города Самары
ВВЕДЕНИЕ
Развитие современной вычислительной техники, электроники и радиотехники позволяет создавать сложные системы, предназначенные для выполнения различных научных, производственных, технологических задач. Использование таких систем призвано улучшить качество, эффективность тех или иных производственных целей. Существует несколько научных направлений, в основе которых лежит объединение вычислительной техники и электроники с технологическими процессами, радиоаппаратурой. На основе этих направлений разработано огромное количество самых разных по функциям охранных, противопожарных систем. Если раньше объединение различных высоконаучных технологий и средств вычислительной техники использовалось в основном в решении различных научных проблем, таких как освоение космоса, изучение недр земли и многих других, то сейчас такие высоконаучные технологии используются и в повседневной жизни.
Особенностью проекта является его разработка на основе действующей системы теплоснабжения города Самары. В настоящее время предусмотрено техническое оснащение более 100 пунктов учета тепловой энергии, расположенных в Солнечном и Приволжском микрорайонах города. Аппаратно-программный комплекс предназначен для передачи и контроля измеряемых параметров с пунктов учета тепловой энергии, рассредоточенных по территории города Самары, на диспетчерский пункт. Применение аппаратно-программного комплекса позволит повысить эффективность работы системы теплоснабжения города, улучшит оперативность выполнения тех или иных восстановительных работ, так как комплекс будет следить за работой системы теплоснабжения круглосуточно. Рассматриваемая тепловая сеть находящаяся в Солнечном и Приволжском микрорайонах, состоит из следующих элементов:
– подающих трубопроводов;
– обратных трубопроводов;
– тепловых насосных станций.
Объектами системы являются тепловые насосные станции. Станции имеют две разновидности технологических схем. На станциях первого типа тепловые насосы стоят на обратных линиях. На станциях второго типа имеются теплообменники, а насосы установлены на подающих линиях. Однако разница в технологических схемах не имеет существенного значения для решения принципиальных вопросов по построению системы. Разница будет лишь в точках установки некоторых датчиков. Все основные решения одинаковы для тепловых насосных станций как первого, так и второго типа[1].
Количество тепловой энергии и масса (или объем) теплоносителя, полученные потребителем, определяются энергоснабжающей организацией на основании показаний приборов его узла учета за определенный Договором период по формуле:
Q = Qи + Qп + (Gп + Gгв + Gу)*(h2 - hхв)*10-3
,
где Qи - тепловая энергия, израсходованная потребителем, по показаниям теплосчетчика;
Qп - тепловые потери на участке от границы балансовой принадлежности системы теплоснабжения потребителя до его узла учета. Эта величина указывается в Договоре и учитывается, если узел учета оборудован не на границе балансовой принадлежности;
Gп - масса сетевой воды, израсходованной потребителем на подпитку систем отопления, по показаниям водосчетчика (учитывается для систем, подключенных к тепловым сетям по независимой схеме);
Gгв - масса сетевой воды, израсходованной потребителем на водозабор, по показаниям водосчетчика (учитывается для открытых систем теплопотребления);
Gу - масса утечки сетевой воды в системах теплопотребления. Ее величина определяется как разность между массой сетевой воды G1 по показанию водосчетчика, установленного на подающем трубопроводе, и суммой масс сетевой воды (G2+ Gгв) по показаниям водосчетчиков, установленных соответственно на обратном трубопроводе и трубопроводе горячего водоснабжения, Gу = [G1 - (G2 + Gгв)];
h2 - энтальпия сетевой воды на выводе обратного трубопровода источника теплоты;
hхв - энтальпия холодной воды, используемой для подпитки систем теплоснабжения на источнике теплоты.
Величины h2и hхв определяются по соответствующим измеренным на узле учета источника теплоты средним за рассматриваемый период значениями температур и давлений[2].
В системах теплопотребления, где приборами учета определяется только масса (или объем) теплоносителя, при определении величины израсходованной тепловой энергии по выражению значение Qи находится по формуле:
Qи = G1*(h1 - h2)*10-3
,
где G1 - масса сетевой воды в подающем трубопроводе, полученная потребителе и определенная по его приборам учета;
h1 - энтальпия сетевой воды на выводе подающего трубопровода источника теплоты;
h2 - энтальпия сетевой воды на выводе обратного трубопровода источника теплоты.
Величины h1, h2 определяются по соответствующим измеренным на узле учета источника теплоты средним за рассматриваемый период значениям температур и давлений.
Аппаратно-программный комплекс предназначен для контроля из диспетчерского пункта, который расположен на насосной станции “Солнечная”, за работой тепловых насосных станций Солнечного и Приволжского микрорайонов. Теплоснабжение города действует в условиях постоянно растущей нагрузки, обусловленной продолжающимся жилищным строительством. При этом необходимо решать следующие вопросы:
– повышение надежности теплоснабжения, то есть обеспечение бесперебойной подачи тепла потребителям;
– снижение эксплуатационных расходов.
Тепловая сеть характеризуется рассредоточенностью трубопроводов и тепловых насосных станций по территории города, большим числом параметров контроля, изменение одного из которых ведет за собой изменение ряда других. Многие события, происходящие в тепловой сети, возникают в случайные моменты времени и заранее не могут быть предсказаны (прорывы трубопроводов, поломки насосов, аварии в системе электроснабжения насосных).
При достаточно большом числе контролируемых пунктов, входящих в состав системы теплоснабжения, сложной структуре их рассредоточенности, значительно повышаются требования к оперативности действий системы управления.
Любая система характеризуется технической и информационной надежностью. Наиболее эффективным путем повышения достоверности принятой информации является использование собственных возможностей системы. Применяя в соответствии с внешними условиями тот или иной способ формирования сигналов, используя наиболее близкий к оптимальному методу их передачу можно обеспечить требуемую надежность передачи информации. В этой системе информация передается с помощью радиосигналов, так как в условиях города Самары и состояния телефонной городской сети это наиболее приемлемый и доступный в экономическом смысле способ.
Внедрение аппаратно-программного комплекса позволяет отказаться от постоянного обслуживающего персонала на тепловых насосных станциях. Дежурство обслуживающего персонала будет организовано в одном месте - диспетчерском пункте, что позволит снизить эксплуатационные расходы. Современное состояние микроэлектроники, вычислительной техники позволяет эффективно решать задачи повышения надежности и качества теплоснабжения крупных городов. Это вызвано тем, что комплекс в значительной мере превосходит человека в способности наблюдать и контролировать, в виду того, что количество и размещение датчиков может быть любым. Основным звеном системы является контроллер на пункте учета тепловой энергии, так как его аппаратное и программное обеспечение - это звено передачи информации. Он выполняет команды программы и организует передачу информации. Программное обеспечение делится на общее программное обеспечение, поставляемое со средствами вычислительной техники и специальное программное обеспечение, которое специально разработано для данной конкретной системы и включает программы, реализующие ее функции.
1. Постановка задачи
1.1. Требования к аппаратно-программным средствам периферийных устройств системы сбора показаний счетчиков тепловой энергии
Конечным звеном аппаратно-программного комплекса должен являться компьютер (ПК), на котором обрабатывается и отображается вся получаемая от контролируемых пунктов информация. Персональный компьютер на диспетчерском пункте должен работать круглосуточно, под управлением специально разработанного программного обеспечения. Программное обеспечение обеспечивает связь с модемом-декодером, отображает на экране дисплея состояние всех пунктов учета тепловой энергии по очереди.
Программное обеспечение, математическое обеспечение должно быть универсальным, позволять подключение очередного пункта учета тепловой энергии к системе независимо от технологических особенностей ее работы, с различным числом и типом основного оборудования контролируемого пункта. Должна предусматриваться возможность работы с контролируемым пунктом в информационном режиме и в режиме реализации функций телесигнализации. Экранная картинка на мониторе персонального компьютера должна отображать информационно-управляющие особенности опрашиваемого в данный момент времени пункта учета тепловой энергии. Работа аппаратуры диспетчерского пункта и аппаратуры контролируемого пункта от резервного источника электропитания должна обеспечиваться в течение 14 часов.
Узел учета тепловой энергии оборудуется средствами измерения (теплосчетчиками, водосчетчиками, тепловычислителями, счетчиками пара, приборами, регистрирующими параметры теплоносителя, и др.), зарегистрированными в Государственном реестре средств измерений и имеющими сертификат Главгосэнергонадзора Российской Федерации.
Приборы учета - приборы, которые выполняют одну или несколько функций: измерение, накопление, хранение, отображение информации о количестве тепловой энергии, массе (или объеме), температуре, давлении теплоносителя и времени работы самих приборов.
Тепловой пункт (ТП) - комплекс устройств для присоединения систем теплопотребления к тепловой сети и распределения теплоносителя по видам теплового потребления.
Тепловая сеть - совокупность трубопроводов и устройств, предназначенных для передачи тепловой энергии.
Узел учета - комплект приборов и устройств, обеспечивающий учет тепловой энергии, массы (или объема) теплоносителя, а также контроль и регистрацию его параметров.
Водосчетчик - измерительный прибор, предназначенный для измерения объема (массы) воды (жидкости), протекающей в трубопроводе через сечение, перпендикулярное направлению скорости потока.
Теплосчетчик - прибор или комплект приборов (средство измерения), предназначенный для определения количества теплоты и измерения массы и параметров теплоносителя.
Тепловычислитель - устройство, обеспечивающее расчет количества теплоты на основе входной информации о массе, температуре и давлении теплоносителя.
Зависимая схема подключения системы теплопотребления - схема присоединения системы теплопотребления к тепловой сети, при которой теплоноситель (вода) из тепловой сети поступает непосредственно в систему теплопотребления.
Закрытая водяная система теплоснабжения - система теплоснабжения, в которой вода, циркулирующая в тепловой сети, из сети не отбирается.
Независимая схема подключения системы теплопотребления - схема присоединения системы теплопотребления к тепловой сети, при которой теплоноситель, поступающий из тепловой сети, проходит через теплообменник, установленный на тепловом пункте потребителя, где нагревает вторичный теплоноситель, используемый в дальнейшем в системе теплопотребления.
Открытая водяная система теплоснабжения - водяная система теплоснабжения, в которой вода частично или полностью отбирается из системы потребителями теплоты [2].
При использовании для учета тепловой энергии теплосчетчиков, тепловычислителей и счетчиков массы (объема), реализующих принцип измерения расхода теплоносителя методом переменного перепада давления (где в качестве сужающего устройства используется диафрагма, сопло или другое сужающее устройство, выполненное в соответствии с требованиями РД50 - 411- 83), узел учета должен быть аттестован в индивидуальном порядке Госстандартом и согласован с Госэнергонадзором.
Каждый прибор учета должен проходить проверку с периодичностью, предусмотренной для него Госстандартом. Приборы учета, у которых истек срок действия проверки и (или) сертификации, а также исключенные из реестра средств измерений, к эксплуатации не допускаются.
Выбор приборов учета для использования на узле учета источника теплоты осуществляет энергоснабжающая организация по согласованию с Госэнергонадзором.
Выбор приборов учета для использования на узле учета потребителя осуществляет потребитель по согласованию с энергоснабжающей организацией.
В случае разногласий между потребителем и энергоснабжающей организацией по типам приборов учета, окончательное решение принимается Госэнергонадзором.
Приборы учета должны быть защищены от несанкционированного вмешательства в их работу, нарушающего достоверный учет тепловой энергии, массы (или объема) и регистрацию параметров теплоносителя.
В Правилах учета тепловой энергии и теплоносителя установлены требования к метрологическим характеристикам приборов учета, измеряющих тепловую энергию, массу (объем) воды, пара и конденсата и регистрирующих параметры теплоносителя для условий эксплуатации, определенных Договором.
Теплосчетчики должны обеспечивать измерение тепловой энергии горячей воды с относительной погрешностью не более:
– 5%, при разности температур между подающим и обратным трубопроводами от 10 до 20 °С;
- 4%, при разности температур между подающим и обратным трубопроводами более 20 °С.
Теплосчетчики должны обеспечивать измерение тепловой энергии горячей пара с относительной погрешностью не более:
– 5%, в диапазоне расхода пара от 10 до 30%;
– 4%, в диапазоне расхода пара от 30 до 100%.
Водосчетчики должны обеспечивать измерение массы (объема) теплоносителя с относительной погрешностью не более:
– 2% в диапазоне расхода воды и конденсата от 4 до 100%.
Счетчики пара должны обеспечивать измерение массы теплоносителя с относительной погрешностью не более:
– 3% в диапазоне расхода пара от 10 до 100%.
Для прибора учета, регистрирующего температуру теплоносителя, абсолютная погрешность Dt, °С, измерения температуры не должны превышать значений, определяемых по формуле:
Dt = ± (0,6 + 0,004*t),
где t температура теплоносителя.
Приборы учета, регистрирующие давление теплоносителя, должны обеспечивать измерение давления с относительной погрешностью не более 2%.
Приборы учета, регистрирующие время, должны обеспечивать измерение текущего времени с относительной погрешностью не более 0,1 % [3].
Одним из тепловычислителей, который может найти применение в системе может стать Тепловычислитель Многофункциональный Микропроцессорный ТВМ-441.
Тепловычислитель многофункциональный микропроцессорный ТВМ-441 (в дальнейшем - тепловычислитель) предназначен для сбора, обработки и регистрации информации о количестве полученной потребителем или выработанной производителем тепловой энергии, температуре, давлении, объеме (массе) теплоносителя и о времени работы в открытых и закрытых водяных системах теплоснабжения при давлениях до 1,6 МПА (16 кгсм2) и температурах до +150 °С.
Область применения - теплоэнергетика, системы коммерческого учета расхода горячей воды и тепловой энергии, автоматизированные систем сбора и обработки данных тепло и водопотребления.
Оборудован энергонезависимым таймером реального времени и обеспечивает вычисление следующих параметров по заданной гидравлической схеме:
– массы теплоносителя в трубопроводах систем теплоснабжения;
– разность температур;
– разность давления;
– потребленной тепловой энергии;
– тепловой мощности.
Производит диагностику датчиков, линий связи и напряжения батареи (аккумулятора), также контроль данных поступающих от датчиков. Информация о неисправностях архивируется и сохраняется в энергонезависимой памяти.
Установочные параметры тепловычислителя вводятся с клавиатуры с ограниченной возможностью доступа, обеспечивается вывод на жидкокристаллический индикатор необходимой информации по требованию, осуществляется установка необходимых параметров с помощью iButton фирмы Dallas Semiconductor, обеспечивается прием необходимых параметров и передача информации по спецификации RS485, RS232. Имеет возможность питания от сети переменного тока 220В 50Гц, обеспечивает передачу необходимой информации с помощью iButton в компьютер, имеет возможность включения в информационную сеть с другими тепловычислителями и компьютером по спецификации RS485, обеспечивает работу в автономном режиме (без внешнего источника питания).
Измерение температуры:
(Для измерения разности температур необходимо использовать подобранные пары датчиков)
– количество измерительных каналов - 4;
– тип температурных датчиков - термометры сопротивления, градуировочные характеристики Pt100 или Pt500;
– диапазон измерения температуры - +1…+150 °С;
– абсолютная погрешность измерения, не более ± (0,2 +0,04t) °С;
– абсолютная погрешность измерения разности температур - не более ± 0.1 °С;
– схема включения датчика - 3-х проводная;
– длина линии связи до датчика, - не более 100м.
Измерение расхода (массы) теплоносителя:
– количество измерительных каналов - 4;
– типы водосчетчиков (расходомеров) (выходной сигнал - импульсный) - ОСВИ Ду 25..40, ВМХ, ВМГ Ду 40…300, ВЭПС-ТИ Ду 20…200, ДНЕПР-7 Ду до 1600 и им аналогичные;
– диапазон измерения расхода (массы) - определяется типом водосчетчика;
– абсолютная погрешность измерения - ± 1 импульс;
– длина линии связи до датчика, не более - 100м.
Измерение давления теплоносителя в трубопроводах:
– количество измерительных каналов - 1;
– типы манометров (выходной сигнал 0-5мА, 0-20мА или 4-20мА) - САПФИР- 22М, САПФИР-100, СТАРТ-400 и им аналогичные;
– диапазон измерения - 0 - 1,6 МПА;
– относительная приведенная погрешность измерения выходного сигнала, не более - ±0,5%;
– длина линии связи до датчика, не более - 100м;
– относительная приведенная погрешность, не более - ±0,01%.
Вычисление тепловой энергии производится при разности температур не менее 0,1°С.
Измерение параметров и их архивация производится с дискретностью по времени 1час.
Время работы тепловычислителя в автономном режиме не менее 1 года.
Тепловычислитель имеет климатическое исполнение УХЛ 4 по ГОСТ 15150. По устойчивости к климатическим воздействиям - группа исполнения В4 по ГОСТ12997 и рассчитан на эксплуатацию при температуре окружающего воздуха от +1 до +50 °С и относительной влажности не более 95%.
Тепловычислитель имеет степень защиты IP65 по ГОСТ 14254.
По устойчивости к механическим воздействиям тепловычислитель относится к виброустойчивому и вибропрочному исполнению группы 1 по ГОСТ12997.
Тепловычислитель устойчив к воздействию внешнего магнитного поля напряженностью до 400А/м, изменяющегося синусоидально с частотой 50 Гц [4].
1.2. Задачи, которые должны решать периферийные устройства системы
На данный момент реализации ТМС выполняет функции телеизмерения и телесигнализации. Проектируемая система является комплексом из трех основных частей:
– аппаратных средств (датчики, радиостанции, преобразователи);
– программного обеспечения для компьютера;
– математического обеспечения, содержащего правила и формулы преобразования информации.
Аппаратно-программный комплекс предназначен для передачи значений контролируемых параметров на значительное расстояние от объектов контроля. Основная задача, которая решается при создании телеизмерительной аппаратуры, заключается в том, чтобы обеспечить возможность измерения как электрических, так и неэлектрических параметров с высокой степенью точности. С этой целью любая измеряемая величина преобразуется в другую, вспомогательную величину, удобную для передачи по каналу связи, которая не искажалась бы каналом связи, не зависела от действия помех и могла передаваться с минимальной затратой энергии.
Система телесигнализации позволяет на расстоянии следить за работой оборудования тепловой насосной станции (состояние насосов) или пунктом учета, а также система должна оповещать диспетчера об аварийных ситуациях, возникающих в том или ином месте, так как обслуживающий персонал отсутствует.
Устройства телесигнализации состоят из передающей и приемной аппаратуры и линии связи. Сигналы в этих устройствах передаются в виде отдельных кодов и классифицируются по назначению. В настоящей телемеханической системе телеизмерения применяется для передачи сигналов служебного назначения, вызова датчиков, воздействия на настройку автоматических регуляторов.
1.3. Возможные пути решения задач периферийными устройствами системы
В связи с наложенными жесткими ограничениями на качество и оперативность передачи измеренных параметров, возможным путем решения вышеперечисленных задач будет являться применение в качестве основного передающего узла однокристальной ЭВМ.
При получении сигнала с диспетчерского пункта на считывание информации с тепловычислителя, микроЭВМ производит считывание требуемых параметров в свою память и после этого транслирует их с помощью модема и радиостанции на диспетчерский пункт.
В такой схеме будет достигнута максимальная защищенность данных от искажений при передаче внутри контроллера, который в основном состоит из однокристальной ЭВМ, которая, как видно из ее названия, выполнена на одном кристалле, и, следовательно, имеет очень высокую надежность.
2. Структурные решения
2.1. Разработка функциональной структуры
Функции системы определяются, исходя из необходимости операций получения, сбора, передачи, обработки , хранения регистрации и представления информации. Поясним некоторые функциональные преобразования телемеханической информации.
Насосная станция представляет собой контролируемый пункт, на котором осуществляется получение информации следующего вида: предупредительной и аварийной, о работе оборудования, о значениях температуры теплоносителя. Полученная информация должна быть преобразована в электрические сигналы, с последующим преобразованием этих сигналов. Далее сигналы преобразуются для передачи их по каналу связи. От каждой насосной станции по своему каналу связи сигналы передаются на диспетчерский пункт, где происходит расшифровка сигналов, производится предварительная обработка и преобразование информации, которая поступает в компьютер. Результаты обработки выдаются на дисплей компьютера или принтер.
На пункте учета тепловой энергии информация от датчиков телеизмерения и телесигнализации поступает в преобразователи информации, в которых эта информация преобразуется в нормализованные электрические сигналы. Эти сигналы по проводным линиям связи передаются на тепловычислитель.
Тепловычислитель производя математические операции по заранее известным формулам для расчета количества теплоты, объема (массы) теплоносителя, по разнице давлений, температур и расходу теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах определяет необходимые параметры.
С тепловычислителя информация байт за байтом поступает на контроллер. Тепловычислитель способен хранить и передавать архив накопленной информации за 40 дней. В архиве хранятся среднесуточные значения параметров. Существует режим передачи мгновенных параметров системы контроля. Вместе с мгновенными параметрами передаются среднечасовые значения.
К контроллеру также подключены датчик защиты от взлома пункта учета тепловой энергии (охранный), пожарной безопасности и датчик затопления. При обнаружении сигнала от одного из этих датчиков контроллер связывается с диспетчерским пунктом и передает сигнал тревоги, по которому операторы должны принять соответствующие меры.
Далее контроллер передает данные на модем, который в свою очередь кодирует сигналы и передает их на радиостанцию, которая, соответственно отправляет эти сигналы в эфир.
На диспетчерском пункте установлена радиостанция для обмена сигналами с пунктом учета тепловой энергии. Большую часть времени радиостанция на диспетчерском пункте находится в режиме “прием”. При этом постоянно анализируется информация, получаемая из эфира. Информация передается сплошным непрерывным потоком байтов, причем в начале каждого цикла измерений восемь байт - идентификатор контроллера, и восемь зарезервированных байт - “пароль”.
Компьютер диспетчерского пункта организует поочередный пунктов учета тепловой энергии, подключенных к телемеханической системе. В течение нескольких секунд компьютер осуществляет обмен информацией только с одной (выбранной им) станцией. В виду того, что диспетчерский пункт объединен с контролируемым пунктом, устанавливается еще устройство ввода информации в компьютер, так как здесь телемеханическая информация не будет передаваться по линии связи. Компьютер обрабатывает принятую и выдает полученную информацию на экран монитора. Кроме того, в памяти компьютера содержится вся информация о работе подключенных к системе, насосных станций в течение 24 часов.
2.2. Разработка технической структуры периферийного устройства
Система для телемеханизации тепловых насосных станций представляет собой комплекс, состоящий из трех частей: аппаратных средств (датчики, радиостанции, преобразователи и т. д.), программного обеспечения для компьютера и контроллеров, математического обеспечения, содержащего правила и формулы преобразования информации. Рассмотрим подробнее на аппаратных средствах.
