Разработка микропроцессорной системы управления промышленным манипулятором

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Ивановский государственный энергетический университет

Кафедра электроники и микропроцессорных систем

Курсовая работа

по дисциплине: Электронные промышленные устройства

на тему: Разработка микропроцессорной системы управления промышленным манипулятором

Иваново, 2011



Введение

В настоящее время производство роботов манипуляторов занимает значительную часть сферы машиностроения. Промышленные роботы-манипуляторы являются важными компонентами автоматизации сложных технологических процессов на производстве, таких как покраска, сварка, точечная сварка, сборочные операции, операции резания сложных форм и т.д.; а так же выполняют работы в средах, недоступных или опасных для человека. Разработкой и серийным выпуском различных типов промышленных манипуляторов и конвейеров занимаются многие отечественные фирмы, такие как ООО «Далмек-РУС»(промышленные манипуляторы на заказ), ООО «Кибер-технология» (автоматизация производств, станкостроение, манипуляторы), ООО «Лоадер (пневматические подъемники- манипуляторы), ООО Промма (промышленные манипуляторы), ООО Рекорд- Инжирринг (промышленные манипуляторы, конвейеры). Также существует множество зарубежных фирм, занимающихся выпуском манипуляторов. Наиболее крупными из них являются: HUNDAI, Mitsubishi Electric (марка MELFA), Kuka-Robotics, Norgreen, Messer, FANUC, MOVEMASTER.

В составе робота есть механическая часть и система управления этой механической частью, которая в свою очередь получает сигналы от сенсорной части.

Механическая часть робота включает в себя подвижные звенья двух типов: звенья, обеспечивающие поступательные движения и звенья, обеспечивающие угловые перемещения.

Система управления осуществляет обработку входной информации и выдачу заданий на соответствующие силовые агрегаты, приводящие манипулятор в движение.

Системы управления могут реализовывать следующие типы управления:

1. Программное управление -- самый простой тип системы управления, используется для управления манипуляторами на промышленных объектах. В таких роботах отсутствует сенсорная часть, все действия жёстко фиксированы и регулярно повторяются.

2. Адаптивное управление -- роботы с адаптивной системой управления оснащены сенсорной частью. Сигналы, передаваемые датчиками, анализируются, и в зависимости от результатов, принимается решение о дальнейших действиях, переходе к следующей стадии действий и т. д.

3. Управление человеком (например, дистанционное управление).

В данном курсовом проекте манипулятор имеет оба типа звеньев, система управления реализует 2й и 3й типы управления: адаптивное и управление человеком.

1. Индивидуальное задание к курсовому проекту

Манипулятор с приведенной кинематической схемой имеет три управляемых оси, оснащенные датчиками скорости и положения.

Разработать функциональную схему автоматизации манипулятора, который должен быть оснащен конечными выключателями по каждой оси, кнопкой аварийного останова, отладочным пультом управления для ручного поворота по всем координатам, индикацией работающих осей. В качестве датчика угла поворота и скорости использовать совмещенный фазовращатель. Схват оснастить аналоговым датчиком усилия, сопротивление которого пропорционально усилию сжатия R=f(F).

1. Разработать преобразователи “скорость-код”, “положение-код” и “сопротивление-код”.

2. Разработать схему сопряжения ввода информации в ЭВМ через интерфейс типа МПИ/Электроника-60. Каналы ввода релейных сигналов должны содержать схемы защиты от дребезга контактов кнопок. Для обработки сигналов с кнопок управления использовать каналы прерывания. Остальные сигналы о состоянии внешней среды должны вводится путем программного опроса через равные промежутки времени. Предусмотреть полную гальваническую развязку цепей манипулятора с входами ЭВМ. Для управления силовыми преобразователями установить восьмиразрядные буферы на каждый электропривод.

3. Разработать схему алгоритма работы устр-ва управления манипулятором.

4. Фильтр, имеющий в аналоговом виде передаточную функцию преобразовать к виду, удобному для реализации на ЭВМ. Полученный цифровой фильтр проверить на устойчивость, и при необходимости откорректировать.

Разработать фрагмент программы на языке низкого уровня для реализации цифрового фильтра. Принять, что цифровой фильтр находится в цепи датчика скорости.



1. Функциональная схема манипулятора

Функциональная схема автоматизации (ФСА) является основным техническим документом, определяющим объем и структуру автоматизированных технологических установок, промышленных объектов и агрегатов.

Функциональная схема автоматизации включает в свой состав следующие подсистемы:

1)подсистему управления скорости звеньев, которая включает в себя командное устройство YE, регулятор скорости SC, электродвигатель M1, датчик положения и угла поворота UE (совмещен с датчиком скорости). Подобных подсистем внутри схемы - 3 (для управления поворотом звеньев);

2)подсистему управления схватом, включающую электромагнит M, преобразователь SC и датчик усилия РЕ;

3)систему конечных выключателей, блокировок, безопасности движущихся органов манипулятора GS.

