Мехатронная система обеспечения заданной скорости электровоза на различных участках пути

2.6.17 Ячейка МКЗ отличается по конструкции от унифицированной ячейки шкафов МСУД 1.2

Кроме основной печатной платы 1 унифицированного размера 6U соединителями 2 и колодкой 3, электрорадиоэлементы на которой установлены с двух сторон, ячейка содержит еще несколько плат, установленных на основной плате на колонках. Лицевая панель имеет окно, обеспечивающее считывание информации с семисегментного индикатора "Режим". Шаг установки ячеек МКЗ - 60,96 мм.Конструкция ячейки МКЗ. 1 аналогична конструкции МКЗ.

2.6.18 Блок индикации БИ1.2

устанавливается на пульте машиниста. Общий вид блока приведен на рисунке 2. Блок состоит из панели 1, на которой установлены и закреплены дисплей 7, платы 3 и 4, устройство для выдачи речевых сообщений и платы 8, 9, 10 и 11. Панель закрыта кожухом 2, пломбируемым пломбой 6. С лицевой стороны панели расположена клавиатура, индикаторы возможных отказов и тумблер переключения яркости свечения дисплея в зависимости от времени суток. Внутренний монтаж блока выполнен плоскими кабелями. На задней стороне блока установлены соединители 12 и 13 внешних связей. Конструкция блока БИ1.4 аналогична блоку БИ1.2.

Конструкция блока БИ1.6 аналогична блоку БИ1.5.

2.7 Программное обеспечение

2.7.1 Программное обеспечение (ПО)

контроллеров ЦМК, МПК1, МПК2 и БИ1 состоит из базового (общего) ПО и специального (технологического) ПО.

2.7.2 Комплект базового программного обеспечения

это встроенная операционная система Datalight ROM-Dos 6.22, файловая система флэш-памяти Phonenix PICO FA, библиотека драйверов, программное обеспечение самодиагностики Octagon Systems . Встраиваемые компьютеры для жестких условий эксплуатации. Руководств пользователя серии 6000. Dos #4738(1197)).

2.7.3 Микроконтроллеры серии 6010

имеют встроенные программные средства самодиагностики, позволяющие осуществлять проверку портов кода-вывода и устройств памяти. При каждом включении питания или сбросе автоматически выполняется ряд проверок, результаты которых отображается с помощью двухцветного светового индикатора. После включения питания РС микроконтроллера оба светодиода начинают светиться, и индикатор имеет оранжевый цвет. По завершению выдачи га системную консоль начального загрузочного сообщения, светодиод желтого цвета отключается, а светодиод зеленого цвета продолжает светиться. Двухцветный световой индикатор также отражает состояние останова системной памяти. При переводе системной памяти в режим пониженного энергопотребления, прекращает светиться светодиод зеленого цвета и начинает светиться светодиод желтого цвета. При возобновлении функционирования системной памяти прекращает светиться светодиод желтого цвета и начинает светиться светодиод зеленого цвета.

2.7.4 Для загрузки ЦМК

необходимо соединить ЦМК по отладочному каналу с СОМ1 ПЭВМ IВМ РС/АТ. На ПЭВМ войти в директорий SmartLINK и найти файл sl.exe. Нажать " Enter ". На экране должна появиться заставка:

Octagon Systems Corporation

SmartLINK IV (tm)

Copyright © 1986-1993

ОК

Нажать " Enter ". На следующем экране клавишами "стрелка вверх" и "стрелка вниз" выбрать Micro PC-DOS

( ) CAMBASIC

( ) STDBASIC

(*) Micro PC-DOS

ОК

Нажать " Enter ". Включить питание ЦМК. На экране монитора должно пройти начальное загрузочное сообщение, во время которого необходимо нажать клавишу "х". После этого загрузочное сообщение заканчивается командной строкой:

6010 С:\>

Перейти на диск D (статическое ОЗУ), на экране монитора должна появиться строка:

6010 D:\>

Скопировать файл autoexec.bat на диск С. Для этого ввести:

6010 D:\> copy autoexec.bat c:

После подтверждения копирования и получения сообщения, что файл записан, перегрузить ЦМК (выключить и включить питание). Таким образом, в контроллере ЦМК загружено технологическое программное обеспечение.

