Cursul Meu 10 6. Structura hardware a unui sistem mecatronic

8/18/2019 Cursul Meu 10 6. Structura hardware a unui sistem mecatronic

1/26

CURS 10 Teoria sistemelor mecatronice

6. Structura hardware a unui sistem mecatronic

Structura de baza a unui sistem mecatronic este prezentata in figura 1.


2/26

Fig.1 Schema bloc a unui sistem mecatronic

Modulele componente indeplinesc urmatoarele functii:

Sistemul de programare a sarcinilor – constituit din microprocesor sau microcontroler (genereaza miscarile dorite si secventele acestora, in concordanta cu cerintele sau comenziletransmise).

Controlerul de secvente si miscare – compara parametrii curenti ai miscarii cu cei impusi sirealizeaza corecturile necesare.

Amplificatorul de putere – amplifica semnalul in concordanta cu cerintele actuatorului.

Actuatorul – transforma semnalul corectat in semnal de intrare (moment, forta, viteza) inacord cu cerintele procesului.

Mecanismele si transmisiile mecanice – realizeaza adaptarea parametrilor actuatorului lacerintele impuse de procesul tehnologic.

Senzorii – prelucreaza informatii privind parametrii procesului si transmit semnale corespunzatoare controlerului miscarii.

armen !u"oreanu 1


3/26


Dispozitivul de conditionare a semnalelor – cuprinde filtre, amplificatoare etc. care prelucreaza semnalele in concordanta cu cerintele impuse de intrarea in controlerul miscarii.

OBS: in functie de natura sistemului, modulele pot fi combinate mai multe intr#un singur

element, iar structura acestora este influentata in permanenta de progresele tehnice.unostintele de teoria sistemelor ne vor a"uta la intelegerea functionarii unor astfel desisteme.

$n continuare se prezinta detalii privind aceste module.

6.1 Descrierea elementelor specifice 6.1.1 Microprocesoare

Sunt module de baza in structura unui sistem mecatronic.

Microprocesorul este de fapt o unitate centrala %& intr#un singur chip. Memoria si sistemul de intrari'iesiri sunt, de regula, eterne microprocesorului. oate acestea formeazaun microcomputer , a carui structura este reprezentata in fig.*

+in schema de mai "os, doar unitatea centrala (%&) impreuna cu o parte a sistemului deintreruperi si a sistemului de timere se regasesc in arhitectura unui microprocesor.


4/26

Fig.* Structura unui microcomputer (Maties#M,p-,f.*)

armen !u"oreanu *


5/26


Incoveniente: datorita faptului ca, in buna masura, sistemul de intrari'iesiri ($'/) trebuie implementat etern, numarul componentelor creste. 0cest lucru nu convine, pentru ca inaplicatii se cere volum redus, constructie compacta si consum redus de energie.

6.. Microcontrolerul

ste de asemenea un modul de baza din structura unui sistem mecatronic.

1. Definitie

Un microcontroler este similar unui microprocesor. 0mbele conin o unitate central2 de prelucrare sau %& (central processing unit). %& eecut2 instruciuni care 3ndeplinescoperaiile de baz2 logice, matematice 4i de transport a informaiei.

%entru a construi un calculator complet, microprocesorul necesit2 memorie pentru p2strareadatelor 4i programelor, interfee de intrare#iesire ($'/) pentru conectarea dispozitivelor

eterne cum ar fi tastatura sau monitorul. Spre diferen2 de microprocesor, microcontroleruleste un calculator pe un chip deorece el conine 4i memorie 4i interfee de intrare#iesire pel5ng2 %&. +eoarece memoria 4i interfeele care 3ncap pe un chip sunt limitate,microcontrolerele tind s2 fie utilizate 3n sisteme mai mici care necesit2 doar unmicrocontroler 4i c5teva elemente adiionale.