Все датчики и устройства управления регуляторами являются адресуемыми устройствами, приём и передача данных в которые обеспечивается при помощи платы сопряжения управляющей микро-ЭВМ.

Буква А применяется для обозначения функции «сигнализация» независимо от того, вынесена ли сигнальная аппаратура на какой-либо щит или для сигнализации используются лампы, встроенные в сам прибор.

Буква S используется для обозначения контактов в устройствах только для включения, отключения, переключения и блокировки. Буквенное обозначение устройств, выполненных в виде отдельных блоков и предназначенных для ручных операций, независимо от того, в состав какого комплекта они входят, начинаются с буквы Н. Описание работы манипулятора.

Манипулятор состоит из трех звеньев. Звено L1 способно как поворачиваться на угол q1 так и перемещаться поступательно относительно оси вращения на расстояние q2 . Звено L2 способно только поворачиваться на угол q3. На звене L2 (рис.3.2) установлен схват. Перемещение звеньев обеспечивается электродвигателями посредством силовых преобразователей с интегральным законом управления. При этом информация о задающем воздействии поступает со стороны платы сопряжения от управляющей микро-ЭВМ в виде кодового сигнала, который преобразуется в аналоговый сигнал управления двигателем.

Информация о текущем значении частот вращения приводных двигателей и углах поворота звеньев поступает в управляющую ЭВМ через плату сопряжения. Кроме того, предусматривается подача в ЭВМ данных о состоянии конечных выключателей блокировки для безопасности движущихся частей манипулятора. ЭВМ получает информацию о положении и скорости звеньев манипулятора от фазовращателей (GЕ1-3- GЕ3-3) и датчиков скорости (SЕ1-3-SЕ3-3). Скорость перемещения звеньев регулируется подачей управляющего кода на силовой преобразователь, регулирующий частоту вращения двигателей привода (SС1-2 - SС3-2).

Схват оснащен датчиком усилия (РЕ4-3). Работа каждого узла и схвата отображается панелью индикации (AE7-1 - AE7-3). Манипулятор оснащен конечными выключателями передвижения 1-го звена (GS5-1, GS5-2), поворота 2-го звена (GS5-3, GS5-4), поворота 3-го звена (GS5-5, GS5-6). На пульте управления установлено: 6 кнопок управления, служащих для перемещения соответствующих звеньев в заданном направлении (SА6-1 - SА6-6); 2 кнопки управления схватом (SА6-8 - SА6-8).



2. Разработка преобразователей

2.1 Преобразователь «положение-код»

Преобразователь «положение-код» построен на основе программируемого генератора AD2S99 [2] и преобразователя напряжения с синусно-косинусного вращающегося трансформатора в цифровой сигнал (R/D преобразователя) AD2S83 [1].

Функциональная схема преобразователя представлена на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Функциональная схема преобразователя «положение-код»

На рис. 4.2 приведена принципиальная схема преобразователя положение-код.

Рис. 4.2. Преобразователь “положение-код”.

На микросхеме AD2S83 реализуется амплитудный способ преобразования положения ротора фазовращателя в цифровой сигнал. Рассмотрим работу схемы подробнее.

Выходы и микросхемы AD2S99 подключаются к входам опорного напряжения REF1 и REF2 фазовращателя. Входы SIN и COS подключаются к соответствующим выводам фазовращателя через трансформаторы для обеспечения обратной связи. Вход FBIS подключается к Vdd напрямую (без резистора) в нормальном режиме работы, а входы SEL1 и SEL2 к Vdd для настройки стандартной частоты. Выход SINR компенсирует любые ошибки на первичных или вторичных обмотках фазовращателя, которые могут быть в дальнейшем усилены в R/D преобразователе. Сигнал SINR прямоугольный и по фазе когерентен с сигналами SIN и COS, он соединяется с входом REFI преобразователя через фильтр высокой частоты, реализованный в виде RC-цепочки.

Входы SIN и COS R/D преобразователя подключаются к выходам SIN и COS фазовращателя. Вход SIGG подключается к нулевым концам обмоток SIN и COS фазовращателя по отдельным проводам для минимизации связи между сигналами SIN и COS. Входы SC1 и SC2 преобразователя подключаются к корпусу и к Vdd соответственно для задания разрядности выходного кода 12 бит. На выходах DB1-DB12 мы имеем 12-разрядный код положения фазовращателя, при этом младший бит кода соответствует 0.00176 градусам поворота вала двигателя. Преобразование происходит автоматически: при каждом изменении входного сигнала на значение, соответствующее одному младшему биту, изменяется выходной код, и на линии BUSY появляется импульс.

