Микроконтроллеры
Микроконтро́ллером называют однокристальное электронное устройство (микросхему), в составе которого имеются процессор, память, различные периферийные устройства. Иными словами, это компьютер, выполненный на одном кристалле, способный выполнять задачи различной степени сложности, в зависимости от конфигурации.
Использование одной микросхемы вместо набора отдельных микросхем позволяет существенно уменьшить размеры, стоимость, энергоемкость устройств, выполненных на основе микроконтроллеров.
Микроконтро́ллеры чрезвычайно широко используются в самых различных областях:
· в бытовой, аудио-, видео_ и вычислительной технике, устройствах связи, автомобилях;
· в системах промышленной автоматики, станках с числовым программным управлением;
· в системах безопасности различного уровня;
· в информационно-измерительных системах, устройствах сбора данных и многих других промышленных и бытовых приложениях.
По сути, большинство современных устройств, основанных на использовании микроконтроллеров, в той или иной степени воспроизводят функции средств измерений, информационно-измерительных систем и т.п., поскольку имеют в своем составе датчики физических величин, цепи формирования и различного рода преобразования аналоговых сигналов, устройства оцифровки (АЦП), аппаратные и программные средства обработки цифровых сигналов, и, в ряде случаев, устройства обратного преобразования сигналов из цифровой в аналоговую форму (ЦАП).
Примеры – любые, от стиральной машины, телевизора, фотоаппарата, телефона, до обрабатывающих центров, роботов, беспилотных летающих аппаратов и более сложных устройств.
|
|
Микроконтроллеры бывают специализированные, разработанные для использования в каком-либо конкретном устройстве, и универсальные, предназначенные для решения широкого круга практических задач.
Помимо микропроцессорного ядра микроконтроллеры содержат в различных сочетаниях устройства памяти – оперативную память (RAM), постоянные перепрограммируемые запоминающие устройства (EPROM), тактовые генераторы, таймеры, компараторы, внутренние источники опорного напряжения, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, Flash-память, порты ввода-вывода, интерфейсы связи и др.
Одним из типичных случаев применения микроконтроллеров для решения измерительных задач является создание так называемых интеллектуальных датчиков. Интеллектуальные датчики содержат, как правило, следующие основные элементы (см. рис.):
В настоящее время выпускаются микроконтроллеры промышленного стандарта, в которых все устройства обработки измерительного сигнала объединены на одном кристалле. В качестве примера можно привести устройства фирмы Analog Devices, называемые микроконвертерами: ADUC 812, 816, 834, 848 и др. В этом случае структурная схема интеллектуального датчика выглядит так:
Датчики подобного типа могут объединяться в сеть:
Одной из важных задач, решаемых с помощью микроконтроллера в интеллектуальных датчиках, является коррекция характеристики с целью компенсации погрешностей.
В качестве примера ниже представлено описание применения микроконтроллера в измерительных системах (системах сбора данных)
|
|
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА СБОРА ДАННЫХ ДЛЯ МОНИТОРИНГА СТРОИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ:
МОДУЛЬ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ
Автоматизированные системы сбора результатов измерений, обработки и анализа измерительной информации в режиме реального времени и управления на этой основе исполнительными устройствами, выполненные на базе современных информационных технологий, используются в самых различных областях.
Такие устройства представляют собой, как правило, комплекс, включающий в себя аппаратную часть, в которой осуществляется преобразование измерительных сигналов, вырабатываемых различного рода датчиками, и сервер на основе персонального компьютера, с установленным специализированным программным обеспечением. Сервер служит для обработки полученных результатов в соответствии с заданным алгоритмом, представления их в удобном для восприятия виде (в форме таблиц, графиков, диаграмм), вырабатывает управляющие сигналы, обеспечивает связь с потребителями измерительной информации.
Одним из примеров подобных информационно-измерительных систем являются комплексы, предназначенные для управления эксплуатацией строительных объектов. Они представляют собой автоматизированные инженерные системы, составляющие элементы которых распределены по трем уровням. Нижний уровень – это различного рода датчики и исполнительные устройства, средний уровень состоит из коммутирующих устройств и контроллеров промежуточной обработки измерительной информации, верхний уровень – управляющее устройство, как правило, на базе персонального компьютера.
|
|
Автоматизированное управление эксплуатацией зданий и сооружений предполагает решение разноплановых задач. Современные здания оснащаются следующими инженерными системами: пожаротушения; охраны, сигнализации, видеонаблюдения и связи; управления освещением, режимами отопления, водоснабжения и вентиляции; мониторинга текущего состояния строительных конструкций и др.
При этом, в целях экономии энергопотребления и материальных ресурсов, целесообразно объединять различные измерительные и управляющие системы в единый комплекс, в котором устройства, входящие в средний и верхний уровень, были бы общими для всего инженерного оборудования зданий.
