Автоматизация станций подземного хранения газа
.pdf
СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts
Резисторы R1…R5 необходимы для того, чтобы при отсутствии входных сигналов RS-232 входы ИС DD1.1 не оказались не подключенными, что не допустимо для КМОП ИС. 
Выходные ПУ построе
ны на
ОУ DA1.1, DA1.2, DA2.1 включены по схеме компаратора с напряжением 
сравнения, формируемом на 
резистивных делителях
R15R16, R18R19, R21R22, 
равным примерно 2,5В. резисторы R17, R20, R23
применены для защиты выходов ОУ от КЗ. 
3) Оперативное запоминающее устройство. 
Адресные входы ОЗУ DD10 подключены к шине адреса А7…А0 (порт А МК), входы/выходы данных DD10 
подключены к
шине данных D
7…D0 (порт С). Всегда, кроме времени обращения
МК к ОЗУ
, сигналы RD/WR, подключенный к соответствующему входу DD10 (линия РВ2) 
и RAM, подключенный к входам «выбора ИС» (СЕ) и «разрешения выходов
» (ОЕ) (линия РВ1) 
должны находиться в состоянии логической «1», т.е.
выходы DD10 отключены от шины
данных.
Рисунок 3. Циклы обращения к ОЗУ.
а) Чтение.
Циклы обращения к ОЗУ представлены на рисунке 3.
б) Запись.
СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts
4) Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП).
Блок ЦАП состоит непосредственно из самой ИС ЦАП DD12 с выходным ОУ DA3.2 и схемы формирования опорного напряжения. Схема формирования опорного напряжения состоит из параметрического стабилизатора R3VD1 с напряжением стабилизации 10В и масштабирующего усилителя на ОУ DA3.1 и R31…R33, с помощью подстроечного резистора R32 опорное напряжение должно регулироваться в пределах от –5В до минимального выходного напряжения ОУ – 13В. Резистор R34 предназначен для защиты ОУ DA3.2 от КЗ.
Необходимо отметить, что т.к. на два младших разряда ЦАП всегда подан низкий уровень, то на выходе ЦАП максимальное напряжение не будет достигать опорного напряжения.
Запись цифрового кода во внутренний регистр DD12 происходит следующим образом:
МК выставляет на шину данных D7…D0 (PC7…PC0) младший байт кода, затем выставляются два старших разряда кода на D9, D8 (PB7, PB6) и одновременно сигнал D/A (PB3) переводится в высокий уровень, на выходе ЦАП появляется аналоговый сигнал соответствующий цифровому коду, чтобы «защелкнуть» код во входном регистре DD12 необходимо перевести сигнал D/A в низкий уровень, не изменяя сигналы на D8, D9.
Следует заметить, что во время обращения к ЦАП до «защелкивания» данных необходимо запрещать внешние прерывания, т.к. для регистра выходов RS-232 также используются линии D8, D9.
5) Выходные дискретные сигналы.
Выходные дискретные сигналы записываются в регистры DD13, DD14 следующим образом:
МК выставляет необходимые данные на линии D7…D0 (порт С), а затем на линии D8, D9 (PB6, PB7) и одновременно уровень логического «0» на линию OUT (PB4), после этого не изменяя данных, сигнал OUT переводится в логическую «1». Также как в случае с ЦАП необходимо запрещать внешние прерывания до перехода OUT в высокий уровень.
Выходы регистров DD13, DD14 являются выходными дискретными сигналами ТТЛ, т.к. выходные уровни КМОП 5В согласуются с входными уровнями ТТЛ, а выходной ток ИС серии КР1554 достаточно велик (до 20мА).
СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts
4.РАСЧЕТ ОТДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ
1)Триггер К1554ТР2.
Для расширения функциональных возможностей два триггера из имеющихся
четырех имеют по два входа S. Если на одном из входов S триггера установить низкий уровень напряжения, а на входе R разрешить запись информации высоким уровнем, то триггер установится в состояние высокого уровня. Триггер является асинхронным, в нем отсутствует цепь синхронизации.
Таблица 1.
