Аппаратное обеспечение распределенных информационно-...
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 42

Аппаратное обеспечение распределенных информационно-управляющих систем встраиваемого класса PowerPoint PPT Presentation


  • 140 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

Аппаратное обеспечение распределенных информационно-управляющих систем встраиваемого класса. А. Астапкович. Встроенные системы управления. Лекция 6. Государственный университет аэрокосмического приборостроения, СПб, 201 2. История развития.

Download Presentation

Аппаратное обеспечение распределенных информационно-управляющих систем встраиваемого класса

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


4620272

Аппаратное обеспечение распределенных информационно-управляющих систем встраиваемого класса

А.Астапкович

Встроенные системы управления

Лекция 6

Государственный университет аэрокосмического приборостроения, СПб, 2012


4620272

История развития

Микроконтроллер представляет собой микросхему, предназначенную

для создания специализированных систем управления встраиваемого класса

От классического микропроцессора микроконтроллер отличается наличием

широкого спектра периферийных модулей, обеспечивающих возможность

компактной реализации элементов распределенных систем управления

Микроконтроллеры были разработаны позже микропроцессоров и берут начало от микроконтроллера Intel 8048, выпущенного в 1976 г.

Взрывной характер распространения этой технологии обеспечил микроконтроллер Intel 8051 с гарвардской архитектурой , выпущенный в 1980 г.


4620272

Типовое применение микроконтроллеров

  • Система управления современным автомобилем распределенная (сетевая)

  • и состоит из нескольких сотен электронных узлов.


4620272

Платформа


4620272

Сигналы

с аналоговых

сенсоров

Локальное

управление

Сигналы

с цифровых

входов

Локальная

индикация

Цифровой

интерфейс

Питание

Обобщенная структура платформы

Структура интеллектуального узла

  • Разработка современных систем требует использования ряда

  • технологий, совокупность которых принято называть платформой.

  • Платформа представляет собой набор взаимоувязанных решений по

  • элементной базе, по способу организации сетевой структуры и по

  • применяемым технологиям разработки программного обеспечения.


4620272

Классификация микроконтроллеров

Микроконтроллеры предназначены для использования во встраиваемых системах управления для самых разнообразных применений. Универсальное аппаратное решение для слишком широкого круга применений было бы относительно громоздким и дорогим.

В силу этого микроконтроллеры разрабатываются и производятся специализированными семействами, ориентированными наиспользование в определенном классе устройств.

Для классификации микроконтроллеров используется способ представления обрабатываемых данных, а именно 4-8-16-32 бита.

В системах управления промышленного назначения широко используются 8-битные микроконтроллеры.


4620272

Обзор рынка

  • Более 90 % всех производимых микропроцессоров и микроконтроллеров

  • используется во встраиваемых системах управления.

  • В 2000 г было произведено 365 миллионов микропроцессоров

  • и 6.4 миллиарда микроконтроллеров.


4620272

Ведущие компании


4620272

Обзор рынка


4620272

Микроконтроллеры Microchip


4620272

Платформа Microchip


4620272

АРХИТЕКТУРА МИКРОКНТРОЛЛЕРА


4620272

Архитектура микроконтроллеров

  • Архитектура микроконтроллера обеспечивает возможность реализации полного цикла обработки данных “измерение-вычисление-выработка сигналов управления” на одном кристалле в составе распределенной системы управления.

  • Архитектура микроконтроллеров кроме вычислительного ядра, характерного для микропроцессоров, включает в себя память программ, память данных, модули АЦП для обработки аналоговых сигналов от датчиков, модули выработки сигналов управления ШИМ и модули специализированных, как правило, последовательных шин: SPI, I2C .

  • Часто используются модифицированная гарвардская архитектура.

    • Современные микроконтроллеры имеют в своем составе перепрограммируемую память для долговременного хранения данных, а также подсистемы обеспечения надежности и управления энергопотреблением.


    4620272

    Система тактирования

    Дешифратор

    команд

    Система

    управления

    конфигурацией

    CPU

    Конфигурационные

    регистры

    Система прерываний

    Регистры

    общего

    назначения

    Подсистема обеспечения

    надежности

    Управления

    энергопотреблением

    Память

    программ

    Память

    данных

    Регистры конфигурирования, управления и работы периферийных модулей

    • универсальные порты цифрового ввода-вывода

  • модули АЦП, захвата сравнения, ШИМ, коммуникационные модули

  • таймерные модули

  • Архитектура современного микроконтроллера

    Периферийные

    модули


    4620272

    S-II

    5

    S-I

    4

    H-0

    3

    3

    S-0

    1

    1

    1

    H-1

    2

    H-2

    3

    Время

    t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8

    • выполнение команд основной программы ; 2,3- работа аппаратных модулей периферии; 3 – работа аппаратной компоненты системы прерываний;

    • 4,5 – выполнение команд обработчиков прерываний;

    Контроллер прерываний в PIC18F4220/4320

    Обработка прерываний

    • Конфигурируемый двухуровневый с возможностью выбора приоритета для

    • конкретного периферийного модуля .