Так же на преобразователе реализован компенсационный контур. С выхода ACER мультипликатора снимается сигнал ошибки между сигналом с фазовращателя и значением, находящемся в счетчике. Этот сигнал через фильтр высокой частоты передается на вход DEMI фазочувствительного демодулятора. На выходе демодулятора получается постоянный средний сигнал пропорциональный сигналу на его входе с коэффициентом пропорциональности . С выхода демодулятора сигнал идет на интегратор INTI, а с интегратора INTO на генератор управляемый напряжением. Управляемый напряжением генератор, представляет из себя простой интегратор с парой компараторов. Как только напряжение на выходе интегратора достигает порогового напряжения одного из компараторов, фиксированное напряжение поступает на вход интегратора для того, чтобы уравновесить входное напряжение. В то же время счетчик считает вверх или вниз в зависимости от полярности входного напряжения. Таким образом, счетчик тактируется с частотой пропорциональной напряжению на входе ГУН.

Выход соединен с входом . На вход подается сигнал низкого уровня при представлении активного кода на выходах и высокого при переведении выходов в высокоимпендансное состояние. Низкий же уровень на разрешает передачу данных на выходные защелки.

Согласно заданию, двигатель вращается с частотой до 1500 об/мин. Так как у фазовращателя 50 пар полюсов, то за один оборот вала двигателя на выходе фазовращателя проходит 25 периодов синусоиды. Также, для обеспечения достаточной точности и предотвращения потери данных необходимо чтобы сигнал с фазовращателя был считан не менее 3-х раз за период. Поэтому минимальная частота опроса фазовращателя рассчитывается следующим образом:

(4.1)

(4.2)

Данная частота опроса преобразователей слишком высока для применяемой микро ЭВМ, поэтому данные будут считываться каждые 500мкс, а обрабатываться 1 раз за 10 считываний. Таким образом, такт квантования фильтра будет равным .

При максимальной скорости вращения двигателя данные будут считываться раз за период вращения двигателя Твр=0,04с, то есть 3 раза за период синусоиды Тсин=0,0016с или 1 раз в Tmax=0,0016/3=533мкс.

При других скоростях количество раз считывания за период синусоиды можно вычислить следующим образом:

В принципиальной схеме используются трансформаторы T1-T3 типа SM-LP-5001 с индуктивностью L=7мГн, вместе с конденсаторами C1-C3 они образуют колебательные контуры, частота которых должна равняться номинальное частоте опроса фазовращателя. Поэтому рассчитаем необходимую ёмкость конденсатора:

(4.3)

(4.4)

Подбираем ближайшее значение конденсатора из ряда Е12: C=1 мкФ.

В данном манипуляторе микросхема AD2S83 при 12-битном выходном сигнале работает на скорости до 25*1500=37500 периодов в минуту, с точность 0.00351 градусов на бит.



2.2 Преобразователь «скорость-код»

Преобразователь «скорость-код» реализуется программно. Код скорости получается путем дифференцирования кода положения, а формально как отношение изменения положения за один такт квантования к времени такта квантования:

2.3 Преобразователь «сопротивление - код»

Преобразователь «сопротивление-код» строится как преобразователь «сопротивление-напряжение» с дальнейшим преобразованием его в цифровой код с помощью АЦП. Функциональная схема представлена на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Функциональная схема преобразователя «сопротивление-код»

Первая часть схемы преобразователя строится по схеме преобразователя «сопротивление-напряжение» с трёхпроводной соединительной линией.

Непосредственно датчиком является тензорезистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от давления, в пределах 100 Ом ?10 кОм.

На рис. 4.4 данный преобразователь построен на операционном усилителе (DA1) и резисторах R1 - R4. При соблюдении равенства ток, протекающий через сопротивление Rх, не будет зависеть от последнего. Выходное напряжение будет определяться следующим соотношением:

, (4.5)

где U₀ = 5 В - максимальное выходное напряжение.

Принимается, что сопротивления R1 = R2 = 10 кОм, тогда R4 = R3.

R3 определяется следующим образом:

(4.6)

Рис. 4.4. Схема преобразователя сопротивление-напряжение

В качестве гальванической развязки используем линейную оптопару Vishay IL300[3]. В документации к данной оптопаре была приведена типовая схема подключения (рис. 4.5), воспользуемся ею.



Рис. 4.5. Типовая схема подключения оптопары Vishay IL300

Полная принципиальная электрическая схема преобразователя сопротивление-код представлена на рис. 4.6. Она выполнена на операционных усилителях LM201 [5] и восьмиразрядном аналого-цифровом преобразователе AD7819 [4].

AD7819 является быстродействующим, микропроцессорно - совместимым, 8-ми разрядным АЦП с максимальной производительностью 200 Квыборок/с. Преобразователь питается от однополярного источника с напряжением от 2.7 В до 5.5 В и содержит АЦП последовательного приближения с временем преобразования 4.5 мкс, встроенную систему выборки/хранения, встроенный тактовый генератор и 8-ми разрядный параллельный интерфейс.

