МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Электронные системы управления, создаваемые на базе дискретных элементов и интегральных микросхем, выполняющих какую-либо определенную задачу управления, относятся к систе­мам с жесткой логикой, т. е. алгоритм их функционирования опре­деляется схемотехникой системы. У микропроцессорных систем такое ограничение отсутствует, т. е. при одной и той же структуре данные системы могут реализовывать различные алгоритмы управления вследствие соответствующего изменения записи команд в элементах памяти системы. Благодаря этому микропроцессорные системы образуют особый класс электронных систем управления и обладают рядом уникальных возможностей с точки зрения реали­зации самых сложных задач управления [2, 19, 20, 36).

В микропроцессорной системе обработка информации ведется в двоичном цифровом коде. Поэтому все многообразие поступаю­щих в систему сигналов должно быть сведено к единой двоичной кодовой структуре, т. е. структуре вида «логический О» или «логи­ческая 1». Сигналы, поступающие в систему управления, можно условно разделить на следующие группы:

сигналы от контактных или других датчиков, имеющие только два возможных состояния — открыт («логическая 1») и закрыт («логический О»);

сигналы от терминального устройства, т. е. от элементов сис­темы, на которые воздействует водитель для корректирования действия системы управления (например, датчик положения педа­ли управления подачей топлива либо контроллер управления). К этой группе могут быть отнесены и различные запросы на инди­кацию состояния тех или иных элементов системы управления;

информация о режимах работы агрегатов автомобиля (темпе­ратура узлов, их нагрузочный режим, напряжение бортовой сети, частоты вращения валов двигателя и трансмиссии и др.).

Преобразование различных сигналов в требуемый их вид (циф­ровой код) для последующей обработки центральным процессором (ЦПУ) выполняют предварительные устройства, к которым мож­но отнести аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи, преобразователи частоты в напряжение (ПЧН). АЦП применяют для преобразования непрерывного линейного сиг­нала датчиков температуры, давления, напряжения в цифровой код, а ЦАП — для обратного преобразования. Преобразование час­тот вращения валов в код может происходить как через промежу­точный ПЧН с последующим преобразованием напряжения в код, гак и путем непосредственного преобразования частоты в код. Для контактных датчиков преобразования не требуется, так как их вы­ходной сигнал имеет уровень, соответствующий или состоянию «логического О», или «логической 1». Сигналы терминального уст­ройства уже, как правило, имеют необходимую для обработки процессором структуру и поэтому дальнейшего преобразования не требуют.

Все сигналы от внешних источников, преобразованные к еди­ному виду, поступают на интерфейс ввода-вывода, который может входить в состав микросхемы процессора или выполняться в виде отдельных элементов. Устройство ввода-вывода обеспечивает сов­местную работу ЦПУ и всех других устройств системы, являю­щихся по отношению к ЦПУ внешними.

Работа с внешними устройствами выполняется либо по методу периодического опроса их состояния, либо посредством организа­ции системы прерываний от них. При работе микропроцессора с реализацией системы прерываний в нем осуществляется сле­дующий порядок действий:

1) в момент, когда одно из внешних устройств готово выдать или принять очередную информацию или оказать воздействие на функционирование системы управления, оно посылает в ЦПУ сиг­нал готовности (запрос на прерывание);

2) получив сигнал готовности от внешнего устройства, ЦПУ вначале заканчивает выполнение текущей команды, а затем при­останавливает выполнение действий, предусмотренных основной программой, и выдает сигнал готовности начать работу, связан­ную с возникшим прерыванием (разрешение прерывания);

3) при наличии обоих указанных сигналов готовности происхо­дит обработка прерывания, т. е. выполнение подпрограммы, преду­смотренной запросом данного внешнего устройства;

4) если во время решения ЦПУ текущей задачи сигнал готов­ности прислали несколько внешних устройств, то первой будет при­нята для обработки или выдана информация внешнему устройству со старшим приоритетом. Уровень приоритетности внешних уст­ройств задается либо при проектировании системы, либо заклады­вается в программу.



Далее обрабатывается информация внешних устройств с оче­редностью, определяемой старшинством их приоритета. Число гра­даций старшинства приоритетов (так называемая глубина преры­ваний) зависит от типа микропроцессора. Она колеблется от 2 до 8 и более.

