В общем случае разработка МС представляет собой достаточно сложный многоэтапный творческий процесс, требующий хорошего владения основами электроники, схемотехники, программирования и других областей инженерного знания. Многоэтапность процесса разработки вытекает как из необходимости параллельной работы над аппаратной и программной частями проектируемой МС, так и из необходимости многократного повторного возврата к предыдущим пунктам проекта с целью уточнения, изменения, детализации, оптимизации и т.п. выбранных ранее решений. Творческий характер процесса проектирования в первую очередь связан с необходимостью разрешения компромисса между аппаратной и программной реализацией тех или иных функций МС, а также в большой номенклатуре выпускаемых МП. В этой связи нельзя дать точной методики по разработке МС. Тем не менее некоторые рекомендации и последовательность действий для разработчика могут быть сформулированы в виде следующих пунктов:
1) На начальной стадии, исходя из целевой функции МС, кратко сформулированной в названии разработки, необходимо составить и подробно описать назначение и суть функционирования проектируемого устройства или системы. При этом рекомендуется обратиться к специальной литературе по соответствующей тематике с целью более полного представления специфики решаемой задачи и отыскания прототипов инженерных решений.
2) Используя метод нисходящего проектирования ("метод от простого к сложному"), необходимо составить функциональную схему аппаратной части разработки, выделив в ней основные функциональные узлы (микpо-ЭВМ, датчики, устройства сопряжения и т.д.), и, связав их между собой. При этом рекомендуется стремиться к возложению как можно больших функций на программную часть МС, сокращая тем самым аппаратные затраты. Уровень детализации функциональной схемы следует постепенно довести до такого состояния, при котором каждый составной элемент будет иметь известное схемотехническое решение и не вызовет затруднений при переходе к разработке принципиальной электрической схемы аппаратной части МС.
При разработке аппаратной части микропроцессорной системы рекомендуется использовать микроконтроллеры и периферийные модули, в зависимости от их функционального назначения, приведенные в /8, 9/, раскрыв вкратце их характеристики, общие сведения и технические данные.
Так для заданий 3.1 – 3.18 рекомендуется использовать устройства для сбора данных и управления, устанавливаемые в IBM PC совместимые компьютеры, фирмы Advantech /9/. Для заданий 3.19 – 3.38 рекомендуется использовать микроконтроллеры и периферийные модули, фирмы Octagon Systems /8/.
Особое внимание при разработке аппаратной части следует уделить вопросу организации сопряжения разрабатываемой микропроцессорной системы с объектом контроля или управления /10/. Рекомендуется использовать нормализаторы сигналов и клеммные платы фирмы Advantech /9/, и модули устройств сопряжения с объектом с гальванической изоляцией фирмы Grayhill /8/.
3) Далее можно перейти к разработке блок-схемы алгоритма работы программной части МС. Как и в предыдущем пункте, здесь рекомендуется придерживаться принципа нисходящего модульного программирования, в соответствии с которым программа расчленяется на отдельные, сначала крупные, а затем все более мелкие модули (блоки), каждый из которых представляет собой относительно самостоятельную процедуру обработки информации.
4) На последнем этапе разработки МС приступают к написанию программы на языке высокого или низкого уровня, в частности ассемблер. Для этого следует распределить память программ и данных в соответствии с выбранным алгоритмом работы, определить символические переменные программы и задать им конкретные адреса. Далее поэтапно пишутся модули программы, используя разработанную выше блок-схему алгоритма работы. В курсовом проекте необходимо составить программу (процедуру), реализующую определенную функцию разрабатываемой МС, на любом языке программирования.
4.3. Приблизительный вариант выполнения п.3 курсовой работы
«Разработка инвариантной МС
для системы контроля состояний рельсовых линий»
На рис.1 представлен алгоритм функционирования инвариантной МС для системы контроля состояний рельсовых линий (СКРЛ).
Инвариантная МС для СКРЛ по сравнению с существующими классификаторами СКРЛ обладает рядом существенных функциональных особенностей, обуславливающих высокие технико-экономические показатели эксплуатации.
1. Непрерывный и достоверный контроль состояния:
§ приемно-отправочных и стрелочно- путевых участков на станциях,
§ блок-участков перегонов.
2. Высокоскоростные измерения сигналов с рельсовой линии и выделения параметров этих сигналов.
