8.3 Периферийные устройства компьютеров как мехатронные объекты.
Состав периферийных устройств компьютера. Периферийными устройствами компьютера (устройствами ввода - вывода или внешними устройствами) называются устройства, с помощью которых в ЭВМ вводится информация для ее последующей обработки, а также выводятся промежуточные и окончательные результаты ее обработки в форме, доступной для восприятия человеком и использования для управления объектами. Такие устройства представляют собой блоки, внешние по отношению к процессору.
Устройства ввода - вывода зависят от формы представления информации. В ЭВМ первых поколений информация вводилась с помощью перфокарт и перфолент. Соответственно устройствами ввода были перфорационные устройства для нанесения перфорации на карту или ленту и устройства считывания с них. В качестве устройства вывода использовались перфораторы, печатающие устройства, электронные пишущие машинки, графопостроители, дисплеи и др. Внешние устройства, использующие перфоленту, до сих пор применяются в ряде систем числового управления (ЧПУ) оборудованием. Со временем перфорационные устройства были заменены устройствами записи на магнитные носители (главным образом на сменные магнитные диски - дискеты) и считывания с них. Для всех ЭВМ сохранилось стандартное клавишное устройство ввода исходной, промежуточной и управляющей информации - клавиатура. Хотя она работает медленно, но незаменима как средство общения человека с ЭВМ.
В качестве средств ввода применяются сканеры и дигитайзеры - устройства, способные воспринимать печатный, рукописный текст и графические изображения непосредственно с листа. К устройствам ввода относятся также электронный карандаш (световое перо) и мышь. Информация обычно выводится на экран монитора, а также через разнообразные печатающие устройства (принтеры) и графопостроители (плоттеры). Основные периферийные устройства компьютеров представлены на рис. 8.3.
Рисунок 8.3.- Периферийные устройства компьютера
Некоторые периферийные устройства компьютера содержат только электронные узлы и компоненты (мониторы, модемы, звуковые карты, дополнительные блоки оперативной памяти, интерфейсы для связи с объектами управления), некоторые кроме электронных систем имеют простейшие механические узлы (клавиатура, мышь), часть имеют сложную механическую систему со своим микропроцессорным управлением (принтеры, плоттеры, дисковые устройства, накопители информации на оптическом диске). Последние для обеспечения точности, и быстродействия работы механических узлов снабжены большим количеством аналоговых и цифровых датчиков и зачастую интеллектуальными системами управления. Такие устройства являются типично мехатронными объектами.
Накопитель на жестких несменных дисках (винчестер). Любой винчестер конструктивно состоит из платы контроллера и металлической коробки - гермоблока, в которой находится вся механическая часть винчестера. С платой контроллера, которая крепится снизу, гермоблок обычно связывается с помощью гибких шлейфов или штырьковых разъемов. Внутри на шпинделе двигателя крепятся сами носители информации - металлические, стеклянные или керамические диски с нанесенным на поверхность магнитным слоем кобальта или оксида хрома толщиной около 10 мкм. Кроме того, в гермоблоке находится подвижный блок магнитных головок с приводом от линейного двигателя, предусилитель сигналов и коммутатор.
При работе блок головок совершает продольные перемещения по радиусу дисков. Внутри гермоблок заполнен воздухом. В процессе работы оставшиеся пылинки удаляются с рабочей поверхности диска под действием центробежных сил. Вращающийся с большой скоростью пакет магнитных дисков отбрасывает воздух к краю, где посторонние частицы попадают в пылеуловитель. Количество дисков непосредственно зависит от емкости винчестера и плотности записи. В связи со значительным увеличением плотности записи (свыше 400 Мбит на квадратный дюйм) среднее значение емкости, приходящейся на один диск, составляет более 540 Мб. Повышение плотности записи - постоянный процесс, связанный с совершенствованием как электронной, так и механической части винчестера, и уже сейчас имеются накопители с емкостью свыше 100 Гб.
