Пример применения маловыводного МК в составе промышленного контроллера с большим количеством линий ввода/вывода.

Ниже рассмотрена реализация контроллера управления и монито­ринга параметров автономных ди­зельных электроагрегатов на основе МК модели MC908QY4A/QY8A. Техни­ческие требования к контроллерам управления автономными дизельны­ми электростанциями имеют следую­щие особенности:

• необходимость работы в широком диапазоне питающих напряжений.
  Первичным источником питания контроллера является аккумуля­торная батарея. При её номиналь­ном напряжении 24 В диапазон ра­бочих напряжений контроллера должен составлять от 17 до 34 В. Во время пуска агрегата возможны провалы питающего напряжения продолжительностью 100...200 мс в течение которых контроллер дол­жен сохранять полную работоспо­собность;
• достаточно большое число дис­кретных входов и выходов. Так, в
  спроектированном контроллере число дискретных входных адап­теров равно 20, число выходных релейных адаптеров с коммути­руемым током 5 А составляет 12. Входные адаптеры должны обра­батывать сигналы в диапазоне напряжений аккумуляторной ба­тареи, должны быть рассчитаны на значительную длину соедини­тельных проводов (несколько метров) и, как следствие, импульс­ные помехи несколько десятков вольт;
• контроллер должен обслуживать до 20 светодиодных индикаторов и цифровой светодиодный индика­тор на 5 знакомест;
• контроллер должен реализовывать достаточно «медленный» ал­горитм работы, который описы­вается разветвлённым конечным автоматом. Время распознавания входных событий составляет не менее 100 мс, время реакции на аварийные сигналы и задержки подачи управляющих сигналов в процессе пуска и останова дизель­ного агрегата отсчитывается в се­кундах;
• контроллер, включая блок пита­ния и все элементы индикации, должен быть выполнен на одной плате с размерами не более 100 х 100 мм, что обеспечит воз­можность его встраивания в пуль­ты управления дизельных элект­ростанций различной мощности, вплоть до бытовых.

Требования к габаритам изделия и существенные ограничения, вызван­ные топологией расположения эле­ментов индикации в соответствии с панелью управления дизельным аг­регатом, потребовали проведения тщательного анализа возможных ре­шений проектируемого контроллера на структурном уровне.

Первый, традиционный вариант структурного исполнения (см. рис. 31) - использование МК с боль­шим количеством линий ввода/вы­вода. При кажущейся очевидности и простоте этот вариант имеет ряд существенных недостатков. Во-первых, МК с большим числом ли­ний ввода/вывода (80... 100) облада­ют большим объёмом памяти (32...60 Кб), что ведёт к удорожа­нию элементной базы изделия. Во-вторых, все линии ввода должны быть снабжены помехозащищёнными адаптерами, что увеличивает габариты изделия.

Рис. 31. Функциональный ряд контроллера с параллельной загрузкой адаптеров ввода-вывода.

Второй вариант структурного ис­полнения (см. рис. 32) - использова­ние МК в маловыводном корпусе и периферийных ИС, осуществляю­щих обмен данными с МК по после­довательному интерфейсу. Этот вари­ант позволяет выбрать МК в низкой ценовой группе (в проекте использо­ван MC68HC908QY4A/QY8A с автомо­бильной приемкой), а также сущест­венно уменьшить число соедини­тельных проводов на плате (в спроек­тированном варианте 18 линий вмес­то 88).

Выбор периферийных ИС с после­довательным интерфейсом - реша­ющий фактор для разработки эф­фективного схемотехнического ре­шения контроллера второго типа. Причём появление на рынке специ­альных интерфейсных компонентов с широким диапазоном напряжений питания, повышенной помехозащи­щенностью и автоматическим энер­госбережением, которое защищает компонент от перегрева, позволя­ет не только компактно решить функ­циональные задачи, но и по-другому подойти к проектированию системы питания контроллера.

При разработке рассматривались три способа реализации периферии с доступом по последовательному интерфейсу.

Первый способ заключается в ис­пользовании интерфейсных компо­нентов, питание входных и выход­ных цепей которых может осущес­твляться непосредственно от источ­ника нестабильного высокого нап­ряжения (17...34 В). При этом интер­фейс последовательного обмена пи­тается от стабилизированного ис­точника для МК. Примером такого компонента может служить ИС МС33972 фирмы Freescale Semicon­ductor.

Второй способ - это использова­ние в качестве интерфейсных ком­понентов стандартных цифровых ИС общего применения, например, последовательных регистров. Для формирования стабилизированного напряжения питания 5В ±10% используются ИС аналогового стабилизатора.