2.2.1. Датчики
Датчики - это устройства, предназначенные для непрерывного преобразования измеряемых параметров в электрические сигналы, которые могут быть использованы в системе для дальнейшего преобразования и передачи на расстояние. Кроме того, под датчиками будем понимать элементы приборов и технологического оборудования, с помощью которых может быть сформирован электрический сигнал, содержащий информацию о предаварийном или аварийном значении контролируемого параметра или какую-либо другую информацию. При выборе датчиков учитываются следующие факторы:
– допустимую для данной системы погрешность, определяющую класс точности датчика;
– инерционность датчика, характеризуемая его постоянной времени;
– пределы измерения, перекрывающие диапазон возможных значений измеряемого или контролируемого параметра;
– влияние физических параметров контролируемой и окружающей среды на нормальную работу датчика;
– расстояние, на которое может быть передана информация, вырабатываемая датчиком.
На пунктах учета тепловой энергии датчики располагаются в зависимости от особенностей технологического оборудования того или иного пункта. Датчики можно сгруппировать по виду измеряемых параметров.
2.2.1.1. Датчики измерения температуры
Температура - наиболее важный показатель тепловой насосной станции. В соответствии с техническим заданием система должна обеспечивать измерение температуры теплоносителя в подающем трубопроводе, а также в обратном трубопроводе. Кроме того, контроль перегрева подшипников насосов и электродвигателей также целесообразно осуществлять путем измерения температуры.
Наиболее распространены термопары, термопреобразователи сопротивления, полупроводниковые терморезисторы, кремниевые (в том числе и интегральные) термодатчики. Для измерения температуры теплоносителя целесообразно применить термопреобразователи сопротивления медные типа ТСМ-6097. Также может быть применен малогабаритный, малоинерционный терморезистор СТЗ-25, СТ-28, ТП-5, ПТР. Так как предполагается, что в насосной станции не будет обслуживающего персонала, то в целях повышения надежности аппаратно-программного комплекса целесообразен постоянный контроль температуры воздуха в насосной. Для этого может быть выбран термометр сопротивления медный типа ТСМ-8006.
Терморезистор сопротивления обладает следующими преимуществами: обеспечивает приемлемую линейность, точность измерения до 0.1° С, диапазон измерений от - 200° С до + 600° С, коэффициент преобразования Кпр=0.1...10 мс. Однако термометры сопротивления требуют многих элементов сопряжения, высококачественную линию связи. Кроме того, они имеют значительные габариты, массу, инерционность. При применении любого термодатчика необходимо в комплекте с ним применять промежуточный преобразователь, предназначенный для преобразования сигнала термодатчика в унифицированный сигнал постоянного тока 0-5 мА или напряжение 10В. Принцип действия преобразователя основан на статической автокомпенсации. Сигнал от термометра поступает на измерительный мост и далее на входной усилитель, выполненный по схеме модулятор-демодулятор. Демодулированный сигнал усиливается выходным усилителем постоянного тока, выходной сигнал которого поступает на нагрузку и устройство обратной связи. Входные и выходные цепи не имеют гальванической связи с цепями питания и между собой.
Все типы преобразователей являются одноканальными, то есть для каждого термометра должен использоваться свой преобразователь. Лучшие характеристики имеет преобразователь типа Ш705: основная погрешность - 0.5-1.12%, сопротивление линий связи с термопреобразователем - 10 Ом, потребляемая мощность - 11В, быстродействие -0.5 с, габаритные размеры - 60*160*350, масса - 3.5 кг. Следовательно, его применение в телемеханической системе наиболее эффективно.
2.2.1.2. Датчики для измерения давления
Давление - параметр, который характеризует протекание процессов на ТНС. При выборе датчиков давления руководствуются требованием преобразования величины давления в унифицированный выходной сигнал. Существует несколько различных типов датчиков:
– датчики давления с мембранами (прогибы мембраны преобразуются в изменения сопротивления резистора или в изменение индуктивности обмоток выходного преобразователя);
– датчики давления с мембранами и пьезоэлементами (возникновение электрических зарядов на рабочих гранях пьезоэлемента при приложении к нему давления);
– датчики давления с мембранами и тензометрическими преобразователями (давление, приложенное к мембране, преобразуется в изменение сопротивления тензоэлемента);
– емкостные датчики давления (давление, приложенное к мембране, преобразуется в изменение сопротивления тензоэлемента);
– датчики давления с манометрическими трубчатыми пружинами. Сравнительный анализ датчиков давления с различными принципами действия показал, что наиболее целесообразно в телемеханической системе применить датчики давления типа Сапфир-22ДИ, принцип действия которого основан на прогибе металлической мембраны (чувствительный элемент), который сначала преобразуется в изменение сопротивления потенциометра, а затем последнее - в ток на выходе датчика.
2.2.1.3. Датчик пожарной сигнализации
В настоящее время используются системы автоматического обнаружения пожара по трем факторам: теплу, дыму, пламени. Наиболее распространены тепловые пожарные извещатели следующих типов:
– максимального действия, срабатывающие при превышении температурой расчетной величины;
– максимально-дифференциальные, объединяющие свойства извещателей максимального и дифференциального типов;
– дифференциальные, реагирующие на быстрое повышение температуры.
Все существующие тепловые извещатели обнаруживают пожар, когда он достигает значительных размеров. Время обнаружения пожара позволяет снизить использование пожарных извещателей, формирующих сигнал пожарной тревоги при появлении пульсации температуры конвективного потока над очагом пожара. Такой извещатель отвечает следующим требованиям: реагирует на переменную составляющую колебаний температуры в определенном частотном диапазоне, не выдает сигналов тревоги при воздействии мешающих факторов, создаваемых работой оборудования. Для повышения надежности системы пожарной сигнализации в телемеханической системе установлены дополнительные датчики дыма.
2.2.1.4. Датчики охранной сигнализации
Должны обеспечивать неприкосновенность пункта учета тепловой энергии. Возможно применение следующих систем охраны: шлейфового типа, на базе инфракрасных световых передатчиков и приемников, на базе радиоволн, на базе ультразвука. Наиболее простая и дешевая система шлейфового типа. В ней используются замыкающие или размыкающиеся электрические контакты, то есть электрическая цепь замыкается или размыкается механическим способом. Шлейф образуется из полосок свинцовой фольги, наклеиваемой по периметру замкнутого пространства, в котором находится пункт учета тепловой энергии. Шлейф соединяется с преобразователем охранной сигнализации. При обрыве шлейфа на выходе преобразователя охранной сигнализации появляется сигнал тревоги, поступающий в передающую аппаратуру ТМС для передачи сигнала на диспетчерский пункт. В состав системы охранной сигнализации введен выключатель входа-выхода, приводящий к задержке на несколько секунд в действии системы и позволяющий входить и выходить из охраняемого объекта, не вызывая сигнала тревоги. Сигнал тревоги, поступивший на диспетчерский пункт с охраняемого объекта, может отменить только прибывший на тепловую насосную станцию обслуживающий персонал.
2.2.1.5. Датчики для сигнализации затопления приямка сетевых труб
Возможно применение двух вариантов датчиков: поплавкового и реле уровня. В настоящее время существуют поплавковые датчики заводского изготовления, например, датчик уровня РО-1. Возможна настройка на четыре значения уровня воды. Реле уровня основано на замыкании контакта при соприкосновении с жидкостью. Существуют следующие видов таких реле: РОС-101-011, РОС-101011И, РОС-101021, РМ-51.
Для контроля за данным параметром эффективным будет использование датчика с контактными электродами (реле уровня), так как он прост, дешев и надежен.
2.2.2. Линии связи
Для передачи телемеханических сигналов каждый комплект телемеханической аппаратуры пункта учета тепловой энергии должен соединяться с аппаратурой ДП линией связи того или иного вида. В состав канала связи входят кодирующая и декодирующая аппаратура, формирователь канальных сигналов, модулятор и демодулятор, а также линия связи. Такое обобщенное представление тракта передачи информации позволяет рассматривать различные модели каналов связи с учетом действующих помех, представлять свойства или характеристики каналов определенными функциональными зависимостями, которые учитывают информационные соотношения между входным и выходным множествами сигналов.
Линии связи являются основным, наиболее характерным и определяющим звеном системы передачи информации. От ее состояния, прежде всего, зависит надежность действия всей ТМС в целом. Свойства, параметры и характеристики линии связи, а также их стабильность во времени и при изменении внешних условий определяют энергетические требования, предъявляемые к сигналу, оказывают влияние на его формирование и на используемые методы передачи, на принципы построения схемных решений приемопередающей аппаратуры.
Все линии связи можно разделить на два больших класса: проводные и беспроводные. Проводные линии по исполнению подразделяют на воздушные и кабельные. Для кабельных линий связи применяют специальной конструкции систему металлических проводов - кабель, в которую входят кроме различного числа пар проводов с соответствующими скрутками их в четверки и объединением в повивы, дополнительные средства повышения механической и электрической прочности: специальная изоляция, экраны, различные покрытия. Для проводных линий свойственен электрический процесс (движение свободных электронов), который используется в качестве переносчика. Сооружение проводных линий требует затрат, превосходящих в большинстве случаев затраты на аппаратуру телемеханики.
Беспроводные линии связи, как естественно существующие физические среды, подразделяют на радио и гидравлические линии. Радиолинией, для которой характерен процесс распространения электромагнитных волн, принято называть околоземное и космическое пространство. Реально используемый диапазон частот для излучения электромагнитной энергии определяется частотами 3*10 -3*10 Гц. В последние годы были созданы генераторы оптического излучения - лазеры, возбуждающие электромагнитные колебания с частотами от 3*10- 3*10 Гц. Существующая специфика излучения в этом диапазоне обусловила его выделение в так называемую оптическую линию связи. В настоящее время широко распространены следующие виды линий связи:
– воздушные или кабельные проводные линии;
– радиолинии;
– линии энергоснабжения, используемые для организации каналов связи телемеханической системы;
– каналы связи, организуемые на линиях городской телефонной сети (ГТС);
– оптические линии связи.
Общим требованием, предъявляемым к каналам связи, является обеспечение максимальной скорости передачи сообщений при минимальных искажениях, вызываемых неисправностями аппаратуры и действием помех [5].
Рассмотрим линии связи относительно их применения в проектируемой телемеханической системе.
Проводные линии связи. Сооружение воздушных проводных линий связи в условиях крупного города практически осуществить невозможно. Прокладка кабельных линий связи потребует многочисленных согласовании с владельцами многочисленных коммуникаций города. При эксплуатации проводных линий связи высока вероятность их повреждения. Кроме того, стоимость как воздушной, так и кабельной линии связи, при современных ценах на материалы и строительно-монтажные работы, была бы чрезмерно высокой. Поэтому, даже учитывая то, что воздушные и кабельные линии отвечают критерию эффективности, их использование в существующих условиях нецелесообразно.
Радиолинии. В настоящее время радиолинии - один из распространенных видов связи, используемый для передачи сигналов различного назначения и характера. Характеристики радиолинии, в первую очередь, определяются значениями частот (длинами волн), выбранными для организации радиоканалов. Наиболее важное значение имеют локальность связи, надежность передачи сигналов, помехоустойчивость. Локальность связи заключается в том, чтобы система, работающая на данной радиолинии, не оказывала влияния на все посторонние приемники, а передатчики этих посторонних систем не должны влиять на приемники данной системы. Этим требованиям лучше всего удовлетворяет ультразвуковой диапазон (УКВ). К этому диапазону относят электромагнитные волны, длина которых меньше 10 метров. Применение УКВ для целей связи объясняется следующими факторами:
1) диапазон УКВ очень широк. В этом диапазоне, не учитывая миллиметровых волн, можно без взаимных помех разместить более 10000 систем по 600 каналов в каждой;
2) связь на УКВ отличается высокой устойчивостью и надежностью, а также отсутствием атмосферных и промышленных помех;
3) мощность передатчиков УКВ может быть небольшой, так как антенные устройства этого диапазона имеют сравнительно небольшие размеры и выполняются остронаправленными.
