Пристрій та принцип роботи контролерів
Контролери являють собою мікропроцесорні пристрої, що виконують певні дії за закладеною в них програмою. Насправді, контролери мало чим відрізняються від мікро-ЕОМ (комп'ютерів) і мають однакові з ними основні вузли. Контролери, як і більшість існуючих на сьогоднішній день ЕОМ, побудовані за архітектурою фон Неймана: вони містятьпроцесор (блок управління + арифметико-логічний пристрій),пам'ятьтапристрою введення- виведення. На рис. 1.1 наведено загальну структурну схему контролера. Однак слід зазначити, що конкретні моделі контролерів можуть не цілком відповідати наведеній схемі.
Мал. 1.1. Загальна структурна схема програмованих
Розглянемо основні елементи контролерів, що наведені на рис. 1.1.
Процесор. Основна частина будь-якої ЕОМ, його функція – виконувати команди, записані у пам'яті. Тип процесора не є основною характеристикою контролерів (на відміну від персональних комп'ютерів), оскільки зазвичай від контролерів не потрібно дуже високої швидкодії; часто тип процесора навіть не вказується у документації до контролера. Однак останнім часом розвиваються так звані SCADA-системи (системи контролю управління та диспетчеризації), які висувають нові вимоги до контролерів, зокрема, підтримку сучасних мережевих технологій (Ethernet) та багатозадачність. Тому в сучасних контролерах можуть застосовуватися досить досконалі процесори, наприклад, Intel Pentium III та ін.
Пам'ять (ОЗУ та ПЗУ). Функція пам'яті – зберігати програму та дані. Зазвичай контролери не мають великогообсягу пам'яті, оскільки вони працюють під управлінням спрощених вузькоспеціалізованих операційних систем із досить скромними запитами. Програма контролера також займає великого обсягу. Отже, контролери не мають жорстких дисків (у них немає потреби). Щоб контролер не «забував» програму при вимкненні живлення, пам'ять може бути енергонезалежною (EPROM, Erasable Programmable Read Only Memory), це альтернатива жорстким дискам, простіша і дешевша, але з малою ємністю. Об'єм пам'яті не є важливою характеристикою контролера. Він може бути, наприклад, кілька кілобайт (у персональних комп'ютерів обсяг пам'яті становить близько сотень мегабайт, тобто в сотні тисяч разів більше).
Клавіатурно-дисплейний модуль (КДМ). Призначений для керування контролером, введення команд, програмування, моніторингу. Не дуже зручний для виконання перелічених функцій, оскільки зазвичай контролери можуть підключатися до комп'ютерів, що виконують ті самі функції. Зазвичай, КДМ застосовується налаштування контролера «на місці», тобто. досить нечасто. З цієї причини КДМ зазвичай невеликий та простий.
Порти введення-виведення. Вони служать для перетворення двійкової інформації на будь-які фізичні сигнали (як правило, на дискретні електричні) і назад. Порти є невід'ємною частиною будь-якого мікропроцесорного пристрою, а контролер вони виконують функцію введення даних і видачі керуючих впливів. Зовнішні пристрої, як правило, не підключаються до шини контролера безпосередньо, оскільки їх рівні сигналів зазвичай не збігаються з рівнями сигналів шини контролера (лог.0 – 0,2, лог.1 – 5). Крім того, підключення пристроїв до шини без гальванічної розв'язки небезпечне, оскільки будь-які види перешкод (через наведення, пробоїізоляції, коротких замикань і т.д.) надходили б безпосередньо до контролера, що призводило б до його нестійкої роботи і навіть до виходу з ладу. Тому порти вводу-виводу забезпечують, по-перше, необхідне перетворення рівнів сигналів, і, по-друге, гальванічну розв'язку.
Дискретні вхідні сигнали, як правило, несуть інформацію про замикання або розмикання будь-якого контакту (рис. 1.2).
Мал. 1.2. контролер із двома дискретними входами
та з двома релейними виходами
Дискретні вихідні сигнали є керовані контролером «ключі», здатні замикати або розмикати ланцюг (рис. 1.2). Дискретні виходи можуть бути релейними чи транзисторними. Транзисторні виходи мають високу швидкодію і безшумність. Релейні виходи досить повільні і спрацьовують із характерними для реле гучними «клацаннями», проте вони можуть комутувати ланцюги з великою напругою, наприклад, 220 В.
Аналогові вхідні сигнали несуть змінну інформацію у формі струму або напруги. Аналоговий сигнал може приймати довільне значення певного діапазону, наприклад, від 0 до 12 В. Такий сигнал не може безпосередньо сприйматися контролером, оскільки контролер оперує дискретною (двійковою), а не аналоговою інформацією. Для перетворення аналогового сигналу цифровий контролери оснащуються аналого-цифровими перетворювачами (АЦП). На кожен аналоговий вхід контролер містить окремий АЦП.
Аналогові вихідні сигнали формуються в цифро-аналогових перетворювачах (ЦАП), які перетворюють двійковий цифровий код аналоговий сигнал. Слід зазначити, що АЦП і ЦАП можуть і перебуває безпосередньо всередині контролерів, а підключатися як додаткові модулі. АЦП та ЦАПрозглядаються у розділі 3.
Мал. 1.3. Паралельна (а) та послідовна (б) передачі даних
Інтерфейс призначений для зв'язку контролера з комп'ютером чи іншими елементами автоматизованої системи. Під інтерфейсом розуміють уніфікований апаратно-програмний пристрій для передачі інформації. Тобто два різних пристрої, які мають один інтерфейс, можна підключити один до одного для обміну інформацією. Уніфікація інтерфейсів забезпечує сумісність пристроїв, що підключаються. Контролери можуть мати різні інтерфейси. Зазвичай контролери підключаються через інтерфейс ПЕОМ (рис. 1.1) для програмування та/або моніторингу роботи, але можуть підключатися також і до інших пристроїв і навіть до комп'ютерних мереж. Очевидно, що ПЕОМ, до якої здійснюється підключення, повинна мати відповідний інтерфейс. Основні типи інтерфейсів розглянуті у розділі 4.