6esursele integrate la nivelul microcircuitului trebuie s2 includ2 cel puin urm2toarelecomponente (fig.7): o unitate central2 (%&), o memorie local2 tip 60M 4i eventual una detip 6/M' %6/M ' %6/M, $'/ – intr2ri' ie4iri numerice (paralele 4i seriale), timere

(temporizatoare), num2r2toare, un sistem de 3ntreruperi.

ste posibil ca la acestea s2 fie ad2ugate, la un pre de cost avanta"os, caracteristici specificesarcinii de control care trebuie 3ndeplinite.

&n microcontroler tipic mai are facilit2i de prelucrare la nivel de bit, de acces direct 4i u4orla intr2ri'ie4iri 4i un mecanism de prelucrare a 3ntreruperilor rapid 4i eficient.


6/26

OBS. &tilizarea unui microcontroler, oric5t de evoluat , nu elimin2 unele componente ale interfeei cu mediul eterior (atunci c5nd ele sunt chiar necesare): subsisteme de prelucrareanalogic2, elemente pentru realizarea izol2rii galvanice, elemente de comutaie de putere(electromecanice sau statice).

armen !u"oreanu 7


7/26


Fig. 7 Structura unui microcontroler . Caracteristici ale microcontrolerului:

dimensiune redusa a memoriei program si a memoriei date8


8/26

contine module pt interfatare digitala si analogica cu senzori si actuatori8

raspunde rapid la evenimente eterne8

se eecuta intr#o mare varietate pt a putea fi satisfacute cerintele diferitor aplicatii la unraport pret'performante corespunzator necesitatilor.

Moti!atia utili"arii microcontrolerului in controlul proceselor:

program memorat : microcontrolerul are o configuratie minimala a unui sistem de calcul, este capabil sa eecute cu o viteza f. mare instructiunile unui program stocat in memorie8

calcul digital (numeric): informatia este reprezentata binar, nefiind supusa influentei zgomotului de natura analogica8 se poate folosi si o rezolutie variabila, functie de cerinteleaplicatiei8

viteza de operare: poate eecuta o multime de sarcini in timp f. scurt8

flexibilitate in proiectare: prin schimbarea programului memorat se pot obtine noi functii utilizand acelasi hard9are (sau modificari minore)8 se pot proiecta aparate ce inglobeazafunctiuni multiple8 o mare parte din soft9are oate fi utilizata in diverse aplicatii8

autotestul : sistemele ce au microcontrolere isi pot testa functionarea corecta8

comunicatiile: multe microcontrolere pot comunica cu alte sisteme de calcul, aspect important intr#un sistem mecatronic.

armen !u"oreanu


9/26


consum de energie redus: poate fi utilizat si in aplicatiile ce folosesc ca sursa de energie o baterie8

integrarea pe aceeasi pastila de siliciu a functiunilor necesare conduce la reducerea dimensiunilor fizice ale microcontrolerului (aspect de importanta ma"ora in unele aplicatii)8

costul in continua scadere (datorita integrarii pe scara larga si a cresterii eponentiale a numarului de aplicatii)

Structura unui microcontroler :

Modulele de #a"a alemicrocontrolerelor

$lte functii specifice

&nitatea centrala(%central processing unit)

Memoria (6/M, 60M, %6/M)8

Sistemul de intrari'iesiri ($'/)

Masurarea timpului

anale %M (%ulse idth Modulated /utpouts)

onversia digital # analoga

onversia analog – digitala

Unitatea de memorie UM

Mod de func%ionare


10/26

&nitatea de memorie este acea parte a microcontrolerului care are funcia de a 3nmagazinainformaia sub form2 de date 4i de a o face accesibil2 (operaie denumit2 ;Citire


11/26


ste suficient s2 se 4tie desemnarea sertarului (codul de adres2 corespunz2tor unei locaii dememorie) 4i astfel coninuturile locaiei se vor face cunoscute 3n mod sigur.

Fig.

%entru un anumit cod de adres2 aplicat la intrarea ; 0drese< (vezi figura ) obinem laie4irea ;+ate


12/26

poate spune deci c2 memoria este alc2tuit2 din toate locaiile de memorie 4i adresarea nueste altceva dec5t alegerea uneia din ele.