Входное напряжение V_in на АЦП изменяется в пределах от 0В до V_ref = 5В.

Рис. 4.6. Схема электрическая принципиальная преобразователя сопротивление-код с гальванической развязкой.



На рис. 4.7 приведена временная диаграмма работы АЦП, согласно которой на АЦП подаются сигналы начала преобразования , разрешения работы и чтения от микроконтроллера, а затем принимаются данные обработки.

Рис. 4.7. Временная диаграмма работы АЦП



3. Разработка интерфейса

В данном пункте описываются схемы для сопряжения датчиков с магистралью микропроцессорной системы - интерфейс. Необходимо подключить к магистрали:

- три преобразователя положение - код (число разрядов на выходе 12),

-три преобразователя скорость - код (преобразователи выполняются программно в микроконтроллере, число разрядов на выходе 12),

-преобразователь сопротивление - код (число разрядов на выходе 8),

-три задатчика скорости (число разрядов на входе задатчика 16);

-задатчик схвата (число разрядов на входе задатчика 8).

Опишем вкратце межмодульный параллельный интерфейс (МПИ), в дальнейшем Q-bus [11].

Системный интерфейс микроЭВМ «Электроника-60» (Q-bus) состоит из 34 линий, которые разделены на две шины:

16-разрядная мультиплексируемая шина «адрес данные» ДАОО… ДА 15;

18-разрядная шина управления.

Шина «адрес/данные» состоит из 16 двунаправленных линий, которые предназначены для поочередной передачи адресов (ячеек памяти или ВУ) и данных. В микроЭВМ на основе интерфейса Q-bus обращения к ВУ производятся аналогично обращениям к памяти. Для этого часть адресного пространства микроЭВМ, начиная с адреса 160000₈ до адреса 177776₈ (всего 4096 адресов), выделена для адресов регистров контроллеров ВУ. Поэтому 16-разрядная шина обеспечивает прямую адресацию памяти емкостью 56 Кбайт и 4096 (4К) регистров контроллеров ВУ. Обмен данными по шине «адрес/данные» может производиться как 16-разрядными словами, так и байтами. Для передачи данных байтами используются восемь линий шины ДАОО… ДА07.

Сигналы, передаваемые по линиям шины управления, обеспечивают управление:

передачей информации по шине «адрес/данные»;

режимами обмена с ВУ с учетом их приоритетов;

работой микроЭВМ в целом.

Управление передачей информации (адресов или данных) сводится к реализации стандартных циклов обмена (ВВОД или ВЫВОД) между двумя устройствами, подключенными к системному интерфейсу. На одно из этих устройств возлагаются функции по управлению обменом (по реализации цикла обмена), и оно называется активным. Активным устройством обычно является процессор микро ЭВМ, но это может быть и контроллер прямого доступа к памяти. Второе устройство, участвующее в обмене, называется пассивным. Так, например, память микро ЭВМ всегда является пассивным устройством при обмене информацией. Для реализации стандартных циклов обмена активным и пассивным устройствами используется следующий набор управляющих сигналов: СИА, СИП, ВВОД, ВЫВОД, БАЙТ, ВУ.

Сигнал синхронизации активного устройства (СИА) вырабатывается активным устройством. Передний фронт этого сигнала указывает, что на линиях ДАОО…ДА15 активным устройством выставлены адрес ВУ или ячейки памяти. Сигнал сохраняет единичное значение в течение всего цикла обмена.

Сигнал синхронизации пассивного устройства (СИП) извещает активное устройство о том, что данные приняты с линий ДАОО…ДА15 при выполнении операций ВЫВОД или данные установлены пассивным устройством на линиях ДАОО…ДА15 при выполнении операции ВВОД. Этот сигнал вырабатывается пассивным устройством в ответ на сигналы активного устройства ВВОД и ВЫВОД.

Сигнал ВВОД вырабатывается активным устройством во время действия сигнала СИА и означает, что выполняется ввод данных в активное устройство и оно готово принять данные.

Сигнал ВЫВОД вырабатывается активным устройством и означает, что на линиях ДАОО…ДА15 активным устройством выставлены данные. Пассивное устройство принимает данные и в подтверждение этого должно выработать сигнал СИП.

Сигнал БАЙТ используется только в цикле ВЫВОД и указывает, что активным устройством выводится один байт информации по линиям ДАОО…ДА07.

Сигнал ВУ вырабатывается активным устройством в том случае, если на линиях ДАОО…ДА15 установлен адрес, относящийся к старшим 4К адресов (с 160000₈ пo 177776₈). Введение этого сигнала позволяет сократить затраты оборудования, используемого в контроллерах ВУ для селекции адресов, передаваемых по системному интерфейсу.

Рассмотренные управляющие сигналы обеспечивают реализацию в микроЭВМ на основе системного интерфейса Q-bus асинхронного программно-управляемого обмена данными с ВУ.

