Применение САПР при проектировании микропроцессорных систем дистанционного контроля и управления технологическим оборудованием Автор статьи: Журова Лариса Борисовна, ГОУ СПО «Юргинский техникум машиностроения и информационных технологий», преподаватель, krcsro@mail.ru Аннотация. Статья посвящена краткому описанию программных инструментальных средств, используемых при проектировании микропроцессорных систем. Компьютерные среды разработки и отладки программ для микроконтроллеров FlowCode for AVR и схемотехнического моделирования Proteus VSM позволяют без сборки реального устройства на стадии проектирования найти ошибки, полученные при написании программы для микроконтроллера, отладить работу аппаратно-программного комплекса в целом. Современные системы дистанционного контроля и управления режимами работы технологического оборудования строятся на основе использования микропроцессорных систем сбора и обработки данных, максимально приближенных к объекту. Современные микропроцессорные системы строятся на базе микроконтроллеров. Возможности микроконтроллеров семейства AVR позволяют решать множество типовых задач, возникающих перед разработчиками встраиваемых систем управления динамическими объектами в режиме реального времени. Интенсивный рост продаж AVR во всем мире и устойчивый рост их популярности, в том числе и в России, предполагает дальнейшее развитие этого направления. [1] Применение САПР при проектировании микропроцессорных систем предъявляет высокие требования к интеллектуальному уровню, психологической и профессиональной подготовке выпускников, которые должны не только понимать основные принципы работы САПР, но и хорошо знать все ее возможности, уметь свободно пользоваться средствами общения с ЭВМ и, кроме того, постоянно ставить задачи и осмысливать их результаты. Применение САПР на всех этапах проектирования приводит к снижению затрат на проектирование в связи с сокращением сроков, повышению качества расчетных и конструкторских работ, уменьшению числа макетов и -1- опытных образцов, а также позволит улучшить качество проекта вследствие снижения ошибок в проектной документации. В процессе автоматизации проектирования микропроцессорных систем дистанционного контроля и управления режимами работы технологического оборудования студенты специальности 230113 Компьютерные системы и комплексы применяют САПР на этапах схемотехнического и конструкторского проектирования. Процесс проектирования микропроцессорных систем кроме разработки функциональных и принципиальных схем узлов и блоков включает разработку программного обеспечения для микроконтроллеров. Поэтому прежде, чем приступить к схемотехническому моделированию, нужно получить программные коды для микроконтроллера микропроцессорной системы, расположенной вблизи технологического объекта контроля и управления, и микроконтроллера микропроцессорной системы, расположенной на диспетчерском пункте, в виде двух hex-файлов. Рассмотрим применение САПР на курсовом и дипломном проектировании студентов 4 курса специальности Компьютерные системы и комплексы на примере курсового проекта «Проектирование аппаратно-программного комплекса дистанционного контроля режимов работы периферийного оборудования с использованием оптикомеханического датчика на базе микроконтроллера Atmega16». В проекте для контроля режимов работы периферийного оборудования предлагается использовать квадратурный оптикомеханический датчик – энкодер, применяемый для определения положения и скорости вращения вала. Энкодер представляет собой закрепленный на валу диск с расположенными в определенном порядке прорезями/выступами, которые либо замыкают механические контакты при вращении, либо перекрывают световой поток в оптопаре. Структурная схема аппаратно-программного комплекса дистанционного контроля режимов работы периферийного оборудования представлена на рис.1. В схеме можно выделить три основных модуля: модуль контроля технологических параметров на производственном участке; модуль дистанционного контроля за технологическими параметрами на диспетчерском пункте; блок питания, обеспечивающий питание микросхемам и датчикам +5В. Конструктивно аппаратно-программный комплекс будет выполнен в виде двух устройств: -2- первое устройство размещается на объекте контроля и состоит из датчиков, микроконтроллера, который принимает сигналы с датчиков и выводит их значение на LCD экран, схемы UART для передачи данных в канал связи по протоколу RS-232, блока питания, обеспечивающего питание микросхемам и датчикам +5В.; второе устройство размещается на диспетчерском пункте и позволяет удаленно контролировать технологический процесс, состоит из схемы UART для приема данных из канала связи по протоколу RS-232, микроконтроллера, организующего прием данных и вывод для отображения на LCD экране диспетчера. Рис1.Структурная схема аппаратно-программного комплекса Программирование микроконтроллеров обычно осуществляется на языке Ассемблера или языке высокого уровня Си. Для некоторых студентов процесс программирования вызывает определенные трудности. Компьютерная среда разработки и отладки программ для микроконтроллеров FlowCode позволяет процесс программирования сделать более наглядным и доступным. Программа FlowCode в качестве основного языка программирования использует графический язык. И, как в объектно-ориентированном программировании, объекты FlowCode выполняют ряд операций и наделены набором свойств. Программная среда FlowCode в качестве основных компонентов предлагает алгоритмические конструкции ввода, вывода данных, вычислений, ветвления, цикла, подпрограмм. Графическое программирование – отличительная черта и главное достоинство программы FlowCode, особенно для начинающих. Программная среда позволяет выполнить отладку алгоритмов с применением элементов -3- световой индикации, панели управления, эмуляторов периферийного оборудования. [2] Процесс