2.7.5 Чтобы загрузить БИ1

технологическими программами, необходимо соединить отладочным кабелем разъем Х2 блока БИ1 и СОМ1 ПЭВМ ШМ РС/АТ. Включить питание блока БИ1 и дождаться загрузки технологической программы, после чего последовательно нажать клавиши "*"," S ","0","8". На экране блока индикации должно появиться сообщение:

6010С:>remserv c:

Press “Esc” to Exit

(There may be a delay before exit occurs )

На ПЭВМ запустить файл remdisk.exe. Remserv.exe и remdisk.exe входят в комплект сервисных программ, с помощью которых осуществляется связь контроллера с ПЭВМ. При этом remserv.ехе организовывает доступ к одному из дисковых накопителей. Сервер-системы для Клиент-системы, а remdisk.exe обеспечивает доступ к дисковому накопителю удаленной вычислительной системы по последовательному каналу связи через стандартный последовательный порт (УАПП 8250).

Remdisk.exe формирует новое блочное устройство. Клиент-системы, имеющее идентификатор дискового накопителя, в качестве которого REMDISK будет использовать букву, следующую за присвоенной последнему блочному устройству в системном списке. Например, если последний накопитель в системе имеет идентификатор D:, REMDISK сформирует накопитель Е.

Сформированный накопитель имеет свойства реального дискового накопителя, за исключением того, что поток ввода-вывода для него организован через последовательный порт. Когда организована связь, записать в контроллер блока БИ1 новый autoexec.bat, который запускает технологические программы. После копирования разорвать связь, для чего набрать в командной строке: remdisk.exe/u.

Далее необходимо произвести выключение и включение шкафа МСУД1, при этом происходит запуск технологических программ в ЦМК, выбранном МПК и БИ1. При установлении связи шкафа МСУД1 с блоком БИ1 дважды нажать клавишу "МСУД" и проследить на выбранном кадре работу резервного и основного каналов связи. При нормальной работе обоих каналов можно перейти к проверке звуковой сигнализации. Для этого нажать клавишу "выбор кадра" и клавишу "7", при этом должно прозвучать звуковое сообщение "Задана рекуперация" или "Задана тяга". После произведенных вышеперечисленных проверок аппаратура МСУД считается годной к эксплуатации.

2.8 Использование аппаратуры по назначению, техническое обслуживание и текущий ремонт

2.8.1 Состав аппаратуры МСУД

обеспечивает ее использование в электровозе ЭП1 согласно схеме принципиальной цепей автоматики ИДМБ.661142.004 33.2 и в электровозе ВЛ80 согласно схеме ИДМБ.661142.007 Э3.2.

Техническое обслуживание и ремонт осуществляются в соответствии с видами обслуживания и подразделяются на;

- техническое обслуживание ТО-2;

- текущий ремонт ТР;

- средний ремонт СР;

- капитальный ремонт КР.

2.8.2 При техническом обслуживании ТО-2:

- убедитесь в наличии пломб на дверцах шкафа МСУД 1.2 и крышках блоков БИ1. При нарушении пломб аппаратура МСУД должна подвергнуться контролю в объеме ТР в депо приписки;

- проведите проверку аппаратуры МСУД в объеме ТО-2 в соответствии с ИДМБ.661142.004РЭ или ИДМБ.661142.007 РЭ. Проверку проводите для каждого микроконтроллера ЦМК, МПК1 и МПК2. При обнаружении неполадок в работе аппаратуры причину неисправности необходимо обнаружить и устранить. Неисправную ячейку замените из состава ЗИП;

- при отказе одного из микроконтроллеров МПК1 или МПК2, а также во время движения электровоза допускается следование электровоза основного депо. При этом питание отказавших микроконтроллеров должно быть отключено.

2.8.4 При текущем ремонте ТР:

- проверьте затяжку всех разъемов и при необходимости подтяните крепеж

- проведите проверку аппаратуры МСУД в объеме ТР в соответствии с ИДМБ661142.007 РЭ. Проверку проводите для каждого микроконтроллера ЦМК, МПК1 и МПК2. При наличии бросков тока коря двигателей в тяге или рекуперации замените ячейку ВФС из состава. Неисправную ячейку проверьте на контрольном стенде и восстановите и отправьте для ремонта на завод-изготовитель электровоза.