В свете вышесказанного представляет интерес создание измерительных систем на базе унифицированных модулей для решения типовых задач обработки измерительных сигналов и регистрации данных в подобных приложениях. Структурная схема подобного устройства приведена на рис.1. Автоматизированная система сбора данных для целей строительного мониторинга предназначена для решения следующих задач:
· регистрация и обработка данных при испытаниях строительных материалов, элементов строительных конструкций с целью определения их технических и эксплуатационных характеристик;
· регистрация и обработка данных при возведении строительных объектов с целью контроля технических требований и норм, предусмотренных проектной документацией;
· регистрация и обработка данных в процессе эксплуатации строительного объекта с целью мониторинга состояния элементов конструкции объекта в течение длительного времени: контроль действующих нагрузок, напряжений и деформаций, относительных смещений строительных элементов, развития неблагоприятных процессов, которые могут привести к возникновению аварийной ситуации и т.д.
Рисунок 1 – Структурная схема измерительной системы; функции программного обеспечения
Универсальные промежуточные модули предварительной регистрации и обработки измерительной информации на основе микроконтроллеров (регистрирующие модули) предназначены для использования в среднем уровне измерительных систем, подобных описанным выше. На рисунке 2 показана структурная схема использования такого модуля для обработки аналоговых сигналов, поступающих от нескольких первичных модулей сбора измерительной информации.
Рисунок 2 – Блок-схема соединений первичных модулей сбора информации с регистрирующим модулем
Первичные модули сбора информации – это, как правило, аналоговые звенья, поэтому особое значение имеют вопросы, связанные с обеспечением их помехозащищенности и стабильности характеристик. Соответственно повышенные требования предъявляются к источникам питания этих модулей, в цепях усиления и формирования измерительного сигнала должны применяться прецизионные измерительные усилители и иные электронные компоненты с целью минимизации дрейфов. Сигнальные кабели, связывающие первичные и регистрирующие модули, должны быть экранированы.
Регистрирующий модуль представляет собой микроконтроллерное устройство, оснащённое встроенным многоканальным АЦП, интерфейсной частью для общения с другими модулями и концентраторами и портами ввода-вывода общего назначения. Регистрирующий модуль обслуживает несколько первичных модулей и расположен на незначительном удалении от них. Аналоговые линии всегда подключены к регистрирующим модулям и находятся в активном состоянии. К каждому регистрирующему модулю может быть подключено 8 первичных модулей. При условии использования внешнего мультиплексора их число может быть увеличено до 15.
Регистрирующие модули объединены в сеть по стандарту RS-485 с механизмом «slave-master». Регистрирующий модуль всегда выполняет функцию «slave». В роли master-устройства выступает концентратор, соединенный с портом сервера и подающий команды начала регистрации данных.
Экспериментальный образец регистрирующего модуля, предназначенный для комплектования системы строительного мониторинга, выполнен на основе микроконтроллера Atmel AVR ATMega16 и соответствующих интерфейсных микросхем. На рисунке 3 в общем виде представлена структура микроконтроллера AVR. В его состав входят: RISK-процессор, энергонезависимая память двух видов – память программ (Flash) и память данных (EEPROM), оперативная память RAM, порты ввода/вывода и различные периферийные интерфейсные схемы.
Рисунок 3 – Структура микроконтроллера AVR
Программное обеспечение регистрирующего модуля представляет собой «прошивку» (firmware) микроконтроллера Atmel AVR ATMega16, написанную на языке С (GNU GCC-AVR). Firmware включает в себя функции инициализации и выполнения алгоритма сбора данных, а также блоки для работы со следующими периферийными устройствами микроконтроллера:
· универсальный синхронно-асинхронный приёмопередатчик (USART);
· шестнадцатиразрядный таймер-счётчик;
· восьмиканальный десятиразрядный АЦП.
Используются внутренняя Flash-память, RAM, а также регистры общего назначения микроконтроллера. Имеется функция управления внешним мультиплексором для увеличения количества подключаемых первичных модулей.
· Алгоритм сбора данных регистрирующим модулем выглядит следующим образом.
l Регистрирующий модуль получает от концентратора команду начала опроса первичных модулей и регистрации данных.
l Путем последовательного подключения к каналам АЦП, регистрирующий модуль проводит сбор, оцифровку и предварительную обработку текущих значений измерительных сигналов.
l Пункт 2 алгоритма повторяется соответственно количеству первичных модулей и заданному в предварительных настройках числу повторных измерений.
l Происходит формирование пакета данных для передачи на концентратор.
l Инициируется соединение с концентратором для передачи данных.
l Передается идентификационный код регистрирующего модуля.
l Осуществляется передача пакета текущих данных на концентратор.
l Генерируется сигнал завершения соединения с концентратором.