Программа микроконтроллера состоит из трех блоков:

- блок инициализации после сброса (инициализация портов ввода/вывода, таймера, регистров, ОЗУ и UART);

- основной блок программы (измерение частоты сигналов, управление электроприводом);

- блок связи с ПК (обработка сообщений-команд, посылка сообщений-ответов).

Реализация блока инициализации тривиальна, поэтому наибольший интерес представляет анализ основного блока программы и блока связи с ПК. В этом подразделе будет рассмотрен основной блок программы микроконтроллера. Листинг этого блока приведен в приложении 3.

Процесс измерения частоты инициализируется после перехода управления на метку P_BEGIN. В дальнейшем измерение частоты происходит постоянно вне зависимости от состояния процесса дефектоскопии.

На первом этапе работы основного блока программы производится чтение значений таймера и входов порта PORT B. Затем сравнивается значения входов порта с предыдущим значением. Сравнение осуществляется с помощью команды EOR (исключающее ИЛИ). Если значение бита не изменилось, то результатом операции будет нулевое значение этого бита, если изменилось - ненулевое.

Опрос состояния каждого бита результата происходит в теле цикла P_MAIN_LOOP2. Количество выполнений цикла равно количеству каналов дефектоскопа и задается переменной r_NUMDATCH. При каждом выполнении тела цикла эта переменная уменьшается на единицу. Цикл работает до тех пор, пока переменная цикла не станет равной нулю.

Во время опроса бита определяется его состояние и если опрашиваемый бит, равен единице, то вычисляется разность между текущим и прошлым значением счетчика таймера. Полученная разность является временем между фронтом и спадом сигнала, т.е. половиной периода сигнала. Это значение сохраняется в массиве ОЗУ и может быть прочитано по запросу персонального компьютера.

Управление электроприводом организовано в виде процедур, которые вызываются при обработке сообщений-команд персонального компьютера. Эти процедуры изменяют бит PD4 порта ввода/вывода PORT D в соответствии с их алгоритмом работы. Процедура P_START устанавливает бит PD4 в единицу, запуская электропривод, а процедура P_STOP - в нуль, т.е. останавливает вращение.

Для подсчета угла поворота детали используется прерывание по фронту импульса. Обработчик этого прерывания, процедура P_CORNER_CNT, при каждом вызове увеличивает счетчик угла поворота на единицу и сохраняет это значение в ОЗУ. При каждом вызове процедуры P_START значение счетчика угла поворота обнуляется, и отсчет начинается заново.

4. Разработка программного обеспечения персонального компьютера

4.1 Выбор системы разработки программного обеспечения

На сегодняшний день наиболее распространенной операционной системой для IBM-совместимых ПК является Windows. Поэтому программное обеспечение дефектоскопа должно работать под управлением этой ОС.

Среда разработки программы дефектоскопа для ПК должна удовлетворять следующим требованиям:

- поддержка распространенного языка программирования;

- возможность создания исполняемых программных файлов EXE;

- полный доступ к функциям Windows API;

- поддержка разработки баз данных.

Существует несколько распространенных систем разработки программного обеспечения для Windows, удовлетворяющих этим требованиям:

- Borland C++Builder;

- Delphi;

- Borland C++;

- MS Visual C++;

- MS Visual Basic.

Учитывая опыт работы автора с языком программирования C++ и эффективность программ на C++, а также удобство работы с библиотекой VCL, для разработки программы персонального компьютера использован пакет Borland C++Builder.

4.2 Обзор возможностей системы C++Builder

C++Builder предназначен для быстрой разработки приложений RAD (Rapid Application Development), построенных на современном фундаменте объектно-ориентированного программирования (ООП) /10/.

Основой C++Builder является библиотека визуальных компонент VCL. VCL приобрела статус нового промышленного стандарта и в настоящее время применяется более чем полумиллионом пользователей, существенно ускоряя разработку надежных приложений любой степени сложности. VCL содержит около 100 повторно используемых компонент, которые реализуют все элементы пользовательского интерфейса операционной системы Windows. Кроме того, VCL предоставляют в распоряжение программистов такие оригинальные объекты, как записные книжки с закладками, табличные сетки для отображения содержимого баз данных и даже органы управления устройствами мультимедиа. Находясь в среде объектно-ориентированного программирования C++Builder, компоненты можно использовать непосредственно, менять их свойства, облик и поведение или порождать производные элементы, обладающие нужными отличительными характеристиками.

Профессиональные средства языка C++ интегрированы в визуальную среду разработки. C++Builder предоставляет быстродействующий компилятор с языка Borland C++, эффективный инкрементальный загрузчик и гибкие средства отладки как на уровне исходных инструкций, так и на уровне ассемблерных команд.

Оптимизирующий 32-разрядный компилятор, который построен по проверенной ведущей компиляторной технологии корпорации Borland, обеспечивающей исключительно падежную и быструю оптимизацию, как длины выходного исполняемого кода, так и расходуемой памяти.

Инкрементальный линкер осуществляет быструю и надежную сборку приложения в формате ЕХЕ файлов сравнительно меньшего размера. Автоматически устраняя повторную сборку не изменившихся исходных объектных файлов и подключение неиспользуемых функций, инкрементальный линкер строит эффективную выполняемую программу с минимальными потерями времени.

Разработка по способу "drag-and-drop" многократно упрощает и ускоряет обычно трудоемкий процесс программирования систем управления базами данных (СУБД) в архитектуре клиент/сервер. Широкий выбор компонент управления визуализацией и редактированием позволяет легко изменять вид отображаемой информации и поведение программы.

Механизм BDE (Borland Database Engine) поддерживает высокопроизводительный 32-разрядный доступ к базам данных dBASE, Paradox, Sybase, Oracle, DB2, Microsoft SQL Server, Informix, InterBase и Local InterBase. C++Builder использует контроллер ODBC (Open Database Connectivity) производства Microsoft для связи с серверами баз данных Excel, Access, FoxPro и Btrieve.

4.3 Составляющие программы персонального компьютера

Программа персонального компьютера представляет собой приложение Windows обеспечивающее:

- связь с устройством дефектоскопирования;

- обработку данных поступивших от микроконтроллера;

- управление процессом дефектоскопирования;

- визуализацию результатов контроля;

- обработку команд пользователя;

- управление базой данных.