0ceasta 3nseamn2 trebuie selectat2 locaia de memorie la un cap2t, 4i la cel2lalt cap2ttrebuie s2 a4tept2m coninutul sub form2 de date ale acelei locaii, adic2 s#a efectuat operaiade ;Citire< a locaiei respective.

>n afar2 de citirea dintr#o locaie de memorie, memoria trebuie de asemenea s2 permit2;Scrierea< 3n ea (re3mprosp2tarea). 0ceasta se face cu a"utorul unei linii adiionale numit2linie de control. ?om desemna aceast2 linie ca '6 (scrie 'cite4te).

@inia de control este folosit2 3n urm2torul fel : dac2 '6A1, se face citirea, 4i dac2 '6A=atunci atunci se face scrierea 3n locaia de memorie.

& 'ariante de reali"are a memoriei locale

>n afar2 de memoria local2 de tip 60M, de dimensiuni relativ reduse (1= octei la 1Boctei),implementat2 ca atare sau sub forma unui set de registre 4i destinat2 memor2rii datelor(variabilelor), mai eist2 o serie de aspecte specifice, marea ma"oritate a acestora fiind legat2 deimplementarea fizic2 a memoriei de program (4i eventual a unei p2ri a memoriei de

armen !u"oreanu C


13/26


date) cu a"utorul unor memorii nevolatile (nu isi pierd datele cand tensiunea de alimentaredispare)

/ celula de memorie de 1 bit este un circuit capabil sa mentina o stare logica (= sau 1 logic)

Druparea a E celule de memorie de 1 bit reprezinta o memorie de 1 octet

a( Memoria ROM )Read onl* Memor*(

# poate fi doar citita de %& si este nevolatila 8

#se foloseste pt pastrarea programului si a datelor de tip constanta (e: tabele de date cecontin caracteristicile unor traductoare)8

# inscrierea programului in memorie se face cu un echipament denumit ()%6/M %6/M –se programeaza o singura data

%6/M – se poate programa de mai multe ori (de peste 1== ori)

%t stergere se utiliz. dispozitiv Stergator de %6/M< (epunerea memoriei la razeleultraviolete generate de stergator timp de cateva minute (1=G.*= min) – eistenta unui

gemulet

Ma"oritatea microcontrolerelor poseda 6/M interna, de tip %6/M sau %6/M8 cea %6/Mspecifica microcontrolerelor programabile o singura data – /%8

Memoria R$M )Random $cces Memor*(


14/26

# %oate fi citita si scrisa si este volatila 8

# Se utilizeaza pt pastrarea datelor8 memoria este mica (CG-1* octeti), dar pentru multeaplicatii este suficienta8

# %oate fi interna (poate fi impartita in mai multe zone cu functiuni diferite) si eterna8

Memoria ++,ROM )+lectricall* +rasa#le ,ROM(

– Sunt nevolatile8 pot fi sterse electric fiind utile in sistemele cu mct (microcontrolere) pt pastrarea unor date ce se modifica relativ rar (date de calibrare, constante de traductor etc.)sau pastrarea datelor masurate 8

# imp de citire'scriere mai mare decat in cazul 60M8

# +e regula este eterna (ca masura de protectie) insa unele mct. pot avea si %6/Minterna8 in caz de defectare, datele pot fi citite de un alt mct.

6. Unitatea central- de procesare C,U

- Rol i func%ionalitate

armen !u"oreanu H


15/26


ste blocul din componena unui microcontroler capabil s2 acioneze asupra coninutului(datelor) uneia sau mai multor locaii coninute 3n unitatea de memorie &M, specializat peoperaii (de adunare, 3nmulire, 3mp2rire, etragere 4i reintroducere) de date, care poate s2depoziteze datele at5ta timp c5t asupra acestora se efectueaz2 operaii.

$n urma efectu2rii acestor operaii se va depune 3napoi 3n unitatea de memorie, (3n locatiilede memorie) rezultatul operaiilor efectuate (un nou coninut de date).

