Для надежной работы шины необходимо выполнять определенные требования к абонентам по их нагрузочным характеристикам. На рис.23 приведена схема подключения устройств к шине.
Подтягивающие резисторы Rp определяются из условия минимально допустимого тока при наименьшем уровне напряжения на линии (уровень логического 0 – 0,4 в.).
Например:
VDD = 5в + 10%
VOL = 0,4 в
Rp min = (5,5 – 0,4)/ 0,003 = 1,7 кОм.
Максимальное значение входного резистора Rs определяется допустимым уровнем шума.
Устройства на шине I2C должны иметь один источник питания, к которым подключены подтягивающие резисторы.
С другими режимами работы модуля MSSP, например, с режимом синхронного последовательного интерфейса SPI можно ознакомиться в [ ].
В качестве примера рассмотрим задачу создания фрагмента системы управления, состоящую из нескольких ведомых и одного ведущего микроконтроллеров. Принципиальная схема фрагмента показана на рис.24
Настройка ведущего модуля:
Регистр SSPCON = 0x2E;
Что соответствует условиям:
1. Модуль MSSP включен,
2. Ведущий режим, 7-разрядная адресация, с разрешением прерываний.
Регистр SSPCON2 = 0x0F;
Что соответствует условиям:
1. Режим общего вызова не используется,
2. Прием разрешен,
3. Бит STOP формируется,
4. Бит повторный START формируется,
5. Бит START формируется.
Регистр SSPSTAT = 0x00; - при передаче и SSPSTAT = 0x04; - при приеме.
Что соответствует условиям:
1.Включено управление длительностью переднего фронта импульсов,
2.Уровни входных сигналов соответствуют требования шины I2C,
Регистр SSPADD = 0x00; Что соответствует нулевому адресу ведущего модуля
Настройка ведомых модулей:
Регистр SSPCON = 0x36;
Что соответствует условиям:
1. Модуль MSSP включен,
2. Ведомый режим, 7-разрядная адресация,
3. Тактовым сигналом не управлять, (можно записывать в бит CKR=1 при необходимости подготовки данных для передачи ведущему, с последующим сбросом данного бита).
Регистр SSPCON2 = 0x0F;
Регистр SSPSTAT = 0x00;
Регистр SSPADD = 0x01; - для первого ведомого модуля,
SSPADD = 0xnn; - для последующих ведомых модулей.
Настроечная часть программ работы системы микроконтроллеров будет иметь вид:
А. Ведущий модуль:
#define XTAL_FREQ 4MHZ
#define byte unsigned char
#define word unsigned int
#include <pic.h>
#include <stdio.h>
__CONFIG(HS & WDTDIS & PWRTEN & LVPDIS & DUNPROT & WRTEN);
void main() {
TRISC = 0xFF;
SSPSTAT = 0x00;
SSPCON = 0x2E;
SSPCON2 = 0x0F;
SSPADD = 0x 00;
Для ведомых модулей
TRISC = 0xFF;
SSPSTAT = 0x 04;
SSPCON = 0x36;
SSPCON2 = 0x0F;
SSPADD = 0xnn; //nn –соответствует адресу конкретного абонента
Рабочие части программ определяются фактическими задачами обмена информацией, включая конкретные диагностические фрагменты, (например, фрагменты контроля ошибок формата и т. п.).
25. Измерительные системы: назначение, состав, ДОС-классификация.
Измерительные системы (ИС) предназначены для измерения текущих координат рабочих органов управляемого оборудования. Структурную схему ИС можно представить в следующем виде:
 |  |  | |  |
РОС ДОС УП КС СНУ
Рис. 2.29. Структурная схема измерительной системы.
где: РОС - рабочий орган станка.
ДОС - датчик обратной связи.
УП - усилитель преобразователь.
КС - канал связи.
СНУ - счетно-накопительное устройство.
Основным элементом любой измерительной системы является датчик обратной связи (ДОС). ДОС предназначен для преобразования механического перемещения рабочего органа управляемого оборудования в пропорциональный электрический сигнал.