Решение этих задач организуется с помощью трех потоков, выполняемых параллельно: потока связи, потока дефектоскопии и потока VCL.

Поток представляет собой конкретную последовательность команд, выполняемую в рамках процесса (программы выполняемой в Windows). Каждый процесс имеет, по крайней мере, один поток, называемый главным потоком. Кроме того, процесс может запускать любое количество вторичных потоков, которые выполняются параллельно и решают свои задачи /11/.

В Windows-приложениях различают два вида потоков: потоки пользовательского интерфейса обрабатывают сообщения Windows, и поэтому могут создавать элементы пользовательского интерфейса и выполнять с ними различные действия. Рабочие потоки не обрабатывают сообщений Windows и используются для выполнения фоновых задач.

Главным потоком программы дефектоскопа является поток VCL, который также является потоком пользовательского интерфейса. Он обрабатывает команды пользователя и отображает информацию о процессе дефектоскопии в окне программы.

Поток дефектоскопии обеспечивает проведение контроля детали, т.е. обработку данных и управление электроприводом. Данные для обработки поток дефектоскопии получает от потока связи, который предназначен для передачи сообщений-команд по запросу других потоков и приема сообщений-ответов от устройства.

Работа с базой данных реализуется через механизм BDE, который является посредником между программой дефектоскопа и непосредственно данными. Результаты контроля заносятся в базу данных потоком дефектоскопии, а отображение данных и навигация по базе осуществляется потоком VCL.

Схема обмена данными между потоками изображена на рисунке 4.1.

Схема обмена данными в программе персонального компьютера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4.1

4.4 Описание основной части программы

При рассмотрении алгоритмов работы потоков программы наибольший интерес представляет алгоритм работы потока дефектоскопии. Листинг этого блока программы приведен в приложении 4.

Поток дефектоскопии начинает свою работу по команде пользователя «Начало дефектоскопии» и останавливается либо при завершении процесса контроля, либо по команде «Остановка дефектоскопии». В последнем случае процесс контроля считается незавершенным.

Работа потока начинается с установки параметров дефектоскопии. Поскольку эти параметры устанавливаются пользователем, то возможностью их чтения обладает только поток VCL. Поэтому для чтения параметров используется функция синхронизации потоков Synchronize(ReadMainForm).

Следующим этапом работы потока дефектоскопии является настройка на деталь. Производится пять попыток чтения периода сигнала от датчиков, а затем вычисляется среднее значение периода. Таким образом, определяется эталонное значение, необходимое для поиска дефектов.

Включение вращения электропривода осуществляется посылкой соответствующего сообщения-команды микроконтроллеру устройства. После включения электропривода запускается цикл поиска дефектов, который выполняется до тех пор, пока не будет достигнут заданный угол поворота детали или процесс не будет прерван пользователем.

В теле цикла производится вычисление разности эталонного значения и значения полученного от устройства. Если модуль этой разности больше порогового значения, то делается вывод о наличии дефекта и запоминается его расположение.

При достижении требуемого угла поворота вызывается функция записи результатов контроля. Для этого используется функция Synchronize(SetResult). Запись результатов контроля подразумевает вывод результатов на главную форму и запись результатов в базу данных дефектоскопии.

4.5 Описание системы управления базой данных

Все приложения систем управления базами данных (СУБД), создаваемые в среде C++Builder, являются клиентами в архитектуре программного взаимодействия клиент/сервер. Клиент выдает запросы к серверу базы данных на получение или передачу информации. Сервер обрабатывает запросы от множества клиентов одновременно, координируя доступ к данным и их обновление.

Работа с базой данных основана на низкоуровневом ядре - процессоре баз данных Borland Database Engine (BDE). Ключевой механизм BDE (Borland Database Engine), обеспечивающий работу визуальных компонент баз данных, действует как интерфейс между приложением и самой базой данных. BDE реализован в виде набора системных DLL файлов. Взаимодействие компонентных объектов с BDE никак не специфицирует конкретную базу данных и не зависит от реализации обмена информацией на нижнем уровне иерархии. Именно BDE обращается в свою очередь к драйверам, специфическим для базы данных указанного типа, возвращая приложению запрошенные фактические данные.

База данных дефектоскопа представляет собой базу данных, хранимую в любом формате, поддерживаемом BDE. Она может храниться как на удаленном компьютере, так и на компьютере пользователя. Для работы программы с базой необходимо зарегистрировать базу данных в системе Windows под псевдонимом Defectoscope.

Записи базы данных дефектоскопа создаются автоматически при завершении процесса контроля. Каждая запись содержит следующую информацию:

- номер акта дефектоскопирования;

- имя пользователя, проводившего дефектоскопирование;

- номер дефектоскопируемой обоймы;

- дата и время дефектоскопирования;

- продолжительность дефектоскопирования;

- угол поворота детали;

- количество обнаруженных дефектов;

- расположение обнаруженных дефектов;

- порог срабатывания для каждого из датчиков.

Все поля записи заполняются программой автоматически, без участия пользователя. Для добавления и удаления записей, а также перемещения по ним программа использует стандартные функции C++Builder, предоставляемые механизмом BDE.

Все записи базы данных доступны для просмотра, но недоступны для редактирования. Единственная возможность пользователя исправить допущенную им ошибку - это удалить всю запись целиком и провести дефектоскопирование снова. Запрет на редактирование записей базы введен для исключения возможности фальсификации результатов дефектоскопирования.

4.6 Порядок работы с программой дефектоскопа

При каждом запуске программа дефектоскопа выводит на экран окно идентификации пользователя (рис. 4.2), в текстовые поля которого требуется ввести имя пользователя системой дефектоскопирования и пароль пользователя. В дальнейшем имя пользователя используется программой для сохранения результатов контроля в базе данных.

Окно идентификации пользователя

Рис. 4.2

После входа в систему пользователь может начать работу с дефектоскопом. Для начала дефектоскопирования необходимо вызвать команду главного меню «Начало дефектоскопии» или нажать соответствующую кнопку на панели инструментов. После этого программа запросит номер дефектоскопируемой обоймы (рис. 4.3). Пользователь может либо ввести требуемый номер, либо отменить дефектоскопирование.

