Трансмембранный перенос

Полученная переходная функция не удовлетворяет условиям, заданным в техническом задании, т. к. время переходного процесса 3 сек. Поэтому необходимо использование регулятора. Будем использовать PID-регулятор коэффициенты которого определим с помощью NCD блока (функция

MATLAB):

Рисунок 4.8.6 - Структурная схема САУ PID-регулятором Подобранные коэффициенты:

Кп=14; Ки=3. Кд=0.

Рисунок 4.8.7 - Переходная функция САУ с подобранными коэффициентом PI-регулятора

На основании полученных в результате моделирования осциллограмм можно заключить, что из-за наличия нелинейности увеличилось время переходного процесса (1.5сек), однако статическая ошибка по-прежнему незначительна (< 0.2%).

		Лист
Изм. Лист № докум. Подпись Дата	ВКР- 220200-08.КИТП-0.00.00.ПЗ	55

5.Компьютерное управление

5.1Описание функциональной схемы САУ

Всоответствии с требованиями технического задания была составлена следующая функциональная схема САУ.

Клавиатура

POWER				МК
		6
								ЖКИ
STOP			6
	STAR
(-)		2
	(+)
ПР							ДД			Д
			1

D2

1

D1

Рисунок 5.1 - Функциональная схема устройства

На данном рисунке приняты следующие условные обозначения:

POWER – выключатель питания установки.

МК – микроконтроллер, включающий АЦП и ШИМ на кристалле.

Микроконтроллер осуществляет реализацию необходимых законов управления электродвигателем, а также управляет индикацией, и обработкой сигнала с датчиков.

Клавиатура включает:

START – кнопка начала эксперимента, при включенном состоянии осуществляется подачи питания на двигатель и датчики, начинается обработка данных с аналоговых входов микроконтроллера и корректировка значений питающего напряжения двигателя, ЖКИ переходит в режим отображения частоты вращения или значений ускорений (в зависимости от выбранного режима индикации);

STOP – кнопка окончания эксперимента - отключение питания;

		Лист
Изм. Лист № докум. Подпись Дата	ВКР- 220200-08.КИТП-0.00.00.ПЗ	56

(+, -) – кнопки задания частоты вращения вала двигателя,

опрашиваются микроконтроллером до нажатия кнопки START, после начала эксперимента не активны;

D1 – аналоговый датчик ускорения, после нажатия на кнопку START

данные с этого датчика попадают на входы АЦП микроконтроллера, до начала эксперимента питание на него не подается;

D2 – цифровой датчик Холла, после нажатия на кнопку START данные с этого датчика попадают на входы одного из портов микроконтроллера, , до начала эксперимента питание на него не подается;

ПР – переключатель режимов индикации, служит для выбора режима индикации (по умолчанию отображается частота колебаний) опрашивается после начала эксперимента, до нажатия кнопки START не активен;

ЖКИ – жидкокристаллический дисплей с встроенным контроллером,

после включения питания (POWER) отображает значение задаваемой частоты (по умолчанию 3000 об/мин, что соответствует напряжению питания равному 5В), при нажатии кнопок регулирования задаваемой частоты (+, -)

отображает измененное значение, после нажатия кнопки START,

осуществляет индикацию параметров воздействия (согласно выбранному режиму);

ДД – драйвер двигателя, осуществляет силовую развязку цифровой системы управления и электродвигателя;

Д - электродвигатель постоянного тока.

		Лист
Изм. Лист № докум. Подпись Дата	ВКР- 220200-08.КИТП-0.00.00.ПЗ	57

5.2Описание принципиальной схемы САУ

5.2.1Подбор микроконтроллера

Для проектируемой ЦСАУ рационально использовать небольшой по размерам, не требующий для своей работы дополнительных микросхем окружения недорогой микропроцессор, обладающий в тоже время достаточными возможностями для решения поставленной задачи.

В качестве микроконтроллера для этой САУ был выбран микроконтроллер Atmega8(PDIP) производителя Atmel [17]. Это -

экономичный 8 битовый КМОП микроконтроллер, построенный с использованием расширенной RISC архитектуры AVR. Исполняя по одной команде за период тактовой частоты, Atmega8 имеет производительность около 16 MIPS на 1 МГц, что позволяет разработчикам создавать системы оптимальные по скорости и потребляемой мощности.

Воснове ядра AVR лежит расширенная RISC архитектура,

объединяющая развитый набор команд и 32 регистра общего назначения. Все

32 регистра непосредственно подключены к арифметико-логическому устройству (АЛУ), что дает доступ к любым двум регистрам за один машинный цикл. Подобная архитектура обеспечивает десятикратный выигрыш в эффективности кода по сравнению с традиционными CISC

микроконтроллерами. Atmega8 предлагает следующие возможности:

1 кБ загружаемой флэш-памяти;

512 байт EEPROM;

23 линий ввода/вывода общего назначения;

32 рабочих регистра;

настраиваемые таймеры/счетчики с режимом совпадения;

внешние и внутренние прерывания;

программируемый универсальный последовательный порт;

встроенный генератор,

трехканальный ШИМ,

		Лист
Изм. Лист № докум. Подпись Дата	ВКР- 220200-08.КИТП-0.00.00.ПЗ	58

встроенный аналоговый компаратор,

6 – канальный 10 – битный АЦП,

сторожевой таймер.

Atmega8 является мощным микроконтроллером, который позволяет создавать достаточно гибкие и эффективные по стоимости устройства.

Микроконтроллер питается постоянным напряжением 4.5-5.5В, рабочая частота 0-8 МГц.

Распиновка микроконтроллера показана на рис. 5.2.1.

Рисунок 5.2.1 - Микроконтроллер Atmel Atmega8.

Ниже приведено описание выводов микроконтроллера Atmega8.

VCC - вывод источника питания

GND - земля

Port B (PB7..PB0) - Порт B является 8-битовым двунаправленным портом ввода/вывода. Для выводов порта предусмотрены внутренние подтягивающие резисторы (выбираются для каждого бита).

Port D (PD7..PD0) - Порт D является 8-битовым двунаправленным портом с внутренними подтягивающими резисторами. Выходные буферы порта D могут поглощать ток до 20мА. Как входы

		Лист
Изм. Лист № докум. Подпись Дата	ВКР- 220200-08.КИТП-0.00.00.ПЗ	59

установленные в низкое состояние, выводы порта D являются

источниками тока, если задействованы подтягивающие резисторы.

Port С (PС6..PС0) - Порт С является 7-битовым двунаправленным портом с внутренними подтягивающими резисторами. Выходные буферы порта D могут поглощать ток до 20мА. Как входы установленные в низкое состояние, выводы порта D являются источниками тока, если задействованы подтягивающие резисторы.

RESET - Вход сброса. Удержание на входе низкого уровня в течение двух машинных циклов (если работает тактовый генератор), сбрасывает устройство.

XTAL1 - Вход инвертирующего усилителя генератора и вход внешнего тактового сигнала.

XTAL2 - Выход инвертирующего усилителя генератора.

AVCC – питание аналоговых частей микроконтроллера.

Архитектура Atmel Atmega8 приведена на рис. 5.2.2.

		Лист
Изм. Лист № докум. Подпись Дата	ВКР- 220200-08.КИТП-0.00.00.ПЗ	60

Рисунок 5.2.2 - Архитектура Atmel Atmega8

		Лист
Изм. Лист № докум. Подпись Дата	ВКР- 220200-08.КИТП-0.00.00.ПЗ	61

Регистровый файл быстрого доступа содержит 32 8-разрядных регистра общего назначения, доступ к которым осуществляется за один машинный цикл. Поэтому за один машинный цикл исполняется одна операция АЛУ. Два операнда выбираются из регистрового файла, выполняется операция,

результат ее записывается в регистровый файл - все за один машинный цикл.

Шесть из 32 регистров можно использовать как три 16-разрядных указателя в адресном пространстве данных, что дает возможность использовать высокоэффективную адресную арифметику (16-разрядные регистры X, Y и Z). Один из трех адресных указателей (регистр Z) можно использовать для адресации таблиц в памяти программ. При помощи команд относительных переходов и вызова подпрограмм осуществляется доступ ко всему адресному пространству. Большая часть команд AVR имеет размер 16-разрядов, одно слово. Каждый адрес в памяти программ содержит одну 16или 32-

разрядную команду.

Пространство ввода состоит из 64 адресов для периферийных функций процессора, таких как управляющие регистры, таймеры/счетчики и другие.

Доступ к пространству ввода/вывода может осуществляться непосредственно, как к ячейкам памяти расположенным после регистрового файла.

