Структура связи с объектом управления
Выходные величины объекта, которые требуется регулировать, и следовательно, измерят и вводить в микропроцессорный контроллер (компоненты вектора X), могут быть самой различной физической природы: линейные и угловые размеры, скорости и ускорения, силы, давления, температуры... и многие другие. Точно так же весьма разнородными могут быть и управляющие воздействия (компоненты вектора Y - это могут быть перемещения частей объекта, управление потоками веществ (например подачей горючего в двигатель) либо потоками энергии сообщаемыми объекту управления или удаляемыми от (из) него.
Рассмотрим более подробно структуру микроконтроллерной системы, обеспечивающую взаимодействие с объектом управления.
Рисунок 2 Структура взаимодействия микроконтроллера с объектом управления
Из рисунка ясно, какие устройства надо включить в состав контроллера, чтобы обеспечить связь управляющего микропроцессора с объектом управления:
Датчики Дi - преобразуют физические величины различной природы в электрические аналоговые сигналы (чаще всего в напряжения Udi). Масштабирующие усилители МУi - нормируют диапазон изменения напряжения, приводя его к входному диапазону аналого-цифрового преобразователя АЦП Коммутаторы аналоговых сигналов КАС - позволяют обеспечить измерение значительного количества величин при малом количестве отдельных АЦП и портов ввода Аналого-цифровые преобразователи АЦП - преобразуют аналоговый сигнал Ui в последовательность цифровых отсчетов. Отсчеты вводятся в микропроцессор и используются как входные данные для программы, реализующей алгоритм управления.
Цифроаналоговые преобразователи ЦАП - преобразуют поток цифровых отсчетов (двоичных кодов), являющийся результатом работы управляющей программы, в аналоговые выходные сигналы, чаще всего в напряжения.
Исполнительные устройства ИУ - преобразуют выходные сигналы ЦАП в разнородные воздействия на объект управления. Некоторые разновидности ИУ могут управляться непосредственно цифровым кодом.
Рассредоточение и интеграция подсистем
В настоящее время при комплексной автоматизации массовых объектов (транспортные средства - автомобили, летательные аппараты, суда, сложные технологические установки), когда на объекте требуется управлять многими функциями, прослеживаются две тенденции.
Тенденция к рассредоточению аппаратных ресурсов микроконтроллера
Реализация нескольких подсистем регулирования на одном микропроцессоре может иметь преимущества: когда регулируемые величины сильно связаны между собой, и требуется совместное регулирование. Мощность современного микропроцессора такова, что позволяет построить сосредоточенную систему управления, даже в достаточно сложных случаях Однако сосредоточенная структура имеет недостаток: приходится передавать информацию о состоянии объекта от датчиков к микропроцессору и команды от микропроцессора к исполнительным устройствам на относительно большие расстояния (порядка нескольких метров или даже десятков метров) в условиях сильных помех. Стоимость помехоустойчивых средств сопряжения с объектом и линий связи при этом может значительно превышать стоимость микропроцессора.
В связи с этим в настоящее время предпочитают рассредоточивать средства регулирования - каждая подсистема выполняется на отдельном микропроцессоре и располагаетсявозможно ближе к регулируемым устройствам. Такая структура не только уменьшает суммарную стоимость регуляторов: но и упрощает программирование, так как не требуется обеспечивать разделение ресурсов микропроцессора между задачами (использовать мультипрограммирование).
С другой стороны, информацию о состоянии отдельных подсистем целесообразно собирать как для целей контроля человеком/обслуживающим персоналом, так и для обеспечения взаимодействия между подсистемами. В связи с этим прослеживается тенденция к интеграции отдельных подсистем с использованием для обеспечения коммуникации между подсистемами специальных каналов связи. Такая архитектура обозначается в англоязычной литературе термином ControllerAreaNetwork CAN(Локальная Управляющая Сеть). Для поддержки CAN к настоящему времени принято несколько национальных (США, Германия) и международных (ISO - InternationalStandardOrganisation) стандартов на межконтроллерные системы связи по быстродействующим последовательным каналам. С использованием CAN -идеологии возможно построение систем связанного регулирования, включающей несколько микроконтроллеров, связанных в локальную управляющую сеть.