Повышение точности работы винчестера можно добиться применением в системах позиционирования головок в качестве элемента датчика положения отдельных вспомогательных поверхностей (сервоповерхностей), которые не используются непосредственно для записи информации пользователя и имеют служебное назначение. Для нормальной работы накопителя в нем используются системы контроля и регулирования оборотов шпинделя и положения блока магнитных головок. Контроль скорости и положения осуществляется считыванием и анализом специальных меток, нанесенных на поверхность дисков (вспомогательного или основных). Синхросигналы записываются перед каждым сектором с информацией, что позволяет быстро и точно устанавливать блок головок на нужную дорожку. Система управления приводами винчестера приведена на рис.8.4.
Рисунок 8.4.- Структура системы управления приводами винчестера
Скорость вращения является одной из важнейших характеристик жесткого диска. Она оказывает огромное влияние на количество передаваемой в единицу времени информации и время доступа. Для того чтобы к позиционированной магнитной головке подошел нужный сектор, требуется время, называемое средней задержкой, которое равно половине периода вращения диска. Поэтому, чем больше скорость вращения, тем меньше время записи-чтения информации. Как правило, частота вращения шпинделя для винчестеров, имеющих интерфейс IDE, составляет 7200 оборотов в минуту.
Система управления скоростью вращения шпинделя осуществляет стабилизацию заданной скорости вращения. Она работает следующим образом. Из потока информации выделяются синхросигналы, которые подаются на микропроцессорный контроллер стабилизации скорости шпинделя. В нем рассчитывается частота вращения, сравнивается с заданной, и вырабатываются сигналы управления двигателем с прямым приводом. Повышение скорости вращения связано с техническими трудностями и резким увеличением себестоимости винчестера, которое зачастую является неоправданным.
В приводе перемещения головок используется шаговый двигатель или двигатель, основанный на принципе работы звуковой катушки громкоговорителя. Положение головок контролируется системой контроля перемещения, по сигналам которой производится коррекция работы двигателя. В зависимости от заданной величины перемещения микропроцессорный контроллер формирует скоростную диаграмму цикла разгон - перемещение - торможение, обеспечивающую минимальное время позиционирования головок.
Устройство и работа CD-ROM дисковода. Одним из наиболее сложных мехатронных объектов среди периферийных устройств компьютеров является накопитель информации на оптическом диске (CD-ROM). Типовой дисковод CD-ROM состоит из платы электроники, шпиндельного двигателя, механической системы оптической считывающей головки и механизма загрузки диска.
На плате электроники размещены все управляющие схемы дисковода, интерфейс с контроллером, разъемы интерфейса и двухконтактный разъем выхода звукового сигнала. Большинство дисководов используют одну плату электроники, однако, в некоторых моделях отдельные схемы выносятся на небольшие вспомогательные платы.
Шпиндельный двигатель служит для приведения диска во вращение с постоянной или переменной линейной скоростью. Сохранение постоянной линейной скорости требует изменение угловой скорости диска в зависимости от положения оптической головки. При поиске фрагментов он может вращаться быстрее, чем при считывании данных, поэтому двигатель обладает хорошей динамической характеристикой.
На оси шпинделя закреплена ферромагнитная подставка, поверхность которой обычно покрыта резиной или мягким пластиком для предотвращения проскальзывания компакт-диска. После загрузки диск прижимается к подставке с помощью расположенной сверху шайбы с постоянным магнитом.
Система оптической головки включает саму головку и механизм ее перемещения. В головке размещены: излучатель, выполненный на основе инфракрасного лазерного светодиода, устройство фокусировки, фотоприемник и предварительный усилитель. Устройство фокусировки представляет собой подвижную линзу, приводимую в движение электромагнитной катушкой, которая аналогична применяемой в громкоговорителе. С изменением напряженности магнитного поля линза сдвигается и происходит перефокусировка лазерного луча. Благодаря малой инерционности такая система эффективно отслеживает вертикальные биения диска даже при значительных скоростях вращения. Точность фокусировки +- 1 мкм (при диаметре светового пятна 0,9 мкм).
