Проектирование алгоритмического и программного
| Вид материала | Документы |
- Российская академия государственной службы при Президенте Российской Федерации Проектирование, 246.7kb.
- Методические указания для выполнения курсовой работы по дисциплине «Методы оптимизации», 123.01kb.
- Примерная программа наименование дисциплины Проектирование и архитектура программных, 182.2kb.
- Учебная программа по дисциплине проектирование, разработка и стандартизация программного, 60.35kb.
- Лекция Основные понятия и особенности процесса разработки пп определение по. Понятие, 250.13kb.
- Образец резюме программиста, 44.28kb.
- Автоматизированное проектирование ис (case-технология), 75.02kb.
- Лекция 31 Тема 9 Экономическая эффективность программного изделия, 32.74kb.
- Рабочая программа по дисциплине «Физика» для направления подготовки дипломированного, 282.66kb.
- Методические указания к курсовому проекту по дисциплине проектирование устройств, 104.56kb.
`
Проектирование алгоритмического и программного
обеспечения мехатронных систем
Бошляков А. А., Овсянников С. B.
Обязательным компонентом любой современной мехатронной системы является микропроцессорная система, реализующая алгоритмы управления системы программным способом. В пособии излагаются этапы и подходы к проектированию алгоритмического и программного обеспечения для микропроцессорных систем мехатронных систем.
Для студентов, изучающих курс «Проектирование мехатронных систем».
Рецензент: Нечаев Л.Д.
Введение
Обязательным компонентом любой современной мехатронной системы является микроЭВМ, реализующая алгоритмы управления системы программным способом. Наиболее часто такие микроЭВМ представляют собой один или несколько микропроцессорных контроллеров (МПК). Под микропроцессорным контроллером принято понимать функционально законченную совокупность микропроцессора и связанных с ним периферийных устройств, таких как, оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) памяти, постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) памяти, таймеры, контроллеры прерываний и системной шины, порты ввода-вывода, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), разнообразные универсальные асинхронные (UART, CAN) и синхронные приемопередатчики (SPI, I2C), супервизоры питания и т.д. Микропроцессорный контроллер может быть реализован как в виде электронного блока на основе микросхемы микропроцессора и соответствующих ему микросхем периферийных устройств, так и в виде однокристального микроконтроллера (как с набором дополнительных микросхем периферийных устройств, так и без них). Примером первого варианта реализации МПК для мехатронных систем могут служить микропроцессорные контроллеры на базе 16-разрядного микропроцессора Intel 8086 и набора микросхем периферийных устройств, предназначенных для работы с ним (отечественные аналоги - микропроцессор К1810ВМ86 и комплект БИС 1810). Примером второго варианта могут служить однокристальные 8-разрядный микроконтроллер Intel MСS51 и 16-разрядный микроконтроллер MCS196, а также однокристальные 16-разрядные микроконтроллеры семейства Siemens SAB C167.
Как правило, использование 8-разрядных МПК в мехатронных системах оправдано только для «простых» систем, имеющих низкую динамику и невысокую точность. В остальных случаях необходимо использовать 16-разрядные МПК. Практика показывает, что реализация корректирующих устройств в высокоточных мехатронных системах, например, в системах наведения антенных установок, с использованием 16-разрядных МПК, требует работы с двойным словом, т.е. по сути, речь идет о необходимости 32-разрядной реализации корректирующих устройств. Однако, использование 32-разрядных МПК в мехатронных системах не получило массового распространения из-за более «слабого» набора периферийных устройств в 32-разрядных микроконтроллерах по сравнению с 16-разрядными.
В силу вышеизложенного представленный материал по проектированию алгоритмического и программного обеспечения мехатронных систем излагается применительно к системам с 16-разрядными МПК на основе микропроцессоров Intel 80x86 и однокристальных микроконтроллеров семейства Siemens SAB C167 (и их аналогов – микроконтроллеров семейств Infineon C167 и ST Microelectronics ST10CT167).
1. Процесс проектирования мехатронной системы с микропроцессорным контроллером
1.1. Этапы проектирования мехатронной системы с МПК
В общем случае процесс проектирования мехатронной системы с МПК с точки зрения создания ее программного и алгоритмического обеспечения можно изобразить в виде схемы на рис.1, содержащей семь основных этапов. Рассмотрим их, отметив в скобках их возможное соответствие реальным этапам разработки изделия.
Этап 1. Анализ технического задания (аван-проект).
Содержанием этапа является:
- определение структурного построения мехатронной системы;
- определение функционального построения мехатронной системы;
- выбор элементной базы системы, в том числе выбор МПК;
- определение перечня корректирующих устройств и законов управления, которые предполагается реализовать в МПК.