    • Контроллер прерываний использует 10 8-битных регистров :

    • RCON, INTCON, INTCON2, INTCON3,PIR1, PIR2, PIE1, PIE2, IPR1, IPR2


    4620272

    Система прерываний микроконтроллеров

    • Принципиально важной составляющей архитектуры микроконтроллера

    • являются периферийные модули.

    • Управление ими осуществлением программным способом и включает в

    • себя операции конфигурирования, включения/выключения, и запуска

    • для выполнения базовой функции модуля.

    • Базовую функцию выполняется автономно за счет соответствующей

    • аппаратной реализации конкретного модуля.

    • Современный микроконтроллер может иметь несколько десятков

    • периферийных модулей, соответственно, применительно к многоканальной

    • системе управления речь идет об организации управления их параллельной

    • работы.

    • Система прерываний микроконтроллеров предназначена в первую очередь

    • именно для этого. Контроллеры прерываний в разных микроконтроллерах

    • реализуются по-разному.


    4620272

    Система команд

    • Используется также классификация микроконтроллеров

    • по набору и способу реализации системы команд.

    • В современных микроконтроллерах популярно использование набора

    • команд RISC (Reduced Instruction Set Command) Микроконтроллеры

    • с такой системой команд обычно называют RISC-микроконтроллеры.

    • RISC архитектура обеспечивает возможность увеличения быстродействия

    • и минимизацию энергопотребления.

    • Врядемикроконтроллерахиспользуетсяинабор MISC (Minimized

    • Instruction Set Command) и CISC (Complete Instruction Set Command).

    • RISC микроконтроллеры проще в реализации и требуют меньшего количества транзисторов для реализации CPU по сравнению с CISC

    • и MISC архитектурами.


    4620272

    Семейство nanoWatt Technology (Microchip)


    4620272

    Семейство nanoWatt Technology (Microchip)


    4620272

    Конструктивное исполнение


    4620272

    Архитектура PIC18F4220/4320


    4620272

    Особенности архитектуры PIC18F4220/4320

    • СPU содержит схему аппаратного умножения 8*8, которая выполняется за один

    • командный цикл.

    • Для обеспечения возможности работы с массивами служат регистры неявной адресации.

    • Модифицированная гарвардская архитектура. В специальных режимах имеется

    • возможность использования памяти программ для хранения данных, которая для

    • старшего представителя клона составляет 8Кбайт. При этом память программ

    • обеспечивает возможность реализации до 100 000 циклов перезаписи и сохранения

    • целостности данных до 40 лет.

    • Архитектура микроконтроллера дополнена периферийным модулем электрически

    • перепрограммируемой памяти EEPROM размером 256 байт.

    • Этот модуль обеспечивает возможность хранения данных прикладной программы в

    • процессе функционирования устройства и их восстановления после повторного

    • включения питания. Тип используемой памяти обеспечивает до одного миллиона

    • циклов перезаписи и сохранения целостности данных до 40 лет.


    4620272

    Формат команд

    • Синтаксис для регистров специального назначения (SFR) и регистров данных для конкретных применений один и тот же.


    4620272

    Примеры команд


    4620272

    Универсальный порт ввода-вывода

    • Порт двунаправленный

    • Нагрузочная способность до 25 ма

    • Имеет внутренние подтяжки

    • Имеется возможность генерации прерываний


    4620272

    Регистр управления прерываниями


    4620272

    ПЕРИФЕРИЙНЫЕ МОДУЛИ


    4620272

    Модуль аналого-цифрового преобразования

    • Многоканальный модуль обеспечивает возможность аналого-цифрового преобразования напряжений, получаемых с 10 (в старших представителяхсемейства 13) измерительных элементов датчиков.

    • Преобразование осуществляется поочередно, канал за каналом, и управляется программным способом.

    • При аналого-цифровом преобразовании осуществляется зарядка входного конденсатора до уровня действующего на входе канала напряжения, а потом осуществляется преобразование этого значения в числовой формат. Новой возможностью модуля для этого семейства является возможность программным способом задавать временные параметры этих двух этапов.


    4620272

    Таймерные модули

    • Микроконтроллеры семейства имеют в составе своей периферии 4 таймерных модуля.

    • Каждый из этих таймеров обладает особенностями, а их совокупность обеспечивает

    • разработчика широким спектром возможностей по реализации систем управления

    • реального времени.

    • Таймер0 имеет программно управляемый предделитель, обеспечивающий

    • возможность управления частотой прерываний с параметром, выбираемым из

    • ряда 2-4…256.

    • Периферийный модуль Timer1 обеспечивает возможность реализации на нем часов

    • реального времени и потребляет 1.1 мкА при использовании собственной внешней

    • частотозадающей цепочки 32 кГц и питании от независимого 2 В источника.

    • Таймер 3 может работать независимо, либо в тандеме с Timer1, использующем

    • его как источник. Каждый из этих таймеров реализован на двух 8-битных

    • регистрах, т.е. это фактически 16 битные таймера, но для корректной работы

    • с ними требуется соответствующим образом написанные обработчики прерываний.