Использование в проектируемой системе компьютерных технологий позволяет добавить к основным функциям дополнительные:
1) ведение базы данных и архива состояния рельсовых линий с привязкой к дате, времени, классу состояний;
2) передача информации о классе состояний рельсовой линии дежурному по станции и в ЕДЦУ.
Рис.1. Алгоритм функционирования инвариантной МС для СКРЛ
Система работает по замкнутому циклу следующим образом (рис.1). На первом этапе происходит измерение текущих значений напряжений и их фаз на приемном конце рельсовой линии по первому и второму каналам. На втором этапе по инвариантному алгоритму происходит определение текущего класса состояний СКРЛ. При изменении класса состояний СКРЛ на шунтовой или контрольный формируется сигнал запрещения движения по контролируемому участку. После выполнения третьего этапа система переходит на первый этап.
Инвариантная МС для СКРЛ должна удовлетворять общим и специальным критериям.
К общим критериям относятся.
1. Функциональная полнота при сохранении возможности масштабирования. МС должна позволять реализовывать, по крайней мере, все перечисленные функции.
2. Простота в освоении. МС не должна требовать привлечения к разработке высококвалифицированных специалистов и/или системных программистов.
3. Максимальная открытость. МС должна обеспечивать открытые и стандартные интерфейсы как с большинством технических средств АСУЖТ, так и с программным обеспечением комплексных информационных систем дорожного уровня.
4. Умеренная цена и эффективное использование вложенных средств. Стоимость устройства, затраты на освоение и стоимость работ по сопровождению и развитию должны быть минимальными. При прочих равных условиях данное требование является наиболее существенным и, пожалуй, решающим при выборе элементной базы устройства.
5. МС должна базироваться на промышленных стандартах организации взаимодействия программных и аппаратных средств, поставляемых различными производителями средств промышленной автоматизации, а также на элементах железнодорожной автоматики и телемеханики, обладающих первым классом надежности.
Специальные критерии определяют следующие главные особенности применения инвариантной МС:
1) обеспечение высокой надежности работы (среднее время между отказами не менее 250000 часов) в экстремальных условиях и в условиях электромагнитных полей;
2) схемные решения не должны иметь опасных отказов;
3) МС должна быть “живучей”, т.е. парировать одиночные сбои.
На рис. 2 представлена часть двухниточного плана станции с изображенной на нем инвариантной МС для СКРЛ.
В состав инвариантной МС для СКРЛ входят (рис.2):
1) рельсовая линия (РЛ-1, РЛ-2) – объект контроля, датчик информации;
2) ПЧ50/25 – преобразователь частоты. Серийно выпускаемое и используемое на железнодорожном транспорте устройство первого класса надежности. Преобразует напряжение частотой 50Гц в напряжение частотой 25Гц.
3) БПК - блок питания и коммутации (БПК-1, БПК –2). Серийно выпускаемое и используемое на железнодорожном транспорте устройство первого класса надежности. Предназначено для одновременного питания рельсовой линии токами частотой 25 и 50Гц. Состоит из трансформаторов Тр1 и Тр2 с секционированными вторичными обмотками, позволяющими задавать необходимое напряжения по каждому каналу; фильтра пробки Др1 – С1, представляющего собой параллельный резонансный контур и служащего для уменьшения влияния тока частотой 25Гц, ответвляющегося из цепи трансформатора Тр2, в цепь трансформатора Тр1; дросселя Др2 и емкости С2, которые с дроссель трансформатором ДТ – 0,6-500М образуют последовательный резонансный контур со сравнительно малым сопротивлением току 25 Гц.
4) БРК – блок релейного конца (БРК-1, БРК –2). Представляет собой блок БПК и предназначен для выделения из общего сигнала на релейном конце токов частотой 25 и 50Гц.
5) БИУ –блок измерений и управления. Состоит из модуля нормализации уровней измеренных сигналов (МНУ), мультиплексоров каналов (МПК) и модуля принятия решения и управления (МПРУ). Основная функция блока - принятие решения о принадлежности текущего состояния рельсовой линии к одному из классов состояний (нормальный, шунтовой, контрольный).
Блок - схема блока измерения и управления представлена на рис.3.
