УМК Микропроцессорные системы
.pdfМинистерство образования Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра автоматизации производственных процессов
ПРОМЫШЛЕННЫЕ КОНТРОЛЛЕРЫ МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
Рабочая программа Методические указания к изучению дисциплины
Задание на контрольную работу
Факультеты: машиностроительный, энергетический
Направления, специальности и специализация подготовки дипломированного специалиста:
657900-автоматизированные технологии и производства;
210200-автоматизация технологических процессов и производств (в машиностроении);
210217-компьютерные системы управления в производстве и бизнесе;
650900-электроэнергетика;
100400-электроснабжение
Направления подготовки бакалавра: 552900-технология, оборудование и автоматизация; 551700-электроэнергетика
Санкт-Петербург 2003
Утверждено редакционно-издательским советом университета
УДК 681. 31. (076. 5)
Промышленные контроллеры. Микропроцессорные системы энергетических
объектов. Рабочая программа, методические указания к изучению дисциплины, задание на контрольную работу.-СПб.: СЗТУ, 2003.-12с.
Рабочая программа соответствует требованиям государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования по направлениям подготовки дипломированных специалистов.
Направления, специальности и специализация подготовки дипломированного специалиста:
657900-«Автоматизированные технологии и производства»;
210200-«Автоматизация технологических процессов и производств (в машиностроении)»;
210217-«Компьютерные системы управления в производстве и бизнесе»;
650900-«Электроэнергетика»;
100400-«Электроснабжение». Направления подготовки бакалавра:
552900-«Технология, оборудование и автоматизация»;
551700-«Электроэнергетика».
Для студентов специальности 210200 (и специализации 210217) дисциплина называется «Промышленные контроллеры» и читается на 4 курсе, а для студентов специальности 100400-«Микропроцессорные системы энергетических объектов» и читается на 5 курсе.
В рабочей программе рассмотрены современные модели микроконтроллеров и промышленных контроллеров, которые применяются для интеллектуального цифрового управления техническими объектами, энергетическими установками и другим технологическим оборудованием. Кроме анализа архитектуры, особенностей функционирования как отдельных элементов, так и микроконтроллеров в целом, рассматриваются методы и средства программирования и отладки аппаратной и программной составляющих в реальном масштабе времени.
Рассмотрено на заседании кафедры АЛЛ 2 апреля 2003г. Одобрено методической комиссией машиностроительного факультета 28 апреля 2003г.
Рецензенты: кафедра автоматизации производственных процессов СЗТУ (заведующий кафедрой А.А. Сарвин, д-р техн. наук, проф.); В.М. Шестаков, д-р техн. наук, проф., заведующий кафедрой электротехники и автоматизации производственных процессов института машиностроения (завод-ВТУЗ).
Составитель О.А. Готшальк, канд. техн. наук, доц.
© Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2003
3
ПРЕДИСЛОВИЕ
Повышение надежности, быстродействия и функциональной насыщенности, а также уменьшение габаритов современной вычислительной техники и потребляемой ею электроэнергии привело к широкому ее использованию для управления сложными технологическими объектами с большим количеством датчиков физических величин и управляемых агрегатов.
В 1976г был разработан первый микроконтроллер, который объединил на одном кристалле основные элементы системы управления: микропроцессор, постоянное и оперативное запоминающие устройства, порты ввода/вывода информации, таймеры, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи.
Микроконтроллеры нашли широкое применение для интеллектуального управления на транспорте, в промышленности, энергетике и других отраслях народного хозяйства.
Данная рабочая программа составлена для двух специальностей: специальности 210200 (со специализацией 210217) и специальности 100400. Для специальности 2510200 (и специализации 210217) дисциплина называется «Промышленные контроллеры», а для специальности 100400 дисциплина называется «Микропроцессорные системы энергетических объектов». При всем своем различили эти две дисциплины посвящены одному и тому же вопросу: автоматизации систем управления. При этом не имеет значения, каким технологическим оборудованием предполагается управлять. Изучив предлагаемые разделы рабочей программы, студент в дальнейшем может легко освоить и применить микроконтроллеры для управления любым техническим оборудованием с различной спецификой.
1. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
1.1.РАБОЧАЯ ПРОГРАММА (объем дисциплины 110 часов)
1.1.1. Архитектура микроконтроллеров н промышленных контроллеров
[1], с.4...9;[2],с.6...12;[3],с. 10...13; [4], с. 17...25
Определения микроконтроллеров и промышленных контроллеров. Назначение и область применения микроконтроллеров и промышленных
контроллеров Обобщенная структурная схема микроконтроллера и промышленного
контроллера Назначение их отдельных устройств: центрального процессора, генератора тактовых импульсов, параллельных портов ввода и вывода информации, последовательных портов, контроллера локальной
4
вычислительной сети, аналого-цифровых преобразователей, каналов с широтно-импульсной модуляцией выходных сигналов, таймеров, шин адреса, данных и управления, внутренней и внешней памяти, контроллера прерываний.
Центральный процессор. Программно-логическая модель центрального процессора. Назначение и общая характеристика отдельных устройств центрального процессора.
Арифметико-логическое устройство. Регистры специального назначения.
Регистры общего назначения. Размерность. Обозначение.
Организация памяти микроконтроллера. Распределение адресного пространства памяти. Способы адресации.
1.1.2. Система команд
[1], с. 10...23; [2], с. 37...43; [3], с. 68...75; [4], с. 33...48
Язык Ассемблер. Шестнадцатеричная система счисления.
Структура команд микроконтроллера: метки, мнемокоды, операнды и комментарии. Их определение и назначение. Признаки двухбайтовых, однобайтовых и битовых команд. Размещение операндов в устройствах микроконтроллера в период выполнения операций, обусловленных заданными командами. Согласование размерности операндов с размерностью устройств их хранения.
Команды пересылки информации, изменение информации, пересылки через стек.
Команды арифметического сложения и вычитания. Команды логического сложения и умножения. Команды арифметического умножения и деления. Команды сдвига информации влево и вправо. Команды безусловных переходов.
Команды условных переходов.
Команды условных переходов со сравнением операндов.
1.1.3. Функциональные блоки
[1], с. 24...40; [2], с. 12...37; [3], с. 16...29, 87. ..102; [4], с. 57...78
Параллельные порты ввода/вывода информации. Назначение. Линии связи. Разрядность. Регистры данных и направления. Типы портов: однонаправленные, двунаправленные и многофункциональные. Режимы работы портов: режим программного ввода/вывода информации, режим ввода/вывода информации со стробированием, режим ввода/вывода информации с набором сигналов квитирования. Общие характеристики портов.
Программирование процессов ввода и вывода информации через параллельные порты. Режим ввода информации в объеме порта. Режим вывода
5
информации в объеме порта. Режим ввода информации с определенной линии связи порта (битовый режим). Режим вывода информации из определенного бита выбранного регистра общего назначения через определенный бит порта (битовый режим).
Таймеры. Назначение системы реального времени. Режимы работы таймеров: режим выходного сравнения, режим входного захвата.
Программно-логическая модель таймера. Назначение устройств таймера: делителя частоты, счетчика, триггера окончания выдержки времени, компаратора, регистра кода выдержки времени.
Устройства управления таймером: регистр управления - назначение и разрядность его полей, выбор коэффициента деления; регистр данных; триггер окончания времени задержки, расчет кода выдержки времени.
Алгоритм задания работы таймера.
Каналы с широтно-импульсной модуляцией сигналов. Назначение каналов с широтно-импульсной модуляцией выходного сигнала. Программнологическая модель одного канала с широтно-импульсной модуляцией выходного сигнала. Назначение блоков и отдельных команд канала с широтноимпульсной модуляцией выходного сигнала: специального таймера, регистра сравнения, компаратора, регистра переполнения.
Расчет кода переполнения и кода индекса модуляции.
Устройства управления каналами с широтно-импульсной модуляцией выходного сигнала. Регистр управления таймерами. Его формат и содержание битов. Регистр сравнения для запоминания кода индекса модуляции. Регистр переполнения. Регистр управления режимом работы одним каналом с широтно-импульсной модуляцией выходного сигнала.
Три режима работы каналов с широтно-импульсной модуляцией. Алгоритмы задания работы каналов с широтно-импульсной модуляцией. Аналого-цифровые преобразователи. Назначение аналого-цифровых
преобразователей. Программно-логическая модель аналого-цифрового преобразователя. Назначение устройств и команд аналого-цифрового преобразователя.
Устройства управления работой аналого-цифрового преобразователя: регистр конфигурации, регистр данных, триггер окончания преобразования.
Алгоритм задания работы аналого-цифрового преобразователя.
1.1.4. Полноэкранный отладчик
[1], с. 41...46; [2], с. 57...69; [3], с. 241...260; [4], с. 303...340
Комплектность промышленного контроллера. Аппаратные и программные средства, необходимые для нормальной работы промышленного контроллера. Роль персонального компьютера в комплекте. Назначение полноэкранного отладчика в комплекте. Объединение нескольких промышленных контроллеров локальной вычислительной сетью.
6
Подключение и запуск промышленных контроллеров. Этапы подключения. Основной интерфейс. Его назначение. Окна основного интерфейса: окно управляющей программы (дисассемблер), окно регистров общего назначения, окно регистров специального назначения, окно памяти. Назначение окон основного интерфейса. Конфигурация основного интерфейса.
Составление и ввод управляющих программ. Создание новых управляющих программ. Перевод вновь созданных управляющих программ в hex-формат. Коррекция ошибок при составлении управляющих программ. Запуск управляющих программ. Три режима запуска управляющих программ: пошаговый режим, режим исполнения в объеме процедуры, автоматический режим. Исправление управляющей программы в окне дисассемблера. Прерывание исполнения управляющей программы.
1.2. ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ОЧНО-ЗАОЧНОЙ ФОРМЫ ОБУЧЕНИЯ
(16/24 часов)
1. Архитектура микроконтроллера и промышленного контроллера. |
..2 часа |
2. Система команд |
8 часов |
3. Функциональные блоки |
4 часа |
4. Полноэкранный отладчик |
2 » |
1.3. ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ |
|
(8/8 часов) |
|
1. Составление программ для управления работой центрального |
|
процессора |
4 часа |
2. Составление программ для управления работой функциональных блоков и
промышленного микроконтроллера в целом |
4 » |
|
|
1.4. ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ |
|
|
(12 часов) |
|
1. |
Ознакомление с работой полноэкранного отладчика |
6 часов |
2. |
Составление и ввод управляющей программы |
6 » |
2.ЛИТЕРАТУРА
1.Готшальк О.А. Промышленные контроллеры: Письменные лекции.-СПб.: СЗТУ.2003.
2.Гладштейн М.А. Микроконтроллеры семейства Z86 фирмы ZILОG: Руководство программиста. - М : ДОДЭКА, 1999.
3.Ремизевич Т.В. Микроконтроллеры для встраиваемых приложений: от общих подходов-к семействам НС05 и НС08 фирмы Motorola. -M.: ДОДЭКА, 2000.
7
4. Бродин В.Б., Шагурин М.И. Микроконтроллеры, архитектура, программирование, интерфейс: Справочник. -М: Изд-во ЭКОМ, 1999.
3.МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ
Коформлению контрольной работы предъявляются следующие требования.
1.Контрольная работа оформляется в ученической тетради или на отдельных скрепленных листках бумаги.
2.На обложке тетради или первом листке указываются наименование дисциплины, специальность (номер), наименование УКП, шифр, имя, отчество и фамилия студента.
3.Номера вариантов контрольной работы соответствуют последней цифре шифра студента.
4.Контрольная работа должна содержать следующие разделы.
4.1.Техническое условие контрольной работы.
4.2.Описание технического объекта, подлежащего автоматизации.
4.3.Построение и описание граф-схемы алгоритма автоматического управления технологическим объектом.
4.4.Расчеты необходимых параметров системы управления.
4.5.Составление по граф-схеме алгоритма программы управления на языке Ассемблер с комментариями.
Контрольная работа может быть зачтена, если она не содержит принципиальных ошибок, выполнена аккуратно и удовлетворяет всем вышеперечисленным требованиям.
В качестве контрольной работы студенту предлагается составить программу на языке Ассемблер для автоматического поддержания заданной температуры в сушильной камере (рисунок).
