Практическое занятие
Тема: Анализ структурной схемы универсального микропроцессора.
Количество часов: 2 часа.
Цель: Научиться анализировать и расписывать структурную схему универсально микропроцессора. Научится анализировать и составлять правильную схему работы универсального микропроцессора.
Оборудование: Учебный мультимедийный комплекс «Lucas-UniTrain» раздел автоматизация.
Задание:
1. Ознакомится с инструкцией эксплуатации лабораторного комплекса «Lucas-UniTrain».
2. Подготовить программу к выполнению работы.
3. Зачертить и расписать типовую структуру универсального микропроцессора.
4. Зачертить и расписать типовую структуру микроконтроллера для логического управления.
5. Зачертить и расписать типовую структуру процессора обработки сигналов (без АЦП и ЦАП)
Подготовить отчет о выполненной работе.
Методические указания к выполнению:
Микропроцессорный комплект (МПК) - набор СБИС и БИС с общими конструктивно-технологическими принципами и электрическими характеристиками (уровни сигналов, быстродействие), предназначенных для построения функционально полнофункциональной микропроцессорной системы (МПС) для задач вычислений или управления. В состав МПК входят собственно центральный процессор (ЦП), или микропроцессор, арифметический сопроцессор - средство эффективной реализации вычислительных действий под управлением ЦП, а также контроллеры периферийных функций с программной настройкой режимов: порты параллельной и последовательной связи, таймеры - средства реализации временных интервалов, контроллеры прерываний и прямого доступа к памяти.Микросхемы ПЗУ и ОЗУ не входят в состав МПК и образуют самостоятельные функциональные группы.
Универсальные микропроцессоры ориентированы на использование в различных вычислительных, информационных и управляющих системах, в которых требуется обработка больших объемов информации (например, для цифровой обработки изображений, управления базами данных, визуализации данных оператору или экипажу), но нет специальных требований к архитектуре вычислителя, большому количеству средств УСО, габаритным размерам и энергопотреблению. Универсальность микропроцессора подразумевает как широкую сферу использования, так и типовую структуру вычислительной системы. Для таких устройств обычно реализуется архитектура Фон Неймана, и реже Гарвардская архитектура. Типовая структура универсального микропроцессора показана на рис.1.
Рис. 1. Типовая структура универсального микропроцессора.
Универсальные микропроцессоры не являются самодостаточными устройствами, и для построения вычислительной системы требуют подключения ряда дополнительных микросхем (память, контроллеры, порты). Поэтому обычно для конкретного универсального МП разработан т.н. микропроцессорный комплект, содержащий различные буферные элементы и контроллеры, функционально и электрически совместимые с данной моделью МП (chipset).
Однокристальный микроконтроллер (МК)представляет собой микропроцессорную систему, реализованную на одном кристалле СБИС. Типичная архитектура МК включает в себя собственно процессор, генератор тактовых импульсов (ГТИ), блоки памяти (ОЗУ и ПЗУ), порты ввода-вывода, таймеры, контроллер прерываний. Функциональные возможности этих блоков ниже, чем у соответствующих специализированных БИС из МПК. Основными достоинствами МК являются конструктивное и схемотехническое единство всех блоков, общий электрический интерфейс, удобство программной настройки режимов работы всех подсистем. Благодаря этому микроконтроллеры являются популярным средством для построения встраиваемых цифровых управляющих систем. Сами однокристальные микроконтроллеры и вычислительно-управляющие системы на их основе реализованы в соответствии с Гарвардской архитектурой.
МК для задач логического управления - логические процессоры - имеют специальные аппаратные расширения (память с битовой адресацией, порты с индивидуальной настройкой каждой линии) и расширенный набор команд логической обработки данных. В современных разработках широкое применение нашли МК серии К1816 (аналог Intel MCS-51), а также AVR - и PIC-контроллеры. Существуют также многочисленные расширения стандартного MCS-51 – с повышенным быстродействием, увеличенными объемами памяти и набором функций. Типовая структура МК для задач логического управления показана на рис. 3.