Линии электроснабжения, используемые для организации каналов связи ТМС. Высоковольтные линии электропередач (ЛЭП) и распределительные электрические сети (РЭС) используются в некоторых ТМС в качестве линий связи. В этом случае передача телемеханической информации осуществляется высокочастотными сигналами, то есть на ЛЭП и РЭС организуется высокочастотный канал связи (на частотах тысяч и десятков тысяч Гц). Применение высокочастотных каналов телемеханики на ЛЭП и РЭС дает большой экономический эффект, так как отпадает необходимость в сооружении собственной линии связи.
Путем применения высокочастотных перемычек, обеспечивающих обход силовых трансформаторов, в одной системе могут использоваться одновременно как ЛЭП, так и РЭС. Такие линии, построенные в соответствии с требованиями к подобным сооружениям, имеют высокую электрическую и механическую прочность, что обуславливает надежность тракта передачи телемеханических сигналов. Для организации высокочастотной линии связи на ЛЭП и РЭС используется дорогостоящий набор технических средств: аппаратура присоединения, высокочастотные заградители, высокочастотные перемычки - для обхода силовых трансформаторов.
Структура ЛЭП и РЭС Солнечного и Приволжского микрорайонов характеризуется высокой разветвленностью и многочисленными потребителями, что привело бы к необходимости применения большого числа технических средств организации высокочастотной линии связи, а, следовательно, к высокой стоимости сооружения и эксплуатации этих линий. Следует отметить, что обслуживание канала связи усложняется высокими напряжениями ЛЭП и РЭС. На основании этого можно сделать вывод о нерациональности использования таких линий связи в данной телемеханической системе.
Каналы связи, организуемые на линиях городской телефонной сети. Возможны два способа организации каналов связи на линиях ГТС. Первый способ заключается в использовании в системе некоммутируемых телефонных пар в телефонных кабелях, то есть пар, на длительное время закрепленных за телемеханической системой. Второй способ основан на соединении коммутируемых линий, то есть соединения двух абонентов происходит как при обычном наборе телефонного номера.
Проанализируем оба способа:
1) использование некоммутируемых пар в телефонных кабелях. В этом случае пары жил постоянно соединяют контролируемую тепловую насосную станцию с диспетчерским пунктом. В том случае, если КП и ДП могут быть подключены друг к другу через одну или несколько АТС, то на этих АТС должны быть установлены постоянные перемычки, соединяющие соответствующие жилы между собой. Выделенные пары проводов в кабелях ГТС используют только в телемеханике тепловых сетей. Использование проводов кабелей ГТС является эффективным способом организации канала связи для данной ТМС по следующим причинам: исключается необходимость в капитальных затратах на сооружение или организацию линий связи, а также снимается вопрос о поддержании линии связи в работоспособном состоянии;
2) использование коммутируемых пар. В этом случае дополнительные пары не требуются, и система телемеханики использует те телефонные пары, которые введены в ТНС для телефонной связи. В этом случае телемеханическая аппаратура насосной станции для передачи информации на ДП через ГТС организует соединение двух пунктов: ДП и КП. Если соединение состоялось, то телемеханическая информация передается. Достоинство: нет необходимости в дополнительно постоянно выделенных коммутируемых парах. Недостаток: передача информации полностью зависит от быстроты соединения двух пунктов. В принципе, применение коммутируемых пар возможно.
Оптические линии связи. В этом случае передача информации осуществляется световым лучом. Может использоваться передающая среда двух видов: атмосфера или оптоволоконный кабель. Для оптических линий, использующих атмосферу, характерны:
– высокая стоимость аппаратуры для организации канала;
– значительные эксплуатационные расходы;
– зависимость характеристик оптического канала от ряда случайных факторов.
Использование оптоволоконного кабеля сопряжено с большими затратами на его приобретение, трудностями с прокладкой в условиях крупного города, стоимостью приемопередающей аппаратуры, высокой вероятностью повреждения кабеля. Использование оптической линии связи в проектируемой ТМС не рационально.
В данной ТМС применены радиолинии в диапазоне УКВ частот. Так как расстояние между КП и ДП небольшие, то предполагается применить радиостанцию, обеспечивающую дальность передачи сигналов до 15 километров. Этому требованию удовлетворяет радиостанция “Лен”, изготавливаемая в Белоруссии. Ее дальность передачи составляет 10 километров.
2.2.3. Модем
Модем предназначен для преобразования последовательного цифрового кода в частотно-манипулированный сигнал (и обратно), пригодный для передачи по физическому каналу на значительное расстояние. Модем работает над преобразованием последовательного цифрового кода в частотно-манипулированный сигнал или частотно-манипулированного сигнала в последовательный цифровой код в зависимости от того, в какую сторону идут данные. Если данные приходят в модем из физической линии, то идет процесс преобразования частотно-манипулированного сигнала в последовательный цифровой код, т.е. демодуляция. Если модем сам передает данные в линию, то идет процесс преобразования последовательного цифрового кода в частотно-манипулированный сигнал, т.е. модуляция.
Модемы подразделяются по скорости модуляции-демодуляции. Современные модемы способны передавать и принимать данные со скоростью 56,6 Кб/сек [6].
В данном проекте такая высокая скорость не нужна, т.к. передается относительно малый объем информации, к тому же стоимость высокоскоростных модемов велика, поэтому используется модем со скоростью обмена данными 2400 байт/сек.
2.3. Структурные решения по программному обеспечению периферийного устройства
Периферийное устройство (контроллер) содержит в себе однокристальную ЭВМ, которая имеет свой внутренний язык ассемблер. На этом языке реализовано программное обеспечение для контроллера. Это программное обеспечение позволяет по сигналу из диспетчерского пункта считывать данные с тепловычислителя и направлять их на модем, который генерирует импульсы и посылает их на радиостанцию. В случае пожара, взлома или затопления пункта учета тепловой энергии, контроллер получает соответствующий сигнал и производит соединение с диспетчерским пунктом, и сообщает об аварии.
На диспетчерском пункте находится компьютер, через который производится слежение за параметрами на пунктах учета тепловой энергии. На компьютере есть программа написанная на языке высокого уровня, которая обеспечивает оператору интерактивный интерфейс с периферийным устройством и позволяет посылать контроллеру различные команды. Программа содержит в себе математический аппарат для расчета, учета, архивирования и хранения необходимых параметров.
3. Разработка периферийного устройства
3.1. Выбор элементной базы
В настоящее время стремительно развивается микроэлектроника и микропроцессорные системы. В этих областях, как ни в каких других, находят свое широкое применение высокие технологии, быстрее всего внедряются новые технические решения, новые технологии, растет мощность вычислительных элементов с одновременным уменьшением их размеров. Для данного проекта было выбрано одно из таких решений - микроконтроллер AT90S1200, фирмы Atmel. Ниже я постараюсь привести доказательства правильности своего выбора.
Логотип фирмы Atmel в настоящее время уже достаточно хорошо известен российским техническим специалистам в области микроэлектроники. Основанная в 1984 году, фирма Atmel Corp., США, определила сферы приложений для своей продукции как телекоммуникации и сети, вычислительную технику и компьютеры, встраиваемые системы контроля и управления, бытовую технику и автомобилестроение. Atmel сегодня - это прогрессивная компания, выпускающая сложные изделия современной микроэлектроники; это один из признанных мировых лидеров в производстве широкого спектра устройств энергонезависимой памяти высокого быстродействия и минимального удельного энергопотребления, микроконтроллеров общего назначения и микросхем программируемой логики от простейших устройств PAL и GAL до микросхем СБИС CPLD и FPGA. Достаточно сказать, что практически все базовые кристаллы промышленного стандарта MCS51 фирмы Intel успешно заменены прямыми аналогами семейства AT89 фирмы Atmel. Эти скоростные, полностью статические 8-разрядные КМОП микроконтроллеры с многократно модифицируемой Flash-памятью программ, низким энергопотреблением и широким диапазоном допустимых напряжений питания, аппаратно и программно совместимы с соответствующими микроконтроллерами Intel и пользуются заслуженной популярностью у разработчиков и производителей электронной аппаратуры.
Однако, хочется подробнее познакомиться с еще одним крайне интересным направлением современной микроэлектроники, активно развиваемым фирмой Atmel. Это новое семейство высокопроизводительных 8-разрядных RISC (Reduced Instruction Set Computers) микроконтроллеров общего назначения, объединенных общей маркой AVR [7].
Замысел создания AVR родился в исследовательском центре Atmel в Норвегии. Группа разработчиков (инициалы некоторых из них, кстати, и сформировали марку "AVR": Alf Bogen / Vergard Wollan / Risc architecture) предложила ряд идей, которые легли в основу концепции AVR - микроконтроллеров:
1) использовать новейшую, наиболее скоростную и экономичную КМОП технологию фирмы Atmel в сочетании с RISC архитектурой для разработки и производства быстрых 8- разрядных микроконтроллеров, сравнимых с 16-разрядными микропроцессорами и микроконтроллерами по производительности и превосходящих микросхемы стандартной КМОП логики по скорости. Ожидаемая производительность - до 20 MIPS на частоте 20 МГц, что всего на 30% меньше, чем у Intel KU80386EXTC-25 при операциях типа "регистр - регистр". Время выполнения короткой команды на такой тактовой частоте составляет 50 нс;
2) разрабатывать архитектуру и систему команд AVR в теснейшем согласии с принципами языка Си так, чтобы аппаратная часть нового микроконтроллера и его система команд были неотъемлемыми частями одного целого и использовались с максимальным к.п.д. Хорошо известно, что в 1990-е годы языки программирования высокого уровня стали стандартным инструментом при создании программного обеспечения для встраиваемых микроконтроллеров. Существенно сокращается время разработки проектов и, соответственно, снижается их стоимость, а также облегчается создание универсальных средств поддержки разработок. Недалеким от истины будет и утверждение, что язык Си является наиболее популярным и эффективным средством для программирования микроконтроллеров. Система команд AVR разрабатывалась при непосредственном участии экспертов по языку Си и учитывает все основные особенности стандарта ANSI C. Результат налицо: компиляция исходных текстов, написанных на Си, осуществляется быстро и дает компактный, эффективный код. Конечно, можно работать и на Ассемблере для еще большего выигрыша в плотности упаковки конечного программного кода, но теперь у разработчика есть разумная альтернатива;
3) функционально расширить микроконтроллер возможностью программирования в системе (ISP) путем объединения Flash-технологии фирмы Atmel со стандартным скоростным последовательным интерфейсом (SPI). Это позволяет многократно модифицировать программу не только с помощью обычного программатора, но и непосредственно в системе, в конечном устройстве пользователя. При этом не требуется вводить никаких дополнительных аппаратных узлов и вспомогательных источников питания.
Результатом явилось появление нового, очень дешевого, скоростного, легкого в освоении и использовании семейства AT90S 8-разрядных микроконтроллеров марки AVR. Они представляют собой мощный инструмент, базу для создания современных высокопроизводительных и экономичных контроллеров многоцелевого назначения. Так, например, AVR
Что же представляет собой микроконтроллер AT90S1200? Как он устроен и какова его архитектура? Начнем знакомство с аппаратных возможностей:
– диапазон напряжений питания, В - 2,7 - 6,0;
– тактовая частота, МГц - 0-16;
– количество линий ввода/вывода (max) - 15;
– количество инструкций - 89;
– объем Flash ROM, байт - 1К;
– объем EEPROM, байт - 64;
– количество таймеров/счетчиков - 1;
– аналоговый компаратор - есть;
– SPI (загрузка ROM и EEPROM) - есть;
– сторожевой таймер - есть;
– количество битов защиты - 2;
– число режимов энергосбережения - 2;
– число источников прерывания: внутренних/внешних - 2/1;
– тип корпуса - DIP28, SOIC28, SSOP28.