Для обеспечения работы микропроцессорной системы управле­ния в реальном масштабе времени, т. е. с выдачей необходимых команд в определенные периоды времени, в ее состав вводят тай­мер, который обычно выполняют в виде отдельной интегральной микросхемы. Получив управляющую команду (управляющее слово), таймер формирует определенную последовательность вре­менных сигналов. К числу таких, например, относится деление тактовой частоты, формирование единичных импульсов (режим одновибратора), а также различных комбинаций импульсов. Сиг­налы от таймера наряду с сигналами от других внешних устройств поступают в ЦПУ, где в соответствии с заложенными алгоритмами происходят все необходимые преобразования и вычисления и вы­дается решение. Таким решением может быть, например, номер включаемой передачи, требование выключения сцепления, степень открытия дроссельной заслонки.



Для работы ЦПУ постоянно требуются дополнительные сведе­ния, различные константы, а также необходимо временное хране­ние промежуточной информации. Эти данные ЦПУ получает от за­поминающих устройств (ЗУ) системы. Для приема, хранения и выдачи всевозможных промежуточных данных, а также сведений о текущем состоянии элементов, т. е. всей той информации, кото­рая изменяется в процессе работы микропроцессорной системы управления, используется оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

Для хранения информации, которая не изменяется при работе микропроцессора, а также записи алгоритма функционирования системы применяются постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) различного типа. Наиболее низкую стоимость имеют ПЗУ (ROM), программа в которые записывается при их изготов­лении. Такие устройства применяются при массовом изготовлении микропроцессорных систем.

В программируемые запоминающие устройства ППЗУ (PROM) запись программы может быть осуществлена и после их изготов­ления на заводе. Поэтому данные устройства целесообразно при­менять при изготовлении относительно небольших серий микропро­цессорных систем управления, особенно если в процессе их вы­пуска может возникнуть необходимость корректирования алго­ритма управления.

В репрограммируемые запоминающие устройства РПЗУ (EPROM) программа может быть записана несколько раз. Однако эти устройства имеют более высокую стоимость, чем ПЗУ и ППЗУ. Поэтому РПЗУ в основном целесообразно применять только на стадии отладочных работ по микропроцессорным системам.

Для связи между выходами микропроцессора и исполнитель­ными устройствами системы управления используются усилители сигналов или коммутационные элементы (силовые цепи).

Микропроцессорные системы отличаются большим разнообра­зием с точки зрения примененных типов устройств и их характе­ристик. Так, разрядность слова, т. е. число одновременно обраба­тываемых разрядов, составляет 4 — 16 бит, тактовая частота — от одного до нескольких мегагерц, число уровней прерывания 2 — 8, объем ОЗУ — от 128 байт до нескольких килобайт, объем ПЗУ и ППЗУ — несколько килобайт. Например, объем ПЗУ системы управления двигателем и трансмиссией «Тойота» составляет 7,5 кбайт, объем ППЗУ системы управления сцеплением «Фиат» — 2 кбайт. В качестве ЦПУ могут использоваться как специальные микропроцессоры (например, в системе «Тойота»), так и серийные [37, 40, 41].



Особо перспективным является применение в системах управ­ ления агрегатами автомобилей однокристальных ЭВМ. В состав такой ЭВМ, выполненной в виде одной интегральной схемы, входят центральный процессор, генератор тактовых импульсов, ОЗУ, интерфейс ввода-вывода, таймер, контроллер прерываний, а также какое-либо из постоянных запоминающих устройств (ПЗУ, ППЗУ или РПЗУ с ультрафиолетовой системой стирания программы). Часто в составе одной серии однокристальных ЭВМ выпускают модификации с различными вариантами ПЗУ. Основным преиму­ществом применения однокристальной ЭВМ является возможность значительного сокращения числа интегральных микросхем, обра­зующих систему управления. Однокристальная ЭВМ в зависимости от структуры микропроцессорной системы управления может заме­нить 5 — 10 корпусов интегральных микросхем, что помимо умень­шения размеров аппаратуры управления обеспечивает и существенное повышение ее надежности в результате сокращения внеш­них соединений между корпусами микросхем.



Рис. 4. Структурная схема микропроцессорной системы автоматического управ­ления переключением передач (на базе комплекта микросхем серии КР580)

На рис. 4 приведена структурная схема системы автоматиче­ского управления переключением передач, основанная на приме­нении микросхем, входящих в состав микропроцессорного комп­лекта серии КР580 [3, 5]. На вход системы подаются сигналы от датчиков скорости автомобиля и частоты вращения коленчатого вала двигателя, температуры двигателя, загрузки автомобиля и др., а также команды, поступающие от аппаратуры управления, на которые воздействует водитель (например, датчик положения педали управления подачей топлива, контроллер управления, за­просы на индикацию состояния тех или иных устройств управления или показателей двигателя и коробки передач).