Таблица истинности ИС К1554ТР2.
|
|
|
Вход |
|
|
|
Выход |
Режим работы |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S1 |
S 2 |
|
R |
1.2.1.1 |
Q |
|||||
|
|
|
|||||||||
|
H |
|
H |
H |
Q0 |
|
Хранение |
||||
|
|
|
L |
H |
H |
|
Запись H |
||||
|
L |
|
|
H |
H |
|
|||||
|
|
|
|
||||||||
|
H |
|
H |
|
L |
L |
|
Запись L |
|||
|
L |
|
L |
|
L |
H |
|
Неопределенная запись |
|||
Различные состояния на входах и выходе триггера представлены в табл.1, из которой видно, что низкий уровень на выходе триггера устанавливается при подаче на вход R низкого уровня, при этом на входе S необходимо наличие высокого уровня напряжения. Высокий уровень на выходе триггера устанавливается при подаче на вход S низкого уровня, при этом на входе R необходимо напряжение высокого уровня. Хранение информации на выходе осуществляется при подаче на все входы схемы напряжения высокого уровня.
При подаче на входы R и S триггера напряжения низкого уровня на выходе схемы устанавливается состояние высокого уровня. Однако это состояние может не сохраняться при последующей подаче на входы напряжения R и S напряжения высокого уровня (неопределенное состояние).
Основные параметры:
Коб = 4 |
|
|
Кразв = 1 |
||
t |
|
1,0 |
= 250 нс |
||
вкл tзд,р |
|||||
t |
выкл |
t |
0,1 |
|
= 250 нс |
|
|
зд,р |
|
||
СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts |
||||||||||||||||
t |
|
|
|
|
tзд0 ,1,р t |
зд1,0,р |
|
250 |
250 |
250 |
нс |
|||||
зд. р.ср . |
2 |
|
|
|
2 |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Uип = 5 В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Uвых.min =4,5 В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Iвх = 0,05 мкА |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Iпот = 0,4 мкА |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
f |
|
1 |
|
1 |
|
|
|
4 10 |
6 |
c |
1 |
4МГц |
|
|||
|
|
|
|
|
||||||||||||
t |
250 10 |
9 |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
2) |
Триггер К1554ТМ2 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Двойной D-триггер выполнен на основе двух двухступенчатых триггеров с записью информации в первую ступень и перезаписью во вторую ступень. Запись информации идет в зависимости от импульса синхронизации. При высоком уровне напряжения на входе синхронизации триггер хранит предшествующее состояние.
Функционирование схемы осуществляется согласно табл. 2. Таблица 2.
Таблица истинности ИС К1554ТМ2.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вход |
|
|
|
|
|
|
Выходы |
|
||||
|
|
|
S |
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
1.2.1.2 |
|
|
С |
1.2.1.2.1 D |
1.2.1.3 |
Q |
Q |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
L |
|
|
|
|
|
|
|
H |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H |
|
1.2.1.4 |
L |
|
|
|
|
H |
|
|
|
|
|
|
|
L |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
L |
|
1.2.1.5 |
H |
|
|
|
|
L |
|
|
|
|
|
|
|
L |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H* |
|
H* |
|
|
|
|
|
H |
|
|
|
|
|
|
|
H |
|
|
|
|
|
|
|
|
H |
H |
|
1.2.1.6 |
L |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
H |
|
|
|
|
|
|
|
H |
|
|
|
|
|
|
|
|
L |
L |
|
1.2.1.7 |
H |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
H |
|
|
|
|
|
|
|
H |
|
|
|
L |
|
|
|
|
|
Q0 |
|
Q0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Основные параметры: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
Коб = 2 |
|
|
Кразв = 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
t |
вкл |
t |
1,0 |
|
= 200 нс |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
зд,р |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
t |
выкл |
t0,1 |
|
= 200 нс |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
зд,р |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
t |
|
|
|
|
t |
зд0 ,1,р tзд1,0,р |
|
|
200 200 |
200 |
нс |
|
|
|
|
|
|||||||||
зд. р.ср . |
|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Uип = 5 В
Uвых.min =4,5 В
Iвх = 0,05 мкА
СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts
Iпот = 0,4 мкА
f |
1 |
|
1 |
5 106 c 1 4МГц |
||
t |
|
200 10 9 |
||||
|
|
|
||||
3) Счетчик К1554ИЕ5 Четырехразрядный двоичный счетчик, выполненный на двухступенчатых
триггерах J-K типа. Счетчик имеет два счетных входа С1, С2 и два входа установки нуля R0(1), R(0)2.