2.8.5 При среднем ремонте СР:

- отсоедините соединительные кабели от разъемов шкафа МСУД1.2 и -доков БИ1. Снимите двери шкафа МСУД1.2 и крышки блоков БИ1.2;

- аккуратно извлеките из шкафа МСУД1 все ячейки, очистите их от пыли загрязнений, промойте контакты разъемов ячеек спиртом, проверьте со-

стояние печатных плат, надежность пайки и крепления деталей;

- произведите проверку на функционирование и контроль параметров ячеек на контрольном стенде в соответствии с его инструкцией и при необходимости выполните ремонт;

- продуйте чистым сжатым воздухом ниши, монтаж и разъемы шкафа; МСУД, проверьте визуально состояние монтажа шкафа;

- проверьте сопротивление изоляции токоведущих цепей относительно корпуса и между цепями в соответствии с таблицей инструкции контрольного стенда. Сопротивление изоляции должно быть не менее 10 МОм. Контроль сопротивления производите мегомметром на напряжение 500 В;

- продуйте чистым сжатым воздухом ниши и монтаж блоков БИ1, про-верьте визуально состояние монтажа блоков БИ1.2и крепления плат;

- проверьте функционирование блоков БИ1.2 в составе контрольного стенда и при необходимости выполните ремонт. При сборке блока БИ1.2 после ремонта все крепежные детали должны быть установлены с применением краски;

- установите в соответствии с маркировкой ячейки в шкаф МСУД 1.2 и закрепите их винтами;

- закройте блоки БИ1.2 крышками, опломбируйте их и установите блоки в пульты машиниста;

- работоспособность неисправной ячейки восстановите в условиях де-по приписки или отправьте для ремонта на завод-изготовитель электровоза;

- соедините шкаф МСУД1.2 и блоки БИ1.2 штатными кабелями и вы-полните проверку аппаратуры МСУД в объеме ТР, после чего установите двери шкафа и опломбируйте аппаратуру.

2.8.6 Замена отказавших ячеек и плат аппаратуры МСУД

должна производиться на обесточенной аппаратуре ячейками из состава ЗИП. После замены ячейки ЗИП не требуют дополнительной подстройки.

2.8.7 Восстановление элементов аппаратуры МСУД в пределах срока гарантии

осуществляется предприятием-изготовителем, для чего неисправные элементы должны быть отправлены изготовителю электровоза с описанием внешних признаков повреждения и причин, приведших к отказу. В случаях, если при эксплуатации были нарушены режимы применения аппаратуры, имеются механические повреждения или признаки воздействия на входы/выходы напряжений, превышающих допустимые значения, ремонт ячеек выполняется за счет потребителя.

2.8.8 Капитальный ремонт КР аппаратуры

производится по истечении срока службы (10 лет). Допускается продление срока службы аппаратуры после замены ячеек, содержащих комплектующие с истекшим сроком службы.

2.8.9 При проведении вышеуказанных работ, при необходимости переноски более двух ячеек пользоваться специальной тарой.

3 Выбор микроконтроллера

3.1 Общая характеристика

Семейство 16-разрядных микроконтроллеров Infineon (бывший Siemens Semiconductors) C166 содержит кристаллы с различным уровнем периферии и производительности, удовлетворяющие требованиям широкого спектра специфических приложений. Все члены семейства С161, С163, С164-CI, С165, 80С166, и C167 основываются на одной и той же базовой архитектуре и поддерживают единую систему команд (за исключением расширений для новых членов семейства). Это позволяет безболезненно переходить на следующий уровень производительности при реализации более сложного проекта.

Для нашей системы управления мы выбираем микроконтроллер 80С166, он удовлетворяет нашим требованиям, значительно превосходит микроконтроллер фирмы Octagon System 6010 и что не мало важно значительно дешевле. Внешний вид микроконтроллера Siemens 80C166 представлен на рисунке 3.1.