Основными требованиями к ДОС являются:
- высокая надежность,
- высокая чувствительность (малая дискретность квантования перемещения):
- стабильность (повторяемость) измерения:
- нечувствительность к изменениям параметров окружающей среды:
- удобство ведения регламентных и ремонтных работ.
Классификацию ДОС, используемых в станках с ЧПУ и промышленных роботах можно представить в следующем виде:
ДОС
 |
Дискретные Позиционные Комбинированные
(унитарные) (кодовые)
 |
Фотоэлектрические Индуктивные Потенцио-
метрические
Рис. 2.30. Классификация датчиков обратной связи.
Дискретными называются датчики, выходной сигнал которых соответствует перемещению рабочего органа на величину, равную одной дискрете, т.е. минимальное перемещение фиксируемое датчиком. По этой причине унитарные датчики не могут дать текущее положение рабочего органа относительно начала системы координат станка или робота, поэтому задача определения текущих координат возлагается на счетно-накопительное устройство. В большинстве случаев счетно-накопительные устройства не имеют элементов памяти длительного хранения информации, поэтому после отключения питания УЧПУ значения текущих координат исчезают и для их восстановления используются специальные приемы.
Позиционные, или по другому, кодовые датчики отличаются от дискретных тем, что их выходной сигнал в любой момент времени однозначно идентифицирует положение рабочего органа в системе координат станка или робота. Другими словами кодовый датчик постоянно выдает значение текущей координаты рабочего органа, при этом восстановление численного значения координаты после подачи питания на датчик осуществляется в течение одного цикла измерительной системы.
Комбинированные ДОС характеризуются тем, что в определенном (часто небольшом: 5 - 10 мм) диапазоне датчики работают как кодовые, а для расширения диапазона измерения производится накопление полных диапазонов кодового датчика. Другими словами принцип дискретности сохраняется как у унитарных датчиков, а величина дискреты равна диапазону работы кодового датчика.
26. Унитарные+кодовые+комбинированные
Унитарные фотоэлектрические датчики.
В промышленности используются фотоэлектрические датчики для измерения углового перемещения рабочего органа. Для измерения линейных перемещений угловое вращение датчику передается от рабочего органа через дополнительный механический преобразователь типа шариковая пара винт-гайка или безлюфтовая реечная передача.
1 2 Риски на диске датчика
5
U осв. U вых. датч.
 | ||||||
 |  | |||||
 | ||||||
U вых. н.м. 
3 4
 |
6
 | |||
 |
5
Отверстие нуль-
метки
Рис.2.31. Кинематическая схема унитарного датчика.
Обозначения на рисунке:
1 - осветитель основного канала датчика.
2 - усилитель основного сигнала датчика.
3 - осветитель канала нуль - метки.
4 - усилитель сигнала нуль - метки.
5 - диск-маска.
6 - выходной вал датчика.
Принцип работы датчика заключается в модуляции светового потока излучателя с помощью специального диска - маски. Диск - маска изготавливается из прозрачного материала, обычно стекла, на который фотохимическим способом наносятся непрозрачные риски. При этом ширина риски должна быть равна расстоянию между двумя соседними рисками. Промодулированный таким образом, световой поток воспринимается фотоприемником и усиливается усилителем 2, то есть выходной сигнал усилителя представляет собой серию импульсов со скважностью 2, а количество импульсов пропорционально углу поворота выходного вала датчика.
Пропорциональность определяется величиной, называемой дискретностью датчика и рассчитывается по формуле:
2П 360
б = рад/ имп. или: б = град/ имп.
N N
где: N - число рисок на диск - маске.
Для фиксации исходного положения диска-маски используется дополнительная фотоэлектрическая система нуль - метки. В этом канале формируется за весь оборот диска один сигнал в момент прохождения специальной риски через тракт осветитель НМ - фотоприемник НМ.
Как видно из вышеприведенных формул, чем меньше дискретность тем большую точность отсчета можно получить, в свою очередь дискретность определяется только числом рисок на диск - маске. Максимальное число рисок зависит от двух элементов:
- диаметра окружности, на которой расположены риски,
- диаметра входного окна фотоприемника.