    4620272

    Модуль Timer0

    Режим 8 битного таймера

    Режим 16 битного таймера


    4620272

    Коммуникационный модуль

    • Модуль модуля синхронного последовательного интерфейса ( Master Synchronous Serial Port - MSSP) обеспечивает возможность связи с последовательными EEPROM, сдвиговыми регистрами, чипами АЦП преобразований и т.п.

    • Работает в двух режимах последовательного интерфейса SPI и I2C


    4620272

    Управление энергопотреблением

    • Три режима работы

      • RUN - ядро включено, периферия включена

      • IDLE - ядро выключено, периферия включена

      • SLEEP - ядро выключено, периферия выключена

    • Выход из SLEEP происходит при наличии внешних сигналов

    • Энергопотребление:

      • PRI_RUN 150 мкА 1 МГц 2В

      • PRI_IDLE 37 мкА 1 МГц 2В

      • SEC_RUN 14 мкА 32 кГц 2В

      • SEC_IDLE 5.8 мкА 32 кГц 2В

      • RC_RUN 110 мкА 1 МГц 2В

      • RC_IDLE 52 мкА 1 МГц 2В

      • SLEEP 0.1 мкА 1 МГц 2В

    Пониженное энергопотреблением


    4620272

    Подсистема обеспечения надежности

    • В основе построения всей подсистемы лежит тот факт, что микроконтроллер представляет собой сложную систему, образуемую электронными компонентами и становиться системой программного управления при наличии стабильного питания и наличия тактирующих импульсов.

    • Подсистема включает в себя :

    • тритаймера :Power-up, Oscillator Start-up, Watch-dog;

    • схем рестарта программы при включении питания и при

    • обнаружении провалов питающего напряжения Power-on Reset

    • и Brown-out Reset;

    • монитора наличия тактирующих импульсов (Fail-Safe Clock Monitor).


    4620272

    Сторожевой таймер

    • Основное назначение сторожевого таймер - контроль хода выполнения программы с целью предотвращения зацикливания.

    • Этот таймерный модуль при переполнении приводит к рестарту программы, в отличие от других таймерных модулей, которые генерируют сигналы прерываний.

    • Минимальное время срабатывания для этого таймера составляет 4 мсек,

    • максимальное – несколько больше 2 мин. и соответствует максимальному

    • значению коэффициента постделителя.

    • Соответственно, программное обеспечение должно быть организовано таким

    • образом, чтобы в течение выбранного интервала рестарта программы из-за

    • срабатывания сторожевого таймера, регистр этого таймера очищался

    • (инициализировался нулем). В противном случае осуществляется рестарт

    • программы.

    • Очистка осуществляется с помощью специальной команды CLRWDT


    4620272

    ПОДДЕРЖКА РАЗРАБОТЧИКОВ


    4620272

    Поддержка разработчиков

    • Успех компании Microchip не в последнюю очередь обусловлен последовательным применением закона SONY об изделиях массового применения

    Google : Microchip Application Notes


    4620272

    Поддержка разработчиков

    PIC18

    AN885

    Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals

    Brushless Direct Current (BLDC) motors are one of the motor types rapidly gaining popularity. BLDC motors are used in industries such as Appliances, Automotive, Aerospace, Consumer, Medical, Industrial Automation Equipment and Instrumentation. As the name implies, BLDC motors do not use brushes for commutation; instead, they are electronically commutated. BLDC motors have many advantages over brushed DC motors and induction motors. A few of these are: Better speed versus torque characteristics , High dynamic response , High efficiency , Long operating life , Noiseless operation . Higher speed ranges In addition, the ratio of torque delivered to the size of the motor is higher, making it useful in applications where space and weight are critical factors.

    In this application note, we will discuss in detail the construction, working principle, characteristics and typical applications of BLDC motors


    4620272

    Базовые схемотехнические решения


    4620272

    Контроль положения

    • Запитывание обмоток статора осуществляется на основании

    • измерения текущего положения ротора, который представляет

    • собой пространственную сборку из постоянных магнитов.

    • Текущее положение ротора определяется с помощью датчиков Холла, которые встроены в статор.

    • Обработка сигналов с датчиков Холла позволяет правильно

    • запитать катушки статора, обеспечив тем самым вращающий момент.


    4620272

    Временная диаграмма работы

    Сигналы датчиков

    Действующие силы и момент

    Токи в обмотках для 6 стадийного процесса


    4620272

    Базовые программные решения


    4620272

    Свободная раздача библиотек

    math_codeCODE

    ;---------------------------------------------------------------------

    ;24-BIT ADDITION

    _24_BitAdd

    GLOBAL_24_BitAdd

    movfBARGB2,w,1

    addwfAARGB2,f,1

    movfBARGB1,w,1

    btfsc_C

    incfszBARGB1,w,1

    addwfAARGB1,f,1

    movfBARGB0,w,1

    btfsc_C

    incfszBARGB0,w,1

    addwfAARGB0,f,1

    return


  • Login