Устройства сопряжения с объектом (усо) управляющих эвм: назначение, технические решения, компоненты.

Устройства сопряжения с объектом (УСО), которые также называют модулями ввода-вывода, выполняют функции адаптера датчиков и исполнительных устройств. Они имеют специальные аппаратные каскады сопряжения с оконечными устройствами и поддерживают алгоритмы управления ими. УСО могут выполнять функции первичной обработки данных с датчиков: фильтрацию, усреднение и накопление. УСО являются подчиненными по отношению к логическим контроллерам и самостоятельно не реализуют каких-либо алгоритмов контроля объекта управления. По способу взаимодействия с логическим контроллером УСО делятся на:

- Локальные, конструктивно совмещенные с логическим контроллером.

- Удаленные, или сетевые, взаимодействующие с логическим контроллером по сетевому каналу, конструктивно независимые от логических контроллеров.

В отличие от УВВ УСО работает с реальным объектом в условиях помех, высоких напряжений и больших токов (например, управление двигателем переменного тока). Как правило, это устройство гальванически развязано с объектом управления. В качестве УСО могут выступать дискретные (битовые) входы и выходы, аналоговые входы и выходы и т.п. Без гальванической развязки управляющий вычислительный комплекс будет постоянно сбоить из-за помех или сгорит при появлении повышенного напряжения на входе УСО.

Устройство сопряжения с объектом является водоразделом, отделяющим «тепличный» мир вычислительного устройства от достаточно агрессивной окружающей среды. УСО должно не только сопрягать различные уровни сигналов, например 24В, необходимые для включения реле, и 5В (TTL-уровень) на выходе битового порта ввода-вывода микроконтроллера, но и не пропускать высокие напряжения во внутренние цепи контроллера.

В некоторых системах (например, в медицинских) главным является сохранение объекта управления, так как от этого напрямую зависит жизнь человека. Такие системы тестируются на степень защиты человека от электрической травмы из-за некорректной работы УСО.

Устройство сопряжения с объектом (УСО), собственно, не является принадлежностью микроконтроллером, но его конкретная техническая реализация определяет, какими видами сигналов МК может обмениваться с ОУ. Конечно, конструкция ОУ и цель управления им накладывают определенные требования на конструкцию УСО. Поэтому конструкции УСО не поддаются унификации и в каждом конкретном случае возможно то или иное техническое решение. УСО обеспечивает связь объекта управления с шиной данных МК с использованием интерфейсных схем Ин.Вв. Технологические параметры объекта (температура, давление, перемещение, влажность и пр.) в первичных преобразователях (ПП) - термопарах, термометрах сопротивления, индуктивных датчиках - преобразуются в электрические сигналы (постоянное напряжение или частоту). Пройдя через блок нормирующих преобразователей БНП, обеспечивающий стандартный уровень сигнала (обычно 0-И О В), контролируемые параметры поступают на мультиплексор (МС), который коммутирует один из входных сигналов на единственный выход. Коммутация обеспечивается подачей цифрового кода через интерфейс вывода (Ин.Выв.) посредством программы. Скоммутированный канал подается на схему выборки и хранения (УВХ) и далее на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), на выходе которого формируется цифровой код, пропорциональный величине контролируемого параметра. Затем цифровой код может быть считан в МП через интерфейс ввода (Ин.Вв.) и шину данных системы. Считанный цифровой код подвергается дальнейшей цифровой обработке в МП по определенному алгоритму. Конструкция схемы управления существенно зависит от типа исполнительного устройства. Если исполнительное устройство представляет собой, например, бесконтактное релейное устройство, обеспечивающее полное включение или выключение управляющего воздействия, то для управления на его вход достаточно подать сигнал, принимающий только два состояния: низкого или высокого уровня. Схема управления в этом случае должна выполнять функции усилителя мощности, работающего в ключевом режиме. Если же управляющее воздействие должно изменяться непрерывно, то схема управления должна преобразовать цифровой код, подступающий на ее вход из шины данных микроконтроллера через интерфейс вывода, в непрерывный аналоговый сигнал необходимой мощности. Такие схемы управления обычно строятся на базе цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП).

В случае, когда контролируемый параметр преобразуется в частоту, процедура его ввода в микропроцессор значительно упрощается и после формирования в блоке формирования сигнала (БФС) и коммутирования в микропроцессоре сводится к подаче на вход таймера. Все остальные преобразования, связанные с расчетом величины контролируемого параметра, обеспечиваются за счет управляющей программы. В этом случае таймер может быть использован и для формирования в «Сх.У» управляющего воздействия, например, за счет управления углом открывания тиристора.

Следует заметить, что такие звенья УСО, как мультиплексор, схема выборки и хранения, АЦП и Сх.У, нуждаются в управляющих воздействиях всякий раз, когда требуется обращение к ним. Управление этими устройствами осуществляется программно-цифровым кодом, поступающим из ШД системы через интерфейс вывода.