Перед поступлением в собственно микропроцессорную систему управления все эти сигналы обязательно преобразуются в число­вой код с помощью соответствующих преобразователей (например, аналого-цифровых преобразователей, преобразователей частота — код и т. д.), входящих в состав блока ввода. Информация от блока ввода поступает в схему интерфейса. Причем в случае большого объема информации таких схем интерфейса может быть несколько.



ЦПУ рассматриваемой микропроцессорной системы состоит из трех микросхем. Большая интегральная схема микропроцессора типа КР580ИК80А обрабатывает всю информацию. Ее связь с ши­нами управления и данных осуществляется через системный.конт­роллер — шинный формирователь, а формирование тактовых после­довательностей импульсов, необходимых для работы БИС микро­процессора, происходит с помощью генератора, стабилизированного кварцевым резонатором. В зависимости от вырабатываемых ЦПУ сигнала на шине управления и кода на шине адреса в работу с ним включается то или иное устройство микропроцессорной системы. Например, когда ЦПУ выдает на шину адреса код, тре­буемый для активизации соответствующего канала интерфейса, а на шину управления подает сигнал ввода, информация от дан­ного канала интерфейса поступает в ЦПУ для последующей обра­ботки.

В случае необходимости аналогичным образом осуществ­ляется подача команд на обмен информации между ЦПУ и дру­гими элементами микропроцессорной системы. При этом для ра­боты с запоминающими устройствами ЦПУ выдает на адресную шину адрес ячейки памяти, а на шину управления команду «чте­ние» или «запись».

Для функционирования системы автоматического управления переключением передачи необходимо предусмотреть быстрое из­менение режимов работы системы в зависимости от некоторых факторов. К числу таких факторов можно, например, отнести от­казы тех или иных датчиков, приводящие к созданию аварийной ситуации, наличие юза при торможении автомобиля, непредусмот­ренные изменения напряжения питания системы.

Для того чтобы микропроцессорная система оперативно реаги­ровала на указанные отклонения от нормальной работы, в ней ис­пользуется система прерываний, реализуемая с помощью контрол­лера прерываний. К каждому входу или к части входов контрол­лера прерываний подводятся сигналы от внешних устройств. При появлении на каком-либо из входов контроллера сигнала с уров­нем, соответствующим состоянию «логической 1», он посылает по линии запроса в ЦПУ запрос на прерывание его работы по основ­ной программе. В зависимости от того, на какой из входов конт­роллера поступает сигнал с уровнем, соответствующим «логиче­ской 1», контроллер подготавливает информацию ЦПУ о том, на какую из подпрограмм ему следует перейти. Если сигналы с уров­нем, соответствующим «логической 1», будут поданы одновре­менно на несколько входов контроллера, то он подготавливает для ЦПУ информацию о переходе на подпрограмму, предусмотренную сигналом внешнего устройства с самым старшим приоритетом.



При поступлении запроса от контроллера на прерывание ЦПУ сначала заканчивает выполнение текущей команды, а затем выдает на управляющую шину сигнал разрешения прерывания, т. е. готов­ность перехода от основной программы к подпрограмме. После этого контроллер информирует ЦПУ, на какую из подпрограмм ему следует перейти. По окончании выполнения этой подпрограммы ЦПУ либо по сигналу контроллера прерывания переходит на но­вую подпрограмму, запрос на которую поступил к контроллеру от следующего по старшинству приоритета внешнего устройства, либо при отсутствии таких запросов возвращается к выполнению основ­ной программы.

Выполнение ЦПУ подпрограмм в порядке, определяемом старшинством приоритета внешних устройств, обеспечивает первооче­редную реализацию в системе управления переключением передач таких управляющих воздействий, которые являются наиболее важ­ными для автомобиля. В частности, старшим приоритетом, как правило, обладают внешние устройства, сигнализирующие о непо­ладках в системе управления, могущих создать для автомобиля аварийную ситуацию.

Микросхема контроллера прерываний КР580ВН59 имеет восемь входов для подключения к внешним устройствам. К одному или нескольким из этих входов могут быть подключены выходы тай­мера. Если при этом к входам таймера подвести сигналы от дат­чиков скорости и частоты вращения, то такое схемное решение позволит исключить из состава системы управления частотно-ана­логовые и аналого-цифровые преобразователи, поскольку выпол­няемые ими задачи могут быть решены совместным действием тай­мера и ЦПУ.

Таймер может быть также использован для создания программ микропроцессорных систем управления, устойчивых к сбоям под воздействием внешних помех. В этом случае таймер используется для периодического контроля состояния элементов микропроцес­сорных систем управления, которое зависит от того, правильно ли функционирует система или в ней имеют место сбои.