И, наконец, третий способ - ис­пользование всё тех же регистров, но с питанием от DC/DC-преобразователя.

Каждый из этих способов имеет свои достоинства, недостатки и гра­ницы применения, которые мы по­пытаемся определить.

Рассмотрим первый способ. Выбор микросхемы МС33972 в качестве ин­терфейсного компонента не случаен. Основное преимущество этой ИС за­ключается в том, что её выводы могут работать как на выход с токовой на­грузкой до 16 мА и коммутируемым напряжением до 40 В, так и на вход с диапазоном напряжений 0...40 В. Единственный недостаток ИС состо­ит в том, что значения токов отсечки выходов не регулируются плавно, а выбираются из двух возможных зна­чений: 2 или 16 мА (задаётся програ­ммно по интерфейсу SPI). Поэтому, несмотря на то, что на выводах реа­лизован режим источника тока, ис­пользование ИС в качестве драйвера светодиода с номинальным током 10 мА требует включения в цепь свето­диода балластного резистора.

Решение на основе ИС МС33972 об­ладает рядом существенных преиму­ществ:

• компактностью. Каждая ИС обслу­живает до 22 входов или выходов с током нагрузки до 16 мА и комму­тируемым напряжением до 40 В.

При этом корпус ИС может рассе­ять мощность до 1,7 Вт, что доста­точно для сохранения рабочей температуры корпуса даже при нагрузке всех выводов максималь­ным ТОКОМ;

• универсальностью. Все выводы ИС являются двунаправленными.

Рис. 32. Функциональная схема контроллера с последовательной загрузкой адаптеров ввода/вывода

Причём при использовании драйвера ввода осуществляется автоматическое детектирование изменения логического уровня входного сигнала. Порог сраба­тывания равен 4 В, что позволяет работать с зашумленными сигна­лами;

• упрощение системы питания. Входные и выходные каскады мно­гочисленных адаптеров ввода/вы­вода питаются непосредственно от нестабилизированного источни­ка повышенного напряжения, что позволяет выполнить источник пи­тания «цифрового ядра» проекти-руемого контроллера на основе ИС маломощного аналогового стабилизатора

Альтернативным решением может быть применение в качестве интер­фейсных компонентов последова­тельных сдвиговых регистров, пита­ние которых осуществляется от маломощного стабилизатора на­пряжения. Главное преимущество данного способа - низкая стои­мость. Но при этом у него есть суще­ственные ограничения. Во-первых, регистры могут использоваться только в качестве выходов. Во-вто­рых, при большом числе линий вы­вода затруднено использование аналогового стабилизатора напря­жения из-за возрастания тока по­требления по цепи 5,0 В. Однако проблема с питанием контроллера может быть решена применением DC/DC-преобразователя необходи­мой мощности.

На рисунке б представлен график с примерными ценами на МК вместе с интерфейсными компонентами в за­висимости от общего количества вы­водов промышленного контроллера. Из графика можно сделать вывод, что в секторе А, т.е. при малом количестве линий ввода/вывода, приемлемы все три рассмотренных варианта испол­нения контроллера. При большом ко­личестве линий ввода/вывода, т.е. в секторах В и С, третий вариант (с применением DC/DC-преобразовате­ля) становится заметно дороже двух других. Первый и второй варианты исполнения примерно одинаковы по затратам, но, как было отмечено ра­нее, первый вариант (с использова­нием МК с большим количеством линий ввода/вывода) уступает по по­мехоустойчивости и габаритам. По­этому контроллер с большим числом дискретных входов и выходов был ре­ализован на основе маловыводного МК MC68HC908QY4A/QY8A и ИС ин­теллектуальной периферии МС33972.

Рис. 33. Зависимость стоимости основных комплектующих от числа линий ввода/вывода контроллера

Стоимость 1 - стоимость МК в зависимости от количества линий ввода/вывода. В секторах А и В задействуются восьмиразрядные МК, а в секторе С - шестнадцатиразрядные (1 - MC68HC908JL3E, 2 - MC68HC908MR16, 3 - MC912D60A, 4 - MC9S12A256);

Стоимость 2 - стоимость МК MC68HC908QY4 плюс стоимость ИС МС33972 в зависимости от их количества, т.е. от общего числа выводов;

Стоимость 3 - стоимость последовательных регистров МС74НС589А плюс стоимость МК типа MC68HC908QY4 плюс стоимость элемента питания (аналоговый стабилизатор или DC/DC-преобразователь), в зависимости от количества регистров, т.е. от общего числа выводов. В секторе А для питания схемы используется аналоговый стабилизатор напряжения, а в секторах В и С - DC/DC-преобразователь (предполагается, что по каждому выходу потребляется ток 10 мА).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: