Способы реализации

Краткая характеристика предметной области - цифрового управления объектами

Системы автоматического управления объектами с электронными регуляторами уже достаточно давно используются в самых различных областях технических приложений. (Наряду с электронными используются также регуляторы, основанные на других принципах: механические, пневматические, но они распространены гораздо меньше электронных.)

В программах подготовки специалистов многих специальностей присутствуют курсы теории автоматического управления. Теория анализа и синтеза автоматических регуляторов хорошо развита и позволяет получить математическое описание регулятора для получения регулирования с заданным качеством. После этого необходимо выбрать техническую реализацию регулятора. В течение длительного времени это удавалось сделать с наименьшими затратами, используя аналоговые электрические и электронные элементы, которые превосходили элементы, основанные на других принципах по стоимости, по частотному диапазону и по ряду других менее существенных признаков. Однако всем аналоговым элементам были присущи такие недостатки, как ограниченная точность преобразования сигнала и нестабильность характеристик.

Цифровые устройства обработки сигналов лишены упомянутых недостатков. По мере развития интегральной технологии удельная стоимость вычислительной мощности цифровых устройств очень быстро падает (приблизительно вдвое за один-два года), а степень интеграции (количество функций, выполняемых "начинкой" интегральной схемы) так же быстро растет. Кроме того, многие функции гораздо легче реализуются с помощью цифровых устройств (например - чистое запаздывание сигнала).

Цифровое устройство, выполняющее заданный алгоритм, технологически можно реализовать по-разному. Далее перечислены основные способы (однако предполагается, что речь идет о реализации на базе электронных устройств в виде «больших интегральных схем» - БИС)

1. "Жесткая логика" в специализированной БИС - алгоритм функционирования определяется соединениями между отдельными логическими элементами ЛЭ, схема этих соединений, и, следовательно, алгоритм функционирования, жестко определяются в технологическом цикле проектирования и последующего производства БИС и впоследствии не могут быть изменены.

2. Микросхемы программируемой логики МПЛ - алгоритм функционирования определяется соединениями между отдельными ЛЭ в составе матрицы, но не изготовителем микросхем, а разработчиком систем на их основе. Это происходит в ходе процедуры программирования микросхемы, которая для большинства ПЛМ может быть выполнена лишь однократно.

3. Микросхемы "гибкой" логики - алгоритм функционирования определяется соединениями между ЛЭ в ходе программирования разработчиком системы, однако программирующая информация после программирования содержится во внутренней памяти микросхемы гибкой логики и может быть изменена в процессе эксплуатации.

4. Микроконтроллеры - микросхемы со структурой универсальной программируемой ЭВМ, т.е. содержащие универсальный процессор и программу, хранимую в ЗУ. На одном кристалле с микрокомпьютером содержится также набор периферийных устройств, что в ряде случаев позволяет (почти) без использования дополнительных компонентов построить законченную систему управления.

5. Универсальный компьютер, снабженный средствами сопряжения (связи) с управляемым объектом.

Каждый из перечисленных способов реализации имеет свои достоинства и свои недостатки по сравнению с остальными способами. Выбор того или иного способа всегда определяется экономическими соображениями (достижение заданного эффекта при минимизации затрат). В первом приближении можно при выборе ориентироваться на «суммарное время жизни» проектируемых изделий – произведение среднего времени жизни одного экземпляра на количество изделий: чем больше это время, тем более обоснован «сдвиг» при выборе способа реализации по приведенному перечню в сторону специализированной БИС с жесткой логикой.

Реализации 1...3 имеют по сравнению с микропроцессорной реализацией ограничения на класс реализуемых алгоритмов, определяемые как набором ЛЭ, выполненнныхв БИС, так и набором возможных соединений, которые могут быть запрограммированы. Однако они обычно позволяют достигнуть более высокого быстродействия, нежели микропроцессорная реализация. В то же время, реализация 5 на базе универсального компьютера (при наличии, естественно, комплекта необходимых (универсальных) аппаратных и программных средств вне конкуренции по скорости получения требуемого функционального устройства.

По мере совершенствования как технологии изготовления компонентов так и инструментальных средств поддержки разработки сначала (10…15 лет назад) все большее использование стала находить микропроцессорная реализация. Кроме того, для специалистов по АСУ и по программному обеспечению более привычно реализовать алгоритм управления программированием универсального процессора, нежели чем проектированием конфигурации соединений между логическими элементами. В последние 4…7 лет быстрыми темпами развивается также техника ПЛМ и микросхем «гибкой логики» – они, благодаря появлению и удешевлению средств поддержки разработки, стали более доступны широким массам разработчиков. Сравнивая микропроцессорную и ПЛМ-реализации, можно утверждать, что последняя требует более высоких «начальных» затрат, но позволяет получить устройство с более высоким быстродействием.

Дальнейшее изложение в данном курсе ориентировано на рассмотрение только микропроцессорной реализации.

Для этой области технической деятельности в последнее время установился специальный термин - "встроенные применения" (embeddedapplications) - имеются в виду применения средств вычислительной техники, используемые для целей управления, встраиваемые непосредственно в объект управления и работающие чаще всего в необслуживаемом режиме по фиксированной программе, хранящейся в ПЗУ и запускаемой автоматически после включения питания устройства.

"Встроенные применения" являются основным предметом как учебного курса, так и данного учебного пособия.

В дальнейшем изложении термин микроконтроллер будет использоваться для обозначения цифрового регулятора, используемого в системах управления и выполненного в "микропроцессорной" реализации. Термин микропроцессор будем использовать для обозначения вычислительного устройства с универсальной структурой и с программой, хранимой в ЗУ, независимо от того, выполнен ли микропроцессор в отдельной БИС или интегрирован с другими узлами, необходимыми для построения микроконтроллера.