса (SPI), если работа этих подсистем разрешена. Вывод PD0 является входом приемника данных (RxD) последовательного интерфейса связи (SCI). Вывод PD1 является выходом передатчика данных (TxD) SCI. Выводы PD2-PD5 предназначаются для SPI. PD2 является входом ведущего и выходом ведомого устройства (MISO). PD3 является выходом ведущего и входом ведомого устройства (MOSI). PD4 - это сигнал синхронизации (SCK) для SPI и PD5 - это вход выбора ведомого устройства (SS/).

Порт E. Линии порта E можно использовать либо как входы общего назначения, либо как входные каналы системы АЦП. Чтение порта E может вызвать помехи и повлиять на точность результата при работе системы АЦП. Если необходима высокая точность, нужно избегать чтения порта E во время выполнения преобразований системой АЦП.

3. Организация памяти

Карта памяти ОЭВМ MC68HC11F1 определяет расположение в адресном пространстве 512 байт внутреннего ОЗУ, 64 регистров внешних устройств, 512 байт ЭСППЗУ и 12К байт внутреннего ПЗУ. Кроме того, в определенных режимах в адресном пространстве становиться возможным подключать внешнюю память или обращаться к "теневому" ПЗУ загрузчика.

По умолчанию указанные элементы адресного пространства располагаются, как показано в Таблице 2.

Для каждого режима работы существуют небольшие отличия в конфигурации памяти.

В однокристальном режиме работы микроконтроллер не осуществляет адресацию внешней памяти.

В расширенном режиме карта памяти аналогична однокристальному режиму, но участки памяти, расположенные между затененными областями являются памятью, адресуемой на внешние устройства.

Расположение памяти в специальном режиме загрузки похоже на однокристальный режим, за исключением того, что в данном режиме доступная область программы загрузки располагается по адресам BF40-BFFF. В режиме загрузки все вектора прерываний адресуются на участок памяти BFC0-BFFF. Эти вектора вместе с 192-байтным участком памяти используются программой загрузки.

4. ЭСППЗУ и его программирование

512 байт ЭСППЗУ размещаются по адресам с B600 по B7FF, однако если, бит EEON регистра CONFIG сброшен в нуль, то ЭСППЗУ запрещено. ЭСППЗУ может работать в трех режимах:

чтение

стирание

запись.

Время доступа к ЭСППЗУ при чтении не отличается от времени доступа к ПЗУ.

Время записи и стирания ячейки ЭСППЗУ существенно превышает время чтения

Записи в ячейку ЭСППЗУ обычно должно предшествовать стирание, причем возможно запустить процедуру стирания

одного байта;

выровненного блока 16 байт;

всего накопителя ЭСППЗУ.

Содержимое стертого байта ЭСППЗУ - FF. При программировании производится сброс определенных бит в нули. Если какой-нибудь бит следует перепрограммировать из нуля в единицу, то перед программированием отдельной операцией должен быть стерт весь байт.

Программирование и стирание ЭСППЗУ осуществляется с помощью встроенного генератора подкачки заряда. Если тактовая частота Е падает ниже 2 МГц, эффективность работы генератора уменьшается, в то время как увеличивается время, требуемое для программирования или стирания байта. Рекомендуемое время программирования 10 мс при частоте 2 МГц и должна быть увеличена до 20 мс при частоте от 1 до 2 МГц. При частоте ниже 1 МГц генератор должен быть переключен с системной синхронизации на встроенный R-C генератор путем установки бита CSEL регистра OPTION. После переключения следует выждать период в 10 мс для стабилизации работы генератора. Следует заметить, что бит CSEL также управляет синхронизацией для встроенного АЦП.

На режим программирования ЭСППЗУ оказывают влияние два регистра: регистр управления ЭСППЗУ - PPROG и регистр защиты ЭСППЗУ - BPROG. На Рис. показаны форматы этих регистров.