Рисунок 3.1 - Внешний вид микроконтроллера Siemens 80C166

§ Микроконтроллеры (МК) строятся по модульному принципу, предполагающему разделение на три основных системы: ядро центрального процессора, контроллер прерываний и периферийные модули. Обмен данными внутри кристалла организован при помощи четырех внутренних шин:

§ 32-разрядная шина к внутренней памяти программ, обеспечивает считывание двухсловных команд из встроенного ПЗУ за один цикл;

§ две 16-разрядные шины к встроенному двухпортовому регистровому ОЗУ, что позволяет одновременно производить запись и чтение данных;

§ 16-разрядная шина для обмена с периферийными модулями;

§ дополнительная 16-разрядная X-шина, являющаяся внутренним продолжением внешней системной шины, служит для подключения дополнительной памяти и новых периферийных модулей. На рисунке 3.2 представлена структурная схема микроконтроллера.



Рисунок 3.2 - Структурная схема МК

Эффективное программирование МК С166 достигается благодаря мощной системе команд, поддерживающей вычисления над 8-, 16- и 32-разрядными операндами, операции умножения и деления (MUL, DIV), контроль границ стека, управление периферией через регистры специальных функций Special Function Register (SFR). Следует также отметить высокую пропускную способность, мощную систему адресации и поддержку программирования на языке высокого уровня. При тактовой частоте процессора 16, 20 и 25 МГц цикл выполнения команды составляет 125,100 и 80нс соответственно.

Команды С166 можно разделить на следующие основные группы:

§ Преобразования данных: арифметические и логические команды, операции быстрого умножения/деления (0.5/1.0 мкс @ 20МГц), операции сдвигов на 1...15 разрядов за 100 нс, операции с битами во встроенном ОЗУ и регистрах SFR.

§ Пересылки данных: команды MOV со всеми видами адресации, преобразование байта в слово, операции с системным стеком (PUSH, POP) с проверкой на переполнение и стеком пользователя (MOV с автоинкрементом и автодекрементом).

§ Управления программой: команды перехода и вызова и условные переходы по 16 различным условиям (при выполнении условия для перехода требуется только один дополнительный цикл), программные и аппаратные ловушки (Traps), быстрые контекстные переключения за 100 нс.

§ Специальные команды: сокращения энергопотребления и системного управления, непрерываемые последовательности команд, специальные приемы адресации.

3.2 Четырехступенчатый конвейер команд

§ Для увеличения скорости выполнения команд контроллеры семейства С166 содержат 4-х ступенчатый конвейер команд (рисунок 3.3). За один машинный цикл C166 на различных ступенях конвейера выполняет одновременно до 4 команд. Это означает, что обработка каждой команды по времени длится четыре машинных цикла, хотя выполнение команды происходит в течение одного цикла. Таким образом, конвейеризация имеет существенные преимущества для ускорения выполнения последовательности команд при достаточной пропускной способности шины. Время исполнения большинства команд составляет 100 нс при тактовой частоте 20МГц.

Рисунок 3.3 - Конвейер команд

§ Оптимизированная обработка команд перехода и вызова (Branch Instruction).

В то время как при выполнении обычных команд конвейер не вызывают проблем, команды перехода и вызова требуют выполнения специальных мероприятий. Ко времени достижения командой перехода или вызова фазы Execute следующая по адресу перехода команда только начинает исполнение фазы Fetch. Следовательно, команда, проходящая в конвейере на фазе Decode сразу вслед за командой перехода, должна игнорироваться. В данном случае вместо полного очищения конвейера используется переход с задержкой ("delayed branch"). Ситуация с условным переходом более сложная, т.к. неясно, будет ли следующая команда соответствовать результату проверки условия или нет. Поэтому при выполнении условия перехода вставляется холостая команда на фазе Decode и требуется дополнительный машинный цикл. Для ситуаций без перехода холостая команда не вставляется и один машинный цикл экономится. Таким образом, для команд Jump, Cond. Jump, Call, Return,... обычно требуется только один дополнительный машинный цикл для выборки команды из новой области памяти.

§ Обработка меток (Loop Control). Обычная задача в управляющих приложениях - просмотр таблиц, который состоит в повторном переходе по одному и тому же фиксированному адресу. Если в данном случае не предпринять специальных шагов, то при обработке каждой метки возникает бесполезный машинный цикл. Поэтому здесь осуществлен механизм кэширования (Jump Cache). При первичной обработке метки вставляется пустая команда и, как и раньше вхолостую тратится один машинный цикл. Однако адрес таблицы запоминается в кэш-памяти и при дальнейшем прохождении через метку адрес извлекается из кэш и вставляется непосредственно в фазу Decode. Таким образом, в данном случае переход осуществляется за один машинный цикл.