Описания управляющих сигналов, обеспечивающих обмен по прерыванию программы и обмен в режиме прямого доступа в память, приведены в табл.5.1.

Сигналы, управляющие работой микроЭВМ в целом, обеспечивают начальную установку всех устройств микроЭВМ (СБРОС), регенерацию динамической памяти микроЭВМ (РГН), перевод процессора в останов и режим связи с пультовым терминалом (ОСТ), извещают процессор о состоянии источников питания (ПОСТН, ПИТН).

Сигналы интерфейса МПИ, управляющие режимами обмена с ВУ с учетом их приоритетов.



Таблица 5.1

Обозначение сигнала	Наименование сигнала	Источник сигнала	Назначение сигнала
ТПР	Требование прерывания	ВУ	Информирует процессор, что ВУ готово к обмену данными. Вызывает прерывание программы после выполнения очередной команды
ППР	Предоставление прерывания	Процессор	Извещает ВУ, что прерывание разрешено. Линия ППР проходит последовательно через все ВУ, обеспечивая приоритетное обслуживание запросов на прерывание
ТПД	Требование прямого доступа к памяти	В У	Информирует процессор, что ВУ требует обмена в режиме прямого доступа к памяти
ППД	Предоставление прямого доступа к памяти	Процессор	Разрешение ВУ на обмен с памятью в режиме прямого доступа. Процессор приостанавливает выполнение команды после завершения текущего цикла обмена. Линия ППД проходит через ВУ аналогично линии ППР.
ПВ	Подтверждение выбора	ВУ	Вырабатывается в ответ на сигнал ППД и подтверждает, что ВУ ведет обмен с па мятью в режиме прямого доступа
ПРТ	Требование прерывания по внешнему событию	Аппаратный таймер. ВУ	Обычно используется для передачи в процессор сигналов аппаратного таймера. Имеет приоритет выше, чем сигнал ТПР

Рис. 5.1. Диаграмма процесса чтения



Рис. 5.2 Диаграмма процесса записи

автоматизация промышленный манипулятор преобразователь

Рис. 5.3 Диаграмма режима прерывания

Рис. 5.4 Диаграмма организации памяти



Таблица 5.2 Сводная таблица назначения контактов на шине МПИ

Международное	Старое	Новое	Назначение
Сигналы передачи адреса и данных
DAL15..DAL00	АД15..АД00	АД15..АД00	Адрес-данные
SYNC	СИА	ОБМ	Синхронизация активного устройства
RPLY	СИП	ОТВ	Синхронизация (ответ) пассивного устройства
DIN	ВВОД	ДЧТ	Ввод (чтение) данных
DOUT	ВЫВОД	ДЗП	Вывод (запись) данных
WTBT	БАЙТ	ПЗП	Выбор (признак записи) байта
BS7	ВН ВВ	ВУ	Выбор внешнего устройства (внутренний ввод)
REG	РГН	РГН	Регенерация памяти
Сигналы арбитража приоритета
IRQ	ТПР	ЗПР	Требование (запрос) прерывания
IAKN	ППР	ПРР	Предоставление (разрешение) прерываний
EVNT	ПРТ	ПВС	Прерывание по таймеру (по внешнему событию)
DMR	ТПД	ЗМ	Требование прямого доступа (запрос магитрали)
DMGO	ППД	РЗМ	Предоставление прямого доступа (разрешение захвата магистрали)
SACK	ПВ	ПЗ	Подтверждение выборки (запроса) системного канала (магистрали)
Сигналы управления состоянием системы
INIT	СБРОС	УСТ	Начальная установка
HALT	ОСТ	ОСТ	Останов
POK	ПИТН	АСП	Сетевое питание нормальное (Авария сетевого питания)
DCOK	ПОСТН	АИП	Постоянное напряжение нормальное (Авария источника питания)

В настоящее время стандарт не определяет физической реализации интерфейса. Ранее применялся разъем РППМ16х72, но из-за значительного содержания золота на контактах (около 4 грамм) практически все выпущенные изделия были утилизированы.

Поэтому, в качестве разъема интерфейса МПИ выберем 40-ка контактный разъем PLS-40.^[16] Дешифратор адреса

В данном проекте к интерфейсу МПИ подключается всего 9 устройств, для их адресации достаточно первых 4х младших битов адреса АД1 - АД5. Двоичный код адреса с помощью дешифратора преобразуется в позиционный. Выходы дешифратора (с 7го по 15) подключается непосредственно к разрешающим входам каждого из адресуемых устройств.

Адрес по линиям адреса в МПИ передаётся инверсным, т.е. 1 передаётся низким уровнем сигнала, а 0 - высоким. Поэтому устройства подключаются к разрешающим выходам дешифратора в обратном порядке (15му выходу соответствует первое устройство,16му- второе и так далее).