После того, как ЦПУ заканчивает обработку соответствующего объема информации, он выдает управляющую команду, которая далее через канал вывода интерфейса поступает к блоку усилите­лей питания электромагнитов исполнительных устройств, а также к блоку индикации режимов. В результате обеспечивается требуе­мый порядок срабатывания исполнительных устройств и получение индикации режимов их работы.



Если для управления переключением передач применить одно­кристальную ЭВМ, то по своим функциональным возможностям она будет эквивалентна микросхеме, очерченной на рис. 4 штрих-пунктирной линией. В этом случае микропроцессорная система существенно упрощается. По техническим возможностям она прак­тически не уступает системам, создаваемым с использованием не­скольких микросхем, входящих в микропроцессорный комплект. В частности, если объем памяти однокристальной ЭВМ окажется недостаточным, то его можно увеличить, подключив ЭВМ к внеш­ним устройствам.

Однокристальная ЭВМ содержит сотни тысяч элементов, и тех­нология ее изготовления значительно сложнее по сравнению с из­готовлением микросхем, входящих в микропроцессорный комплект. Вследствие этого стоимость однокристальной ЭВМ достаточно вы­сока. Поэтому вопрос о целесообразности создания микропроцес­сорных систем управления на базе однокристальной ЭВМ следует решать с учетом конкретных областей применения той или иной системы управления.

По сравнению с электронными системами управления микро­процессорные системы имеют следующие преимущества:

с их помощью возможна реализация алгоритма управления лю­бой сложности. При этом может быть учтено большое количество внешних параметров (помимо традиционно принимаемых во вни­мание частот вращения вала двигателя, выходного вала трансмис­сии и нагрузки двигателя) таких, например, как производные этих параметров по времени, температурный режим двигателя, темпе­ратура масла, полная масса автомобиля и т. д. Возникающие при этом трудности связаны лишь с необходимостью введения допол­нительных датчиков и преобразователей;

при необходимости обеспечивается корректирование алгоритма управления как при развитии системы, так и в рамках существую­щей системы с учетом, например, таких факторов, как изменение характеристик агрегатов вследствие их изнашивания. Следова­тельно, возможно создание адаптивных систем управления, кото­рые способны изменять свои характеристики в процессе эксплуа­тации автомобиля с целью обеспечения его наилучших показате­лей. Для достижения такого эффекта не требуется изменения аппаратурной части системы;



вследствие реализации широких возможностей микропроцессор­ ных систем возможно создание комплексной системы управления агрегатами автомобиля (например, двигателем, сцеплением, ко­робкой передач);

система управления на базе микропроцессорного комплекта или однокристальной ЭВМ требует минимального объема настрой­ки и регулировок, поскольку они необходимы только для таких вспомогательных элементов системы, как ПЧН, ЦАП и АЦП.

Основными недостатками микропроцессорных систем являются:

относительно высокая стоимость системы вследствие необходи­мости ее комплектования рядом вспомогательных элементов, из числа которых наиболее дорогостоящими являются устройства ввода-вывода информации. Кроме того, значительная часть расхо­дов по созданию микропроцессорных систем управления прихо­дится на разработку их математического обеспечения;

чувствительность к помехам, которые могут вызывать сбои в работе системы. Это особенно важно для автомобильных микро­процессорных систем управления, поскольку работа агрегатов автомобиля сопровождается значительными помехами в его борто­вой сети, а также полевыми (электромагнитными) помехами. Для устранения этого недостатка в настоящее время большое внимание уделяется разработке помехоустойчивых алгоритмов, т. е. таких, которые способны восстанавливать свою работу после непредви­денных сбоев [2].

Непрерывное совершенствование технологии производства элек­тронных приборов, в том числе элементов микропроцессорных систем управления, обусловливает снижение их стоимости и создает благоприятные предпосылки для расширения их примене­ния. Однако микропроцессорные системы целесообразно использо­вать в первую очередь для систем управления агрегатами автомо­биля со сложными алгоритмами. К таким системам следует отнести антиблокировочные системы управления тормозными меха­низмами, системы управления гидромеханическими и автоматизи­рованными механическими передачами и, конечно, комплексные системы управления несколькими агрегатами.

Одной из основных проблем создания микропроцессорных систем является разработка и реализация оптимального алгоритма управления. Многие различные микропроцессорные системы отли­чаются одна от другой в основном составом датчиков и видом алгоритма функционирования, который зависит от целевого назна­чения системы и сложности решаемых ею задач.

 


Содержание раздела

---

---