§ Краевые эффекты конвейера. В фазах Fetch и Decode может одновременно осуществляться запрос шины, если на завершающей фазе текущей команды осуществляется чтение. Предупреждение конфликтов осуществляет контроллер внешней шины External Bus Controller,

§ управляя приоритетами записи, выборки и чтения. Следует упомянуть также о краевых эффектах конвейера, которые могут возникнуть на фазе Write Back при использовании адреса, уже измененного на фазе Fetch. Хотя специальное аппаратное устройство искусственно передвигает вперед операнды чтения и записи, необходимо постоянно об этом помнить. Команды умножения и деления занимают 5 и 10 машинных циклов соответственно и имеют сложный операционный код. Поскольку эти команды длятся больше одного цикла, в конвейер на стадии Decode вставляются холостые команды.

3.3 Конфигурирование внешней шины

§ Одним из наиболее полезных свойств C166 является поддержка нескольких режимов конфигурации, когда, например, выборка кода и данных из внешней памяти осуществляется по 16-разрядной демультиплексной шине с нулевым ожиданием, а доступ к медленной периферии (часы RTC) из соображений экономии может происходить по 8-разрядной шине с 3 состояниями ожидания. В первом случае шина управляется регистром конфигурации BUSCON0, а во втором случае - регистрами конфигурации BUSCON1 и ADDRESEL1, которые определяют режим шины и адресный диапазон соответственно.

§ В ряде микроконтроллеров (C165 и C167) присутствует до четырех независимых дополнительных регистров конфигурации BUSCON1-BUSCON4, каждому из которых соответствует свой внешний вывод CS для соединения с входом разрешения выборки кристалла. Размер и начальный адрес диапазона для каждого сигнала CS1-CS4 задается в регистрах ADDRSEL1-ADDRSEL4. При задании областей действия сигналов CS необходимо помнить, что начальный адрес должен быть кратен размеру блока. Например, для блока размером 64 Кбайт, начальный адрес должен быть равен 0x00000 или 0x10000 или 0x20000 и т.д.

§ Характеристики системной шины для областей памяти, не перекрываемых данными четырьмя адресными диапазонами, задаются в регистре BUSCON0 и устанавливаются аппаратно при считывании линий порта 0 во время сброса, т.е. сигнал CS0 используется для адресации всех областей не определенных сигналами CS1-CS4.Кроме того, для экономии внешней логики присутствуют программируемые сигналы управления шиной. Это означает, что при более чем 20-кратном выигрыше в производительности проект с С166 получается проще, чем для 8031. С166 содержит также программируемые функции арбитража шины HOLD/HOLDA/BREQ для операций межпроцессорного обмена.

§ Непосредственное управление внешней шиной в соответствии с содержимым регистров конфигурации осуществляет контроллер внешней шины. В каждом диапазоне временные параметры циклов чтения-записи и режим работы системной шины задаются специальными битами в регистрах конфигурации. Ширина адресной шины может составлять в зависимости от кристалла 16 (для несегментированного режима), 18 (80C166), 22 (C164) и 24 (C165 и С167) разряда. Ширина шины данных может быть 8 или 16 разрядов, и работа может вестись в мультиплексном и демультиплексном (MUX и NMUX) режимах (у C161 и C164 предусмотрена только мультиплексная внешняя шина). Демультиплексный шинный интерфейс оптимален при высоких требованиях к времени обращения к внешним ОЗУ и ПЗУ. Как уже отмечалось, режимы работы шины могут динамически меняться в процессе выполнения программы. Сравнение скорости работы для различных конфигураций шины при частоте ЦПУ 20 МГц приведено в таблице

3.4 Система прерываний

§ Разветвленная схема прерываний C166 с 64 уровнями (16 уровней и на каждом уровне группа из 4 прерываний) обеспечивает гибкое и быстрое

§ задание приоритетов и обслуживание запросов прерываний (рисунок 3.4). В контроллере прерываний предусмотрены аппаратные ловушки (Hardware-Traps) и программные ловушки (Software-Traps), позволяющие обрабатывать ошибки, возникающие при неверном исполнении команд, нарушении границ стека, а также отслеживать немаскируемое прерывание NMI, программный и аппаратный сброс. Приоритеты прерываний от аппаратных и программных ловушек самые высокие.