Рис. 1.2. Типовая структура микроконтроллера для логического управления.
Аналоговые процессоры для обработки сигналов –включают в себя, кроме типовых блоков МК, включают в себя многоканальные АЦП и ЦАП, блоки формирования управляющих импульсов (например, ШИМ-импульсов). Такой процессор представляет собой интегрированную систему обработки аналоговой информации в цифровом виде.
Еще одна разновидность МК – конвейерные сигнальные процессоры, содержащие конвейеры для реализации алгоритмов цифровой фильтрации данных и обработки изображений. Такие алгоритмы состоят из последовательности операций умножения и суммирования. Конвейер представляет собой набор однотипных блоков для выполнения операций умножения-суммирования, включенных последовательно друг за другом. Таким образом, результат выполнения операции в одном блоке автоматически является входными данными для следующего блока.
Применение конвейерной обработки позволяет выдавать на каждом такте работы системы очередной результат вычислений. Примером подобных устройств являются микроконтроллеры Intel MCS-196/296. Пример структуры такого микропроцессорного устройства показан на рис. 1,3.
Рис. 1,3. Типовая структура процессора обработки сигналов (без АЦП и ЦАП)
Особенность микропроцессора данного типа состоит в том, что в его состав входит блок аппаратного умножения (MUL), который совместно с арифметико-логическим устройством (ALU) и сдвигающими регистрами (SHIFTER) образует блок для эффективной реализации вычислений по алгоритмам цифровой фильтрации данных.
Вопросы для самоконтроля:
1. Что такое микропроцессор.
2. Для чего нужен микропроцессор.
3. Назначение АЛУ.
4. Что такое шина данных.
5. Что такое буфер обмена.
Список литературы и ссылки на Интернет-ресурсы, содержащие информацию по теме:
1. Основы автоматизации технологических процессов: [Электронный ресурс] учебное пособие для СПО / А. В. Щагин, В. И. Демкин, В. Ю. Кононов, А. Б. Кабанова. — М.: Издательство Юрайт, 2018. — 163 с. — (Серия: Профессиональное образование). — ISBN 978-5-534-03848-4. Режим доступа: https://biblio-online.ru/book/osnovy-avtomatizacii-tehnologicheskih-processov412522
2. Бородин, И. Ф. Автоматизация технологических процессов и системы автоматического управления: [Электронный ресурс] учебник для СПО / И. Ф. Бородин, С. А. Андреев. — 2-е изд., испр. и доп. — М.: Издательство Юрайт, 2019. — 386 с. — (Серия: Профессиональное образование). — ISBN 978-5-534-08655-3. Режим доступа: https://biblio-online.ru/book/avtomatizaciya-tehnologicheskih-processov-i-sistemy-avtomaticheskogo-upravleniya-425998
3. Рачков, М. Ю. Автоматизация производства: [Электронный ресурс]учебник для СПО / М. Ю. Рачков. 2-е изд., испр. и доп. М.: Издательство Юрайт, 2018. 180 с. (Серия: Профессиональное образование). ISBN 978-5-534-10314 Режим доступа: https://biblioonline.ru/book/A846BC52313B4E8CBE945891571A25D1/elektrotehnika-i-elektrooborudovanie-v-3-ch-chast-1
4. Рогов, В. А. Технические средства автоматизации и управления: [Электронный ресурс] учебник для СПО / В. А. Рогов, А. Д. Чудаков. — 2-е изд., испр. и доп. — М.: Издательство Юрайт, 2018. — 352 с. — (Серия: Профессиональное образование). — ISBN 978-5-534-09807-5. Режим доступа: https://biblio-online.ru/book/tehnicheskie-sredstva-avtomatizacii-i-upravleniya-428643.
Практическое занятие
Тема: Изучение электромагнитного расходомера. Ультразвуковой расходомер.
Количество часов: 2 часа.
Цель: Научиться анализировать и разбираться в принципе работы электромагнитного расходомера, знать условные обозначения и устройство ультрозвукового и электромагнитного расходомера.