Увеличение диаметра окружности неизбежно ведет к увеличению конструктивных габаритов датчика в радиальном направлении, что не всегда допустимо. Уменьшение же входного окна фотоприемника и как следствие уменьшение ширины риски приводит к ухудшению электрических параметров выходного сигнала, так как уменьшение светового потока в окне фотоприемника должно компенсироваться увеличением коэффициента усиления усилителя, что в свою очередь снижает помехозащищенность канала.
Первые промышленные унитарные датчики имели диск - маски диаметром 80 - 90 мм, на котором размещались 1000 или 1024 риски в зависимости от принятой системы счисления во внутреннем программно-математическом обеспечении УЧПУ.
В дальнейшем при тех же электрических параметрах датчиков удалось существенно уменьшить их диаметр за счет уменьшения количества рисок до 250 - 256 с одновременной электронной мультипликацией выходного сигнала. Для этого помимо основной фотоэлектрической системы введена дополнительная фотосистема, оптическая ось которой смещена на 1/ 4 углового шага рисок:
t
 |
 |
1 (n +0,25) t 2
|  |
3 Рис.2.32. Фрагмент рисунка диск - маски
фотоэлектрического датчика.
t - шаг рисок по окружности диска,
n - любое целое число,
1 - оптическая ось фотоэлектрической системы основного датчика (Sin),
2 - оптическая ось дополнительной фотоэлектрической системы (Cos),
3 - оптическая ось фотоэлектрической системы нуль -метки (NM).
Электронная система непосредственно самого датчика предусматривает выдачу как прямого, так и инверсного сигнала всех фотосистем. В результате выходные сигналы датчика можно представить в виде циклограммы, показанной на рис.2.33.
Sin
 | ||||||||
 |  |  | ||||||
| ||||||||
Sin
 | |||||||
 |  |  |
Cos
Cos
 |
NM
 | |||
|  | ||
NM
 |  | |  |
И sin
 | |||||||
 |  |  |
И sin
 |
И cos
 | |||||||||
 | |  | |||||||
| |||||||||
И cos
Рис. 2.33. Циклограмма выходных сигналов унитарного датчика
Принцип работы схемы мультипликации, функциональная схема которой показана на рис. 2.34. заключается в следующем:
Основные и дополнительные сигналы датчика (как прямые так и инверсные) подаются на суммирующую схему D2 вместе с импульсными сигналами, полученными с помощью одновибраторов D1 из всех выходных сигналов датчика, кроме сигналов нуль - метки. При этом импульсы формируются при перепаде сигнала с уровня лог. 0 на уровень лог. 1. На рис.2.34. показаны импульсы (И sin, И sin, И cos, И cos) для случая движения датчика “ слева направо”, естественно, при движении “ справа налево “ импульсы будут формироваться из задних (по рисунку) фронтов сигналов. Рассмотрим принцип мультиплексирования при движении “ слева направо “. В начале первого цикла выходных сигналов из сигнала Sin формируется сигнал И sin, который на высоком уровне сигнала Cos пройдет на выход микросхемы D2 через первый элемент 2И. Через четверть цикла из сигнала Cos сформируется
сигнал И cos, который на высоком уровне сигнала Sin пройдет на выход микросхемы D2 через второй элемент 2И. Затем через следующую четверть цикла на выход пройдет сигнал И sin на высоком уровне сигнала Cos, и наконец, сигнал И cos на высоком уровне сигнала Sin. Таким образом, за один цикл датчика (одна риска на диск –маске) - в счетно-накопительное устройство пройдет четыре импульса. При движении датчика “справа налево” работает другая суммирующая схема. Принципиальную схему предлагается составить читателю. Выходные импульсы обоих суммирующих схем направляются соответственно на суммирующий и вычитающий входы реверсивного счетчика накопительного устройства. Емкость этого счетчика определяется как отношение максимальной длины перемещения рабочего органа к дискретности датчика:
N = Lmax / б
В УЧПУ типа МС 2101 счетно - накопительное устройство выполнено в виде отдельной БИС марки К1801ВП1-015. Ее принципиальная схема показана на рис.2.35.