§ Контроллер прерываний обеспечивает малое время отклика на запрос прерывания: минимальное время составляет 250 нс @20 МГц, а максимальное - 600 нс. Чтобы уменьшить время отклика при выполнении сложных команд умножения и деления, занимающих 5 и 10 циклов соответственно, также предусмотрено прерывание. Обработка прерываний осуществляется в течение малых временных интервалов. Это очень важно для высокоуровневых приложений, таких как управление приводами, когда решаются задачи цифровой обработки сигналов и весьма нежелательны флуктуации входных и выходных переменных. Таким образом, достигается высокая производительность в реальном масштабе времени.

§ Механизм обработки прерываний работает следующим образом. Для каждого прерывания имеется собственный регистр управления Interrupt Control Register (xxIC). При установке одного или нескольких флагов запроса прерывания Interrupt Request (IR) в регистрах управления xxIC производится сравнение их приоритетов с текущим приоритетом выполняемой программы, который содержится в регистре состояния процессора. После проверки номера в группе в регистре прерывания с наибольшим номером уровня и группы очищается флаг IR, и контроллер приступает к обработке этого прерывания. При этом в стеке автоматически сохраняется содержимое регистра состояния процессора PSW, указателя команд IP и в сегментированном режиме указателя сегмента CSP и загружаются новые значения этих регистров согласно

§ процедуре обработки прерывания.



Рисунок 3.4 - Схема прерываний

Регистрация внешних прерываний может осуществляться в альтернативном режиме по внешним входам, например, по входам Capture. Кроме того, имеется немаскируемое прерывание NMI. Часть внешних прерываний регистрируются каждые 0,5 цикла, т.е. каждые 50 нс @ 20 МГц.

§ Изменение уровня приоритета прерывания во время исполнения программы является достаточно типичной задачей для ряда приложений. Например, уровень приоритета может зависеть от значения сигнала на внешнем входе. В этом случае после проверки состояния входа процедура обслуживания прерывания переключает уровень прерывания на более низкий, изменяя содержимое регистра ILVL. После понижения уровня выполняемого прерывания могут поступить запросы на прерывание с более высоким приоритетом. Такая ситуация может привести к определенным проблемам.
Пусть, например, выполняется прерывание A на уровне 10 и поступает запрос от прерывания B с уровнем 12, которое и поступает на выполнение. Если теперь уровень прерывания B будет снижен до значения меньшего, чем 10, прерывание A не сможет стать активным пока не закончится выполнение B. Возможен еще более плохой вариант, если прерывание B снизит свой уровень до значения 5, и теперь даже прерывание C с уровнем 7 сможет его прервать. Такие ситуации

§ удлиняют время исполнения прерывания A, что не соответствует его новому приоритету. Поэтому для понижения уровня приоритета текущего прерывания всегда следует закончить текущую задачу, и начать новую с более низким приоритетом. Это можно осуществить при установке бита IR в каком-либо незадействованном регистре управления xxIC.

§ Контроллер периферийных событий - Peripheral Events Controller (PEC) освобождает ЦПУ от простых, но частых обслуживаний прерываний, осуществляя перенос данных в любую позицию нулевого сегмента без переключения задачи. Процесс переноса данных практически не затрагивает работу контроллера и не зависит от выполняемой программы - контроллер только приостанавливает выполнение текущей программы на один цикл (100 нс), даже не сохраняя свое состояние в стеке. Время отклика контроллера для обслуживания PEC составляет от 150 до 450 нс при цикле ЦПУ 100 нс. Для контроллера PEC отведены два верхних уровня приоритета, что позволяет обслуживать одновременно 8 каналов PEC. Каждый канал управляется собственным регистром PEC, который позволяет программировать передачу байта или слова данных с инкрементом адреса или без него с однократным, многократным или бесконечным числом пересылок. Обработка прерываний PEC выполняется в соответствии с приведенной диаграммой ( рисунок 3.5).