Старшие биты адреса (с 6го по 15й) дешифрируются следующим образом. Линии А14, А15, А16, IRQ объединяются по схеме 4ИЛИ - НЕ. Если они имеют низкий уровень, то на выходе схемы будет высокий уровень. Линии А6 ч А9 и A10чA13 объединяются c помощью двух элементов 4И-НЕ. Если все они имеют высокий уровень, то на выходах 4И - НЕ будут низкие уровени. Далее выход одного из элементов 4ИЛИ-НЕ объединяется по схеме ИЛИ с линией BS7, выход второго так же по схеме ИЛИ объединяется с проинвертированным выходом 4ИЛИ-НЕ. Далее элементы ИЛИ объединяются так же элементом ИЛИ, что дает итоговый сигнал. Этот сигнал идёт на 4й информационный вход регистра; далее, с приходом импульса SYNC(СИА), сигнал проходит на входы разрешения Е1, E2 дешифратора DD6. Линия А0 не участвует в передаче адреса. Дешифратор DD6 выдаст сигнал низкого уровня на один из 9 выходов (Q15чQ7), при совпадении старших битов адреса с числом 1600ХХ₈, сигнализирующим о том, что пришедшие биты являются адресом, иначе все выходы дешифратора будут в состоянии высокого уровня.

Сигнал с контроллера SYNC(СИА) подается через инвертор на вход синхронизации, тем самым адрес появляется на выходах регистра. На рис. 5.5 показана принципиальная схема дешифратора адреса.



Рис 5.5 Принципиальная схема дешифратора адреса.

Таблица 5.3 Выбор адресов функциональных частей устройства

Адрес	Устройство
	Для чтения	Для записи
160 0008	Преобр. положение-код 1-ого звена	?
160 0028	Преобр. положение-код 2-ого звена	?
160 0048	Преобр. положение-код 3-ого звена	?
160 0068	Преобр. сопротивление-код	?
160 0108	?	M1 (q1)
160 0128	?	M2 (q2)
160 0148	?	M3 (q3)
160 0168	?	M4 (схват)
160 0208	Клавиатура и конечники	?

3.1 Буфер для записи

Буфер для записи состоит из 8ми разрядных регистров К555ИР23. По приходу сигналов разрешения (т.е. адрес) и запроса на запись (DOUT), формируется сигнал готовности RPLY. После формирования готовности интерфейс переходит в режим записи, и с выходов интерфейса (АД0 - АД7) происходит запись информации о задающем воздействии в выбранный буферный регистр, соответствующий одному из 4х двигателей.

3.2 Чтение информации с датчиков

По приходу сигнала DIN (запрос на чтение) и адреса устройства, формируется сигнал готовности пассивного устройства RPLY, если оно готово. После формирования готовности, интерфейс переходит в режим чтения и с цифровых выходов преобразователей (датчиков) информация поступает в интерфейс.

3.3 Задержка сигнала готовности RPLY (СИП)

Задержка сигнала о готовности устройства необходима для того, чтобы микропроцессор успел его обработать. Она строится на двух D триггерах, которые входят в микросхему К555ТМ2 и на кремниевом осцилляторе MAX7375AXR185, который выдает прямоугольные импульсы с частотой 1,84 Мгц. В итоге сигнал готовности RPLY задерживается на один или два такта осциллятора, в зависимости от времени прихода импульса.



3.4 Обработка прерываний

Обработка прерываний происходит следующим образом.

C кнопок «Авария», «РУ», «КМ1.1» - «КМ1.2» сигнал поступает на элементы 2И-НЕ (DD25.1, DD25.2, DD25.3). С их помощью происходит проверка наличия разрешения прерываний (сигнал IAKN). Если на линии IAKN лог. «0», то на линии IRQ формируется запрос на прерывание, а так же сигнал готовности RPLY. Одновременно с этим в интерфейс отсылается код прерывания в двоичном формате.

Рис. 5.6. Схема обработки прерываний



4. Разработка алгоритма работы

В данном пункте разрабатывается алгоритм работы программы манипулятора. На рис. 6.1. показана фоновая программа работы манипулятора. Считывание информации с преобразователей скорости, положения и усилия происходит по прерыванию от таймера с частотой не реже 1875 Гц (пункт 4.1). По истечении 533мкс происходит опрос преобразователей, а также расчет или выдача задания для одного измоторов. Для этого используется подпрограмма прерывания по времени, алгоритм работы которой показан на рис. 6.2. Схема алгоритма обработки сигнала от кнопки «Авария» (прерывание 220₈) показана на рис. 6.3. Схема алгоритма обработки сигналов от конечных выключателей (прерывание 240₈) показана на рис. 6.4. Схема алгоритма обработки сигнала от кнопки «РУ» (прерывание 300₈) показана на рис. 6.5.