AT90S1200 имеют Flash-память программ ROM объемом 1K, которая может быть загружена как с помощью обычного программатора, так и посредством SPI интерфейса. Число циклов перезаписи ROM - не менее 1000. Два программируемых бита секретности позволяют защитить память программ от несанкционированного считывания. AT90S1200 имеют также блок энергонезависимой электрически стираемой памяти данных EEPROM объемом 64 байта. Этот тип памяти, доступный программе микроконтроллера непосредственно в ходе ее выполнения, удобен для хранения промежуточных данных, различных констант, таблиц перекодировок, калибровочных коэффициентов и т.п. EEPROM может быть загружена извне как через SPI интерфейс, так и с помощью обычного программатора. Число циклов перезаписи - не менее 100000.
Перечислим периферийные устройства AVR:
– таймер/счетчик, разрядность 8 бит;
– скоростной последовательный интерфейс SPI;
– встроенная система сброса микроконтроллера;
– асинхронный дуплексный последовательный порт UART;
– контроллер прерываний;
– внутренний тактовый генератор;
– сторожевой (WATCHDOG) таймер.
Внутренний тактовый генератор может запускаться от внешнего источника опорной частоты, от внешнего кварцевого резонатора или от внутренней RC-цепочки. Поскольку все AVR полностью статические, минимальная допустимая частота ничем не ограничена (вплоть до пошагового режима). Максимальная рабочая частота определяется конкретным типом микроконтроллера. Ограничения верхней границы частотного диапазона связаны с технологическими проблемами при производстве микросхем и будут устранены в последующих версиях кристаллов. В настоящее время контроллер AT90S1200 версии "F" может работать на частоте 16 МГц при комнатной температуре, а ограничение 12 МГц действует во всем температурном диапазоне [7].
Если времязадающим элементом для тактового генератора AVR является внутренняя RC-цепочка, то частота, на которой работает микроконтроллер, фиксирована и составляет 1 МГц. Это значение приближенное и изменяется в зависимости от величины напряжения питания и температуры корпуса. Выбор источника тактовой частоты (внутренний/внешний) программируется, правда только с помощью внешнего программатора. Как правило, AVR поставляются с фабрики уже "испеченными" для работы от внешнего источника опорной частоты, но можно заказать и другие. При этом в аббревиатуре микроконтроллера появляется литера "A", указывающая на то, что тактовый генератор данного кристалла функционирует от встроенной RC-цепочки, например, AT90S1200A-12PC. Запрограммировать микроконтроллер AT90S1200 на работу от внутреннего RC-генератора через последовательный порт SPI невозможно.
Сторожевой таймер предназначен для защиты микроконтроллера от сбоев в процессе работы. Он имеет свой собственный RC-генератор, работающий на частоте 1 МГц. Как и для основного внутреннего RC-генератора, значение 1 МГц является приближенным и зависит прежде всего от величины напряжения питания микроконтроллера и от температуры.
Порты ввода/вывода AVR имеют число независимых линий "Вход/Выход" от 5 до 32. Каждый разряд любого порта может быть запрограммирован на ввод или на вывод информации. Мощные выходные драйверы обеспечивают типовую токовую нагрузочную способность 20 мА на линию порта (втекающий ток) при максимальном значении 40 мА, что позволяет, например, непосредственно подключать к микроконтроллеру светодиоды и биполярные транзисторы. Общая токовая нагрузка на все линии одного порта не должна превышать 80 мА. Все значения приведены для напряжения питания 5В.
AVR работают в широком диапазоне питающих напряжений от 2,7 В до 6,0 В. Ток потребления в активном режиме зависит от величины напряжения питания и частоты, на которой работает микроконтроллер, и составляет менее 1 мА для 500 кГц, 5...6 мА для 5МГц и 8...9 мА для частоты 12 МГц. AVR также могут быть переведены программным путем в один из двух режимов пониженного энергопотребления. Первый - режим холостого хода (IDLE), когда прекращает работу только процессор и фиксируется содержимое памяти данных, а внутренний генератор синхросигналов, таймеры, система прерываний и сторожевой таймер продолжают функционировать. Ток потребления здесь не превышает 2,5 мА на частоте 12 МГц. Второй - режим микропотребления (SLEEP), когда сохраняется содержимое регистрового файла, но останавливается внутренний генератор синхросигналов. Выход из режима SLEEP возможен либо по сигналу сброса, либо от внешнего источника прерывания. При включенном сторожевом таймере ток потребления в этом режиме составляет около 80 мкА, а при выключенном - менее 1мкА. (Все вышеприведенные значения справедливы для напряжения питания 5 В).
Температурные диапазоны работы микроконтроллеров AVR - коммерческий (0...70С) и индустриальный (-40...+85С).
С точки зрения программиста AVR представляет собой 8-разрядный RISC микроконтроллер, имеющий быстрый Гарвардский процессор, память программ, память данных, порты ввода/вывода и интерфейсные схемы.
Гарвардская архитектура AVR реализует полное логическое и физическое разделение не только адресных пространств, но и информационных шин для обращения к памяти программ и к памяти данных. Способы адресации и доступа к ним также различны. Такое построение уже ближе к структуре скоростных цифровых сигнальных процессоров и обеспечивает существенное повышение производительности за счет:
а) одновременной работы центрального процессора как с памятью программ, так и с памятью данных;
б) расширения до 16 бит разрядной сетки шины данных памяти программ. Следующим шагом на пути увеличения быстродействия AVR является использование технологии конвейеризации, вследствие чего цикл "выборка - исполнение" команды может быть заметно сокращен, повышая тем самым производительность процессора. Например, у микроконтроллеров семейства MCS51 короткая команда выполняется за 12 тактов генератора (1 машинный цикл), в течение которого процессор последовательно считывает код операции и исполняет ее. В PIC-контроллерах фирмы Microchip уже реализована конвейерная обработка. Короткая команда выполняется у них в течение 8 периодов тактовой частоты (2 машинных цикла). За это время последовательно дешифрируется и считывается код операции, исполняется команда, фиксируется результат и одновременно считывается код следующей операции (конвейер). Поэтому одна короткая команда в общем потоке реализуется за 4 периода тактовой частоты или за один машинный цикл. В микроконтроллерах AVR тоже используется одноуровневый конвейер при обращении к памяти программ и короткая команда в общем потоке выполняется, как и в PIC-контроллерах, за один машинный цикл. Главное же отличие состоит в том, что этот цикл у AVR длится всего один период тактовой частоты по сравнению с четырьмя у PIC.
Следующая отличительная черта архитектуры микроконтроллеров AVR -регистровый файл быстрого доступа. Каждый из 32-х регистров общего назначения длиной 1 байт непосредственно соединен с арифметико-логическим устройством (ALU) процессора. Это означает, что в AVR существует 32 регистра-аккумулятора. Это позволяет в сочетании с конвейерной обработкой выполнять одну операцию в ALU за один машинный цикл. Например, два операнда извлекаются из регистрового файла, выполняется команда и результат записывается обратно в регистровый файл в течение только одного машинного цикла!
Шесть из 32-х регистров файла могут использоваться как три 16-разрядных указателя адреса при косвенной адресации данных. Один из этих указателей применяется также для доступа к таблицам перекодировок, записанных в памяти программ микроконтроллера. Использование трех 16-битных указателей существенно повышает скорость пересылки данных при работе прикладной программы.
Во время переходов к выполнению процедур обработки прерываний или подпрограмм текущее состояние программного счетчика сохраняется в стеке. Только у AT90S1200 стек реализован аппаратно с глубиной вложений, равной 3. Во всех остальных типах AVR микроконтроллеров стек формируется программно и располагается в общем адресном пространстве оперативной памяти данных. 16-разрядный указатель стека находится в общем адресном пространстве оперативной памяти и доступен для чтения и записи.
Система команд AVR весьма развита и насчитывает 89 различных инструкций. Почти все команды имеют фиксированную длину в одно слово (16 бит), что позволяет в большинстве случаев объединять в одной команде и код операции, и операнд(ы). Различают пять групп команд AVR: условного ветвления, безусловного ветвления, арифметические и логические операции, команды пересылки данных, команды работы с битами. По разнообразию и количеству реализованных инструкций AVR больше похожи на CISC, чем на RISC процессоры. Например, у PIC-контроллеров система команд насчитывает от 33 до 58 различных инструкций, а у MCS51 она составляет 111.
В целом, архитектура AVR в сочетании с регистровым файлом и расширенной системой команд позволяет в короткие сроки создавать программы с очень эффективным кодом как по скорости его выполнения, так и по компактности.
Наше краткое знакомство с новым микроконтроллерным семейством было бы неполным, если не упомянуть о имеющихся средствах поддержки разработок для AVR. Программные и аппаратные средства для новой платформы разрабатывались параллельно с самими микроконтроллерами и включают в себя компиляторы, внутрисхемные эмуляторы, отладчики, программаторы, простейшие отладочные платы-конструкторы практически на любой вкус.
Подводя итог всему вышесказанному, хочется верить, что я как разработчик привел убедительные доводы в пользу выбранной мной элементной базы. Многие отечественные специалисты уже по достоинству оценили высокую скорость работы и мощную систему команд AVR, наличие двух типов энергонезависимой памяти на одном кристалле и развивающуюся периферию. Немаловажную роль в этом сыграла и открытая политика Atmel в вопросе развития разнообразных, доступных средств поддержки разработок. Это позволяет разработчикам и производителям электронной техники надеяться на сохранение полноценной поддержки для перспективной линии AVR и в будущем, закладывая микроконтроллеры семейства AT90S в свои новые изделия. В сочетании со всеми аппаратными и программными достоинствами низкая цена на микроконтроллер явилась решающим фактором в выборе оного.
3.2. Разработка принципиальной схемы контроллера
Плата контроллера состоит из 2 разъемов, 5 микросхем MAX 232 (DD1..DD5) - микросхем преобразования сигналов ТТЛ уровня в сигналы уровня интерфейса RS-232 и наоборот и микроконтроллера AT90S1200 (DD6).
Сигналы с модема поступают на разъем Х1 контроллера. После этого они поступают на одну из микросхем преобразования сигналов ТТЛ уровня в сигналы уровня интерфейса RS-232, а потом на микроконтроллер DD6, где проходят дальнейшую обработку. В зависимости от того какая команда придет в микроконтроллер DD6, может быть произведена либо запись, либо чтение по заданному адресу. Тоже самое происходит и со стороны тепловычислителя: микроконтроллер обменивается командами с тепловычислителем через одну из микросхем DD4..DD5, т.к. тепловычислитель сопрягается с другими устройствами по интерфейсу RS-232, а микроконтроллер работает с сигналами ТТЛ уровня.
К микроконтроллеру также приходят сигналы от датчиков пожара, затопления и от охранного датчика. По сигналам от этих датчиков происходит автоматический дозвон до диспетчерского пункта и выдается соответствующее сообщение на дисплей диспетчеру, который должен предпринять меры по устранению причин, вызвавших этот сигнал.
3.3. Проектирование печатной платы контроллера
3.3.1. Определение общих требований к печатной плате
По конструкции печатные платы (ПП) делятся на следующие типы: односторонние (ОПП), двусторонние (ДПП) и многослойные (МПП). При выборе типа ПП для разрабатываемой конструкции следует учитывать технико-экономические показатели.