Рисунок 3.5 - Диаграмма прерываний

3.5 Генерация системного такта

§ Временной дискретой для ядра C166 является период такта, равный 50 нс при тактовой частоте 20 МГц. Большая часть команд C166 исполняются за два такта, т.е. за 100 нс. Для достижения номинального быстродействия внутренний такт должен иметь скважность 50%, что не всегда может быть получено при тактировании от кварцевого резонатора. При несовпадении длительностей высокого и низкого уровня тактового сигнала временная дискрета определяется по длительности самого короткого уровня, который должен быть не меньше 50 нс. Это означает, что при асимметрии такта понижается максимально возможная тактовая частота. Например, при длительности высокого уровня 50 нс, а низкого - 60 нс рабочая частота равна 18 МГц. Кроме требования симметричности времена переключения уровней тактового сигнала должны быть не более 5 нс.

§ Поэтому для генерации полностью симметричного системного такта в состав некоторых микроконтроллеров семейства C166 входит встроенный делитель входной частоты на 2. В этом случае требуется кварцевый генератор, работающий на частоте 40 МГц. Члены семейства, имеющие в маркировке индекс 'W' не содержат делителя и тактируются непосредственно. Без делителя сегодня выпускаются только кристаллы 8xC166W, с которыми рекомендуется работать на тактовой частоте 18 МГц.

§ В новых кристаллах C163, C164CI, C167 присутствует встроенное устройство PLL, которое преобразует входную частоту во внутренний системный такт с коэффициентом умножения 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 4 и 5. Например, при использовании кварцевого генератора 5 МГц для достижения обычных 20 МГц на встроенном устройстве PLL осуществляется умножение входной частоты на 4. Задание режима PLL осуществляется на фазе сброса при подключении резистора между входом P0L и нулем. При потере внешнего такта генерируется

§ прерывание, и PLL продолжает работать на частоте 5...10 МГц. Внутренний такт отслеживается PLL также в режимах прямого тактирования и деления входной частоты на 2.



P0H.7	P0H.6	P0H.5	Коэффиц. умножения	Фактор PLL	Делитель	Комментарий
1	1	1	4	4	OFF	по умолчанию
1	0	1	2	2	OFF
1	1	0	3	3	OFF
1	0	0	5	5	OFF
0	1	1	W	OFF	OFF	прямой такт
0	0	1	0.5	OFF	ON	через делитель
0	1	0	1.5	3	ON
0	0	0	2.5	5	ON

3.6 Периферия микроконтроллера 80С166

3.6.1 Блоки таймеров общего назначения (GPT1 & GPT2)

Микроконтроллеры семейства С166 могут содержать один или два модуля таймеров общего назначения с внешними входами / выходами, функциями перезагрузки и сравнения и возможностью объединения. Один из модулей (GPT1) имеет три 16-ти разрядных реверсивных таймера. Таймер T3 работает как основной, а таймеры T2 и T4 как дополнительные. Регистр дополнительного таймера может служить для перезагрузки основного таймера при его переполнении или для захвата содержимого основного таймера при возникновении внешнего события. Имеется также возможность каскадного соединения основного и одного из дополнительных таймеров для увеличения разрядности (рисунок 3.6). При этом образуется 33-х разрядный таймер (в цепочку включается еще и триггер на выходе таймера T3). Каждый из таймеров имеет собственный регистр управления. На блок-схеме GPT1 все временные значения приведены для частоты 20МГц.



Рисунок 3.6 - Блок схема 33-разрядного счетчика

Таймеры могут работать в следующих основных режимах:

§ счетчик внешних входных импульсов с максимальной частотой до 1,25 МГц;

§ таймер с внешним сигналом управления (активный высокий или низкий уровень);

§ таймер с входным тактом от внутреннего тактового генератора, который проходит через делитель с программируемым коэфф. от 8 до 1024.

В таблице приведены значения входной частоты и периода таймера при частоте тактового генератора 20 МГц.

Предварит.делитель	8	16	32	64	128	256	512	1024
Вх. частота	2.5 МГц	1.25 МГц	625 кГц	312.5 кГц	156.25 кГц	78.125 кГц	39.06 кГц	19.53 кГц
Миним. шаг	400 нс	800 нс	1.6 мкс	3.2 мкс	6.4 мкс	12.8 мкс	25.6 мкс	51.2 мкс
Период	26 мс	52.5 мс	105 мс	210 мс	420 мс	840 мс	1.68 с	3.36 с

Второй модуль таймеров (GPT2) имеет два 16-ти разрядных таймера и более высокое разрешение по входу (в модуле GPT2 максимальная частота внешних счетных импульсов может достигать 2.5 МГц). В таблице приведены значения входной частоты и периода таймера для различных коэффициентов деления.