4.1 Алгоритм фоновой программы манипулятора

Сразу, после подачи питания в систему, происходит ее инициализация (загрузка параметров системы и ее настроек из перезаписываемой памяти в оперативную). И манипулятор переводится в исходное положение, от которого будет происходить отсчет его положения в процессе работы. Далее программа входит в бесконечный цикл, в котором происходят: отображение состояния манипулятора в реальном времени и обработка сигналов с пульта ручного управления ( в случае, если установлен флаг ручного управления «РУ»).



Рис. 6.1 Алгоритм работы основной программы манипулятора



4.2 Алгоритм работы подпрограммы обработки прерывания по времени

Рис. 6.2. Схема алгоритма прерывания по времени

Прерывание по времени осуществляется следующим образом. При срабатывании таймера (каждые 500 мкс), происходит прерывание основной программы и вызов подпрограммы, которая считывает данные с преобразователей. Далее подпрограмма проверяет состояние влага РУ. Если он установлен, то подпрограмма завершается, если нет, то происходит расчет заданий на моторы и выдача их в соответствующие регистры. За один проход подпрограммы прерывания по времени рассчитывается или выдается задание только на один из моторов (по очереди). Это сделано для экономии процессорного времени в связи с невысокой производительностью микро ЭВМ.

4.3 Алгоритм работы подпрограммы прерывания от кнопки «Авария»

Рис. 6.3 Схема алгоритма работы подпрограммы прерывания 220₈ (Авария)

Прерывание 220₈ «Авария» реализуется следующим образом. При нажатии кнопки авария в контроллер приходит сигнал запроса на прерывание IRQ, затем сигнал готовности RPLY, вместе с которым код прерывания 220₈. Основная программа прерывается и вызывается подпрограмма, которая выдает нулевые задания на моторы (останавливает их), устанавливает запрет на прерывания и информирует оператора об аварии. Выхода в основную подпрограмму не происходит во избежание усугубления аварийной ситуации.



4.4 Алгоритм работы подпрограммы обработки конечных выключателей

Рис. 6.4. Схема алгоритма работы подпрограммы прерывания 240₈ (конечные выключатели)

При срабатывании одного из конечных выключателей, происходит прерывание на подпрограмму обработки сигналов с конечных выключателей.

Подпрограмма работает следующим образом. Вначале в интерфейс посылается адрес буферного регистра конечных выключателей. В дешифраторе адреса он преобразуется в импульс, который подается на вход разрешения записи в регистр и переводит его из высокоимпедансного состояния в рабочее. Таким образом, на выходах регистра появляются данные о сработавших конечных выключателях. Подпрограмма считывает их и останавливает соответствующие двигатели. Затем адрес обнуляется, и регистр переводится в высокоимпедансное состояние (сбрасывается), во избежание повторных считываний (залипания).

Далее происходит выход в основную программу.

4.5 Алгоритм работы подпрограммы прерывания от кнопки «РУ»

Рис. 6.5. Схема алгоритма работы подпрограммы прерывания 300₈ (Ручное управление)

По нажатию кнопки «РУ», включающей/выключающей ручное управление, основная программа переходит по прерыванию 300₈. В прерывании происходит инверсия флага. При включении ЭВМ флаг находится в снятом состоянии.



5. Расчет цифрового фильтра

5.1 Преобразование аналогового фильтра

Передаточная функция фильтра в аналоговом виде имеет вид:

. (7.1)

N - номер студента в группе; m-совпадает со степенью оператора в передаточной функции.

N = 12,

c, (7.2)

с. (7.3)

Переход от аналоговой к цифровой форме фильтра может быть осуществлен формально: числитель и знаменатель передаточной функции делятся на оператор Лапласа в самой старшей степени. Перед этой операцией необходимо провести преобразования передаточной функции так, чтобы максимальный порядок членов типа 1/p не превышал 2, т.е. выбрать структуру фильтра. Наиболее приемлемой по временным затратам в однопроцессорной системе являются каноническая и прямая структуры реализации фильтра, но для упрощения преобразований в данной работе допускается применение последовательных и параллельных структур.

Далее интеграторы типа 1/p заменяется в z форму следующим преобразованием:



, (7.4)

где T_k - такт квантования. Подставляя это выражение в передаточную функцию аналогового регулятора, получим:

. (7.5)

В результате передаточная функция регулятора в цифровом виде примет следующий вид:

. (7.6)

Для определения устойчивости фильтра строятся переходные характеристики для его аналоговой и цифровой формы. Для построения переходных характеристик используется программный комплекс MATLAB.

Из представленных результатов видно, что цифровой фильтр при выбранном такте квантования и структуре получился устойчивым и вполне реализуемым на практике.

Фильтр будет реализован цифровым рекурсивным методом, т.е. каждое последующее значение будет вычисляться на основе предыдущего.

Перейдем к разностным уравнениям для реализации фильтра на ЭВМ :

(7.7)

(7.8)

(7.9)



Реализация разностного уравнения представлена в листинге программы. В программе используются команды арифметики с плавающей запятой. Числа занимают 4 байта, то есть 32 разряда.