эмуляции алгоритма программы в программной среде FlowCode для первой микропроцессорной системы, реализующей прием аналоговых сигналов с двух датчиков в порт, имеющий АЦП, и передачу данных по протоколу RS-232 на вторую микропроцессорную систему, в режиме моделирования приведен на рис.2. Процесс эмуляции алгоритма программы в программной среде FlowCode для второй микропроцессорной системы, реализующий прием данных от первой по протоколу RS-232 с выделением двух видов сигналов и выводом этих значений на LCD экран, в режиме моделирования показан на рис.3. Рис.2. Алгоритм программы для приема аналогового сигнала с датчиков и передачи данных на второй микроконтроллер протоколу RS-232 в программной среде FlowCode -4- Рис.3. Алгоритм программы для приема данных с микроконтроллера объекта управления по протоколу RS-232 в программной среде FlowCode на диспетчерский пункт Разработанные алгоритмы можно компилировать в программы на языке СИ и в виде HEX-файлов. Это дает возможность получить наиболее часто используемые коды фрагментов программы на языке СИ, что позволит облегчить их освоение. Полученные в среде FlowCode HEX-файлы далее загружаются в микроконтроллер в среде PROTEUS VSM, что позволяет выполнить схемотехническое моделирование микроконтроллерной системы в целом, проверить правильность программ и далее загрузить их в реальную микропроцессорную систему. -5- Программы – симуляторы позволяют, без сборки реального устройства, отладить работу схемы, найти ошибки, полученные на стадии проектирования схемы, снять необходимые характеристики и многое другое. Одна из таких программных сред - PROTEUS VSM. Режим отладки программ микроконтроллерной системы, реализующей симплексный режим передачи данных показан на рис.4-5. В первой строке LCD экрана отображается значение цифрового кода, полученное с первого датчика-энкодера, во второй строке – со второго. Рис.4. Схемотехническое моделирование режима контроля параметров технологического процесса и передачи данных с объекта управления на диспетчерский пункт В результате схемотехнического моделирования проверена правильность алгоритма и программы для двух микроконтроллеров МПС АПК и реализация симплексного режима передачи данных между двумя микропроцессорными системами, таким образом, смоделирован режим дистанционного контроля параметров технологического процесса. PROTEUS VSM, созданная фирмой Labcenter Electronics является так называемой программой сквозного проектирования. -6- Рис.5. Схемотехническое моделирование режима приема данных микропроцессорной системы на диспетчерском пункте Это означает создание устройства, начиная с его графического изображения (принципиальной схемы) и заканчивая изготовлением печатной платы устройства, с возможностью контроля на каждом этапе производства. Большая библиотека компонентов, начиная от пассивных ЭРЭ и заканчивая современными типами микроконтроллеров, достаточный набор инструментов и функций, среди которых вольтметр, амперметр, осциллограф, всевозможные генераторы, возможность отлаживать -7- программное обеспечение микроконтроллеров, позволяют выполнять схемотехническое моделирование как аналоговых, так и цифровых схем. После моделирования работы схемы выполняется трассировка печатных плат в модуле ARES программной среды PROTEUS VSM, результаты показаны на рис.6-7. Рис.6. Трассировка печатной платы микропроцессорной системы на диспетчерском пункте Моделирование теплового режима работы МПС АПК осуществлялось в программном комплексе Триана v.2.00. С помощью Триана v.2.00 осуществляется моделирование стационарных и нестационарных тепловых режимов конструкций РЭС при различных условиях охлаждения путем формирования системы нелинейных уравнений или системы обыкновенных дифференциальных уравнений по заданным геометрическим и теплофизическим параметрам конструкции РЭС, установленных в РЭС конструктивных узлов, элементов. -8- Рис.7. Трассировка печатной платы микропроцессорной системы на объекте управления технологическими параметрами Исходные данные для моделирования на ПЭВМ теплового режима МПС АПК при помощи Триана v.2.00 подготавливаются на основе следующей информации: –сборочный чертеж или деталировка конструкции; –теплофизические параметры материалов, элементов конструкции и холодоносителей; –значения тепловых мощностей, рассеиваемых элементами схемы; –параметры охлаждения конструкции; -9- –построенная пользователем модель тепловых процессов анализируемого объекта. Изотермы печатных плат МПС АПК представлены на рис.8-9. Рис.8. Изотерма печатной платы микропроцессорной системы на объекте управления технологическими параметрами В результате проведенного теплофизического моделирования определены тепловые потоки на печатных узлах, отсутствие перегрева ЭРЭ и максимальная температура узла. - 10 - Рис.9. Изотерма печатной платы микропроцессорной системы на диспетчерском пункте Данная технология проектирования МПС АПК дистанционного контроля параметров работы периферийного оборудования с использованием оптико-механического датчика на базе микроконтроллера Atmega16 выполнялась в рамках дипломного проектирования и рекомендована для дальнейшего использования в процессе освоения профессионального модуля «Проектирование микропроцессорных систем» для студентов СПО специальности 230113 Компьютерные системы и комплексы. Литература 1. Трамперт В. AVR-RISC микроконтроллеры.: Пер. с нем.-К.: «МК-Пресс», 2006.- 464 с., ил. 2. URL:http://www.twirpx.com/files/informatics/mps/. Гололобов В.Н. Микроконтроллер и FlowCode 3. Костров Б. В., Ручкин В. Н. Архитектура микропроцессорных систем. - М.: Издательство Диалог-МИФИ, 2007 - 304 с.:ил. 4. Белов А.В. Самоучитель разработчика устройств на микроконтроллерах. — СПб.: Наука и Техника, 2008. — 544 с.: ил. 5. Рюмик С. М. 1000 и одна микронтроллерная схема. Вып. 1 / С. М. Рюмик. — М. : Додэка-ХХ1, 2010. — 356 с.: ил. - 11 -