На рисунке сделаны следующие обозначения: СК-сушильная камера; НЭ-нагревательный элемент;
РНЭ-регулятор нагревательного элемента, регулирующий величину электрического тока, протекающего через нагревательный элемент; ДТ-датчик температуры; В-вентилятор;
Р2.10-десятый бит порта Р2, с которого снимается показание о включенном (Р2.10=1) или выключенном (Р2.10=0) нагревательном элементе; Р2.8-восьмой бит порта Р2, с которого снимается показание о включенном (Р2.8=1) или выключенном (Р2.8=0) вентиляторе;
Р2.2 и Р2.4-второй и четвертый биты порта Р2, с которых снимаются показания предельных значений температуры в сушильной камере; при Р2.2=1 температура достигла верхнего предельного значения (ВП); при Р2.4=1
8
температура достигла нижнего предельного значения (НП); при Р2 2=0 и Р2.4=0 температура находится в заданных допустимых пределах; Р5.6-шестой бит порта Р5, с которого снимается аналоговый сигнал, характеризующий величину температуры в сушильной камере;
Р2.1-первый бит порта Р2, на который подается сигнал на включение (Р2.1=1) или выключение (Р2.1=0) нагревательного элемента;
Р2.5-пятый бит порта Р2, на который подается сигнал на включение (Р2.5=1) или выключение (Р2.5=0) вентилятора; Р2.0-нулевой бит порта Р2, на который подается сигнал в виде серии импульсов с ШИМ для управления РНЭ;
ШИМ-сигнал на выходе канала с широтно-импульсной модуляцией; Uп-напряжение питания.
4. ЗАДАНИЕ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ
Вариант № 0
Если подано напряжение питания на нагревательный элемент и температура в сушильной камере превысила верхнее предельное значение, то включить вентилятор, установить величину напряжения на регуляторе нагревательного элемента, соответствующую 30% ШИМ, и через 2с измерить температуру в сушильной камере.
9
Вариант № 1 Если температура в сушильной камере стала меньше 128°С, то
установить величину напряжения на регуляторе нагревательного элемента, соответствующую 60% ШИМ, и через 3с включить вентилятор.
Вариант № 2
Через каждые 2с производить измерения температуры в сушильной камере. Если очередное измерение показало, что температура превысила заданное значение 230°С, то выключить нагревательный элемент и включить вентилятор
Вариант № 3
Если включен вентилятор, то установить величину напряжения на регуляторе нагревательного элемента, соответствующую 70% ШИМ, и через 2с измерить температуру в сушильной камере.
Вариант № 4
Подключить нагревательный элемент к напряжению питания, включить вентилятор и, увеличивая напряжение на регуляторе нагревательного элемента за счет изменения индекса модуляции ШИМ, довести температуру в сушильной камере до 250°С. Изменение индекса модуляции производить через каждые 2с. Дискретность изменения индекса модуляции 2%.
Вариант № 5
Если температура в сушильной камере превысила верхнее предельное значение, то произвести измерение действительного значения температуры и при превышении ее величины 300°С понизить напряжение на регуляторе нагревательного элемента за счет изменения индекса модуляции до 50% ШИМ.
Вариант № 6
Если измеренная температура в сушильной камере превысила 251°С, то установить величину напряжения на регуляторе нагревательного элемента, соответствующую 10% ШИМ, и через 1с выключить нагревательный элемент и включить вентилятор.
Вариант № 7
В автоматическом режиме поддерживать температуру в сушильной камере на уровне 255°С за счет изменения величины напряжения на регуляторе нагревательного элемента. Дискретность изменения напряжения на регуляторе нагревательного элемента за счет изменения индекса модуляции 2% ШИМ. Изменение индекса модуляции производить через каждые 2с.
10
Вариант № 8
Если температура в сушильной камере превысила верхнее предельное значение или стала меньше нижнего предельного значения, то установить величину напряжения на регуляторе нагревательного элемента, соответствующую 25% ШИМ, и через 2с выключить вентилятор.
Вариант № 9
Плавно повышать температуру в сушильной камере (увеличивая величину напряжения на регуляторе нагревательного элемента каждый раз на 2% за счет изменения ШИМ) до тех пор, пока она не достигнет верхнего предельного значения. Выдержка времени между очередными повышениями температуры за счет изменения индекса модуляции ШИМ Зс.