Тема 1. Загальні відомості про вбудовані комп'ютерні системи

Вбудована система керування (ВСК) - система керування, конструктивно інтегрована в устаткування. (Система керування (СУ) - пристрій або група пристроїв, призначених для маніпулювання поводженням деякого об'єкта керування). Приклад: система керування, вбудована в статистичний споживач частоти для асинхронних двигунів - мікроконтролери ЕОМ з набором інтерфейсів для керування інверто­ром, приводом у цілому, взаємодії з оператором (пульт керування). Обов'язковий для багатьох ВСК компонент - інтерфейс із системою керування більш високого рівня (промисловим контролером або промисловим комп'ютером). Наявність такого інтерфейсу дозволяє вирішувати завдання комплексної автоматизації групою одиниць технологічного устаткування, іншими словами, будувати розподілені системи керування.

Залежно від складності завдання, вбудовані системи керування можуть бути:

• одно- або багатопроцесорні;
• одно- або багаторівневі.

Нижній рівень - багаторівневої СК вирішує завдання безпосе­реднього керування окремими компонентами устаткування, а верхній рівень - завдання: 1) загального керування в реальному часі, 2) зв'язку з оператором, 3) зв'язку із системою керування більш високого рівня та ін.

Типові приклади систем з ВСК - верстати із числовим програм­ним керуванням, роботи, автомобільна і авіатехніка, побутова елект­роніка, системи зв'язку.

Для багаторівневих систем керування зараз простежується тен­денція оформлення систем керування середнього рівня в самостійний конструктив для монтажу в стійки або панелі керування (настільні, настінні). Такі пристрої одержали назву індустріальних робочих станцій, індустріальних комп'ютерів, панельних комп'ютерів, промис­лових комп'ютерів. Підключення комп'ютерів нижнього рівня до системи середнього рівня може здійснюватися:

• через стандартний послідовний або паралельний інтерфейс;
  • шляхом їх приєднання до системної шини як спеціалізованих пристроїв з'єднання з об'єктом керування (модулі керування спеціальними операціями).

Індустріальні комп'ютери, як правило, мають великий набір ста­ндартних операцій, що робить їх універсальними засобами керування (на середньому рівні) для широкого кола застосувань. Проте, на нижньому рівні керування в більшості випадків потрібна розробка спеціалізованих контролерів (вбудованих), що можуть виконувати лише фахівці в даній предметній області, які добре розуміються на особливостях об'єкта керування й можуть запропонувати та реалізува­ти весь комплекс необхідних алгоритмів керування об'єктом.

Важливою відмінністю промислового контролера від промисло­вого комп'ютера є адаптація мови програмування під конкретну область застосування. Більшість промислових комп'ютерів Зіетепє, Auer Bredley, Fanuc, ABB та ін. є програмованими логічними контро лерами (PLC) і мають вбудовані інтерпретатори з мови релейної автоматики або Булевої алгебри. Ці мови дозволяють інженеру, не знайомому з програмуванням комп’ютерів загального призначення, виконати програмування подібної системи керування.

Таким чином, однорівневі системи керування виконуються пе­реважно на базі однокристальних мікро-ЕОМ (мікроконтролерів), а багаторівневі припускають використання на середньому рівні багато- платних миікро-ЕОМ типу промислового програмованого контролера або промислового комп'ютера.

До складу вбудованої системи керування крім мікропроцесора (однокристального мікроконтролера) входять додаткові елементи пам'яті, периферійні інтерфейси великих інтегральних мікросхем для органічної сполуки з датчиками, об'єктами керування, системами керування більш високого рівня.

З погляду виробників мікропроцесорної техніки всі завдання, які розв'язуються вбудованими системами, поділяються на два великих класи:

1. керування подіями в реальному часі;
2. керування потоками даних.

Будь-який клас завдань висуває специфічні вимоги до мікро­процесора (мікроконтролера). Це відбивається у наборі функцій, реалізованих на кристалі та у системі команд.

До першого класу (керування подіями в реальному часі) нале­жать завдання, які вимагають швидкої реакції мікропроцесорної системи на зміну зовнішніх умов (спрацьовування датчиків, зміна параметрів). Це, наприклад, системи керування приводами, роботами, системи розподіленої автоматизації. Такі завдання, як правило, вимагають використання мікроконтролерів з великим обсягом інтегрованої периферії (включаючи пам'ять і пристрій виводу). Обсяг пам'яті може бути невеликий (до 32 Кб - достатньо для реалізації алгоритму керування). Наприклад, Mel MCS-51/151/251 (8 біт), MCS- 96/196/296 (16 біт).

До другого класу (керування потоками даних) належать завдан­ня, які вимагають швидкої обробки значних обсягів інформації.

Наприклад, у мікропроцесорній системі підтримки комп'ютерних мереж, системах керування літальними апаратами, рухомим складом, системах обробки відеозображень - мікропроцесори виконують безліч обчислювальних операцій, у тому числі із плаваючою точкою. Для рішення такі завдання потрібно високопродуктивний процесори (32/ 64-розрядний). Наприклад, в Іиїеі 80С186, 386ЕХ - 16/ 32-розрядні мікропроцесорні РС-подібної архітектури, і960 (побудованої за ИКС- технологїєю).

Отже, нижній рівень керування будується, в основному, на базі однокристальних мікро-ЕОМ або мікроконтролерів. Можуть також застосовуватися закінчені одноплатні системи керування на їхній основі, які випускаються рядом фірм як контролери-прототипи.

Контрольні питання 

1. Що таке "мехатроніка"?
2. У чому полягає специфіка вбудованих комп'ютерних систем у загальному класі комп'ютерних систем?
3. Яким чином можна класифікувати вбудовані комп’ютерні сис­теми?
4. Які класи завдань вирішують вбудовані комп'ютерні системи?
5. Що таке ПЛІС? У чому її відмінності від мікроконтролерів і звичайних інтегральних схем?
6. Яка архітектура типової багаторівневої системи керування?
7. У чому відмінність програмувального мікроконтролера від комп’ютера загального призначення та від промислового ком­п'ютера?
8. Які принципові розходження в структурі універсальних і вбудо­ваних мікропроцесорних систем?
9. Що входить до складу типової вбудованої системи керування?