Sin D1.1 И sin
 |  | ||||
 | |||||
&
 |  |  |  | ||||
Sin D1.2 И sin
&
И sin, Иcos,
& И sin, Иcos
Cos D1.3 И cos
 |
&
 | |||
| |||
Cos И соs
D1.4
Рис. 2.34. Функциональная схема устройства мультипликации.
+ 5 в. 42
 | |||
| |||
19 MSR К1801 AD0 25
22 MSW ВП1-015 AD1 31
20 MSA AD2 30
25 VA1 AD3 32
23 VA2 AD4 33
24 VA3 AD5 34
27 VA AD6 35
28 CLC1 AD7 36
11 CLC2 AD8 03
16 CLR AD9 02
AD10 01
18 CLRM AD11 41
AD12 40
17 CLRM AD13 39
AD14 38
15 OSN AD15 37
INT 09
12 OSN OUT2 08
IN1 05
07 SM OUT1 10
IN2 04
14 SM ASW 13
ST 06
Рис. 2.35. Принципиальная схема БИС К1801ВП1 - 015.
Назначение выводов микросхемы:
MSR - магистральный сигнал “чтение”,
MSW - магистральный сигнал “запись”,
MSW - магистральный сигнал “синхронизация адреса”,
VA - инициализация БИС (сигнал с селектора адреса),
VA1,VA2,VA3 - дополнительные адресные входы,
CLC1 - первая тактовая частота,
CLC2 - вторая тактовая частота, используемая для устранения “дребезга” сигналов,
CLR - сброс внутренних регистров и счетчиков,
CLRM - входной сигнал нуль - метки,
CLRM - инверсный входной сигнал нуль - метки,
OSN - основной входной сигнал датчика (Sin),
OSN - инверсный входной сигнал датчика (Sin),
SM - дополнительный сигнал датчика (Cos),
SM - инверсный дополнительный сигнал (Cos),
AD0 - AD15 - магистральные сигналы шины адрес / данные,
INT - выходной сигнал запроса на обслуживание прерывания,
ASW - магистральный сигнал ответа на обращение к БИС со стороны процессора,
ST - строб-сигнал при записи информации в БИС со стороны процессора.
Микросхема К1801ВП1 -015 имеет в своем составе следующие функциональные узлы::
- узел связи информационной магистралью микропроцессора,
- узел входных одновибраторов и суммирующих инверторов,
- реверсивный счетчик-накопитель,
- выходной буферный регистр.
Первый узел реализует типовые функции интерфейсного блока и предназначен для обмена информацией с центральным процессором. Второй узел выполняет функции формирования коротких импульсов из передних фронтов основных и дополнительных сигналов датчика и функцию мультипликации. Реверсивный счетчик производит счет поступающих со схемы мультипликации импульсов, т.е. содержит величину текущей координаты рабочего органа. Значение координаты выдается в центральный процессор через буферный регистр.
Управление микросхемой осуществляется через два программных регистра:
- регистр управления РУ,
- регистр данных РД.
Регистр управления имеет следующий формат:
Таблица 2.19.
 |
NN разрядов 15 14 13 12 02 01 00
Обозначение сигналов ФЛ SM OSN CLRM МФ МА Р
Назначение сигналов:
ФЛ - флаг-триггер запроса на прерывание по приходу сигнала нуль -метки CLRM или при проходе через “0” реверсивного счетчика накопителя.
SM - сигнал запроса на прерывание по отказу в канале дополнительного сигнала датчика.
OSN - сигнал запроса на прерывание по отказу в канале основного сигнала датчика.
CLRM - сигнал запроса на прерывание по отказу в канале сигнала нуль - метки.
МФ - маска сигнала ФЛ. При МФ = 1 запрещаются прерывания по сигналу нуль - метки и по проходу реверсивного счетчика через нулевое положение.
МА - маска прерывание по отказам в каналах сигналов OSN, SM, CLRM.
Р - режимы работы БИС:
при Р = 0 по приходу сигнала CLRM содержимое счетчика переписывается в буферный регистр, а сам счетчик обнуляется. При Р = 1 перепись осуществляется без обнуления счетчика.