Задание:
1. Ознакомится с содержанием материала.
2. В тетрадях для практических работ записать основные виды, и классификацию расходомеров.
3. Кратко записать принцип работы расходомеров.
4. Зачертить схемы принципиальные расходомеров.
Подготовить отчет о выполненной работе.
Методические указания к выполнению:
Расходомер, как видно из названия — устройство, предназначенное для измерения расхода какого-либо вещества — как правило, жидкости или газа. Если имеется канал диаметром d и по нему со средней скоростью Va перемещается жидкость или газ, то расходом является величина:
где A=πd2/4 — площадь поперечного сечения канала.
Следует сразу отметить, что вещества, расход которых необходимо измерить, могут быть сжимаемыми (газ) или несжимаемыми (жидкость), и методики измерения расхода в обоих случаях имеют свои особенности.
Независимо от типа используемого устройства определения расхода вещества является довольно сложной комплексной задачей, при решении которой приходится учитывать множество факторов, таких как:
1. Физические характеристики исследуемой среды
2. Физические характеристики окружающей среды
3. Форма канала и свойства материала, из которого он изготовлен
К каждому датчику как правило прилагается набор документов описывающих технические параметры прибора, его ограничения и рекомендации по эксплуатации. Перед покупкой изучите все эти документы и выберете наиболее подходящее для ваших задач устройство.
Среди довольно большого разнообразия расходомеров по принципу действия можно выделить следующие основные группы:
· Датчики скорости потока по перепаду давления
· Тепловые расходомеры
· Ультразвуковые расходомеры
· Электромагнитные расходомеры
· Микрорасходомеры
· Кориолисовские расходомеры
· Расходомеры с мишенями
· Детекторы изменения скорости потока
Рассмотрим основные виды расходомеров.
Тепловые расходомеры
В основе метода лежит довольно простая идея: если локально изменять свойства вещества в потоке (например, температуру) и регистрировать эти изменения на некотором удалении от места воздействия, можно определить среднюю скорость перемещения вещества в потоке (рисунок 1). Предположим, в потоке установлена пара датчиков температуры (A и B) и один нагревательный элемент C, причём расстояния AC>BC. Если вещество неподвижно, повышение температуры происходит локально за счёт теплопроводности, и датчик B нагревается быстрее, поскольку расположен ближе к нагревательному элементу. Если же поток придёт в движение, температура в области A упадёт до исходной температуры вещества в потоке, а температура в области B будет чуть выше исходной. Анализ данных с датчиков позволяет однозначно судить о скорости перемещения вещества в потоке.
Рисунок 1. Общая схема расположения ключевых элементов теплового расходомера.
Подобным образом изменению могут быть подвергнуты и другие параметры вещества (например, его химический состав), однако в большинстве случаев это недопустимо, например, когда речь идёт о медицинском применении расходомеров.
Ультразвуковые расходомеры
В устройствах данного типа используется свойство звуковых волн изменять скорость своего распространения в подвижной среде. Если установить источник (A) и приёмник (B) ультразвука со смещением (рисунок 2), то о скорости потока можно судить по изменению скорости распространения звуковой волны вдоль отрезка AB.
Рисунок 2. Общая схема расположения ключевых элементов ультразвукового расходомера
Кроме того, для измерения локальной скорости потока может быть использован эффект Допплера, для этого источник и приёмник располагаются как указано на рисунке 3. Исходный сигнал, а также сигнал с приёмника отправляются на смеситель. Частота ультразвука, которую фиксирует приёмник, изменяется в зависимости от скорости потока, исходная частота остаётся неизменной. Частота сигнала на выходе из смесителя является разностью частот исходного и принятого сигнала - по этой величине можно однозначно судить о локальной скорости вещества в потоке.
Рисунок 3. Общая схема расположения ключевых элементов расходомера на эффекте Допплера
Ультразвук достаточно часто используется в производстве датчиков. Например, существуют ультразвуковые дефектоскопы