Рис.3. Блок - схема блока измерения и управления
В состав блока измерений и управления входят следующие модули и блоки:
· блок питания (БП);
· модуль нормализации уровней сигналов (МНУ) служит для сопряжения и гальванической развязки источников сигналов - датчиков и входов мультиплексоров, а также для приведения высоких уровней измеренных сигналов в ТТЛ – уровни;
· модуль аналогового ввода (МАВ) предназначен для ввода аналоговых сигналов контроля состояния рельсовых линий;
· мультиплексор каналов служит для увеличения количества каналов аналогового ввода, опрашиваемых с помощью (МАВ);
· модуль вывода дискретных сигналов (МДВ) предназначен для формирования соответствующих сигналов о классе состояний СКРЛ и управления схемами наборной группы;
· контроллер предназначен для обработки сигналов, полученных от датчиков и отнормированных МНУ, определения класса состояния рельсовых линий, формирования управляющих сигналов в схеме наборной группы, ведения архива о функционировании МС в целом, а также осуществляет обмен информацией с системой верхнего уровня дежурного по станции и ЕДЦУ;
· дисплей предназначен для отображения информации об опрашиваемой на данный момент рельсовой линии;
· клавиатура предназначена для возможности ввода информации о номере интересующей рельсовой линии, в результате чего на дисплее появятся данные предыдущего цикла измерения;
· постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) предназначено для хранения программы функционирования (рис.1) инвариантной МС, а именно МПРУ;
· оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) предназначено для временного хранения промежуточных данных и результатов определения текущего класса состояния рельсовых линий.
Наиболее полно вышеперечисленным требованиям и названным критериям отвечают устройства фирмы Octagon Systems. Поэтому в качестве базы при разработке блока измерения и управления были использованы модули этой фирмы серии MicroPC, а также модули фирмы Lan Automatic в формате MicroPC. Компоненты оборудования изготавливаются на основе аппаратных средств высокой степени надежности, выпускаемых в соответствии с международным стандартом качества ISO 9001, и полностью удовлетворяют жестким эксплуатационным требованиям, предъявляемым к индустриальному оборудованию.
Структурная схема блока измерений и управления представлена на рис.4.
Рис.4. Структурная схема блока измерений и управления
В состав контроллера блока измерений и управления входят:
1) микроконтроллер 6050;
2) модуль изолированного ввода аналоговых сигналов AI16-5-STB;
3) модуль дискретного ввода вывода 5600-48.
К параллельному порту (AUX I/O) микроконтроллера через интерфейсный модуль ВОВ подключены динамик (подает звуковой сигнал в случае предотказного состояния рельсовой линии), дополнительная АТ – батарея (функционирует параллельно встроенной в микроконтроллер батареей, что позволяет увеличить срок ее службы) и источник сигналов удаленного сброса и прерывания. Порт дискретного ввода вывода (EZ I/O) используется для подключения через интерфейсный модуль ВОВ ЖКИ дисплея LCD 4x40 формата 4 строки по 40 символов и матричной герметичной клавиатуры КР-1. Для организации сетевого обмена с дежурным по станции, ЕДЦУ, а также организации единой сетевой системы БИУ к последовательному порту Com2 микроконтроллера подключен интерфейсный модуль NIM (позволяет организовать удобные в эксплуатации, недорогие промышленные сети передачи данных по интерфейсу RS – 485).
Для увеличения количества каналов аналогового ввода, опрашиваемых с помощью модуля AI16-5-STB (фирма LAN Automatic), в состав блока включены 8 мультиплексоров каналов типа AIMUX32 (фирма LAN Automatic). Каждый мультиплексор позволяет организовать прием аналоговых сигналов 16 источников с помощью одного канала модуля аналогового ввода. В итоге один БИУ способен опрашивать 128 датчиков или контролировать 42 рельсовые линии.
Выходные и входные сигналы модулей гальванически изолированы от внешних электрических линий связи с помощью модулей гальванической развязки. Измерительные цепи имеют большой входной импеданс, исключающий их влияние на цепи измеряемых сигналов, и оптоизолированы от модулей.
Модули микроконтроллера 6050, МАВ AI16-5-STB и МДВ 5600-48 устанавливаются в четырехпозиционный монтажный каркас 5204-RM фирмы Octagon System. Подключение интерфейсных модулей, модулей гальванической развязки и управление к модулям осуществляется при помощи кабелей СМА. Все модули помещаются в электротехнический корпус Schroff-Hoffman, обеспечивающий защиту класса IP 52 от электростатических и электромагнитных полей.
Рассмотрим поподробнее каждый модуль блока измерений и управления.