Рис.3. Форматы регистров управления ЭСППЗУ

Биты ODD и EVEN регистра PPROG работают только в режиме теста. BYTE определяет режим стирания: 1 - стирает один байт, 0 - стирает строку (16 байт) - при ROW = 0 или все ЭСППЗУ - при ROW = 1, причем при BYTE = 1 значение ROW безразлично. ERASE определяет режим стирания (0 - чтение или программирование, 1 - стирание), а EELAT - режим работы (0 - чтение ЭСППЗУ, 1 - программирование или стирание ЭСППЗУ). Бит EEPGM выключает (при 1) программирующее напряжение.

ERASE	EELAT	Режим ЭСППЗУ	BYTE	ROW	Объект стирания
0	0	Чтение	0	0	Строка 16 байт
0	1	Запись	0	1	Все ЭСППЗУ
1	1	Стирание	1	х	Один байт

Бит PTCON регистра BPROG, будучи установленным в 1, запрещает программирование /стирание регистра COFIG, а биты BPRT[3:0] аналогично защищают блоки ЭСППЗУ.

Для операции чтения из ЭСППЗУ требуется, чтобы бит EELAT был сброшен. Само чтение не отличается от обычного обращения к ОЗУ или ПЗУ.

Записи информации в ЭСППЗУ должно в общем случае предшествовать стирание байта, блока или всего ЭСППЗУ. Для стирания достаточно установить в PPROG значения разрядов BYTE и ROW в соответствии с требуемым объектом стирания, а разряд EELAT - в "1", выполнить команду записи любых данных по (любому) адресу стираемого объекта и на 10 мс включить программирующее напряжение установкой бита EEPGM.

В режиме записи (программирования) ЭСППЗУ биты BYTE и ROW не используются. Для записи байта следует установить разрешение программирования (EELAT =1), выполнить команду записи нужного байта по выбранному адресу и на 10 мс включить программирующее напряжение установкой бита EEPGM. Недопустимо устанавливать оба бита - EELAT и EEPGM - одной командой!

5. Параллельный ввод/вывод

Микроконтроллер MC68HC11F1 имеет 40 линий ввода/вывода объединенных в пять 8-разрядных портов A, B, C, D, E. Все эти линии могут выполнять множество функций, зависящих от режима работы и данных, содержащихся в регистрах управления.

Регистры, имеющие отношение к параллельному вводу/выводу, представлены на Рис. 4.

Порты C и D используются как порты общего назначения и направление передачи данных по ним управляется регистрами направления передачи данных (DDRC и DDRD соответственно). Порты A, B и E, имеют фиксированное направление пересылки данных и, следовательно, не имеют регистров направления передачи данных. В расширенном режиме порты B и C используются для организации связи с внешней памятью: PORTB - шина старшего байта адреса, PORTC - мультиплексированная шина младшего байта адреса/данных. Остальные порты, помимо функций обычного цифрового обмена, могут выполнять и специальные функции: линии PORTA используются подсистемой контроля времени, PORTD - последовательными каналами, а PORTE - подсистемой аналого-цифрового преобразования.

Рис.4. Регистры подсистемы параллельного ввода/вывода

Порты В и С могут работать не только в синхронном, но и в асинхронном режиме, причем порт С - в режиме "с полным квитированием" - двунаправленном асинхронном режиме.



6. Система контроля временных интервалов

Система контроля временных интервалов (СКВИ) включает в себя:

16-разрядный таймер;

предделитель частоты Е для таймера с программируемым коэффициентом деления;

три 16-разрядных регистра входной фиксации;

четыре 16-разрядных регистра выходного сравнения;

16-разрядный регистр, который может работать как четвертый регистр входной фиксации или пятый регистр выходного сравнения;

8-разрядный счетчик внешних событий или измеритель длительности внешних импульсов;

генератор прерываний реального времени с программируемым периодом;

блок 8-разрядных программно-доступных регистров (10) управления и состояния СКВИ.

