Типовая структура мпу
Обобщенную типовую структуру аппаратных средств МПУ можно представить в виде (рис.4.1): микропроцессора (МП), оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) и устройств ввода/вывода. При этом в случае микроЭВМ, все указанные блоки могут располагаться на одном кристалле. Основные функции МПУ, а также их функциональную индивидуальность в большей степени определяют программные средства, которые хранятся в ПЗУ. Программные средства являются ключом к продуктивной работе МПУ. Однако в ряде случаев для реализации некоторых функций МПУ используются функциональные аппаратные блоки или устройства. Они могут уже входить в состав микроЭВМ или их вводят для реализации быстродействующих функций.
Рис.4.1. Обобщенная структурная схема аппаратных средств МПУ
Использование МП привело к изменению процесса разработки аппаратных средств. Микропроцессор представляет собой логический автомат с высокой степенью детерменированности, который допускает очень немного вариантов его системного включения [4]. Именно поэтому можно говорить о типовом составе микропроцессорной системы. Конечно, в каждом конкретном случае этот состав может варьироваться, но базовые модули будут оставаться неизменными. На рис.4.2 более подробный состав МПУ, представлены его типичные модули. Модули “Устройства ввода” и “Устройства вывода” подробно не конкретизированы, так как их реализация зависит от технического задания на проект.
Современные микроЭВМ (микроконтроллеры) включают в свой состав (на кристалле) часть блоков, что значительно облегчает процесс проектирования. Конечно, в зависимости от мощности микроЭВМ, номенклатура её модулей может варьироваться в сторону расширения или уменьшения. Быстрое удешевление микроконтроллеров привело к целесообразности замены ими некоторых периферийных схем.
Рис.4.2. Типичный состав модулей МПУ
Появилась возможность предобработки локальных данных и пересылки ведущему контроллеру только результатов, да и то в случае необходимости [52]. Это привело к широкому внедрению последовательных интерфейсов (RS-232, RS-485, I2C,SPI,CAN,MicroLanи др.), топология развитых систем управления приобрела характер сети локальных ведомых микроконтроллеров, связанных между собой и с ведущим микроконтроллером через последовательный интерфейс.
Процедура выбора может представлять собой итерационный процесс, когда уточняется соотношение между внутренними и внешними блоками микроЭВМ, сравнивается несколько вариантов построения МПУ.
Выбор микроконтроллера, состав внешних модулей зависят от технического задания на разработку и будут рассмотрены ниже. Начнем рассмотрение с построения тех модулей, которые обычно являются внешними по отношению к микроЭВМ.
Система питания мпу
В качестве питающей сети для МПУ может быть задано:
сеть переменного напряжения ~220В;
источник постоянного напряжения +10…+30В;
источник постоянного напряжения +3В или +5В;
аккумулятор;
комбинация источника питания с резервным аккумулятором.
Будем считать, если не оговорено специально, что элементная база МПУ требует напряжения питания +5В.
Питание от сети переменного напряжения ~220В
При использовании сети переменного напряжения ~220В источник питания может быть построен:
по классической схеме: понижающий трансформатор – выпрямитель – сглаживающий фильтр – стабилизатор [8];
на базе промышленных модулей питания АС/DC(Alternatingcurrent/Directcurrent), использующих принцип высокочастотного выпрямления [16].
В классической схемепонижающий трансформаторчаще всего используется либо с ленточным, либо с пластинчатым магнитопроводом.Выпрямитель, как правило, строится по мостовой схеме, что обеспечивает двухполупериодное выпрямление и уменьшает пульсации выходного напряжения.Фильтрна выходе выпрямителя – ёмкостный. В качествестабилизатора чаще всего применяются интегральные стабилизаторы непрерывного действия [30] (линейные стабилизаторы напряжения).
На рис.4.3 приведена типовая схема классического источника питания.
Рис.4.3. Схема источника питания на интегральном стабилизаторе
Промышленные модули питания AC/DCвыполнены на основе широтно-импульсного преобразования. Рабочая частота преобразования 100 – 300 кГц. Модули имеют защиту от короткого замыкания, перегрузки по току, превышения выходного напряжения и тепловую защиту. Модули также содержат помехоподавляющие фильтры. Промышленностью выпускаются источники с широким диапазоном входных и выходных напряжений, мощностью до 300 Вт.
+ Uвых –
Рис.4.4.Модуль питания AC/DC
Высокая эффективность модулей (КПД достигает 85% и более), небольшие габариты, позволяющие размещать их прямо на платах, привели к их широкому внедрению в МПУ. К недостаткам можно отнести повышенный уровень радиопомех, который может влиять на работу аналоговых частей схемы, а также пока более высокая цена, по сравнению с источником питания на линейном стабилизаторе. На рис.4.4 показано изображение модуля AC/DC.
Питание от постоянного напряжения +10… +30В
Если МПУ питается от источника постоянного напряжения +10…+30В, то модуль питания может быть построен:
на интегральном линейном стабилизаторе [30];
на промышленных модулях питания DC/DC[16];
на микросхемах - преобразователях напряжения [42].
Использование интегрального линейного стабилизатораявляется дешёвым вариантом построения модуля питания и, кроме того, уровень шума на его выходе значительно ниже, чем уDC/DCмодулей и преобразователей напряжения. Однако из-за низкого КПД он рассеивает значительную мощность. Поэтому его следует рекомендовать использовать для питания схем при жестких требованиях на шумовые характеристики от источника (например, для аналоговых схем) или электромагнитные наводки от его цепей.
Промышленные модули питания DC/DCпо технологии, характеристикам и конструктиву аналогичны модулямAC/DCи выпускаются в вариантах с гальванической развязкой и без. Они особенно незаменимы для организации питания гальванически развязанных цепей, для построения малогабаритных устройств.
Микросхемы – преобразователи напряженияотносятся к импульсным источникам питания (как иDC/DCмодули). В отличие отDC/DCмодуля они требуют дополнительно внешних элементов, таких как индуктивности, диоды Шоттки, а также не имеют гальванической развязки, однако значительно дешевле и меньше размерами. Данные преобразователи позволяют строить малогабаритные, экономичные и дешевые источники питания. Различают повышающие (входное напряжение ниже выходного), понижающие (входное напряжение выше выходного), повышающе-понижающие, инвертирующие (для получения отрицательных напряжений) и преобразователи на переключающих конденсаторах (удвоители напряжения). Все преобразователи имеют широкий диапазон входного напряжения и настраиваемую или фиксированную величину выходного. Если по заданию входное напряжение лежит в пределах +10…+30В и, если в качестве источника питания выбран преобразователь напряжения, то необходимо использовать понижающий вариант. В разделе 4.2.4 приведена схема использования повышающего преобразователя.
Питание МПУ от источника +5В(+3В)
При задании питания МПУ от источника +5В(+3В) в схему необходимо ввести только сглаживающий фильтр. Обычно он реализуется в виде ёмкостного фильтра [48]: включение конденсаторов развязки между шинами питания. Конденсаторы развязки устанавливают отдельно для блокирования низкочастотных и высокочастотных помех. Низкочастотные помехи, проникающие в систему по цепи питания, должны блокироваться с помощью электролитического конденсатора емкостью не менее 10,0 мкФ, из расчета один конденсатор на каждые пять-десять микросхем. Устанавливать электролитические конденсаторы следует, по возможности, ближе к контактам разъемов. Для блокирования высокочастотных помех, как правило, используются танталовые конденсаторы емкостью 0,1 мкФ, которые распределяются по всей схеме и подключаются как можно ближе к выводам питания микросхем.