Окно ввода номера обоймы

Рис. 4.3

Текущее состояние процесса дефектоскопии отображается на вкладке «Процесс дефектоскопии» главного окна (рис. 4.4).

Вкладка «Процесс дефектоскопии»

Рис. 4.4

На вкладке «Процесс дефектоскопии» отображаются: текущий сканируемый сектор детали, расположение датчиков в сечении кольца, наличие дефектов в каждом из секторов детали, номер дефектоскопируемой обоймы, количество дефектов, продолжительность дефектоскопии.

При появлении дефектов соответствующие датчики начинают мигать, сигнализируя пользователю о наличии дефектов.

Остановка процесса дефектоскопии осуществляется выбором команды меню «Остановка дефектоскопии» или нажатием кнопки панели инструментов.

Для настройки параметров дефектоскопирования необходимо переключиться на вкладку «Параметры дефектоскопии» (рис. 4.5).

Вкладка «Параметры дефектоскопии»

Рис. 4.5

устройство дефектоскопирование алгоритм компьютер

С помощью этой вкладки можно настраивать порог срабатывания для каждого из восьми датчиков. Порог задается в процентах от эталонного значения, вычисляемого при настройке на деталь. Максимальное значение порога 30%, минимальное 5%.

Пользователь может изменить количество полных оборотов детали, наличие звуковой индикации дефекта и наличие сообщения о дефекте в виде окна диалога. С помощью вкладки «Параметры дефектоскопии» можно также определить необходимость сохранения результатов контроля в базе данных дефектоскопа.

Просмотр записей базы данных осуществляется при переключении на вкладку «База данных дефектоскопии» (рис. 4.6).

Вкладка «База данных дефектоскопии»

Рис. 4.6

Навигация по записям базы возможна либо с помощью команд главного меню, либо при помощи кнопок навигации, расположенных в нижней части окна. Редактирование записей невозможно, однако возможно удаление записи целиком с помощью кнопки «Удалить».

5. Сопряжение устройства с персональным компьютером

5.1 Выбор способа сопряжения устройства с персональным компьютером

При выборе способа сопряжения периферийного устройства с персональным компьютером необходимо учитывать следующее:

- надежность и эффективность работы организуемой сети;

- возможность использования имеющихся портов ПК (COM, LPT, USB);

- соответствие наиболее распространенным промышленным стандартам;

- возможность быстрого расширения организуемой сети, без реорганизации ее структуры.

Существует большое количество типов локальных сетей удовлетворяющих этим требованиям. Однако в последнее время негласным промышленным стандартом стали командно-информационные сети - сети, основанные на использовании интерфейсов RS-232С и RS-485.

5.2 Основные понятия о командно-информационных сетях

5.2.1 Принципы построения командно-информационных сетей

Командно-информационные сети (Command-Informational LAN - CI LAN) - локальные сети, состоящие только из одного персонального компьютера (PC) и одного или нескольких микроконтроллеров, которые принято называть периферийными станциями (Peripheral Stations - PS).

Основным принципом работы CI LAN является то обстоятельство, что единственный в сети PC играет роль генератора команд для всех микроконтроллеров и получателя всей информации от них, отсюда и название - «командно-информационные сети». Другими словами, инициатором любых процессов в CI LAN может быть только PC. Станции (микроконтроллеры) лишь получают и распознают команды, исполняют их, производят первичную обработку и, если необходимо, передают данные в PC. В некоторых CI LAN делается одно исключение для аварийных ситуаций, когда одна или несколько PS могут генерировать сигнал аварии.

На PC, как на наиболее мощный и оснащенный периферией элемент сети, возлагаются задачи по вторичной обработке и сохранению данных, их интерпретации и визуализации. Микроконтроллеры PS измеряют различную аналоговую информацию или получают дискретную информацию от других приборов, производят первичную обработку данных, управляют различными исполнительными устройствами, производят автотестирование, а также передают необходимые данные в PC.

Рассмотрим основные требования, предъявляемые к CI LAN:

- с целью снижения стоимости системы и обеспечения взаимозаменяемости в составе CI LAN используются PC в стандартной конфигурации (т. е. имеющие два порта RS-232С, один из которых, как правило, занят), а связь осуществляется через свободный порт RS-232C;

- желательно использовать либо стандартные компьютерные кабели с разъемами типа DB9, либо "витую пару", либо четырехжильные телефонные экранированные кабели, т. к. наиболее дорогостоящим и трудоемким элементом современных LAN является кабель передачи данных - сетевая среда (Transmission Medium - ТМ);

- желательно ограничивать длину LAN до минимума из-за того, что общая длина сетевой среды влияет на скорость передачи данных;

- важнейшим требованием к CI LAN, работающим в условиях сильных электромагнитных и электростатических полей или в лабораторных условиях, является наличие гальванической развязки периферийных станций от сетевой среды;

- с целью снижения стоимости и объема аппаратных затрат в CI LAN, в основном, используются два типа интерфейсов: RS-232C и RS-485.

Структурная схема (топология) CI LAN приведена на рис. 5.1.

Топология CI LAN

Рис. 5.1

Типичная CI LAN содержит:

- PC - персональный компьютер;

- DPC (Dispatcher PC) - диспетчер PC;

- TM (Transmission Medium) - сетевую среду;

- S1...SN - станции;

- DS (Station Dispatcher) - диспетчеры станций.

Диспетчер PC - узел, согласующий порт RS-232C персонального компьютера с сетевой средой. Если CI LAN строится на базе протокола RS-485, то DPC оптически изолирует порт RS-232С персонального компьютера и преобразует интерфейс RS-232С в интерфейс RS-485. В случае построения CI LAN на базе протокола RS-232C, узел не является обязательным и, по сути, оптически изолирует некоторые сигналы интерфейса RS-232C.

Диспетчер станции DS преобразует сигналы RS-232C или RS-485 во внутренние сигналы станции. Как правило, каждый DS имеет два одинаковых разъема DB9F (Xi.1 и Xi.2), соединенных параллельно. Сетевая среда в CI LAN выполняется в виде кабелей с однотипными разъемами DB9V одинаковой либо разной длины, соединяемых последовательно. Это позволяет легко и оперативно модифицировать сеть.

Различают малые (до 16 станций), средние (до 32 станций) и большие (до 128 станций) CI LAN. Малые CI LAN можно реализовать на базе интерфейсов RS-232C и RS-485, остальные - только на базе RS-485.