При помощи команд относительных переходов и вызова подпрограмм осуществляется доступ ко всему адресному пространству. Большая часть команд AVR имеет размер 16-разрядов, одно слово. Каждый адрес в памяти программ содержит одну 16или 32-разрядную команду.

При обработке прерываний и вызове подпрограмм адрес возврата запоминается в стеке. Стек размещается в памяти данных общего назначения,

соответственно размер стека ограничен только размером доступной памяти данных и ее использованием в программе. Все программы пользователя должны инициализировать указатель стека (SP) в программе выполняемой после сброса (до того как вызываются подпрограммы и разрешаются

		Лист
Изм. Лист № докум. Подпись Дата	ВКР- 220200-08.КИТП-0.00.00.ПЗ	62

прерывания). 8-разрядный указатель стека доступен для чтения/записи в области ввода/вывода.

Доступ к 512 байтам статического ОЗУ, регистровому файлу и регистрам ввода/вывода осуществляется при помощи пяти доступных режимов адресации поддерживаемых архитектурой AVR.

Все пространство памяти AVR является линейным и непрерывным.

Гибкий модуль прерываний имеет собственный управляющий регистр в пространстве ввода/вывода, и флаг глобального разрешения прерываний в регистре состояния. Каждому прерыванию назначен свой вектор в начальной области памяти программ. Различные прерывания имеют приоритет в соответствии с расположением их векторов. По младшим адресам расположены векторы с большим приоритетом.

Арифметико-логическое устройство - АЛУ

АЛУ процессора непосредственно подключено к 32 регистрам общего назначения. За один машинный цикл АЛУ производит операции между регистрами регистрового файла. Команды АЛУ разделены на три основных категории - арифметические, логические и битовые. Операции над отдельными регистрами также выполняются в АЛУ.

Кроме регистровых операций, для работы с регистровым файлом могут использоваться доступные режимы адресации, поскольку регистровый файл занимает адреса $00-$1F в области данных, обращаться к ним можно как к ячейкам памяти.

Загружаемая память программ

Atmega8 содержит 1кБ загружаемой флэш-памяти для хранения программ. Поскольку все команды занимают одно 16- -разрядное слово,

флэш-память организована как 512 16 – разрядных слов. Флэш-память выдерживает не менее 10000 циклов перезаписи.

Программный счетчик имеет ширину 9 бит и позволяет адресоваться к

512 словам программной флэш-памяти. Процессоры AVR построены по гарвардской архитектуре с раздельными областями памяти программ и

		Лист
Изм. Лист № докум. Подпись Дата	ВКР- 220200-08.КИТП-0.00.00.ПЗ	63

данных. Доступ к памяти программ осуществляется при помощи одноуровневого буфера. Во время выполнения команды, следующая выбирается из памяти программ. Подобная концепция дает возможность выполнять по одной команде за каждый машинный цикл.

EEPROM память данных

Atmega8 содержит 512 байт электрически стираемой энергонезависимой памяти (EEPROM). EEPROM организована как отдельная область данных, каждый байт которой может быть прочитан и перезаписан.

EEPROM выдерживает не менее 100.000 циклов записи/стирания.

Аналого-цифровой преобразователь

Аналого-цифровой преобразователь входит в состав периферийных устройств микроконтроллера. Аналого-цифровой преобразователь содержит базовый преобразователь, выполняющий преобразование аналогового сигнала в десятиразрядный двоичный код методом последовательных приближений, аналоговый мультиплексор для подключения одного из входов микроконтроллера к входу базового преобразователя, регистр управления

ADMUX , регистр управления-состояния ADCSR и шестнадцатиразрядный регистр результата ADCH, L.

Файл регистров общего назначения

Каждому регистру присвоен адрес в пространстве данных, они отображаются на первые 32 ячейки ОЗУ. Хотя регистровый файл физически размещен вне ОЗУ, подобная организация памяти дает гибкий доступ к регистрам.

Аналого-цифровой преобразователь

Аналого-цифровой преобразователь входит в состав периферийных устройств микроконтроллера. Аналого-цифровой преобразователь содержит базовый преобразователь, выполняющий преобразование аналогового сигнала в десятиразрядный двоичный код методом последовательных приближений, аналоговый мультиплексор для подключения одного из входов микроконтроллера к входу базового преобразователя, регистр управления

		Лист
Изм. Лист № докум. Подпись Дата	ВКР- 220200-08.КИТП-0.00.00.ПЗ	64