Выход Q1 внутренне не соединен с последующими триггерами. Это дает возможность использовать схему в двух независимых режимах работы в качестве:
–четырехразрядного двоичного счетчика, когда входные счетные импульсы поступают на вход С1. Выходы осуществляют операцию деления на два, четыре, восемь и шестнадцать;
–трехразрядного двоичного счетчика, когда входные счетные импульсы поступают на вход С2.
Таблица 3.
Таблица истинности ИС К1554ИЕ5.
Счет |
|
|
Выход |
|
|
Q4 |
Q3 |
|
Q2 |
Q1 |
|
|
|
||||
1 |
L |
L |
|
L |
L |
2 |
L |
L |
|
L |
H |
3 |
L |
L |
|
H |
L |
4 |
L |
L |
|
H |
H |
5 |
L |
H |
|
L |
L |
6 |
L |
H |
|
L |
H |
7 |
L |
H |
|
H |
L |
8 |
H |
L |
|
L |
H |
9 |
H |
L |
|
L |
L |
10 |
H |
L |
|
H |
H |
11 |
H |
L |
|
H |
L |
12 |
H |
H |
|
L |
H |
13 |
H |
H |
|
L |
L |
14 |
H |
H |
|
H |
H |
15 |
H |
H |
|
H |
H |
Первый триггер, не соединенный с другими триггерами схемы можно использовать как двоичный элемент для функции деления на два. Установочные входы обеспечивают прекращение счета и возвращают все четыре триггера в состояние низкого уровня, когда на входы R0(1) и R0(2) должен присутствовать
СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts
потенциал низкого уровня. Таблица истинности показывает состояние на выходах схемы во время операции счета импульсов.
Основные параметры:
Коб = 4 Кразв = 1
tвкл |
t |
1,0 |
|
= 35 нс |
|
||||||||
зд,р |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
0,1 |
|
|
|
|
|
||
tвыкл tзд,р = 26 нс |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
t |
0 ,1 |
t |
1,0 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
t |
|
|
|
|
|
|
|
зд,р |
|
зд,р |
|
||
зд. р.ср . |
|
|
2 |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Uип = 5 В |
|
|
|
|
|||||||||
U |
1 |
|
= 2,4 В |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
в ых |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
U |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
в х = 0,4 В |
|
|
|
|
|||||||||
I |
1 |
=0,04 мА |
|
|
|
||||||||
в х |
|
|
|
||||||||||
I |
0 |
= -1,6 мА |
|
|
|
||||||||
|
|
в х |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Iпот = 116 мкА |
|
|
|||||||||||
f |
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
||||
t |
30.5 10 |
9 |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
26 35 |
30,5 |
|
2 |
||
|
32.6 10 |
6 |
c |
1 |
|
|
|
нс
32,6 МГц
4) Регистр К1554ИР8 Восьмиразрядный последовательный регистр с параллельным выходом,
осуществляющий сдвиг информации вправо и перевод последовательного кода в параллельный, имеет два информационных входа А1, А2, тактовый вход С и вход сброса SR. Работу регистра поясняет табл. 4.
Основные параметры:
Коб = 8 Кразв = 1
tвкл t |
1,0 |
|
= 17 нс |
|
|
|
||||||
зд,р |
|
|
|
|||||||||
t |
выкл |
t0,1 |
|
= 23 нс |
|
|
|
|||||
|
|
зд,р |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
t |
0 ,1 |
t |
1,0 |
|
17 23 |
|
|
t |
|
|
|
|
зд,р |
зд,р |
|
20 |
||||
зд. р.ср . |
|
|
|
2 |
|
2 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Uип = 5 В |
|
|
|
|
|
|
||||||
U |
1 |
= 2,4 В |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
в ых |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
в х = 0,4 В |
|
|
|
|
|
|||||||
Iв1х =0,04 мА
Iв0х = -1,6 мА
нс
СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts
Iпот = 30 мА
f |
1 |
|
|
1 |
|
50 106 c 1 |
50МГц |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
t |
20 10 9 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Таблица истинности ИС К555ТМ2. |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Входы |
|
|
|
|
|
Выходы |
|
|
|
||||||
SR |
|
|
|
|
|
C |
A1 |
A2 |
1.2.1. |
|
QB |
QC |
QD |
QE |
QF |
QG |
QH |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
L |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
L |
|
L |
L |
L |
L |
L |
L |
L |
|||||
H |
|
|
|
|
|
L |
|
|
|
QA0 |
|
QB0 |
QC0 |
QD0 |
QE0 |
QF0 |
QG0 |
QH0 |
|||||
H |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H |
H |
H |
|
QAn |
QBn |
QCn |
QDn |
QEn |
QFn |
QGn |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
L |
|
L |
|
QAn |
QBn |
QCn |
QDn |
QEn |
QFn |
QGn |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
H |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
L |
L |
|
QAn |
QBn |
QCn |
QDn |
QEn |
QFn |
QGn |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts
5. РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ.
Для микропроцессорных систем среднее время наработки до отказа
ч.
Из принципиальной схемы на листе видно, что в число элементов системы входят 3 микросхемы, 8 резисторов, 7 конденсаторов.
Пределы значений интенсивности отказа
для элементов микропроцессорной системы в период нормальной эксплуатации и при нормальных режимах приведены в таблице 4.1
|
|
Таблица 4.1 |
|
|
|
|
|
Элемент |
Кол-во |
Интенсивность отказа на 1 ч. |
|
|
|
|
|
Микросхемы МК МС68НС705С8 |
1 |
(0,05-0,06) 10-3 |
|
|
|
|
|
Микросхема К555 |
1 |
(0,05-0,06) 10-3 |
|
|
|
|
|
Микросхема К155 |
1 |
(0,05-0,06) 10-3 |
|
|
|
|
|
Сопротивления МЛК-3-15000 |
8 |
(0,003-0,013) 10-3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Конденсаторы К50-6 |
7 |
(0,0014-0,018) 10-3 |
|
|
|
|
|
Количественная мера надежности Рс которая при большем значении N равна
вероятности безотказной работы за время t, определяется по формуле:
Ðñ |
t |
(4.1) |
å |
Рассчитаем надежность системы при основном соединении элементов, при котором выход из строя хотя бы одного элемента ведет к отказу всей системы в целом. Такое соединение справедливо для сложных систем, в которых резервирование не предусматривается. При расчете таких систем принимают, что выход из строя элемента является событием случайным и независимым.
Вероятность выхода из строя хотя бы одного элемента за время, т. е.
СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts
вероятность безотказной работы системы в целом в течение этого времени,
определяется как произведение вероятностей безотказной работы всех N элементов системы
Pc |
|
1 P2 P3 |
Pn |
(4.2) |
|
|
P |
|
|
Так как для каждого элемента справедлива формула (4.1), то
P å 1t å 2t å 3t |
å nt å ct |
(4.3) |
c |
|
|
ñ i i 1N
так как обычно однотипные интенсивности отказов повторяются в придать более удобный для расчета вид
|
m |
|
c |
nj |
j |
|
j1 |
|
элементы с одинаковыми значениями одной системе, то формуле (4.3) можно
(4.4)
где т - число групп однотипных элементов; nj — число элементов в данной
группе; - интенсивность отказов, характерная для данной группы элементов.
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
nj |
j |
1 0.055 1 0.055 1 0.055 8 0.008 7 0.0097 0.2969 10 |
-3 |
1/ ÷ |
||||||||
|
|||||||||||||
|
j1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
0,2669 10 |
3 |
10 |
5 |
0, 765 |
76,5% |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
||||||||
P å |
c |
|
å |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Расчеты в данном разделе произведены на основе (стр. 69-74 [4]).
СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
На основе предъявляемых требований была спроектирована система на базе микропроцессорного комплекта МС68НС705С8, которая обеспечивает автономность и высокую функциональность малого технологического контроллера. Также при необходимости изменения или расширения функциональных возможностей, система не требует полной переработки, а нуждается лишь в подключении дополнительных элементов через соответствующие средства согласования