5.2.2 Функционирование командно-информационных сетей

Общая программа работы всей CI LAN находится на персональном компьютере. Он в заданные моменты времени выдает в сеть определенную последовательность байтов, называемую фреймом команды (Command Frame); все станции одновременно принимают фрейм команды; одна из них определяет, что фрейм адресован ей, и выполняет предписанные действия, после чего передает в PC фрейм ответа. Остальные станции, определившие, что принятый командный фрейм адресован не им, игнорируют его и ждут поступления следующего командного фрейма.

Отметим также некоторые особенности работы сетей на базе интерфейсов RS-232C и RS-485. Напомним, что интерфейс RS-232C имеет отдельные линии передачи TxD и приема RxD данных. Поскольку команды в CI LAN передает только PC, он монопольно использует линию TxD, и, следовательно, на этой линии конфликты от одновременного включения нескольких передатчиков невозможны. При этом PC не имеет возможности контролировать передачу. Линия RxD используется всеми контроллерами, которые подключены к ней своими выходами. В случае нормальной работы аппаратуры и программного обеспечения станций, конфликтов на линии быть не должно, но при сбоях возможны конфликты вследствие одновременного подключения к линии нескольких передатчиков. Таким образом, линия RxD является линией со случайным (со стороны контроллеров) доступом и программным (со стороны PC) анализом конфликтов.

При использовании интерфейса RS-485 данные передаются по двум проводам, как в прямом, так и в обратном направлении, т. е. конфликты возможны как при передаче команд, так и "приеме данных. За всеми конфликтами в сети следит PC. В этом случае вся сеть является сетью со случайным доступом и программным анализом конфликтов. Кроме того, все участники такой сети (и PC, и PS) должны обеспечивать отключение своих передатчиков в перерывах между передачами и анализировать незанятость сети перед попыткой передачи.

Таким образом, информационно-командный принцип построения LAN предполагает следующие основные режимы обмена данными:

- получение любой из периферийных станций PS заданий от PC;

- передача в PC результатов измерений от любой станции PS (по запросу от PC);

- выполнение любой станцией PS самотестирования по команде PC с передачей результатов тестирования обратно в PC;

- передача в PC информации об аварийных ситуациях по инициативе любой станции PS.

5.3 Применение командно-информационных сетей для сопряжения дефектоскопа с персональным компьютером

Задача сопряжения дефектоскопа и персонального компьютера представляет собой задачу построения командно-информационной сети с одной периферийной станцией. Структура дефектоскопа предполагает, что устройство обеспечивает измерение и оцифровку информации, а ПК обработку и визуализацию этой информации. Такая схема взаимодействия хорошо укладывается в рамки командно-информационной сети.

Кроме того, большое значение имеет возможность увеличения числа периферийных станций. Такая возможность понадобиться для подключения нескольких устройств, поддерживающих интерфейс CI LAN, к одному персональному компьютеру. В этом случае, персональный компьютер будет выступать в роли устройства централизованного управления производственным процессом.

Учитывая вышесказанное можно говорить о целесообразности применения командно-информационных сетей для сопряжения разрабатываемого устройства с персональным компьютером.

5.4 Электрическая часть командно-информационной сети

В качестве базового интерфейса CI LAN будем использовать интерфейс RS-485, как более надежный и помехоустойчивый чем RS-232C.

5.4.1 Диспетчер персонального компьютера

На диспетчеров персонального компьютера (DPC) возлагаются две основные функции: сформировать сигналы среды передачи данных (ТМ) и обеспечить гальваническую развязку PC.

На рис. 5.2 представлена схема DPC для сети на базе протокола RS-485.

Диспетчер персонального компьютера

Рис. 5.2

Входная часть DPC изображена справа и подключается к PC с помощью разъема Х2. В связи с особенностями построения CI LAN на базе интерфейса RS-485, в этом DPC реализованы дополнительные функции программно-аппаратного сброса всех контроллеров сети и отключения выхода диспетчера.

Питание и управление входной части осуществляется от выходных линий порта RS-232C персонального компьютера. При этом предполагается, что в рабочем режиме (приема и передачи данных) на линии RTS должно быть установлено положительное напряжение, а на линии DTR - отрицательное напряжение. Величины этих напряжений определяются исполнением материнской платы персонального компьютера и могут составлять от 9 до 12В соответствующей полярности.

Учитывая то, что, в соответствии с алгоритмом работы CI LAN, передатчик PC закрывается на достаточно короткие промежутки времени, отключение выхода передатчика осуществляется при переводе сигнала DTR в состояние H. При этом положительное напряжение с линии DTR через резистор R10 включает светодиод нижней оптопары D3, а коллектор транзистора этой оптопары переводит вход управления драйвера DE в состояние L, что, соответственно, переводит выходы передатчика в высокоимпедансное состояние.

Состояние RTS=L и DTR=H приводит к включению светодиода верхней оптопары D3. Коллектор ее транзистора переводит при этом в состояние L вывод RESET, который осуществляет аппаратный сброс микроконтроллеров.

Выходная часть DPC реализована на микросхеме МАХ487. Резистор R5 должен иметь сопротивление 120 Ом. Он устанавливается в RS-485 сетях на двух концах ТМ.

Так как согласно топологии CI LAN диспетчер PC всегда устанавливается на одном из концов ТМ, резистор R5 должен быть установлен всегда. Резисторы R1, R2 служат для "привязки" уровней линий "А" (к земле) и "В" (к питанию), для уменьшения времени переходных процессов в случае, когда все передатчики сети закрыты. Резисторы R3, R4 и стабилитроны VD1, VD2 являются простейшей защитой от импульсных помех, возникающих в достаточно протяженных сетях или в сетях, работающих в условиях мощных электромагнитных помех.

5.4.2 Диспетчер периферийной станции

На рис. 5.3 показана схема диспетчера станции CI LAN на базе интерфейса RS-485. Эта схема аналогична выходной части схемы, приведенной на рис. 5.2. Она используется во многих сетях на базе интерфейса RS485. Приведенная схема имеет защиту входных цепей, аналогичную показанной на рис. 5.2. Во входные цепи введена перемычка JP1, которая устанавливается на самом последнем контроллере для согласования сети. Отключение выходов передатчиков сети осуществляется переводом вывода BUSY микроконтроллера в состояние L. При этом включается нижняя оптопара D3 и вывод DE приемопередатчика D1 переводится в состояние L, что, соответственно, переводит выходы передатчика в высокоимпедансное состояние.