+eci putem spune c2 acest bloc lucreaz2 direct cu unitatea de memorie, poate accesa (prinoperaia de ;$dresare


16/26

programul contine functii aritmetice si logice de baza pentru prelucrarea simanipularea datelor.

&unctiuni de #a"a ale C,U 2

a) !xtragerea (citirea) din memorie a instructiunilor (fetc" # extragere) si executia acesteia

(instructiunea este interpretata si sunt initiate actiunile asociate acesteia)

6eprezentarea numerelor – sistem binar sau heazecimal

Fluul de date intre componentele microcontrolerului, si intre acesta si eterior estecontrolat de #locul de decodificare a instructiunii si #locul de enerare a

armen !u"oreanu E


17/26


semnalelor de control (constituie inima %& si determina esential viteza de lucru a acestuia)

!xecutarea de operatii aritmetice si logice # &nitatea aritmetica si logica (0@arithmetic andlogic unit) 8 efectuarea operatiilor se face cu a"utorul unui registru special, acumulator

(0).

0@& eecuta operatii doar pe E biti

la unele mct. eista modul hard de inmultire care functioneaza independent de %& si estetratat ca $'/.

!fectuarea operatiilor la care rezultatul nu se poate reprezenta pe un octet – Reistru al indicatorilor de conditii (flag register) utilizat in efectuarea conditionata a instructiunilor.

$estionarea intreruperilor – Sistemul de intreruperi (interactiunea cu eteriorul determinauneori intreruperea eecutiei instructiunilor)

Cau"a intreruperilor2 factorul uman, modificarea starii unor procese (e: actionarea unei tastaturi), conditii de timp etc.

@a aparitia intreruperii, dupa ce mct. va termina instructiunea in curs de eecutie, se vaeecuta o rutina ce se gaseste la o adresa predefinita asociata intreruperii respective (putandeista mai multe surse de intrerupere, fiecare sursa va avea propria ei adresa predefinitaasociata)

istenta a mai multor surse de intrerupere active la un moment dat, arbitrarea acestora se face

prin stabilirea unor nivele de prioritati (o intrerupere de pe un nivel de prioritate superior poateintrerupe o intrerupere de pe un nivel de prioritate inferior).

3. Bus&ul 4 Maistrala de date i adrese

&Rol i func%ionalitate


18/26

omunicatiile intre modulele microcontrolerului se realizeaza prin intermediul #us&ului(magistrale de adrese, date si control).

+in punct de vedere fizic, el reprezint2 un grup de E, 1C, sau mai multe fire (panglic2 de firespeciale care permit transmisia de date la anumite viteze impuse).

ist2 dou2 tipuri de bus#uri : #us de adres- sau maistral- de adrese (pe care circul2semnale sub form2 de cod de adrese care adreseaz2 &M)

#us de date sau maistral- de date (pe care circul2 datele preluate din &M 4i urmeaz2 a fidepuse 3n regi4trii %& spre a fi prelucrate servind totodat2 la conectarea tuturor blocurilordin interiorul microcontrolerului).

armen !u"oreanu I


19/26


+in momentul de fa2 putem avea o viziune clar2 asupra modului de interconectare 4ifuncionare al celor dou2 entit2i (&M si %&) privite ca blocuri componente din cadrulmicrocontrolerului, deci putem introduce noiunea de ;funcionalitate< ca parametru fictiv almicrosistemului care a luat na4tere prin prezentarea acestora(fig.-)

Fig.%


20/26

5. Sistemul de intrariiesiri 7O

& Rol i func%ionalitate

>n ceea ce prive4te funcionalitatea, situaia s#a 3mbun2t2it, dar o nou2 problem2 a ap2rut de

asemenea: avem o unitate ce este capabil2 s2 lucreze singur2, care nu are nici un contact culumea de afar2, sau cu noi J

%entru a 3nl2tura aceast2 deficien2, s2 ad2ug2m un bloc ce conine c5teva locaii de memorie ac2ror singur cap2t este conectat la busul de date, iar cel2lat are coneiune cu liniile de ie4ire lamicrocontroler ce pot fi v2zute cu ochiul liber ca pini la componenta electronic2.