7. Описание микропроцессорной системы управления технологическим процессом

Существующая система включает в себя четыре питателя со своими транспортерами, которые поставляют компоненты смеси в приемный бункер, вес которого контролируется электромеханическими весами (Рис. ). Компоненты смеси последовательно поступают в приемный бункер по транспортерам, движение которых прекращается при достижении в бункере заданного веса компонентов. Когда все компоненты смеси в заданных количествах загружены в бункер, выдается команда на открывание люка бункера - процесс подготовки смеси завершен.



Рис. 3. Схема устройства приготовления бетонной смеси:

Многие рецепты содержат менее четырех компонент - в этом случае работают не все питатели. Изредка встречаются рецепты, включающие более четырех компонент, однако вес дополнительных компонент весьма мал по сравнению с основными. Соответствующие "навески" готовятся "вручную" на отдельных весах за пределами рассматриваемого процесса.

Контроль за процессом приготовления смеси осуществляется с помощью блока управления, реализованного на релейно-контактных элементах. Значения навесок задается перемычками на наборном поле. Напряжение с выхода поворотного трансформатора на оси весов (оно пропорционально весу бункера) сравнивается с заданным (перемычками) и при совпадении выдается сигнал на останов соответствующего транспортера.

Существующий блок не отвечает современным требованиям как по надежности, так и по реализуемым функциональным возможностям, например, он не может реализовать переключение транспортера на пониженную скорость движения при достижении 90% заданного веса, хотя привод транспортера предусматривает две скорости движения. Весьма неудобно задавать значения весов компонент смеси.

В MC68HC11F1 предусмотрено два основных режима работы - однокристальный и расширенный. Последний позволяет использовать в адресном пространстве микроЭВМ внешние ячейки памяти и ВУ, однако использует для своей реализации два из пяти портов микроЭВМ. Ресурсов кристалла MC68HC11F1 вполне достаточно для реализации поставленных задач, поэтому напрашивается выбор однокристального режима. Однако в этом случае проблему динамической индикации и опроса клавиатуры следует решать программно и процесс совмещения во времени индикации, опроса клавиатуры, АЦП и управления приводами требует тщательного анализа.

8. Распределение ресурсов ввода/вывода

Следующая проблема связана с распределением ресурсов линий ввода/вывода для передачи сигналов состояния и управления и подключения клавиатуры и индикации к портам микроЭВМ.

MC68HC11F1 в однокристальном режиме имеет:

11 входных линий - А(2:0), Е(7:0);

11 выходных линий - А(6:4), В(7:0);

16 двунаправленных линий, каждая из которых независимо может быть определена как входная или выходная - А(7,3), С(7:0), D(5:0).

Для подключения внешних устройств в проектируемой системе требуется:

1 входная линия - Ux;

2 входных линии - x1, x2;

8 выходных линий - управление движением транспортеров b1(2) .. b4(2);

2 выходные линии - y1, y2;

2 двунаправленные линии - последовательный канал RS-232;

8 выходных линий - код символа;

4 выходные линии* - светодиоды индикации активного питателя;

1 выходная линия* - светодиод "Люк закрыт";

5 выходные линии - сканирование клавиатуры и индикации;

2 входные линии - линии возврата клавиатуры.

В приведенном выше списке количество выходных линий сканирования и входных линий возврата клавиатуры пока не определено, однако количество первых не может быть меньше пяти (18 индикаторов). Тогда общее число требуемых выходных линий составляет 30, что превышает возможности MC68HC11F1, даже если все ее двунаправленные линии определить как выходные (две из них - RxD и TxD - должны использоваться в последовательном асинхронном канале).

Табл.2.