Предварит.делитель	4	8	16	32	64	128	256	512
Вх. частота	5 МГц	2.5 МГц	1.25 МГц	625 кГц	312.5 кГц	156.25 кГц	78.125 кГц	39.06 кГц
Миним. шаг	200 нс	400 нс	800 нс	1.6 мкс	3.2 мкс	6.4 мкс	12.8 мкс	25.6 мкс
Период	13 мс	26 мс	52.5 мс	105 мс	210 мс	420 мс	840 мс	1.68 с

3.7 Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

Ряд микроконтроллеров семейства C166 имеет встроенный АЦП, построенный по принципу аппроксимации со схемой выборки - хранения на кристалле. Схема мультиплексирования позволяет организовать до 16 и более входных каналов. Для компенсации ошибок преобразования служит автоматическая самокалибровка. Полное время преобразования АЦП составляет 9,7 мкс при частоте процессора 20 МГц.

	C161RI	C164	C166	C167	C167CS
Количество каналов	4	8	10	16	16 + 8
Разрядность	8	10	10	10	10
Время преобразования, мкс	7,5	9,7	9,7	9,7	9,7

Модуль АЦП имеет гибкие режимы преобразования:

§ одноканальное однократное

§ одноканальное при периодическом опросе датчика

§ многоканальное однократное

§ многоканальное при периодическом опросе датчика

§ по выбранному каналу во время непрерывного преобразования

При периодическом опросе датчика следующее преобразование производится автоматически по окончании предыдущего. Времена выборки и преобразования устанавливаются в регистре управления АЦП. После окончания преобразования регистр результата содержит 10-разрядный результат, и номер канала, а в регистре управления устанавливается флаг прерывания. Если результат преобразования не считывается до начала следующего преобразования, устанавливается флаг ошибки, и вырабатывается прерывание. Для сохранения результата внеочередного преобразования по выбранному каналу во время непрерывного преобразования предусмотрен специальный регистр. Ниже на рисунке 3.7 приведена упрощенная блок-схема АЦП.

Рисунок 3.7 - Упрощенная блок схема АЦП

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведя анализ существующих микропроцессорных устройств управления становится ясно, что они не соответствуют современным требованиям и морально устарели. На сегодняшний день существуют технологии применение которых способно снизить затраты на производство, эксплуатацию и ремонт устройств управления. Одной из них является современный микроконтроллер, включающий в себя все необходимые для выполнения той или иной задачи периферийные модули.

В данной курсовой работе было решено использовать микроконтроллеры фирмы Siemens Semiconductors. Из этого семейства был выбран микроконтроллер 80C166. Эффективное программирование МК 80С166 достигается благодаря мощной системе команд, поддерживающей вычисления над 8-, 16- и 32-разрядными операндами, операции умножения и деления (MUL, DIV), контроль границ стека, управление периферией через регистры специальных функций Special Function Register (SFR). Следует также отметить высокую пропускную способность, мощную систему адресации и поддержку программирования на языке высокого уровня. При тактовой частоте процессора 16, 20 и 25 МГц цикл выполнения команды составляет 125,100 и 80нс соответственно, встроенная память, промышленные температурные диапазоны и др. Кроме того он содержит необходимые для устройств управления встроенные периферийные модули: 10-разрядный АЦП и таймеры.

В результате была усовершенствованна микропроцессорная система управления и диагностики МСУД.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Стрельцова В.А. Электровоз ЭП1. Руководство по эксплуатации: Техническое описание. - Ростов-на-Дону: ВЭлНИИ - К7, 1997г.

2. Ноженко Н.Я. Аппаратура МСУД. Руководство по эксплуатации: Альбом иллюстраций. - Ростов-на-Дону: ПКП «ИРИС», 2005г.

3. Кулинич Ю.М. Электронное оборудование электровозов переменного тока с плавным регулированием напряжения: Учебное пособие.- Хабаровск: ДВГУПС, 1998. - 96 с.