В реальной системе ЧПУ типа МС2101 для реализации измерительных систем разработан специальный субблок 9213, в котором размещены пять измерительных систем на основе БИС К1801ВП1 0- 015 работающие с унитарными импульсными датчиками (см. принципиальные схемы субблока 9213. листы 1,2).
Субблок содержит следующие основные узлы:
- входной ретранслятор на микросхемах D1...D3,
- блок радиальных прерываний на микросхеме 4,
- селектор адресов на микросхемах D6...D8
- блоки оптронных развязок - узлы УР1...УР5,
- БИС обработки сигналов датчиков D15...D19
Ретранслятор предназначен для разгрузки сигнальных линий магистрали центрального процессора по мощности.
Селектор адреса выполняет функции дешифрации адреса конкретной БИС, а в каждой БИС дешифрации ее программных регистров РУ или РД. Рассмотрим пример дешифрации адреса БИС первого канала (MC D15). Бис инициируется при подаче уровня лог.1 на вход VA. Этот сигнал приходит с селектора адреса при установке на магистрали адреса, согласно следующей таблице:
Таблица 2.20.
| * | * | * | * | * | * |
Разряды адреса АD06, AD08...AD15 дешифрируются селектором адреса, разряд AD07 выбирает тип регистра БИС: при наличии в данном разряде адреса лог. 1 выбирается регистр управления, при уровне лог.0 - регистр данных. Разряды AD01...AD03 воспринимаются внутренним дешифратором, который срабатывает в зависимости от уровня сигналов на входах VA1...VA3. В нашем случае на этих входах присутствует уровень лог. 1, следовательно, в коде адреса в данных разрядах должны быть “0”. Разряды AD04 и AD05 зависят 08.02.2018 от местоположения субблока в корпусе УЧПУ и к тому же взаимно исключают друг друга. Поэтому при нахождении субблока в первой позиции формируется в адресе код 01. Окончательно получим следующие адреса:
Регистр данных - 160420
Регистр управления - 160620.
Блок радиальных прерываний (MC D4) предназначен для организации алгоритма векторного прерывания в общей системе прерываний центрального процессора. В качестве радиальных запросов БРП служат сигналы INT всех пяти БИС К1801ВП1-015 субблока.
Узлы оптронной развязки УР1...УР5 предназначены для гальванической развязки УЧПУ от датчиков обратной связи, для питания которых используются станочные блоки питания.
БИС обработки сигналов датчиков DD15...D19 предназначены для преобразования, накопления сигналов унитарных датчиков, а также для выдачи текущего значения координаты рабочего органа по запросу центрального процессора.
Основные характеристики наиболее распространенных унитарных датчиков приведены в нижеследующей таблице:
Таблица 2.21.
| Тип датчика | Число импульсов | Основное питание | Питание осветителя | Изготовитель |
| ВЕ-178 | +15в, -15в | 1,5...2в. | ЭНИМС | |
| ВЕ-51 | +15в, -15в. | 1,5...2в. | ЭНИМС | |
| IRC-111 | +5в. | +5в, | ЧССР | |
| IRC-120 | +5в. | +5в. | ЧССР | |
| ROD-630 | +15в, -15в. | +15в. | ФРГ |
Представленные в таблице датчики предназначены для прямого измерения углового перемещения рабочих органов станка. Поэтому для измерения линейных перемещений их необходимо преобразовать в угловые с помощью механических преобразователей, чаще всего с помощью шариковых винтовых пар. Дискретность измерительной системы в этом случае определится из зависимости:
б = К
N
где: N - число импульсов за один оборот датчика,
К - передаточное число механического преобразователя.
Для винтовой передачи К= t / 360, где t - шаг винтовой пары.
Например, при использовании датчика ВЕ-178 и шариковой пары с шагом 10мм получим дискретность измерительной системы: б = 0,01 мм. Уменьшение дискретности и следовательно, увеличение точности измерения можно достичь за счет дополнительной механической мультипликации между выходным валом датчика и ходовым винтом рабочего органа. О