0ceste locaii care tocmai le#am ad2ugat sunt numite KporturiK. Sunt diferite tipuri de porturi: intrare, ie4ire sau pe dou2#c2i.

5nd se lucreaz2 cu porturi, mai 3nt5i de toate este necesar s2 se aleag2 cu ce port urmeaz2s2 se lucreze, 4i apoi s2 se trimit2, sau s2 se ia date de la port.

>n timpul acces2rii, portul se comport2 ca o locaie de memorie, unde ;ceva< este pur 4isimplu scris 3n el sau citit din el, 4i este posibil de a remarca u4or aceasta la pinii

microcontrolerului.

armen !u"oreanu 1=


21/26


oate microcontrolerele au de un num2r oarecare de intr2ri'ie4iri numerice ( 1...1=).oneiunile eterioare sunt bidirecionale sau unidirecionale, unele sunt multifuncionale (seofer2 funcii alternative pe acela4i pin), altele pot avea o capacitate sporit2 de a absorbi curent (dee. pentru comanda direct2 a unui @+).

&Cerinte de #a"a pt microcontrolere in di!erse aplicatii2 a( Citirea datelor din proces

Modul de masurare2


22/26

OCES

& sen"ori8 traductoare

Microcontroler

& #locuri electronice de

prelucrare8 adaptoare

de semnal

&peratii specifice:


23/26

Citirea unor date de tip numeric:

starea unor contacte

semnal numeric transmis de modulul de masurare ca urmare a unei prelucrari locale a datelor8

citirea unor astfel de semnale se face pe un pin al mct. (denumit port de intrare in acest caz)8gruparea mai multor linii de porturi formeaza un port paralel (de regula E linii, uneori )8

- continutul portului se regaseste intr#un registru special (SF6) asociat portului respectiv,aflat in memoria interna a microcontrolerului.

Citirea unor date de tip analogic

+atele analogice pot fi standardizate (*G1= m0, G*= m0 etc.) sau nu.

itirea semnalului se face pe un pin al microcontrolerului denumit port analoic8

armen !u"oreanu 11


24/26


Modulul de conversie analog#numerica 0+ (0nalog +igital onverter) – semnalul esteconvertit digital8

%ot fi mai multe porturi de intrare analogica dar eista, de regula, un singur 0+.

Transmiterea unor date spre proces

&peratii specifice:

'ransmiterea unor date de tip numeric

# Se realizeaza cu a"utorul unui port programat ca port de iesire (porturile pot fi programateca port de iesire, de intrare sau bidirectional)8 gruparea liniilor de port in porturi paralele permite transmiterea simultana de date.

'ransmiterea de date de tip analogic

# $n mod obisnuit, microcontrolerele nu au convertor digital#analog8 implementarea se poateface in * moduri:

utilizarea unui modul electronic comandat de un numar Ln de linii de port de iesire8 in acestcaz, se poate obtine un convertor digital#analog avand o rezolutie de Ln biti8

utilizarea de impulsuri avand frecventa si latimea programabile (%M – pulse 9idthmodulation) care pot fi integrate cu a"utorul unui modul integrator8 impulsurile pot figenerate prin program, pe un port de iesire8 unele microcontrolere contin intern blocuri de

generare a semnalelor de tip %M.

Citirea datelor de la utili"ator

&tilizatorul intervine asupra functionarii sistemului mecatronic prin transmiterea de la taste, butoane tip potentiometru etc. a unor date (parametri, date de calibrare, date privind regimulde functinare etc.) catre mct.


25/26

%reluarea datelor se face prin porturile de intrare de tip numeric sau analogic.

Actuatori

Microcontroler

& elemente de forta

OCES


26/26

& #locuri electronice de putere

& adaptoare de semnal etc.

armen !u"oreanu 1*

Cursul Meu 10 6. Structura hardware a unui sistem mecatronic

Documents

Transcript of Cursul Meu 10 6. Structura hardware a unui sistem mecatronic