Диспетчер периферийной станции

Рис. 5.3

5.5 Программная часть командно-информационной сети

5.5.1 Формат фреймов

Информация в CI LAN передается в виде фреймов (Frame) -определенной последовательности байтов команды (от PC) и ответа (от PS). Существует стандартный формат фреймов, описанный во многих документах для локальных сетей /12/, позволяющий работать с фреймами произвольной длины. Однако этот формат в CI LAN используется достаточно редко из-за громоздкости его обработки, избыточности и снижения производительности CI LAN при его применении. Для связи устройства и персонального компьютера используется наиболее часто применяемый вариант форматов фреймов.

Формат фрейма команды приведен в таблице 5.1.

Таблица 5.1

Формат фрейма команды

№ байта	Наименование	Значение
В0	Преамбула	10101010
В1	Адрес станции	Address
В2	Код команды	Command
ВЗ	Младший байт данных	Low Data Byte
В4	Старший байт данных	High Data Byte
В5	Контрольная сумма	(B0...B4)

Первый байт (В0) - преамбула - байт синхронизации. Второй байт (В1) содержит адрес станции, которой персональный компьютер направляет команду.

Код команды - код операции, которую должен выполнить адресуемый контроллер (станция). Далее следуют два байта данных. Если во фрейме конкретной команды данные не нужны, - соответствующие байты заменяются нулями.

Формат фрейма ответа (таблица 5.2) очень похож на формат фрейма команды, за исключением поля В2, в котором содержится код ответа на полученную команду.

Таблица 5.2

Формат фрейма ответа

№ байта	Наименование	Значение
В0	Преамбула	10101010
В1	Адрес станции	Address
В2	Код ответа	Answer
ВЗ	Младший байт данных	Low Data Byte
В4	Старший байт данных	High Data Byte
В5	Контрольная сумма	(B0...B4)

Коды используемых команд и ответов приведены в таблице 5.3.

Таблица 5.3

Коды команд и ответов

Код	Назначение	Мл. байт данных	Ст. байт данных
Команда 1	Чтение значения периода сигнала	номер канала (датчика)	0
Ответ 1	Передача значения периода сигнала	мл. байт значения	ст. байт значения
Команда 4	Чтение значения угла поворота	0	0
Ответ 4	Передача значения угла поворота	мл. байт значения	ст. байт значения
Команда 6	Включение электропривода	0	0
Ответ 6	Электропривод включен	0	0
Команда 9	Выключение электропривода	0	0
Ответ 9	Электропривод выключен	0	0

5.5.2 Алгоритм работы командно-информационной сети

Контроллер станции все время готов принять фрейм команды. Как только фрейм принят, станция сравнивает адрес фрейма (В1) со своим уникальным адресом, который "зашит" в ROM микроконтроллера. Если адрес принятого фрейма не соответствует индивидуальному адресу станции, фрейм игнорируется, никакие действия не производятся, и станция ожидает приема следующего фрейма.

Если же адрес фрейма совпал с индивидуальным адресом станции, станция рассчитывает контрольную сумму первых пяти байт и сравнивает с принятым байтом В5. Контрольная сумма обычно считается упрощенно, все байты суммируются побитно по модулю 2. Если контрольная сумма не совпала, фрейм игнорируется и ожидается прием нового фрейма, в противном случае анализируется код команды, выполняются предписанные ей действия, формируется фрейм ответа в соответствии с таблицей 5.2, и производится передача фрейма ответа.

В случае неполучения фрейма ответа, персональный компьютер повторяет команду пять раз. Если после нескольких попыток никакого ответа не получено, то PC выдает сообщение оператору сообщение об аварии сети.

5.5.3 Программа микроконтроллера

Листинг блока программы, обеспечивающего связь с персональным компьютером, приведен в приложении 5. Этот блок состоит из трех подпрограмм:

- обработка прерывания «Байт данных принят»;

- обработка прерывания «Регистр данных пуст»;

- подпрограмма обработки фрейма команды и формирования фрейма ответа.

Прием фрейма команды организован с помощью прерывания UART «Байт данных принят». Обработчик прерывания запускается каждый раз, когда на вход приемника поступает байт данных. Этот байт считывается из порта ввода/вывода UDR и сохраняется в ОЗУ микроконтроллера. Микроконтроллер увеличивает счетчик принятых байтов, который указывает на номер байта в принятом фрейме и когда счетчик достигает значения 5, то он обнуляется и фрейм считается принятым полностью. В этом случае вызывается процедура обработки фрейма команды и формирования фрейма ответа.

Первым шагом подпрограммы обработки фрейма команды является проверка соответствия поля Address индивидуальному адресу устройства. Если эти значения не совпадают, то выполняется команда возврата из подпрограммы RET. На следующем этапе выполняется проверка контрольной суммы, которая организуется с помощью команды побитового сложения EOR (исключающее ИЛИ). Результатом побитового сложения всех полей фрейма должно быть нулевое значение, иначе обработка фрейма команды прекращается.

Для идентификации команды используется оператор сравнения CPI. Если поле Command фрейма и проверяемый код равны, то происходит вызов процедуры отвечающей за обработку соответствующей команды. Иначе происходит переход к оператору идентификации следующего кода команды.

При формировании ответа заполняются поля преамбула, номер устройства, код ответа и контрольная сумма. Байты данных, если это необходимо, заполняются при выполнении процедуры обработки команды.

После заполнения полей фрейма ответа микроконтроллер переводит вывод BUSY в состояние H, устанавливает единичное значение счетчика переданных байтов и инициализирует передачу первого байта фрейма.

Завершение передачи байта сопровождается выполнением подпрограммы обработки прерывания «Регистр данных пуст». Подпрограмма отправляет следующие байты до тех пор, пока не будет достигнут конец фрейма ответа. После этого вывод BUSY переводится в состояние L и процесс передачи заканчивается.

5.5.4 Программа персонального компьютера

Передача данных в программе персонального компьютера организуется специально создаваемым потоком TCOMThread. Листинг этого блока программы приведен в приложении 6.