Операнды, используемые при выполнении команд (ПЗ), хранятся в стеке. Содержимое регистра указывает на адреса аргументов, которые расположены следующим образом:

(R) - адрес старшей части аргумента B;

(R)+2 - адрес младшей части аргумента B;

(R)+4 - адрес старшей части аргумента A;

(R)+6 - адрес младшей части аргумента A.

После выполнения команд ПЗ результат помещается в стек следующим образом:

(R)+4 - адрес старшей части результата;

(R)+6 - адрес младшей части результата,

где (R) - первоначальное содержимое используемого регистра общего назначения (РОН).

После выполнения команды ПЗ используемый РОН будет указывать на старшую часть результата, т. е. на (R)+4.

В программе используются переменные, имеющие следующее соответствия:

XK = x[k];

YKD = y[k-1];

YK = y[k].

Переменные VAR1, VAR2, VAR3 хранят в себе аргументы, используемые при выполнении команд ПЗ. Аргументы B в переменных VAR1 и VAR2 имеют значения констант 0,9333 и 0,0233. Они инициализируются один раз и далее не изменяются.



Листинг программы цифрового фильтра

; вычисление первого произведения 0,9333*Y[K-1]

MOV VAR1,R1 MOV YKD,4(R1) MOV (YKD+2),6(R1) FMUL MOV @R1,VAR3 MOV 2(R1),(VAR3+2)

; вычисление второго произведения 0,0233*X[K]

MOV VAR2,R1 MOV XK,4(R1) MOV (XK+2),6(R1) FMUL MOV @R1,(VAR3+4) MOV 2(R1),(VAR3+6)

; суммирование первого и второго произведений

MOV VAR3,R1 FADD

MOV @R1,YK MOV 2(R1),(YK+2)



Заключение

В задании к данному курсовому проекту было предложено разработать микропроцессорную систему управления промышленным манипулятором на базе микро ЭВМ «Электроника 60». Была проделана нелегкая работа по организации всего процесса управления манипулятором и реализации его в конкретную принципиальную электрическую схему с описанием всех происходящих процессов.

В итоге мы получили законченную рабочую схему платы сопряжения манипулятора с микро ЭВМ «Электроника 60». В пояснительной записке описан весь процесс работы схемы, элементная база, а так же алгоритмы программ, исполняемых на микро ЭВМ. Реализация платы сопряжения не представит больших трудностей, т.к. элементная база, на которой собрано устройство, является широко распространенной и качественной. Все повторения данной схемы, и ее модернизация не потребуют значительных изменений в текущей схеме, но возможно значительно улучшат ее параметры.

В целом, техническое задание к курсовому проекту выполнено.

Список литературы

1. Variable Resolution, Resolver-to-Digital Converter AD2S83 (Datasheet).

2. Programmable Oscillator AD2S99 (Datasheet).

3. Linear Optocoupler IL300 (Datasheet).

4. 2.7 V to 5.5 V, 200 kSPS 8-Bit Sampling ADC AD7819 (Datasheet).

5. LM201 Operational Amplifier (Datasheet).

6. Photocoupler GaAs Ired & Photo?Transistor TLP521 (Datasheet).

7. Алексенко А. Г., Коломбет Е. А., Страдуб Г. И. Применение прецизионных аналоговых ИС. - М.: Радио и связь, 1981. - 224 с.

8. Александров К. К., Кузьмина Е. Г. Электротехнические чертежи и схемы. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 288 с.: ил.

9. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы: Справочник/ Под ред. С. В. Якубовского. - М.: Радио и связь, 1985. - 432 с. В. Г., Матвеевский В. Р., Смирнов Ю. С. Схемотехника цифровых преобразователей перемещения. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 391 с. Мячев А.А. и др. Интерфейсы систем обработки данных: Справочник/А. А. Мячев, В. Н. Степанов, В. К. Щербо. - М.: Радио и связь, 1989. -416 с.: ил. Интегральные микросхемы: Справочник/Б. В. Тарабрин, Л. Ф. Лунин, Ю. Н. Смирнов и др.; Под ред. Б. В. Тарабрина. - 2-е изд., испр. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 528 с.: ил. комплект К1810: Структура, программирование, применение: Справочная книга/Ю. М. Казаринов, В. Н. Номоконов, Г. С. Подклетнов, Ф. В. Филипов; Под ред. Ю. М. Казаринова. - М.: Высш. шк., 1990. - 269 с.: ил. и их применение: Справ. пособие/В. А. Батушев, В. Н. Вениаминов, В. Г. Ковалёв, О. Н. Лебедев, А. И. Мирошниченко. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1984. - 272 с.: ил. Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. 2-е изд., испр. - Челябинск: Металлургия, Челябинское отд., 1989. - 352 с.: ил.

10. Википедия - «Магистральный параллельный интерфейс»

Размещено на Allbest.ru