ОПП представляют собой диэлектрическое основание с отверстиями, пазами, вырезами и т. п., на одной стороне которого выполнен проводящий рисунок, а на другой при сборке размещают интегральные микросхемы (ИМС) и электрорадиоэлементы (ЭР-Э).
В связи с ограниченной площадью для трассировки рисунка схемы такие ПП применяют для простых электронных устройств бытового и вспомогательного назначения. Наиболее просты по конструкции и дешевы в изготовлении ОПП без металлизированных отверстий. Более сложны, но и более надежны в эксплуатации платы с металлизированными с помощью пистонов отверстиями.
ДПП имеют проводящий рисунок на обеих сторонах диэлектрического основания. Необходимые соединения печатных проводников разных сторон ДПП выполняют с помощью проволочных перемычек, металлизированных отверстий, контактных площадок. Такие платы позволяют реализовать более сложные схемы и имеют наиболее широкое применение при изготовлении узлов электронных схем. Менее распространенные ДПП на металлическом основании с нанесенным на него электроизоляционным покрытием имеют лучший теплоотвод, что существенно при большой мощности навесных элементов.
МПП состоят из чередующихся слоев изоляционного материала и проводящего рисунка. Между проводящими слоями в структуре плат могут быть или отсутствовать межслойные соединения. Существует достаточно большое разнообразие конструктивно-технологических разновидностей МПП в зависимости от наличия и характера межслойных соединений. Наибольшее распространение среди них получили МПП с металлизацией сквозных отверстий, которые не имеют ограничения на число слоев (оптимальное число до 12) и пригодны для установки элементов как со штыревыми, так и с планарными выводами. Предпочтительность использования МПП этого типа обусловлена сравнительно высокой плотностью монтажа, хорошим качеством межслойных соединений, удовлетворительной ремонтоспособностью, возможностью автоматизации и механизации как процессов изготовления самих плат, так и сборки на них узлов.
В зависимости от сложности реализуемой электрической схемы и применяемой элементной базы выбирают конструктивное исполнение платы, число слоев и плотность проводящего рисунка схемы. При выборе числа слоев платы следует иметь в виду, что наименее трудоемки и просты в изготовлении ОПП без металлизированных отверстий и приблизительно равны по затратам ОПП и ДПП о металлизированными отверстиями. Наиболее сложны и трудоемки в изготовлении МПП, число слоев которых ограничено предельно допустимым соотношением между диаметром металлизированных отверстий и толщиной платы (не менее 0,33). Ориентировочно соотношение трудоемкости изготовления ОПП без металлизированных отверстий, ДПП и МПП составляет 1:4:20.
По точности выполнения элементов (согласно ГОСТ 23751 - 86) конструкции ПП делятся на пять классов. Класс точности указывают на чертеже ПП.
Под элементами конструкции ПП подразумеваются элементы проводящего рисунка.
Печатные платы 1-го и 2-го классов точности наиболее просты в исполнении, надежны в эксплуатации и имеют минимальную стоимость. Печатные платы 3-го, 4-го и 5-го классов точности требуют использования высококачественных материалов, инструмента и оборудования, ограничения габаритных размерен, а в отдельных случаях и особых условий при изготовлении.
Габаритные размеры ПП должны соответствовать ГОСТ 10317 - 79. Размеры каждой стороны ПП должны быть кратными:
– 2,5 мм - при длине до 100 мм;
– 5,0 мм - при длине до 350 мм;
– 10,0 мм - при длине более 350 мм.
Рекомендуется разрабатывать ПП простой прямоугольной формы. Конфигурацию, отличную от прямоугольной, следует применять только в технически обоснованных случаях.
Соотношение линейных размеров сторон ПП должно быть не более 3:1. Допускается увеличение этого соотношения по согласованию с заказчиком.
Согласно ОСТ 25.931 - 80 рекомендуются размеры ПП на вновь разрабатываемые и модернизируемые изделия. Максимальные размеры ПП и (или) рабочего поля групповой установки должны быть не более 470 мм. Допуски на линейные размеры сторон ПП должны соответствовать ГОСТ 25346 - 82 и ГОСТ 25347 - 82. Сопрягаемые размеры контура ПП должны иметь предельные отклонения по 12 квалитету. Несопрягаемые размеры контура - по 14 квалитету согласно ГОСТ 25347 - 82 (СТ СЭВ 145 - 75).
Толщина печатной платы определяется толщиной исходного материала и выбирается в зависимости от используемой элементной базы и действующих механических нагрузок. Предпочтительными значениями номинальных толщин одно- и двусторонних печатных плат являются 0,8; 1,0; 1,5; 2,0 мм.
Фольгированные материалы представляют собой слоистые прессованные пластинки, изготовленные на основе бумаги (гетинакс) или ткани из стеклянного волокна (стеклотекстолит), пропитанные термореактивными связующими и облицованные с одной или двух сторон медной электролитической фольгой, которая оксидирована с внутренней стороны для материалов обычного исполнения или покрыта пленкой хрома для гальваностойких материалов.
Материал для печатной платы выбирают по ГОСТ 10316 - 78 или техническим условиям. Обозначения марок, например, СФ-1(2)-35 означают, что промышленностью выпускаются как односторонние СФ-1-35, так и двусторонние СФ-2-35 фольгированные материалы с указанными толщинами фольги и материала с фольгой. Буквы Н и Г в обозначении марки материала свидетельствуют о повышенной нагревостойкости (до +100°С) и гальваностойкости.
Фольгированные материалы предназначены для работы в следующих условиях:
– гетинакс без дополнительной влагозащиты предназначен для изготовления ПП, на которые в процессе работы может воздействовать окружающая среда, характеризующаяся относительной влажностью воздуха 45 - 75% при температуре 15 - 35°С;
– гетинакс с дополнительной влагозащитой и стеклотекстолит всех марок предназначены для изготовления ПП, на которые в процессе работы может воздействовать окружающая среда, характеризующаяся относительной влажностью воздуха до 98% при температуре не выше 40°С;
– фольгированные материалы в виде ПП должны допускать воздействие температуры до 60°С. Фольгированные материалы изготавливаются листами следующих номинальных размеров:
– гетинакс всех марок и толщин - 2440х1040; 1190х1040, 800х900 мм;
– стеклотекстолит всех марок и толщин - 1190х1010, 1010х890, 1010х840, 910х890, 640х490.
Условные обозначения фольгированных материалов - по ГОСТ 26246 - 84. Для материалов высшего и первого сортов дополнительно должно быть указано “в.с.” или “1с.”. Пример условного обозначения фольгированного стеклотекстолита высшего сорта толщиной 1,5 мм, облицованного с двух сторон медной электролитической гальваностойкой фольгой толщиной 35 мкм: СФ-2-35Г-1,5 в. с. ГОСТ 10316—78.
Для ПП, предназначенных для эксплуатации в условиях первой группы жесткости по ОСТ 4.077.000 (табл. 6), рекомендуется применять материалы на основе бумаги, для второй, третьей и четвертой групп жесткости — на основе стеклоткани.
3.3.2. Методы изготовления печатных плат
Известно большое количество технологических вариантов изготовления печатных плат. Наиболее широкое распространение получили следующие методы:
– химический метод. Заключается в том, что на медную фольгу, приклеенную к диэлектрику с одной или с двух сторон, наносят кислотостойкой краской рисунок расположения печатных проводников. Последующим травлением удаляется медь с незащищенных участков и на диэлектрике остается схема проводников.
Наиболее распространенными вариантами этого способа являются фотохимический, сетчато-химический, офсетно-химический, которые различаются способом нанесения защитного слоя.
Достоинства этого метода: достаточная простота, легко поддается автоматизации. Недостатки: необходимость применения металлических втулок при двустороннем монтаже и непроизводительный расход меди.
– электрохимический метод. Заключается в нанесении на плату кислотостойкой краской негативного рисунка проводников. Нанесение рисунка происходит с последующим наращиванием слоя меди.
Основное преимущество электрохимического метода заключается в возможности металлизации отверстий одновременно с получением проводников. Недостатком является низкая рассеивающая способность (0,5 ¸ 0,8 мм) и низкая прочность сцепления проводников с основанием.
Электрохимический метод находит применение главным образом в опытном и мелкосерийном производстве при изготовлении двусторонних плат с большим числом переходов.
– комбинированный метод. Заключается в получении проводников путем травления фольгированного диэлектрика и металлизацией отверстий электрохимическим способом. Сущность метода травления фольгированного материала с последующим вытравливанием фольги с отдельных участков платы. Этот метод обеспечивает получение четких линий проводников печатной схемы. Он характеризуется меньшей трудоемкостью по сравнению с электрохимическим методом. Печатные платы более надежны, так как при этом диэлектрик находится в более благоприятном условии, потому что фольга предохраняет его от действия электролита.
Комбинированный метод широко применяется при изготовлении двухсторонних печатных плат.
После механической обработки плата проверяется на наличие трещин на краях платы и в отверстиях, отслоения печатных проводников в зоне отверстий. Печатные проводники должны быть четкими. Целостность электрических цепей устанавливается методом прозвонки.
Детали на плату устанавливают вручную, пайку монтажных соединений выполняют паяльником мощностью 35Вт припоем ПОС - 60. Применяют только бескислотные флюсы. Качество пайки проверяют внешним осмотром.
Для защиты проводников и поверхности основания платы от воздействия припоя используют резистивные маски на основе эпоксидной смолы, сухого пленочного резиста.
3.3.3. Описание конструкции печатной платы
Конструкция разработанного контроллера одноплатная. Из-за большого числа пересекающихся проводников плата двусторонняя. Основной шаг координатной сетки принимаем 2,5 мм. Центры всех отверстий располагаются на печатной плате в узлах координатной сетки. Диаметр монтажных и переходных отверстий берется 0,8 мм.
Печатные проводники изображаются в виде отрезков линий, совпадающих с линиями координатной сетки или под углом кратным 15°. Печатные проводники выполнены одинаковой ширины - 0,5 мм с допуском 0,03 мм. Проводники покрыть сплавом “Розе”. Маркировку на плате выполнять травлением шрифтом 2.5 ПО ИО.010.007, в узких местах шрифтом 2.
3.4. Расчет надежности контроллера
3.4.1. Причины отказов средств вычислительной техники
Для проектирования на основе вычислительных машин надежных систем важно прежде всего выявить возможные причины отказов ЭВМ. Следует иметь в виду, что неисправности элементов аппаратного оборудования являются лишь одной из многих причин отказов, и потому результаты прогнозирования надежности только на основе этих отказов могут оказаться излишне оптимистичными. Рассмотрим некоторые наиболее важные источники неисправностей ЭВМ.
Ошибки в работе запоминающего устройства (ЗУ) и центрального процессора (ЦП) могут иметь весьма серьезные последствия, поскольку они способны привести к нарушению нормальной работы всей вычислительной системы, так как операционная система не может эффективно справляться с ошибками ЗУ. На качество работы ЗУ могут сильно влиять всплески питающего напряжения и отказы источников питания. Обычно для обнаружения ошибок в работе современных вычислительных машин осуществляется контроль операций по четности.
Ошибки процессора - явление редкое, но обычно оно имеет катастрофические последствия. Например, обращение к n-индексному регистру может внезапно прерваться вследствие потери какого-либо двоичного разряда и привести к отключению всей системы.
Ошибки в работе периферийного оборудования могут вызывать иногда серьезные затруднения, хотя обычно они не приводят к прекращению работы системы.