Механизм перемещения оптической головки имеет собственный двигатель, приводящий в движение каретку с головкой посредством зубчатой либо червячной передачи. Для исключения люфта предусмотрено соединение с начальным напряжением (для червячной передачи это подпружиненные половины ведомой шестерни). Точность перемещения по координате трекинга (по радиусу) – 0,1 мкм.
Устройство загрузки диска может выполняться в трех вариантах: загрузка с помощью специального футляра, вставляемого в приемное отверстие накопителя; загрузка с использованием выдвижного лотка и загрузка путем прямой вставки диска в приемную щель накопителя. Во всех этих случаях накопитель содержит двигатель для втягивания-выдвижения лотка, футляра или самого диска, а также устройство для перемещения рамы, на которой закреплена вся механическая часть вместе со шпинделем и приводом оптической головки, в рабочее положение, когда диск ложится на подставку.
Рассмотрим работу системы управления (см. рис. 8.5). Она построена на однокристальной микроЭВМ, которая контролирует и координирует работу всех устройств накопителя CD-ROM, выдавая команду на выполнение следующей операции только после успешного завершения предыдущей.
Рисунок 8.5.- Структурная схема системы управления накопителя CD-ROM
После включения питания микроЭВМ производит тестирование основных систем накопителя и проверяет, закрыта ли каретка для загрузки компакт-диска. Потом выполняются следующие основные операции:
подается команда на перемещение лазерной головки в начальное положение (напротив вводных дорожек у внутреннего края зоны записи компакт-диска);
- подается команда на включение лазера;
подается команда на определение наличия компакт-диска, правильности его расположения (вверх этикеткой) и на «захват» информационной поверхности диска. Последняя операция выполняется следующим образом. Магнитно-электрический привод совершает 5-7 поисковых движений микрообъектива вдоль оптической оси по направлению к диску и обратно. При этом анализируется сигнал с оптического датчика расстояния до информационной поверхности диска. В момент перехода этого сигнала через ноль выдается команда на включение САР фокусировки, которая «захватывает» информационную поверхности диска. Теперь САР фокусировки будет отслеживать колебания поверхности диска во время его вращения путем перемещения микрообъектива. Направление перемещения определяется знаком сигнала рассогласования. Если за 5-7 поисковых движений микрообъектива «захвата» информационной поверхности не происходит, микроЭВМ может выдать сообщение об отсутствии или неверном положении диска, открыть загрузочную каретку для перезагрузки диска или просто перевести проигрыватель в режим ожидания;
подается команда на включение привода вращения компакт-диска;
- подается команда на «захват» информационной дорожки. Включается САР трекинга (слежения за информационной дорожкой), которая перемещает микрообъектив к центру диска или к его краю в зависимости от знака сигнала рассогласования. Луч расщепляется на 3, причем 2 крайние луча используются для слежения за дорожкой. При дальнейших смещениях дорожки САР трекинга отслеживает ее;
- подается команда на включение САР скорости вращения диска. При считывании данных в устройствах CD-ROM поддерживается постоянная угловая скорость, что позволяет уменьшить время доступа к информации, записанной на различных участках диска. Для этих же целей скорость вращения дисков CD-ROM выбирается в десятки раз большей, чем музыкальных дисков (так как особых требований к стабильности вращения дисков в накопителях с CD-ROM не предъявляется);
подается команда на считывание служебной информации с начальных дорожек диска, на которых записаны данные о содержании диска;
подается команда для вывода на дисплей этой и некоторой другой полезной информации;
производится подготовка к вводу пользователем программы считывания с диска. Производится запись введенной программы в ОЗУ и начинается чтение записей с диска.
При остановке процесса считывания информации подается команда на отключение лазера (для сохранения его ресурса).