Линия	Тип	Назначение	Линия	Тип	Назначение
A0	¬	Код клавиши (возврат)	D0	¬	RxD
A1	¬		D1	®	TxD
A2	¬	Резерв	D2		Резерв
A3	®	Линии кодированного сканирования	D3		Резерв
A4	®		D4	®	y1
A5	®		D5	®	y2
A6	®
A7	®
B0	®	Код символа	E0	¬	Ux
B1	®		E1	¬	x1
B2	®		E2	¬	x2
B3	®		E3	¬	Резерв
B4	®		E4	¬	Резерв
B5	®		E5	¬	Резерв
B6	®		E6	¬	Резерв
B7	®		E7	¬	Резерв
C0	®	b1(1:0)
C1	®
C2	®	b2(1:0)
C3	®
C4	®	b3(1:0)
C5	®
C6	®	b4(1:0)
C7	®

В качестве варианта разрешения этой проблемы можно предложить использование группы индикаторных светодиодов (5) "в стиле" девятнадцатого семисегментного индикатора. В этом случае информация на светодиоды будет передаваться в динамическом режиме и защелкиваться во внешнем регистре, а пять выходных линий, отмеченных в списке звездочкой *, можно исключить из множества требуемых линий.

9. Пульт управления оператора

Пульт управления обеспечивает ввод в МПУ следующих значений:

· 8-разрядной двоичной константы K;

· ввод двоичного сигнала "СТОП";

· формирование сигнала начальной установки системы

· вывод на световую индикацию значений x1, x2, x3, x4, y1, y2, y3, NU1, y4.

Рис. 5 Пульт управления оператора

Таблица - Назначение управляющих клавиш

Клавиша	Функции
Пуск	Переводит систему в режим выполнения алгоритма управления. В этом режиме на индикаторы выводится текущее значение принимаемых с выводов АЦП 8-разрядных двоичных кодов NU1, NU2, NU
K	Перевод в режим ввода кода 8-разрядной двоичной константы K; по умолчанию на все индикаторы выводится 000. Набирается произвольное число цифр (со сдвигом влево). Набор фиксируется по нажатию Ввод. Если код константы равен нулю просто нажимается клавиша Ввод.
Сброс	RESET - начальная установка и переход в режим набора K
Стоп	Режим прерывания программы
Ввод	Фиксирует текущий набор и переходит к следующему набору.
Авария	Сигнал красного цвета - отказ системы, сигнал не горит - система в работоспособном состоянии.
NU1 NU2 NU	Дисплей вывода 8-разрядных двоичных кодов NU1, NU2, NU, принимаемых с АЦП

10. Алгоритм управления объектом f1, t1

Для формирования управляющего воздействия y1 снимается информация с цифровых датчиков x1, x2, x3, x4 и вычисляется значение булевой функции f1(x1, x2, x3, x4):

Y1=X1vX2&X&3X4

При единичном значении f1 вырабатывается управляющий сигнал y1 длительностью t1. Это означает, что через время t1 после выдачи y1 необходимо выработать y1=0.

При единичном значении булевой функции f1, вырабатывается управляющий сигнал у 1=1 длительностью t1 = 60 мкс. Это значит, что через 60мкс после выдачи сигнала у 1=1 необходимо выработать у 1 = 0.



11. Алгоритм управления объектом f2, t2, t3

При обработке информации с аналоговых датчиков МП принимает коды NU1 и NU2 с выходов АЦП и код константы k с тумблерного регистра пульта управления. Далее вычисляются значения функции

NU = f2 (NU1, NU2, k)

и сравнивается с константой Q1, вырабатывается один из двух управляющих сигналов Y2 или Y3 заданной длительности по следующему правилу: если NU < Q, то выдать Y2 длительностью t2, иначе выдать Y3 длительностью t3.

Далее формируется управляющее воздействие Y4, для чего с АЦП вводится значение NU и производится вычисление по формуле:

а значение Y4 в виде 8-разрядного кода выдается на вход ЦАП.

Все двоичные константы и переменные, участвующие в вычислениях NU1, NU2, NU, k, Q, Y4 рассматриваются как целые без знака.

Заключение

В данном курсовом проекте я разработала микропроцессорную систему управления технологическим процессом на базе микроконтроллера (однокристальной микро-ЭВМ MC68HC11F1); познакомилась и изучила алгоритм управления технологическим процессом.



Список использованной литературы

1. Руппель А.А. Лекции по МПУ Автоматики. 2010 г.

2. А.П. Жмакин. Микропроцессорные системы для автоматизации технологических процессов. 2009 г.

Размещено на Allbest.ru