Ошибки в межмодульных соединениях. Существует общая убежденность, что ошибки в линиях передачи сигналов появляются и будут появляться всегда. Используются различные коды, обнаруживающие и исправляющие ошибки, тем не менее некоторые ошибки передачи данных в конечном счете могут приводить к выходу из строя терминалов и соединительных линий.
Ошибки по вине человека. Двумя важными источниками подобных ошибок являются ошибки оператора и ошибки в программах. Иногда по вине операторов может произойти полный отказ системы в результате неправильного включения или выключения системы и неправильной реакции на конкретную ситуацию.
Ошибки вследствие воздействия окружающей среды. Ошибки этого типа могут возникать в результате воздействия электромагнитного излучения при недостаточном экранировании или вследствие неисправностей оборудования кондиционирования воздуха.
Ошибки вследствие отклонения характеристик источников питания. Резкое возрастание напряжения источника питания может серьезно снижать долговечность элементов электронной аппаратуры. Вычислительные машины чувствительны даже к кратковременным понижениям и повышениям напряжения, поэтому они должны иметь соответствующую защиту. Заметим, что при возникновении отказа ЭВМ установить его истинную причину бывает нелегко, и причины многих ошибок часто остаются необъясненными [8].
3.4.2. Классификация неисправностей
Основными причинами сбоя в работе ЭВМ являются устойчивые отказы элементов аппаратного оборудования, временное ухудшение характеристик элементов и внешние воздействия на работу вычислительной системы. Для моделирования и оценки надежности ЭВМ удобно классифицировать неисправности по временному признаку, разделяя их на постоянные и перемежающиеся.
Постоянные неисправности часто могут вызываться катастрофическими отказами элементов. В этом случае отказ элемента является необратимым и устойчивым, а отказавший элемент подлежит ремонту или замене. Такие неисправности характеризуются большой длительностью устранения, а интенсивность соответствующих отказов зависит от условий окружающей среды. Так, например, обычно элемент характеризуется различными интенсивностями отказов во включенном и выключенном состояниях.
Перемежающиеся неисправности вызываются временным ухудшением характеристик элементов или такими внешними воздействиями, как электрические наводки, снижение напряжения и импульсные помехи. Подобные неисправности характеризуются ограниченной продолжительностью существования, и для их устранения не требуется ремонта или замены элементов. Эти неисправности проявляются в виде перемежающихся отказов.
3.4.3. Основные подходы к оценке надежности ЭВМ
Надежность вычислительной машины, как и любой другой физической системы, можно повысить, не прибегая к резервированию. В этом случае используются высоконадежные элементы и схемы с большим запасом надежности и уделяется повышенное внимание технологии изготовления и сборки. Такой подход предусматривает предотвращение неисправностей и бессбойную работу аппаратных средств. В течение долгого времени считалось, что без резервирования невозможно создать сверхнадежные вычислительные системы, необходимые, например, для проведения исследований космического пространства и управления наземными или бортовыми системами в реальном масштабе времени. В последние годы надежность элементов ЭВМ существенно возросла, что позволило создавать более надежные не резервированные системы. Однако повышение надежности сопровождается усложнением вычислительных систем и увеличением числа входящих в них элементов.
Другим подходом к созданию надежных вычислительных систем является обеспечение их отказоустойчивости. Такой подход не исключает появления неисправностей, но их неблагоприятное воздействие на работу системы предотвращается или минимизируется путем введения той или иной формы избыточности. Такая отказоустойчивая вычислительная система может сохранять работоспособность при заданном числе отказов, либо правильно выполнять программу при отказе определенного числа элементов. Свойство отказоустойчивости обеспечивается защитным резервированием, которое может осуществляться тремя различными способами:
– введением избыточных логических элементов или резервированием на уровне вычислительных машин;
– введением избыточности в систему программного обеспечения, т. е. созданием дополнительных программ, обеспечивающих защиту от ошибок или их исправление;
– введением временной избыточности, благодаря которой становится возможным повторение машинных операций.
С функциональной точки зрения введение избыточности может осуществляться в статическом или динамическом режиме.
3.4.4. Статическое резервирование
Влияние неисправностей можно исключить путем введения дополнительного оборудования, с тем чтобы при отказе одного из резервированных элементов выходные данные функционального модуля не менялись. Влияние неисправного элемента мгновенно и автоматически блокируется благодаря наличию постоянно включенных и одновременно действующих элементов. Такое резервирование называется статическим, так как блокирование отказа осуществляется автономно, без вмешательства в работу системы через какие-либо оконечные устройства ввода-вывода.
Резервирование со схемой голосования, являющееся наиболее важной формой блокирования отказов, было предложено автором работы, который разработал и проанализировал схему тройного резервирования элементов с мажоритарной функцией голосования. Резервирование такого рода стало экономически целесообразным с развитием технологии интегральных схем. Одним из интересных примеров применения этого подхода является ЭВМ пусковой установки ракеты “Сатурн-5”. В этой вычислительной машине применяется тройное резервирование модульной схемы с мажоритарными элементами в центральном процессоре и дублирование в основном запоминающем устройстве.
Для обеспечения отказоустойчивости систем передачи и хранения данных используются разработанные в технике связи коды с обнаружением и исправлением ошибок, а также специальные коды, предназначенные для быстрого кодирования и декодирования. В работе отмечается, что стоимость таких схем примерно в 1,5 раза больше стоимости схем без резервирования.
3.4.5. Динамическое резервирование
При динамическом резервировании влияние неисправностей может проявляться на выходах системы, однако предусматриваются средства их обнаружения, диагностики и устранения. Если возможность вмешательства человека исключается, то посредством динамического резервирования системе придается свойство самовосстанавливаемости. Такой вид резервирования известен еще как резервирование замещением. Исправление ошибок обеспечивается за счет реализации повторных вычислений, например, способом обратного прогона программы до возвращения к некоторой исходной точке программы.
3.4.6. Гибридное резервирование
В этой схеме в любой момент времени три или большее число модулей соединены с мажоритарным элементом. При отказе какого-либо модуля обнаруживается несовпадение его результатов с выходами двух других, и он заменяется резервным [8].
4. Программное обеспечение контроллера
4.1. Разработка алгоритмов обработки данных контроллером
Программное обеспечение системы можно разделить на две группы:
– управляющие программы передающей аппаратуры - контроллера сбора и передачи телемеханической информации;
– программа компьютера.
Программа контроллера ждет сигнала ее вызова с диспетчерского пункта. Пока нет вызовов программа следит за состоянием датчиков пожара, затопления и охранным датчиком. Если от них приходит сигнал, то происходит вызов диспетчерского пункта и сообщается о причине вызова. Как только приходят четыре гудка на модем на пункте учета тепловой энергии, программа отправляет диспетчеру запрос на пароль и следит за состоянием линии связи, чтобы не потерять данные. По приходу пароля его сравнивают с тем, который зашит в ПЗУ данного контроллера и если сравнение прошло успешно, то диспетчер получает доступ к данным на теплосчетчике. Если пароль неверный - модем “кладет трубку” и система возвращается в начальное состояние. Для синхронизации передачи используется асинхронный старт-стоповый режим передачи информации.
Программа компьютера осуществляет прием информационных байтов с пункта учета тепловой энергии и их анализ. По результату анализа данные в удобном для пользователя виде выводятся на экран монитора. Данные также могут быть сохранены в базе данных, в которой хранятся абсолютно все параметры измерений. В программе есть диспетчер регулярного опроса, который по таймеру включается (например: ночью) и автоматически опрашивает все пункты учета тепловой энергии и заносит результаты измерений в базу данных. Существует интерфейсный блок, т.н. монитор данных. Он включает в себя блок статистического анализа, блок мониторинга в режиме реального времени, блок управления модемом, блок формирования отчетов. Блок статистического анализа позволяет производить логические и математические операции над поступившими данными. Блок мониторинга позволяет увидеть в реальном времени поступающие данные и мгновенные их значения. Блок управления модемом позволяет посылать на него различные команды, с помощью которых осуществляется дозвон до пункта учета тепловой энергии и передача данных. В блоке формирования отчетов по заданному образцу создается отчет, который при желании можно вывести на принтер.
4.2. Разработка программного обеспечения
Программа AVR-микроконтроллера - это размещенная в памяти программ последовательность команд, каждая из которых состоит из двоичных кодов операций и двоичных адресов операндов.
Система команд AVR-микроконтроллеров включает команды арифметических и логических операций, команды передачи данных, команды, управляющие последовательностью выполнения программы, и команды операций с битами. Для удобства написания и анализа программ всем операциям из системы команд, кроме двоичного кода, сопоставлены мнемокоды ассемблера (символические обозначения операций), которые используются при создании исходного текста программы.
Специальные программы-трансляторы затем переводят символические обозначения в двоичные коды.
По исходному тексту программы, написанной на языке ассемблера, можно определить время ее исполнения и объем программной памяти, необходимый для ее хранения. Программирование на языке ассемблера является прекрасным средством для того, чтобы прочувствовать архитектуру микроконтроллера и логику его работы. Этому также способствует то обстоятельство, что трансляторы с языка ассемблера распространяются фирмой Атмел бесплатно и доступны всем желающим.
Кроме языка ассемблера, для программирования встраиваемых микропроцессоров широкое распространение получили языки программирования высокого уровня: С и BASIC. Они предоставляют программисту такой же легкий доступ ко всем ресурсам микроконтроллера, как и ассемблер, но, вместе с тем, дают возможность создавать хорошо структурированные программы, снимают с программиста заботу о распределении памяти данных и содержат большой набор библиотечных функций для выполнения стандартных операций.
Важнейшим достоинством системы команд AVR-микроконтроллеров является то, что она была специально оптимизирована для использования языка С.
Вся энергонезависимая память AVR-микроконтроллеров размещается внутри кристалла и состоит из электрически программируемых FLASH-памяти программ и EEPROM-памяти данных.
Так как все команды AVR представляют собой 16-разрядные слова, FLASH- память организована как последовательность 16-разрядных ячеек и имеет емкость от 512 слов до 64K слов в зависимости от типа кристалла.
Во FLASH-память, кроме программы, могут быть записаны постоянные данные, которые не изменяются во время функционирования микропроцессорной системы. Это различные константы, таблицы знакогенераторов, таблицы линеаризации датчиков и т.п.
Достоинством технологии FLASH является высокая степень упаковки, а недостатком то, что она не позволяет стирать отдельные ячейки. Поэтому всегда выполняется полная очистка всей памяти программ. При этом гарантируется, как минимум 1000 циклов перезаписи FLASH-памяти AVR.
EEPROM блок электрически стираемой памяти AVR предназначен для хранения энергонезависимых данных, которые могут изменяться непосредственно на объекте. Это калибровочные коэффициенты, различные установки, конфигурационные параметры системы. EEPROM-память имеет меньшую емкость (от 64 байт до 4К байт), но имеет возможность побайтной перезаписи ячеек, которая может происходить как под управлением внешнего процессора, так и под управлением собственно AVR-микроконтроллера во время его работы по программе.
В энергонезависимой памяти AVR имеется несколько специализированных битов [7].
LOCK-биты (LB1, LB2) предназначены для защиты программной информации, содержащейся во FLASH-памяти. Возможные режимы защиты перечислены в таблице 4.1. Запрограммировав биты защиты, стереть их можно лишь во время очистки FLASH -памяти, которая уничтожает и всю программу.