Задачей потока TCOMThread является отправка сообщений-команд по запросу других потоков программы и получение сообщений-ответов от периферийных станций. Поток создается в обработчике события OnCreate главной формы. При этом начинается выполнение функции Execute() и продолжается до тех пор, пока переменная Terminated не станет равной значению true.

Выполнение функции Execute() начинается с установки параметров порта RS-232C. Устанавливаются такие параметры как скорость передачи, назначение некоторых линий, количество стоповых бит, наличие проверки на четность, максимально возможные задержки при передаче.

Дальнейшее выполнение процедуры продолжается в цикле, организуемом с помощью оператора while. Этот цикл выполняется до тех пор, пока переменная Terminated не станет равной значению true. В теле цикла содержатся операторы, обеспечивающие передачу и прием фреймов.

Передача и прием данных осуществляется функциями WriteFile и ReadFile, которым вместо дескриптора файла передается дескриптор используемого COM-порта. Этот дескриптор создается при обработке события OnCreate главной формы.

Для синхронизации потоков программы используются объекты «Событие» (putincom и outfromcom) и «Критический раздел» (busycom).

В этом случае последовательность действий потока, которому необходимо передать фрейм периферийной станции, следующая:

- захват критического раздела busycom;

- установка переменных для передачи;

- установка события putincom, сигнализирующего потоку TCOMThread о появлении данных для передачи;

- ожидание установки события outfromcom, которое сигнализирует о приеме фрейма ответа;

- освобождение критического раздела busycom.

Последовательность действий потока TCOMThread:

- ожидание установки события putincom;

- передача фрейма команды;

- ожидание ответа от периферийной станции;

- установка переменных ответа;

- установка события outfromcom.

Если поток TCOMThread не получил ответа от периферийной станции или контрольная сумма фрейма ответа не совпала, то в переменную error записывается код соответствующей ошибки, иначе переменная error обнуляется.

Такой алгоритм взаимодействия потоков программы наиболее эффективен и незначительно загружает вычислительные ресурсы процессора. Кроме того, он позволяет нескольким потокам работать с COM-портом одновременно, не уменьшая эффективность работы.

6. Определение затрат на разработку устройства

6.1 Общие принципы определения себестоимости

Под себестоимостью изделия понимаются расходы предприятия по его изготовлению и реализации. При проектировании нового или модернизации существующего устройства в себестоимость включаются затраты на проведение научных исследований, проектных и конструкторских работ. Структура затрат и их величина определяются условиями изготовления проектируемого устройства /13/.

При изготовлении проектируемого изделия на приборостроительном заводе затраты на проектирование и макетирование устройства планируются не индивидуально по каждому виду изделия, а принимаются в определённом проценте в составе внепроизводственных или прочих расходов.

При расчете затрат учитываются условия (лабораторные или заводские) и этапы проектирования, а также наличие предварительных работ по этой теме.

В затраты на научно-исследовательские работы включаются прямые и косвенные расходы. Прямые затраты связаны с выполнением отдельных тем и заказов. Это затраты на материалы и специальное оборудование для научных и экспериментальных работ; основная и дополнительная заработная плата производственных рабочих, научных и инженерно-технических работников, непосредственно занятых выполнением научно-исследовательских работ; на приобретение и подготовку материалов специальной научно-технической информации; на выплату премий работникам, заработная плата которых относится на прямые расходы и т.д.

Косвенные расходы не относятся к конкретным темам, их величина принимается в определенной доле к прямым расходам или их части.

6.2 Расчет затрат на сырье, материалы, комплектующие изделия

Расчеты по статьям затрат для всех условий изготовления производим методом непосредственного расчета.

Затраты на комплектующие изделия определяем в оптовых ценах предприятия. Количество покупных изделий и полуфабрикатов определяем по данным конструкторских расчетов важнейших узлов разрабатываемого устройства и по спецификации к принципиальной схеме устройства.

Расчет затрат на покупные изделия и полуфабрикаты приведен в таблице 6.1.

Таблица 6.1

Покупные изделия и полуфабрикаты

Наименование комплектующих	Марка, тип изделия	Цена за ед., руб.	Кол.	Сумма затрат, руб.
Микроконтроллер	AT90S2313	125,00	1	125,00
Микросхема	ADM232LTN	51,00	1	51,00
Микросхема	78LR05	18,00	1	18,00
Микросхема	К544УД2	140,00	8	1120
Микросхема	К561ИЕ16	8,00	8	64,00
Микросхема	К561КТ3	7,00	2	14,00
Микросхема	К159НТ1	40,00	8	320,00
Транзистор	КТ209	1,50	16	24,00
Кварцевый резонатор		60,00	1	60,00
Резистор		0,40	88	35,20
Конденсатор		0,20	48	9,60
Светодиод		8,90	1	8,90
Трансформатор		75,00	1	75,00
			Итого:	1730,70

При расчете затрат на вспомогательные материалы учитываем только те, расход которых можно определить прямым путем. Так, расход припоя на монтажно-сборочные работы рассчитываем из норм расхода на 100 паек. Расход канифоли принимаем в размере 10 % от веса припоя, расход растворителя флюса канифольного - в размере одной трети от веса флюса. Расчёт затрат на вспомогательные материалы приведён в таблице 6.2.

Таблица 6.2

Затраты на вспомогательные материалы

Наименование вида мате- риала, сырья	Марка (шифр)	Единица измерения	Кол- во	Цена за ед., руб.	Сумма, руб.
Стеклотекстолит фольгированный двухсторонний	ГФ2-35	дм2	7	24,00	168,00
Припой оловянно-свинцовый	ПОС-40	кг	0,4	300,00	120,00
Канифоль		кг	0,04	120,00	4,80
				Итого:	292,80

Из таблицы 6.1 видно, что общая сумма затрат на покупные изделия составляет 1730,70 руб.

В результате расчета затрат на вспомогательные материалы, приведенного в таблице 6.2, видно, что эти затраты составляют 292,80 руб.

Таким образом, затраты на покупные и комплектующие изделия и вспомогательные материалы в сумме составляют 2023,50 руб.

В затраты на материалы, сырье, комплектующие изделия включаются транспортно-заготовительные расходы. Для приборостроительных предприятий наценка снабженческих организаций, включая транспортные расходы, принята на уровне 6%. Транспортно-заготовительные расходы составляют 121,41 руб.