Этап 2. Синтез мехатронной системы (эскизный, технический проекты).
Этап синтеза (в широком смысле) можно представить в виде пяти шагов:
- энергетический расчет силовой части мехатронной системы;
- разработка математической модели неизменяемой части мехатронной системы;
- «ручной» синтез (синтез в узком смысле) мехатронной системы;
- моделирование мехатронной системы;
- разработка блок-схемы алгоритмического обеспечения мехатронной системы.
Содержанием первого шага является окончательный выбор исполнительного устройства, рассмотренного на этапе анализа технического задания.
Второй шаг состоит в разработке простейшей математической модели для проведения «ручного» синтеза без учета всех особенностей, вносимых МПК. Естественным представляется вариант создания модели в виде структуры с фазовыми координатами.
Третий шаг представляет собой синтез линейной системы традиционными «ручными» методами, например, частотными, желательно с применением программного обеспечения для автоматизации расчетов и построения «точных» частотных характеристик (например, с помощью программы «Matcad»). Из всех особенностей, вносимых МПК в динамику системы, здесь целесообразно учитывать только квантование по времени. Шаг заканчивается определением передаточных функций корректирующих устройств и законов управления исполнительным устройством, которые являются исходной точкой для последующего моделирования.
Четвертый шаг состоит в моделировании мехатронной системы с МПК с помощью программной модели, реализованной на персональном компьютере. Обязательным условием адекватности модели реальной системе является отражение особенностей, вносимых МПК:
- квантования по времени;
- квантования по уровню;
- ограничения разрядной сетки в МПК и в периферийных устройствах, например в АЦП и ЦАП.
В силу этого процессы, происходящие в МПК, необходимо моделировать в виде кодов с целочисленными значениями. Кроме этого в случае использования маломощного МПК может возникнуть необходимость моделирования времени выполнения управляющей программы МПК.
По существу программная модель представляет собой средство разработки мехатронной системы с МПК, без которого не возможно спроектировать полноценное программное обеспечение для нее.
Возможно два варианта создания программной модели. Первый состоит в использовании универсальных прикладных пакетов моделирования систем автоматического управления, например, Matlab фирмы MathWorks. К сожалению, в большинстве случаев прикладные пакеты не позволяют в полной мере смоделировать все особенности «сложных» мехатронных систем. Однако последние версии Matlab (6.5 и 7) уже в значительной мере удовлетворяют потребностям высокоточных систем. Тем не менее, недостатком такого подхода является, как правило, отсутствие информации о допущениях, принятых в модели, и о пределах ее реальных возможностей, что может приводить к искаженным результатам. Второй вариант состоит в создании собственной программы моделирования («под себя») для конкретной мехатронной системы. Этот вариант в принципе позволяет исследовать все тонкости мехатронной системы, но и более трудоемок, чем первый вариант.
Пятый шаг состоит в разработке блок-схемы алгоритмического обеспечения мехатронной системы. Блок-схема представляет собой графическое отображение программно-аппаратной реализации структурного построения мехатронной системы в виде взаимодействия источников прерываний и программ обработки этих прерываний. Блок-схема служат исходным материалом для разработки управляющей программы МПК.
Этап 3. Разработка программы настройки и контроля мехатронной системы (технический, рабочий проекты).
Целью разработки программы настройки и контроля мехатронной системы является создание средства, позволяющего автономно (вне изделия) через персональный компьютер отлаживать и контролировать работу мехатронной системы с МПК, причем без «перепрошивки» ПЗУ в случае изменения параметров корректирующих устройств, и по командам, имитирующим работу изделия.
Этап 4. Разработка управляющей программы МПК (рабочий проект).
Целью разработки управляющей программы МПК является программная реализация корректирующих устройств и законов управления МПК. Очевидно, что между управляющей программой МПК и программой настройки и контроля должно существовать однозначное соответствие.
Этап 5. Отладка мехатронной системы с МПК с помощью контрольно-проверочной аппаратуры (автономные испытания).
Целью этапа является предварительная отладка программно-аппаратного обеспечения мехатронной системы. По результатам этого этапа возможна доработка программного обеспечения мехатронной системы.
Этап 6. Отладка мехатронной системы с МПК в составе изделия (испытания в составе изделия).
Целью этапа является окончательная отладка программно-аппаратного обеспечения мехатронной системы.
Этап 7. Сдача заказчику (натурные испытания).
Целью этапа является сдача мехатронной системы заказчику.
Среди вышеперечисленных этапов наибольший интерес для проектирования алгоритмического и программного обеспечения мехатронной системы представляют этапы 3 - 5, которые в основном далее и рассматриваются.