Таблица 4.1
Режимы защиты программы
| Состояние Lock-бит | |||
| Режим | LB1 | LB2 | Тип защиты |
| 1 | 1 | 1 | Защита отсутствует |
| 2 | 0 | 1 | Запрет программирования Flash |
| 3 | 0 | 0 | Запрет как программирования, так и чтения Flash. |
FUSE-биты позволяют задавать некоторые конфигурационные особенности микроконтроллера (см. таблицу 4.2).
Микроконтроллеры AT90S1200 имеют FUSE-биты SPIEN и RCEN. Все остальные типы classicAVR конфигурируются при помощи FUSE-битов SPIEN и FSTRT. MegaAVR имеют четыре FUSE-бита: SPIEN, SUT0, SUT1 и EESAVE.
Три энергонезависимых Signature-байта служат для идентификации типа кристалла, программируются на фабрике и доступны только для чтения.
Таблица 4.2
Назначение FUSE-битов
| Fuse-бит(значение поумолчанию) | Значение | Режим работы AVR |
| 0 | AVR тактируется внутренним RC-генератором. (работа AVR без каких-либо внешних элементов) | |
| RCEN (1) | 1 | Тактирование при помощи внешнего кварцевого резонатора или генератора. |
| 0 | Разрешение последовательного программирования через SPI интерфейс | |
| SPIEN (0) | 1 | Запрещение последовательного программирования через SPI интерфейс |
| 0 | Задержка старта AVR после сброса ~ 0.25мс | |
| FSTRT (1) | 1 | Задержка старта AVR после сброса ~ 16 мс |
| 00 | Задержка старта AVR после сброса ~ 5 мс | |
| 01 | Задержка старта AVR после сброса ~ 0.5 мс | |
| SUT 0/1 (11) | 10 | Задержка старта AVR после сброса ~ 4.0мс |
| 11 | Задержка старта AVR после сброса ~ 16 мс | |
| 0 | EEPROM не стирается во время цикла очистки энергонезависимой памяти | |
| EESAVE (1) | 1 | EEPROM стирается во время цикла очистки энергонезависимой памяти |
Разнообразные способы программирования AVR-микроконтроллеров обеспечивают простой и удобный доступ к внутренней энергонезависимой памяти во всех возможных ситуациях программирования кристалла.
Для энергонезависимых FLASH и EEPROM блоков AVR предусмотрены параллельный и последовательный способы программирования, которые выполняются под управлением внешнего процессора, а для EEPROM-памяти также возможен способ программной перезаписи под управлением AVR. LOCK-биты могут программироваться как параллельно, так и последовательно. FUSE-биты у младших моделей AVR могут программироваться только последовательно, а у старших - и параллельно, и последовательно.
Параллельное программирование энергонезависимой памяти использует большое число выводов микроконтроллера и выполняется на специальных программаторах. Такое программирование удобно, когда при массовом производстве необходимо "прошивать" большое количество кристаллов.
Последовательное программирование может выполняться прямо в микропроцессорной системе (In System Programming) через последовательный SPI-интерфейс, который использует всего четыре вывода AVR-микроконтроллера. Эта новая возможность является очень важной, так как позволяет обновлять программное обеспечение в уже функционирующей микропроцессорной системе.
4.3. Рекомендации по отладке
Подготовка программы для AVR-микроконтроллера выполняется на персональном компьютере и состоит из следующих этапов:
– создание текста программы;
– трансляция текста в машинные коды и исправление синтаксических ошибок;
– отладка программы, то есть устранение логических ошибок;
– окончательное программирование AVR-микроконтроллера.
Каждый из этапов требует использования специальных программных и аппаратных средств. Ниже перечислены наиболее доступные из них на сегодняшний день.
Базовые программные средства фирмы Атмел распространяются бесплатно, в то время как аппаратные средства имеют свою стоимость.
Следует отметить, что кроме бесплатных программных средств фирмы Атмел, позволяющих программировать только на языке ассемблера, фирмами IAR SYSTEMS, CMX CORPORATION, KANDA SYSTEMS Ltd. и другими разработаны средства поддержки программирования на языках высокого уровня С и BASIC, а также операционные системы реального времени. Эти более сложные и дорогостоящие продукты мы не обсуждаем, но информацию о них и демонстрационные версии можно получить в фирме ЭФО или в Корпорации "Точка Опоры".
Рассмотрим более подробно этапы подготовки программы для AVR Если Вы работаете в среде MS-DOS, то для выполнения первого и второго этапа Вам придется воспользоваться различными средствами. Для создания текста программы подойдет любой текстовый редактор DOS, который формирует на выходе ASCII-файлы, например, встроенный редактор Norton Commander, редактор Multi Edit и т.п. Для трансляции текста программы в коды фирмой Атмел предлагается DOS-версия программы-транслятора AVRASM.
Для работы в среде Windows 3.11/95/NT фирмой Атмел предлагается программа WAVRASM, которая позволяет выполнить создание текста программы и его трансляцию внутри одной оболочки и обеспечивает дополнительный сервис для быстрого поиска синтаксических ошибок в тексте программы.
Результатом Вашей работы на первом этапе является файл <имя_файла>.asm, который содержит текст программы (расширение имени файла обычно указывает на язык программирования) и является входным для программ-трансляторов, которые, в свою очередь, создают четыре новых файла: файл листинга (<имя_файла>.lst), объектный файл (<имя_файла>.obj), файл-прошивка FLASH-памяти (<имя_файла>.hex), файл-прошивка EEPROM-памяти (<имя_файла>.eep).
Файл листинга - это отчет транслятора о своей работе. В нем приводится транслируемая программа в виде исходного текста, каждой строке которого сопоставлены соответствующие двоичные коды. Кроме того, листинг содержит сообщения о выявленных ошибках.
Объектный файл используется в дальнейшем как входной для программы-отладчика AVRSTUDIO и имеет специальный формат. Файлы прошивки FLASH и EEPROM блоков памяти предназначены для работы с любыми последовательными и параллельными программаторами AVR и имеют стандартные форматы.
Следующим этапом подготовки программы является ее отладка, которая может выполняться двумя основными способами: на персональном компьютере при помощи программы-симулятора или в реальной микропроцессорной системе. Два эти способа взаимно дополняют друг друга.
Программа-симулятор AVRSTUDIO отображает на экране компьютера Вашу программу и состояние внутренних регистров AVR. Таким образом, становится возможным наблюдать изменения переменных, которые происходят внутри микроконтроллера при выполнении тех или иных команд программы. Отметим, что в реальной системе при помощи осциллографа невозможно просмотреть состояние внутренних регистров. Использование симуляторов эффективно при отладке подпрограмм, которые выполняют численную обработку внутренних данных.
В то же время, отладку подпрограмм, связанных с какими-либо внешними элементами, удобно выполнять непосредственно в рабочей системе. Например, если микроконтроллер генерирует ШИМ-сигналы, управляющие яркостью свечения светодиодов, то оценить игру красок Вы сможете только глядя на реальный макет.
Для отладки программы в рабочей системе, кроме программных средств, требуются также и аппаратные. Ниже приведены представлены различные варианты построения отладочной системы, отличающиеся своей стоимостью и возможностями.
Наиболее быстрый, не требующий пайки способ построения микропроцессорной системы на основе AVR - это приобретение комплекта AVR STARTER KIT фирмы Атмел, который содержит плату DEVELOPMENT BOARD, книгу "Development tool user's guide", дискеты с программным обеспечением, CD-ROM с полной документацией на все типы AVR и многочисленными примерами прикладных программ для AVR (содержимое дискет и CD-ROM диска можно также найти на данной web-странице). Плата DEVELOPMENT BOARD содержит панельки для подключения базовых типов AVR-микроконтроллеров в DIP-корпусах; источник питания; последовательный программатор, узел интерфейса RS-232 для связи с компьютером по асинхронному последовательному каналу; наборы из 8 светодиодов и из 8 кнопочных переключателей, которые можно подключать к выводам портов микроконтроллера; разъемы, через которые при помощи гибких кабелей можно наращивать микропроцессорную систему. Универсальность DEVELOPMENT BOARD удобна для обучения и для макетирования новых разработок.
Вместе с тем, для многих конкретных проектов может не подойти конструктивная реализация DEVELOPMENT BOARD или избыточным будет использование на этой плате источника питания, последовательного программатора и панелей под различные типы корпусов. В таком случае выполняют специализированную разработку, удовлетворяющую требованиям конкретной задачи.
Одним из важнейших достоинств AVR-микроконтроллеров является то, что все его аппаратные ресурсы "спрятаны" внутри, и поэтому схема включения AVR очень проста. Такая простота и миниатюрность позволяет во многих конкретных приложениях не выносить цифровую часть на отдельную плату, а помещать AVR непосредственно внутри аналогового блока. Для обучения технологии программирования AVR Вы можете собрать макет схемы за 15 минут.
Итак, если Вы решили работать не с платой DEVELOPMENT BOARD, а со своей собственной микропроцессорной системой, то Вам необходимо приобрести еще какое-либо программирующее устройство. Как упоминалось выше, существует два способа программирования AVR-микроконтроллеров: последовательное программирование через SPI-интерфейс и параллельное программирование.
Параллельное программирование, которое требует извлечения AVR-микроконтроллера из системы и установки его в программатор, весьма неудобно на этапе отладки программы.
Для программирования Вашей микропроцессорной системы по SPI-интерфейсу непосредственно в системе фирмой Атмел предлагается программа AVRPROG и программирующий SPI-кабель, в который встроен последовательный программатор.
Кроме того, функцией программирования по последовательному SPI-интерфейсу обладает параллельный программатор FLASHER. Способ отладки микропроцессорной системы при помощи SPI-интерфейса отличается своей дешевизной, но, однако, имеет и недостатки. Во-первых, каждый раз при внесении изменений в программу Вы перепрограммируете FLASH-память микроконтроллера, количество циклов перезаписи которой ограничено хоть и достаточно большим, но все же конечным числом. Во-вторых, описанный способ не дает возможности пошаговой отладки программы.
В связи с этим, фирмой Атмел разработаны более мощные, но и более дорогие внутрисхемные эмуляторы (in-circuit emulator) ICEPRO и megaICEPRO. Они представляют собой микропроцессорные устройства, которые с одной стороны связываются с Вашей микропроцессорной системой через панель, предназначенную для установки AVR-микроконтроллера, а с другой - с персональным компьютером и работают под управлением уже упоминавшейся программы фирмы Атмел AVRSTUDIO.
Внутрисхемные эмуляторы позволяют выполнять программу в Вашей системе в пошаговом режиме и неограниченное число раз вносить изменения в программу. При работе с внутрисхемным эмулятором Вы одновременно можете на экране компьютера наблюдать состояние внутренних ресурсов процессора, а на микропроцессорной плате - реакцию системы на те или иные команды программы.
Завершающим этапом программирования AVR-микроконтроллера является занесение в память уже отлаженной программы. Оно может быть выполнено так же, как и при отладке программы, через SPI-интерфейс. Однако необходимо помнить, что последовательное программирование младших моделей AVR не позволяет изменять FUSE-биты микроконтроллера.
Если в микропроцессорной системе не предусмотрен SPI-интерфейс а также при серийном производстве для повышения скорости программирования большого числа микроконтроллеров удобно использовать программаторы, которые выполняют параллельное программирование. Следует отметить, что параллельные программаторы обычно являются универсальными устройствами и позволяют, кроме AVR, работать и с другими типами микроконтроллеров, с постоянными запоминающими устройствами и микросхемами программируемой логики.
Фирма ЭФО предлагает два типа программаторов, поддерживающих программирование AVR-микроконтроллеров. Программатор FLASHER может выполнять как параллельное программирование, так и последовательное через SPI-интерфейс. Универсальный программатор СТЕРХ поддерживает лишь параллельное программирование.