Итого общие затраты на покупные, комплектующие изделия, основные и вспомогательные материалы и транспортно-заготовительные расходы составляют 2144,91 руб.

6.3 Затраты на оплату труда, отчисления на социальное страхование

Для определения затрат на основную заработную плату рассчитывается трудоемкость всех видов работ: исследовательских, проектных, конструкторских, связанных с изготовлением и наладкой устройства. В зависимости от масштабов работ, трудоемкость измеряется в человеко-месяцах, человеко-днях или человеко-часах (нормо-ч). Определение вышеперечисленных расходов производится методом прямого расчёта.

Расчет трудоемкости произведём отдельно для каждого вида работ и по исполнителям с учетом условий производства. Результаты расчета приведены в таблице 6.3.

Таблица 6.3

Трудоемкость работ

Наименование работ	Категория работников	Общая трудоемкость, человеко-дни
	Начальник лаборатории	Инженер	Инженер-программист	Техник
Разработка и получение технического задания	3	3	3	1,5	10,5
Разработка структурной схемы прибора	4	6	1	0	11
Разработка принципиальной схемы прибора	2	14	0	0	16
Разработка программного обеспечения	1	0	11	0	12
Разработка технической документации	1,5	12	10	0	23,5
Разводка и изготовление печатной платы	0	3	0	9	12
Монтаж прибора	0	2	0	7	9
Отладка прибора и программного обеспечения	0	8	6	10	24
Итого:	11,5	48	31	27,5	118

Чтобы перевести трудоемкость из человеко-дней в человеко-месяцы, необходимо разделить эту величину на число рабочих дней в месяце:

Dр мес = Fp/tсм, (6.1)

где Fp - фонд рабочего времени в месяце; tсм - продолжительность смены.

Dр мес = 167/8 = 21.

Исходя из этого, трудоемкость работ в человеко-месяцах будет определятся как отношение трудоемкости работ выраженной в человеко-днях к месячному значению.

Dр Начальник = 11,5/21 = 0,55 чел-мес.

Dр Инженер = 48/21 = 2,23 чел-мес.

Dр Инженер-программист = 31/21 = 1,48 чел-мес.

Dр Техник = 27,5/ 21 = 1,3 чел-мес.

Кроме оплаты по тарифу, в фонд основной заработной платы включаются премии производственным категориям работников и доплаты по районному коэффициенту, составляющие соответственно 3% и 15% к тарифной ставке. Расчет фонда основной заработной платы приведен в таблице 6.4.

Таблица 6.4

Фонд основной заработной платы

Наименование категории работников	Dp, чел-мес.	Должност-ной оклад, руб.	Премии, руб.	Доплаты по районному коэффициенту, руб.	Месячный ФЗП одного работника, руб.	ФЗП на весь объем работ, руб.
Начальник	0,55	3490,00	104,70	523,50	4118,20	2265,01
Инженер	2,23	2670,00	80,10	400,50	3150,60	7025,84
Инженер-программист	1,48	2520,00	75,60	378,00	2973,60	4400,93
Техник	1,3	1210,00	36,30	181,50	1427,80	1856,14
					Итого:	15547,92

Дополнительная заработная плата устанавливается в процентах к основной. Она зависит от удельного веса отпускного времени и времени выполнения государственных обязанностей в рабочем:

Кдоп = (tотп / (305-tотп))*100 %, (6.2)

где 305 - количество рабочих дней в году при шестидневной рабочей неделе;

tотп - средняя продолжительность очередного отпуска и времени выполнения государственных обязанностей для рассматриваемой группы работников.

Здесь tотп=24+1, т.е. продолжительность очередного отпуска равна 24 дням.

Кдоп=25/(305-25)*100%=8,93 %.

Величина дополнительной заработной платы равна:

Сз доп=Сз ос*Кдоп, (6.3)

Сз доп=15547,92*0,0893= 1388,43 руб.

Общий фонд заработной платы составляет:

Сз=Сз ос+Сз доп, (6.4)

Сз=15547,92+1388,43 = 16936,35 руб.

Тесно связаны с общим фондом заработной платы затраты отчислений на социальное страхование, которые принимаются в размере 35,8 % от общего фонда заработной платы.

Сосс=0,358*16936,35 = 6063,21 руб.

6.4 Расходы по содержанию и эксплуатации оборудования

Эти расходы складываются из затрат, связанных с текущим содержанием и амортизацией оборудования, износом малоценных предметов.

Так как оборудование находится в эксплуатации более 5 лет, то в связи с постановлением правительства РФ от 1 января 2002г. №1 «О классификации основных средств, включаемых в амортизационные группы» общая сумма расходов на амортизацию составляет 20% от стоимости оборудования.

Сам = Ki*qi/100, (6.5)

где i=1,2,...,n - вид используемого оборудования;

Ki - первоначальная стоимость используемого оборудования, руб.;

qi - норма амортизационных отчислений i-го вида оборудования, %.

Таблица 6.5

Расходы по содержанию и эксплуатации электрооборудования

Наименование	Ki, руб.	qi, %
Вычислительная техника	14850,00	20,0
Осциллограф	8610,00	20,0
Ручная дрель	890,00	20,0
Электропаяльник	57,00	20,0

Сам= (14850,00 + 8610,00 + 890,00 + 57,00)*20/100 = 4881,40руб.

Для расчета расходов на электроэнергию необходимо знать установленную мощность оборудования по видам Руст; и рассчитать активную мощность электроприемников на шинах низкого напряжения:

Ра=Кс*Руст, (6.6)

где Кс - коэффициент спроса, учитывающий недогруз или неодновременность работы (0,5 - 0,8).

Таблица 6.6

Мощность электроприёмников

Наименование	Руст, Вт.	Kс	Ра, Вт
Вычислительная техника	250	0,8	200
Осциллограф	50	0,8	40
Ручная дрель	40	0,5	20
Электропаяльник	80	0,5	40

Общий расход электроэнергии:

Сэ=Рai*Fgi*i*Цi, (6.7)

где Fg - действительный фонд времени работы оборудования, ч;

= 0,7 - коэффициент загрузки оборудования во времени;

Ц - цена за единицу энергии.

Фонд времени работы оборудования берется из данных практики: учитывается продолжительность экспериментальных работ, монтажных и наладочных работ при изготовлении макета и образца проектируемого устройства.

Цена 1 кВт*ч электроэнергии = 0,72 руб.

Cэ=0,72*0,7*(0,2*248+0,04*30+0,02*20+0,04*30)= =26,41руб.

Расходы по содержанию и эксплуатации оборудования:

С_обор = Сэ+Сам, (6.8)

С_обор = 26,41 + 4881,40 = 4907,81 руб.

6.5 Общехозяйственные расходы

Это затраты на содержание аппарата управления, обслуживание работников и организацию работ.

В практике планирования широкое применение находит приближенный метод расчета, когда расходы берутся в определенном проценте к основным затратам.

Для лабораторных условий в ОКБ приборостроения эта величина принята как 126% от прямых затрат.

Прямые затраты это сумма затрат на сырье, общего фонда заработной платы, отчислений на социальное страхование и расходы на содержание и эксплуатацию оборудования.

Н=1,26*(2144,91+16936,35+6063,21+4907,81) = 37865,99 руб.

6.6 Определение цены проектируемого устройства

Уровень цены зависит от издержек производства нормально работающего предприятия (себестоимости) и нормативной прибыли.

Ц=С*(1+Кпр), (6.9)

где Кпр -величина плановых накоплений в долях единицы.

В лаборатории ОКБ приборостроения Кпр=15 %.

Результаты расчета по статьям затрат приведены в таблице 6.7.

Таблица 6.7

Себестоимость устройства дефектоскопии

№	Наименование статьи затрат	Сумма затрат, руб.
1	Сырье, комплектующие изделия	2144,91
2	Общий фонд заработной платы	16936,35
3	Отчисления на социальные страхования	6063,21
4	Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования	4907,81
5	Общехозяйственные расходы	37865,99
	Итого полная себестоимость:	67918,27

Ц= 67918,27*(1+0,15)= 78106,00 руб.

Затраты на разработку устройства дефектоскопии составляют: 78106 рублей.

7. Способы защиты от электромагнитных полей при работе с устройством

7.1 Задачи охраны труда

Охрана труда - это система законодательных актов, социально-экономических, организационно-технических, гигиенических и лечебно профилактических мероприятий и средств, обеспечивающих безопасность, сохранение здоровья и работоспособность человека в процессе труда.

Задачи охраны труда: свести к минимуму вероятность заболевания или поражения работающего с одновременным обеспечением комфорта при максимальной производительности труда. Реальные производственные условия характеризуются наличием вредных и опасных производственных факторов.

Опасный производственный фактор (ОПФ) - это фактор, воздействие которого при определенных условиях приводит к травме или другому внезапному ухудшению здоровья. Например: открытые токоведущие части, системы под давлением, движущиеся части систем и механизмов и т.д.

Вредный производственный фактор (ВПФ) - это фактор, воздействие которого при определенных условиях приводит к профзаболеванию или потере трудоспособности. Примеры: излучение, шум, вибрация, вредные вещества и т.д.

Зачастую между ВПФ и ОПФ трудно провести грань.

Дисциплина охраны труда комплексная и включает в себя четыре раздела:

- законодательство по охране труда;

- производственная санитария;

- техника безопасности;

- пожарная и взрывная безопасность.

По природе действия на организм человека опасные и вредные производственные факторы (ОПФ и ВПФ) подразделяются на четыре группы:

1. Физические;

2. Химические;

3. Биологические;

4. Психофизиологические.

К физическим ВПФ относятся движущиеся части машин; острые кромки; повышенный уровень вибрации, шума; аномальное значение микроклимата; повышенная запылённость и загазованность, излучение и т.д.

Химические факторы делятся на токсические, раздражающие, сенсибилизирующие (аллергены), канцерогенные, мутагенные.

Биологические ОПФ: патогенные микроорганизмы и продукты их жизнедеятельности; растения; животные; человек.

Психофизиологические ОПФ: нервно-эмоциональные перегрузки; монотонность; статическая, динамическая нагрузка; работа в ночную смену и т.д.

7.2 Влияние электромагнитных полей на человека

7.2.1 Источники электромагнитных полей

Источниками электромагнитных полей (ЭМП) являются: мощные радиостанции; промышленное электрическое оборудование; исследовательские установки; контрольно-измерительные устройства; линии электромагнитных передач; атмосферное электричество; радиоизлучение солнца и галактик.

Электромагнитные поля применяются для очистки полупроводниковых материалов, выращивания полупроводниковых кристаллов и пленок, локализации газов, прессовании синтетических материалов.

7.2.2 Параметры ЭМП

К параметрам ЭМП относятся:

1. частота f, Гц;

2. электрическая составляющая E, В/м;

3. магнитная составляющая Н, А/м;

4. плотность потока энергии I (ППЭ), Вт/м2;

Пространство вокруг источника ЭМП делится условно на три зоны:

1. ближняя (зона индукции)

2. промежуточная (интерференции)

3. дальняя (излучения).

7.2.3 Нормирование

Допустимые значения параметров ЭМП приведены в таблице 7.1.

Таблица 7.1

Предельно допустимые значения характеристик ЭМП по ГОСТ 27954-88

Наименование параметра	Допустимое значение
Напряженность электромагнитного поля по электрической составляющей на расстоянии 50 см от поверхности объекта	10 В/м
Напряженность электромагнитного поля по магнитной составляющей на расстоянии 50 см	0,3 А/м
Напряженность электростатического поля не должно превышать:	20 кВ/м
Напряженность электромагнитного поля на расстоянии 50 см по электрической составляющей не должна быть не более:
- в диапазоне частот 5 Гц - 2 кГц;	25 В/м
- в диапазоне частот 2 - 400 кГц	2,5 В/м
Плотность магнитного потока должна быть не более:
- в диапазоне частот 5 Гц - 2 кГц;	250нТл
- в диапазоне частот 2 - 400 кГц	25 нТл

7.2.4 Биологическое действие

Основная опасность - воздействие ЭМП не обнаруживается органами чувств. Под действием ЭМП происходит поглощение энергии тканями тела человека. В результате чего в теле образуются стоячие волны, в которых концентрируется тепловая энергия. При этом повышается температура тела человека, происходит локальный нагрев тканей и отдельных клеток.